На правах рукописи

Кондрашов Алексей Геннадьевич ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ОБРАБОТКИ ФАСОК НА ТОРЦАХ ЗУБЬЕВ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС НА ОСНОВЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЗУБОФАСОЧНОГО ИНСТРУМЕНТА 05.03.01 - "Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Набережные Челны - 2008

Работа выполнена на кафедре "Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты" Камской государственной инженерно-экономической академии.

Научный консультант: доктор технических наук, доцент Н.А. Чемборисов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Ю.Е. Петухов кандидат технических наук, профессор В.А. Михайлов

Ведущая организация: ОАО Автомобильный завод Урал, г. Миасс.

Защита состоится _ 2008 г. В _часов минут на заседании диссертационного совета Д 212.142.01 при ГОУ ВПО Московский государственный технологический университет СТАНКИН по адресу:

127994, г. Москва, ГСП-4, Вадковский пер., 3-А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московский государственный технологический университет СТАНКИН.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью организации, просим направлять в диссертационный совет по адресу: 127994, г.

Москва, ГСП-4, Вадковский пер., 3-А.

Автореферат разослан 2008 г.

Ученый секретарь кандидат технических наук диссертационного совета Волосова М.А.

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Зубчатые передачи получили широкое распространение практически во всех областях техники. Они применяются в автомобилестроении, станкостроении и приборостроении. Немаловажное значение в вопросах обработки зубчатых колес имеет снятие фасок и заусенцев на торцах зубьев.

Необходимость данной операции вызвана следующими причинами. В процессе зубонарезания при выходе инструмента из зоны резания на торцах зубчатого колеса образуются острые кромки и заусенцы. При эксплуатации в результате скола острых кромок может произойти поломка зубьев, а во время транспортировки при случайных ударах образуются забоины, которые приводят к выдавливанию материала на рабочую боковую поверхность зубьев и тем самым вызывают вибрацию зубчатой передачи. Кроме этого, зубчатые передачи, состоящие из колес с острыми кромками на торцах более чувствительны к погрешностям сборки, и возникновению кромочного контакта.

Одним из наиболее распространенных способов для снятия фасок является обработка одновитковыми червячными фрезами. Благодаря непрерывности процесса обработки они обладают высокой производительностью. Данные фрезы применяют для обработки косозубых и цилиндрических и конических колес.

В условиях современного производства и постоянно сокращающегося жизненного цикла продукта все более важную роль играет скорость подготовки производства. Это относится и к зубчатым передачам, одной из составляющих подготовки производства которых, является проектирование и изготовление зубофасочных инструментов и наладка оборудования.

Исходя из вышеизложенного, разработка нового метода расчета зубофасочного инструмента, моделирование обработки и объединение проектного расчета с компьютерным моделированием процесса образования фасок является актуальной задачей.

Цель работы: повышение геометрической точности обработки фасок на торцах зубьев цилиндрических зубчатых колес наружного зацепления на основе развития метода проектирования червячной одновитковой фрезы.

Задачи работы:

1. Теоретический анализ процесса формообразования фасок червячной одновитковой фрезой;

2. Совершенствование метода проектирования червячных одновитковых фрез;

3. Разработка конструкций фрез и способов обработки фасок различных форм;

4. Вывод зависимостей между параметрами профиля инструмента, параметрами его установки относительно заготовки и параметрами получаемого профиля изделия;

5. Реализация проектного расчета и решения обратной задачи в виде прикладных компьютерных программ;

6. Экспериментальное подтверждение адекватности математических зависимостей результатам обработки.

Научная новизна заключается:

- в математических зависимостях, учитывающих геометрические параметры обрабатываемого зубчатого колеса, определяющих угловое положение торцовых профилей его зубьев и обеспечивающих симметричное относительно базовой плоскости, расположение фасок противоположных торцев зубьев обрабатываемого зубчатого колеса;

- в математических зависимостях, учитывающих взаимное расположение червячной одновитковой зубофасочной фрезы и обрабатываемого зубчатого колеса и определяющих профиль зубьев инструмента.

Практическое значение работы заключается:

- В рекомендациях по расчету инструмента, обеспечивающего получение требуемых фасок на обоих торцах заготовки.

- В пакете прикладных программ объединяющих проектный расчет инструмента с моделированием обработки.

- В конструкциях червячных одновитковых фрез для обработки фасок различных форм.

