Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса. цель и задачи исследования 10
1.1. Торцовые муфты. 10
1.2. Основные методы изготовления торцовых муфт с плоскими рабочими поверхностями зубьев. 14
1.3. Основные методы изготовления торцовых муфт с эвольвентными зубьями. 19
1.4. Основные методы изготовления торцовых муфт с круговыми зубьями. 23
1.5. Основные методы изготовления торцовых муфт с циклоидальными зубьями. 30
1.6. Анализ существующих методов изготовления торцовых муфт. Цель и задачи исследования. 36
ГЛАВА 2. Теоретическое исследование кинематики непрерывного процесса обработки резцовыми головками гипоциклоидальных зубьев торцовых муфт 42
2.1. Основные принципы образования гипоциклоидальных зубьев торцовых муфт. 42
2.2. Аналитическое определение основных параметров непрерывного процесса обработки торцовых муфт . 43
Выводы 72
ГЛАВА 3. Влияние технологических факторов на эксплуатационные показатели торцовых муфт, образованных резцовыми головками по методу непрерывного деления
3.1. Теоретическое исследование точности процесса нарезания торцовых муфт, образованных резцовыми головками по методу непрерывного деления.
3.1.1. Геометрические погрешности обработки зубьев, вызванные неточностью остановки стола при выходе на рабочую позицию .
3.1.2. Погрешности, вызванные неточностью расположения плоскости инструмента относительно плоскости детали.
3.1.3. Динамические погрешности, вызываемые деформациями системы в процессе обработки.
3.1.4. Анализ сил, действующих на торцовую полумуфту в процессе обработки.
3.2. Анализ методов контроля торцовых муфт, образованных резцовыми головками по методу непрерывного деления.
Выводы
ГЛАВА 4. Особенности расчета и конструирования инструмента для нарезания торцовых муфт по методу непрерывного деления
4.1. Принципиальная схема инструмента для нарезания торцовых зубьев.
4.2. Схема прорезания впадины между зубьями торцовой полумуфты. 109
4.3. Определение ширины рабочей части резцов в резцовой головке при обработке торцовых муфт по методу непрерывного деления . 111
Выводы 115
ГЛАВА 5. Экспериментальные исследования точности и производительности нарезания торцовых муфт резцовыми головками по методу непрерывного деления 116
5.1. Методика проведения экспериментов. 116
5.2. Объект исследования. 117
5.3. Оборудование и оснастка, применяемые для лабораторных исследований. 118
5.4. Станок и инструмент, применяемые для исследований точности процесса. 124
5.5. Контрольные приборы и методы измерения параметров торцовых муфт, образованных резцовыми головками по методу непрерывного деления. 127
5.6. Математическая обработка экспериментальных данных. 128
5.7. Исследование основных качественных показателей торцовых муфт, нарезаемых резцовыми головками по методу непрерывного деления. 131
5.7.1. Шероховатость боковой поверхности зубьев. 132
5.7.2. Разность окружных шагов. 132
5.7.3. Накопленная погрешность окружного шага. 136
5.7.4. Толщина зуба. 139
5.7.5. Погрешность направления зуба. 144
5.8. Исследование производительности нарезания торцовых муфт, образованных резцовыми головками по методу непрерывного деления. 144
5.9. Экономическая эффективность процесса обработки торцовых муфт резцовыми головками по методу непрерывного деления. 149
Выводы 151
Заключение 152
Список литературы 155
Приложения
- Основные методы изготовления торцовых муфт с плоскими рабочими поверхностями зубьев.
- Аналитическое определение основных параметров непрерывного процесса обработки торцовых муфт
- Геометрические погрешности обработки зубьев, вызванные неточностью остановки стола при выходе на рабочую позицию
- Определение ширины рабочей части резцов в резцовой головке при обработке торцовых муфт по методу непрерывного деления
Введение к работе
В последние годы резко возросли требования, предъявляемые к повышению точности, надежности и долговечности механизмов, приборов и систем управления при одновременной минимизации их массы и габаритов. Это, в значительной степени, определяется качеством элементов соединения и передачи движения и, в частности, торцовыми зубьями. Последние, в настоящее время, у нас в стране и за рубежом находят все более широкое практическое применение в автоматических манипуляторах, высокооборотных роторах двигателей летательных аппаратов, в механических и гидравлических полуавтоматических коробках передач автомобилей и тракторов, торцовых волновых зубчатых передачах, в различного рода устройствах компенсации ошибок углового положения валов, торцовых муфтах и в других узлах соединения валов и передачи вращающего момента.
