автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Процессы формообразования профильных поверхностей изделий с равноосным контуром

РГ 8 0/1

, . Государственный комитет Российской Федерации - • ' по высшему образованию

Московский государственный технологический университет " СТАНКИН"

На правах рукописи УДК: 621.824.42.002.2

ТИМЧЕНКО АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ

ПРОЦЕССЫ ФЭРМООБРАЗОВАНИЯ ПРОФИЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИЗДЕЛИЙ С РАВНООСНЫМ КОНТУРОМ

Специальность 05. 02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1993

Работа выполнена в Московском государственном технологическом университете "Станкин".

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

В. Г. Митрофанов

доктор технических наук, профессор В. Н. Подураев;

доктор технических наук, профессор Л. В. Худобин;

Ведущая организация: станкостроительное акционерное общество "ТЕХНИКА" (г. Владимир).

Зашита состоится "22.".....&Н... 1993 г. часов

Р. .4. минут на заседании специализированного совета Л. 063.42. 02 при Московском государственном технологическом университете "Станкин" по адресу: 101472, ГСП, Москва, К-55, Вадковский пер., д. 3, а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Телефон для справок: 258-39-54.

Автореферат разослан 1993 Г.

Ваши отзывы на авторефератах в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направить по указанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

Ученый секретарь специализированного совета Д. 063. 42.02 (V , .

к. т. н., доцент I />/) г- Л- Волкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Повышение качества машин и производительности процессов формообразования различных изделий является основой научно-технического прогресса машиностроительных отраслей. Важная роль в выполнении этой задачи принадлежит станкоинструментальной отрасли при разработке новых процессов и реализующих их комплектов металлорежущих станков, а также режущих инструментов и измерительных средств, необходимых для изготовления деталей профильных бесшпоночных соединений.

Из множества видов этих соединений в настоящее время наибольшее распространение получили соединения с профильными кривыми "Равноосный контур" (РК-профиль). Эти соединения используются как в силовых механизмах для передачи большого крутяще-' го момента, так и в кинематических для точной передачи вращательного движения при относительно небольшом крутящем моменте, а также в реверсивных механизмах.

В машиностроении зарубежных стран РК-профильные соединения используются в коробках скоростей и гитарах токарных и фрезерных станков фирмы Schaublín (Швейцария), в гибких модульных инструментальных системах фирмы Sandvik-Coromant (Швеция), в кузнечно-прессовом оборудовании фирмы Schmid (Швеция), в компрессорах "Centac" фирмы Intersoff (США) и в других машинах.

Анализ литературных и патентных материалов, а также результаты экспериментальных исследований настоящей работы показывают, что РК-профильные соединения в несколько раз долговечнее. чем шлицевые, они обладают меньшими шумовыми характеристиками и металлоемкостью, дешевле (на 40-50%) в изготовлении.

В настоящее время в мировом машиностроении наибольшее распространение получили профилешлифовальные станки типа AFD фирмы Fortuna (Германия), которые реализуют двухпараметри-ческий процесс формообразования с поступательными прямолинейными гармоническими движениями. Однако, недостаточная точностней надежность станка, большое время настройки и поднастройки на Функционально-изменяющийся размер малой оси эллипса формообразования (ЭФ) не удовлетворяют запросы современного машиностроительного производства. При этом использование данного

станка возможно только в одном из видов производства: единичном (ремонтном), серийном или массовом.

Очевидным недостатком является и то, что один и тот же процесс формообразования предназначен для изготовления как деталей машин, так и режущих инструментов (протяжек и др.), а также для заточки последних по передней поверхности в процессе эксплуатации.

Целью настоящей работы является устранение перечисленных выше технологических недостатков путем разработки методологии построения процессов изготовления различных изделий с РК-профильными поверхностями в условиях массового, серийного и единичного производств.

В связи с изложенным особую актуальность в настоящее время приобретает научная проблема, состоящая в создании системы методов проектирования и обоснования изготовления деталей профильных соединений с равноосным контуром.

