Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ технологических схем зубообработки цилиндрических зубчатых колес 16
1.1 Номенклатура выпускаемых цилиндрических зубчатых колес 16
1.2. Анализ традиционной технологической схемы зубообработки цилиндрических колес 19
1.3. Анализ эффективности способов зубонарезания цилиндрических колес 27
1.4. Прогрессивные технологические схемы зубообработки цилиндрических колес 35
1.5. Основные направления повышения производительности процессов зубообработки цилиндрических зубчатых колес 46
1.5.1. Повышение скорости резания 46
1.5.2. Увеличение подач 51
1.5.3. Увеличение периметра режущих кромок инструмента 54
1.5.4. Сокращение длины пути резания 59
1.5.5. Реализация рациональных схем резания 61
1.5.6. Управление параметрами процессов зубонарезания 65
Выводы 69
2. Разработка высокоэффективных процессов зубонарезания цилиндрических колес резцовыми головками 70
2.1. Зубонарезание резцовыми головками большого диаметра 70
2.1.1. Предварительное зубонарезание цилиндрических колес дисковыми резцовыми головками 73
2.Г.2. Обкатывающее зубопротягивание цилиндрических колес 77
2.2. Анализ технологических возможностей способов
зубонарезания цилиндрических колес резцовыми головками 92
Выводы 99
3. Сравнительный анализ эффективности способов зубонарезания цилиндрических зубчатых колес
3.1. Методика кинематического анализа процессов зубонарезания по методу обката 100
3.2. Определение толщин срезаемых слоев при зубонарезании цилиндрических колес по методу обката 105
3.2.1. Определение максимальной толщины срезаемого слоя при зубонарезании по методу обката 106
3.2.2. Определение максимальной толщины срезаемого слоя при зубонарезаниизубострогальными гребенками
3.2.3. Определение начального угла обката 112
3.2.4. Определение максимальной толщины срезаемого слоя при зубодолблении дисковыми долбяками 115
3.2.5. Определение максимальной толщины срезаемого слоя при зубофрезеровании червячными фрезами 120
3.2.6. Определение максимальной толщины срезаемого слоя при зуботочении обкаточными резцами 124
3.2.7. Определение максимальной толщины срезаемого слоя при круговом и кругодиагональном зубопротягивании 127
3.2.8. Определение максимальной толщины срезаемого слоя при зубонарезании одновитковыми резцовыми головками 130
3.2.9. Определение максимальной толщины срезаемого слоя при зубопротягивании дисковыми резцовыми головками 133
3.3. Соотношение технологических параметров способов зубонарезания цилиндрических колес по методу обката 135
3.3.1. Червячное зубофрезерование многозаходными и однозаходными фрезами 136
3.3.2. Червячное зубофрезерование с радиальной и осевой подачей 137
3.3.3. Зубодолбление дисковыми долбяками и червячное зубофрезерование однозаходными фрезами с осевой подачей 137
3.3.4. Зубострогание зуборезными гребенками и червячное зубофрезерование однозаходными фрезами с осевой подачей 138
3.3.5. Зуботочение обкаточными резцами и червячное зубофрезерование однозаходными фрезами с осевой подачей 139
3.3.6. Зубонарезание гребенчатыми фрезами и червячное зубофрезерование с осевой подачей 139
3.3.7. Зубонарезание дисковыми резцовыми головками и червячное зубофрезерование с осевой подачей 140
3.3.8. Круговое и кругодиагональное зубопротягивание и червячное зубофрезерование с осевой подачей 142
3.3.9. Зубонарезание одновитковыми резцовыми головками и червячное зубофрезерование с осевой подачей 143
3.3.10. Обкатывающее зубопротягивание дисковыми резцовыми головками и червячное зубофрезерование с осевой подачей 144
3.4. Расчет основного времени обработки для различных способов зубонарезания 145
3.4.1. Зубофрезерование червячными фрезами с осевой подачей 145
3.4.2. Червячное зубофрезерование с радиальной подачей 146
3.4.3. Зубодолбление дисковыми долбяками 147
3.4.4. Зубонарезание гребенчатыми фрезами 148
3.4.5. Зубострогание зуборезными гребенками 149
3.4.6. Зубонарезание дисковыми твердосплавными резцовыми головками 150
3.4.7. Зуботочение обкаточными резцами 150
3.4.8. Круговое и кругодиагональное зубопротягивание 151
3.4.9. Зубонарезание одновитковыми резцовыми головками 152
3.4.10. Зубопротягивание дисковыми резцовыми головками 152
3.5. Определение относительной производительности способов зубонарезания 153
3.6. Компьютерный анализ способов зубонарезания цилиндрических прямозубых колес малого модуля
3.6.1. Блок-схема сравнительного анализа производительности способов зубонарезания цилиндрических колес 157
3.6.2. Сравнительный анализ производительности способа зубонарезания твердосплавными дисковыми резцовыми головками с подачей обката 166
3.6.3. Сравнительный анализ производительности способа обкатывающего зубопротягивания дисковыми резцовыми головками 175
Выводы 185
4. Исследование высокоэффективных процессов зубонарезания цилиндрических колес резцовыми головками 186
4.1. Моделирование процесса формообразования зубьев при нарезании цилиндрических колес резцовыми головками 186
4.1.1. Особенности схемы формообразования зубчатых профилей цилиндрических колес по методу обката 187
4.1.2. Структурная модель зубонарезания по методу обката 192
4.1.3. Аналитическое определение толщин срезаемых слоев при зубонарезании цилиндрических колес по методу обката 195
4.1.4. Определение площадей срезаемых слоев 198
4.1.5. Моделирование процесса обкатывающего зубопротягивания и определение параметров срезаемых слоев на ЭВМ 204
4.1.6. Экспериментальное исследование силовых характеристик зубонарезания цилиндрических колес по методу обката 212
4.2. Выравнивание параметров процесса зубонарезания цилиндрических колес резцовыми головками по методу обката 217
4.2.1. Выравнивание параметров схемы резания, как метод управления процессом зубонарезания 220
4.2.2. Стабилизация параметров процесса обкатывающего зубопротягивания цилиндрических колес резцовыми головками.. 224
Выводы 234
5. Создание малооперационных технологий зубообработки цилиндрических зубчатых колес 235
