Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. История проблемы. Задачи и направление исследований 13
1.1. Технические предпосылки создания гидравлических забойных двигателей с многозаходными винтовыми героторными механизмами 13
1.2. Принципы действия и особенности гидравлических забойных двигателей с многозаходными винтовыми героторными механизмами 18
1.3. Анализ технологии изготовления многозаходных винтовых героторных механизмов 33
1.4. Постановка задачи исследований 40
Глава 2. Исследование погрешностей профиля роторов, обработанных червячными фрезами 42
2.1. Анализ погрешностей формообразования цилиндрических зубчатых деталей 42
2.2. Разработка методики и алгоритма расчета погрешностей профиля ротора 47
2.3. Влияние неточностей изготовления и установки червячных фрез на случайные погрешности профиля роторов 53
2.4. Исследование систематических погрешностей профиля деталей, обработанных червячными фрезами с различной сточен-ностью 71
2.5. Разработка рекомендаций по назначению рациональных допусков на конструктивные и технологические параметры червячных фрез 78
Выводы по второй главе 83
Глава 3. Исследование и разработка технологии изготовления ротора 85
3.1. Анализ способов формообразования зубьев роторов 85
3.2. Исследование и разработка технологии зубофрезерования роторов 92
3.3. Исследование и разработка технологии и оборудования для чистовой обработки зубьев роторов 118
3.4. Разработка методики расчета профиля зубьев ротора под хромирование 128
3.5. Исследование и разработка методики и средств контроля зубьев ротора 134
Выводы по третьей главе 140
Глава 4. Исследование и разработка технологии изготовления статоров с увеличенной длиной зубчатой обкладки 142
4.1. Исследование факторов, влияющих на долговечность статора 142
4.2. Исследование и разработка технологии дробеструйной обработки корпуса статора 148
4.3. Исследование влияния режимов вулканизации на физико-механические свойства резины ИРП-1226 и долговечность статора 156
4.4. Исследование усадки резины и разработка способов повышения точности зубчатой обкладки статора 162
4.5. Исследование и разработка пресс-форм для заливки статоров 168
4.6. Исследование и разработка технологии восстановления статоров 176
4.7. Исследование и разработка методики контроля профиля зубьев и диаметральных размеров статора 184
Выводы по четвертой главе 191
Глава 5. Исследование систематических погрешностей профилирования статора и ротора 193
5.1. Исследование и выбор параметров общего исходного контура рейки для профилирования статора и ротора 193
5.2. Разработка методики и алгоритма расчета систематических погрешностей профилирования статора и ротора 205
5.3. Исследование влияния смещения червячной фрезы на систематические погрешности профилирования статора и ротора 214
5.4. Исследование систематических погрешностей профилирования статора и ротора, возникающих при обработке роторов с разными осевыми шагами зубьев 226
5.5. Разработка методики расчета допусков на профиль зубьев статора, ротора и допуска на натяг в зацеплении 23 8
5.6. Разработка методики расчета основных геометрических параметров многозаходных винтовых героторных механизмов 246
Выводы по пятой главе 249
Глава 6. Внедрение результатов исследований 252
6.1. Разработка новых конструкций многозаходных винтовых забойных двигателей повышенной эффективности и долговечности 252
6.2. Освоение серийного производства многозаходных винтовых забойных двигателей 264
6.3. Внедрение винтовых забойных двигателей в нефтяной и газовой промышленности 270
6.4. Продажа лицензий на винтовые забойные двигатели 280
6.5. Перспективы применения многозаходных винтовых героторных механизмов в нефтегазовой отрасли 285
6.6. Экономическая эффективность внедрения винтовых забойных двигателей 289
Основные выводы и результаты диссертационной работы 290
Список литературы 297
Приложение 1. Сновные обозначения 315
- Принципы действия и особенности гидравлических забойных двигателей с многозаходными винтовыми героторными механизмами
- Влияние неточностей изготовления и установки червячных фрез на случайные погрешности профиля роторов
- Исследование и разработка технологии и оборудования для чистовой обработки зубьев роторов
- Исследование влияния режимов вулканизации на физико-механические свойства резины ИРП-1226 и долговечность статора
Введение к работе
В современном машиностроении важнейшей является проблема качества продукции, а среди его показателей одно из первых мест занимает долговечность. Иногда машины совершенно одинаковых конструкций имеют разную долговечность. Причиной этого является различие в технологических процес- сах изготовления машин. Это в полной мере относится к гидравлическим за- "J бойным двигателям для бурения нефтяных и газовых скважин.