Научная новизна. Осуществлен целенаправленный синтез двух и однопарамет рических процессов формообразования внешних и внутренних РК-профилей. Найдены и количественно оценены зависимости между эксплуатационными параметрами РК-профильных соединений и параметрами процессов их формообразования. Обоснованы принципы построения графоаналитической модели процесса формообразования, базирующиеся на параметрических уравнениях РК-профиля. Найдены и количественно оценены зависимости между регулировочными отклонениями параметров процессов настройки и поднастройки и отклонениями параметров процессов формообразования. Выявлена качественная и количественная связь между видом (переменной и постоянной) контурной подачи (т. е. подачи по контуру РК-профиля) и производительностью процесса формообразования.

Практическая ценность. Полученные в работе результаты теоретических и экспериментальных исследований нашли следующее практическое применение. Разработаны классификации одно и двухпараметрических процессов формообразования, а также процессов настройки и поднастройки и определены области их применения. Разработана методика назначения требований к процессам формообразования, обеспечивающих получение соединений с заданной точностью. Разработаны рекомендации по выбору процессов настройки и .поднастройки в зависимости от требований к точ-

ности РК-профильных соединений. Разработаны рекомендации: по рациональному использованию процессов формообразования с постоянной контурной подачей; по выбору процессов для создания комплектов специализированных металлорежущего оборудования и станочных агрегатов к станкам общего назначения; по конструированию и технологии изготовления комплектов режущих инструментов и контрольно-измерительных средств для всех видов производств. Разработаны алгоритмы и система автоматической подготовки управляющих программ (САП УП) для фрезерования и шлифования внешних и внутренних РКтпрофильных поверхностей изделий на станках с ЧПУ при неврашающейся и вращающейся заготовке.

Реализация результатов работы. На основе результатов теоретических исследований были разработаны и изготовлены; станочные агрегаты к горизонтально-фрезерным станкам для фрезерования РК-профильных валов и отверстий; к токарным станкам(два агрегата); профилетокарный станок; к внутришлифовальному станку для шлифования РК-профильных отверстий; к резьбошлифоваль-ному и токарно-затыловочному станкам для шлифования РК-профильных валов, протяжек и калибров. Изготовлены: 37 профильных протяжек и 92 технологические оправки для изготовления зубчатых колес с профильными отверстиями. Для экспериментальных исследований эффективности эксплуатационных свойств РК-про-фильных соединений изготовлены пять коробок скоростей к горизонтально-фрезерному станку мод. 6Р81Г и два горизонтально-фрезерных станка мод. 6Д82Ш. В настоящее время Дмитровский завод фрезерных станков (ДЗФС) разработал и приступил к организации производства специального горизонтально-фрезерного полуавтомата с ЧПУ мод. ДФ-1000 для фрезерования разверток и зенкеров. В его трех шпиндельных' узлах механизма деления используются РК-3 профильные соединения.

Расчеты показали, что при замене лишь двух валов редуктора заднего моста автомобиля ГАЗ-БЗ со шлицевыми поверхностями на РК-профильные при программе выпуска 610660 валов в год можно сэкономить 312 т металла; годовой экономический эффект от применения новых технологий изготовления деталей с РК-профилем вместо технологий изготовления деталей со шлицами составляет для раздаточной коробки автомобиля ГАЗ-бб - 250.990 руб (здесь и далее по курсу 1985 г. ), а для указанного редуктора -

659. 688 руб. При этом в два раза сокращается номенклатура (с четырех до двух), требуемое число станков и следовательно -производственная площадь.

Основные результаты работы применяются при чтении лекций и выполнении дипломных проектов на различных кафедрах МГТУ "Станкин" (начиная с 1981 г) и Владимирского политехнического института (с 1990 г). Сведения по РК-профильной тематике вошли в учебник: Гусев А. А. , Ковальчук Е. Р., Колесов И. М. и др. Технология машиностроения (Специальная часть).- М: Машиностроение. - 1986 г.

