Основы высокоэффективн ой технологии изготовления цилиндрических зубчатых колес

Вид материала

Автореферат

Содержание Официальные оппоненты Ведущая организация Общая характеристика работы Содержание диссертации S – периодическая подача, a-величина упругого вдавливания инструмента Рис. 6. Точечные диаграммы колебания радиального биения Frr Рис. 7. Концептуальная схема проектирования процесса В четвертой главе изложены основы повышения эффективности финишной обработки зубчатых колес высокой твердости. Рис. 11. Моделирование электрического поля между зубчатыми электродами Рис. 12. Схема способа чистовой обработки цилиндрических зубчатых колес Рис. 17. Структурная схема специализированной САПР Рис. 19.  Опытно-промышленная установка для финишной электрохимической обработки внутренних зубьев закаленных цилиндрических кол Рис. 20. Коронная шестерня Т25-1901011 Рис. 21. Зубчатый хон

Подобный материал:

• Нормирование точности зубчатых колес, 105.1kb.
• Разработка технологии изготовления индивидуального зуборезного инструмента для мелкомодульных, 266.32kb.
• Гост 11902-77. Головки зуборезные для конических и гипоидных зубчатых колес с круговыми, 13.3kb.
• Программные средства компьютерного проектирования зубчатых передач в обобщающих параметрах, 26.58kb.
• Гост 13133-77. Станки зубошлифовальные с профильным кругом для цилиндрических колес., 14.31kb.
• Возможные исходные реечные контуры для нарезания зубчатых колес, 77.82kb.
• Название программы информационные технологии в эскизном проектировании и оптимизации, 135.84kb.
• Архитектура ЭВМ. Лекция, 236.96kb.
• 2. геометрический расчет прямозубой цилиндрической передачи, 92.65kb.
• Пример выполнения задачи, 48.33kb.

На правах рукописи

Маликов Андрей Андреевич

ОСНОВЫ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНой ТЕХНОЛОГИИ

ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС


Специальность 05.02.08 – Технология машиностроения


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук


Тула 2009

Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения»

ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»


Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Ямников Александр Сергеевич


Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Емельянов Сергей Геннадьевич;

доктор технических наук, профессор

Кондаков Александр Иванович;


доктор технических наук, профессор

Степанов Юрий Сергеевич


Ведущая организация: ОАО «Тулаточмаш», г. Тула.


Защита диссертации состоится 30 октября 2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного Совета Д212.271.01 при ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» по адресу: 300600, г. Тула, проспект Ленина, д. 92, ауд. 9-101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Автореферат разослан «___» ____________2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ____________Орлов А.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность темы исследования. В современных машинах и механизмах для передачи вращательных движений широко применяются зубчатые передачи. Они используются в автомобилестроении, станкостроении, производстве сельхозмашин и других отраслях. По сложности и трудоемкости изготовления зубчатые колеса составляют особую группу деталей в машиностроении с большими масштабами производства. Значительную часть составляют цилиндрические зубчатые колеса с различной формой зубьев: прямозубые, косозубые, с арочными зубьями и др. Из них наибольшее распространение получили прямозубые цилиндрические колеса, благодаря тому, что технология их изготовления является наиболее простой.

Однако прямозубые цилиндрические колеса не всегда обеспечивают качественное сопряжение рабочих поверхностей из-за неточностей их изготовления и возможных перекосов в процессе сборки узлов. Избежать этого можно путем ужесточения требований к точности обработки колес и последующего их монтажа, что неизбежно приводит к дополнительным затратам времени и средств, и в итоге повышает стоимость изделий. Более целесообразным является переход к зацеплению цилиндрических колес с криволинейной формой зубьев. В работе определена рациональная область применения и основные преимущества передач с арочными, и в частности с круговыми зубьями.

В целом ряде изделий использование таких передач является экономически обоснованным. Так, в передачах шестеренных насосов применение цилиндрических зубчатых колес с круговыми зубьями позволяет локализовать зоны контакта, что компенсирует погрешности направления зубьев и относительного расположения осей роторов. В итоге могут быть назначены экономически целесообразные допуски при изготовлении деталей и сборке изделий.

Однако, традиционные технологии изготовления цилиндрических зубчатых колес, и в особенности с криволинейными зубьями, не обеспечивают высокую эффективность из-за необходимости осуществления последовательной многоэтапной зубообработки.

