Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса 9
1.1 Анализ существующих технологических процессов изготовление цилиндрических зубчатых передач 10
1.2 Влияние операции зубошлифования на эксплуатационные параметры цилиндрических зубчатых передач 21
1.3 Сопоставление методов зубошлифования цилиндрических передач 29
1.4 Выводы по главе. Цель и задачи исследования 41
Глава 2 Теоретическое исследование непрерывного обкатного зубошлифования 44
2.1 Исследование взаимодействия движений радиальной, осевой и тангенциальной подач при непрерывном обкатном зубошлифовании 44
2.2 Раскрытие пространственных размерных связей производящих поверхностей червячного шлифовального круга и зубьев заготовки обрабатываемого колеса 49
2.3 Выявление технологических закономерностей непрерывного обкатного зубошлифования однозаходными и многозаходными червячными кругами 56
2.4 Расчетно-аналитическое определение минимальной величины припуска под зубошлифование 59
2.5 Выводы по главе 70
Глава 3 Методика проведения экспериментальных исследований 71
3.1 Зубошлифовальный станок 72
3.2 Зажимное приспособление 74
3.3 Шлифовальный круг 76
3.4 Профильная правка шлифовального круга 77
3.5 Смазочно-охлаждающая жидкость '. 79
3.6 Заготовка 80
3.7 Методы и средства контроля 86
3.8 Технологические режимы обработки 93
3.9 Выводы по главе 96
Глава 4 Экспериментальные исследования непрерывного обкатного зубошлифования 98
4.1 Экспериментальное исследование технологической модели непрерывного обкатного зубошлифования с радиально-диагональным движением подачи 98
4.1.1 Зубошлифование однозаходными червячными шлифовальными кругами 98
4.1.2 Зубошлифование многозаходными червячными шлифовальными кругами 105
4.2 Экспериментальное исследование методики расчетно - аналитического определения минимальной величины припуска на зубошлифование 111
4.2.1 Обработка сателлитов планетарного механизма 111
4.2.2 Обработка ведущих шестерен планетарного механизма 125
4.3 Выводы по главе 138
Глава 5 Разработка рекомендаций для промышленности по применению непрерывного обкатного зубошлифования с радиально-диагональным движением подачи 139
5.1 Червячный шлифовальный круг 139
5.2 Режимы зубошлифования 141
5.3 Припуски на операцию зубошлифования 144
5.4 Выводы по главе 145
Глава 6 Технико-экономический анализ эффективности непрерывного обкатного зубошлифования с радиально-диагональным движением подачи 146
6.1 Зубошлифование однозаходными и многозаходными червячными шлифовальными кругами 146
6.2 Технико-экономические показатели зубошлифования однозаходными и многозаходными червячными шлифовальными кругами 146
6.3 Выводы по главе 153
Общие выводы: 154
Список литературы 156
- Влияние операции зубошлифования на эксплуатационные параметры цилиндрических зубчатых передач
- Раскрытие пространственных размерных связей производящих поверхностей червячного шлифовального круга и зубьев заготовки обрабатываемого колеса
- Зубошлифование однозаходными червячными шлифовальными кругами
- Технико-экономические показатели зубошлифования однозаходными и многозаходными червячными шлифовальными кругами
Введение к работе
Важной задачей технического прогресса в машиностроении в условиях рыночной экономики является создание и производство конкурентоспособных машин и механизмов, обладающих высокими технико-экономическими показателями при малых массогабаритных размерах. Решение этой задачи в значительной степени зависит от качества и эффективности изготовления и сборки основных деталей машин и механизмов. К этим деталям относятся и зубчатые передачи, которые имеют исключительно широкое распространение во многих отраслях машиностроения. Так, в автотракторной промышленности зубчатые передачи являются и будут оставаться в обозримом будущем наиболее важными элементами трансмиссий легковых и грузовых автомобилей, автобусов, мотоциклов, тракторов, сельскохозяйственных и дорожных машин.