Реализация результатов работы: Результаты работы в виде методов и пакета прикладных программ внедрены в РУП Витебский станкостроительный завод ВИСТАН, департамент главного технолога ОАО КАМАЗ, ОАО КАМАЗинструментспецмаш, ГОУ ВПО ИНЭКА.

Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на НПК Вузовская наука - России (г. Набережные Челны, 2005), МНТК Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии (г. Липецк, 2006), МНТК Проблемы формообразования деталей при обработке резанием (г. Тула, 2007), МНТК Научная сессия ученых АГНИ (г. Альметьевск, 2007).

В полном объеме диссертация докладывалась на расширенных заседаниях кафедры ТМ, МСиИ ГОУ ВПО ИНЭКА; Технология производства двигателей КГТУ им. Туполева; ИТиТФ МГТУ СТАНКИН.

Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 10 научных работах, из них 2 патента, 3 статьи и 5 докладов в сборниках трудов конференций, в которых отражены основные положения диссертации.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы из 63 наименований и приложений. Материал изложен на 102 страницах машинописного текста, содержит 52 рисунка, 11 таблиц и 25 страниц приложений. Общий объем работы 127 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, дается ее общая характеристика, определяется научное и практическое значение решаемой проблемы.

В первой главе рассмотрено современное состояние и тенденции развития методов образования фасок на торцах зубьев зубчатых колес.

Рассмотрены конструкции зубофасочных инструментов и методы их проектирования. Выполнен анализ и показаны недостатки известных методов обработки, а также методов проектирования инструмента, исходя из которых сформулированы цель, задачи и научная новизна.

Вопросам обработки фасок на торцах зубьев и проектированию зубофасочного инструмента посвящены работы отечественных ученых Б.А. Тайца, А.С. Калашникова, И.А. Ординарцева, И.Е. Бурштейна, И.А. Коганова, В.П. Морозовой, Г.Н. Сахарова, Г.Н. Кирсанова, а также зарубежных авторов U. Tomei, A. Wolff, J.L. Arvin, H. Loos.

Большинство современных способов обработки фасок на торцах зубьев обладает невысокой производительностью. Исключение составляет накатывание фасок зубофасочными накатными головками и обработка червячными фрезами. К недостаткам накатывания фасок следует отнести тот факт, что выдавливание материала осуществляется не только на торец, но и на боковую поверхность зуба. Как следствие данный метод не применим после чистовой обработки. Также пластическое деформирование приводит к изменению структуры материала заготовки, что не всегда допускается технологией изготовления зубчатого колеса.

Обработка фасок на торцах зубьев червячными одновитковыми фрезами является производительным способом, лишенным большинства недостатков присущих другим способам. В настоящее время данный способ применяется только для образования фасок на торцах зубьев косозубых колес. Остается непроработанным вопрос применения данного способа для обработки прямозубых колес. Кроме этого метод проектирования червячных одновитковых фрез построен на очень упрощенной модели обработки. Это приводит к тому, что спроектированные фрезы не обеспечивают надлежащего качества обработки. Полученные на торцах зубьев фаски, как правило, не идентичны на обоих торцах и имеют неоптимальную форму. Кроме этого, отсутствие строгой математической модели процесса обработки затрудняет подбор инструмента, тем самым, усложняя технологическую подготовку производства, и увеличивая ее сроки.

На основе анализа литературы сформулирована цель, задачи работы и научная новизна.

Вторая глава посвящена теоретическим аспектам процесса формообразования фаски червяной одновитковой фрезой. Здесь же рассмотрен выбор параметров установки инструмента относительно заготовки и их влияние на профиль инструмента.

При образовании фаски каждый зуб фрезы снимает часть припуска в виде стружки. Данные фрезы работают по методу копирования и окончательно формируют профиль фаски своим последним зубом.

Рис. 1. Схема определения расчетного шага (а) и расчетного угла профиля (б) В работе предложено такое размещение инструмента и заготовки, которое обеспечивает идентичные условия обработки на разных торцах (рис. 1, а). Указанное условие обеспечивается за счет установки начального положения верхнего торцового профиля зуба под углом к базовой плоскости:

B = + KНАПР / 2, В где - угловой шаг зубьев заготовки; KНАПР - коэффициент направления зубьев заготовки; - угол между ближайшими торцовыми профилями, 2 B tg = - ; B - ширина заготовки; - угол наклона зубьев заготовки.

