Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1 Схемы нарезания глобоидных червяков 9
1.2. Характеристика инструментов для нарезания глобоидных червяков и способов их обработки 12
1.2.1. Цельные обкаточные резцы 12
1.2.2. Сборные резцовые головки 20
1.2.3. Круговые протяжки 26
1.2.4 Измерения и контроль глобоидных червяков 31
Глава 2. Геометрические основы проектирования инструмента для обработки рабочих поверхностей глобоидных червяков 37
2.1. Аналитическое описание процесса формообразования поверхности глобоидного червяка с дуговым профилем осевого сечения 37
2.2. Определение режущей кромки инструмента при различных формах его передней поверхности 45
2.3. Формообразование задней поверхности инструмента 52
2.4. Результаты расчета геометрических параметров резцов для нарезания глобоидного червяка рулевого механизма автомобиля ВАЗ 56
Глава 3. Конструкции сборных инструментов -резцовых головок для нарезания глобоидных червяков 61
3.1. Технические требования к конструкциям инструментов 61
3.2.Описание конструкций резцовых головок 62
3.3 Сборка резцовых головок 64
3.4 Заточка и переточка сменных режущих элементов 67
Глава 4. Разработка методики измерений рабочих поверхностей глобоидных червяков на трехкоординатной измерительной машине 70
4.1. Схема алгоритма измерений рабочих поверхностей глобоидных червяков 79
4.2. Структурная схема измерений рабочих поверхностей глобоидных червяков 81
Основные результаты и выводы 82
Список использованных источников 85
Приложение 97
- Характеристика инструментов для нарезания глобоидных червяков и способов их обработки
- Определение режущей кромки инструмента при различных формах его передней поверхности
- Заточка и переточка сменных режущих элементов
- Структурная схема измерений рабочих поверхностей глобоидных червяков
Введение к работе
Современное машиностроительное производство в зависимости от размеров серии выпускаемой продукции принято делить в основном на два различающихся вида: серийное и массовое. Если до недавнего времени граница между этими двумя видами производства была чёткой, то теперь она начинает стираться. Расширение номенклатуры выпускаемой продукции постепенно распространяется на массовое производство, где на основе базовой модели выпускаются многочисленные модификации. Для такого производства характерно постоянное усовершенствование конструкции узлов, уменьшение серийности, увеличение номенклатуры, частая смена изделий.
Переход к рыночным отношениям в экономике страны определил два противоречивых требования к производству: с одной стороны - сокращение сроков подготовки и выпуска, а также серийности продукции, а с другой - снижение трудоёмкости изготовления и стоимости при высоком качестве изделий.
Чтобы удовлетворить этим противоречивым требованиям, необходимо чтобы производство обладало рядом определённых свойств: 1. Гибкость и маневренность, то есть способность быстро перестраиваться на выпуск новой продукции. При этом предусматривается использование универсального оборудования и унифицированной оснастки, что позволит отрабатывать заранее планируемые ситуации, быстро переходить на изготовление новой продукции.
2. Высокий технический уровень и инженерную подготовку производства,
включая компьютерную поддержку, что позволит выпускать изделия высокого качества, большой надёжности и ресурса.
3. Экономичность, обеспечивающую приемлемую для рынка цену продукции и
минимальные затраты на её изготовление.
Эффективность такого производства во многом будет определяться качеством металлорежущего инструмента. Он оказывает значительное влияние на совершенство технологии механической обработки
В предлагаемой работе на основании анализа геометрических моделей и их компьютерной обработки разработан инструментальный комплекс для обработки и контроля рабочих поверхностей глобоидных червяков в условиях ме-ханообрабатывающего производства с широкой и постоянно обновляемой номенклатурой выпускаемой продукции: - от изготовления индивидуальных изделий до серийного и массового производства.
Для передачи движения между непересекающимися осями валов, расположенными под углом 90, при необходимости получения больших передаточных чисел используются червячные глобоидные передачи. Их преимущества заключаются в компактности, плавности и бесшумности в работе. В отличие от обычной червячной пары, у которой в сечении, проходящем через ось червяка и центр колеса, зацепление представляет собой рейку и шестерню, у глобоидной червячной пары в том же сечении, витки
6 червяка охватывают колесо по радиусу. При этом эффективная контактная
поверхность при одинаковых окружных усилиях увеличивается, а давление на единицу контактной поверхности витка уменьшается. По этой причине при тех же основных размерах глобоидная пара способна передавать большую мощность. У различных модификаций глобоидных червячных передач профиль витка червяка в осевом сечении может быть линейчатым (прямобоким) или нелинейчатым (криволинейным).