Торцовые муфты служат не только для соединения и разъединения валов на ходу или во время остановки с помощью специальных управляющих устройств (рычагов, вилок, переводных камней и т.п.), но и для создания сложных конструкций, таких, например, как крупные коленчатые валы, валы турбин и т.д.
В торцовых муфтах крутящий момент передается через систему зубьев, конструкция, форма, количество и размеры которых зависят от целевого назначения муфты и условий ее работы. Так в станкостроении, мотоциклетном и мотороллерном производствах используются типовые конструкции торцовых муфт с прямоугольной и трапецеидальной формой зубьев [21,52], а в производстве промышленных роботов и авиационной техники - с треугольной формой зубьев [3,48,53]. Данные соединения отличаются компактностью, удобством монтажа, способны передавать значительные нагрузки.
На машиностроительных заводах процесс нарезания торцовых муфт является одним из наиболее сложных и трудоемких процессов, т.к. это связано со специфическими особенностями производственного оборудования и требованиями, предъявляемыми к торцовым муфтам.
В отечественной промышленности были проведены большие исследования в области изготовления торцовых муфт, которые нашли отражение в работах В.В.Верховского [4], Н.Н. Гобралева [7], А.П.Козлова [22], Г.Н.Райхмана [44] и др.
В современных условиях традиционные способы обработки не обладают необходимой производительностью и точностью, а изготовленные торцовые муфты, во многих случаях, перестали удовлетворять предъявляемым к ним высоким эксплуатационным и производственным требованиям.
Широкое использование торцовых муфт, с одной стороны, и недостатки существующих методов их обработки и видов зацеплений с другой, привело к необходимости разработки новых более прогрессивных схем формообразования зубьев торцовых муфт, позволяющих значительно повысить производительность и точность обработки, а также улучшить качество получаемого соединения.
Разработка этой проблемы определяет актуальность настоящей работы.
Основные методы изготовления торцовых муфт с плоскими рабочими поверхностями зубьев.
Вставляемые резцы с простой геометрической формой заточены как нормальный токарный резец с наиболее удобными углами резания. Резцы обеих дисковых фрез лежат последовательно друг за другом и образуют таким образом один зуб воображаемого плоскопроизводящего колеса.
Работа резания распределяется на большое число резцов, которые одновременно режут в одной впадине со скоростью резания, достигающей 80 м/с.
Торцовые муфты с круговыми зубьями нашли широкое применение в турбостроении, мотороллерном производстве, используются в неподвижных соединениях для конструкций разъемных валов. Их целесообразно применять в делительных устройствах, например, в поворотных столах координатно-расточных станков, а также в револьверных головках карусельных и токарно-револьверных станков. В трудах отечественных ученых [10,21,22 и др.] большое внимание уделено особенностям круговой формы зубьев торцовых муфт, порядку их проектирования, расчета и анализу областей применения.
Эксплуатационные характеристики круговых зубьев выше, чем зубьев с плоскими рабочими поверхностями, т.к. пятно контакта в таком зацеплении удалено от кромок зубьев к среднему диаметру.
Однако метод единичного деления, применяемый для нарезания торцовых муфт с круговыми зубьями, имеет существенный недостаток -дополнительные затраты времени при нарезании на холостые ходы, необходимые для подвода, отвода и деления заготовки.
В настоящее время за рубежом находят все большее применение торцовые муфты с коническими зубьями переменной высоты, образованные резцовыми головками методом непрерывного деления. Продольная кривизна таких зубьев имеет форму удлиненной эпициклоиды.