В сотрудничестве с автором и с использованием отдельных положений его концепции подготовлена и защищена одна кандидатская диссертация. Под руководством автора подготовлена к зашдте вторая кандидатская диссертация.

Аппробация работы. Результаты работы докладывались на четвертом всесоюзном симпозиуме "Теория реальных передач зацеплением" (г. Курган, сентябрь 1988 г.), на 13 всесоюзных, республиканских и региональных научно-технических конференциях, на шести региональных технических совещаниях. По результатам работы имеются следующие документы; два протокола совещания в сводном отделе машиностроения Госплана СССР; "О внедрении в машиностроение профильных соединений с равноосным контуром взамен шпоночных и шлицевых" и четыре отраслевые программы, нацеленные на внедрение РК-профильных соединений.

Полное содержание диссертации обсуждалось на заседаниях кафедр технология машиностроения в МГТУ "Станкин" и в Ульяновском политехническом институте.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 106 печатных работах (две из них опубликованы в США), в том числе одна монография. По теме диссертации получено 17 авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, обших выводов, заключения, списка литературы (232 наименования) и приложения. Работа содержит стр. сквозной нумерации, включая 152 рис., 34 табл. и 24 стр. приложений.

»

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

ВВЕДЕНИЕ. Показана актуальность проблемы повышения эксплуатационных свойств машин и производительности процессов изготовления деталей и инструментов с РК-профильными поверхностями. Обоснована необходимость повышения точностной надежности профилеобрабатывающих станков и создания • множества процессов формообразования для рационального использования их в различных видах производств.

1. ПРОФИЛЬНЫЕ БЕСШПОНОЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Данная глава состоит из двух частей: в первой части анализируются геометрические и эксплуатационные свойства РК-про-■ фильных кривых и соединений; во второй части приведены данные по истории развития технологии и конструкций станков для обработки профильных поверхностей изделий с циклоидальным и равноосным контурами.

Первая часть. РК-профильные соединения относятся к классу разборных. Они могут быть с гарантированным зазором или натягом, а также с переходными посадками. В цилиндрических РК-про-фильных соединениях с зазором допускаются относительные осевые перемещения деталей как без нагрузки от передаваемого крутящего момента, так и под нагрузкой.

Уравнения РК-профиля в параметрическом виде (X,- Y) и полярного угла имеют следующий вид:

"х - [R - е cos (N f)3 cos f - Ne sin (N f) sin ¥ , Y - [R - e cos (N ЧЛ sin t + Ne sin (N <?) cos tf ,

'o . we sLa Nf

i + arctg

Я * e coi W

где: Я - 0/2 - средний радиус профиля; е - эксцентриситет; N -число граней (кратность профиля); *Р - угловой параметр.

Кривые профильных соединений могут быть непрерывные (рис. 1,а и б) и прерывными (рис. 1,в и г), как с четным числом граней (К-профиль), так и с нечетным (РК-профиль). Обозначения на рис.1: - радиус-вектор; Ь - шаг кратности; с^ , с12 и , - диаметры соответственно вписанных и описанных окруж-

ностей вала и отверстия; , 02с - диаметры их срезанных окружностей. В работе приведены.и проиллюстрированы Геометрические параметры, а также допуски и посадки цилиндрических и конусообразных РК-профильных соединений. Отмечено, что допуски на геометрические параметры, характеризующие РК- профильные соединения, до сих пор назначаются исходя из опыта без выявления связей между допуском Ту на радиус-вектор (комплексный параметр) и допусками Те, Тд и Т^ на параметры е, Я и N (дифференцированные параметры).

