ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА И МАТЕРИАЛА СМАЗОЧНОГО ВЕЩЕСТВА НА ЭНЕРГОСИЛОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАВИВНЫХ  ВИНТОВЫХ ЗАГОТОВОК

 

Васылькив В.В., Бобрык В.В. (ТНТУ имени Ивана Пулюя, г. Тернополь, Украина)

 

The influence of the heating temperature and the material of grease to the power parameters of the process of winding the strip on the edge of the manufacture of screw blanks is considered.

 

В современном машиностроении широко используют детали типа шнеков. Для их изготовления используют винтовые заготовки (ВЗ), выполненные в форме винтообразной ленты, а также шнековые заготовки. Конструктивными и технологическими признаками последних является наличие витков, расположенных по винтовой поверхности в продольном направлении с большим шагом. По конструктивному признаку они бывают цельными, когда витки спирали выполнены за одно целое с валом, и комбинированными, в которых ВЗ, приваренная ручной или автоматической сваркой к цельному или пустотелому валу (трубе).

К настоящему времени в металлообработке сформировался значительный массив многообразий способов изготовления ВЗ [1]. Самым прогрессивным и экономичным способом изготовления таких заготовок является навивка на ребро сплошной полосовой ленты на вращающуюся оправку с помощью обжимного ролика, ось вращения которого направлена перпендикулярно оси оправки. В таком случае изготовляют, так называемые, навивные винтовые заготовки (НВЗ). Прерывистая навивка стальных лент с удельной высотой сечения В/Н = 10…15 позволяет получать высококачественные спирали с низкими энергозатратами.

Так как в современном производстве применяют детали типа шнеков с большим наружным диаметром и малым внутренним диаметром винтовой спирали и соответственно высоким коэффициентом неравномерности вытяжки, то производство таких спиралей из полосовой заготовки возможно только из высокопластичных материалов. Наиболее часто используемым материалом для производства винтовых спиралей является сталь 08кп и Ст. 3. Для этих сталей, в ранее выполненных исследованиях процессов навивки в специальных приспособлениях, установлены граничные геометрические параметры винтовых заготовок, ограниченные возможными деформациями наружных слоев и ресурсом пластичности материала [1].

Однако возможности гибки полос на ребро могут быть расширены за счет использования горячего деформирования. Наличие смазки позволяет существенно уменьшить момент навивки и соответственно энергетические затраты на формообразование спирали. Использования более дешевой стали 20 позволяет снизить себестоимость винтовых изделий.

Целью работы является исследование влияния температуры нагрева и материала смазочной вещества на энергосиловые параметры процесса изготовления НВЗ из закрытой навивкой способом навивки на ребро сплошной полосовой ленты из стали 20 на вращающуюся оправку с помощью обжимного ролика, ось вращения которого направлена перпендикулярно оси оправки используя моделирование технологического процесса в программном комплексе QForm.

В последние10-15 лет при разработке новых технологий штамповки, в частности объемной, все большее применение находят методы математического моделирования, например основанного на методе конечных элементов. Этот метод был положен в основу таких систем предназначенных для моделирования технологических процессов объемной и листовой штамповки, как QFORM (Россия), DEFORM (США), FORGE (Франция).

С помощью системы QFORM моделировали процесс навивки на оправку обжимным роликом (рис. 1), ось вращения которого направлена перпендикулярно оси оправки (Пат. Украины №54140). Он выполнен ступенчатым, причем цилиндрической поверхностью ступени меньшего диаметра сопрягается с торцевой поверхностью навиваемой спирали. Кроме того, торцевой частью большей ступени сопрягается с ребром полосы и с оправкой образует калибр, высота которого равна высоте спирали. Направляющий ролик установлен соосно с обжимным роликом и образует с ним калибр для направления полосы. Оправку устанавливали в шпинделе, а ролик - на суппорте токарного станка 16К20Ф3. Рабочая подача суппорта соответствовала толщине материала навиваемой полосы, а частота вращения шпинделя была минимальной - .

Исследование процессов навивки на ребро полосовых заготовок сечением 25мм×4мм на оправку диаметром 60мм осуществлялось при температурах нагретой полосы 900, 1000, 1100 и 1200˚С. Для этого использовали нормализованную полосу по ГОСТ1577-81. Механические свойства стали марки 20: при 900С˚ временное сопротивление разрыву σВ =75 МПа, относительное удлинение δ5 =55%, при 1000С˚ σВ =47 МПа, δ5 =63%, при 1100С˚ σВ =30 МПа, δ5 =59%, при 1000С˚ σВ =20 МПа, δ5 =64%.

