Введение к работе
Актуальность проблемы. Создание и внедрение прогрессивных технологий и оборудования при производстве зубчатых колес является необходимым условием развития фондообразующих отраслей отечественного машиностроения, авиационной и оборонной промышленности. Основные эксплуатационные параметры зубчатых колес определяются на финишной стадии технологического процесса их изготовления на операции шлифования зубьев. Зубошлифованием обеспечиваются не только точность формы и качество рабочих поверхностей зубьев, но и параметры их взаимного расположения по зубчатому венцу и относительно базирующего центрального отверстия. Уровень требований по обеспечению норм точности колес лежит в микрометрическом диапазоне размеров.
Высокая эффективность реализации зубошлифовальной операции безусловно необходима из-за большой стоимости технологических средств и требований снижения себестоимости изготовления колес. В российской промышленности крупномодульные колеса с винтовыми зубьями шлифуются на неэффективных обкатных зубошлифовальных станках отечественного производства, цикл обработки которых длится часами. Повышают производительность финишной операции шлифования зубьев крупномодульных колес импортными технологиями и оборудованием. Устранение этой зависимости является приоритетным для высокотехнологичных отраслей российского машиностроения в целях обеспечения технологической безопасности государства.
Создание инновационных технологических средств зубошлифования, интегрирующих в себе высокий уровень прецизионности и производительности при шлифовании зубьев, является актуальной задачей для отечественного машиностроения при изготовлении колес с модулем более 6 мм. Это возможно на базе новых высокоэффективных формообразующих технологий зубообработки. Самым производительным методом финишной отделки зубьев крупномодульных цилиндрических колес (с модулем более 6 мм) является профильное шлифование, применение которого позволяет комплексно решить задачу гармонизации взаимосвязанных технико-экономических показателей их изготовления. Этот метод является наукоемким, но практически не исследованным.
В отечественном машиностроении отсутствуют оборудование и технология, способные внедрить профильный метод в производство цилиндрических колес с винтовыми зубьями, что является практической производственной проблемой. Отсутствие методов обеспечения точности колес с винтовыми зубьями не позволяет достигать требуемого уровня качества их изготовления на финишной стадии при шлифовании зубьев и исключить брак на этой операции.
Вероятность брака при зубошлифовании высока из-за малых припусков на зубьях и больших погрешностях заготовки, поступающей на зубошлифование, получаемых после химико-термической обработки, предварительном зубонарезании и отклонений взаимного расположения базовых поверхностей изготавливаемого колеса относительно венца, наследуемых на стадиях технологического процесса. Компенсировать эти погрешности на финишной операции шлифования зубчатого венца и достичь высоких показателей точности и качества поверхностей зубьев цилиндрического колеса можно лишь путем разработки комплекса технологических действий, выполняемых на различных стадиях производственного цикла, этапах подготовки операции, наладки станка и в процессе зубошлифования.
Достижение практической цели внедрения профильного зубошлифования в отечественное машиностроение сдерживается отсутствием научно-обоснованных методов обеспечения точности профильного шлифования зубьев цилиндрических косозубых колес, что является актуальной научной задачей. Решение этой задачи требует разработки теории профильного зубошлифования для формирования целостного представления о его закономерностях, существенных связях и создания на этой основе системы обеспечения точности колес при шлифовании их зубьев профильным методом. При этом требуется применение современных инструментов компьютерно-графического, математического и имитационного моделирования, позволяющих выявлять взаимосвязи норм точности колес с параметрами пространственной схемы формообразования, погрешностями заготовки и величиной припуска на зубьях.
Целью работы является обеспечение точности профильного шлифования винтовых зубьев цилиндрических колес путем выявления и формализации взаимосвязей показателей точности колес с параметрами схемы и режима шлифования зубьев профильным кругом на стадиях технической подготовки производства и наладки станка.
Объект исследования – операция зубошлифования и средства ее оснащения во взаимосвязи с технологическим процессом изготовления цилиндрического колеса.
Предмет разработки – методы, интеллектуальные продукты и средства технологического обеспечения точности цилиндрических колес с винтовыми зубьями профильным шлифованием зубьев.
Научная новизна заключается в решении актуальной научной проблемы обеспечения точности шлифования винтовых зубьев цилиндрических колес методом бесцентроидного огибания рофильным кругом. Решение этой проблемы состоит в:
- выявлении и формализации взаимосвязей норм точности зубчатого колеса с параметрами схемы шлифования и технологического процесса, позволяющих устанавливать допустимый уровень погрешности заготовки и величину припуска на зубьях для недопущения брака при зубошлифовании профильным методом;
- развитии теории бесцентроидного огибания криволинейных винтовых поверхностей, обосновании технологических параметров шлифования зубьев крупномодульных цилиндрических колес как методологической основы управления точностью и направленного формирования параметров элементов технологической системы профильного шлифования;
- имитационном моделировании профильного шлифования как основы выбора оптимальных технологических, конструктивных и эксплуатационных параметров схемы формообразования и элементов технологической системы, обеспечивающих достижение 3…5-й степени точности крупномодульных цилиндрических колес и повышение производительности шлифования в 3,5…4 раза.