Среди применяемых типов зубчатых передач доминирующее положение (около 85 %) занимают прямозубые и косозубые цилиндрические передачи внешнего зацепления.
В современных условиях развития машиностроительной продукции требования к цилиндрическим зубчатым передачам по точности изготовления, модификации формы зуба, надёжности и долговечности их эксплуатации постоянно повышаются.
В связи с этим возникает необходимость поиска новых путей, обеспечивающих эффективную чистовую обработку цилиндрических зубчатых передач с использованием современных станочных методов, высокопроизводительных режущих инструментов и точной технологической оснастки.
Речь идёт не просто об использовании определённых типов станков или автоматических линий, а о решении комплексных задач в результате разработки и исследования новых технологических решений в рамках отдельных отраслей промышленности.
Влияние операции зубошлифования на эксплуатационные параметры цилиндрических зубчатых передач
Наряду с получением высоких точностных показателей зубчатых зацеплений большое значение при их изготовлении имеет также достижение требуемых эксплуатационных параметров зубчатых передач [3]. В результате неточного изготовления и сборки зубчатых колес, корпуса и его деталей, упругой деформации опор, прогиба зубьев под нагрузкой и деформации зубчатых колес при термообработке происходит накапливание погрешностей, которые ухудшают зацепление, вызывают неправильное расположение пятна контакта на зубьях сопряженной пары [1].
Зубчатые колеса с погрешностями в зацеплении имеют повышенный уровень шума, а неправильное расположение пятна контакта на зубьях силовых передач способствует концентрации нагрузки на кромках зубьев и приводит к преждевременной их поломке или повышенному износу.
Для снижения влияния возникающих погрешностей на эксплуатационные параметры зубья цилиндрических передач модифицируют. Под модификациями понимают заранее заданные конструктором симметричные и несимметричные отклонения по профилю-1 (рисунок 5) и длине-2 зуба от теоретических значений-3. Рисунок 5 - Модификация зуба по профилю и длине Размеры модификации по профилю и длине зуба относительно малы и, как правило, составляют тысячные доли миллиметра, поэтому точность изготовления модифицированных зубчатых колес должна быть высокой. Если погрешность зубчатого зацепления близка к размеру модификации, то необходимость модификации теряет смысл. В этих условиях зубошлифование несомненно имеет преимущество перед другими, менее точными, операциями зубообработки. модификация по длине ограничение по длине несущей поверхности зубьеб, изменение положения несущей поверхности зубьеб по длине Модификация в биде окружности одного радиуса и/и комбшация из окружностей двух радиусоб и одной прямойСимметричный и несимметричный наклон левой и правой сторон зуба
Комбинированные модификации по профилю и длине Обеспечение плабности бхода и быхода из зацепления зубьеб, ограничение и изменение положения несущей поверхности зубьеб по высоте и длине Согласно п 2 и 3
Топологические модификации Обеспечение специфических требований зксплуатации режущих, деформирующих и правящих зубчатых инсщнентоб и специальных конструкций зубчатых колес Плавные изменения поверхности зуба по профилю и длине зуба в любой его точке
Примечание шестерней называют Ведущий элемент зудчатой передачи, имевший меньшее число зубьев, а колеса» - ведомый элемент передачи с дальшим числом зудьев К основным критериям качеств по эксплуатационным параметрам цилиндрических зубчатых передач относятся [1]: 1) изгибная выносливость зубьев; 2) контактная выносливость зубьев; 3) виброакустическая активность зубчатой передачи; 4) массогабаритные размеры зубчатой передачи.
Изгибная выносливость зубьев характеризуется сопротивлением цилиндрического зубчатого зацепления усталостным поломкам под действием напряжений в основании зуба. Критерием оценки изгибной выносливости является концентрация напряжений в основании зубьев.
С помощью математических программ на зубошлифовальных станках с ЧПУ имеется возможность точно определить траекторию переходной кривой в основании зуба и спрофилировать по этой кривой вершину шлифовального круга.