Передачи с линейчатым профилем витка получили распространение в механизмах грузоподъемных машин: в приводах лебедок, лифтов, конвейеров [3,4,20,22,24,27,28,74]. Передачи с нелинейчатым профилем гло-боидного червяка в осевом сечении нашли применение в механизмах рулевых управлений автомобилей и других транспортных машин. К механизмам этого типа предъявляются требования, вытекающие из условий эксплуатации автомобилей и погрузчиков: лёгкость управления, стабилизация управляемых колёс, коэффициент обратимости и другие [13,34, 36,38,40,44,51,71].
Нарезание глобоидных червяков в условиях крупносерийного и массового производства осуществляется на специальных станках с применением сложных и дорогостоящих режущих инструментов - обкаточных резцов, многорезцовых головок и круговых протяжек. Сложная конструкция этих инструментов, несовершенные методы их проектирования, высо-
7 кая трудоемкость изготовления с применением уникального высокоточного оборудования резко снижают технологическую гибкость участков по изготовлению глобоидных червяков, делая невозможным осуществление новых конструктивных по этой передаче. Это во многом объясняется тем, что даже небольшие изменения в конструкции глобоидной пары требуют применения нового инструмента и конструкторско-технологической подготовки инструментального производства. Переход на выпуск инструментов прогрессивных конструкций требует значительной перестройки инструментального производства и, в первую очередь, осуществления его конструкторско-технологической подготовки, одним из главных элементов которой является разработка методов формообразования его режущей части, методик расчета его геометрии, и наладочных параметров заточного оборудования.
Несмотря на то, что процессы металлообработки постоянно совершенствуются, процесс обработки глобоидных червяков за последние 60-70 лет не претерпел существенного изменения [22,23,24,27,39, 50,68,74]. Внедрение на участках промышленных предприятий современных высокопроизводительных станков с ЧПУ, имеющих высокую статическую и динамическую жесткость, точное срабатывание систем и механизмов и высокую мощность приводов расширяют их технологические возможности.
8 Однако возможности современных станков на отечественных промышленных предприятиях остаются нереализованными из-за отсутствия комплексного подхода к формообразованию сложных поверхностей деталей машин как к системе на следующих уровнях:
технологической подготовки - проектирования, конструирования и изготовления инструментов и оснастки;
измерения и контроля;
рационального использования инструментов.
Решение этих задач позволит резко снизить затраты на подготовку производства и откроет возможность изготовления червяков в условиях механического цеха среднего машиностроительного завода. При таком подходе возможна организация специализированных предприятий по проектированию, изготовлению и ремонту всевозможных механизмов с гло-боидными червяками. В этом случае возможно значительное улучшение качества таких механизмов за счёт более тщательного изготовления отдельных деталей, сборки и контроля, что весьма затруднительно, а часто невозможно в условиях крупносерийного и массового производства.
Характеристика инструментов для нарезания глобоидных червяков и способов их обработки
Цельные обкаточные резцы наиболее часто применяются в автомобильной промышленности при нарезании глобоидных червяков рулевых механизмов [12,24,39,63,74]. Несмотря на некоторые конструктивные отличия, все механизмы этого типа объединяет одна и та же схема зацепления глобоидного червяка с роликом вала сошки, показанная на рисунке 4. Re - радиус вращения вала сошки. h - величина смещения центров делительной окружности червяка и вертикальной оси вала сошки. е - вертикальное смещение оси ролика вала сошки относительно осевой плоскости червяка. Профиль витков этих червяков в осевом сечении описан дугой окружности [34,38,40,51,63,71,74]. Обработка поверхностей глобоидных червяков такого типа производится на специальном оборудовании специальными инструментами - обкаточными резцами. Конструкции этих резцов, показанных на рисунке 5 и рисунке 6, аналогичны зуборезным долбякам для обработки косозубых цилиндрических зубчатых колёс. При нарезании червяка резец вращается согласованно с заготовкой и непрерывно перемещается в радиальном направлении, пока не достигнет заданного межосевого расстояния в станочном зацеплении, координатная модель которого представлена на рисунке 9. Его режущие кромки располагаются в осевом сечении заготовки червяка. Так как угол подъема витка глобоидного червяка измеряется не только по высоте его профиля, но и по длине, то условия резания непрерывно меняются в процессе обработки.
