Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние процессов изготовления зубчатых и других периодических профилей внутреннего зацепления из порошковых биметаллических материалов, постановка задач исследования 10
1.1. Применение в машиностроении зубчатых колес из пористых материалов и требования, предъявляемые к их качеству 10
1.2. Основные методы получения пористых биметаллических заготовок деталей с внутренними периодическими профилями 14
1.3. Выводы по главе 1 24
1.4. Цель и задачи исследования 25
2. Разработка классификации способов объемного формообразования пористых деталей с внутренними периодическими профилями и выбор метода изготовления биметаллических зубчатых колес внутреннего зацепления 27
2.1. Классификация методов объемного формообразования порошковых деталей с периодическим профилем 27
2.2. Выбор метода изготовления пористых биметаллических зубчатых колес внутреннего зацепления 60
2.3. Разработка способа накатывания внутренних зубчатых профилей на пористой биметаллической заготовке 68
2.4. Выводы по главе 2 70
3. Экспериментальное исследование техпроцесса накатывания внутренних зубчатых профилей на пористых спеченных биметаллических заготовках 71
3.1. Экспериментальный стенд для исследования основных параметров процесса накатывания внутренних зубьев 71
3.2. Исследование энергосиловых параметров процесса накатывания зубьев на пористых биметаллических заготовках 74
3.3. Точность зубчатых венцов накатанных на пористых спеченных заготовках 79
3.4. Исследование качества поверхности накатанных
зубчатых профилей 80
3.5. Анализ микроструктуры накатанных зубчатых венцов 94
3.6. Особенности кинематики процесса накатывания зубьев на пористых биметаллических заготовках 102
3.7. Испытания на прочность биметаллических пористых зубчатых венцов внутреннего зацепления 108
3.8. Определение области рациональных значений относительной толщины рабочего слоя h/h 113
3.9. Физико-механические свойства пористых материалов применяемых в зубчатых колесах внутреннего зацепления. 116
3.10. Выводы по главе 3 125
4. Статистические модели энергосиловых параметров процесса, точности и качества поверхности зубчатых венцов 126
4.1. Выбор факторов, безразмерных комплексов, регрессионной модели и плана эксперимента 126
4.2. Статистическая оценка качества опытных данных 131
4.3. Построение регрессионных моделей технологических параметров процесса и оценка их качества 135
4.4. Проверка адекватности математических моделей и значимости м.н.к.-оценок Q их параметров 140
4.5. Выводы по главе 4 146
5. Основы проектирования технологических процессовхолодного накатывания внутренних периодических профилей на спеченных пористых биметалических заготовках 147
5.1. Алгоритм расчета параметров процесса накатывания внутренних зубьев на биметаллических пористых заготовках 147
5.2. Качество формообразованных биметаллических пористых зубчатых колес внутреннего зацепления и способы устранения дефектов 152
5.3. Технология изготовления спеченных пористых биметаллических заготовок под накатывание зубьев 158
5.4. Промышленное использование разработанных техпроцессов холодного накатывания внутренних периодических профилей на спеченных пористых биметаллических заготовках 165
5.5. Выводы по главе 5 171
Основные результаты и выводы по работе 172
Литература 174
- Основные методы получения пористых биметаллических заготовок деталей с внутренними периодическими профилями
- Выбор метода изготовления пористых биметаллических зубчатых колес внутреннего зацепления
- Исследование энергосиловых параметров процесса накатывания зубьев на пористых биметаллических заготовках
- Статистическая оценка качества опытных данных
Введение к работе
Для решения важнейших задач экономического развития страны, необходимо совершенствование трудоемких производственных процессов, у которых низкая производительность труда, высокая себестоимость изделия, велики затраты материалов. К таким процессам относятся технологии формирования внутренних зубчатых и других периодических профилей.
Процессы формирования внутренних периодических профилей резанием являются трудоемкими и малопроизводительными. Трудоемкость их изготовления составляет 70...80% общей трудоемкости обработки детали. Низкая производительность оборудования требует значительного парка станков и больших производственных площадей.
В современном энергетическом, сельскохозяйственном, текстильном, пищевом и других отраслях машиностроения широко используются детали, в том числе и с зубчатым профилем, из композиционных пористых материалов. Пористые композиты состоят из двух и более компонентов (биметаллы, многослойные и т.п.). Применение композиционных порошковых материалов позволяет существенно повысить эксплуатационные характеристики изделий: прочность, износостойкость, коррозионную стойкость, термостойкость и другие вследствие использования преимуществ, как порошковых материалов, так и композитов.
