Введение к работе
Актуальность темы исследования. В современных машинах и механизмах для передачи вращательных движений широко применяются зубчатые передачи. Они используются в автомобилестроении, станкостроении, производстве сельхозмашин и других отраслях. По сложности и трудоемкости изготовления зубчатые колеса составляют особую группу деталей в машиностроении с большими масштабами производства. Значительную часть составляют цилиндрические зубчатые колеса с различной формой зубьев: прямозубые, косозубые, с арочными зубьями и др. Из них наибольшее распространение получили прямозубые цилиндрические колеса, благодаря тому, что технология их изготовления является наиболее простой.
Однако прямозубые цилиндрические колеса не всегда обеспечивают качественное сопряжение рабочих поверхностей из-за неточностей их изготовления и возможных перекосов в процессе сборки узлов. Избежать этого можно путем ужесточения требований к точности обработки колес и последующего их монтажа, что неизбежно приводит к дополнительным затратам времени и средств, и в итоге повышает стоимость изделий. Более целесообразным является переход к зацеплению цилиндрических колес с криволинейной формой зубьев. В работе определена рациональная область применения и основные преимущества передач с арочными, и в частности с круговыми зубьями.
В целом ряде изделий использование таких передач является экономически обоснованным. Так, в передачах шестеренных насосов применение цилиндрических зубчатых колес с круговыми зубьями позволяет локализовать зоны контакта, что компенсирует погрешности направления зубьев и относительного расположения осей роторов. В итоге могут быть назначены экономически целесообразные допуски при изготовлении деталей и сборке изделий.
Однако, традиционные технологии изготовления цилиндрических зубчатых колес, и в особенности с криволинейными зубьями, не обеспечивают высокую эффективность из-за необходимости осуществления последовательной многоэтапной зубообработки.
Одним из перспективных направлений, позволяющих сократить количество операций зубообработки, является использование заготовок, максимально приближенных по форме и размерам к детали. Однако попытки применения заготовок колес среднего модуля с зубьями, предварительно оформленными методами пластического деформирования, широкого распространения не получили, в основном из-за проблем, возникающих в процессе последующей их обработки. Число операций зубообработки при этом не сокращается, а экономия металла не оправдывает дополнительных затрат на получение зубчатых заготовок.
Решение этой проблемы может быть найдено только при условии создания высокоэффективных процессов зубообработки, обладающих высокой исправляющей способностью не менее 2-х степеней точности по ГОСТ 1643-81.
Исходя из вышеизложенного, можно утверждать, что разработка основ проектирования высокоэффективных ресурсосберегающих технологий изготовления цилиндрических зубчатых колес на базе использования прогрессивных заготовок с зубьями, полученных методами пластического деформирования, и высокопроизводительных процессов формообразования зубчатых венцов, обладающих высокой исправляющей способностью, является весьма актуальной научной проблемой.
Работы выполнялись в соответствии с грантами Президента РФ и РФФИ в поддержку ведущих научных школ "Прогрессивные технологические процессы формообразования сложных поверхностей и сборки высокоточных изделий" (№96-15-98241-л, 1996-1998 гг.; №00-15-99064-л, 2000-2002 гг.; № НШ-1920.2003.8, 2003-2005 гг.); грантом РФФИ-офи-центр №08-08-99006 «Современная концепция создания технологических основ эффективного зубонарезания цилиндрических зубчатых колес»; грантом Губернатора Тульской области № 60-Кт-1/1069 «Разработка конструкций и методов формообразования режущей части незатылованных зуборезных головок для изготовления зубчатых колес с круговыми зубьями», с тематикой важнейших НИР ТулГУ, утвержденных Минобрнауки РФ: госбюджетные темы №21-76 "Малоотходная технология изготовления цилиндрических зубчатых колес", 1997-1998 гг. и 14-06 «Повышение эффективности и качества механической обработки на основе совершенствования процессов резания и конструкций инструментов», 2006-2010 гг., а также с хоздоговорными темами №78-385/2 и №82-120/2 и др.
Цель работы. Создание теоретических основ проектирования высокоэффективных ресурсосберегающих технологий изготовления цилиндрических зубчатых колес на базе использования высокопроизводительных процессов чистовой и финишной зубообработки прогрессивных заготовок с предварительно оформленным методами пластического деформирования зубчатым венцом.