Одним из основных направлений повышения технико-экономических показателей бурения скважин, особенно горизонтальных и горизонтально- разветвленных, является широкое использование многозаходных винтовых забойных двигателей, созданных впервые в мире во Всероссийском научно- исследовательском институте буровой техники (ВНИИБТ) и его Пермском филиале. Принципиальное отличие новых забойных двигателей от известных заключается в использовании в качестве рабочих органов многозаходного винтового героторного механизма, который представляет собой цилиндрическую планетарную зубчатую передачу внутреннего зацепления, включающую статор и ротор с разницей в числах зубьев, равной единице. Статор и ротор многозаходного винтового героторного механизма являются уникальными зубчатыми деталями, и технология их изготовления создавалась в Пермском филиале ВНИИБТ впервые в отечественной и мировой практике.
К началу выполнения настоящей диссертационной работы (1975 г.) многие вопросы, связанные с созданием отечественных винтовых забойных двигателей (ВЗД), были решены. Разработаны основы теории рабочего процесса, первые конструкции и технологии изготовления многозаходных винтовых ге-роторных механизмов, изготовлены макетные и промышленные образцы гидравлических забойных двигателей, проведены их стендовые и промысловые испытания, началось серийное производство первых ВЗД на Павловском и Кунгурском машзаводах.
Большой творческий вклад в разработку технологии бурения и организацию производства отечественных винтовых забойных двигателей внесли А.А. Асан-Нури, П.И. Астафьев, Д.Ф. Балденко, А.В. Цепков, Н.П. Безлепкин, Т.Н. Бикчурин, Ю.В. Вадецкий, М.Т. Гусман, Н.Д. Дергач, В.А. Каплун, С.С. Ни-комаров, Н.И. Попов, A.M. Кочнев и др.
Однако широкое внедрение новых высокоэффективных забойных двигателей сдерживалось из-за крайне малой долговечности многозаходных винтовых героторных механизмов (50-60 часов), обусловленной низким качеством и несовершенством технологии изготовления.
В связи с вышеизложенным исследование и разработка технологии изготовления многозаходных винтовых героторных механизмов представляет актуальную задачу.
Работа выполнена по планам научно-исследовательских работ Пермского филиала ВНИИБТ, сформированным в соответствии с целевой научно-технической программой ОЦ.005, утвержденной ГКНТ и Госпланом СССР 18.11.1975 г. и 12.12.1980 г., с Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР «О мерах по техническому перевооружению нефтяной промышленности» №762 от 19.10.1972 г. и №261 от 12.03.1981 г., а также по заданиям Министерства нефтяной промышленности и ведущих нефтяных компаний России :«Роснефть»,«Сургутнефтегаз», «Лукойл» и др.
Целью работы является повышение долговечности многозаходных винтовых героторных механизмов и широкое внедрение новых высокоэффективных винтовых забойных двигателей.
В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решены следующие основные задачи:
- выполнен анализ рабочего процесса и условий эксплуатации винтовых забойных двигателей и установлены основные факторы, влияющие на долговечность многозаходных винтовых героторных механизмов;
- разработана классификация погрешностей формообразования зубьев многозаходных винтовых героторных механизмов. Разработаны методика и
алгоритм расчета погрешностей профиля роторов и сердечников пресс-форм статоров, обрабатываемых червячными фрезами, и систематических погрешностей зацепления, спрофилированного от исходного контура рейки, очерченного эквидистантои укороченной циклоиды, методика расчета допусков на профиль ротора, статора и допуска на натяг в зацеплении;
- выполнены теоретические и экспериментальные исследования и уста- новлено влияние: неточностей изготовления, установки и переточек червяч w ных фрез на случайные и систематические погрешности профиля зубьев рото ра; влияние смещения червячной фрезы, величины диаметрального натяга в
зацеплении зубьев статора и ротора, изменения осевого шага зубьев роторов, нарезаемых общей червячной фрезой, на систематические погрешности зацепления;
- выполнены экспериментальные исследования погрешностей профиля статора, обусловленных неравномерной усадкой резины, и погрешностей профиля роторов, связанных с неравномерной толщиной хрома по профилю зубьев ротора, разработан метод расчета профиля зубьев сердечника пресс-формы статора и профиля зубьев ротора под хромирование, разработаны методика и средства контроля профиля зубьев ротора и статора;
» - разработана технология зубообработки роторов и сердечников пресс форм статоров, установлены факторы, влияющие на производительность зу-бообработки, стойкость инструмента и шероховатость поверхности зубьев при зубофрезеровании червячными фрезами и полировании дисковыми абразивными кругами на вулканитовой связке. Установлены оптимальные конструктивные и технологические параметры зубообрабатывающих инструментов;
- разработаны технология и оборудование для дробеструйной обработки внутренней поверхности корпуса статора, установлены факторы, влияющие на качество обработанной поверхности и прочность крепления резиной зубчатой обкладки к корпусу статора, установлено влияние температуры и времени вулканизации на физико-механические свойства резины и долговечность статора;
- разработана технология восстановления многозаходных винтовых ге-роторных механизмов;
- результаты исследований внедрены в нефтегазовую промышленность.