В связи с этим резец работает в тяжелых условиях, что плохо влияет на его стойкость и отрицательно сказывается на обрабатываемой поверхности червяка. На ОАО ГАЗ и на московском автозаводе ЗИЛ для уменьшения нагрузки на инструмент червяки нарезаются в два прохода двумя обкаточными резцами черновым и чистовым [24,39,63,74]. Черновой резец, упрощенный чертеж которого представлен на рисунке 5, снимает основную массу металла, предварительно формирует поверхности правой и левой сторон витка червяка, оставляя припуск на чистовую обработку. Для уменьшения трения об обработанную поверхность у чернового резца предусмотрен задний угол (X на вершинной кромке. Таким образом, черновой резец имеет форму конуса с малым, около 8, наклоном образующей. При регулярных переточках такого резца по передней поверхности его диаметр уменьшается, вызывая тем самым уменьшение глубины нарезки и нарушение геометрии профиля витков червяка. Это приводит также к неравномерности распределения припуска под чистовое нарезание. Черновая обработка профиля червяка резцом с нулевым значением заднего угла и получение его за счёт смещения инструмента ниже оси заготовки червяка, приводит к значительному увеличению усилий резания. При этом уменьшение переднего угла резко повышает вероятность выкрашивания режущей кромки [25,39,66]. Чистовой резец, упрощенный чертеж которого представлен на рисунке 6, окончательно формирует профиль витка червяка на полную глубину. С целью сохранения профиля при переточках, такой резец, в отличие от чернового, имеет цилиндрическую форму задней поверхности.
Минимальный задний угол на вершинах зубьев обеспечивается за счёт небольшого, порядка 1..1,5 мм, смещения торца инструмента относительно осевого сечения заготовки червяка при наладке станка. При цилиндрической форме задней поверхности переточка, которая осуществляется в данном случае по передней поверхности, не изменяет наружнии диаметр резца и не сказывается отрицательно на глубине профиля. Возникающее при смещении резца уменьшение переднего угла лишь незначительно увеличивает нагрузку на режущие кромки из-за малого припуска после чернового нарезания. Однако такой резец не может обеспечить требуемую шероховатость обрабатываемой поверхности по двум взаимосвязанным причинам: 1. малый припуск на отдельных участках профиля витка затрудняет срезание стружки, так как его величина становится соизмеримой с радиусом округления режущей кромки; 2. увеличение припуска невозможно из-за слишком малой величины заднего угла и повышенного трения в зоне резания [24,66].
Определение режущей кромки инструмента при различных формах его передней поверхности
Режущая кромка, формирующая поверхность витка червяка, представляет собой пространственную кривую, образованную пересечением винтовой поверхности червяка с передней поверхностью инструмента. Поэтому любая точка режущей кромки принадлежит и винтовой поверхности червяка, и передней поверхности инструмента. Геометрические параметры, а также форма передней поверхности оказывают существенное влияние на производительность обработки, шероховатость обработанной поверхности, усилия резания, стойкость инструмента. Оптимизация характеристик передней поверхности формообразующего инструмента открывает возможность значительно улучшить экономические показатели процесса резания. На рисунках 12 и 13 представлено три варианта формы передней поверхности резцов и ориентация режущего клина во впадине обрабатываемого червяка. Положения пространственных систем координат однозначно соответствуют схеме нарезания правозаходного червяка, представленной на рисунке 9.