Достижение поставленной цели потребовало постановки и решения следующих задач:
1) разработка теоретических основ проектирования цилиндрических передач с круговыми зубьями;
2) разработка ресурсосберегающих технологий изготовления цилиндрических зубчатых колес на основе использования прогрессивных заготовок с предварительно оформленным зубчатым венцом и высокопроизводительных процессов чистовой и отделочной зубобработки;
3) исследование процесса шевингования - прикатывания и определение его исправляющих способностей при зубообработке прогрессивных заготовок с зубьями, полученными различными методами предварительного формообразования пластическим деформированием;
4) разработка прогрессивных инструментов для шевингования - прикатывания колес с круговыми зубьями на базе созданной теории их проектирования;
5) обоснование выбора эффективных процессов финишной зубообработки закаленных зубчатых колес с круговыми зубьями;
6) создание теории процесса электрохимической обработки фасонных поверхностей при их обкате и разработка на ее основе методики проектирования обкаточных инструментов для финишной зубообработки;
7) разработка прогрессивных конструкций алмазных зубообрабатывающих хонов и обкаточных инструментов для электрохимической зубообработки;
8) разработка технологии изготовления прогрессивных зубообрабатывающих инструментов для различных этапов формообразования зубчатых поверхностей цилиндрических колес.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории зубчатых зацеплений, теории резания, теории формообразования производящих поверхностей режущих инструментов для обработки зубчатых деталей с использованием методов математического моделирования и современных графических программ на ЭВМ.
Экспериментальные исследования проводились в лабораториях кафедр «Технология машиностроения» и «Инструментальные и метрологические системы» ТулГУ, а также в ОАО «АК «Туламашзавод» с использованием производственного оборудования и средств технологического и метрологического обеспечения. Обработка экспериментальных данных осуществлялась с использованием методов математической статистики.
Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием аналитических зависимостей, корректностью постановки задач, применением современных методов математической статистики, в частности метода экспертных оценок, и подтверждается качественным и количественным соответствием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями, а также широким практическим использованием результатов в промышленности.
Автор защищает теоретические основы проектирования высокоэффективных технологических процессов изготовления цилиндрических зубчатых колес на базе использования прогрессивных заготовок с предварительно оформленным зубчатым венцом и высокопроизводительных процессов зубообработки шевером-прикатником и алмазным зубчатым хоном; концептуальную модель процесса шевингования-прикатывания цилиндрических колес с круговыми зубьями, а также технологию изготовления шеверов-прикатников и алмазных зубчатых хонов; методику автоматизированного проектирования специальных гребенчатых фрез для снятия заусенцев и наложения фасок по контуру зубьев и определения параметров их установки на станке; математическую модель выбора предпочтительных схемных и технологических решений в области создания перспективных методов финишной зубообработки; способ электроалмазной обработки закаленных зубчатых колес по методу обката; теорию проектирования обкаточных электродов-инструментов (алмазных зубчатых хонов на металлической связке) с учетом «приведенной» и «средней» интенсивности процесса финишной электрохимической обработки при обкате электродов; рекомендации по практической реализации предлагаемой ресурсосберегающей технологии изготовления цилиндрических зубчатых колес и результаты ее внедрения в промышленность.
Научная новизна:
1) выявлена взаимосвязь технологических возможностей способов формообразования зубчатых поверхностей цилиндрических колес с параметрами точности получаемых колес и обоснована технологическая последовательность их изготовления из заготовок с предварительно оформленными методами пластического деформирования зубьями на основе сочетания технологических воздействий различной физической природы (резания, пластического деформирования, анодного растворения);
2) обоснована эффективность использования процесса шевингования-прикатывания для высокопроизводительной чистовой зубообработки цилиндрических зубчатых колес с круговыми зубьями из прогрессивных заготовок с предварительно оформленным зубчатым венцом;
3) предложена теория, представляющая электрохимическую обработку фасонных поверхностей при обкате как совокупность элементарных процессов, протекающих в бесконечно малые промежутки времени в условиях ограниченного ввода рабочей жидкости в межэлектродный промежуток, при замене действительных профилей на круговые с радиусами, соответствующими радиусам кривизны фасонных профилей в точках, лежащих на одной силовой линии электрического поля, позволившая разработать эффективный способ финишной электрохимической зубообработки цилиндрических колес.