В биметаллическом материале сочетаются свойства, которые нельзя получить в одном отдельно взятом компоненте. Например, сравнительно низкая прочность (или стоимость) материала основы с высокой прочностью и износостойкостью плакирующего слоя. Толщина плакирующего слоя составляет от 5 до 50% общей толщины биметалла.
Нередко применение пористых композитов дает экономический эффект не за счет экономии дорогостоящего материала, а в результате упрощения конструкции, облегчения монтажа и улучшения условий эксплуатации
изделий. Существенное отличие физико-механических, технологических и других свойств пористых биметаллов создает определенные трудности при проектировании и реализации технологий изготовления деталей с внутренним периодическим профилем (зубчатым, шлицевым и др.).
Технологии изготовления периодических профилей методами порошковой металлургии в значительной степени трудоемки, что связано с формированием сложного контура, получением необходимой точности и качества поверхности профиля, а также с извлечением готового изделия из матрицы.
Одним из радикальных путей интенсификации процессов зубообработки заготовок из пористых материалов является применение методов объемной штамповки. Объемная штамповка периодических профилей значительно повышает эффективность изготовления за счет увеличения производительности процесса и экономии металла. Обработка зубчатых колес, изготовленных методами порошковой металлургии с использованием больших сдвиговых деформаций, способствует повышению их качества [1].
Наиболее разработана научная база процессов объемного формообразования наружных периодических профилей на заготовках из компактных материалов.
При изготовлении зубьев и шлицев внутреннего зацепления на пористых заготовках возникают дополнительные трудности из—за недостаточной изученности процесса.
Актуальность работы. Анализ возможных альтернатив создания изделий сельскохозяйственного, текстильного, пищевого и других отраслей машиностроения показывает, что для решения этих задач наиболее перспективны технологии изготовления деталей внутреннего зацепления из пористых биметаллических материалов, основанные на объемном формообразовании. Однако теоретических и систематических экспериментальных исследований данных технологий не проведено. На пути их практического освоения сделаны лишь первые шаги. Имеющиеся
рекомендации не являются достаточными для разработки расчетных моделей
процессов, проектирования промышленных технологий и соответствующего оборудования.
Этим обусловлена актуальность работы, посвященной разработке технологии изготовления зубчатых и шлицевых профилей внутреннего зацепления накатыванием на спеченных пористых биметаллических заготовках.
Цель работы - разработка научно обоснованных методик расчета параметров и основ проектирования процессов объемного формообразования накатыванием пористых биметаллических периодических профилей внутреннего зацепления, разработка и внедрение на этой основе технологий получения данных профилей, обеспечивающих уменьшение трудоемкости, материалоемкости и улучшение качества изделий машиностроения.
Поиск новых технических решений по совершенствованию способов получения биметаллических пористых внутренних периодических профилей и расширению номенклатуры изделий, получаемых методами холодной объемной штамповки (ХОШ) затруднен из-за отсутствия классификации, объединяющей основную группу процессов формообразования пористых деталей с периодическими профилями.
Большое значение, для решения задач, связанных с разработкой технологий объемного формообразования зубчатых колес и деталей со шлицами из компактных и пористых материалов, имеют результаты проведенных исследований, выполненные отечественными и зарубежными учеными: Целиковым А.И., Богоявленским К.Н., Аксеновым Л.Б., Востровым В.Н., Новиковым А.В., Васильчиковым М.В., Фельдманом Г., Шмитом Р., Хаммершмидтом Е., Пасеком В. и" другими.
Благодаря их работам, выявлены основные условия формообразования периодических профилей в зависимости от характера напряженно и деформированного состояний, качества материала, состояния поверхности и других факторов.
Предложено несколько гипотез, объясняющих механизм течения металла. На основе феноменологического подхода теории пластических деформаций металлов и экспериментальных исследований для ряда способов объемного формообразования зубчатых колес получены зависимости, которые позволяют определить силовые параметры процессов и прочностные характеристик изготавливаемых деталей. Однако, результаты проведенных исследований не могут быть использованы при проектировании технологий и прогнозировании качества деталей внутреннего зацепления из пористых композиционных материалов.