Одним из перспективных направлений, позволяющих сократить количество операций зубообработки, является использование заготовок, максимально приближенных по форме и размерам к детали. Однако попытки применения заготовок колес среднего модуля с зубьями, предварительно оформленными методами пластического деформирования, широкого распространения не получили, в основном из-за проблем, возникающих в процессе последующей их обработки. Число операций зубообработки при этом не сокращается, а экономия металла не оправдывает дополнительных затрат на получение зубчатых заготовок.

Решение этой проблемы может быть найдено только при условии создания высокоэффективных процессов зубообработки, обладающих высокой исправляющей способностью не менее 2-х степеней точности по ГОСТ 1643-81.

Исходя из вышеизложенного, можно утверждать, что разработка основ проектирования высокоэффективных ресурсосберегающих технологий изготовления цилиндрических зубчатых колес на базе использования прогрессивных заготовок с зубьями, полученных методами пластического деформирования, и высокопроизводительных процессов формообразования зубчатых венцов, обладающих высокой исправляющей способностью, является весьма актуальной научной проблемой.

Работы выполнялись в соответствии с грантами Президента РФ и РФФИ в поддержку ведущих научных школ "Прогрессивные технологические процессы формообразования сложных поверхностей и сборки высокоточных изделий" (№96-15-98241-л, 1996-1998 гг.; №00-15-99064-л, 2000-2002 гг.; № НШ-1920.2003.8, 2003-2005 гг.); грантом РФФИ-офи-центр №08-08-99006 «Современная концепция создания технологических основ эффективного зубонарезания цилиндрических зубчатых колес»; грантом Губернатора Тульской области № 60-Кт-1/1069 «Разработка конструкций и методов формообразования режущей части незатылованных зуборезных головок для изготовления зубчатых колес с круговыми зубьями», с тематикой важнейших НИР ТулГУ, утвержденных Минобрнауки РФ: госбюджетные темы №21-76 "Малоотходная технология изготовления цилиндрических зубчатых колес", 1997-1998 гг. и 14-06 «Повышение эффективности и качества механической обработки на основе совершенствования процессов резания и конструкций инструментов», 2006-2010 гг., а также с хоздоговорными темами №78-385/2 и №82-120/2 и др.


Цель работы. Создание теоретических основ проектирования высокоэффективных ресурсосберегающих технологий изготовления цилиндрических зубчатых колес на базе использования высокопроизводительных процессов чистовой и финишной зубообработки прогрессивных заготовок с предварительно оформленным методами пластического деформирования зубчатым венцом.

Достижение поставленной цели потребовало постановки и решения следующих задач:

1) разработка теоретических основ проектирования цилиндрических передач с круговыми зубьями;

2) разработка ресурсосберегающих технологий изготовления цилиндрических зубчатых колес на основе использования прогрессивных заготовок с предварительно оформленным зубчатым венцом и высокопроизводительных процессов чистовой и отделочной зубобработки;

3) исследование процесса шевингования - прикатывания и определение его исправляющих способностей при зубообработке прогрессивных заготовок с зубьями, полученными различными методами предварительного формообразования пластическим деформированием;

4) разработка прогрессивных инструментов для шевингования - прикатывания колес с круговыми зубьями на базе созданной теории их проектирования;

5) обоснование выбора эффективных процессов финишной зубообработки закаленных зубчатых колес с круговыми зубьями;

6) создание теории процесса электрохимической обработки фасонных поверхностей при их обкате и разработка на ее основе методики проектирования обкаточных инструментов для финишной зубообработки;

7) разработка прогрессивных конструкций алмазных зубообрабатывающих хонов и обкаточных инструментов для электрохимической зубообработки;

8) разработка технологии изготовления прогрессивных зубообрабатывающих инструментов для различных этапов формообразования зубчатых поверхностей цилиндрических колес.


Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории зубчатых зацеплений, теории резания, теории формообразования производящих поверхностей режущих инструментов для обработки зубчатых деталей с использованием методов математического моделирования и современных графических программ на ЭВМ.

Экспериментальные исследования проводились в лабораториях кафедр «Технология машиностроения» и «Инструментальные и метрологические системы» ТулГУ, а также в ОАО «АК «Туламашзавод» с использованием производственного оборудования и средств технологического и метрологического обеспечения. Обработка экспериментальных данных осуществлялась с использованием методов математической статистики.

Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием аналитических зависимостей, корректностью постановки задач, применением современных методов математической статистики, в частности метода экспертных оценок, и подтверждается качественным и количественным соответствием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями, а также широким практическим использованием результатов в промышленности.


