Вологодским государственным техническим университетом разработана конструкция специальных универсальных сверл С-2У и С-3У для сверления качественных отверстий в шинах. Специальное сверло С-2У предназначено для сверления отверстий при единичной и мелкосерийной ошиповке рисунок 5.
Рисунок 5 Универсальное сверло С-2У, установленное на электродрели
Изменение глубины отверстия обеспечивается изменением вылета режущей насадки, а для изменения диаметра отверстия насадку необходимо сменить.
Технологическая схема сверления представлена на рисунке 6.
Рисунок 6 Технологическая схема сверления отверстий
Технология процесса сверления:
а) сверло устанавливается в патрон электродрели;
б) режущая кромка вставки слегка прижимается к резине;
в) включается дрель и сверло врезается в протектор до упора;
г) при выключенной дрели штифт механизма отрыва вырезаемой части резины переводится в нижнее положение;
д) выключается дрель и после нескольких оборотов сверло выводится из готового отверстия. Дрель останавливается, вырезанная часть резины удаляется и сверло готово к повторению цикла.
Время сверления одного отверстия не более 2,0 сек. С учётом времени вспомогательных действий, обработка одной шины занимает 6-8 мин. После сверления 500-1000 отверстий режущая кромка начинает затупляться. Простейший способ заточки - заправить сверло в патроне той же электродрели с помощью полукруглого алмазного надфиля или мелкозернистой наждачной бумаги.
Повышенную производительность обеспечивает применение сверла С-3У, предназначенного для мелко- и среднесерийного производства рисунок 7.
Рисунок 7 Специальное универсальное сверло С-3У
Оно может устанавливаться как на электродрель, так и на стандартный или специальный сверлильный станок. Сверление одного отверстия занимает не более 1,0 сек., а обработка всей шины - 2-3 мин. Экономия времени достигается за счет непрерывной работы (механизм отрыва вырезаемой части резины автоматизирован и не требует остановки привода) и пневматического устройства для выброса вырезки резины из полости сверла.
Цикл сверления с помощью сверла С-3У включает следующие действия: производится врезание насадки в протектор шины до упора, после выдержки (5-6 оборотов) сверло выводится, вырезанная часть резины выбрасывается из полости насадки с помощью пневмоустройства
Сверло СС-3, входящее в комплект «ЁРШ», предназначенный для качественной ошиповки шин, в бытовых условиях представлено в комплекте с запрессовочным устройством ЭЗУ-01 и оправкой для осадки шипов. Сверло СС-3 представлено на рисунке 8.
Рисунок 8 Сверло СС-3 в комплекте «ЁРШ»
Этот инструмент отличается упрощенной конструкцией, не регулируется и не переналаживается.
Описанные конструкции охватывают практически всю гамму инструмента, применяемого при сверлении отверстий в шинах.
2. Исследовательская часть
2.1 Исследование влияния подачи на диаметр вырезаемого отверстия
Известен способ сверления отверстия под шип противоскольжения, заключающийся в том, что сверлят материал покрышки специально заточенным спиральным сверлом при скорости вращения сверла 20000 мин-1. Для достижения таких оборотов вращения обычно применяют пневмосверлилки, работающие от сжатого воздуха при давлении до 0,8 МПа. При меньших скоростях вращения отверстие образуется с заусенцами, что ослабляет надежность крепления шипа в отверстии.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому эффекту является способ сверления отверстия в резине, включающий сверление отверстия полым сверлом с последующим извлечением вырезанной части материала.
Недостатком данного способа является то, что отверстие имеет постоянный диаметр по глубине. Это снижает надежность закрепления шипа в отверстии, так как распределение напряжений растяжения в резине при посадке шипа в отверстие не равномерны по его глубине. Это вызвано сложной формой профиля шипа с выступами, отличающимися по диаметру в 2 и более раз. Обычно под шип сверлят отверстие диаметром 3 мм. При запрессовке в него шипа с диаметром фланца 12 мм в нижней части отверстия образуются максимальные напряжения в резине, которые могут привести к локальному разрыву и последующему разрушению материала, ослаблению закрепления шипа в отверстии и его последующему выпадению.