5.1. Малоотходная технология изготовления цилиндрических зубчатых колес 235
5.2. Зубонарезание цилиндрических колес с продольной модификацией зубьев 239
5.2.1. Нормирование параметров цилиндрических зубчатых колес. 239
5.2.2. Анализ формы и расположения пятна контакта в цилиндрических зубчатых передачах 242
5.2.3. Способы зубонарезания цилиндрических колес с продольной модификацией зубьев 246
5.2.4. Способ зубонарезания цилиндрических колес с бочкообразными зубьями спаренными дельтовидными резцовыми головками 251
5.2.5. Анализ вариантов контакта в передаче, составленной из цилиндрических колес с продольной модификацией зубьев 254
5.3. Технологическая схема сопряженного зубонарезания цилиндрических колес с продольной модификацией зубьев 258
5.4. Определение параметров процессов зубонарезания цилиндрических колес резцовыми головками 265
5.4.1. Определение положения профилирующих точек инструмента 266
5.4.2. Определение величины вогнутости боковых поверхностей зубьев при зубонарезании дисковыми резцовыми головками 269
5.4.3. Определение величины бочкообразности зубьев при зубонарезании дельтовидными резцовыми головками 272
5.5. Исследование контакта зубьев колес в цилиндрической передаче 282
5.5.1. Моделирование процесса формирования контакта боковых поверхностей зубьев в цилиндрической зубчатой передаче 284
5.5.2. Экспериментальное исследование контакта бочкообразных зубьев в цилиндрической передаче 289
5.5.3. Анализ влияния параметров зубчатых колес и процессов зубонарезания на величину продольной модификации зубьев 293
5.5.4. Построение модели управления шириной пятна контакта в цилиндрической зубчатой передаче 299
Выводы 308
6. Реализация инновационных технологий зубонарезания цилиндрических колес с продольной модификацией зубьев резцовыми головками 310
6.1. Конструкции дисковых резцовых головок 312
6.2. Реализация процесса зубонарезания дисковыми резцовыми головками 313
6.3. Применение принципа взаимозаменяемости в зуборезных резцовых головках 320
6.4. Обеспечение высокого уровня технологичности
конструкций зуборезных резцовых головок 327
6.4.1. Проектирование резцовых головок для обкатывающего зубопротягивания 328
6.4.2. Проектирование зуборезных дельтовидных резцовых головок 333
6.5. Технологическое обеспечение зубонарезания цилиндрических колес резцовыми головками 338
6.6. Реализация прогрессивных способов зубонарезания резцовыми головками на модернизированных фрезерных станках 345
Выводы 353
Заключение 353
Основные выводы и результаты 354
Библиографический список
- Прогрессивные технологические схемы зубообработки цилиндрических колес
- Предварительное зубонарезание цилиндрических колес дисковыми резцовыми головками
- Определение максимальной толщины срезаемого слоя при зубонарезаниизубострогальными гребенками
- Особенности схемы формообразования зубчатых профилей цилиндрических колес по методу обката
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Важнейшей проблемой современного машиностроения является определение путей реализации перспективных инновационных технологий, создающих прочный фундамент модернизации экономики страны. При этом в первую очередь должны учитываться экономические возможности действующих производств.
В различных изделиях машиностроения используются зубчатые передачи, которые оказывают существенное влияние на их эксплуатационные характеристики. Обладая высоким КПД, компактностью и надежностью, они находят широкое применение в машинах и механизмах в различных отраслях машиностроения: в станках, автомобилях, мототехнике, сельскохозяйственной технике, машинах и технических комплексах оборонного назначения и др.
Характерными особенностями зубчатых колес являются сложность геометрической формы и взаимосвязь размерных параметров, которые должны быть выполнены достаточно точно даже для колес неответственных передач. При изготовлении зубчатых колес наиболее трудоемкими и технологически сложными являются операции формообразования зубьев в соответствии с требованиями по точности и качеству. Несмотря на непрерывное совершенствование технологических процессов изготовления зубчатых колес даже в отраслях машиностроения, характеризуемых крупносерийным производством, трудоемкость операций зубообработки остается очень высокой и составляет свыше 50 % общей трудоемкости механической обработки зубчатых колес.
Конкурентоспособность изделий машиностроения во многом определяется уровнем качества продукции. Качество цилиндрических зубчатых передач характеризуется различными показателями и определяется параметрами точности зубчатых колес. В настоящее время наметилась тенденция нормирования параметров точности цилиндрических зубчатых колес, заключающаяся в переходе к контролю кинематических и динамических функциональных показателей (согласованности вращения, безударной работы, прилегания поверхностей зубьев). Одним из важнейших комплексных показателей точности зубчатых передач является величина и расположение суммарного пятна контакта, которое оказывает влияние на нагрузочную способность передачи и определяет ряд параметров, характеризующих качество передачи, таких как уровень шума и др.
Перспективным направлением повышения качества цилиндрических зубчатых передач является изготовление колес с продольной модификацией зубьев, гарантирующее локализованное по середине зуба расположение и регламентированную ГОСТ 1643-81 ширину пятна контакта, что обеспечивает снижение чувствительности передач к погрешностям изготовления и монтажа.
С учетом большой потребностей промышленности в зубчатых колесах, из которых свыше половины составляют цилиндрические прямозубые колеса с внешним зацеплением, создание инновационных технологий на основе разработки новых высокопроизводительных процессов зубонарезания цилиндрических колес с продольной модификацией зубьев, позволяющих повысить качество сопряжения цилиндрических зубчатых передач, является актуальной научной проблемой.
