CC BY
74
УДК 621.7 ББК К5
Л. С. Курбатова
Анализ применения вспомогательной оснастки для сборочных и резьбонарезных операций
В статье представлен анализ существующих типов вспомогательной оснастки и определены задачи и функции ее в технологической системе станка для сборочных и резьбонарезных операций.
Ключевые слова: вспомогательный инструмент, сборка, резьбообразование, патрон, инструмент, взаимосвязь, технологические функции.
L. S. Kurbatova
Analysis of auxiliary fittings application for assembly and thread-cutting operations
In clause the analysis of existing types of auxiliary equipment is presented and problems and its functions in technological system of the machine tool for assembly and thread-forming operations are certain.
Key words: the auxiliary tool, assembly, thread-forming, cartridge, the tool, interrelation, technological functions.
Одним из обязательных условий выполнения основных задач повышения качества продукции и эффективности производства является совершенствование технологий на основе применения прогрессивного режущего и вспомогательного инструмента и другой технологической оснастки [2].
Вспомогательный инструмент на металлорежущем оборудовании обеспечивает правильную установку и закрепление режущего инструмента. Во многих случаях он определяет точность и производительность обработки, позволяет осуществлять настроечные операции и концентрировать процесс изготовления деталей. Расширяются также технологические возможности станков, повышается уровень механизации и автоматизации производственных процессов и оборудования.
Внутренняя резьба в отверстиях образуется в результате механической обработки разными инструментами и в процессе сборки соединений с помощью резьбоформирующего крепежа. На рис. 1 представлена схема возможных областей применения патронов для внутреннего резьбообразования и сборки соединений.
Рис. 1. Область применения патронов
Различие в типах соединений и инструментов требует решения довольно широкого диапазона технологических задач. Но, наряду с этим, существует масса общих вопросов, которые должны решать патроны как для резьбообразования метчиками, так и самонарезающим крепежом. Например, повышение точности положения оси инструмента, стабилизация крутящего момента, устранение изгибающих нагрузок и т. д.
Различные типы инструмента и крепежа можно легко свести к использованию единой серии патронов за счет сменных инструментонесущих вставок.
Образование внутренней резьбы в настоящее время производится в основном двумя методами -нарезанием и выдавливанием. Оба метода широко распространены и достаточно изучены. Они имеют как общие, так и различные условия реализации. Наличие крутящего момента и требование приложения осевой силы для наживления необходимы в том и другом случаях. Но есть разница в уровнях указанных факторов, кроме того, существуют различные картины силовых воздействий в зоне формирования резьбы. Последнее объясняет некоторые отличия в технологическом обеспечении процессов - назначение разных скоростей, способов подготовки отверстий, типов применяемых смазок, разных значений осевых усилий, смещений, перекосов и т. д.
Для исследования области применения патронов определим возможные разновидности металлорежущего оборудования, вспомогательного инструмента и инструмента. В качестве средств механизации и автоматизации сборки резьбовых соединений применяют ручную монтажную оснастку, механизированные установки, полуавтоматы и автоматы. Резьбонарезание концевым инструментом производят на универсальных, агрегатных, специальных и многооперационных станках. К ручной оснастке можно отнести различные ключи, метчикодержатели и ручные патроны. К механизированным установкам относятся резьбонарезные электрические и пневматические машины, резьбозавертывающие установки, например ПС-40, ПС-92, ПС-95, ПС-199 и др. по ГОСТ 21538 - 76. Для завертывания шпилек в производствах с малыми годовыми программами до 50 тыс. узлов по 2-4 шпильки рекомендовано применение ручных механизированных инструментов.
Применение полуавтоматов рекомендуется для производств с программами порядка 100 тыс. узлов. Автоматы целесообразно применять при одновременном завертывании в базовую деталь небольшого количества шпилек (2-8 штук) в производстве с программой 100.. .150 тыс. узлов и более. Объединив все перечисленное оборудование и оснастку, получим шесть основных групп с обозначением О; (;=6):
- ручная оснастка (О1);
- механизированный инструмент, в том числе резьбонарезные и завертывающие приводные агрегатные головки, одиночные и групповые шпилько-, гайковерты и т. д. (О2);
- универсальные станки, токарные, вертикально-, радиально-сверлильные (О3);
- автоматы и полуавтоматы резьбонарезные и завертывающие (О4);
- агрегатные и специальные станки для позиционного и группового процесса (О5);
- многооперапионные станки с программно-позиционным процессом (О6).