Целью данного изобретения является устранение указанного недостатка, а именно, повышение надежности посадки шипа в отверстие протектора шины за счет изменения диаметра отверстия в процессе сверления.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе сверления отверстия в протекторе шины под шип противоскольжения, включающем сверление отверстия полым сверлом и извлечение вырезанной части материала, дополнительно формируют переменный профиль стенки отверстия путем изменения величины подачи сверла.
Сверло состоит из полого корпуса, полого сверла, подпружиненного штока, закрепленного в его передней части с возможностью возвратно-поступательного движения, узла для осуществления совместного вращения корпуса и штока. Причем полое сверло по наружной поверхности выполнено сужающимся к рабочей кромке по криволинейной, преимущественно сферической форме, а узел, для осуществления совместного вращения корпуса и штока дополнительно снабжен запорным механизмом, состоящим из Г-образного паза.
Кроме того, полый корпус дополнительно содержит сквозные отверстия, расположенные на участке между штоком и полым сверлом.
В процессе сверления по мере заглубления сверла в протектор стенке отверстия придают профиль, повторяющий форму профиля устанавливаемого в нем шипа путем изменения подачи сверла в соответствии с профилем сверла, а именно, с уменьшением диаметра шипа по его длине увеличивают, а с увеличением диаметра уменьшают подачу сверла.
Шип противоскольжения, состоящий из корпуса, рабочего участка, включающего износостойкую вставку, и по меньшей мере одного фланца, отличающийся тем, что поверхность его рабочего участка выполнена выпукло-вогнутой.
В начале сверления, когда полое сверло вдавливается в материал протектора, образуются две характерные зоны. Зона сжатия, где резина сжимается от внешней нагрузки со стороны наружной поверхности сверла. Зона растяжения, где резина растягивается в направлении зоны сжатия. Описанную схему не изменяет наличие деформаций от сил трения между материалом и вращающимся сверлом. Дальнейшее высверливание отверстия зависит от величины подачи сверла, то есть от скорости заглубления сверла в материал. Если величина подачи большая, то обе зоны, сжатия и растяжения, испытывают большие напряжения. Следствием величины подачи сверла является диаметр высверливаемого отверстия. Чем больше подача сверла, тем меньше диаметр отверстия.
Отверстие с переменным профилем создает в материале резины на ее локальных участках более равномерное распределение напряжений растяжения.
Сущность изобретения подтверждается рисунками 9, 10, 11, 12:
Рисунок 9 Постоянный диаметр отверстия
Рисунок 10 Изменение диаметра отверстия при изменении подачи
Рисунок 11 График зависимости диаметра отверстия от величины подачи
Рисунок 12 График зависимости диаметра отверстия толщины стенки сверла
3. Конструкторская часть
3.1 Разработка 3D модели шпиндельного узла
Несмотря на то, что 2D-системы позволяют вполне успешно решать стоящие перед большинством пользователей задачи, по мере развития новых технологий все отчетливее проявляются серьезные ограничения, присущие плоскому проектированию.
Основной недостаток 2D-систем заключается в том, при создании плоского чертежа конструктору приходится мыслить не в терминах проектируемой детали - основание, отверстие, ребро жесткости, а в терминах традиционного набора геометрических примитивов - отрезок, дуга, окружность и т.д.
Если возникает необходимость внести в деталь какие-либо изменения, то их необходимо заново отобразить на всех видах детали, что опять связано с большими затратами времени.
Ограничения 2D-систем особенно наглядно проявляются, когда поверхность детали имеет сложную форму или когда необходимо построить аксонометрическую проекцию.
Большая трудоемкость построения сложных поверхностей и аксонометрических проекций может заставить конструктора отказаться от их изображения или упростить форму детали. В первом случае это затрудняет понимание проекта, во втором - снижает привлекательность изделия с точки зрения потребителя.
Список ограничений двухмерного проектирования можно продолжить и дальше. В него можно включить сложность понимания взаимного положения и взаимодействия деталей в сборочных единицах, сложность или невозможность передачи данных в системы инженерного анализа и подготовки управляющих программ для станков с числовым программным управлением и так далее.