В работе использованы аналитический, графоаналитический и экспериментальный методы исследования; производственный эксперимент, стендовые испытания и отработка на промыслах. Исследование зацепления и точности формообразования зубьев выполнялось аналитическим методом с использованием теории комплексного профилирования зубообрабатывающих инструментов, разработанной доктором техн. наук А.В. Цепковым. Все расчеты выполнялись по методикам и программам, разработанным автором настоящей диссертационной работы. При экспериментальных исследованиях изготавливались образцы роторов и статоров в натуральном виде либо в виде тонких дисков, а также гипсовые слепки с зубьев статора и ротора, профиль которых проверялся на микроскопе. Энергетические характеристики снимались на стендах в Пермском филиале ВНИИБТ.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечиваются:
- использованием современной теории комплексного профилирования затылованных инструментов и теории механизмов и машин, позволяющей смоделировать процессы формообразования зубьев героторных механизмов и аналитическим путем определить погрешности формообразования зубьев и погрешности натяга в зацеплении;
- положительными результатами экспериментальных исследований и стендовых испытаний на специализированных стендах Пермского филиала ВНИИБТ;
- положительными результатами промысловых испытаний и высокоэффективной отработкой винтовых забойных двигателей на буровых предприятиях России и за рубежом.
Научная новизна работы выполненной диссертационной работы заключается в следующем.
На основе исследования рабочего процесса и условий эксплуатации выявлены основные факторы, влияющие на долговечность многозаходных винтовых героторных механизмов.
Впервые всесторонне исследованы погрешности профиля статора и ротора, связанные как с профилированием зацепления, так и с изготовлением героторных механизмов. Разработана классификация погрешностей формообразования зубьев роторов и статоров. Расчетами установлено влияние неточностей изготовления, установки и переточки червячных фрез на погрешности профиля роторов и сердечников пресс-форм статоров. Установлен характер систематических погрешностей зацепления, спрофилированного от исходного контура рейки, очерченной эквидистантой укороченной циклоиды, границы положительного и отрицательного смещения червячной фрезы, оптимальные величины диаметрального натяга, границы осевых шагов зубьев роторов, обрабатываемых общей червячной фрезой.
Разработан метод расчета профиля зубьев сердечника пресс-формы, учитывающий неравномерную усадку резины и профиля ротора под хромирование, учитывающий неравномерную толщину хромового покрытия. Разработан метод расчета допусков на профиль статора, ротора и допуска на погрешность натяга в зацеплении, а также рекомендации по назначению рациональных допусков на конструирование и технологические параметры червячных фрез.
Установлены факторы, влияющие на качество поверхности зубьев роторов, производительность зубообработки, стойкость инструмента при зубофре-зеровании червячными фрезами и полировании абразивными кругами на вул-канитовой связке. Установлено влияние длины статора и режимов вулканизации на его долговечность. Разработаны способы удаления изношенной зубчатой обкладки статора и восстановления многозаходных винтовых героторных механизмов.
Практическая ценность работы состоит в том, что использование результатов исследований позволило кратно увеличить межремонтный ресурс героторных механизмов, автоматизировать их расчет и проектирование, сократить номенклатуру зубообрабатывающих инструментов и сроки освоения производства новых ВЗД, обеспечить их широкое внедрение, повысить технико-экономические показатели бурения и капитального ремонта нефтяных и газовых скважин.
Реализация работы. Результаты работы использованы в конструкторской и технологической документации на винтовые забойные двигатели диаметром от 42 до 240 мм при серийном производстве в ОАО НПО «Буровая техника» - ВНИИБТ, ОАО «Кунгурский машзавод», ОАО «Павловский маш-завод», на заводе «Прогресс» (г. Бердичев, Украина). Серийное производство прогрессивных червячных фрез освоено специализированными инструментальными заводами (г. Екатеринбург, г. Львов).
К настоящему времени в ОАО НПО «Буровая техника» созданы и выпускаются более 60 типоразмеров отечественных винтовых забойных двигателей диаметром от 42 до 240 мм.
По конструктивному исполнению все винтовые двигатели разделяются на три группы: двигатели для бурения вертикальных и наклонно-направленных скважин, двигатели для бурения горизонтальных скважин, двигатели для капитального ремонта скважин и бурения дополнительных стволов из обсадных колонн. По техническому уровню отечественные многозаходные винтовые двигатели соответствуют лучшим мировым образцам и превосходят их по соотношению «цена — качество».