Профильные бесшпоночные соединения имеют ряд эксплуатационных и технологических преимуществ перед шлицевыми и шпоночными. К эксплуатационным относятся: усталостная прочность профильного вала в 4-5 раза больше шлицевого; приработочный износ деталей РК-3 профильных соединений в 2,5-3 раза, а интенсивность установившегося износа в 1,8-2,4 раза меньше; Их крутильная жесткость выше в 1,3-1,6 раза; профильные соединения типа РК-3 и Кс-3 обладают свойством автоматического центрирования под передаваемой нагрузкой; и др. Ряд технологических преимуществ от изготовления изделий с РК-профилем отмечено в разделе "Актуальность проблемы".

I I

По литературным источникам областями эффективного использования профильных соединений являются: металлорежущее оборудование [коробки скоростей, гитары (фирма Schaublin Швейца-, рия)], дисковые ножницы, кузнечно-прессовое оборудование (фирма Schmid Швейцария), режущие инструменты [фирма Bendix (США)], Sandvik-Coromant (Швеция) и др.], устройства для крепления деталей в узлах, кривошипные механизмы, автомобили и другие машины.

Вторая часть. Профильные бесшпоночные соединения с четырьмя гранями на валах и отверстиях, изготовленные ручным способом, встречаются в часовых механизмах и печатных машинах уже в XIY веке. Подобные элементы профильных соединений валов и ступиц зубчатых колес при переходе от ручного к машинному производству перестали использоваться из-за отсутствия соответству-■ ющих процессов формообразования. Поэтому профильные соединения были заменены соединениями посредством шпонки, которые оказались в то время более технологичными в промышленном изготовлении. Следующее упоминание о некруглых профилях, применяемых в механизмах, связано с именем Релло.

Далее, в тридцатые годы текущего столетия австрийский инженер Э. Краузе предложил процесс формообразования и циклоидальное профильное соединение. Фирма Krause выпускала станки для лезвийной и шлифовальной обработки циклоидальных профилей, получивших в те годы условное название K-профиль. Более глубокие исследования процессов формообразования внешних и внутренних К-профилей методами точения и шлифования, а также его геометрических и эксплуатационных свойств проведены в сороко-вые-шестидесятые годы Р. Мюссилем (Австрия) и Н. М. Карелиным (Россия). Недостатки процессов формообразования деталей с К-профильными поверхностями (неравномерность угловой скорости обрабатываемой заготовки, сложность механизма-построителя, низкая точностная надежность и др. ) воспрепятствовали широкому их внедрению в промышленности.

Попытка исключить некоторые технологические недостатки процессов изготовления деталей с К-профилем (увеличение производительности процесса и др.) привела русского инженера М. М. Мосткова (1937-40 г. г.), а также венгерских изобретателя К Геллерта и ученого JL Грибовски (1955-90 г. г.) к отысканию

новых процессов формообразования этих профилей. Хотя им и удалось повысить производительность обработки профильных поверхностей изделий, но такой технологический недостаток, как искажение профильной кривой в результате изнашивания шлифовального круга, не позволили широко применить эти процессы в промышленности (о чем будет сказано подробнее в четвертой главе).

Трудности усовершенствования процессов формообразования циклоидальных профильных поверхностей вынудили в 1941 году немецких инженеров Р. Мюссиля и Ф. Данзера разработать новую форму (названную РК-профиль) кривой поперечного сечения вала и втулки и процесс ее формообразования. Сущность этого процесса заключается в том, что режущему инструменту сообщают два поступательных прямолинейных гармонических движения (вдоль вертикальной Y и горизонтальной X осей координат) с частотой в N раз превышающей частоту вращения обрабатываемой заготовки.

Эти гармонические движения описываются следующими уравнениями: X - R - е cos (Nf), Y - Ne sin (N^). В результате суммирования двух прямолинейных гармонических движений режущий инструмент будет перемещаться по траектории, имеющей вид эллипса, т. е. ЭФ, малая ось которого направлена вдоль оси X и равна 2е, а большая, в N раз превосходящая малую, - параллельно оси Y.