Процессы получения методами холодной объемной штамповки деталей с периодическими профилями следует рассматривать как технологическую систему, совершенствование которой происходит во взаимосвязи с основными направлениями работ по экономии ресурсов в машиностроении. Научно обоснованные методики расчета процессов холодного накатывания внутренних периодических профилей из пористых биметаллических материалов необходимо разрабатывать на основе достижений и дальнейшего развития теории и технологии малоотходных процессов ХОШ деталей и точных заготовок.
Большой вклад в создание научных и практических основ холодной объемной штамповки внесли работы Головина В.А., Дмитриева A.M., Дорофеева Ю.Г., Дорошкевичем Е.А., Евстратовым В.А., Евстифеевым В.В., Ивановым К.М., Лясникова А.В., Мертенса К.К., Мишунина В.А., Навроцкого Г.А., Овчинникова А.Г., Оленина Д.Д., Павлова Н.Н., Ренне И.П., Риса В.В., Рудского А.И., Степанского Л.Г., Фаворского В.Е., Lange К., Veldman G., Volkner W., Pasek К, Schmit R. и многих других отечественных и зарубежных ученых. Однако возникают новые задачи, связанные, в частности, с расширением номенклатуры материалов, деформируемых малоотходными методами ХОШ.
В диссертации на основании выполненных автором исследований и разработок содержатся технологические разработки, имеющие существенное
7 значение для экономики, заключающиеся в разработке технологий
изготовления пористых биметаллических периодических профилей
внутреннего зацепления холодной объемной штамповкой, благодаря чему
обеспечивается экономия ресурсов за счет повышения производительности
труда, уменьшения капитальных вложений, улучшения эксплуатационных
характеристик изделий.
Методы исследования. Теоретический анализ процессов выполнен методами теории упругости и пластичности. Статистические модели получены методами планирования эксперимента и регрессионного анализа. При реализации экспериментов использованы методы тензометрии и микроанализа. Варианты изготовления пористых зубчатых колес исследованы методами системного анализа.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением математической статистики при обработке экспериментальных данных и оценкой адекватности разработанных теоретических моделей реальным процессам.
Научная новизна работы заключается в разработке нового способа и научно обоснованных методик проектирования технологий накатывания порошковых биметаллических зубчатых и шлицевых профилей внутреннего зацепления, основанных на результатах теоретических и экспериментальных исследований, включающих:
классификацию способов объемного формообразования порошковых зубчатых и шлицевых профилей и методику оценки рациональности их применения методами системного анализа, на основе которых предложены новые перспективные технологии изготовления порошковых биметаллических зубчатых и шлицевых профилей внутреннего зацепления, обеспечивающие увеличение производительности труда, снижение себестоимости и повышение качества изделия.
научно обоснованную методику проектирования технологических параметров процесса холодного накатывания внутренних периодических
профилей с модулем зацепления от 0,5 до 2,0 мм на спеченных пористых биметаллических заготовках, позволившую с использованием математических моделей процессов на стадии разработки технологии осуществить выбор технологических режимов, оборудования и инструмента, определить возможность изготовления и косвенное прогнозирование эксплуатационных характеристик деталей;
разработанные и реализованные в промышленном производстве технологии изготовления типовых деталей внутреннего зацепления, проектируемые с применением научно обоснованных в диссертации методик расчета и рекомендаций;
методики и стенды для экспериментального исследования технологических параметров процесса, позволившие установить закономерности процессов формообразования накатыванием внутренних периодических профилей, сформулировать граничные условия для анализа напряженного состояния в очаге деформации, проверить адекватность теоретических моделей и построить статистические модели параметров процесса;
классификацию, объединяющую показатели качества и дефекты
пористых биметаллических зубчатых венцов формообразованных
холодным накатыванием, с помощью которой установлены причины и
разработаны способы устранения дефектов.
Практическая ценность и реализация работы. На основе предложенных в диссертации способа, методик расчета и установленных закономерностей процессов формоообразования пористых биметаллических периодических профилей внутреннего зацепления, результатов исследования параметров разработаны при личном участии автора новые технологии получения периодических профилей внутреннего зацепления методами ХОШ на ряде предприятий сельскохозяйственной и пищевой промышленностей. Внедрение технологий обеспечивает увеличение производительности труда в
1,7...2,5 раза, повышение прочности зубчатых венцов в 1,5...2,0 раза;
снижение уровня шумов на 20...30%.