Приведенные примеры позволяют сделать вывод, что использование только лишь двухмерных систем как средства проектирования и подготовки чертежей порождает серьезные проблемы и замедляет выпуск новых изделий.
Для решения этих проблем необходим переход на трехмерное моделирование.
Программа КОМПАС-ЗD V8 располагает эффективными средствами моделирования, которые позволяют создавать трехмерные модели самых сложных деталей и сборок. При проектировании деталей, используя наглядные методы создания объемных элементов, конструктор оперирует простыми и естественными понятиями: основание, бобышка, ребро жесткости, отверстие, фаска, оболочка и т.д. При этом процесс проектирования часто воспроизводит технологический процесс изготовления детали.
В любой момент, непосредственно на экране монитора, конструктор может выполнить разрез модели стандартными или дополнительными плоскостями проекций, или построить свой, самый невероятный разрез.
При проектировании сборочных единиц конструктор работает с деталями, сборками, подсборками и стандартными изделиями. В процессе построения трехмерных моделей сборочных единиц конструктор имеет возможность временно отключать отображение любых элементов. Это особенно удобно, если модель включает в себя корпусные детали, в которых размещены остальные компоненты изделия.
После построения ЗD-модели детали или сборки, либо непосредственно в ходе построения, конструктор может получить ее чертеж, избежав таким образом рутинного создания видов средствами плоского черчения. Для этого нужно лишь указать необходимые виды, провести линии разрезов или сечений. Плоский чертеж будет создан автоматически и с абсолютной точность, независимо от сложности модели. Полученный таким образом документ можно дорабатывать встроенными в систему средствами 2D-черчения: проставить размеры, обозначения позиций, заполнить основную надпись или подготовить спецификацию.
В программе КОМПАС-ЗD V8 объемные модели и плоские чертежи ассоциированы между собой. Это означает, что любое изменение, внесенное в модель, будет немедленно и точно отражено на всех видах чертежа.
КОМПАС-ЗD V8 располагает мощными средствами редактирования модели, которые позволяют задавать параметрические связи и ассоциации как между отдельными элементами деталей, так и между деталями в сборочных единицах. Это дает возможность быстро вносить изменения в проект и создавать различные варианты, как отдельных деталей, так и всего изделия в целом.
Например, для построения детали идентичной уже существующей, но с меньшей длиной, для построения второго варианта достаточно изменить значение размера, определяющего длину. После этого система перестроит модель с сохранением ее общей топологии.
Таким образом, для получения всех типоразмеров родственных деталей часто достаточно построения одной единственной модели.
По трехмерной модели система легко определяет ее физические характеристики: площадь поверхности, объем, координаты центра масс и т.д. Если пользователь определил свойства материала, то автоматически вычисляется масса. Это касается как деталей, так и сборок любой сложности.
Современные ЗD-системы снабжаются встроенными модулями, расширяющими их возможности: создание литейных форм, работа с деталями из листового металла, проектирование трубопроводов и т.д.
Твердотельные модели формы могут быть переданы в технологическую систему подготовки управляющих программ для станка с ЧПУ для изготовления в металле.
Трехмерные твердотельные модели включают в себя всю геометрическую информацию, необходимую для работы систем инженерного анализа. В этом заключается одно из главных преимуществ ЗD-моделирования. Такая модель может быть передана в какую-либо систему инженерных расчетов для выполнения ее анализа: расчёта напряжений и деформаций, частотного анализа для определения собственных частот и форм колебаний, тепловых расчетов и связанных с нагревом температурных деформаций и напряжений.
Работа этих систем основана на использовании метода конечных элементов, при котором трехмерная модель разбивается на элементарные объемные элементы различной формы, получаемые при нанесении на твёрдое тело сетки конечных элементов. Разбиение модели на сетку конечных элементов позволяет отразить реальную геометрию детали или узла и обеспечивает высокую точность решений.
Многие из современных систем инженерных расчетов не требует от конструктора подробного знания теории, на которой базируются расчёты методом конечных элементов. Имея в своем распоряжении трехмерную модель детали, пользователь должен выбрать необходимый ему вид расчёта, определить характер закрепления и внешние нагрузки, действующие на деталь, а также выбрать из библиотеки материал, из которого она будет изготавливаться.