Внутренние напряжения сжатия формируются при обработке с низкими скоростями резания или при коротком времени контакта инструмента и заготовки. Количество выделяемого тепла и время его воздействия способствует преобладанию механических процессов [83].
По известным исследованиям при хонинговании, притирке и дробеструйной обработке закаленных зубьев в их поверхностных слоях, возникают внутренние напряжения сжатия, величина которых достигает 900-1200 МПа.
Преобладание термических процессов является причиной возникновения в поверхностных слоях зубьев внутренних напряжений растяжения. В то же время исследования показали, что соответствующей оптиматизацией режимов обработки при зубошлифовании могут быть достигнуты внутренние напряжения сжатия [3, 21,-67].
На рисунке 7 показано, что при непрерывном обкатном зубошлифовании абразивным червячным кругом -2, а также при профильном прерывистом зубошлифовании двусторонним металлическим кругом с гальваническим покрытием кубическим нитридом бора -1 на поверхности зубьев цилиндрических колес возникают внутренние напряжения сжатия близкие по величине, получаемым при зубохонинговании -3. Очень важно для высоконагруженных зубчатых передач является также, что при зубошлифовании имеется возможность получать внутренние напряжения сжатия в основании ножки зуба.
Первая гармоника (основная частота) характеризуется частотой пересопряжения зубьев, ее величина зависит от конструкции зубчатой передачи (суммарный коэффициент перекрытия, ширина зубчатого венца, угол наклона зуба, высота зуба и т.д.). Вторая гармоника (удвоенная основная частота) в большей степени определяется точностью изготовления зубьев и величиной их модификаций. Она может быть более мощной, чем первая. Третья гармоника (утроенная основная частота) связана с шероховатостью боковых поверхностей зубьев, ее величина зависит от чистовой операции зубообработки [3].
Раскрытие пространственных размерных связей производящих поверхностей червячного шлифовального круга и зубьев заготовки обрабатываемого колеса
При обкатном зубошлифовании с непрерывным делением в качестве инструмента используют червячные шлифовальные круги, которые могут быть абразивными или металлическими с однослойным или многослойным покрытием кубическим нитридом бора. Низкая стоимость, а также возможность целенаправленного изменения рабочей поверхности шлифовального инструмента при обработке зубьев цилиндрических колес способствовала широкому применению в автотракторной промышленности абразивных правящихся кругов [16, 23, 54, 61].
При этом основное t0 и время правки, приходящееся на одну заготовку tnp/У) являются главными слагаемыми штучного времени, они определяют производительность операции [64, 88]. В этих условиях достижение максимального количества заготовок, обработанных между двумя правками, имеет первостепенное значение для повышения качества обработки и производительности обкатного зубошлифования с непрерывным делением.
Разработанный теоретический расчет параметров производящих поверхностей червячного шлифовального круга, находящихся в зацеплении с зубьями обрабатываемого колеса позволяет оптимизировать взаимодействие инструмента с заготовкой. Рациональное использование рабочей длины /ш червячного круга и ее составляющих lp, А/ и В0 при непрерывном обкатном зубошлифовании с радиально-диагональным движением подачи способствует существенному повышению стойкости между двумя профильными правками, качества шлифованных зубьев и производительности шлифования.
Эффективным средством повышения производительности зубошлифования является применение многозаходных червячных шлифовальных кругов. Многозаходные червячные круги имеют две и более винтовые производящие поверхности. Если за один оборот однозаходного червячного шлифовального круга у заготовки обрабатывается одна впадина зубьев, то за один оборот двухзаходного круга - две впадины зубьев, трехзаходного круга - три впадины зубьев и т.д. При этом машинное время при зубошлифовании снижается на меньшую величину, которая не пропорциональна увеличению заходности шлифовального круга [3, 16, 37]. Объясняется это тем, что при многозаходном зубошлифовании число активных режущих элементов - т0 , роль которых выполняют абразивные зерна -1 (рисунок 19), уменьшается с увеличением заходности круга - z0 о =f(Z0).