Разобьем всю номенклатуру инструментов и крепежа, согласно рис. 2, на восемь основных групп, обозначая их Рk ^=8):
- метчики и раскатники (Р1);
- плашки (Р2);
- болты (Р3);
- винты для отверстий с резьбой (Р4);
- гайки (Р5);
- шпильки для отверстий с резьбой (Р6);
- самонарезающие винты (Р7);
- деформирующие шпильки (Ре).
Роль вспомогательной инструментальной оснастки, в том числе и патронов, в реализации резьбовых процессов сводится к посреднической миссии в установлении взаимосвязей между оборудованием и инструментальной номенклатурой.
Для систематизации этих взаимосвязей необходимо установить типаж вспомогательной оснастки. Из всей номенклатуры ручной, механизированной и автоматизированной вспомогательной оснастки можно выделить шесть основных типов:
- головки ручные монтажные (И1);
- переходные оправки (адаптеры) для жесткой установки инструмента в шпиндель (И2);
- патроны для резьбовых процессов (И3);
- консоли для резьбовых процессов удерживающе-направляющие (И4);
- пиноли резьбонарезные (И5);
- наконечники и питатели механических отверток (И6).
Наименьшее распространение в литературе имеют консоли для подвешивания, направления и ориентирования инструментов, оправок, патронов и даже сборочных головок. Они представляют
собой жесткий цилиндрический корпус, внутри которого ходит направляемый элемент, либо скаль-чато-втулочную конструкцию. Консоли жестко крепятся к пинолям или корпусам силовых головок.
Если расположить все указанные типы вспомогательной оснастки между разными типами оборудования и инструментов, можно определить характер взаимосвязи указанных типов. Подобная схема связей основана на характерной области применения типов вспомогательной оснастки и будет иметь вид, представленный на рис. 2.
Рис. 2. Сеть взаимосвязей вспомогательной оснастки, оборудования и инструментов
Введем такое понятие, как «плотность взаимосвязи объектов». За объекты примем оборудование и номенклатуру инструментов. Примем также, что ;=6 - общее число типов оборудования; ]=6 - число типов вспомогательной оснастки; к=8 - число типов инструмента и крепежа.
Из схемы видно, что наибольшей плотностью взаимосвязи обладают два объекта И1 и И3 (по 6 и 7 выходов на разные типы инструментов соответственно). Их можно описать матрицами связи, представленными на рис. 3.
Если допустить, что на одном виде оборудования возможно использовать 2-3 единицы инструмента (с переустановкой инструментодержателей), то плотность связи вспомогательной оснастки между оборудованием и инструментом можно определить показателем
о.. • с:
(1),
где - сумма числа сочетаний всей номенклатуры инструментов по каждому типу оборудова-
1=1
ния с учетом 3-х возможно применяемых на одном типе оборудования;
О - общее число типов оборудования;
С - общее число сочетаний всех восьми типов инструмента по 3 одновременно используемым на одном типе оборудования.
Иі
\ і К\ 1 2 3 4 5 6
1 1 1 1 3
2 1 1 1 3
3 1 1 * 2
4 1 1 * 2
5 1 1 * 2
6 1 1 * 2
7
8
6 6 2 2;к=14
Из
\ і К\ 1 2 3 4 5 6
1 1 1 1 1 1 5
2 1 1 1 1 * 4
3 1 1 1 1 * 4
4
5 1 1 1 1 1 5
6 1 1 1 1 1 5
7 1 * * * * 1
8 1 1 1 * * 3
7 6 6 5 3 2а=27
- недопустимые и недостижимые результаты
Рис. 3. Матрицы связи
Значение числа сочетаний определяется по известной формуле [8]:
Гк К!
^ и _
(2)
п! (к - и)!
где п = 3 - число одновременно используемых инструментов на одном типе оборудования.
Наибольшей плотностью взаимосвязи, определенной по формуле (1), обладают Рп= 0,119 (Иі) и Рп= 0,253 (И3). Таким образом, патроны обладают наибольшей областью технологического использования в формообразующих и сборочных процессах.
