Технологічне забезпечення виготовлення гвинтових елементів сільськогосподарської техніки

Abstract

Стібайло О.Ю. Технологічне забезпечення виготовлення гвинтових елементів сільськогосподарської техніки. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 131 “Прикладна механіка”. – Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2025. Дисертація присвячена теоретичному обґрунтуванню, проектуванню та практичному впровадженню нового технологічного процесу, оснащення та інструментів для вирішення наукового завдання, яке полягає у підвищенні ефективності виготовлення гвинтових елементів сільськогосподарської техніки, оснащених лопатями і ножами­ подрібнювачами. Виконано аналіз і узагальнення результатів досліджень формоутворення гвинтових елементів сільськогосподарської техніки, проведено теоретичне та експериментальне дослідження, пов’язане із виготовленням ножів­ подрібнювачів на спіралях шнеків, шляхом розроблення технологічного забезпечення та вибору раціональних конструктивно­-технологічних параметрів операцій розробленого технологічного процесу. Розроблено технологічний процес виготовлення ножів­-подрібнювачів на навитих щільним пакетом на ребро спіралях гвинтових елементів з виконанням таких операцій: калібрування навитої щільним пакетом на ребро спіралі шнека на певний крок; проточування зовнішньої крайки спіралі шнека; заточування зовнішньої крайки спіралі шнека; розрізання зовнішньої крайки спіралі шнека на певну глибину з відповідним кроком з метою отримання заготовок під ножі­ подрібнювачі; загинання ножів­ подрібнювачів на спіралі шнека на певний кут; гартування ножів­-подрібнювачів та зовнішньої частини витків шнека струмами високої частоти з метою підвищення твердості та міцності ріжучих частин шнека (виконується для шнеків виготовлених із вуглецевих та легованих сталей із вмістом вуглецю від 0,35%); калібрування спіралі шнека з виготовленими ножами­-подрібнювачами на встановлений крок. Розроблено схеми проточування та заточування зовнішньої крайки спіралі шнека, розрізання зовнішньої крайки спіралі шнека для отримання заготовок під ножі-­подрібнювачі, їх загинання, гартування ножів­ подрібнювачів та зовнішньої частини витків шнека струмами високої частоти, а також калібрування спіралі шнека з виготовленими ножами­-подрібнювачами на потрібний крок. Встановлено конструктивно­-технологічні параметри операцій проточування та заточування зовнішньої крайки спіралі шнека, а також конструктивно­-технологічні параметри операцій виготовлення ножів­ подрібнювачів на спіралі шнека. Виведено залежності миттєвої площі, складових сили різання стружки в процесі загострення зовнішньої крайки гвинтового елемента різцем з круглими ріжучими пластинами від конструктивних параметрів інструмента, ширини зрізаної частини витка гвинтового елемента, відхилень від ідеальної гвинтової поверхні та зовнішнього радіуса витків. Встановлено взаємозв’язок між кутом загострення крайки гвинтового елемента із конструктивними та технологічними параметрами процесу загострення різцем із круглими ріжучими пластинами. Розроблено динамічну модель заточування зовнішньої крайки гвинтового елемента різцем із круглими ріжучими пластинами. На основі рівняння Лагранжа другого роду виведено систему диференціальних рівнянь, що дозволяють прогнозувати коливання елементів динамічної моделі. Розв’язок системи диференціальних рівнянь з нульовими початковими умовами проведено чисельним методом Рунге-­Кутта із застосуванням прикладної програми. Числові дані складових системи диференціальних рівнянь визначено методами комп’ютерного моделювання та на основі експериментальних даних. Результати представлено у вигляді графіків. Проведено дослідження конструктивних та силових параметрів процесу формування ножів­-подрібнювачів на гвинтовому елементі роликом. Виведено теоретичні залежності для розрахунку сили подачі ролика при гнутті ножів­ подрібнювачів на гвинтовому елементі залежно від конструктивних та технологічних параметрів процесу, що дозволяє визначити мінімальне значення технологічного кута гнуття ножів-­подрібнювачів роликом. Представлено програму і методику проведення експериментальних досліджень для досягнення мети та виконання завдань кваліфікаційної роботи, встановлення адекватності одержаних теоретичних взаємозв’язків конструктивних та силових параметрів процесів формування ножів­ подрібнювачів на гвинтовому елементі, практичної реалізації розробленого технологічного процесу та перевірки працездатності спроектованого оснащення та інструментів. Розроблено та виготовлено для виконання операцій технологічного процесу виготовлення гвинтових елементів сільськогосподарської техніки спеціальне технологічне оснащення та інструменти, зокрема спеціальну оправку для базування та закріплення заготовки гвинтового елемента, різець для заточування зовнішньої крайки гвинтового елемента, ролик для загинання ножів-­подрібнювачів на спіралі гвинтового елемента, вибрано устаткування для вимірювання силових параметрів процесів із застосуванням частотного перетворювача Altivar 71, програмного забезпечення PowerSuite, тензодатчика. Представлено результати експериментальних досліджень та встановлено емпіричні закономірності впливу конструктивних і технологічних параметрів на силові параметри процесів загострення зовнішньої крайки гвинтового елемента спеціальним різцем та формування ножів­-подрібнювачів на гвинтовому елементі роликом. Розроблено оригінальні способи виготовлення гвинтових елементів сільськогосподарської техніки оснащених ножами­-подрібнювачами, лопатями та U­-подібних гвинтових транспортно­-технологічних робочих органів; визначено їх основні конструктивно-­технологічні параметри; запропоновано оптимальні матеріали для їх виготовлення. Проведено технологічне проєктування і техніко-­економічне обґрунтування процесів виготовлення гвинтових елементів сільськогосподарської техніки з подальшим впровадженням їх у виробництво. Ефективність розроблених конструкцій спіралей шнеків оснащених лопатевими, різальними чи подрібнювальними елементами і способів їх виготовлення підтверджено дев’ятьма патентами України на корисні моделі та актами впровадження у ПП «Хлопівецьке» (Тернопільська обл., м. Копичинці), ТОВ "УНІВЕРСТ ЛТД" з економічним ефектом у 70,3 тис. грн. та частково у ФГ «КРОК ВПЕРЕД 2019», ФГ «ДАРИ ДОЛИНИ».