Известно, что в процессе зубофрезерования при использовании двухзаходных червячных фрез вместо однозаходных при обработке одних и тех же заготовок при одинаковых режимах резания сила резания возрастает на 50-60%. При последующем увеличении заходности червячных фрез интенсивность возрастания силы резания снижается [93].
Так как кинематические схемы резания многозаходными инструментами при зубофрезеровании и зубошлифовании практически одинаковы, можно считать, что при увеличении заходности червячных шлифовальных кругов сила резания будет также возрастать.
С увеличением силы резания в зоне шлифования повышается температура, которая может привести к образованию прижогов на поверхности зубьев.
Параметры режимов резания (скорость резания, величины подач, глубина резания и др.) оказывают сложное влияние на тепловые явления при шлифовании [46, 67]. Снижение температуры в зоне шлифования при многозаходной обработке обеспечивается, главным образом, оптимизацией режимов зубошлифования. Кроме того, структура профиля зубьев, отшлифованных однозаходными и многозаходными червячными шлифовальными кругами, существенно отличается. При увеличении заходности обкатной эвольвентный профиль образуется меньшим числом огибающих резов. Качество поверхностей зубьев снижается вследствие увеличения высоты микронеровностей и погрешности профиля зуба. Анализ многозаходного шлифования с радиально-диагональным движением подачи показал, что эвольвентный профиль зубьев формируется зоной шлифовального круга, состоящей из двух частей: 1р — длины круга, находящейся в зацеплении с заготовкой и А/ — величины тангенциального смещения заготовки. При такой схеме резания увеличение числа огибающих резов существенно ограничено. Его можно достичь повышением скорости резания шлифовального круга (в пределах допустимой рабочей скорости) при одновременном увеличении тангенциальной подачи для сохранения режущих свойств круга.
На основании проведенных исследований следует отметить, что непрерывное обкатное зубошлифование многозаходными червячными кругами с радиально-диагональным движением подачи, безусловно, является перспективным процессом, обеспечивающим высокую производительность и качество изготовления зубчатых зацеплений. Однако реализация этого процесса требует комплексного подхода к назначению режимов зубошлифования, их оптимизации и экспериментальной проверки.
Припуски на операцию зубошлифования цилиндрических колес назначают, как правило, по справочным таблицам7 и задают перпендикулярно к боковой поверхности зуба на одну или на две его стороны [3, 53, 61].
Назначение припусков производят независимо от технологического процесса обработки и не учитывают условий осуществления этого процесса. Как правило, такие припуски бывают или завышенными, или заниженными и содержат резервы увеличения производительности и повышения качества изготовления [53]. Если припуски под зубошлифование очень большие, то увеличивается время обработки и расход инструмента, а у зубчатых зацеплений, подвергнутых химико-термической обработке, с боковых поверхностей зубьев удаляется значительная часть термически упрочненного цементованного слоя, имеющего высокое сопротивление контактным нагрузкам и силам трения [16, 53].
Слишком маленькие припуски требуют от технологического процесса более качественную подготовку заготовки под операцию зубошлифование, высокую точность центрирования шлифовального инструмента во впадине предварительно обработанных зубьев и часто является причиной возникновения на боковых поверхностях зубьев «чернот» - следов от предшествующей обработки.
Поэтому очень важным для проведения технологического процесса является точное определение величины припуска под зубошлифование. Аналитический расчет минимального припуска под зубошлифование, выполненный в данной работе, базируется на анализе факторов, влияющих на припуск на предшествующей и выполняемой операциях.
Зубошлифование однозаходными червячными шлифовальными кругами
Исследования производили при зубошлифовании заготовок сателлитов планетарного механизма (рисунок 37), зубья которых были обработаны на зубофрезерном станке и подвергнуты химико-термической обработке. Заданное минимальное значение припуска составляло 0,2 мм на сторону зуба [61].
При этом предварительные рабочие ходы были выполнены в такой последовательности, чтобы окончательный шестой рабочий ход производился при попутной подачи, что позволяло улучшить условия резания при окончательном профилировании зубьев.