В системе Список-Приспособление-Инструмент-Деталь (СПИД) патроны выполняют ряд важных функций, направленных на повышение стабильности технологических процессов, обеспечивая получение необходимой точности, качества резьбы и стойкости инструмента. На производительность конструкции патронов могут оказывать лишь косвенное влияние. Основное назначение патронов заключается в удерживании инструмента и компенсации имеющихся погрешностей системы СПИД, а возможно, и в передаче интенсифицирующих воздействий. Компенсирующие функции патронов заключаются в устранении погрешностей начального положения соединяемых деталей (или детали и инструмента) и основаны на том, что они являются подвижным замыкающим звеном в контуре технологической системы. Их широкая область применения влечет за собой необходимость учета специфических условий работы различными инструментами. Кроме того, использование патронов для конкретных схем обработки и сборки должно учитывать особенности соответствующей технологии.
В современном производстве используется масса патронов стандартных конструкций. В работе [3] рассматривается типаж патронов для станков фрезерно-расточной группы в системе вспомогательного инструмента РТМ 2П10-2-84, для станков токарной группы с цилиндрическими хвостовиками по ГОСТ 24900-81, для сверлильных станков с конусом Морзе по ТУ 2 035-681-79 и для агрегатных станков с регулируемым цилиндрическим хвостовиком по ГОСТ 26540-85.
Стандартами регламентированы также патроны для метчиков и плашек к токарным станкам (ГОСТ 21938-76), токарно-револьверным станкам (ГОСТ 21941-76, ГОСТ 22627-77), к токарным станкам с ЧПУ (ОСТ 2 У16-2-78), патроны для станков сверлильной группы предохранительные (ГОСТ 825586), быстросменные (ГОСТ 14077-83) и для гаечных метчиков (ГОСТ 21827-76). Указанные типы патронов отличаются не только конструктивно, но и схемой работы.
Особенностью применения патронов на универсальных токарных станках является работа в ручном режиме, который должен обеспечивать врезание, резьбонарезание самозатягиванием и размыканием патрона при достижении требуемой длины обработки. После реверса шпинделя патрон снова замыкается вручную и производят вывинчивание.
Одна из особенностей нарезания резьбы на токарно-револьверных станках - работа в автоматическом или автоматизированном цикле при подаче, не соответствующей шагу [2]. В этих условиях патрон должен обеспечивать:
а) врезание инструмента в заготовку (захват инструмента);
б) вытягивание подвижного держателя на длину, равную опережению инструмента, вследствие разности шага нарезаемой резьбы и подачи револьверного суппорта;
в) расцепление подвижного держателя с корпусом в конце нарезки;
г) автоматическое сцепление и возврат подвижной части при обратном вращении шпинделя;
д) возможность регулировки длины вытягивания до момента расцепления.
Крепление метчиков в агрегатных станках должно обеспечивать центрирование, передачу крутящего момента, удобную смену и настройку вылета инструмента, а также незначительную компенсацию в радиальном и осевом направлениях. Для получения качественной резьбы должна быть обеспечена соосность нарезаемого отверстия и метчика, а также соответствие подачи шагу нарезаемой резьбы. Патрон компенсирует лишь неизбежно возникающие погрешности [2].
Монтажные патроны применяются в двух видах процессов:
а) при монтаже крепежа в отверстия с готовой внутренней резьбой;
б) для получения соединений посредством самодеформирующего или нарезающего крепежа.
В первом случае процесс относительной ориентации слабо автоматизирован. Задачей автоматизации является обеспечение надежного наживления, когда нитка резьбы крепежного элемента попадает во впадину резьбовой нарезки отверстия [1; 5].
Надежность наживления достигается, когда ввертываемой детали придают две степени свободы в плоскости, перпендикулярной ее оси, свободу углового перемещения и подачу на величину шага резьбы. Но даже при этих условиях надежность не всегда обеспечивается. Поэтому технология наживления должна включать центрирование, создание осевого усилия и затем вращение резьбового изделия [5]. Кроме того, необходимо обеспечить определенное соотношение угловой скорости вращения и скорости осевой подачи в начальный момент сопряжения [1].
При относительной ориентации резьбовых деталей наиболее вероятны одновременно два вида несовпадения осей: угловое и радиальное. Поэтому патрон, компенсирующий эти погрешности, должен обеспечивать собираемым деталям или одной из них шесть степеней свободы (четыре - для компенсации осевых смещений, а две - для подачи и вращения) [8].