В настоящее время среди множества станков зарубежных фирм, реализующих этот процесс, наибольшее распространение получил профилешлифовальный станок мод. AFD 630-2500 Р фирмы FORTUNA (Германия). Несмотря на высокую стоимость (200-700 тыс. инв. руб. по курсу 1985 г.) его приобрели более чем 100 западных фирм. В таком станке поступательные прямолинейные гармонические движения вдоль двух осей координат задаются режущему инструменту при помощи регулируемого кругового эксцентрика, ( состоящего из двух эксцентриковых втулок) взаимодействующего с двумя плоскими толкателями.

Настройка и поднастройка станка на линейные функционально изменяющиеся размеры малой (2е) и большой (2Ne) осей ЭФ осуществляется путем относительного разворота указанных эксцентриковых втулок.

К недостаткам данного станка можно отнести следующее: большое время (20 мин и более) настройки и поднастройки на линейные функционально изменяющиеся размеры; низкая (60 об/мин)

частота вращения обрабатываемой заготовки; невысокая точностная надежность,(что вынуждает довольно часто его поднастраи-вать); одни и те же элементы механизма-построителя используются как для задания простейших движений, так и для настройки и поднастройки.

В нашей стране разработке и исследованию новых процессов формообразования PK-профиля при помощи двух различных простейших движений уделяли внимание такие ученые как Борович JL С. , Гулмутдинов Р. Г.

В этой главе также проанализирован процесс , основанный на двух поступательных движениях по окружности и реализованный на профилетокарном станке фирмы HECKLER UND KOCH (Германия). Описанные выше недостатки стали первопричиной разработки и исследования автором данной работы еще в 1976-78 г. г. более' производительного, точного и простого процесса формообразования PK-профильных валов и протяжек. Сущность этого процесса заключается в том, что режущий инструмент (безвершинный косоугольный резец, торец чашечного шлифовального круга и др.) размещают в формообразующей плоскости, расположенной параллельно оси центров станка. Этой плоскости задается поступательное прямолинейное гармоническое движение, согласованное с вращательным движением обрабатываемой заготовки. Исследованию этого процесса посвятили свои труды Индаков ЕС. и Скомарохов Г. Я. Данный процесс был реализован автором на токарном станке мод. 1К625.

В этой же главе проанализированы работы, проводимые под научным руководством А. Франка в Технологическом институте Технического университета г.Graz (Австрия) и посвященные процессам формообразования PK-профильных поверхностей на станках с ЧПУ при невращающейся и вращающейся обрабатываемой заготовке (т.е. при шлифовании и фрезеровании).

Проведен также анализ процессов формообразования РК-про-фильных поверхностей, основанных на одном прямолинейном дисгармоническом движении.

В результате сделан вывод о том, что ЭФ PK-профиля можно получить путем: 1) сочетания двух поступательных движений (прямолинейных гармонических; по окружности; прямолинейного гармонического с амплитудой (N ± 1)е и по окружности с радиусом Ne; 2) задания одного поступательного прямолинейного гар-

монического движения при определенной установке режущего инструмента; 3) задания одного поступательного прямолинейного дисгармонического движения.

В связи с изложенным сформулирована цель исследований -разработать методологию построения процессов изготовления деталей РК- профильных соединений в условиях массового, серийного и единичного производства.

Задачи исследований:

1. Экспериментально исследовать возможность применения РК-профильных соединений с зазором при относительном перемещении зубчатых колес и валов без передаваемой нагрузки от крутящего момента. Установить аналитическую связь между допуском на радиус-вектор профиля и допусками на его эксцентриситет, средний радиус и шаг кратности профиля.

2. Разработать и исследовать комплексную графоаналитическую модель процессов формообразования РК-профильных поверхностей, а также системы одно и двухпараметрических процессов формообразования РК-профиля. Установить дифференцированные и комплексные связи мевду значениями и отклонениями параметров РК-профиля и параметров процессов его формообразования. Выявить зависимости между производительностью процесса формообразования и двумя видами (переменной и постоянной) контурной подачи.