Существенным преимуществом зубошлифования червячным абразивным кругом является возможность обработки нескольких заготовок между двумя профильными правками круга. Поэтому при построении технологической модели зубошлифования с радиально-диагональным движением подачи этому вопросу уделялось большое внимание.
На рисунке 45а приведена схема использования производящей поверхности червячного шлифовального круга в осевом сечении при обработке пяти заготовок сателлита планетарного механизма.
После выполнения последнего предварительного рабочего хода производили тангенциальный сдвиг заготовки В0.
Известно, что при зубошлифовании двухзаходными кругами происходит более интенсивный съем металла и, вследствие этого, круг больше изнашивается, чем при работе однозаходными кругами. Поэтому с целью обеспечения высокой точности обработки при последнем рабочем ходе, который выполняли при попутной подачи, величина тангенциального сдвига была увеличена:
Время профильной правки двухзаходного червячного шлифовального круга выросло до 6 мин по сравнению с правкой Однозаходного круга (5 мин) вследствие дополнительной затраты времени на подвод и отвод алмазного правящего инструмента и деление шлифовального круга при раздельной обработке каждого витка (таблица 9). Для облегчения анализа графика он построен таким образом, что заготовки по оси X расположены не по порядку номеров, а по величине разности AZ-, между значениями измеренных и рассчитанных припусков. При этом величина AZ-, уменьшается по мере удаления от оси У.
Измеренные по длине общей нормали припуски 2Z-, находились в пределах 0,39...0,74мм, их величина значительно превышала рекомендации справочной литературы [3, 70]. Однако, рассчитанные значения припусков 2/.П1ІІІ! свидетельствовали о том, что у большинства заготовок (32 шт.) для бездефектной обработки значения припусков должны быть больше на величину AZt, Шлифование зубьев сателлитов производили однозаходными червячными кругами с использованием технологической модели и режимов обработки, указанных в разделе 4.1.1. Проведенное зубошлифование показало, что зубчатые колеса (рисунок 0 54), у которых разность между измеренными и расчетными значениями Рисунок 54 - Сателлит после операции зубошлифования припусков составляло AZt 20 мкм, были отшлифованы с достижением высокой точности. 121 Из приведенных таблицы 13 и графиков (рисунки 55 и 56) видно, что у зубчатых колес № 42, 13, 5, 30, 4, 39, 44, 40, 23, 36, 50, 8,6 была достигнута точность зубьев по ГОСТ 1643 -81: - по накопленной погрешности шага Fpr - 3 степень; - по погрешности профиля - 7 степень; - по погрешности направления Fpr— 6 степень; - по радиальному биению Frr- 4 степень. По результатам измерений было выявлено отрицательное влияние на точность зубошлифования, вызванное переносом свойств заготовки от предшествующей операции к последующей: - точность предварительной обработки по параметрам Frr и FPrr в среднем соответствовала 10 степени и после зубошлифования была получена точность 3-4 степени;
Технико-экономические показатели зубошлифования однозаходными и многозаходными червячными шлифовальными кругами
Сравнительный технико-экономический . анализ производился с использованием цеховой себестоимости, которую рассчитывали по формуле [33]: сц=м+з+нц где М- затраты на материал (на одну заготовку); 3 - затраты на производственную заработанную плату; Нц - сумма цеховых накладных расходов. 