Введение к работе
Актуальность темы исследования. Производство крупногабаритных зубчатых колес из закаленных (40-45 HRCэ) труднообрабатываемых сталей для подъемно-транспортных машин и изделий оборонно-промышленного комплекса связано с рядом особенностей. Зубонарезание венцов таких колес составляет до 60% машинного времени механической обработки, из-за больших объемов срезаемого металла и невысоких режимов резания, при этом стойкости отечественных червячных фрез, изготовленных по ГОСТ 9324 - 80, недостаточно для нарезания даже одного зубчатого венца, и перед чистовым проходом необходимо затачивание инструмента. Таким образом, теоретическое и экспериментальное обоснование рациональных геометрических параметров сборных червячных фрез и режимов резания, обеспечивающих требуемую стойкость червячной фрезы для нарезания крупногабаритных зубчатых венцов на заготовках из закаленной труднообрабатываемой стали, является актуальной научно-технической задачей.
Под стойкостью понимается время резания новым или переточенным инструментом с начала резания до отказа по ГОСТ 25751-83.
Цель работы заключается в повышении стойкости сборных червячных фрез при зубофрезеровании крупногабаритных колес путем определения конструктивных параметров инструмента и режима зубофрезерования с учетом требований к изделию и технических характеристик станка для обеспечения одного рабочего хода или нескольких полных рабочих ходов.
Для достижения указанной цели потребовалось решить задачи:
-
проведение анализа состояния зубообработки закаленных колес из труднообрабатываемой стали;
-
обеспечение точности сборной червячной фрезы при переточках за счет расчета ее рациональных геометрических параметров и учета влияния кинематических углов резания на боковых сторонах;
-
построение геометрических моделей срезаемых слоев и варианта силового взаимодействия режущих зубьев червячной фрезы;
-
разработка, изготовление и отладка экспериментального комплекса для измерения силы резания, анализ процесса зубофрезерования и проведения серии испытаний и прогнозирования стойкости фрезы;
-
использование результатов исследований в производственном и учебном процессах.
Объект исследования - операция зубофрезерования крупногабаритных зубчатых колес из закаленных труднообрабатываемых сталей сборными червячными фрезами.
Предмет исследования – стружкообразование, силовые параметры процесса резания и стойкостные характеристики инструмента при зубофрезеровании крупногабаритных зубчатых колес червячными фрезами.
Диссертация соответствует паспорту научной специальности 05.02.07 «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки».
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории резания, теории проектирования режущих инструментов с
использованием методов математического моделирования и графических программ на ЭВМ, теории механизмов и машин. При моделировании использована аналитическая и дифференциальная геометрия, векторная алгебра, регрессионный анализ. Для проектных работ использованы системы Mastercam и Компас-3D. Моделирование осуществлено в системе МКЭ Ansys и программном комплексе Creo Simulate. Обработка экспериментальных данных осуществлена с использованием методов математической статистики.
Экспериментальные исследования проведены на токарном станке с ЧПУ Top-Turn CNC-S16(C), вертикально-фрезерном многоцелевом станке VMC650E, плоскошлифовальном станке 3Е71, зубофрезерном станке 5К32А. Измерения проведены на микроскопе УИМ-21 и КИМ «Master3DGage».
Достоверность результатов основана на использовании теоретических зависимостей и методов математической статистики и подтверждена соответствием предложенных аналитических моделей результатам экспериментальных исследований, полученных автором.
Автор защищает
результаты геометрического анализа параметров новых и сточенных сборных червячных фрез;
вариант синтеза силового взаимодействия режущих зубьев фрезы;
конструкцию экспериментального комплекса для исследования составляющих силы резания и изучения процесса зубофрезерования, вариант выбора экспериментальных образцов и проведения испытаний;
результаты экспериментальных исследований и зависимости для определения максимальной силы резания, учитывающие влияние параметров процесса резания на составляющие силы резания, микрогеометрию обработанной поверхности и точность зубчатого венца;
рекомендации по выбору рациональных режимов резания
Научная новизна диссертационной работы заключается в:
синтезе силового взаимодействия режущих зубьев фрезы вдоль линии станочного зацепления цилиндрических зубчатых колес при переходе от единичной впадины к колесу;
зависимостях для расчета максимальной силы резания, обеспечивающих возможность прогноза стойкости инструмента до переточки при зубофрезерова-нии сборными червячными фрезами.
Практическая значимость
Получены результирующие зависимости для определения максимальной силы резания, учитывающие влияние параметров процесса резания на составляющие силы резания, позволяющие определить рациональные режимы резания для обеспечения одного или нескольких рабочих ходов при технологической подготовке производства крупногабаритных колес из закаленных сталей.
Реализация работы. Рекомендации по назначению рациональных геометрических параметров инструмента и режима резания использованы в ОАО «Стан-котехника» и АО «НПО «СПЛАВ» при модернизации действующих технологических процессов и подготовке производства крупногабаритных колес. Их внедре-
ние обеспечивает сокращение машинного времени зубофрезерования, повышение стойкости сборных червячных фрез.
Отдельные результаты исследований использованы в учебном процессе при подготовке студентов по направлению 15.04.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», а также в научно-исследовательских работах студентов, при выполнении курсовых и дипломных проектов на кафедре «Технология машиностроения» ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы изложены на: ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (2011 – 2016 г.г.); ежегодных магистерских научно-технических конференциях (г. Тула, ТулГУ, 2010 – 2014 г.г.); ежегодных молодежных научно-практических конференциях студентов Тульского государственного университета «Молодежные инновации» (г. Тула, ТулГУ, 2010 г. – 2015 г.г.); научно-практической конференции студентов Тульской области «Информационные технологии - в жизнь!» (г. Тула, Тульский государственный технический колледж им. С.И.Мосина, 2010 - 2011 г.г.); ежегодных международных научно-технических конференциях «АПИР» (г. Тула, ТулГУ, 2011-2012, 2014 г.г.); интернет-конференции по металлургии и металлообработке (г. Тула, ТулГУ, 2014 г.). Результаты работы выставлялись на: международном конвенте 9th EXPO-SCIENCES EUROPE 2012 (г. Тула, 2012 г.), международной индустриальной выставке «HANNOVER MESSE» (г. Ганновер, Германия, 2013 г.); первой ежегодной национальной выставке ВУЗПРОМЭКСПО 2013г, (г. Москва, 2013 г.); региональном и федеральном этапах выставки 100 лучших товаров России (г. Тула, 2013 г.); XVII Московском международном салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед - 2014» (г. Москва, 2014 г.). За время обучения автор награжден: именной премией им. И. А. Коганова за лучшую разработку в области технологии машиностроения (2011 г.); медалью за лучший проект в секции «Machine Engineering» на международном конвенте 9th EXPO-SCIENCES EUROPE 2012; свидетельством и медалью лауреата регионального этапа выставки 100 лучших товаров России (2013 г.); золотой медалью XVII Московского международного салона изобретений и инновационных технологий «Архимед -2014». Работа выполнена в соответствии с грантом по программе «УМНИК» (государственный контракт №11419р/17125 от 31.01.2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 научных работы, в том числе 8 статей в ведущих рецензируемых изданиях из перечня ВАК РФ объемом 6,46 печатных листа. Личный вклад автора – 4,63 печатных листа.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников из 69 наименований и включает 132 с. печатного текста, содержащего 50 иллюстраций, 30 таблиц, 3 приложения на 7 страницах.
Автор выражает благодарность канд. техн. наук А.В. Сидоркину за помощь в подготовке экспериментальных исследований.