Проходка винтовыми двигателями в общем объеме бурения вертикальных и наклонно-направленных скважин по нефтяным компаниям достигает 43%. В капитальном ремонте скважины 95% всех работ выполняется с применением винтовых забойных двигателей. Бурение горизонтальных скважин осуществляется только винтовыми забойными двигателями.
Винтовые забойные двигатели получили широкое применение на буровых предприятиях ведущих нефтяных компаний России: ОАО «Сургутнеф тегаз», НК «ЛУКойл», ОАО «Удмуртнефть», ОАО «Татнефть», АНК «Баш-нефть», «Юкос», «Роснефть» и т.д. В последние годы резко возросли объемы бурения горизонтальных скважин. Например, если в начале 90-х годов в ОАО «Сургутнефтегаз» бурили 2-3 скважины в год, то за период 1997-2001 гг. пробурено 376 горизонтальных скважин и 238 боковых стволов из обсадных колонн.
Ежегодно до 10% выпускаемых винтовых забойных двигателей Пермского филиала ВНИИБТ экспортируются во многие страны мира. За последние 10 лет отечественные двигатели поставлялись в Канаду, Египет, Германию, Китай, Польшу, Югославию, Чехию, Казахстан, Белоруссию, Украину, Азербайджан и т.д.
В 1981-1984 гг. проданы 4 лицензии компании «Drillex» (Франция, Англия) на право производства винтовых забойных двигателей Д-240, Д1-195, ДЗ-172, Д-85, Д-54. В рамках лицензионных соглашений была поставлена партия винтовых двигателей в количестве 26 комплектов, которыми достигнуты рекордные показатели бурения в Северном море (Великобритания). Двигатели, изготовленные фирмой «Drillex», и сегодня успешно работают во многих странах мира, в том числе и в США.
Опыт фирмы «Drillex» показал всему миру преимущества российских винтовых забойных двигателей. В конце 80-х гг. практически все ведущие фирмы Запада перешли на выпуск винтовых забойных двигателей с многоза-ходными рабочими органами.
В целом за двадцать с лишним лет изготовлены десятки тысяч многоза-ходных винтовых героторных механизмов, винтовыми двигателями пробурено более 30 млн. м горных пород. Экономический эффект от использования ВЗД составил сотни млн. рублей. От продажи лицензии фирме «Drillex» советское государство получило 8,5 млн. долларов США.
Принципы действия и особенности гидравлических забойных двигателей с многозаходными винтовыми героторными механизмами
Новый существенный вклад в совершенствование гидравлических забойных двигателей был сделан в России.
В 1966 году во ВНИИБТ и его Пермском филиале был изобретен и запатентован новый тип гидравлического забойного двигателя — винтовой много-заходный двигатель [2, 44]. Принципиальное отличие этой машины от известных гидравлических двигателей заключается в использовании в качестве рабочих органов многозаходных героторных механизмов.
Благодаря многозаходности двигатель является не только гидравлической машиной, но и планетарным редуктором с большим передаточным числом, равным числу зубьев ротора. За счет этого обеспечивается более рациональная энергетическая характеристика, сочетающая высокий вращающий момент со сниженной частотой вращения долота.
Многозаходный винтовой героторный механизм (рис. 1.1) представляет собой цилиндрическую планетарную зубчатую передачу внутреннего зацепления с разницей в числах зубьев статора 1 и ротора 2, равной единице, и межосевым расстоянием ацг\ъ равным половине высоты зубьев героторного механизма.
Особенностью таких зубчатых передач является то, что из-за большой длины героторных механизмов зубья статора выполняются на обкладке из эластомера, привулканизированного к внутренней стенке корпуса статора. Зубчатая поверхность статора формируется сердечником в специальной пресс-форме.
Зубья статора имеют одновременный контакт со всеми зубьями ротора, образуя замкнутые винтовые полости. При прокачивании промывочной жидкости (воды, бурового раствора) через героторный механизм, используемый в качестве рабочих органов забойного двигателя, статор остается неподвижным, а ротор совершает планетарное движение; при этом происходит качание без скольжения начальной окружности ротора радиуса Rw2=amrz2 по начальной окружности статора радиусом Rm =aWn Z\, где z\, z2 -соответственно числа зубьев статора и ротора. Для обеспечения высоких энергетических характеристик и дополнительного запаса на износ зубьев героторного механизма в зацеплении зубьев создается натяг. Натяг является важнейшим параметром героторного механизма. При его отсутствии снижаются КПД, крутящий момент и долговечность героторного механизма.
Большая величина натяга приводит к заклиниванию механизма либо к преждевременному разрушению зубьев из-за повышенных деформаций и трения между зубьями статора и ротора. Для обеспечения оптимального натяга нужно выдерживать в заданных жестких пределах диаметральные размеры, профиль зубьев, окружной и осевой шаг зубьев статора и ротора. На величину натяга в зацеплении влияют также нецилиндричность ротора и кривизна канала статора.