Первоначально метод непрерывного деления был разработан немецкой фирмой «Klingelnberg» в 1944 году для нарезания цикло-паллоидных конических колес малых модулей (до 1,5мм). Чуть позже доктором Маммано (Италия) и инженером Гравеном (Англия) разработан непрерывный метод нарезания зубьев элоидных конических колес, получивший дальнейшее развитие на швейцарской фирме «Oerlikon» [15]. В дальнейшем метод непрерывного деления получил широкое распространение при изготовлении не только конических колес, но также и торцовых муфт с коническими зубьями. До сих пор фирмы «Klingelnberg» и «Oerlikon» являются основными поставщиками оборудования для производства и контроля таких торцовых муфт. Так большим спросом на мировом рынке пользуются станки для нарезания торцовых муфт моделей «Spiromatik» SKM-2, SM3, SI7, S27 фирмы «Oerlikon» [71], модели АМК-850 фирмы «Klingelnberg» и станки для шлифования торцовых муфт модели WNC80 той же фирмы [67,69]. На станках американской фирмы «Gleason» новой конструкции с ЧПУ (модели 250НС, 500НС) также стало возможным нарезать торцовые муфты с эпициклоидальными коническими зубьями [16].
Эпициклоида, применяемая здесь в качестве продольной кривизны зубьев, является циклической кривой, которая образуется как траектория точки катящейся окружности, при перекатывании последней без скольжения по основной неподвижной окружности, находясь с ней во внешнем касании. Необходимым условием для нарезания эпициклоидальных зубьев является метод непрерывного деления при строгой кинематической связи между вращательными движениями режущего инструмента и заготовки. Если направление вращения резцовой головки и заготовки противоположны, то продольная кривизна зубьев имеет форму удлиненной эпициклоиды. Удлиненная эпициклоида образуется благодаря тому, что радиус режущего инструмента Ru больше радиуса катящейся окружности СМ0, а мгновенный радиус вращения R3, который зависит непосредственно от радиуса режущего инструмента, равен отрезку РМ0, соединяющий мгновенный центр движения точку М0 с расчетной точкой Р (рис.14). Поскольку мгновенный центр движения т.М0 постоянно перемещается по основной окружности радиуса ММ0, радиус кривизны зубьев непостоянен по всей ширине зубчатого венца. Он незначительно увеличивается от носка к пятке зуба [18]. При совпадении направлений вращения инструмента и заготовки имеет место удлиненная гипоциклоида, не получавшая до недавнего времени практического применения. В 1992 году на факультете механики Университета в Галати (Румыния) предложено использовать гипоциклоиду как форму продольной кривизны зубьев торцовых муфт [68]. С этой целью был разработан метод обработки торцовых муфт с коническими зубьями переменной высоты непрерывным делением, при котором направления вращения резцовой головки и заготовки совпадают. При обработке оси инструмента 1 и заготовки 2 не параллельны, а расположены под углом ф относительно друг друга: +(р при обработке одной из торцовых полумуфт и - ф при обработке другой (рис. 15). Наклоны рабочих граней получаемых зубьев также противоположны: +\/ у одной из полумуфт и -\/ у другой. Гипоциклоида является циклической кривой, которая образуется как траектория точки катящейся окружности, при перекатывании последней без скольжения по основной неподвижной окружности радиуса М М0 , находясь с ней во внутреннем касании (рис. 16). Т.к. радиус резцовой головки Ru больше радиуса катящейся окружности СМ0 , то продольная кривизна зубьев имеет форму удлиненной гипоциклоиды. Если радиус резцовой головки Ru будет меньше радиуса катящейся окружности С М0 , то продольная кривизна будет иметь форму укороченной гипоциклоиды. При RU=C M0 продольная кривизна будет иметь форму обычной гипоциклоиды.
Аналитическое определение основных параметров непрерывного процесса обработки торцовых муфт
Основными характеристиками рабочих поверхностей торцовых муфт являются: количество и точность изготовления зубьев, профиль зубьев и поверхности их контакта, а также состояние рабочих поверхностей зубьев.
На практике в процессе образования зубьев имеют место погрешности, вызывающие отклонение реальных рабочих поверхностей от номинальных, что приводит к ухудшению характеристик центрирующей способности торцовой муфты, ее жесткости, несущей способности, а также характера контакта зубьев.