3. Разработать и исследовать системы настройки и поднаст-ройки станка на линейные функционально изменяющиеся размеры. Установить связи меящу значениями и отклонениями угловых параметров' процессов настройки и поднастройки с линейными приращениями' функционально изменяющихся параметров процесса формообразования РК-профиля и его-радиус-вектора

4. Разработать комплекты режущих инструментов для предварительной и окончательной обработки внешних и внутренних РК-профильных поверхностей. Установить связи между значениями и отклонениями параметров РК-профильных режущих инструментов и параметров процессов их формообразования.

5. Оценить эффективность предложенного подхода решения проблемы.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ РК-3 ПРОФИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

В этой главе решались задачи, связанные с установлением аналитической связи между допуском на радиус-вектор профиля и допусками на его эксцентриситет, средний радиус и шаг кратности профиля (или кратности профиля). • Описаны результаты экспериментальных исследований в статике и динамике возникновения заклинивания в РК-профильных соединениях с гарантированным зазором.

Определена степень влияния отклонений каждого (е, В и Ц) из дифференцированных параметров профиля на отклонение его радиус-вектора р. Эта степень влияния характеризуется значениями частных производных по каждому дифференцированному параметру, которые Б. С. Балакшин назвал передаточными отношениями или коэффициентом приведения.

Известно, что радиус-вектор р является функцией некоторых величин, т.е. £> - р (й, е, N. ). Считая погрешности 00^, ООе и 00« параметров Я, е, N независимыми для соотношения

{Максимум передаточного отношения оо/оЯ имеет следующий вид

Для гладкого профиля без особых точек, т. е. при выполнении условия е ^ - 1), значение максимума можно оценить,

используя более простое выражение

Значения, получаемые с помощью выражений (2) и (3) различаются незначительно. Например, для РК-профиля с И - 25 мм, е - 1,8 мм и N - 3 они составляют соответственно 1,023 и 'сг ~1,069.

(2)

(3)

Аналогичные рассуждения при определении передаточного от

ношения Зу/Зе позволили получить ъ? РсобИ^

ае " я + е со? ЫУ

Максимум передаточного отношения согласно уравнению (4) имеем в вершинах (+1) ив основаниях (-1) профиля. Это означает, что погрешность иие один к одному передается на радиус-вектор, увеличивая его максимальный размер ^мах и уменьшая минимальный -

Для передаточного отношения Зр/Эи получено следующее выра-

зкеше: ^ еЯзШ /у* аН ' Я +есо$ N V

Исследования с помощью производной показывают, что

В итоге связь между допусками Т$>, Т^ , Те и Т^ с учетом выражений (1), (3) и (5) можно записать следующим образом

Используя зависимость (6), с помощью частичного подбора можно установить обоснованные допуски на все параметры РК-про-филя с учетом степени их влияния на точность радиус-вектора. Например, если Ту - 0,025 мм и принято, что Тц - Те - 0,01 мм, то согласно выражению (6) допуск на погрешность шага будет равен ^ - 0,01 мм.

В рассматриваемой главе предложены схемы расположения полей допусков для цилиндрических и конусообразных профильных валов и отверстий. В отличие от стандартов, принятых в Германии, Австрии и Швеции, автором предложены и обоснованы расширенные допуски Те.

В работах Боровича Л. С. и Решетова Д. Е указывалось, что вследствие наличия самозаклинивания (самоторможения) в РК-3 профильных соединениях последние не могут быть рекомендованы для применения их в соединениях с зазором, особенно когда зуб-, чатое колесо должно перемещаться относительно вала после сня-

тия нагрузки от передаваемого крутящего момента. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в МГТУ "Станкин" и на ДЗ<Ю опровергли это.

Свойство заклинивания исследовали в два этапа: при невра-щающихся деталях РК-профильного соединения (теоретически и экспериментально) и при вращающихся деталях (экспериментально).