На защиту выносятся:
1. Методология моделирования зубообразующих процессов абразивным инструментом по критерию точности зубчатых колес.
2. Модели взаимосвязей показателей точности цилиндрического колеса с наследуемой погрешностью заготовки, поступающей на финишную операцию, припуском на зубьях и технологическими параметрами схемы профильного зубошлифования.
3. Методика наладки станка, базирования и закрепления заготовки, позволяющая достичь заданной точности цилиндрического колеса профильным методом.
4. Обоснование требований к технологическим компонентам абразивной зубообработки и принцип объединения их в систему по критерию эффективности.
5. Методика формирования характеристик станочной системы, обеспечивающих требуемый уровень точности и качества профильного шлифования поверхности винтовых зубьев крупномодульных цилиндрических колес.
6. Основные положения имитационного моделирования профильного зубошлифования.
Методы исследования. Все разделы работы выполнены с единых методологических позиций с использованием основных положений теории систем, теории конструкции и оптимизации, теории графов и теории множеств, а также технологии машиностроения, теории зацеплений, теоретической механики, теории механизмов и машин с использованием методов имитационного, структурного и поверхностного моделирования, численно-аналитических методов вычислительной математики и программирования, дифференциальной геометрии и интегрального исчисления, основ математической теории эксперимента.
Практическая ценность и реализация результатов работы состоят в:
-разработанном программном обеспечении для автоматизации цикла профильного шлифования цилиндрических колес;
-реализованных алгоритмах имитационного моделирования в трехмерной CAD-среде, позволяющих определять оптимальные параметры наладки схемы профильного шлифования по критерию точности и производительности, формировать припуск, исключающий брак при зубошлифовании;
-практических рекомендациях по выбору средств технологического оснащения операции зубошлифования цилиндрических колес профильным методом;
-методиках расчетного анализа и проектного синтеза зубошлифовального оборудования для профильной технологии.
Внедрение предложенных проектных и технологических решений в производство крупномодульных цилиндрических колес позволило обеспечивать 3…5-ю степень точности и значительное снижение трудоемкости их изготовления на предприятиях железнодорожного машиностроения и станкостроения.
Решение научной проблемы выполнялось в рамках научно-технической программы, финансируемой Министерством образования и науки РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», раздел «Производственные технологии», бюджетная тема «Программно-методический учебно-производственный комплекс для оценки характеристик механических систем станков на стадии их проектирования» в ГОУ ВПО МГТУ «Станкин»; в рамках гранта Федерального агентства по науке и инновациям по приоритетному направлению «Индустрия наносистем и материалы» №02/442/11/7007 «Разработка системы аналитического прогнозирования погрешности как основы создания технологических наносистем».
Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертации докладывались на 5-й Республиканской межотраслевой научно-технической конференции «Теория и практика разработки и внедрения средств автоматизации и роботизации технологических и производственных процессов», г. Уфа, 1989 г.; научно-методической конференции «Проблемы интеграции образования и науки», г. Москва, Мосстанкин, 1990 г.; научно-технической конференции «Типовые механизмы и технологическая оснастка станков-автоматов, станков с ЧПУ и ГПС», г. Чернигов, 1991 г.; IV Международном конгрессе «Конструкторско-технологическая информатика – 2000» М., 2000 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии», г. Липецк, 2002 г.; V Международном конгрессе «Конструкторско-технологическая информатика» КТИ-2005 (Москва, 2005 г.); II Международной научно-технической конференции, г. Тюмень, 2005 г.; 2-й Всероссийской научно-технической конференции, г. Нальчик, Каб.-Балк. ун-т, 2005 г.; IX научной конференции МГТУ «Станкин» и Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «Станкин», 2006 г.; Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии», г. Липецк, ЛГТУ, 2006 г.; Международной научно-технической конференции «Проблемы формообразования деталей при обработке резанием», Тула, ТулГУ, 2007; 6-й Международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности», г. Брянск, БрГТУ, 2008 г.; Международной научно-технической конференции «Инструментальные системы машиностроительных производств», г. Тула, ТулГУ, 2008 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Совершенствование техники, технологий и управления в машиностроении» г. Саратов, СГТУ, 2009 г.; 7-й Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», г. Новосибирск, 2009 г.; межкафедральном научном семинаре Саратовского государственного технического университета, 2009 г.
В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на заседаниях кафедр «Станки» Московского государственного технологического университета «Станкин» и «Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования в машино- и приборостроении» Саратовского государственного технического университета.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 52 печатные работы, из них 15 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов, списка использованной литературы из 209 наименований и 4 приложений. Материал изложен на 455 страницах, содержит 227 рисунков и 22 таблицы. Общий объем работы 509 страниц.
