Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Во многих отраслях промышленности, таких как тяжелое, транспортное и энергетическое машиностроение, судостроение, производство горно-шахтного, обогатительного и подъемно-транспортного оборудования при изготовлении узлов привода широко применяются крупномодульные зубчатые колеса. С учетом специфических масштабов производства в этих отраслях крупномодульные зубчатые колеса производятся в единичных экземплярах или мелкими сериями. В связи с этим их изготовление происходит с применением металлобрабатывающего оборудования с ручным управлением, что обусловливает большое количество переходов при токарной обработке и на операциях зубофрезерования. Наибольшую трудоемкость в производстве таких колес занимают операции зубофрезерования. Эта группа операций выполняется на таких изделиях не менее чем в два перехода, в зависимости от степени точности изделия.
На первом этапе осуществляется черновое зубофрезерование, где удаляется из впадины зубьев до 70-80% материаіа. На втором этапе формируется окончательный профиль с заданной степенью точности. Второй этап является наиболее ответственным в производстве зубчатых венцов, от качества его выполнения зависит и качество изделия в целом.
Сложившаяся практика чистовой обработки крупномодульных зубчатых колес в подавляющем большинстве случаев предполагает использование зуборезного инструмента с режущей частью из быстрорежущей стали, работающего методом копирования (затылованными дисковыми или пальцевыми фрезами с фасонным профилем) или методом обката (червячными модульными фрезами). При использовании традиционных тяжелых зубофрезерных станков с ручным управлением наилучшие результаты в части точности и производительности обработки достигаются методом обката при зубофрезеровании червячными фрезами. Применение метода копирования на таких станках для чистовой обработки данных деталей ограничено невысокой точностью делительных механизмов станков.
Геометрические параметры (передние и задние углы) для зуборезного инструмента, например червячных, дисковых или пальцевых фрез, как правило, назначаются из расчета минимальных искажений профиля инструмента при переточках, а не исходя из свойств обрабатываемого и инструментального материалов, что характерно для большинства других видов металлорежущего инструмента. Поэтому традиционные виды зуборезного инструмента обладают несовершенной геометрией, что существенно ограничивает их стойкость. Кроме того, при использовании дискового инструмента на оборудовании с ручным управлением, погрешности расположения режущих кромок не могут быть компенсированы за счет корректировки кинематики станка. Все это не позволяет использовать в технологических процессах современные высокоэффективные методы обработки и обеспечить степень точности обрабатываемых зубчатых колес ниже 8 степени точности по ГОСТ 1643-81.
Современной тенденцией развития металлообработки в мировой практике является повышение доли механообрабатывающего оборудования, оснащенного системами ЧПУ. Это позволяет создавать технологические процессы с высокой концентрацией операций на одной позиции. Внедрение многокоординатных многоцелевых станков с ЧПУ вызвало волну разработок новых схем формообразования фасонных поверхностей методом обката и, как следствие, новых видов режущих инструментов, оснащенных современными инструментальными материалами.
Обработка деталей в многоинструментальных наладках современного оборудования, в сочетании с другими видами обработки резанием, позволяет получать более высокую точность изделия, обладает большими технологическими возможностями и высокой производительностью. Традиционные фасонные инструменты, используемые для окончательного формообразования эволь-вентной поверхности зубьев, требуют специальных схем расчета профиля.
В последние годы все больший интерес у разработчиков таких технологий вызывает использование различных типов фрезерного инструмента. Новым направлением при чистовой обработке эвольвентных поверхностей зубьев ко-
лес является, на наш взгляд, использование дисковых сборных твердосплавных фрез. Однако, научно обоснованные рекомендации по обработке эвольвентных зубьев такими инструментами на станках с ЧПУ в современной технической литературе практически отсутствуют.
Поиск и исследование новых способов формообразования эвольвентных зубьев, а также видов инструмента, не требующих специальных методов профилирования, более производительных, обеспечивающих более высокую точность эвольвентного профиля является актуальной задачей.
Цель работы. Повышение точности обработки зубчатых колес крупного модуля за счет разработки процесса чистового зубофрезерования сборными дисковыми твердосплавными фрезами на станках с ЧПУ методом обката.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать способ реализации процесса обработки эвольвентных зубчатых колес дисковыми фрезами с кинематическим обкаточным двюкением на станках с ЧПУ;
определить совокупность перемещений инструмента и заготовки для обеспечения формообразования эвольвентной поверхности при заданных параметрах изделия;
разработать математическую модель оценки погрешности профиля зубьев обрабатываемых зубчатых колес;
разработать и изготовить опытный образец сборной твердосплавной дисковой фрезы для проведения экспериментальных исследований на станке с ЧПУ.