Новая технология имеет широкое прикладное значение и может
применяться при производстве машин для обработки пищевых продуктов,
** льноуборочных, хлопкоуборочных, текстильных и бытовых машин, насосов,
электромоторов, часовых механизмов, деталей космических аппаратов и
других.
Публикации и апробация работы. Материалы работы опубликованы в 7 печатных трудах. Результаты работы доложены и обсуждены на международных и республиканских научно-технических конференциях в Санкт-Петербурге - 2002 г, 2003 г., 2004 г. Работа обсуждена и одобрена на кафедре «Машины и технология обработки металлов давлением» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета в 2005 году.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5
разделов, основных выводов, списка литературы из 78 * наименований.
Содержит 99 страниц машинописного текста, 77 рисунков и 17 таблиц.
/о
Основные методы получения пористых биметаллических заготовок деталей с внутренними периодическими профилями
Классификация методов получения цилиндрических биметаллических пористых деталей показана на рис. 1.2.1. Классификация построена на основе фасетной системы. Признаками системы являются характер приложения нагрузки и вид формующей среды. Фасеты включают характер нагрузки с постепенно или постоянно возрастающим давлением, с мгновенно возрастающим давлением, без приложения давления и виды формующей среды: твердое тело, эластичный материал, жидкость, газ, электрическое или электромагнитное поле. Исходное множество объектов может образовывать группировки по любому сочетанию фасетов.
Холодное статическое прессование в жестких пресс-формах, схема которого представлена на рис. 1.2.2, выгодно отличают высокая производительность, сравнительно небольшая энергоемкость, легкость механизации и автоматизации. Порошки рабочего материала 3 и материала основы 4 засыпают в полость между оправкой 2 и матрицей 5. Оправка 2 опирается на пружину 6. В осевом направлении порошки ограничены пуансоном 1 и втулкой 7. Уплотнение порошков происходит при осевом перемещении пуансона 1.
Данный метод наиболее эффективен в массовом производстве на специализированных пресс-автоматах. Давление прессования не превышает 1000 МПа. При большем давлении в прессовках образуются трещины. Распределение плотности материала по объему прессовки неравномерное, что обусловлено наличием трения порошка о стенки матрицы. Прессование в жестких пресс-формах неприменимо для получения длинномерных деталей
Трубы длиной до 1 метра из биметаллических порошковых материаловпрессуют дорнованием (рис. 1.2.3). Порошки материалов 3 и 4 засыпаются в полость между матрицей 2 и кольцом 5. При перемещении дорна 1 в осевом направлении происходит радиальное уплотнение порошков. Метод не обеспечивает равномерную плотность изготовленной детали по ее длине [10].
Инжекторное прессование позволяет получить деталей высокой точности с плотностью 95...97%. Коэффициент использования материала достигает 0,95. Данный метод применим для высокодисперсных порошков ( 10 мкм). Требует большого количества пластификатора. Сравнительно высокая стоимость специализированного оборудования [11, 12].
Экструдирование относится к способам непрерывного прессования порошков и позволяет получать изделия различного профиля практическинеограниченной длины с равномерным распределением плотности. Горячее экструдирование выполняется в защитной среде, вакууме или защитной оболочке. Отмечается неустойчивость процесса при экструдировании хрупких материалов, а также невысокая плотность изделий [13, 14].
Гидростатическое прессование в эластичном контейнере является одним из распространенных способов прессования изделий цилиндрической формы из порошковых материалов [9, 14]. Схема гидростатического прессования порошковой втулки на базе универсального прессового оборудования приведена на рис. 1.2.4. Порошок 4 размещается в герметичной эластичной оболочке 3, которую устанавливают в полость контейнера 2, заполненную жидкостью. Плунжер 1 сжимает жидкость, чем обеспечивается прессование порошковой детали. Прессование проводится при комнатной температуре.
Гидростатическое прессование создает схему равномерного всестороннего сжатия порошка, что позволяет получать равноплотные изделия. Гидростатическим прессованием можно получать детали с любым отношением высоты к толщине. Обеспечивается высокая равномерность плотности по объему, равномерная усадка, возможность прессования порошков без связок.. Высокая равноплотность объясняется значительным уменьшением сил трения (в 2,5...3,0 раза по сравнению с прессованием в жестких пресс-формах).