Автор защищает теоретические основы проектирования высокоэффективных технологических процессов изготовления цилиндрических зубчатых колес на базе использования прогрессивных заготовок с предварительно оформленным зубчатым венцом и высокопроизводительных процессов зубообработки шевером-прикатником и алмазным зубчатым хоном; концептуальную модель процесса шевингования-прикатывания цилиндрических колес с круговыми зубьями, а также технологию изготовления шеверов-прикатников и алмазных зубчатых хонов; методику автоматизированного проектирования специальных гребенчатых фрез для снятия заусенцев и наложения фасок по контуру зубьев и определения параметров их установки на станке; математическую модель выбора предпочтительных схемных и технологических решений в области создания перспективных методов финишной зубообработки; способ электроалмазной обработки закаленных зубчатых колес по методу обката; теорию проектирования обкаточных электродов-инструментов (алмазных зубчатых хонов на металлической связке) с учетом «приведенной» и «средней» интенсивности процесса финишной электрохимической обработки при обкате электродов; рекомендации по практической реализации предлагаемой ресурсосберегающей технологии изготовления цилиндрических зубчатых колес и результаты ее внедрения в промышленность.


Научная новизна:

1) выявлена взаимосвязь технологических возможностей способов формообразования зубчатых поверхностей цилиндрических колес с параметрами точности получаемых колес и обоснована технологическая последовательность их изготовления из заготовок с предварительно оформленными методами пластического деформирования зубьями на основе сочетания технологических воздействий различной физической природы (резания, пластического деформирования, анодного растворения);

2) обоснована эффективность использования процесса шевингования-прикатывания для высокопроизводительной чистовой зубообработки цилиндрических зубчатых колес с круговыми зубьями из прогрессивных заготовок с предварительно оформленным зубчатым венцом;

3) предложена теория, представляющая электрохимическую обработку фасонных поверхностей при обкате как совокупность элементарных процессов, протекающих в бесконечно малые промежутки времени в условиях ограниченного ввода рабочей жидкости в межэлектродный промежуток, при замене действительных профилей на круговые с радиусами, соответствующими радиусам кривизны фасонных профилей в точках, лежащих на одной силовой линии электрического поля, позволившая разработать эффективный способ финишной электрохимической зубообработки цилиндрических колес.

Практическая значимость:

- определены области рационального применения передач с круговыми зубьями;

- даны рекомендации по практической реализации предлагаемой технологии изготовления цилиндрических зубчатых колес из прогрессивных заготовок с предварительно оформленным зубчатым венцом;

- теоретически и экспериментально обоснованы высокие исправляющие способности процесса шевингования-прикатывания, обеспечивающего возможность получения зубчатых венцов 7-8-й степени точности из штампованных заготовок 9-11-й степени точности;

- разработаны рекомендации по проектированию шеверов-прикатников с круговыми зубьями, и установлены диапазоны режимов обработки, обеспечивающие необходимые качество обработанной поверхности и заданную точность изготовления;

- создан комплекс оборудования и технологической оснастки для реализации новой ресурсосберегающей технологии изготовления цилиндрических зубчатых колес с арочными зубьями;

- разработаны новые прогрессивные конструкции алмазных зубообрабатывающих хонов и обкаточных инструментов для электрохимической зубообработки.

Реализация работы. Результаты работы приняты к внедрению на ОАО «АК «Туламашзавод», ОАО «ВеАл», ОАО «Полема», ОАО «Тулаточмаш». Материалы диссертации используются в учебном процессе при изложении курсов лекций «Технология машиностроения», «Технология изготовления инструментальной техники», «Инновационные технологии в инструментальном производстве», при курсовом и дипломном проектировании, выполнении выпускных квалификационных работ, магистерских диссертаций по направлению 150900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств».