На первом этапе теоретически установлена зависимость медду передаваемым крутящим моментом и силой осевого перемещения зубчатого блока. Экспериментальные исследования проводились для РК-3 профильных соединений с соотношением еЛЗрк - 1/32, применяемых в коробках скоростей горизонтально-фрезерного станка мод. 6Р81Г. Выявлено, что после снятия нагрузки от передаваемого крутящего момента (при негращающемся вале) зубчатое колесо находится относительно вала в заторможенном состоянии. Поэтому для осевого перемещения колеса его необходимо сдергивать при помощи усилий, намного превышающих допустимые для этого приема усилий. Таким образом, при неврашаюшихся деталях возможно появление самозаклинивания.

На втором этапе определяли возможность перемещения зубчатых блоков и колес после передачи ими крутящих моментов различных по величине и направлению. Вначале эксперимент проводили на специальном стенде, а затем, в марте 1986 г., две коробки скоростей с РК-профильными соединениями были установлены на горизонтально-фрезерные станки, работающие до настоящего времени в основном производстве ДЗ$С. За время работы этих коробок скоростей в основном производстве остаточного явления самозаклинивания не наблюдали.

Сила осевого перемещения блоков зубчатых колес не превышала этой же силы в аналогичных серийных коробках скоростей, но со шлицевыми соединениями. За семь лет работы коробок скоростей с РК-3 профильными соединениями не было замечено заеданий при осевом перемещении блоков зубчатых колес. Это объясняется тем, что в динамическом состоянии (во время вращения валов и зубчатых колес на рабочем или холостом ходу) возникают естественная вибрация, моменты трения сопротивления, знакопеременные нагрузки, а выбеги валов бывают различны, что всегда создает гарантированный противомомент, который и исключает остаточное явление самозаклинивания РК-3 профильного соедине-

ния.

Экспериментальными исследованиями установлено также, что уровень звуковой мощности в начальный период работы РК-3 профильной коробки скоростей ниже, чем шдицевой: так в начальный период работы разница уровня шума шлицевой и РК-3 профильной коробок составляла 4,5 - 7 дБ, через полтора года работы -2-2,6 дБ, а в настоящее время - 0-1 дБ. Меньший уровень шума в коробках скоростей с РК-3 профильными соединениями является следствием заклинивания под нагрузкой сопряженных поверхностей пары "вал- зубчатое колесо". В результате РК-3 профильное соединение с зазором становится соединением с натягом и изгибная жесткость его деталей увеличивается. При этом сопрягаемые вал и зубчатое колесо превращаются в единую механическую систему с общей массой, поэтому уменьшается ее частота и амплитуда колебаний

3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ДВУХПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ РК-ПРОФИЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Данная глава состоит из двух частей: первая часть посвящена разработке и анализу системы двухпараметрических процессов формообразования; а вторая часть - исследованиям точности этих процессов.

Первая часть. Анализ параметрических уравнений РК-профиля эллипса формообразования (ЭФ) позволил разработать комплексную графоаналитическую модель процессов формообразования РК-профильных поверхностей изделий ( рис. 2). Данная модель характеризуется двумя видами параметров: постоянные и функционально изменяющимися. В свою очередь они могут быть трех подвидов: 1) Параметры относительных расстояний, т. е. линейные ( постоянные N. а^, в-1 и функционально изменяющиеся: 2е, 2Ие, _р); 2) Параметры относительных поворотов, т. е. угловые - (постоянные ¥ , N ¥ , £ , р', ^ , ¿! и функционально изменяющиеся: &,

; 3) Параметры направления движений формообразования.

После этого были определены в общем виде значения параметров для каждого из конкретных процессов формообразования РК-профиля в зависимости от видов простейших движений и их сочетаний. Установлено, что для всех процессов, реализуемых двумя простейшими.движениями, кроме параметров, входящих в графо-

Графоаналитическая комплексная модель процессов формообразования РК-проу?ильных поверхностей

Рис. 2

аналитическую модель! см. рис. 2), присущ еще один угловой постоянный параметр - фаза МГ. согласования двух движений. Анализ процессов формообразования позволил выявить семь возможных вариантов задания ЭФ при относительных движениях инструмента и заготовки, которые перечислены ниже.