D Для расчета профиля вводятся дополнительные параметры: расчетные угол профиля и шаг PРАСЧ зубьев заготовки (рис. 1, б, в). Данные РАСЧ параметры зависят от положения обрабатываемых профилей в наладке:

= + KНАПР ( - ) РАСЧ ТР В PРАСЧ = pb cos + y sin, РАСЧ где - угол профиля заменяющей трапеции; pb - основной шаг зубьев ТР заготовки;, y - вспомогательные величины.

Для различных положений в наладке и шаг PРАСЧ будут иметь РАСЧ разные значения, тем самым будут различаться и параметры профиля фрезы.

В третьей главе приводится метод проектирования червячных одновитковых фрез для снятия фасок. Метод включает определение вспомогательных и наладочных параметров, и расчет профиля инструмента.

Исходными данными для расчета являются: модуль, число зубьев, угол профиля, угол и направление наклона зубьев, толщина зуба по дуге делительной окружности, диаметры вершин зубьев и начала фаски, а также линейный размер фаски.

На этапе определения вспомогательных параметров, определяется профиль зубьев в торцовом сечении и угол профиля заменяющей трапеции:

Sн.ф.

- Sa = arctg, ТР h где S, S - толщина зуба заготовки на диаметрах вершин и начала фаски, н.ф. a h - высота зуба заготовки.

Кроме этого, на этом же этапе определяются такие параметры как расчетный шаг P, и расчетный угол профиля - условные параметры РАСЧ РАСЧ отражающие модель зацепления одновитковой фрезы и заготовки.

Положение верхнего и нижнего торцовых профилей в начале обработки и определяется зависимостями, вывод которых приводится во второй B H главе. Также наладочные параметры включают межосевое расстояние a и w расстояние от вершины первого зуба фрезы до базовой плоскости x.

нач.

Межосевое расстояние рассчитывается по следующей зависимости:

Dн.ф. + da0 cos НАЧ aw =, где - угол между передней поверхностью зуба фрезы и торцом заготовки НАЧ в начале обработки.

Расстояния до базовой плоскости для верхней и нижней фрез определяются следующими зависимостями (рис. 2):

Рис. 2. Схема определения положения вершины зуба фрезы D н.ф.

x = sin ( - ) - для верхнего торца левого колеса и для нач. В н.ф.

нижнего торца правого колеса, D a.

x = sin( + )+ h tg - для нижнего торца левого колеса нач. В a x РАСЧ и для верхнего торца левого колеса, где, - угловая толщина зуба на диаметре начала фаски и вершин.

н.ф. a Параметры профиля инструмента включают углы профиля боковых сторон зубьев, осевой шаг и угол подъема винтовой линии. Угол профиля для каждой стороны зуба определяется по следующей зависимости (рис. 3):

h tg la РАСЧ = arctg, h0 min la - величина, на которую переместится точка на вершине зуба заготовки за время обработки одним зубом фрезы, h0min - минимальная высота профиля зуба фрезы, знак л+ или - в указанной зависимости выбирается по таблице 1.

Табл. Фреза верхняя Фреза нижняя Правая сторона зуба л+ - Левая сторона зуба - л+ Рис. 3. Расчетная схема для определения углов профиля фрезы Осевой шаг для нижней и верхней фрезы определяется по следующей зависимости:

P = P K f, 0 В,Н РАСЧ НАПР где f - линейный размер фаски.

Четвертая глава посвящена разработке конструкций червячных одновитковых фрез и способов обработки фасок различных форм..

В работе предложена червячная одновитковая фреза (рис. 4) каждый зуб которой имеет не одну, а две главных режущих кромки на обеих боковых сторонах зуба. Толщина зубьев фрезы выполнена переменной, с увеличением от первого зуба к последнему. При этом осевой шаг зубьев фрезы, измеряемый между центральными линиями зубьев равен окружному делительному шагу заготовки. Достигаемый результат: возможность двухсторонней обработки фасок, т.е. снятие фасок с обеих сторон зубьев. На конструкцию фрезы получен патент РФ № 50140.

Рис. 4. Червячная одновитковая фреза для снятия фасок на торцах зубьев прямозубых зубчатых колес Также в работе предложены сборные конструкции червячных одновитковых фрез. Червячная одновитковая фреза для обработки скоса на зубьях статора и обода маховика двигателя (рис. 5, а) - патент РФ 58416. В данной фрезе применяются треугольные твердосплавные пластины, крепящиеся при помощи клиньев. Червячная одновитковая фреза для снятия фасок (рис. 5, б) - патент РФ 70474. Фреза содержит ромбические пластины, закрепленные винтами, ее особенность тангенциальное размещение пластин.