Работы выполнялись в соответствии с грантами РФФИ (№96-15-98241-л, 1996-1998 гг.; №00-15-99064-л 2000-2002гг.; РФФИ-офи-центр 08-08-99006 2008-2009гг.; РФФИ-р-офи 09-08-99005 2009г.); грантами Президента РФ для поддержки ведущих научных школ Российской Федерации (№ НШ-1920.2003.8 2003-2005гг.); тематикой важнейших НИР ТулГУ, утвержденных Минобрнауки РФ (госбюджетные темы №21-76 1997-1998 гг.; №36-01; №06-05); c отраслевой темой министерства оборонной промышленности НГ5-406-82; координационным планом Тульского машиностроительного завода и НИТИ "Прогресс" (г. Ижевск); с хоздоговорными темами №76-509, №78-385/2 и №82-120/2 и др.
Объектом исследования являются технологии зубообработки цилиндрических колес, обеспечивающие повышение качества зубчатых передач.
Предметом исследования является анализ и синтез технологических схем, способов, инструментов и оборудования для нарезания продольно-модифицированных зубьев цилиндрических зубчатых колес среднего модуля.
Цель работы. Повышение качества цилиндрических зубчатых передач и производительности зубонарезания цилиндрических колес с продольной модификацией зубьев.
Достижение поставленной цели потребовало постановки и решения задач:
1) анализ технологических схем зубообработки цилиндрических колес и выявление перспективных направлений повышения эффективности зубонарезания;
2) разработка высокоэффективных способов зубонарезания цилиндрических колес с продольной модификацией зубьев прогрессивными инструментами - резцовыми головками большого диаметра и методик проектирования зуборезных обкатных резцовых головок;
3) разработка методики объективного сравнительного анализа производительности процессов зубонарезания и проведение сравнительного анализа производительности традиционных способов зубонарезания цилиндрических колес и перспективных способов зубонарезания резцовыми головками;
4) исследование возможностей повышения эффективности зубонарезания цилиндрических колес резцовыми головками на основе моделирования процесса формообразования зубчатых поверхностей по методу обката;
5) обоснование малооперационной технологической схемы согласованного зубонарезания цилиндрических колес с различной продольной модификацией зубьев;
6) моделирование процессов формообразования продольно-модифицированных зубчатых поверхностей цилиндрических колес при зубонарезании резцовыми головками с учетом последующего их сопряжения в зубчатых передачах;
7) разработка прогрессивных конструкций зуборезных резцовых головок и обкатно-делительного механизма нового типа, а также рекомендаций по практической реализации инновационных технологий зубонарезания цилиндрических колес с продольной модификацией зубьев.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории эвольвентных зубчатых передач, теории формообразования эвольвентных зубчатых поверхностей по методу обката, теории проектирования режущих инструментов, теории резания, технологии машиностроения. Использованы методы математического анализа, аналитической геометрии, математического моделирования и компьютерного 3D моделирования.
Экспериментальные исследования проводились в лабораториях кафедр «Технология машиностроения» и «Инструментальные и метрологические системы» ТулГУ, в отделе КТОИиН ОАО «АК «Туламашзавод» с использованием производственного оборудования, средств технологического и метрологического оснащения. Обработка экспериментальных данных осуществлялась с использованием методов аппроксимации и математической статистики.
Автор защищает:
- перспективные направления совершенствования технологии зубообработки цилиндрических колес: разработка высокопроизводительных процессов зубонарезания и создание малооперационных технологий зубообработки, сформулированные в результате анализа технологических схем зубообработки;
- высокоэффективные способы зубонарезания цилиндрических колес с продольной модификацией зубьев дисковыми и дельтовидными резцовыми головками большого диаметра (D0 = 200…400 мм);
- методики проектирования резцовых головок для зубонарезания цилиндрических колес, учитывающие особенности схем формообразования по методу обката;
- методику сравнительного анализа производительности способов зубонарезания, основанную на сопоставлении физических технологических и конструктивных параметров, позволяющую объективно оценить потенциальные возможности различных способов, блок-схему, программу и результаты сравнительного анализа производительности способов зубонарезания, позволившие определить области их эффективного применения и выявить наиболее перспективные способы;
- функциональные модели способов зубонарезания цилиндрических колес резцовыми головками по методу обката и аналитические зависимости, описывающие взаимосвязи параметров обрабатываемых зубчатых колес (модуль – m, число зубьев – z1, ширина зубчатого венца – b1), физических (толщина – a и площадь срезаемого слоя – F, усилие резания – Pz), кинематических (скорость относительного движения формообразования – Vф) и технологических (скорость резания – V, скорость движения подачи обката – VSобк) параметров процессов зубонарезания и конструктивных параметров зуборезных инструментов (диаметр – D0 и число режущих зубьев – z0), позволяющие реализовать рациональные схемы формообразования зубчатых поверхностей;
- способ управления параметрами схемы вырезания впадины (толщиной – a и площадью срезаемых слоев – F) при обкатывающем зубопротягивании цилиндрических колес резцовыми головками путем изменения конструктивных параметров (окружного шага расположения резцов – tокр) зуборезных инструментов, позволяющий повысить производительность и стабилизировать силы резания;
- малооперационную технологическую схему согласованного зубонарезания колес цилиндрических передач с продольной модификацией зубьев различной формы (вогнутых и бочкообразных), обеспечивающую локализованное по середине зубчатого венца расположение пятна контакта эллипсовидной формы;
- зависимости для определения величины продольной модификации зубьев обрабатываемых цилиндрических колес, полученные на основе моделирования процессов формообразования продольно-модифицированных зубьев при зубонарезании резцовыми головками;
- методику определения диаметров зуборезных инструментов и углов наклона осей дельтовидных резцовых головок, гарантирующих получение пятна контакта зубьев колес цилиндрической передачи не менее регламентированной ГОСТом ширины, созданную с учетом сопряжения продольно-модифицированных зубьев цилиндрических колес в зубчатых передачах;
- технологичные конструкции зуборезных дисковых и дельтовидных резцовых головок, спроектированные на основе принципа полной взаимозаменяемости резцов с механическим креплением режущих пластин;
- конструкцию обкатно-делительного механизма без шарнирного соединения эталонной зубчатой рейки, позволившую повысить производительность и точность зубонарезания на модернизированных серийных фрезерных станках;
- рекомендации по практической реализации инновационных технологий зубообработки цилиндрических колес резцовыми головками, позволяющие осуществлять эффективную модернизацию действующих производств с минимальными затратами времени и средств не зависимо от объема выпуска;
- внедрение результатов работы в производство и в учебный процесс.