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на следующих совещаниях, семинарах и научно-технических конференциях: на совещании «Проблемы теории проектирования и производства инструментов», Тула, 1995; на МНТК «Проектирование технологических машин», М., 1996; на юбилейной МНТК «Вопросы совершенствования технологических процессов механической обработки и сборки изделий машиностроения, Тула, 1996; на 3-м Международном конгрессе «Конструкторско-технологическая информатика-96», М., 1996; на РНТК «Управление качеством финишных методов обработки», Пермь, 1996; на МНТК «Материалы и конструкции в машиностроении, строительстве, сельском хозяйстве», М., 1996; на Демидовских чтениях. Первый юбилейный выпуск, Тула, 1996; на II МНТК «Износостойкость машин», Брянск,1996; на Демидовских чтениях. Второй выпуск, Тула,1996; на МНТК «Современные проблемы машиностроения и технический прогресс», Донецк, 1997; на МНТК «Прогрессивные методы проектирования технологических процессов, станков и инструментов», Тула, 1997; на 4-й МНТК «Качество машин», Брянск, 2001; на МНТК «Прогресивна технiка i технологiя машинобудування, приладобудування i зварювального виробництва», Киiв, 1999; на четвертой МНТК «Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве», Харьков, 2001; на МНТК «Современная электротехнология в машиностроении», Тула, 2002; на пятой МНТК «Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве», Харьков, 2002; на МНТК «Технологические системы в машиностроении», Тула, 2002; на МНТК «Нетрадиционные методы обработки», Воронеж, 2002; на МНТК «Нетрадиционные методы обработки», Воронеж, 2002; на первой электронной МНТК «Технологическая системотехника», Тула, 2002; на МНТК «Прогрессивные технологии и системы машиностроения», Донецк, 2002; на МНТК «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения», Орел, 2002; на шестой МНТК «Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве», Харьков, 2002; на тринадцатой МНТК «Физические и компьютерные технологии», Харьков, 2007; на XIV МНТК «Машиностроение и техносфера XXI века», Донецк, 2007; на МНТК «Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П.А.Соловьева», Рыбинск, 2007.

За комплекс работ по созданию прогрессивных технологий зубообработки автор в составе коллектива в 2005 г. был удостоен звания лауреата премии им. С.И. Мосина, а в 2007 г. премии им. акад. Б.С. Стечкина.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано: монографий - 4 (1 – без соавторства); статей в центральной печати и зарубежных рецензируемых изданиях и сборниках, входящих в «Перечень периодических научных и научно-технических изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых рекомендуется публикация основных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук» – 24; статей в различных межвузовских сборниках научно-технических трудов – 29; из них статей без соавторства – 18; учебных пособий с грифом УМО вузов по университетскому и политехническому образованию Минобрнауки РФ – 1.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения и шести глав, заключения, списка использованных источников из 234 наименований общим объемом 418 с., включая 149 иллюстраций, 9 табл.


СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ


Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы решаемая научная проблема, цель и задачи работы, положения, выносимые на защиту, научная новизна, методы исследования, практическая ценность и реализация работы, приводятся данные об апробации работы, о публикациях, структуре и объеме диссертационной работы.


В первой главе на основе аналитического обзора литературы отмечается, что недостатком традиционных технологических схем изготовления зубчатых колес является многоэтапность формообразования зубчатых венцов и невысокая эффективность операций зубообработки.

Значительный вклад в теорию проектирования и производства зубчатых передач внесли Адам Я.И., Аликулов Д.Е., Бушуев В.В., Бакингэм Е., Болотовский И.А., Грановский Г.И., Гольдфарб В.И., Гречишников В.А., Грубин А.Н., Гохман Х.И., Дружинский П.А., Емельянов С.Г., Ермаков Ю.М., Иноземцев Г.Г., Калашников С.Н., Кирсанов Г.Н., Клепиков В.В., Клепиков В.Д., Колчин Н.И., Коротаев Ю.А., Кудрявцев В.И., Лехциер М.Б., Литвин Ф.А., Марков А.Л., Матюшин В.М., Ничков А.Г., Овумян Г.Г., Перепелица Б.А., Писманик К.М, Полоцкий М.С., Родин П.Р., Романов В.Ф., Сахаров Г.Н., Сегаль М.Г., Семенченко И.П., Сухоруков Ю.Н., Тайц Б.А., Тарапанов А.С., Тернюк Н.Э., Шевелева Г.И., Шевченко А.Н., Фрайфельд И.А., Цвис Ю.В., Цепков А.В., Юликов М.И., Якубсон С.Б., Bett K.E., Box M.J., Dudley W., Davits D., Dupius T.M., Everett M., Jen F.C., Hayt W.H., Fiodorow L.I., Himmelblau D.M., Jchibashi A., Kemmerly J.E., Kenton A.F., Kotsch L., Laroux K., Lohrer J., Schapp U., Prem D., Pond J., Smith J.D.и др.

В ТулГУ на протяжении многих лет разрабатывался комплекс высокоэффективных процессов зубообработки, в том числе и закаленных зубчатых колес. В этой работе приняли участие следующие ученые: Бобков М.Н., Борискин О.И., Борисов А.Н., Валиков Е.Н., Илюхин С.Ю., Коганов И.А., Лашнев С.И., Петрухин С.С., Протасьев В.Б., Ушаков М.В., Федоров Ю.Н., Феофилов Н.Д., Ямников А.С. и др.