Особенности ввинчивания резьб формирующего крепежа аналогичны условиям работы режущих метчиков и раскатников. Однако есть некоторые отличия в случае применения деформирующих шпилек. Это касается силовых параметров процесса наживления. Он связан с геометрией заходного витка шпилек и появлением значительных изгибающих нагрузок в начальный момент завинчивания. Поэтому желательно использовать следующую схему наживления деформирующих шпилек [4; 6]:
- обеспечение радиальной подвижности для центрирования;
- создание осевого усилия для компенсации изгибающих нагрузок и внедрения витка:
- включение вращения шпинделя;
- производство завинчивания и создание дополнительных двух угловых степеней подвижности для компенсации перекосов в системе;
- реверс и освобождение гаечного конца шпильки.
Указанные особенности различных технологий резьбообразования и монтажа должны обеспечивать патроны совместно с работой оборудования. В. Г. Якухин отмечает, что «современные патроны выполняют несколько функций, необходимых для производства, и представляют собой многоцелевую и многофункциональную конструкцию» [9].
Сведение функций патронов к обеспечению одних только компенсирующих и силовых параметров было бы односторонним подходом к решению проблем технологического обеспечения резьбообразующих и сборочных операций. Более широкий спектр функций патронов рассмотрен в работе В. В. Матвеева [6]. Схема функциональных задач патронов представлена на рис. 4.
Рис. 4. Функциональное обеспечение патронами процессов резьбообразования и сборки
Технологические функции патронов включают:
а) реализацию цикла завинчивания (обработки);
б) закрепление, удержание и быструю смену инструмента;
в) подвод СОЖ при необходимости;
г) передачу на инструмент интенсифицирующих воздействий;
д) реверс инструмента при отсутствии его на станке;
е) освобождение крепежа после его окончательного завинчивания.
Силовыми функциями патронов являются: передача крутящего момента на инструмент, создание осевого усилия для реализации наживления и ограничение уровня крутящего момента с целью предохранения инструмента от поломок.
Функции размерно-конструктивных связей заключаются в следующем:
а) обеспечение размерных соотношений в рабочей зоне (регулировка вылета инструмента, положения патрона для регулировки требуемого осевого усилия, установление длины хода инструменто-держателя и т. д.);
б) охват необходимого диапазона типоразмеров резьб;
в) реализация требуемой траектории движения инструмента (работа с копирными линейками, настройка на работу с переменным осевым усилием и т. д.);
г) адаптация к различному типу шпиндельной оснастки.
Точностные функции патрона основаны на механизмах и действиях, направленных на повышение точности резьбообразования и положения оси инструмента относительно привалочной плоскости детали. Они должны:
а) обеспечивать точность осевого перемещения при работе по копиру;
б) реализовывать компенсирующие подвижности инструментодержателя;
в) обеспечивать точность положения оси инструмента относительно привалочной плоскости детали на этапе наживления;
г) реализовывать автопоиск инструментом оси отверстия при необходимости;
д) устранять подрезку профиля резьбы на начальном этапе завинчивания и при реверсе.
Точность положения инструмента по параметрам можно разделить на три группы:
- геометрическую, которая определяется точностью сборки и взаимного расположения элементов патрона в технологической системе станка;
- кинематическую, включающую в себя показатели точности копирной пары, точности механизма настройки осевого усилия, точности переключения патрона при реверсе;
- динамическую, которая зависит от усилий резьбообразования и сборки, от скоростей обработки и времени переходных режимов (наживления, включения, выключения патрона).
Показатели динамической точности тесно связаны с жесткостью элементов системы, в том числе и патрона. Таким образом, патроны должны обладать определенными показателями жесткости, которые можно разделить на три типа:
1) сопротивление действию изгибающих усилий;
2) сопротивление действию весовых нагрузок при горизонтальном расположении шпинделя;
3) тангенциальная жесткость приводных и передающих элементов патрона в направлении крутящего момента.
Проведенный анализ применения вспомогательной оснастки для сборочных и резьбонарезных операций позволяет сделать вывод об отсутствии системного представления о технологических возможностях патронов применительно к различным процессам сборки и резьбообразования, что влечет за собой бессистемность развития конструкций вспомогательной оснастки. Решение данной проблемы будет изложено в последующих работах автора.
Список литературы
1. Блаер И. Л. К вопросу о надежном автоматическом наживлении резьбовых изделий / / Автоматизация и современные технологии 2001. № 2. С. 12-15.