Обеспечение высокой долговечности героторного механизма достигается за счет высоких требований к шероховатости поверхности зубьев ротора, его коррозионной стойкости и износостойкости. Зубчатая резиновая обкладка статора должна быть твердой и эластичной, обеспечивать хорошую адгезию к металлической арматуре. Материал обкладки статора должен быть стойким к воздействию щелочей и нефтепродуктов. Перечисленные требования дают основание характеризовать ротор и статор как ответственные детали, не имеющие аналогов в общем и специальном машиностроении. По условиям работы к винтовым героторным механизмам с резиноме-таллическим статором предъявляются следующие требования. 1. Кривые, которыми очерчиваются зубья статора и ротора в торцовом сечении, должны обеспечивать одновременное касание зубьев статора со всеми зубьями ротора во всех фазах зацепления. Это необходимо для разделения полостей высокого и низкого давления, обеспечения равномерного распределения нагрузки между всеми зубьями статора и ротора и связанной с этим высокой нагрузочной способности механизма [27,48]. 2. Героторный механизм должен иметь натяг в зацеплении, необходимый для создания уплотнения и ликвидации утечек промывочной жидкости, повышения крутящего момента, КПД и долговечности механизма [6, 28, 43, 48, 66,71,81]. 3. Форма зубьев статора и ротора должна быть такая, чтобы обеспечивала наибольшая нагрузочная способность каждого зуба зацепления при допустимых величинах контактных напряжений, а также возможность обработки зубьев роторов и сердечников пресс-форм без подрезов и интерференции.
Влияние неточностей изготовления и установки червячных фрез на случайные погрешности профиля роторов
Как уже отмечалось ранее, к началу выполнения автором настоящей диссертационной работы (1975 г.) основные задачи, связанные с технологией изготовления многозаходных винтовых героторных механизмов отечественных винтовых забойных двигателей были решены. Технологические процессы изготовления статоров и роторов были освоены в условиях опытного производства Пермского филиала ВНИИБТ и переданы для серийного производства на Чайковский завод синтетического каучука (ЧЗСК), Кунгурский и Павловский машзаводы. Специалисты Пермского филиала ВНИИБТ, в том числе и автор диссертационной работы, в период с 1975 по 1985 г. многократно выезжали на вышеупомянутые заводы с целью оказания научно-технической помощи в освоении технологии изготовления многозаходных винтовых героторных механизмов и решении вопросов повышения качества.
Анализ технологии изготовления героторных механизмов [56, 58, 106, 134, 135, 136] и опыт эксплуатации винтовых забойных двигателей показал, что низкая долговечность героторных механизмов обусловлена многими причинами. Роторы и сердечники пресс-форм статоров изготавливались из стали 40Х и 40ХН2МА и имели низкую коррозионную стойкость. Зубья роторов нарезались по методу обката фасонными червячными фрезами. Червячные фрезы имели нулевой передний угол, были сложны в изготовлении, имели недостаточную стойкость и не обеспечивали требуемой шероховатости поверхности зубьев роторов. Шероховатость поверхности зубьев роторов после фрезерования превышала Rz 40, более 30% роторов браковались из-за «дробления» на поверхности зубьев ротора, более 20% имели кривизну больше допустимой. Факторы, влияющие на кривизну ротора и «дробление» поверхности его зубьев, были мало изучены.
Роторы и сердечники пресс-форм после зубофрезерования не подвергались методам чистовой обработки, упрочнению и имели низкую износостойкость. При изготовлении роторов и сердечников пресс-форм статоров возникали большие погрешности профиля зубьев, что вызывало погрешности в зацеплении зубьев героторных механизмов и снижало их долговечность.
Вопросы точности формообразования зубьев червячными фрезами были достаточно полно исследованы только применительно к эвольвентным зубчатым колесам и практически мало исследованы применительно к роторам и сердечникам пресс-форм статоров винтовых героторных механизмов с непрерывным выпукло-вогнутым профилем зубьев. Не исследовались и такие важные вопросы, как влияние неточностей изготовления, установки и переточек червячных фрез на случайные и систематические погрешности профиля роторов и сердечников пресс-форм статоров.
В многозаходных винтовых героторных механизмах в основном использовались эпи- и гипоциклоидальные зацепления, которые не предусматривали натяг в зацеплении. Зацепления, спрофилированные от исходного контура рейки, несмотря на значительные преимущества по сравнению с эпи- и гипо-циклоидальными зацеплениями, не получили широкого распространения в героторных механизмах из-за наличия систематических погрешностей профилирования статора и ротора и недостаточной изученности этих погрешностей.