Данное исследование является продолжением и развитием работ по совершенствованию технологий изготовления зубчатых колес и разработке прогрессивных процессов зубообработки по методу обката, выполненных учеными Тульской научной школы, созданной профессорами Когановым И.А. и Петрухиным С.С. и получившей развитие в трудах Фёдорова Ю.Н., Валикова Е.Н., Бобкова М.Н., Борискина О.И. и Ямникова А.С.

На основе анализа существующих технологий в работе предложена новая технологическая схема изготовления цилиндрических зубчатых колес с круговыми зубьями, позволяющая исключить операцию предварительного зубонарезания при использовании прогрессивных заготовок с предварительно оформленными зубьями. Данная технологическая схема основана на эффективном использовании высокопроизводительных процессов чистовой зубообработки шевингованием-прикатыванием и финишного алмазного зубохонингования.

Схема включает следующие операции механической обработки:

1. Получение заготовок колес с зубьями горячей или полугорячей штамповкой или горячим накатыванием.

2. Токарная обработка базовых и наружных поверхностей зубчатого колеса (базирование осуществляется по зубчатому венцу заготовки).

3. Шевингование-прикатывание зубчатого колеса при смещенном полюсе зацепления и параллельных осях заготовки и инструмента.

4. Снятие заусенцев и наложение фасок по контуру зубьев специальной червячной или гребенчатой фрезой.

5. Термообработка.

6. Финишная обработка базовых поверхностей зубчатого колеса.

7. Финишная обработка рабочих поверхностей зубчатого венца:

- для наружного зацепления – алмазное зубохонингование по методу обката;

- для внутреннего зацепления – электрохимикомеханическое калибрование алмазным хоном.

Вторая глава посвящена определению области рационального применения передач с арочными зубьями и теоретическому обоснованию высокоэффективных технологических процессов изготовления цилиндрических зубчатых колес с арочными зубьями. Общая теория проектирования и изготовления данных зубчатых колес, применительно к условиям мелко- и среднесерийного типов производства, представлена в работах М.Н. Бобкова. Существенным недостатком предложенного способа зубонарезания является необходимость периодического поворота заготовки на зуб после прорезания каждой впадины колеса. Это снижает производительность обработки и приводит к неизбежным колебаниям шага между соседними зубьями, что снижает плавность работы передачи и ухудшает её виброшумовые характеристики.

В соответствии с предложенной в данном исследовании схемой зубообработки колес с круговыми зубьями предлагается использовать чистовое шевингование-прикатывание зубчатого колеса при смещенном полюсе зацепления и параллельных осях заготовки и инструмента и отделочное зубохонингование при тех же параметрах установки. Для качественной обработки зубьев колес профиль инструментов должен плотно прилегать к профилям обрабатываемых зубьев (профили должны быть комплементарны). Для таких инструментов методика проф. Бобкова М.Н. не может быть использована, поэтому в настоящей работе необходимо разработать новую теорию формообразования зубьев колес рассматриваемым способом.

В ходе проектирования инновационных ресурсосберегающих технологий зубообработки цилиндрических колес с круговыми зубьями были решены следующие основные вопросы:

1) осуществлен выбор вида исходных заготовок с предварительно оформленными круговыми зубьями и способов их получения; выполнен расчет и проектирование инструментов – накатников для получения прогрессивных заготовок;

2) выполнен расчет и проектирование режущих инструментов – шеверов-прикатников и зубообрабатывающих хонов;

3) разработаны технологии изготовления зубообрабатывающих инструментов – шеверов-прикатников, зубчатых хонов и накатников.

На первом этапе для проектирования режущих инструментов была разработана теория профилирования эвольвентных колес с круговыми зубьями, основанная на анализе геометрических параметров зубчатых колес.

Обрабатываемые круговые зубья формируются пространственными криволинейными поверхностями, образующая которых представляет собой эвольвенту, расположенную в средней плоскости, перпендикулярной оси колеса.

Параметры линии кругового зуба определяются на развертке начального цилиндра зубчатого колеса. В качестве направляющей используется дуга окружности с центром, расположенным по середине линии касания начальной плоскости и начального цилиндра.

Для снижения чувствительности передачи к погрешностям изготовления и монтажа необходимо обеспечить расположение пятна контакта в середине зубчатого венца. это можно выполнить, совмещая в точке контакта M₁₂ (рис. 1) профили сопрягаемых зубьев с различным радиусом кривизны.

В момент обработки участка профиля зуба в окрестности точки J_w1 формообразующей будет точка профиля инструмента, смещённая относительно делительной плоскости D₁ производящей рейки на расстояние

.