Энергетические затраты при гидростатическом прессовании складываются из затрат прессование порошка, а также на упругое сжатие рабо/чей жидкости, упругое расширение контейнера, трение в подвижных уплотнениях и др. Потери энергии достигают 50...70%.
Гидростатическое прессование производится в специальных камерах — гидростатах, которые являются сложным и дорогостоящим оборудованием. В качестве генератора высокого давления используют гидронасосы (давление до 500 МПа), гидрокомпрессоры (давление до 700 МПа) и мультипликаторы (давление до 1500 МПа). К рабочим камерам гидростатов предъявляются особые требования из соображений безопасности. Процесс имеет низкуюпроизводительность. Способ применим в мелкосерийном и серийномпроизводстве.
Гидродинамическое прессование - процесс, аналогичный гидростатическому прессованию, но происходящий при высоких скоростях нагружения. Принципиальная схема установки для гидродинамического прессования представлена на рис. 1.2.5. Установка состоит из толстостенного цилиндрического корпуса 6, который закрывается винтовым затвором 3. В затворе размещена зарядная камера с пороховым зарядом 4, капсюлем 2 и ударным механизмом 1. Продукты сгорания пороха, развивая в замкнутом объеме высокое давление, перемещают поршень 5, который сжимает рабочую жидкость и производит уплотнение давлением 1000 МПа. Гидродинамическое прессование применяется для изготовления изделий из труднодеформируемых материалов, например, из титана [9].
При газостатическом прессовании энергопередающей средой является инертный газ, например, гелий или аргон, помещенный в газовй автоклав. Способ дорогостоящий. Используется прессования труднодеформируемых хрупких порошковых материалов (керамических, ферритовых и др.) [11]. Для нагрева газа используются электропечи с нагревательными элементами из молибдена (нагрев до 1480 К) или из вольфрама (нагрев до температуры 2630 К). Порошок помещают в герметичную капсулу, изготовленную го стали, стекла или других материалов.
Расширить технологические возможности газостатического прессования порошковых заготовок позволяет эластичная среда [11]. Эластичная среда создает в прессуемом материале практически любые схемы напряженного и деформированного состояний Основными схемами эластостатического прессования являются раздача и обжим, представленные на рис. 1.2.6а и 1.2.66 соответственно.
Выбор метода изготовления пористых биметаллических зубчатых колес внутреннего зацепления
Системный подход широко используется для исследования экономических проблем [39,..., 41], решения задач управления сложными автоматическими устройствами [42,..., 44,], изучения возможных вариантов развития исторических и интеллектуальных процессов [45, 46] и т.п. Научно-технический прогноз системы оценок возможных целей, путей развития науки и техники, ожидаемых результатов научно-технического прогресса применен как исследовательский. При этом выявлены новые возможности и перспективы развития современных технологий. Системный подход в решении задач оптимизации технологических процессов обработки металлов давлением использовался в работах Тетерина Г.П. [47]. Значительный вклад в развитие теории оптимизации внесли работы Аксенова Л.Б. в области системного проектирования процессов штамповки [48].
С точки зрения «внутренних» проблем предприятия технология формообразования пористых зубчатых колес должна обеспечивать минимум издержек. Но в то же время изменчивость рыночной среды диктует необходимость гибкого подхода к проблеме издержек и качества. Существенной особенностью современного подхода к качеству является усиление роли потребителя при формировании требований к качественным характеристикам продукции. Для потребителя оптимальным является соотношение цена-качество [49]. Соотношение цена-качество принимаем в качестве целевой функции при выборе наилучшего метода формообразования биметаллических пористых зубчатых колес внутреннего зацепления.
Анализ научно-технической и патентной литературы показал, что потребительские свойства биметаллических пористых зубчатых колес предопределяют следующие показатели их качества: Fir - колебание измерительного межосевого расстояния за один оборотзубчатого колеса; Frr - радиальное биение зубчатого венца; Ra — высота микронеровностей поверхности зубьев; HV- твердость зубьев; т_1 - усталостная прочность зуба; сгиз - изгибная прочность зуба;
СТПР — прочность поверхности раздела рабочего слоя и основы; AG - относительный износ зубчатого колеса; РР - плотность зубьев; С - себестоимость изготовленных зубчатых колес.