Исходя из эксплуатационных требований, предъявляемых к торцовым муфтам, наиболее важными геометрическими параметрами, определяющими их прочность и работоспособность, являются: погрешность окружного шага, толщина зуба (или ширина впадины) и направление зуба.
В общем балансе погрешностей, действующих при обработке зубьев торцовыми резцовыми головками (рис.32) можно выделить следующие основные погрешности, которые оказывают наиболее существенное влияние на отклонение окружного шага, толщину и направление зубьев: 1) геометрические погрешности, вызванные неточностью остановки стола при выходе на рабочую позицию; 2) погрешности, вызванные неточностью расположения плоскостей инструмента и детали; 3) динамические погрешности, вызываемые деформациями системы в процессе обработки. Другие факторы, влияющие на точность непрерывного процесса обработки торцовых муфт резцовыми головками, минимальны. Так износ станка и приспособления, происходящий по поверхностям трения минимален, т.к. инструмент имеет вращательное движение вокруг собственной оси. Неточность обработки зубьев, возникающая из-за износа инструмента, принимается минимальной ввиду возможности поперечной подрегулировки резцов. Погрешность установки детали на станке, складывающаяся из погрешности базирования и погрешности закрепления также минимальна, т.к. в качестве установочной поверхности принята конструкторская база. Для уменьшения влияния температурных деформаций, возникающих в заготовке и инструменте за счет тепла , выделившегося в зоне резания, возможно применять резцы с определенным углом скашивания. Методы и средства измерения разработаны с расчетом, чтобы погрешность измерения не превышала допуска на размер. После установки резцов резцовая головка выверяется на специальном контрольном приспособлении [15] с соблюдением следующих технических условий: радиальное биение режущих кромок между соседними резцами и торцовое биение вершин между соседними резцами не более 0,005мм. Погрешность профиля нарезаемого зуба можно представить в виде: Sf = F(AX,AY,AD,AU) где АХ - геометрическая погрешность, вызванная неточностью остановки стола в продольном направлении; AF - геометрическая погрешность, вызванная неточностью остановки стола в поперечном направлении; AD - динамическая погрешность, вызванная деформациями системы; д - погрешность, вызванная неточностью угла наклона плоскости инструмента относительно плоскости детали. Производя квадратическое суммирование погрешностей профиля от всех ошибок, суммарную погрешность нарезаемого профиля Sf можно определить по формуле: где Sfx - погрешность профиля нарезаемого зуба от неточности остановки стола в продольном направлении; Sfy - погрешность профиля нарезаемого зуба от неточности остановки стола в поперечном направлении; SfD - погрешность профиля нарезаемого зуба, возникающая от деформаций системы; 5/и - погрешность профиля нарезаемого зуба от неточности угла наклона плоскости инструмента относительно плоскости детали.
В случае продольной подачи стола при выходе на рабочую позицию неточность его остановки АХ приводит к изменению размеров и профиля зубьев. Схема возникновения этой погрешности показана на рис.33. На данной схеме в виде дуги «а-а» обозначена теоретическая кривая профиля нарезаемого зуба, а дугой «b-b» профиль нарезаемого зуба при смещении стола на АХ. При этом центр Ох радиуса кривизны р в точке контакта А переместится в точкуОг. Расстояние от точки А до дуги «b-b» по нормали будет характеризовать изменение положения профиля боковой поверхности зуба по среднему диаметру зуба Afx от неточности остановки стола в продольном
Геометрические погрешности обработки зубьев, вызванные неточностью остановки стола при выходе на рабочую позицию
Из самого характера процесса обработки и действующих при этом сил (рис.36) следует, что, в первую очередь, нас должна интересовать реакция радиальной составляющей силы резания PY. Ее величина по сравнению с главной составляющей силы резания мала, но она оказывает наибольшее влияние на точность и геометрическую форму зубьев обрабатываемой торцовой полумуфты [58]. На различных этапах перемещения резца в металле заготовки изменяется направление действия составляющей PY. Момент, создаваемый этой силой относительно оси заготовки, изменяется по определенному закону в соответствии с законом изменения плеча действия силы. При входе резца в заготовку направление действия силы PY противоположно направлению вращения заготовки и создаваемый ею крутящий момент приводит при обработке к образованию натяга между резцом и заготовкой. На выходе же из заготовки направление действия силы Ру совпадает по направлению с вращением заготовки и создаваемый ею крутящий момент приводит к образованию зазора между резцом и заготовкой. Все это снижает точность нарезаемых торцовых зубьев.