Радиус вращения этой точки при обработке шестерни

.

При нарезании зубьев колеса радиус вращения аналогичной профилирующей точки инструмента

.

Для определения, в первом приближении, зависимости, характеризующей взаимосвязь радиусов R_0w1 и R_0w2, расположенных на развертках начальных цилиндров шестерни и колеса, произведено построение, представленное на рис. 1.

Угол θ₀₁ определяется по формуле

.

Тогда можно определить расстояние .

Следовательно, координата точки М₀₂ по оси Х относительно центра О₀₁

.





Рис. 1. Схемы для приближенного расчета радиусов производящих поверхностей и координат их центров при обработке шестерни и колеса с круговыми зубьями

Система уравнений, описывающих прохождение окружности радиусом R_0w2 через точки М₀₂ и М₁₂:



Решением системы является выражение для определения координаты точки О₀₂ по оси х

.

С учетом того, что теоретически окружности имеют одну общую точку М₁₂, величина искомого радиуса R_0w2 будет определяться из выражения

.

Таким образом, задаваясь радиусом R₀₁ и величиной приведённого зазора, можно определить значения R_0w1, A₃, R_0w2 и вычислить радиус

.

Для практического подтверждения разработанной теории профилирования круговых зубьев проведен комплекс экспериментальных исследований. В частности, разработана опытная конструкция модифицированной шестерни с круговыми зубьями, используемой в шестеренном масляном насосе одноцилиндрового дизельного двигателя, применяемого в судостроении (рис. 2).

Рис. 2. трехмерная модель модифицированной шестерни масляного насоса	Рис. 3. Опытный образец модифицированной шестерни с предварительно нарезанной выпуклой стороной зуба и с предварительно нарезанными зубьями

Шестерня имеет следующие параметры: модуль m=2 мм, число зубьев z=11, коэффициент смещения исходного контура χ=0, степень точности – 8-В по ГОСТ 1643-81, номинальный радиус кривизны выпуклой стороны зуба R₀₁=20 мм, номинальный радиус кривизны вогнутой стороны зуба R₀₂=20,63мм, при этом торцовый приведенный зазор (отвод) Δ=0,02 мм.

Обоснована целесообразность предварительного формообразования зубьев заготовки методами пластического деформирования. В диссертации предлагается прогрессивный технологический процесс изготовления колес способом горячего накатывания круговых зубьев с припуском до 0,12…0,2мм на сторону с последующей обработкой шевером-прикатником. Припуск под последующую чистовую обработку назначен в соответствии с рекомендациями справочника по выбору режимов резания для традиционного процесса зубошевингования. С целью апробации предложенной технологии была осуществлена чистовая зубообработка опытной партии заготовок с предварительно оформленным зубчатым венцом. В лабораторных условиях предварительное формообразование зубьев заготовок (рис. 3) осуществлялось одной черновой резцовой головкой (рис. 4) на четырехкоординатном вертикально-фрезерном станке с ЧПУ типа «Обрабатывающий центр» модели ОЦ1И22. Движения обката были реализованы с помощью согласованных вращения заготовки колеса и линейного перемещения стола станка относительно неподвижной резцовой головки. Результаты проведенного эксперимента приведены ниже в таблице на с. 25.




Рис. 4. Схема предварительного формообразования впадины

зубчатого венца шестерни


Таким образом, в данной главе предложена и практически подтверждена теория проектирования передач с круговыми зубьями и инструментов для их высокопроизводительной зубообработки, на основе которой:

а) обоснована область применения цилиндрических передач, составленных из колес с круговыми зубьями и выявлены особенности их эксплуатации;

б) уточнена теория рабочего зацепления колес с круговыми зубьями и станочного зацепления обрабатываемого колеса с инструментами (шевером-прикатником или зубчатым хоном);

в) проведен анализ влияния радиуса кривизны зуба на величину отвода и плавность работы зубчатой передачи;

г) создана методика расчета основных конструктивных параметров колес и проанализировано их влияние на эксплуатационные характеристики передачи;

д) разработаны схемы профилирования круговых зубьев колес и инструментов для их зубообработки на зуборезных станках и станках с ЧПУ и определены возникающие при этом ограничения;

е) разработана методика расчета и проектирования зуборезных резцовых головок для профилирования круговых зубьев цилиндрических колес и инструментов для их зубообработки.

На основе представленной в данной главе теории, спроектированы:

а) цилиндрическая зубчатая передача с круговыми зубьями масляного насоса;

б) шевер-прикатник для обработки колес данной передачи;

в) технологическая оснастка для изготовления шевера-прикатника.