Выбор предпочтительного варианта технологического процесса изготовления пористых зубчатых колес выполняем по комплексному критерию качества, построенному на основании частных критериев, характеризующих потребительские свойства биметаллических пористых зубчатых колес внутреннего зацепления. Формальным решением многокритериальной задачи является множество Парето, в котором на основе компромисса ищется оптимальное решение [48, 50].
Степень точности зубчатого венца, для исследуемого класса деталей, в соответствии с ГОСТ 1643-81 оценивается колебанием измерительного межосевого расстояния за один оборот зубчатого колеса Fir и радиальным биением зубчатого венца iv. Величина относительного износа зубчатого колеса AG характеризует его изностойкость. Как отмечалось в главе 1, пористые зубчатые колеса не предназначены для передачи значительных крутящих моментов. Поэтому критерий изгибная прочность Оиз считаем не основным. Поверхность раздела биметаллической пористой шестерни формируется на стадии изготовления заготовки под последующую операцию формообразования зубчатого профиля. При анализе способов формообразования зубьев прочность поверхности раздела апр считаем не основным критерием. От величины относительной плотности рабочего слоя
Рс и основы — существенно зависит на процесс объемного формообразованияРс зубчатого колеса. Однако — незначительно влияет на эксплуатационныеРр характеристики зубчатых колес. Данный критерий рассматриваем в качестве не основного. Себестоимость изготовленных зубчатых колес включает в себя производительность процесса, стоимость оборудования и инструмента, квалификацию рабочего, капитальные вложения и другие параметры. Данные параметры можно было рассматривать в качестве критериев исследуемыхтехнологий. Диапазон изменения основных критериев в номинальном инормированном видах представлен в табл. 2.2.1.
Зависимости основных критериев от методов формообразования пористых зубчатых колес представлены в табл. 2.2.2. Значения критериев показаны в номинальном виде.Эксперты установили связь между критериями и предложили граф связности критериев, показанный нарис 2.2.1.
Исследование энергосиловых параметров процесса накатывания зубьев на пористых биметаллических заготовках
Разработанные схемы измерения позволили одновременно фиксировать энергосиловые параметры процесса накатывания зубьев: осевое Ро, тангенциальное Рт усилия и крутящий момент М.
Запись результатов измерений осуществлялась на светолучевом осциллографе HI 15 с усилительной станцией ТА-5. Датчики сопротивления собраны по схеме полумоста. Тарировка цилиндрических месдоз проводилась образцовым динамометром ДС-30 кН, а кольцевых месдоз -ДС-150 кН. Тензодатчики имели базу 10..15 мм и сопротивление 120.. 150 Ом + 0,25%.
Точность экспериментальных исследований определяласьпогрешностью измерений фиксируемых параметров процесса. Ошибка однократного измерения исследуемой величины, наряду со статистической ошибкой многократных наблюдений, позволяет оценить уровень достоверности определяемых параметров. Погрешность определения искомой величины может быть определена как геометрическая сумма отдельных погрешностей составляющих элементов всей измерительной системы [51]. При этом погрешность регистрирующего элемента рассматривается как случайная величина [52]. Закон распределения ошибок принят нормальный. Предельная погрешность измеряемой величины находится из выражения:
На рис. 3.2.1 показаны зависимости осевого усилия PQ (а) и крутящегомомента Мкр (б) от относительной толщины hp/h и материала рабочего слояпористой биметаллической заготовки. Плотность исходных цилиндрическихзаготовок равнялась 0,83...0,90. Относительная толщина hp/h изменялась впределах 0,5...4,0. Материал основного слоя АНС 100.29.
Значительный интерес представляет связь составляющих усилия деформирования с единичным обжатием заготовки Si (рис. 3.2.2). Единичное обжатие заготовки изменялось в пределах от 0,01 мм до 0,08 мм. Эксперименты показали, что увеличение единичного обжатия вызывает рост энергосиловых параметров процесса. Причем в диапазоне единичного обжатия заготовки от 0,01 до 0,03 мм увеличение энергосиловых параметров составляет 5...7%. При единичном обжатии 0,08 мм/об усилие накатывания возрастает на 30...40%. Использование единичного обжатия менее 0,03 мм приводит к существенному снижению производительности процесса. Применение единичного обжатия заготовки более 0,07 мм способствует существенному росту энергосиловых параметров и, как следствие, значительному износу инструмента, преждевременному выходу его из строя.