В качестве смазочных материалов использовали: водографитовою смазочно-охлаждающую жидкость Графитол-В (разбавленный дистиллированной водой  в соотношении 1/30), солевой смазочный материал в виде водной суспензии соли с добавкой азотнокислого натрия (в состав входят 87% воды, 10% соли и 3% азотнокислого натрия), смазочный материал Оксидол-В на основе стекла (стеклосмазка с добавками высокодисперсного полимера в составе которой  обычно используют стекла, содержащие 30 - 70 % SiO2; 0 - 25 % Na2O; 0 - 25 % К2О; 0 - 10 % LiO2; 0 - 20 % СаО; 0 - 23 % А12О3; 0 - 6 % MgO; 0 - 40 %).

 

Рисунок 1 - Технологическое приспособление для гибки полосы на ребро при изготовлении винтовых заготовок

 

Как известно количественным показателем, характеризующим эффективность смазки, является величина показателя трения.

Для задания граничных условий на контактной поверхности в системе QFORM использована модель А.Н. Леванова [2], учитывающая связь между контактным касательным напряжением  и нормальным давлением  на контактной поверхности:

,                                    (1)

где  – напряжение текучести в слое деформируемого метала, расположенного вблизи контактной поверхности, m – фактор трения.

Поэтому, в качестве показателя трения принимали при выполнении расчетов величину фактора трения.

Для смазочного материала в виде стеклосмазки фактор трения m=0.1, эффективный коэффициент теплопередачи сэф=1700 Вт/ммК, действительный коэффициент теплопередачи сд1=7000 Вт/ммК, для водной суспензия соли m=0.7, сэф=4500 Вт/ммК, сд1=4500 Вт/ммК, для водографитовой  жидкости m=0.4, сэф=3000 Вт/ммК, сд1=3000 Вт/ммК. В случае отсутствия смазочного материала m=0.8, сэф=5000 Вт/ммК, сд1=5000 Вт/ммК.

Параметры использованного инструмента следующие: диаметр цилиндрической поверхности обжимного ролика  92 мм, диаметр торцевой части большей ступени – 134 мм, диаметр направляющего ролика – 23 мм, диаметр торцевой части направляющего ролика – 33 мм.

 

а                                                                     б

Рисунок 2 - Зависимость мощности (а) и момента (б) навивки от количества n навитых витков для стали 20 при смазке стеклосмазкой при температуре: 1 – 900˚С, 2 - 1000˚С , 3 - 1100˚С , 4 - 1200˚С

 

В результате экспериментальных исследований получены винтовые заготовки трапециевидного сечения спирали из высотой витка мм, толщиной витка у внешнего края мм, толщиной витка у внутреннего  края мм. При этом значительное отклонение геометрических параметров спирали соответствует неустойчивому начальному  этапу процесса навивки полосы на длине образования полувитка, эта обусловлено тем, что на начальном этапе навивки возможно опрокидывание навитой части спирали и деформаций места зажима полосы на оправке. В дальнейшем, имеет место стабилизация геометрических параметров, поэтому для повышения точности навивки необходимо использовать дополнительный механизм осевого поджатия витков спирали при изготовлении заготовки из удельной высотой сечения В/Н > 5.

Рисунок  3 - Зависимость момента навивки полосы на оправку от темпера-туры нагрева заготовки и использованных смазочных материалов: 1 – стеклосмазка с добавками высокодисперсного полимера Оксидол-В; 2 – воднографитовая смазочно-охлаждающая жидкость Графитол-В2;  3 –  без смазки;  4 –  водная суспензия соли с добавкой азотнокислого натрия

Установлено, что при прочих равных условиях вследствии изменении температуры деформации от 900˚С до 1200˚С снижение момента навивки превышает 40% (рис. 2). А использование смазок позволяет увеличить качество винтовых изделий и достичь уменьшения момента навивки до 25% (рис. 3).

Таким образом, на основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

            при изготовлении НВЗ из удельной высотой сечения более 5 ед. необходимо использовать дополнительный механизм осевого поджатия спирали вблизи зоны деформации полосовой заготовки;

            существенного снижения момента навивки полосы можно достичь использованием нагрева полосы в интервале 1100-1200˚С и смазок на основе стекла и графита, а также на основе графита и воды.

Список использованных источников

1.                        Пилипець М.І. Науково-технологічні основи виробництва навивних заготовок деталей машин: Дис... д-ра техн. наук: 05.02.08 / Тернопільський держ. технічний ун-т ім. Івана Пулюя. - Т., 2001. - 345с.

2.           Леванов А.Н., Колмогоров В.Л., Буркин С.П., Картак Б.Р., Ашпур Ю.В., Спасский Ю.И. Контактное трение в процессах обработки металлов давлением. -М.: Металлургия, 1976. -416 с.