Для частичной компенсации негативного действия силы PY можно рекомендовать разрабатывать процесс непрерывной обработки торцовой полумуфты таким образом, чтобы обработка резцами осуществлялась одновременно сразу двух зубьев торцовой полумуфты (рис.37). Тогда при входе резцов в заготовку плечо приложения силы Рп, направленной противоположно вращению заготовки, больше, чем силы PY2, направление которой совпадает с направлением вращения заготовки. Это создает при обработке небольшой натяг между резцом и заготовкой. Во время обработки по среднему диаметру зубьев плечи приложения сил Рух и PY2 равны, в результате чего результат от действия этих сил не окажет негативного влияния на точность. При выходе резцов из заготовки плечо приложения силы Рух меньше, нежели силы PY2, что создает зазор между резцом и заготовкой. В предлагаемом процессе величина натягов и зазоров, возникающих между резцами и заготовкой значительно меньше, чем при обычном способе непрерывной обработки, но осуществить его на практике довольно сложно.
Для повышения точности непрерывной обработки торцовых муфт резцовыми головками рекомендуется применить практически легко осуществимый способ, согласно которому необходимо, чтобы между заготовкой и резцом в процессе обработки имелся определенный натяг и изменение направления составляющей силы Ру не создавало бы при обработке зазора между ними. С этой целью конструктивными решениями (пружинный механизм) предлагается предусматривать наличие в системе дополнительной силы, обеспечивающей предварительный натяг между резцом и заготовкой, причем расчетный момент, создаваемый действием этой силы, должен быть больше наибольшего момента от силы PY, направление которой совпадает с направлением вращения заготовки, т.е.:
Из рассмотренного выше влияния основных погрешностей на эксплуатационные показатели торцовых муфт, образованных торцовыми резцовыми головками по методу непрерывного деления, следует, что, в первую очередь, контролю должны подвергаться такие параметры полумуфт, как разность окружных шагов, накопленная погрешность окружного шага, толщина зуба и погрешность направления зуба.
Накопленная погрешность окружного шага может быть определена по аналогии с цилиндрическими шлицевыми соединениями - методом сравнения на полуокружности (рис.38) и методом сравнения с так называемым эталонным шагом (рис.39) [49].
В первом случае с помощью шагомера ШМ1 сравниваются группы зубьев, расположенных через 180 при четном числе зубьев и чуть меньше 180 при нечетном числе зубьев. При этом, как показано на рис.38, при первоначальной настройке точечные измерительные наконечники 1 и 2 вводятся в контакт с зубьями, и отсчетное устройство 3 устанавливается на нуль. Затем измеряемая полумуфта поворачивается на один зуб и поджимается к жесткому наконечнику 1 упором 4. Отсчетное устройство укажет, насколько угол охвата новой группы зубьев отличается от первоначально установленного. После проведения измерений наибольшая накопленная погрешность окружного шага по полумуфте Fpr определяется как алгебраическая полуразность наибольшего и наименьшего отклонений [54].
При измерении полумуфты с нечетным числом зубьев выявляется несколько меньшая величина, чем накопленная погрешность окружного шага, поэтому в большинстве случаев, с помощью метода сравнения на полуокружности получают заниженную оценку действительной величины накопленной погрешности.
При втором методе контроля используются портативные накладные шагомеры БВ-5070, и измеряемые окружные шаги сравниваются с произвольно выбранным первым шагом, по которому была произведена настройка измерительной головки 1 (рис.39).