В третьей главе представлены теоретические исследования процесса шевингования-прикатывания и методика проектирования инструментов для его реализации. За основу принят способ шевингования-прикатывания цилиндрических прямозубых колес. Сущность способа поясняется рис. 5.



Рис. 5. Схема шевингования-прикатывания цилиндрических зубчатых колес

, – угловая скорость вращения инструмента и обрабатываемой детали;

S – периодическая подача, a-величина упругого вдавливания инструмента

обрабатываемое колесо 2 находится в беззазорном зацеплении с шевером-прикатником 1. Для интенсификации скольжения по рабочей высоте боковых поверхностей зубьев пара «заготовка – инструмент» проектируется с внеполюсным (предполюсным или заполюсным) зацеплением. При внеполюсном зацеплении по боковым поверхностям зубьев колеса имеется относительное скольжение со скоростью v. сочетание геометрических параметров инструмента обеспечивает на входной стороне положительные задние углы, и материал заготовки срезается (удаляется припуск). на выходной стороне задние углы принимают отрицательное значение, поэтому инструмент выглаживает материал заготовки, производя поверхностное упрочнение. Для выравнивания условий обработки по обеим сторонам зуба обработку ведут с реверсированием. после каждого из 3 – 4 рабочих ходов, включающих вращение шевера-прикатника в прямом и обратном направлениях на количество оборотов, равное числу зубьев обрабатываемого колеса, осуществляют периодическую радиальную подачу S, а в конце обработки следует выхаживание в течение 1 – 2 ходов без радиальной подачи. За счет подачи сближения S между инструментом и заготовкой возникает сила Р. Составляющая силы P_N вдавливает инструмент по нормали к профилю зуба, а составляющая P_τ сдвигает материал зуба, срезая или выглаживая его. Процесс шевингования-прикатывания зубчатых венцов исправляет погрешности заготовки в основном в результате срезания припуска, и частично – за счет выдавливания.

С целью подтверждения исправляющих способностей шевингования-прикатывания проведены эксперименты по обработке заготовок колес, полученных точной штамповкой (горячей или полугорячей). Результаты экспериментов показали возможность получения высокой точности обработанных колес по параметрам кинематической точности и плавности работы. На рис. 6 в виде точечных диаграмм представлены данные об исходной точности заготовок и деталей после обработки шевингованием-прикатыванием по параметру  колебание радиального биения.

В результате экспериментальных исследований установлено, что шевингование-прикатывание обладает высокой (на 2…3 степени точности по ГОСТ 1643-81) исправляющей способностью. Это подтвердило целесообразность использования процесса шевингования-прикатывания для чистовой зубообработки цилиндрических колес с круговыми зубьями.

Разработана комплексная методика проектирования процесса шевингования – прикатывания цилиндрических колес с круговыми зубьями, основанная на концепции, предложенной Е.Н. Валиковым, и учитывающая конструктивные и технологические особенности данных колес. Она включает в себя моделирование процесса профилирования и конструирование режущих инструментов (шеверов-прикатников) и вспомогательных инструментов (резцовых головок и шлифовальных кругов).

Эта методика позволяет классифицировать задачи, решаемые при проектировании режущих инструментов, устранить в полной мере большинство противоречий, связанных с реализацией инструментом двух его основных функций:

1) профилирования - формообразования обрабатываемых поверхностей круговых зубьев;

2) резания - удаления припуска с исходной заготовки.



Рис. 6. Точечные диаграммы колебания радиального биения Frr


Множества обрабатываемых и производящих поверхностей в совокупности с множествами относительных движений и условий профилирования обуславливают необходимость рассматривать процесс обработки шевером-прикатником как комбинированный. Возможны различные схемы контакта обрабатываемых и производящих поверхностей: по поверхности, линии и точке. Множества режущих кромок, производящих поверхностей и поверхности стружечной канавки в совокупности с условиями их пересечения описывают конструкцию режущей части шевера-прикатника. Профилирующие режущие кромки должны принадлежать производящей поверхности. Множества режущих кромок и их движений относительно поверхности заготовки образуют множество поверхностей резания. Семейство поверхностей резания в зависимости от числа режущих кромок позволило рассматривать задачу профилирования с точки зрения кинематики процесса формообразования. В результате объединения задач профилирования и резания формируется множество условий резания, накладываемых на форму поверхностей инструмента, а также учитываются физические факторы, влияющие на процесс профилирования. Множество относительных движений поверхностей определяет формообразующие возможности технологического оборудования (станков). Все рассматриваемые объекты взаимосвязаны, изменение любого из них приводит к изменению остальных. Все многообразие решаемых при проектировании задач является следствием этих связей, а поиск оптимальных и рациональных решений приводит к многократным расчетам с последующей проверкой различных условий: профилирования, резания, пересечения – и использованию различных геометрических, кинематических, физических моделей режущего инструмента.