Научная новизна:
специальность 05.02.07 – Технология и оборудование механической и физико-технической обработки
- разработана методика кинематического анализа зубонарезания цилиндрических колес, основанная на сопоставлении физических параметров процесса формообразования по методу обката, позволившая осуществить объективное сравнение производительности различных способов зубонарезания и обосновать эффективность применения способов зубонарезания цилиндрических колес резцовыми головками;
- предложен метод управления параметрами схемы вырезания впадины (толщиной и площадью срезаемых слоев) при обкатывающем зубопротягивании цилиндрических колес путем расположения резцов зуборезных резцовых головок с монотонно возрастающим окружным шагом, позволяющий повысить производительность зубонарезания;
специальность 05.02.08 – Технология машиностроения
- выявлены потенциальные возможности новых способов зубонарезания цилиндрических колес с продольно-модифицированными зубьями дисковыми и дельтовидными резцовыми головками, позволяющие создать малооперационную технологическую схему согласованной зубообработки колес цилиндрических передач, обеспечивающую повышение их качества по параметрам пятна контакта;
- установлена взаимосвязь параметров процессов зубонарезания продольно-модифицированных зубчатых поверхностей цилиндрических колес резцовыми головками и ширины пятна контакта в зубчатых передачах, на основе которой выявлены условия локализации пятна контакта по середине зуба и разработана методика определения диапазона углов наклона осей дельтовидных резцовых головок, гарантирующих получение регламентированной ГОСТом ширины пятна контакта.
Практическая значимость:
- разработаные методика, алгоритм и пакет прикладных программ сравнительного анализа производительности способов зубонарезания цилиндрических колес позволяют выявить диапазон параметров нарезаемых колес для рационального применения различных способов зубонарезания, обосновать повышение производительности зубонарезания резцовыми головками в 2…6 раз по сравнению с традиционным зубофрезерованием червячными фрезами, и осуществлять выбор наиболее эффективных способов зубонарезания конкретных зубчатых колес в условиях производственных технологических служб;
- предложенная инновационная технология согласованного зубонарезания цилиндрических колес с различной продольной модификацией зубьев позволяет повысить качество зубчатых передач по параметрам пятна контакта;
- разработанные высокотехнологичные конструкции зуборезных резцовых головок с использованием взаимозаменяемых резцов с механическим креплением режущих пластин из современных инструментальных материалов, быстродействующее обкатно-делительное устройство нового типа и унифицированный контрольно-заточной комплекс технологической оснастки обеспечивают эффективную реализацию прогрессивных способов зубонарезания цилиндрических колес в производствах различного типа, а также позволяют осуществить модернизацию действующих производств цилиндрических зубчатых колес на предприятиях машиностроения с минимальными затратами времени и средств.
Реализация работы. Результаты работы внедрены на ОАО «АК «Туламашзавод», ОАО «ТОЗ», ФГУП «ГНПП «Сплав». Материалы диссертации используются в учебном процессе в курсах лекций «Технология машиностроения», «Обработка сложных поверхностей», «Режущий инструмент» и «Инструмент для обработки эвольвентных зубчатых колес», при курсовом и дипломном проектировании, выполнении ВКР и магистерских диссертаций по направлению 150900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств».
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на следующих совещаниях, семинарах и научно-технических конференциях: на ВНТК Москва, 1985; Тула, 1988; Курган, 1988; Брянск, 1990; Николаев, 1990; на РНТК Ижевск, 1989; Рыбинск, 1994 и 1999; на МНТК Донецк, 1995 и 1996, 2000, 2001 и 2002; Тула, 1996, 1997, 2000, 2002, 2003, 2005, 2008; Москва, 1996, 2000; Ижевск, 1996; Калининград, 1998; Брянск, 1998, 2006; Донецк – Севастополь, 1999 и 2004; Орел, 2000 и 2001; Харьков, 2002, 2004 и 2007;
За комплекс работ по созданию прогрессивных технологий зубообработки автор в составе коллектива в 2005 г. был удостоен звания лауреата премии им. С.И. Мосина, а в 2008 г. - премии им. акад. Б.С. Стечкина.
Публикации. Основные научные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 2-х монографиях; в 31 статье в научных изданиях, входящих в «Перечень периодических научных и научно-технических изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых рекомендуется публикация основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук», и приравненных к ним, получено патентов РФ на изобретение – 4; в 52-х статьях в сборниках научно-технических трудов, из них статей без соавторства – 11.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и библиографического списка из 255 наименований на 380 страницах основного машинописного текста, 6 приложений, содержит 101 рисунок и 11 таблиц. Общий объем - 456 страниц.
Прогрессивные технологические схемы зубообработки цилиндрических колес
Во избежание несимметричной вогнутости необходимо устанавливать заготовку так, чтобы середина нарезаемого зубчатого венца совпадала с осевой плоскостью резцовой головки (см. рисунок 2.2).