Отсутствовала стандартизация зацепления и унификация червячных фрез, что приводило к необходимости создания большой номенклатуры червячных фрез и увеличению сроков проектирования, а также себестоимости изготовления винтовых забойных двигателей.
Допуски на конструирование и технологические параметры червячных фрез, на диаметральные размеры и профили статора и ротора назначались опытным путем и не увязывались с допуском на натяг в зацеплении.
Одним из основных недостатков переданной в серийное производство технологии обрезинивания статоров (рис. 1.8) являлось то, что разработанное оборудование, технологическая оснастка и пресс-формы для заливки статоров не позволяли изготавливать статоры с большой длиной зубчатой обкладки (более 1800 мм). При малой длине статора возникают большие контактные напряжения, разогрев и разрушение резиновых зубьев статора. Героторные механизмы с малой длиной зубчатой поверхности имеют недостаточный крутящий момент и при зазорах 0,3-0,4 мм не могут использоваться в бурении и капитальном ремонте скважин.
Резину приклеивали к латунированной внутренней поверхности корпуса статора, что обеспечивало прочность крепления не менее 4,0 МПа на отрыв и не менее 7,5 МПа на сдвиг и не обеспечивало стабильного качества крепления резины к корпусу статора.
Опыт изготовления статоров в Пермском филиале ВНИИБТ и на ЧЗСК показал, что обеспечить качественное латунное покрытие очень сложно из-за специфики процесса латунирования. В среднем 8-10% всех статоров, изготавливаемых на ЧЗСК, выходили из строя по причине отслоения зубчатой обкладки.
Статоры изготавливаются способом литьевого прессования в закрытых пресс-формах. Сначала при заливке статоров ось пресс-формы располагалась под углом 90 к оси литьевой камеры (рис. 1.9, а). При такой схеме заливки возникали большие потери давления. Кроме того, в литниковой системе пресс-формы резина текла неравномерно: в верхней части — быстрее, в нижней - медленнее, что приводило к большой кривизне каналов статора. В 1978 году С.С. Никомаров и В.И. Нечаев разработали способ соосной заливки статоров (рис. 1.9, б), при котором ось пресс-формы совпадает с осью литьевой камеры [12, 137]. Это позволило решить проблему кривизны канала статора.
Исследование и разработка технологии и оборудования для чистовой обработки зубьев роторов
Определяются координаты и углы профиля основного червяка в осевой плоскости. Затем рассчитываются координаты номинальной режущей кромки инструмента из условия пересечения поверхности основного червяка с передней поверхностью, а также профиль резца для выполнения винтовой нарезки и предварительного затылования червячной фрезы.
Блок 3. Рассчитываются координаты профиля затыловочного круга из условия прохождения нормали к затылованнои поверхности через расчетную точку номинальной режущей кромки и ось круга [144]. Направление нормали к затылованнои поверхности находится из условия компланарности вектора касательной к режущей кромке и вектора скорости относительного перемещения при затыловании. Рассчитывается угол профиля затыловочного круга в каждой расчетной точке.
Блок За. Применяется только при расчете сборных червячных фрез с поворотными рейками. Фрезы подобной конструкции были разработаны с участием автора при изготовлении многозаходных винтовых героторных механизмов с межосевым расстоянием awn = 8,25 мм и нормальным шагом зубьев 56,688 мм. Конструкция и технология изготовления этой фрезы отличаются от известных и описаны в разделе 3.2. Особенностью технологии является то, что зубчатые рейки шлифуются по профилю фасонным кругом в технологическом корпусе предварительно (по аналогии с обработкой винтовой поверхности цилиндрических червяков), а затем затылуются в рабочем корпусе окончательно. При такой технологии не требуется высокой точности изготовления пазов как технологического, так и рабочего корпусов. Это упрощает изготовление фрезы. В то же время точность профиля предложенных сборных червячных фрез с поворотными рейками оказывается выше, чем у известных сборных фрез. Для того чтобы рассчитать профиль дискового шлифовального круга для обработки зубчатых реек в технологическом корпусе, необходимо произвести расчет по блоку 2(где рассчитываются координаты формы номинальной режущей кромки и осевого профиля основного червяка фрезы в рабочем корпусе) и вычислить эти координаты после размещения зубчатых реек в технологическом корпусе. Далее рассчитывается осевой профиль дискового шлифовального круга по уравнениям блока 3 аналогично расчету профиля затыловочного круга, при этом параметр затылова-ния принимается равным нулю.
Расчеты дискового шлифовального круга для окончательного затылова-ния зубчатых реек в рабочем корпусе производятся таким же образом, как и для цельных червячных фрез.