2. Березин С. Я. Основные проблемы разработки и производства крепежно-резьбообразующих деталей прогрессивных конструкций / / Ученые записки ЗабГГПу. Серия «Естественные науки». 2009. № 4(27). С. 35-39.
3. Драгун А. П. Вспомогательный инструмент для токарно-револьверных станков. М.: Машиностроение, 1979.192 с.
4. Кузнецов Ю. И., Маслов А. Р., Баков А. Н. Оснастка для станков с ЧПУ: справочник. М.: Машиностроение, 1990. 512 с.
5. Лабецкий В. М. Исследование процесса формирования резьбы и получения резьбовых соединений с помощью выдавливающих стержней: дис. ... канд. техн. наук. Барнаул, 1976. 191 с.
6. Матвеев В. В. Нарезание точных резьб. М.: Машиностроение, 1968. 116 с.
7. Новиков М. П. Основы технологии сборки машин и механизмов. М.: Машиностроение. 1980.
8. Шатин В. П., Денисов П. С. Режущий и вспомогательный инструмент: Справочник. М.: Машиностроение, 1968. 420 с.
9. Якухин В. Г. Оптимальная технология изготовления резьб. М.: Машиностроение, 1985. 184 с.
УДК 53 ББК В3
П. Ю. Лукьянов, А. О. Орлов, С. В. Цыренжапов
Определение микроволновых характеристик гетерогенных сред с наноструктурированными включениями резонаторным методом при частичном заполнении резонатора
Приведен вывод формул, позволяющих определить комплексную диэлектрическую проницаемость исследуемого материала по измеренным параметрам резонанса при частичном заполнении объемного резонатора. Методика измерений адаптирована для доступных в малых количествах химически активных и гигроскопичных материалов с большими значениями угла потерь.
Ключевые слова: резонатор, диэлектрическая проницаемость, гетерогенные среды, наноструктуры.
P. Y. Lukyanov, A. O. Orlov, S. V. Tsyrenzhapov
Determination of microwave characteristics of a heterogeneous media with nanostructured inclusions
by resonator method with a partially filled cavity
The obtaining of formulas for calculation of the complex dielectric constant of a test material on the measured parameters of a resonance in a partially filled cavity resonator is presented .The measurement method is adapted for available in a small quantities reactive and hygroscopic materials with a large values of loss angle.
Key words: resonator, dielectric constant, heterogeneous media, nanostructure.
При исследовании свойств гетерогенных материалов и сред с наноструктурированными включениями (пресноводный лед эвтрофированных водоемов, криогенные структуры и т. д.) большой интерес представляют температурные зависимости комплексной диэлектрической проницаемости £ в частотном диапазоне 1-10 ГГц. Однако определение микроволновых свойств этих сред радиофизическими методами в широком температурном диапазоне сталкивается с рядом специфических особенностей, в большинстве случаев исключающих применение распространенных и отработанных методов и методик измерений.
Такие обстоятельства, как ограниченный объем, в котором технически осуществимо поддержание требуемых температурных условий, и относительно высокие потери ЭМИ в гетерогенных средах исключают применение волноводных или скаттерометрических методов, а также метода просвечивания. Высокая химическая активность и гигроскопичность образцов обусловливает их размещение в процессе измерений в герметически закупоренных капсулах. По этим же причинам невозможно применение широко распространенных методик резонаторного метода, требующих материал для исследований в количествах, равных полному внутреннему объему резонатора (т.е. для этих частот -сотни и тысячи кубических сантиметров).
При частичном заполнении резонатора (рис.1) исследуемый материал требуется в значительно меньших объемах, кроме того, появляется возможность расширить диапазон измерений для высоких значений мнимой части диэлектрической проницаемости е" вплоть до е"~ 1. Однако определение микроволновых характеристик в абсолютных единицах в этом случае усложняется, поскольку при введении исследуемого материала в резонатор структура электромагнитного поля в нем существенно искажается, что может быть описано аналитически лишь для геометрически простейших форм.
При относительно небольших изменениях е' и е" и сохранении общей структуры электромагнитного поля в резонаторе эквивалентная схема измеряемой цепи при его частичном заполнении может быть представлена в виде, приведенном на рис.2, где е' и е" - действительная и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости исследуемого материала, S - площадь обкладок кон-