Образование вогнутости не рассматривалось как недостаток [233], поскольку процесс зубонарезания дисковыми резцовыми головками использовался для предварительного зубонарезания. Для устранения этой погрешности могут быть использованы различные способы чистовой зубо-обработки, среди которых предпочтение следует отдать процессу с использованием двухрядных дисковых резцовых головок с нулевым углом профиля [89] или процессу зубошевингования с жесткой кинематической связью между осями заготовки и шевера [151]. После шевингования вогнутость боковых поверхностей зубьев колес {& 0,04 JMM) полностью устраняется. Причем на точность и производительность процесса шевингования вогнутая форма зубьев не оказывает практически никакого влияния. Резцовые головки дискового типа обеспечивают такую же универсальность, как и червячные фрезы, с одним ограничением по ширине нарезаемого венца из-за образующейся вогнутости зубьев.
Процесс имеет несомненное преимущество - отсутствие кинематической связи между движениями резания и обката. Это позволяет оснащать инструмент твердым сплавом и производить обработку на больших скоростях резания (до 500 м/мин), что обеспечивает высокую производительность зубонарезания {1,2... 1,8 с/зуб) [9, 228].
Специфическая особенность процесса обработки цилиндрических колес заключается в том, что зубонарезание осуществляется путем последовательного независимого вырезания впадин в заготовке, чередующегося с движением деления после каждого цикла формообразования зубчатых поверхностей. Это приводит к дополнительным затратам времени на обработку зубчатого колеса, что несколько снижает производительность процесса. Но, несмотря на эти потери, уровень производительности зубообра-ботки по методу z-кратного обката оценивается достаточно высоко - в пределах 2 с/зуб благодаря возможности эффективного использования режущих свойств такого инструментального материала, как твердые сплавы.
Экспериментальные исследования процесса зубонарезания дисковыми твердосплавными резцовыми головками осуществлялись в лаборатории технологии машиностроения на модернизированном горизонтально-фрезерном станке. На шпинделе станка закреплялась резцовая головка диаметром Do = 215 мм с 18-ю взаимозаменяемыми резцами, оснащенными твердосплавными пластинками. При скорости резания V = 540 м/мин была достигнута высокая производительность — и = 1,87 с/зуб.
Успешно проведенные экспериментальные исследования позволили реализовать процесс зубонарезания дисковыми твердосплавными резцовыми головками на модернизированном горизонтально-фрезерном станке 6М82Г и внедрить его на АК "Туламашзавод" для обработки цилиндрических зубчатых колес модуля т = 2,5 мм коробки передач мотороллера. Опыт эксплуатации модернизированного горизонтально-фрезерного станка в производственных условиях подтвердил стабильность параметров точности обрабатываемых цилиндрических зубчатых колес, которые по точности удовлетворяли требованиям 7...8-й степеней точности по ГОСТ 1643-81. Вместе с тем было выявлено негативное влияние используемого рееч-но-зубчатого механизма с качательным движением эталонной рейки на шаговый параметр нарезаемых колес при Челноковых движениях обкатывания» заготовки. Степень этого влияния в основном, зависит от величины посадочного зазора в шарнирном соединении эталонной рейки с кронштейном, закрепленным на направляющих станины горизонтально-фрезерного станка. При совершении качательных движений эталонной рейки и ее замыкании с эталонным зубчатым венцом оправки изделия, которые являются основой механизма обката, происходит выборка указанного зазора в противоположных направлениях. Для уменьшения негативного воздействия продольных разнонаправленных смещений эталонной рейки в конструкции обкатно-делительного устройства был использован рычажно-магнитный механизм, обеспечивающий встречную компенсацию этих смещений с помощью эксцентриковой оси шарнира. Однако полностью устранить накопление ошибки по шагу зубьев нарезаемого венца не удалось, в связи с чем возникла необходимость перехода к новому варианту обкатно-делительного устройства без шарнирного соединения эталонной зубчатой рейки.
Для успешного внедрения процесса был разработан контрольно-заточный комплекс, позволивший осуществлять сборку дисковых резцовых головок на основе принципа взаимозаменяемости в соответствии с жесткими требованиями по точности взаимного положения режущих кромок инструмента.
Анализ потенциальных возможностей процесса зубообработки цилиндрических колес дисковыми резцовыми головками показывает, что существуют достаточно большой резерв увеличения производительности обработки по методу z-кратного обката [156, 161, 232]. Так, при использовании схемы с односторонним прерывистым z-кратным обкатом заготовки время цикла обработки одной впадины tz гобк +tdon (2-3) где to6K - время обкатывания заготовки; tdon — суммарное время дополнительных движений в пределах одного цикла зубонарезания; доп отв возвр дел подв Кг- ) tome - время отвода заготовки от резцовой головки; te - время возврата заготовки в исходное положение;. tdejl - время деления заготовки на зуб; tnode - время подвода заготовки к резцовой головке.
Из формулы (2.4) следует, что для повышения производительности процесса необходимо исключить или свести к минимуму время вспомогательных движений,-осуществляемых при подводе, возврате, делении и отводе. Данная задача может быть решена путем совмещения этих движений.
При. использовании схемы с двусторонним прерывистым z-кратным обкатом (см. рисунок 2.2) из цикла обработки каждой впадины исключаются вспомогательные движения подвода и отвода заготовки от резцовой головки. Однако значительно увеличивается длина пути обката в каждом цикле обработки из-за большого перебега заготовки, необходимого для осуществления деления на зуб и повторного врезания. Как следствие, возрастают время рабочего хода и суммарное время цикла обработки впадины.
Другим обстоятельством, отрицательно влияющим на производительность зубообработки по методу z-кратного обката, является невысокая прочность режущих пластин из-твердого сплава. Невозможность срезания слоев металла большой толщины требует увеличенного количества резов для формообразования каждой впадины, что, в конечном итоге, препятствует достижению высокой производительности зубообработки.
Предварительное зубонарезание цилиндрических колес дисковыми резцовыми головками
Величина сектора протяжки свободного от резцов определятся скоростью резания, диаметром- инструмента, а также временем, необходимым для осуществления деления заготовки колеса на один зуб, и является вполне определенной и постоянной.