Блок 4. По профилю затыловочного круга и уравнениям затылования рассчитываются координаты задней поверхности зубьев фрезы в расчетных точках режущих кромок переточенной фрезы. Этому предшествует расчет координат начальной точки режущей кромки. Алгоритм и программа предусматривают также расчет корректированного значения переднего угла фрезы в начальной точке - из условия сохранения постоянной высоты зуба фрезы в проекции ее на осевую плоскость. Затем рассчитываются координаты режущей кромки переточенной фрезы — из условия пересечения задней затыло-ванной поверхности с передней поверхностью, проходящей через начальную точку. В отличие от методики, изложенной в работе [144], профиль режущей кромки переточенной червячной фрезы определяется во вспомогательной системе координат, в которой ось ординат проходит через начальную точку. Это упрощает алгоритм и программу расчета погрешностей профиля обрабатываемых деталей, используемых в блоке 5. Далее рассчитываются координаты режущей кромки переточенной червячной фрезы «в плоскости передней поверхности» и угол профиля производящего червяка в каждой расчетной точке, соответствующей точкам «переточенной» режущей кромки. Эти координаты используются при контроле профиля фрезы в плоскости передней поверхности на проекторе или микроскопе. По ним можно изготовить также шаблон для предварительного контроля профиля фрезы на рабочем месте. Блок 5. Вычисляются радиусы начальных окружностей детали и производящего червяка переточенной фрезы, а также углы наклона зубьев (витков) на этих радиусах с учетом изменения расстояния между осями фрезы и детали, вызванного уменьшением наружного диаметра инструмента от переточек или смещением инструмента.
Рассчитываются координаты осевого профиля производящего червяка переточенной фрезы и торцового профиля детали, сопряженного с поверхностью производящего червяка переточенной фрезы. Рассчитываются координаты текущих точек номинального профиля детали как огибающей исходного контура рейки, очерченной эквидистантой укороченной циклоиды. Затем вычисляются отклонения профиля детали, образованные режущими кромками переточенной фрезы, от номинального профиля по нормали к последнему.
Разработанные алгоритм и программа комплексного расчета червячных фрез позволяют решать три основные задачи: 1. Выполнить расчет червячных фрез и инструментов второго порядка, получить необходимую информацию для проектирования червячной фрезы и для разработки технологии ее изготовления. 2. Расчетным путем определить влияние неточностей изготовления, установки и переточки червячных фрез на погрешности профиля обрабатываемых деталей; определить характер и численную величину погрешностей их профиля; дать рекомендации по назначению рациональных допусков на неточность изготовления параметров червячных фрез и профиль обрабатываемой детали. 3. С использованием результатов комплексного расчета разработать прогрессивные конструкции, технологию изготовления червячных фрез повышенной точности и за счет этого повысить качество героторных механизмов. При исследованиях влияния неточностей изготовления, установки и переточки червячных фрез на погрешности профиля обрабатываемых деталей вводятся изменения соответствующих параметров фрезы после расчета их по уравнениям блока 3. Затем выполняется расчет по блокам 4 и 5. Возможен расчет погрешностей профиля обрабатываемых деталей, возникающих от изменения как одного, так и нескольких параметров конструктивного или технологического характера, — по уравнениям каждого блока в отдельности или с автоматическим переходом от уравнений одного блока к другому. При корректировке параметров червячных фрез с целью повышения их точности расчет повторяется со второго, третьего или четвертого блоков в зависимости от того, какой параметр корректируется. Например, при корректировке переднего угла фрезы расчет повторяется начиная с блока 4, при корректировке угла скрещивания осей фрезы и детали - начиная с блока 5, а при корректировке заднего угла фрезы — начиная с блока 2.
Исследование влияния режимов вулканизации на физико-механические свойства резины ИРП-1226 и долговечность статора
Отклонение угла скрещивания АЕв осей фрезы и затыловочного круга вызывает погрешности профиля детали, характер и величина которых при AEe = ±030 показаны на рис. 2.5, в,г. Зависимость величины погрешностей A/"z профиля детали от АЕв выражается на графике (рис. 2.6) линией 2. График построен при следующих значениях АЕв: ±030 ; ±1; ±2; ±3. Результаты расчета погрешностей Afz при АЕв = - 030 приведены в табл. 9 приложения 4.
Для исключения интерференции (пересечения) режущих кромок переточенных фрез и повышения точности профиля деталей червячные фрезы для обработки роторов и сердечников затылуются при параллельных осях круга и фрезы. Это новый способ затылования, и его преимущества подробно описаны в разделе 2.4. Параллельность осей круга и фрезы можно обеспечить с высокой точностью. Если принять допуск АЕв равным ±00Г, то погрешности профиля детали будут составлять не более ±2 мкм.