Практическая значимость:
- определены области рационального применения передач с круговыми зубьями;
- даны рекомендации по практической реализации предлагаемой технологии изготовления цилиндрических зубчатых колес из прогрессивных заготовок с предварительно оформленным зубчатым венцом;
- теоретически и экспериментально обоснованы высокие исправляющие способности процесса шевингования-прикатывания, обеспечивающего возможность получения зубчатых венцов 7-8-й степени точности из штампованных заготовок 9-11-й степени точности;
- разработаны рекомендации по проектированию шеверов-прикатников с круговыми зубьями, и установлены диапазоны режимов обработки, обеспечивающие необходимые качество обработанной поверхности и заданную точность изготовления;
- создан комплекс оборудования и технологической оснастки для реализации новой ресурсосберегающей технологии изготовления цилиндрических зубчатых колес с арочными зубьями;
- разработаны новые прогрессивные конструкции алмазных зубообрабатывающих хонов и обкаточных инструментов для электрохимической зубообработки.
Реализация работы. Результаты работы приняты к внедрению на ОАО «АК «Туламашзавод», ОАО «ВеАл», ОАО «Полема», ОАО «Тулаточмаш». Материалы диссертации используются в учебном процессе при изложении курсов лекций «Технология машиностроения», «Технология изготовления инструментальной техники», «Инновационные технологии в инструментальном производстве», при курсовом и дипломном проектировании, выполнении выпускных квалификационных работ, 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 совещании «Проблемы теории проектирования и производства инструментов», Тула, 1995; на МНТК «Проектирование технологических машин», М., 1996; на юбилейной МНТК «Вопросы совершенствования технологических процессов механической обработки и сборки изделий машиностроения, Тула, 1996; на 3-м Международном конгрессе «Конструкторско-технологическая информатика-96», М., 1996; на РНТК «Управление качеством финишных методов обработки», Пермь, 1996; на МНТК «Материалы и конструкции в машиностроении, строительстве, сельском хозяйстве», М., 1996; на Демидовских чтениях. Первый юбилейный выпуск, Тула, 1996; на II МНТК «Износостойкость машин», Брянск,1996; на Демидовских чтениях. Второй выпуск, Тула,1996; на МНТК «Современные проблемы машиностроения и технический прогресс», Донецк, 1997; на МНТК «Прогрессивные методы проектирования технологических процессов, станков и инструментов», Тула, 1997; на 4-й МНТК «Качество машин», Брянск, 2001; на МНТК «Прогресивна технiка i технологiя машинобудування, приладобудування i зварювального виробництва», Киiв, 1999; на четвертой МНТК «Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве», Харьков, 2001; на МНТК «Современная электротехнология в машиностроении», Тула, 2002; на пятой МНТК «Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве», Харьков, 2002; на МНТК «Технологические системы в машиностроении», Тула, 2002; на МНТК «Нетрадиционные методы обработки», Воронеж, 2002; на МНТК «Нетрадиционные методы обработки», Воронеж, 2002; на первой электронной МНТК «Технологическая системотехника», Тула, 2002; на МНТК «Прогрессивные технологии и системы машиностроения», Донецк, 2002; на МНТК «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения», Орел, 2002; на шестой МНТК «Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве», Харьков, 2002; на тринадцатой МНТК «Физические и компьютерные технологии», Харьков, 2007; на XIV МНТК «Машиностроение и техносфера XXI века», Донецк, 2007; на МНТК «Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П.А.Соловьева», Рыбинск, 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 2007 г. премии им. акад. Б.С. Стечкина.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано: монографий - 4 (1 – без соавторства); статей в центральной печати и зарубежных рецензируемых изданиях и сборниках, 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» – 24; статей в различных межвузовских сборниках научно-технических трудов – 29; из них статей без соавторства – 18; учебных пособий с грифом УМО вузов по университетскому и политехническому образованию Минобрнауки РФ – 1.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения и шести глав, заключения, списка использованных источников из 234 наименований общим объемом 418 с., включая 149 иллюстраций, 9 табл.