Расстояние между резцами, в конечном счете, обуславливает их прочность и влияет на технологичность конструкции инструмента, поэтому может быть установлено заранее. Число чистовых резцов, необходимых для формообразования эвольвентного профиля зуба, также является определенным для заданной степени точности обрабатываемого колеса.
Таким образом, в формулах (3.23) и (3.25) величинами, определяющими максимальную толщину срезаемого слоя при круговом и кругодиа-гональном зубопротягивании, являются число резцов в черновом секторе протяжки z0 И диаметр инструмента da . При этом диаметр протяжки связан с числом режущих элементов в ней соотношением (3.24). Определение максимальной толщины срезаемого слоя при зубонарезании одновитковыми резцовыми головками
При зубонарезании цилиндрических колес одновитковыми резцовыми головками (рисунок 3.15) обработка каждой впадины осуществляется за один оборот инструмента, представляющего собой неполный виток многозаход-ной червячной фрезы большого диаметра со свободным сектором [42, 89].
Схема резания при формообразовании впадин и эвольвентных про 131 филей зубьев соответствует процессу зубообработки реечным инструментом по методу обката (см. рисунок 2.6).
Поэтому для определения максимальной толщины среза можно воспользоваться расчетной схемой (рисунок 3.1) и полученными ранее зависимостями. Следует, однако, учитывать, что при зубонарезании одновитковыми резцовыми головками отсутствует кинематическое движение подачи обката, а инструмент и заготовка получают в процессе обработки лишь согласованное вращение. Тогда, максимальная толщина срезаемого слоя будет соответствовать первому элементарному резу и определяется по зависимости (3.3):
Следует отметить, что при зубообработке одновитковыми резцовыми головками максимальную толщину срезаемого слоя определяют те же параметры, что и при круговом зубопротягивании: число зубьев z0 и диаметр da инструмента. Эти же параметры оказывают решающее влияние и на производительность зубонарезания.
Определение максимальной толщины срезаемого слоя при зубопротягивании дисковыми резцовыми головками
Процесс обкатывающего зубопротягивания дисковыми резцовыми головками, схема которого представлена на рисунке 3.16, отличается от рассмотренного выше зубонарезания одновитковыми резцовыми головками тем, что в пределах вырезания каждой впадины обрабатываемого колеса заготовке сообщаются согласованные движения обката: вращение и прямолинейная подача обката. Инструмент - резцовая головка дискового типа со свободным сектором [155].
Схема обкатывающего зубопротягивания дисковыми резцовыми головками Формообразование эвольвентного профиля зубьев при обкатывающем зубопротягивании осуществляется также в соответствии с рассмотренной 134 ранее схемой зубонарезания реечным инструментом по методу обката. Поэтому для определения максимальной толщины срезаемого слоя воспользуемся уже полученной зависимостью (3.26), а начальный угол обката определяется по формуле (3.13). Элементарный угол обката
При обкатывающем зубопротягивании цилиндрических колес дисковыми резцовыми головками движение подачи обката сообщается заготовке в пределах профилирования каждой впадины за один оборот инструмента. За время прохождения сектора, свободного от резцов, осуществляется возврат и деление заготовки на один зуб.
Произведение VSo6t х At представляет собой элементарную длину обката, приходящуюся на один рез, которая равна общей длине обката 1обк при вырезании одной впадины, деленной на число зубьев резцовой головки z0-1. Элементарный угол обката можно выразить следующим образом:
Для определения общей длины обката при формообразовании одной впадины зубчатого колеса рассмотрим схему на рисунке 2.4. Длины отрезков //, l2t l3 U для инструментов со стандартным исходным контуром производящей рейки а = 20 и при нарезании зубчатых колес с нулевым смещением величины рассчитываются по формулам, приведенным в подп. 2.1.2 работы. Тогда общая длина обката Величина сектора резцовой головки всв свободного от резцов определятся скоростью резания, диаметром инструмента и-временем, необходимым для осуществления вспомогательных ходов (возврат и деление заготовки-колеса на один зуб), иявляется вполне определенной и постоянной. Расстояние между резцами Л1 обуславливает их прочность и влияет на технологичность конструкции инструмента, поэтому также может быть установлено заранее.
Из вышесказанного следует, что при зубопротягивании цилиндрических колес дисковыми резцовыми головками максимальную толщину срезаемого слоя и основное время обработки определяют параметры, характерные для всех процессов кинематического и кругового зубопротягивания, а именно: число зубьев резцовой головки z0 и диаметр инструмента da .
Соотношение технологических параметров способов зубонарезания цилиндрических колес по методу обката
Любой метод обработки резанием характеризуется рядом физических параметров (толщина, ширина и площадь срезаемого слоя, силы реза 136 ния и др.), конструктивных (число режущих элементов) и технологических параметров (подача, скорость резания), определяющих время обработки.
В основу сравнительного анализа различных способов обработки должны быть положены одинаковые условия процессов резания, то есть равенство наиболее характерных параметров, что позволяет объективно судить об эффективности того или иного процесса. Учитывая специфику зубонарезания по методу обката, а именно: неравномерность срезаемых слоев, целесообразно принять в качестве такого параметра максимальную толщину слоя, срезаемого периферийной кромкой инструмента - атах.
Тогда, приравнивая amaxj= amaxj, можно установить соотношения между характерными для каждого способа технологическими и конструктивными параметрами; от которых зависит время обработки. Такими параметрами для большинства процессов являются величины технологических подач S, а для процессов протягивания - числа зубьев z0 и диаметры da инструментов.
Определим соотношение технологических подач и конструктивных параметров различных процессов зубонарезания цилиндрических колес по методу обката по сравнению с осевой подачей для червячного зубофрезеро-вания. Приравнивая последовательно максимальные толщины срезов для различных процессов зубонарезания с толщиной для червячного зубофрезе-рования, определяемой по формулам (3.17) и (3.18), получим следующие соотношения для определения технологических подач S = f{S0) и конструктивных параметров z0 = f(S0 ) каждого из рассматриваемых процессов.