147 Таблица 19 - Технологические режимы зубошлифования заготовок сателлитов Параметры процесса Сателлит (т = 4,5 мм, b = 56,8 мм, 13 = 0, z=15, а = 20,х = +0,394) Червячный шлифовальный круг 25А16СМ112К5 однозаходный 25A16CM112K5 двухзаходный Припуск на сторону зуба,мм 0,25 Число рабочих ходов 5 (4 предварительных и 1 окончательный) Толщина срезаемого слоя,мм й, = 0,070; а2 = 0,060; а3 = 0,55; аА= 0,050; «5=0,015 Радиальная подача, мм SPl = 0,25; Sp2 = 0,1S; SP3 = 0,16; SP4 = 0,14; SP5 = 0,05 Окружная скорость шлифовального круга, м/с 29,4 Окружная скоростьзаготовки, м/мин 31,2 62,4 Скорость движения радиальной подачи, мм/мин 1,2 Осевая подача заготовки,мм/об. Soi = 1,2; S02 = 05=1,1;S04 = 1,0; S05-0,45; Soi = 1,0; S02 = S03 - 0,9; 04 = 0,8 05=0,36 Тангенциальная подача на 1 мм рабочего хода STJ = 0.035; ST2 = ,Syj = 05028; 5= 0,025; ST5 = 0,020 Время шлифования -рабочий ход, мин toi = 0,6 \;t02 = 0,59; t03= 0,57; t04= 0,60; /0/ = 0,45; t02 = 0,42;/05 = 0,40;/0 = 0,42;/05 = 0,71 Тангенциальное смещение за рабочий ход, мм Ali= 2,1; Al2 = Al3= 1,68; Al4=\,5\ Als= 1,2 Число заготовок между двумя правками круга 6 (6,56) 5 (5,92) Тангенциальный сдвиг заготовки, мм B0 = 4,5 Bo = 9,0 Основное время шлифования, мин /o = 3,48 /0 - 2,40
Основные составляющие цеховой себестоимости зубошлифования одной заготовки сателлита и ведущей шестерни однозаходными и двухзаходными червячными шлифовальными кругами приведены в таблице 21.
При анализе цеховой себестоимости можно увидеть, что затраты на материал, стоимость ремонта оборудования и стоимость амортизации здания одинаковые для зубошлифования однозаходными и двухзаходными червячными кругами.
Так как затраты на производственную заработанную плату, стоимость амортизации оборудования, стоимость электроэнергии и стоимость содержания зажимного приспособления имеют прямую зависимость от штучного времени, которое при двухзаходном зубошлифовании значительно меньше (таблицы 19, 20), поэтому эти затраты выше при однозаходном зубошлифовании.
Технико-экономический анализ, выполненный в работе, показал, что эффективность непрерывного обкатного зубошлифования с радиально-диагональным движением подачи двухзаходными червячными кругами выше, чем однозаходными. Основным фактором, обеспечивающим повышение эффективности при зубошлифовании двухзаходными шлифовальными кругами, является снижение машинного времени (таблицы 19, 20), которое даже при некотором увеличении времени правки круга, вызванного увеличением его заходности, позволяет повысить производительность при обработке сателлитов на 17% и ведущих шестерен на 26 %.
Таким образом, экономически целесообразно применять непрерывное обкатное зубошлифование с диагональным движением подачи: многозаходными кругами в серийном и крупносерийном производстве, где требуется высокая производительность; - однозаходными кругами в единичном и мелкосерийном производстве, где требуются универсальные шлифовальный и правящий инструменты.
Разработана методика расчетно-аналитического определения минимальной величины припуска по боковым поверхностям зубьев с учетом погрешностей зубчатого зацепления, полученных на предшествующей операции, и компенсации погрешностей на выполняемой операции.
Экспериментальные исследования технологической модели непрерывного обкатного зубошлифования с радиально-диагональным движением подачи подтвердили высокие показатели по производительности и качеству изготовления зубчатых зацеплений.
Экспериментально установлено, что существующая практика назначения припусков на операцию зубошлифования по справочным таблицам является неточной, так как она не учитывает условия проведения технологического процесса на предшествующей и выполняемой операциях.
Выявленная взаимосвязь между точностью зубчатого зацепления до и после зубошлифования заготовки позволила установить, что для достижения 5-6 степени точности (ГОСТ 1643-81) у цилиндрических зубчатых колес необходимо, чтобы точность их предварительной обработки была не грубее 9-10 степени.
Проведённый технико-экономический анализ показал, что эффективность непрерывного обкатного зубошлифования с радиально диагональным движением подачи двухзаходными червячными кругами выше, чем однозаходными.