Рекомендуемое единичное обжатие заготовки при формообразовании внутренних зубьев на пористых спеченных заготовках 0,04...0,07 мм.
Исследованию точности изготовленных зубчатых колес посвящен следующий раздел 3.3.Точность зубчатых венцов является одним из основных критериев характеризующих качество зубчатых колес. В соответствии с ГОСТ 1643-81 контроль зубчатых колес с модулем более 1 мм необходимо вести по следующим параметрам: радиальное биение зубчатого венца Frr и колебание измерительного межосевого расстояния за один оборот зубчатого колеса Fi". Показатели Frr и Fj" выявляют комплекс радиальных и тангенциальных погрешностей. Frr устанавливает тангенциальную составляющую кинематической погрешности зубчатого колеса. Контроль колебания измерительного межосевого расстояния Ft" позволяет наиболее полно определить радиальные составляющие погрешности зубчатой детали.
Измерение параметра Frr выполняли с помощью прибора Б-ЮМ, а параметра Fi" - на приборе БВ-5029.
Эксперимент проводился на заготовках с относительной плотностью 0,80...0,90. Модуль изготавливаемых зубчатых колес 1,0...2,0 мм. Влияние единичного обжатия S\ на точность изготовленных пористыхбиметаллических зубчатых венцов в зависимости от материала рабочего слоя показано на рис. 3.3.1 и 3.3.2. Результаты экспериментов по определению зависимости точности формообразованных профилей от относительнойтолщины рабочего слоя hp/hизображены нарис. 3.3.3 и 3.3.4.
Установлено, что относительная толщина рабочего слоя hp/h и относительная плотность 0 существенно влияютна параметры точности. Значения Fjr и F„. при Si = 0,08 мм на 60...70% выше, чем при Si = 0,02 мм.
Эксперименты показали, что точность зубчатых венцов накатанных на пористых биметаллических заготовках соответствуют 9... 10 степени точности по ГОСТ 1643-81, что отвечает требованиям, предъявляемым к черновой обработке зубчатых колес [53, 54]
На рис. 3.3.1...3.3.4 приведены также зависимости высоты микронеровностей поверхности накатанных зубьев от единичного обжатия, материала рабочего слоя и модуля зацепления. Методика исследования качества поверхности накатанных зубчатых профилей представлена в разделе 3.4.
Микрогеометрия поверхностного слоя представляет собой совокупность шероховатости, волнистости и макрооклонений формы. К макроотклонениям относятся единичные, нерегулярные отклонения реальной поверхности от номинальной: выпуклость; вогнутость; отдельные царапины; крупные следы, повторяющие профиль режущего инструмента. Волнистость представляет собой совокупность периодических, регулярно повторяющихся выступов и впадин, расстояние между которыми значительно больше высоты неровностей. Под шероховатостью понимается совокупность микронеровностей с относительно малым шагом, образующим рельеф поверхности [55].
Статистическая оценка качества опытных данных
Проверка однородности дисперсии осуществлялась по критерию Кохрена:со І - среднеквадратичное отклонение, со І = Д/67» У і max - максимальное значение наблюдения в /-ом опыте плана; Уіт\п- минимальное значение наблюдения в z-ом опыте плана. GKp - критическое значение параметра Кохрена (определяется по таблице [63]). Для v = 1 GKp = 0,967. Результаты вычислений по критерию Грубсса представлены в таблице 4.2.2.
Ошибочные данные в эксперименте не обнаружены, посколькувеличины опытных данных не превышают 0/ кр .
Для оценки области изменения функций откликов и необходимого числа - критерий Стьюдента, зависящий от доверительной вероятности pi и степени свободы системы V/ Доверительные интервалы функций откликов » , ... ,)г представлены в таблице 4.2.3. Значения функций откликов во всех опытах плана не выходят за рамки доверительного интервала.
На основании анализа опытных данных можно сделать вывод, что качество выборок является удовлетворительным и опытные данные могут быть использованы при построении статистических моделей технологических параметров холодного накатывания внутренних зубчатых профилей на биметаллических пористых заготовках. Построение моделей выполняется в следующем разделе.