Определение максимальной толщины срезаемого слоя при зубонарезаниизубострогальными гребенками
В качестве целевой функции управления модели могут быть приняты различные величины [22, 164, 226, 229]. При этом необходимо учитывать, что наиболее полными показателями эффективности любого процесса обра 193 ботки являются производительность и стоимость изготовления деталей требуемой точности и качества. Непосредственно применительно к процессу зубонарезания по методу обката и инструменту для его реализации можно утверждать, что производительность определяется основным временем обработки t0. Важной целевой функцией, во многом определяющей производительность и стоимость обработки, является стойкость инструмента — Т. С целью достижения минимальной стоимости инструмента необходимо обеспечить технологичность его конструкции. Очевидно, эти характеристики процесса зубообработки могут быть приняты в качестве целевой функции управления [8], но могут быть выявлены и другие целевые функции управления модели процесса зубонарезания по методу обката. Следовательно, имеется многопараметрическая модель процесса зубонарезания по методу обката. Исследование такой модели представляет собой сложную задачу. Одним из способов ее решения является расчленение многопараметркгче-ской модели на несколько однопараметрических и анализ процесса зубонарезания по каждому параметру отдельно. Поскольку в данной работе рассматривается в основном производительность зубообработки, целесообразно прежде всего осуществить моделирование процесса зубонарезания с целевой функцией t0 - основным временем обработки [164, 226, 229].
При зубонарезании цилиндрических колес резцовыми головками по методу z-кратного обката или z-кратного обкатывающего зубопротягива-ния время обработки каждой впадины зубчатого колеса Из формулы следует, что при уменьшении числа резов п: уменьшается суммарное время обработки впадины. Добиться этого можно путем увеличения скорости Уф относительного формообразующего движения.
Следовательно, t0— min при Уф— max. Поскольку функция t0 = f(Vtp) является монотонно убывающей и не имеет явного оптимума, то необходимо установить определенные ограничения.
Из схемы вырезания впадины зубчатого колеса (см. рисунок 2.5) следует, что af=lt= Уфі t , где / путь режущей кромки инструмента между двумя смежными резами.
Очевидно, с увеличением Уф, пропорционально возрастает /,, а следовательно, и параметры срезаемых слоев (толщина, площадь, а значит, и сила резания). Поэтому в качестве выходных параметров наряду со скоростью относительного формообразующего движения Уф могут быть приняты: сила резания - P=i, площадь срезаемого слоя — Ft и толщина срезаемого слоя - а,. Все перечисленные параметры взаимосвязаны.
На выходные параметры накладываются определенные ограничения по силе резания Pzmax, а следовательно, и по площади срезаемого слоя -Ртах и толщине срезаемого слоя - атах, определяющей нагрузку на единицу длины режущей кромки и ее прочность. Таким образом, создается область допустимых значений для выходных параметров.
Кроме этого, на выходные параметры оказывают влияние случайные внешние воздействия, например, недостаточная, жесткость технологической системы и невозможность вследствие этого увеличения сил резания, невысокое качество материала режущих пластин, а, следовательно, вынужденное уменьшение толщин срезаемых слоев и др.
Из схемы (см. рисунок 2.5) и формулы (4.2) видно, что параметры срезаемого слоя зависят от текущего угла обката щ и элементарного угла обката между двумя смежными резами Лср . В связи с этим при моделировании процесса зубонарезания методом обката целесообразно ввести универсальный промежуточный расчетный параметр Аф — элементарный угол обката между двумя смежными резами, поскольку все управляемые параметры (относительная скорость формообразования, толщина и площадь срезаемого слоя, а, следовательно, и сила резания) зависят от этого параметра.
Выбор входных параметров осуществляется исходя из возможности их влияния на промежуточный расчетный параметр А р, а значит, и на все? управляемые параметры (Уф, Pzi, Fit я,). Наиболее универсальным способом управления величиной элементарного угла обката является изменение скорости подачи обката VS0GK С помощью механизма обката специальной конструкции. Кроме этого, величина Лср может меняться в результате изменения конструктивных параметров самого инструмента, например, при расположении резцов в резцовой головке с неравномерным окружным шагом.
Очевидно, что входные параметры также должны изменяться в определенных пределах. Так, скорость подачи обката не может превышать некоторого максимального значения VSOGK max, которое гарантирует надежную и стабильную работу обкатно-делительного механизма, угловой (окружной) шаг расположения резцов в инструменте не может быть меньше некоторой минимальной величины, обеспечивающей достаточную жесткость резцовой головки, и т. д. Таким образом, устанавливается определенная область допустимых изменений для входных параметров.
Данная структурная модель позволяет перейти к выявлению функциональных связей между параметрами процесса зубонарезания аналитическим или другим методом, то есть к построению математических моделей.
Особенности схемы формообразования зубчатых профилей цилиндрических колес по методу обката
Решение аналогичной задачи для сопрягаемых зубчатых колес цилиндрической передачи, обработанных по предлагаемой технологической схеме, а также дополнение ее моделью управления параметрами пятна контакта за счет изменения параметров процессов зубообработки, по сути дела является элементом САПР процессов зубонарезания цилиндрических колес.
Для обеспечения возможности использования необходимо произвести рациональное упрощение разрабатываемой математической модели, которое заключается в принятии ряда допущений, не оказывающих существенного влияния на конечный результат. В данном случае целесообразно ввести несколько таких допущений.
1. Поскольку исследуемые процессы зубопротягивания и зубонарезания дельтовидными резцовыми головками являются чистовыми, количество режущих кромок, формообразующих каждую впадину, с целью обеспечения необходимого качества обработанных поверхностей, выбирается достаточно большим. Следовательно, боковые поверхности зубьев-можно рассматривать как непрерывные с переменной величиной продольной модификации, т.е. не учитывать дискретный характер обработки.