Научная новизна состоит в:
- установлении совокупности закономерностей и научно-обоснованных
решений, которые обеспечивают осуществление процесса чистового зубонаре-
зания эвольвентных колес дисковым инструментом с прямолинейными режу
щими кромками на станках с ЧПУ;
выявлении закономерностей формообразования при нарезании зубчатых колес новым методом дисковыми фрезами на станках с ЧПУ;
разработке модели управления величиной погрешности эвольвентного профиля зубчатого колеса при обработке методом дискретного обката для получения заданной точности колеса;
установлении взаимосвязей параметров модели в пределах выполнения сборными дисковыми фрезами двух функций: по формированию на заготовке требуемой формы профиля и послойного срезания с нее припуска;
определении взаимосвязей между параметрами инструмента и заготовки и создании конструктивной схемы универсального инструмента, обеспечивающего зубофрезерование колес с различными модулями;
обосновании возможности применения сборных твердосплавных дисковых фрез при нарезании зубьев крупномодульных колес по методу обката и экспериментальном подтверждении обеспечения точности формообразования эвольвентного профиля в соответствии с техническими требованиями.
Практическая ценность работы состоит в:
разработке конструкции сборной твердосплавной фрезы с прямолинейными режущими кромками для чистовой обработки зубчатых колес;
разработке схем обработки эвольвентной поверхности колес дисковыми фрезами, работающих методом обката;
разработке алгоритмов и программ математического синтеза объектов проектирования в трехмерном пространстве, моделировании работы спроектированного инструмента, формировании управляющих программ изготовления крупномодульных зубчатых колес;
рекомендациях по назначению режимов резания при обработке зубчатых колес дисковыми фрезами на станках с ЧПУ.
Методы исследования. Теоретические исследования основывались на математическом анализе, аналитической и дифференциальной геометриях, основных положениях теории зубчатых зацеплений, теории резания с использованием методов математического и компьютерного моделирования и совре-
менных фафических программ на ЭВМ. Экспериментальные исследования проводились в производственных условиях с использованием измерительных средств, в том числе профилографа-профилометра и координатно-измерительной машины Klingelnberg Р26.
Реализация работы. Результаты исследований, изложенные в диссертационной работе использованы при разработке инновационного процесса зубо-обработки на Московском опытном инструментальном заводе (МОИЗ) применительно к производству крупномодульных зубчатых колес на специальном исследовательском комплексе на базе прецизионного пятикоординатного обрабатывающего центра W-528-S; при разработке эскизного проекта опытного образца обрабатывающего центра для комплексной механической обработки крупномодульных зубчатых колес на ОАО НИПТИ «МИКРОН»; при изготовлении экспериментального образца зубчатой шестерни на станке ZFWZ 12 CNC «MODUL» сборной дисковой твердосплавной фрезой на ОАО «Электросталь-ский завод тяжелого машиностроения»; в ходе выполнения работ по государственному контракту от 13.09.2010г. № 14.740.11.0148 на тему «Проведение коллективом научно-образовательного центра «Перспективные технологии, инструмент и оборудование для оборонных и гражданских отраслей машиностроения» работ по созданию инновационных конструкций твердосплавного фрезерного инструмента для многоцелевых станков автоматизированных машиностроительных производств», заключенного с Минобрнауки РФ в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Апробация работы. Основные положения и наиболее важные разделы диссертационной работы докладывались на международном научном симпозиуме «Автотракторостроение 2009»; на международном Форуме «Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и механизмов» (2009г.); на международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы и современные технологии в машиностроении» (2010г.); на III научно-образовательной конферен-
ции "Машиностроение - традиции и инновации" (2010г.); на международной научно-технической конференции «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», МАМИ (2010г.); на «Национальной научно-технологической конференции», МГТУ им. Н.Э. Баумана (2011г.); на IV Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России», 2011 г. (награждена дипломом за лучшую научную работу по направлению «Машиностроительные технологии»); обсуждалась на заседаниях кафедры «Инструментальная техника и технология формообразования» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 3 в изданиях, входящих в перечень ВАК, а также заявка на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Материал диссертации изложен на 145 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунок, 9 таблиц, 7 приложений, список литературы включает 110 наименований.