Отклонение Ау переднего угла фрезы в сторону увеличения по сравнению с номинальным значением приводит к увеличению высоты зуба детали (рис. 2.5, 3). При отрицательном значении Ау высота зуба детали уменьшается (рис. 2.5,е). Зависимость величины погрешностей А/у профиля детали от величины Ау выражается на графике (рис. 2.6) линией 4. График построен при следующих значениях Ау: ±1; ±2; ±3. Результаты расчета погрешностей А/у при Ау = -1 приведены в табл. ПИ приложения 4.
Из работ [102, 107] известно, что за счет корректировки величины переднего угла можно уменьшить погрешности профиля детали, возникающие при переточках фрез. Проведенные нами исследования не только подтвердили справедливость данного положения, но и позволили установить новые возможности уменьшения погрешностей формообразования за счет корректировки переднего угла. Например, за счет этого можно уменьшить погрешности профиля детали, обусловленные отклонением величины затылования, износа затыловочного круга и т.д. Преднамеренное увеличение переднего угла используется для увеличения высоты зубьев сердечника пресс-формы. Это позволяет компенсировать неравномерную усадку резиновых зубьев статора и повысить этим точность его профиля. Таким образом, выбор корректированного значения переднего угла зависит от многих факторов, особенно у переточенных червячных фрез. С учетом этого, нами принято регламентировать точность заточки фрез не допуском на величину переднего угла, а допуском на высоту зубьев фрезы в проекции на ее осевую плоскость. Из опыта изготовления и эксплуатации фрез установлено, что рациональным допуском на высоту зубьев при нарезании роторов является А/г = ±0,02 мм, при нарезании сердечников пресс-форм Ah = ±0,01 мм. В этом случае погрешности профиля роторов по высоте зубьев составят Afh = ±20 мкм, а по боковым сторонам - в 3 раза меньше (рис. 2.5Де), то есть Afh = ±7 мкм. Отклонения профиля сердечника пресс-формы по высоте зубьев составят Afh — ±10 мкм, по боковым сторонам А//, = ±3 мкм.
Отклонения профиля затыловочного круга во многом зависят от способа его правки. При изготовлении фрез для нарезания роторов и сердечников пресс-форм затыловочный круг правится накатником. Накатник шлифуется на оптикопрофилешлифовальном станке с использованием чертежа, на котором изображен теоретический (расчетный) профиль круга в масштабе 50:1. Точность вычерчивания профиля на чертеже составляет ±0,5 мм, что обусловливает случайные погрешности профиля самого накатника и затыловочного круга, равные ±0,01 мм. При шлифовании профиля накатника возникают погрешности, которые обычно не превышают ±0,01 мм. Погрешности вычерчивания и изготовления профиля накатника могут взаимно компенсироваться или складываться. Вероятную величину погрешностей А/н профиля накатника можно рассчитать как среднеквадратичную по формуле А/я= (±0,01)2 + (+0,01)2 =±0,014мм.
При неоднократной правке затыловочного круга возникают погрешности профиля, связанные с износом накатника, поэтому погрешности круга будут составлять примерно ±0,02 мм. При изготовлении фрезы нами принято сохранять постоянной высоту ее зубьев в проекции на осевую плоскость, поэтому погрешности профиля детали по высоте зубьев будут равны нулю, а погрешности профиля по боковым сторонам зубьев составят примерно ±0,03 мм. Из приведенного анализа видно, что погрешности профиля затыловочного круга, даже без учета его износа, вызывают относительно большие погрешности профиля обрабатываемых деталей. Для исключения влияния износа затыловочного круга перед окончательным «выхаживанием» фрезы необходима обязательная повторная чистовая правка круга и периодический контроль профиля накатника.
Отклонения осевой установки фрезы Azu в случае точной установки угла X практически не влияют на погрешности профиля детали. Погрешности рассчитывались при следующих значениях Afz : ±1 мм; ±4 мм; ±7 мм; ±10 мм; ±15 мм. Во всех расчетах погрешности Afz оказались менее ±1 мкм и соизмеримыми с точностью вычислений. Расчет погрешностей Afz при Azu = 4 мм приведен в табл. 13 приложения 4.
Радиальное биение режущих кромок фрезы вызывает значительные погрешности профиля обрабатываемой детали, что обусловлено переменным расстоянием между осью вращения фрезы и ее режущими кромками. При формировании зубьев режущие кромки как бы совершают дополнительное радиальное возвратно-поступательное движение. Период этого перемещения равен одному обороту фрезы, а амплитуда — величине радиального биения EQ. Характер и величина погрешностей профиля деталей при одной и той же величине радиального биения режущих кромок зависит от того, в какой фазе «движения» режущих кромок профилируются точки профиля на вершинах и впадинах зубьев. Рассмотрим три варианта начального положения режущей кромки при профилировании вершины зуба детали.