Ниже приводится вывод уравнений передней поверхности для каждого варианта. X — угловой параметр наладки, определяющий положение передней поверхности относительно оси заготовки нарезаемого червяка. С — линейная величина, смещения передней поверхности от оси заготовки нарезаемого червяка. у — передний угол инструмента. Передняя поверхность резца плоская (рисунок 12а). Такой вариант соответствует случаю нарезания червяка одним двухсторонним резцом. При этом положение плоскости передней поверхности характеризуется углом х, принимающим значения, близкие к углу наклона витка червяка на расчётном диаметре и линейной величиной С смещения с оси вращения заготовки червяка. При этом величины % и С рассматриваются как параметры, влияющие на геометрию режущей кромки и величины передних и задних углов во всех её точках. На основании [8,11] уравнение плоской передней поверхности в системе XjYiZi запишется в виде: Передняя поверхность плоская. Однако здесь нарезание червяка осуществляется двумя односторонними резцами, каждый из которых формирует только одну сторону витка с положительными передними углами у, как показано на рисунках 126 и 12в. Этот вариант обработки межзубцовых впадин червяка обеспечивает разделение периметра срезаемой стружки, способствует лёгкому её отводу от режущих кромок, снижает усилия резания и вероятность возникновения вибраций. В этом варианте уравнения передних поверхностей в системе XjYiZi, связанной с нарезаемым червяком, представятся в следующем виде: Для резца, формирующего левую сторону витка: Для резца, формирующего правую сторону витка: Передняя поверхность вогнутая. Здесь в качестве образующей кривой взята окружность радиуса Rf, лежащая в плоскости OjX i. Такая форма передней поверхности хорошо зарекомендовала себя на червячных фрезах при нарезании цилиндрических зубчатых колес [10]. Взаимное расположение заготовки нарезаемого червяка и резца с вогнутой передней поверхностью для этого варианта показано на рисунке 13. Положение пространственных систем координат, как и в предыдущих случаях, соответствуют схеме формообразования червяка, изображенной на рисунке 9. Согласно рисунку 13, параметрические уравнения цилиндра радиуса Rf в системе XCYCZC будут иметь вид:
Заточка и переточка сменных режущих элементов
Резцы, устанавливаемые в корпус резцовой головки, должны иметь одинаковые геометрические параметры.
Этого можно добиться только при групповой заточке их в специальных приспособлениях. Для такой заточки используются многоместные приспособления, в которых закрепляется весь комплект резцов. Заточку необходимо производить на модернизированных универсально-заточных или круглошлифо-вальных станках. Схема заточки показаны на рисунке 14.
Передняя поверхность резцов затачивается и доводится при изготовлении; в дальнейшем обработке не подвергается. Необходимости в переточке передней поверхности нет, так как износ по ней практически отсутствует. 2.3аточка и переточка резцов осуществляется по задней поверхности, по которой происходит износ. Величина износа по длине мало влияет на толщину слоя, снимаемого при заточке, которая очень мала. Так, при заднем угле при вершине резца 12 для удаления износа около 2мм потребовалось снять всего 0,06 мм. 3.Заточка резцов в многоместных приспособлениях увеличивает производительность процесса и позволяет получать инструменты высокого качества с одинаковой геометрией режущей части
Для заточки используются шлифовальные круги из электрокорунда белого марки 24А, зернистостью25, твердостью СМ1 или СМ2 на керамической связке при скорости круга около 35 м/сек.
При заточке боковых и вершинных задних поверхностей резец закрепляется в приспособлении с упором в базовую лыску. Такое базирование обеспечивает правильность расположения режущих кромок относительно производящей поверхности шлифовального круга, идентичность профилей затачиваемых резцов и сборку головки с выверкой вершин резцов по индикатору. Ошибки изготовления элементов глобоидной пары оказывают значительное влияние на кинематику передачи и её характеристики: кпд, передаваемая мощность, ресурс работы и т.д.
При сборке передач с глобоидным червяком в любом масштабе производства монтаж червяка и других деталей производится в ограниченных габаритах внутри корпуса, что не позволяет производить измерения непосредственно во время выполнения операции.
Поэтому требуется особенная тщательность в контроле геометрии от-дельных деталей червячной пары на этапе изготовления. Наиболее сложной деталью червячной пары является глобоидный червяк. На стадии изготовления червяков особенно важно знать и быстро оценивать характер и особенности их рабочих и опорных поверхностей.