Выбранный план эксперимента является симметричным. Поэтомупараметры Q моделей можно вычислять по формулам [64]: yig- результат наблюдения в / - ом опыте плана;N\ - количество опытов в плане, N\ = 24.Значения м.н.к.-оценок параметров Q моделей представлены в таблице Проверка адекватности построенных статистических моделей проводилась по критерию Фишера (F- критерию).гдеv - число степеней свободы, v = 10, для выбранных модели и плана; ?(У) дисперсия наблюдения;Fj - табличное значение критерия Фишера. Для выбранного плана и числа повторных наблюдений при уровне значимости 0,05, равняется Fj = 3,7 [65]. Значимость м.н.к.-оценок параметров моделей определяется по условию:гдеAQj - доверительный интервал оценки параметра Qj ;t - критерий Стьюдента, для выбранных моделей, плана и уровня значимости 0,05 t = 2,042.
Величины критерия Фишера F и доверительных интервалов м.н.к-оценок g параметров моделей представлены в таблице 4.4.1.
Проверка условия (4.4.2) показала, что малозначимыми являются следующие м.н.к.-оценки g параметров моделей:
В результате получаем следующие регрессионные модели энергосиловых параметров процесса, точности и качества поверхности зубчатых венцов.Относительное осевое усилие деформирования:Относительный крутящий момент шпинделя станка:
Статистические модели усилий деформирования, точности и качества поверхности накатанных биметаллических внутренних зубчатых венцов представляют собой полиномиальные модели второго порядка. Осевое усилие линейно зависит от упрочняемости материалов рабочего и основного слоев заготовки. На крутящий момент практически не влияет отношение показателей упрочнения материала рабочего Е2? и основного Е2с слоев материала заготовки. Однако данный параметр имеет корреляционную связь с величиной единичного обжатия S\ заготовки и относительной толщиной рабочего слоя h /h.
Корреляционная связь единичного обжатия S\ заготовки сотносительной плотностью 0р/Эс рабочего слоя наблюдается в моделях относительного радиального усилия деформирования, параметров точности и качества поверхности зубьев.
Функция радиального биения зубчатого венца нелинейная только по параметру относительной плотности рабочего слоя 0р/0с .Высота микронеровностей поверхности сформированных зубьев имеет нелинейную зависимость от относительного единичного обжатия.
Влияние парных эффектов взаимодействия комплексов —— и -г наблюдается в моделях крутящего момента и параметров точности зубчатого колеса.
В модели высоты микронеровностей поверхности сформированных зубьев отсутствует линейная зависимость по каждому из управляющих параметров. Параметры модели влияют только в парных взаимодействиях.
Качество построенных моделей оцениваем методами регрессионного анализа на основании анализа остатков и величин погрешностей моделей. Анализ остатков выполнялся графическим образом. Графики изменения остатков построенных моделей представлены нарис 4.4.1 ... 4.4.3.
Из графиков изменения остатков следует, что поведение остатков удовлетворительное: отсутствуют тренды и сдвиги уровня процессов, наличие выбросов не превышает 10%.Ay, - разность между значениями отклика в /-ой точке плана ивычисленными по модели, Ау(= \г\і-Уі\.Относительную погрешность моделей вычисляем по формуле [70]:Относительная максимальная погрешность равняется:Среднеквадратичное отклонение:
Статистические характеристики и погрешности регрессионных моделей составляющих усилия деформирования и качества зубчатых профилей внутреннего зацепления, накатанных на биметаллических заготовках, представлены в таблице 4.4.2.
Анализ таблиц 4.4.1 и 4.4.2 показал, что построенные модели удовлетворяют критерию Фишера и, следовательно, являются адекватными. Погрешности моделей не превышают принятого допустимого значения 15%.
На основании регрессионного анализа разработанных статистических моделей энергосиловых параметров процесса и качества зубчатых профилей внутреннего зацепления, накатанных на биметаллических заготовках, можно сделать вывод, что модели удовлетворительно описывают поведение технологических параметров и могут быть использованы при проектировании технологического процесса.
На основании регрессионного анализа разработанных статистических моделей энергосиловых параметров процесса и качества зубчатых профилей внутреннего зацепления, накатанных на биметаллических заготовках, можно сделать вывод, что модели удовлетворительно описывают поведение технологических параметров и могут быть использованы при проектировании технологического процесса.
Построенные статистические модели усилий деформирования, точности и качества поверхности накатанных биметаллических внутренних зубчатых венцов представляют собой полиномиальные модели второго порядка. Модели адекватны. Погрешности моделей не превышают принятого допустимого значения 15%.