Определение ширины рабочей части резцов в резцовой головке при обработке торцовых муфт по методу непрерывного деления
Практическая реализация инструмента для осуществления непрерывного процесса обработки возможна либо на базе создания специальных резцовых головок, либо, что проще и снижает затраты на изготовление, на базе существующих резцовых головок для обработки конических колес с круговыми зубьями и гипоидных колес. Тогда, по аналогии с последними, характеристика резцовых головок для обработки торцовых муфт будет определяться следующими данными: обработкой (черновое или чистовое нарезание зубьев), номинальным диаметром, максимальной высотой зуба и количеством резцов головки [17].
В качестве объекта для внедрения была выбрана резцовая головка «Wedgac» для черновой обработки конических колес с круговыми зубьями по методу «Gleason» [43]. Она имеет большую массу, повышенную жесткость и широко используется в автомобильной промышленности для нарезания конических и гипоидных колес с круговыми зубьями [17, 70].
В радиальных равнорасположенных шлифованных пазах закаленного корпуса 1 установлены резцы 3 с подкладками 7, регулировочными клиньями 8 и винтами 9. Последние служат для точного регулирования идентичности положения профилирующих режущих кромок резцов в радиальном направлении относительно оси вращения головки.
Корпус головки жестко закреплен в массивное наружное кольцо 2, выполненное в виде обоймы, внутренняя цилиндрическая поверхность которой контактирует с поверхностью зажимных клиньев 4. Осевое перемещение винта 5 в клине ограничено резьбовой гайкой 6. Опорой для резцов служит торец кольца 2. Такой монтаж исключает вибрации резцов при резании. Резцовую головку устанавливают непосредственно на головку шпинделя 11 и закрепляют на нем четырьмя винтами 10, при помощи которых крутящий момент передается от шпинделя станка на корпус резцовой головки. При этом методе крепления силы, возникающие в процессе резания, стремятся удержать резцы в пазах головки. Максимальное число резцов в резцовой головке «Wedgac» зависит от ее номинального диаметра и колеблется от 20 до 40 [19]. Максимальная высота обрабатываемого зуба также зависит от номинального диаметра резцовой головки и колеблется от 9,5 до 19,5 мм [17]. На рис.45 представлена конструкция резца, используемого при обработке торцовых муфт. Все резцы выполнены с напаянными пластинками из твердого сплава Т5К10. Возможно также применение сборных твердосплавных резцов [42], отличающихся, однако, сложностью конструкции. Передняя поверхность резца имеет плоскую форму без фаски, используемую при обработке высоколегированных и закаленных сталей с пределом прочности ств 1000МПа. Рекомендуемые значения переднего угла для твердосплавных резцов лежат в пределах 5-10, а главного заднего угла в пределах 8-12. Вспомогательные задние углы выбирают примерно равными величине главного заднего угла [58]. Главный угол в плане равен 0 с целью получения впадины с плоской поверхностью. Вспомогательные углы в плане равны 90, что обеспечивает постоянную ширину резцов при переточках, осуществляемых по задней поверхности. Вылет резцов необходимо регулировать вне корпуса головки в специальном индикаторном приспособлении [15]. При прорезании впадины между зубьями полумуфты инструмент имеет только вращательное движение, а заготовка кроме вращательного движения имеет перемещение с рабочей подачей до достижения глубины, равной высоте зуба и быстрый отвод в исходное положение. При обработке каждого зуба полумуфты число проходов резца N определяется высотой зуба к и подачей на резец Sz : Подача Sz выбирается в зависимости от мощности станка, материала резца и обрабатываемой заготовки [58]. Ширина рабочей части резца выбирается таким образом, чтобы при обработке впадины на срезанных участках не оставалось металла. Поэтому ширина рабочей части резца должна быть больше половины ширины впадины по наружному радиусу заготовки. Расчет ширины рабочей части резца дан в третьем разделе данной главы. Форма нарезаемого зуба будет зависеть от конфигурации режущей боковой грани резца. Последовательность обработки впадин и соответствующая конфигурация боковой грани резца для получения зубьев прямоугольной, трапецеидальной и треугольной формы, а также формы зубьев с поднутрением показана на рис.46. Т.к. обработка разных сторон зуба ведется одной рабочей поверхностью резца, то точность обработки зуба, его симметричность, будет выше, чем при других способах обработки.