Недостаточное обеспечение контрольно-измерительным оборудованием является одним из слабых мест в производстве механизмов с глобоидным червяками. Существующие в настоящее время системы и методы контроля [24,28,74] достаточно сложны и проводятся с использованием узкоспециальных измерительных приборов и устройств.
На этапе отработки технологии, когда необходимо детальное знание искажений геометрии червяка, вносимых технологическим процессом, весьма эффективным оказывается использование для этих целей 3-х координатной измерительной машины (КИМ).
Работа КИМ основана на поочередном измерении координат определенного числа точек на поверхностях измеряемой детали и последующих расчетов отклонений размеров, формы и расположения этих поверхностей [19,77,78].
При отработке методики контроля геометрических параметров в качестве объекта использовался глобоидный червяк рулевого механизма автомобиля ВАЗ, изображенный на рисунке 20.
При осуществлении измерений с использованием КИМ необходимо рас считывать точки встречи измерительного зонда с поверхностью и определение нормалей к измеряемой поверхности, по которым требуется подводить измерительный зонд к точке встречи.
Для этого необходимо создать математическую модель измеряемых поверхностей в единой системе координат. Рис. 21. Метрологические системы координат и измеряемые поверхности
Для измерений червяка была создана модель, представленная на рисунке 21, включающая в себя рабочую винтовую поверхность червяка и торовые поверхности дорожек качения.
Структурная схема измерений рабочих поверхностей глобоидных червяков
Выявлены аналитические зависимости, связывающие геометрические параметры глобоидных червяков и режущей части инструмента при различных ее положениях относительно нарезаемой заготовки, а также параметров наладок заточного оборудования при различной форме режущей части инструмента.
Разработаны алгоритм и программа расчета профилей резцов с различными геометрическими характеристиками режущей части для обработки глобоидных червяков различных типов.
Применение созданного математического аппарата формообразования винтовых глобоидных поверхностей делает доступным проектирование и изготовление инструментов для глобоидных червяков на широко распространенном универсальном оборудовании.
Теоретически обоснована целесообразность изготовления глобоидных червяков в условиях многономенклатурного производства сборным инструментом с цилиндрическими вставными резцами.
Спроектированы и изготовлены сборные инструменты и необходимая оснастка для промышленной реализации нарезания глобоидных червяков с дуговым профилем осевого сечения. Индивидуальный и групповой методы заточки сменных режущих элементов не вызывают сложностей, не требуют специального оборудования и дают возможность осуществлять оптимальную схему резания.
Разработаны методика и программное обеспечение для измерения и комплексного контроля геометрических параметров глобоидных червяков на трехкоординатной измерительной машине.
Технология формообразования винтовых поверхностей глобоидных червяков рулевого механизма с дуговым профилем осевого сечения реализована на широкоуниверсальном резьбошлицефрезерном станке HEKERT.
При обработке заготовок червяков из стали 18ХГТ (исходная твердость НВ 215..220) черновым сборным инструментом при скорости резания 35 м/мин, подаче S= 0.038 мм/резец и использовании в качестве СОЖ индустриального масла И40 его стойкость составила около 1100 деталей.
Стойкость чернового инструмента лимитировалась износом задних поверхностей резцов (материал — сталь Р6М5) при вершинных кромках, порядка 0,6 мм. Процесс стружкообразования протекал с четким разделением стружечных потоков от режущих кромок. Отсутствовала заметная вибрация технологической системы. Процесс резания был устойчив, крепление резцов надежное.
Чистовой инструмент при износе резцов по боковым задним поверхностям до 0,45 мм допускал 10... 15 переточек. Качество обработки червяков соответствовало требованиям чертежа.
Проверка характеристик зацепления изготовленных червяков с роликом вала сошки рулевого механизма по плавности перемещения, распределе нию зазора в секторе рабочего угла и пятну контакта подтвердили правильность геометрических моделей.
Положительные результаты, полученные при обработке нескольких партий червяков рулевого механизма, послужили основанием для использования разработанных методик расчета геометрических характеристик инструментов и измерений в производственных условиях Саратовского электроагрегатного производственного объединения и Саратовского завода строительных машин.
Похожие диссертации на Геометрическое и компьютерное моделирование формообразования и контроля рабочих поверхностей глобоидных червяков