Stibailo O.Yu. Technological support for the production of screw elements for agricultural machinery. ­ Qualifying scientific work on the rights of manuscripts. Thesis for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 131 " Applied Mechanics ". ­ Ternopil Ivan Puluj National Technical University, Ternopil, 2025. The dissertation is devoted to the theoretical substantiation, design, and practical implementation of a new technological process, tooling, and instruments aimed at solving the scientific problem of increasing the efficiency of manufacturing screw elements of agricultural machinery equipped with blades and shredding knives. An analysis and generalization of research results concerning the forming processes of screw elements in agricultural machinery were performed. Theoretical and experimental investigations related to the production of shredding knives on screw auger spirals were carried out by developing technological support and selecting rational design and process parameters of the operations within the proposed technological process. A technological process was developed for producing shredding knives on tightly wound edge­on spirals of screw elements, including the following operations: calibration of the tightly wound spiral to a specified pitch; turning of the outer edge of the screw spiral; sharpening of the outer edge; cutting the outer edge to a specified depth and pitch to obtain preforms for shredding knives; bending of the shredding knives on the screw spiral to a defined angle; high­frequency induction hardening of shredder knives and the outer portion of screw flight turns in order to increase the hardness and strength of the screw’s cutting sections (applied to screws manufactured from carbon and alloy steels with a carbon content of 0.35% and higher); calibration of the spiral with the formed knives to the prescribed pitch. Schemes for turning and sharpening the outer edge of the screw spiral, cutting operations for obtaining knife preforms, bending, and final calibration of the screw spiral with the knives were developed. The structural and technological parameters of the turning and sharpening operations, as well as the parameters of the knife­forming operations on the screw spiral, were determined. Dependencies of the instantaneous cutting area and chip formation force components during sharpening of the outer edge with a tool fitted with round cutting inserts were derived as functions of the tool’s design parameters, the width of the removed chip layer, deviations from the ideal helical surface, and the outer radius of the helix. The relationship between the sharpening angle of the screw edge and the structural and technological parameters of the sharpening process using a tool with round inserts was established. A dynamic model of the sharpening process of the screw element’s outer edge by a tool with round cutting inserts was developed. Based on Lagrange’s second­ order equations, a system of differential equations was derived to predict oscillations of the model elements. The system was solved numerically using the Runge–Kutta method implemented in an applied software program. The numerical parameters of the system were determined using computer simulation and experimental data. The results were presented graphically. Research on the structural and force parameters of the knife­forming process on a screw element using a roller was conducted. Theoretical relationships were derived for calculating the roller feed force during the bending of shredding knives on a screw element, depending on the process design and technological parameters, which made it possible to determine the minimum technological bending angle of the knives. A program and methodology for experimental studies were developed to achieve the objectives of the qualification work, verify the adequacy of the theoretical relationships between structural and force parameters of the knife­forming processes, validate the practical implementation of the developed technology, and test the functionality of the designed tooling and fixtures. Special technological fixtures and tools were designed and fabricated for carrying out the operations of the proposed process for manufacturing screw elements of agricultural machinery. These include a special mandrel for locating and securing the screw element blank, a cutter for sharpening the outer edge of the screw element, a roller for bending the shredding knives on the screw spiral, as well as equipment for measuring process forces using an Altivar 71 frequency converter, PowerSuite software, and a strain gauge sensor. Experimental results were obtained and empirical dependencies were established describing the influence of design and technological parameters on the force parameters during the sharpening of the screw edge using a special cutter and the formation of shredding knives using a roller. Original methods for manufacturing screw elements of agricultural machinery equipped with shredding knives, blades, and U­shaped screw conveying­working parts were developed. Their key structural and technological parameters were determined, and optimal materials for their fabrication were proposed. Technological design and technical and economic justification of the manufacturing processes for screw elements were carried out, followed by their industrial implementation. The effectiveness of the developed designs of screw spirals equipped with blade, cutting, and shredding elements, as well as the proposed manufacturing methods, was confirmed by nine utility model patents of Ukraine and by implementation acts at PP “Khlopivetske” (Ternopil region, Kopychyntsi) and LLC “UNIVERST LTD”, resulting in an economic effect of UAH 70.3 thousand, and partial implementation at FG “KROK VPERED 2019” and FG “DARY DOLYNY”.