2. Контакт точек рабочих поверхностей зубьев в передаче наступает при их взаимном отводе [110] на расстояние не более 8 0,00б4т,мы. (5.17)
Поскольку зубчатые передачи мотороллеров и мотоциклов не относятся к категории тяжелонагруженных и работают при относительно постоянной величине нагрузки, можно не учитывать смещение и изменение формы пятна контакта, обусловленные упругими деформациями зубьев, вызванными прикладываемой нагрузкой. Это допущение приемлемо еще и потому, что в зубчатых передачах с локализованным пятном контакта (в работе рассматриваются именно такие передачи) даже при значительных изменениях нагрузки смещение площадки контакта оказывается минимальным.
Структурная модель процесса формирования контакта рабочих поверхностей зубьев цилиндрической передачи представлена на рисунке 5.19. Данная модель предусматривает два этапа формирования контакта зубьев:
1) зубообработка цилиндрических колес в соответствии с предлагаемой технологической схемой (см. подп. 5.3): ведущего с вогнутыми зубьями - дисковой резцовой головкой по схеме z-кратного обкатывающего зу-бопротягивания; ведомого с бочкообразными зубьями - дельтовидными резцовыми головками по схеме z-кратного прерывистого обката;
Структурная модель формирования контакта продольно-модифицированных рабочих поверхностей зубьев цилиндрической передачи
Главной особенностью этой модели является то, что формообразование различных участков эвольвентных профилей зубьев осуществляется разными профилирующими точками режущих лезвий инструмента, располагающимися на различных радиусах, из-за чего величина продольной модификации по высоте зубьев обрабатываемых колес передачи (вогнутости и бочкообразно-сти соответственно) будет переменной. Поэтому суммарный отвод боковых поверхностей зубьев и мгновенная ширина площадки контакта будут также изменяться во времени. Следовательно, в модели обязательно должен присутствовать текущий временной параметр, учитывающий мгновенное положение поверхностей зубьев зацепляющихся колес в передаче относительно друг друга. В качестве такого параметра целесообразно выбрать текущий угол развернутости эвольвенты профиля зуба ведущего колеса. vtl.
Поскольку при равномерном вращении, зубчатых колес в передаче и при зубонарезании текущий угол развернутости эвольвенты прямопропор-ционален времени, данный параметр можно считать временным.
Теоретически взаимное расположение контактирующих боковых поверхностей зубьев цилиндрических колес в передаче в каждый момент определяется касанием сопрягаемых эвольвентных номинальных профилей в точке. Данное утверждение справедливо, поскольку реальный контакт зубьев колес происходит в зоне, локализованной вблизи центрального сечения зубчатого венца с эвольвентным номинальным профилем зубьев.
Как отмечалось ранее, при зубонарезании цилиндрических колес резцовыми головками большого диаметра движение продольной подачи отсутствует, а середина обрабатываемого венца совмещается с осевой плоскостью резцовых головок. При такой установке заготовки кромки резцов образуют в среднем сечении зубчатого венца обрабатываемого колеса исходный контур производящей рейки со стандартным углом профиля, и гарантированно обеспечивается расположение теоретически правильного эвольвентного профиля зубьев только в среднем сечении нарезаемого зубчатого венца.
Для нахождения взаимного расположения контактирующих поверхностей сопрягаемых колес в каждый момент зацепления обратимся к схеме (рисунок 5.20). Из схемы следует, что соотношение между углами развернутости номинальных эвольвентных профилей зубьев в точке их касания имеет вид [101] (гы +rh2)2 +(рп +р2,У =aj; irbl+rb2)2 +(rh]-v„+rh2-v2y =aj, где rbl и rh2 - радиусы основных окружностей соответственно ведущего и ведомого колес; ри и ръ - радиусы кривизны эвольвентных профилей зубьев ведущего и ведомого колес в точке контакта; vh и v2l - текущие значения углов развернутости эвольвентных профилей зубьев ведущего и ведомого колес в точке контакта; aw - межосевое расстояние зубчатой передачи.
Откуда текущее значение угла развернутости эвольвентного профиля зубьев ведомого колеса в точке контакта равно
Задаваясь последовательно различными значениями угла развернутости эвольвенты для ведущего колеса передачи vu j, можно найти соответствующие значения углов v2l для сопрягаемого ведомого колеса по формуле (5.18) и, тем самым, определить взаимное положение контактирующих поверхностей сопрягаемых колес. Необходимо однако учитывать, что соотношение (5.18) справедливо лишь в том случае, когда форма и величина продольной модификации боковых поверхностей зубьев колес обеспечивают локализацию площадки контакта вокруг среднего сечения зубчатого венца с номинальным эвольвентным профилем по всей высоте зуба. Границы изменения текущего
Цилиндрические зубчатые колеса с бочкообразными зубьями были получены способом огибающего зубопротягивания резцовыми головками [35, 36, 102]. Был разработан и изготовлен специальный зуборезный инструмент - резцовая головка диаметром dao — 285 мм, оснащенный двенадцатью парными резцовыми блоками с режущими пластинами из быстрорежущей стали марки Р6М5. Фотография инструмента представлена на рисунке 5.21.
Обработке подвергались цилиндрические зубчатые колеса вторичного вала четвертой передачи коробки скоростей мотороллера (см. рисунок 1.3) из стали 12ХНЗА (т =2,5 мм, z = 18, Ъ = 12 мм). Исходные заготовки с предварительно оформленными зубьями были получены полугорячей штамповкой и имели точность в пределах 12-й степени по ГОСТ 1643-81 и хуже. Твердость обрабатываемых заготовок составляла НВ 190...200, по штамповочной корке - НВ 210...220. Припуск под зубонарезание составил 0,2...0,5 мм на сторону зуба. Зубонарезание опытно-промышленной партии цилиндрических зубчатых колес осуществлялась на горизонтально-фрезерном станке модели 6М83Ш (рисунок 5.22). Объем партии составил 300 штук колес.