На рис. 7 представлена концептуальная схема проектирования процесса шевингования-прикатывания цилиндрических колес с круговыми зубьями.



Рис. 7. Концептуальная схема проектирования процесса

шевингования-прикатывания цилиндрических колес с круговыми зубьями


В схеме приведена последовательность проектирования технологического процесса шевингования-прикатывания и режущего инструмента. Укрупнено она состоит из нескольких этапов.

На первом этапе в соответствии с эксплуатационными характеристиками передачи задаются номинальным радиусом кривизны зуба, получаемого при чистовой обработке одного из колёс, например, при обработке выпуклых сторон зубьев шестерни, и величиной приведённого торцевого зазора Δ, так называемого отвода, находящегося в пределах 0,008 – 0,015 мм. Наличие отводов необходимо для гарантированного исключения кромочного контакта, который может образоваться в результате неизбежных погрешностей сборки зубчатой передачи и в процессе ее эксплуатации, а также позволяет добиться локализации пятна контакта зубьев передачи в среднем сечении.

Далее приближённо определяется номинальный радиус кривизны зуба, получаемого при чистовой обработке вогнутых сторон зубьев сопряжённого колеса. Величина радиуса выпуклой стороны зуба принимается меньше, чем вогнутой. Затем производится уточнённый расчёт. Задаваясь фазой зацепления, определяются координаты точек торцового профиля зуба шестерни. Аналогичным образом находятся координаты точек торцового профиля зуба сопряжённого колеса. Вычисляются расстояния между различными точками торцовых профилей зубьев сопряжённых колес, и определяется минимальное из них, равное действительному значению торцового приведённого зазора. Изменяя фазовый угол, оценивается изменение «приведённого» зазора в процессе зацепления. При необходимости корректируется величина приведённого зазора, путем внесения поправки в значение радиуса кривизны зуба, и вновь определяется зазор. Эта операция повторяется до тех пор, пока приведённый зазор не будет равен заданной величине.

На втором этапе, основываясь на геометрических и кинематических параметрах пары «заготовка – инструмент», определяются параметры предполюсного или заполюсного зацепления, обуславливающие выполнение ограничивающих факторов по заострению зубьев инструмента, обеспечение коэффициента перекрытия, отсутствие интерференции профилей и др.

На третьем этапе определяются параметры производящей поверхности и параметры стружечных канавок. Система режущих кромок рассчитывается как результат пересечения производящей поверхности с поверхностями стружечных канавок. Основным вопросом, решаемым на данном этапе, является проектирование производящей поверхности круговых зубьев инструмента – шевера-прикатника.

Для обеспечения контакта зубчатой пары «инструмент – заготовка» по всей длине зуба обрабатываемого колеса не допускается наличие отводов, в идеальном случае торцовый зазор Δ должен быть равен нулю. Это обеспечивается тем, что выпуклая и вогнутая поверхности зуба инструмента должны быть комплементарны (взаимно дополнять друг друга) вогнутой и выпуклой поверхностями зуба заготовки. Однако при изготовлении шевера-прикатника, имеющего ширину венца, большую, чем у обрабатываемого колеса, при неизменных величинах радиусов кривизны выпуклой и вогнутой сторон его зубьев возникает следующая проблема. По достижении значения критической ширины венца b_кр при обработке вогнутой стороны зуба неминуемо будет происходить подрезание выпуклой стороны соседнего зуба. Это же происходит и при обработке противоположной стороны зуба. Из данной ситуации возможны два выхода: во-первых, заужение зубьев зуборезной резцовой головки, что практически нецелесообразно; во-вторых, изменение величины номинального радиуса кривизны кругового зуба с неминуемой коррекцией всех ранее произведенных расчетов. Это изменение вносится уже в конструкцию зубчатой передачи, что также является не всегда возможным.

На четвертом этапе рассчитываются кинематические углы режущего лезвия, назначаются конструктивные параметры, режимы обработки.

На пятом этапе осуществляется многокритериальная оценка процесса шевингования-прикатывания по трудоемкости, производительности, себестоимости.

На заключительном этапе производится разработка конструкторской документации – рабочих чертежей инструмента и, по мере необходимости, построение его трехмерной модели.