1. Сочетание двух поступательных прямолинейных гармонических движений (вдоль горизонтальной оси ОХ с амплитудой е и вдоль вертикальной оси ОУ с амплитудой Ие).

2. Два вида сочетаний поступательных движений прямолинейного гармонического вдоль оси ОХ с амплитудами Х| - (Ni.De и по окружности с радиусом Ые;

3. Два вида сочетаний поступательных движений прямолинейного гармонического вдоль оси ОУ с амплитудой У^ - (И ± 1)е и по окружности с радиусом е;

4. Два вида сочетаний двух поступательных движений по окружности с радиусами [ (N + 1) /2] е.

Следующим этапом при разработке системы двухпараметри-ческих процессов формообразования стала систематизация известных и отыскание новых процессов, соединение (синтез) их в общую классификацию. Были рассмотрены различные варианты расположения ЭФ в системе координат станка. Выбран один из трех возможных вариантов, при котором его малая ось расположена вдоль оси ОХ, а большая - вдоль оси ОУ.

Классификация двухпараметрических процессов.формообразования РК-профилей проведена с помощью морфологического анализа, . путем составления двух морфологических "ящиков", содержащих по четыре морфологические плоскости каждый. В первом "ящике" движения формообразования задаются в одной координатной плоскости поперечного сечения обрабатываемой заготовки, а во втором - в трех координатных плоскостях. На рис. 3 показаны две из восьми морфологических плоскостей, в которых движение 1 является переносным, а движение Z - относительным. Полная характеристика морфологических плоскостей N 1 - N б представлена в таблице.

Необходимо отметить, что в процессах 1.1, 2.1, 3.1 и 4.1 (см.рис. 3,а) два движения формообразования осуществляет режущий инструмент, а в процессах 1.4, 2.4, 3.4 и 4.4 - обрабатываемая заготовка. В остальных процессах инструмент и обрабатываемая заготовка осуществляют по одному движению.

Характеристика морфологических плоскостей морфологических "явдков" возможных вариантов двухпараметрических процессов формообразования РК-профильных поверхностей

I I I I I

Ри-|Мэр- ¡Задание по-| Поступательное движение |Направле-|Чис-су-|фоло-|ступатель--| ' |ниефор--|ло нок | гич. | ного движе- |-1-1 мообразо- | прослоек |ния | 1 | 2 |вания -|цес.

Морфологический "ящик" N 1

-1-i-1-1-1-1-

3,а| N 1 |В одной |Переносное |Относительное!Встречное! 28

- | N 2 |плоскости I - " - I - " - |Попутное | 28

- I N 3 |X0Y (Относительное[Переносное |Встречное! 28

- I N 4 | I - " - I - " - | Попутное I 28

Итого: 112

Морфологический "ящик" N 2

-1-1-1-1-1-I-

3,б| N5 |В разных |Переносное |Относительное|Встречное| 28

- | N б | плоскостях: | - " - I - " - | Попутное | 28

- | N 7 |Х0У, У01, (Относительное!Переносное |Встречное! 28

- | N 8 |Х0г | - " - | - " - |Попутное | 28

Итого: 112

Всего: 224

В каадой морфологической плоскости' размещено 23 схем процессов формообразования. Оба морфологических "ящика" содержат 224 процесса (по 112 в каждом), из которых лишь малая часть известна в теории и практике машиностроения, а большая -встречается впервые. В главе приведены примеры известных процессов формообразования и отмечено, что процесс 1.1 (см. рис. 3,а) реализован и испытан автором при создании станочного аг-

Графическое изображение морфологических плоскостей № 1(а) и N2 5(6) процессов формообразования РК-про£ильных поверхностей

.Сочетания поступательных движений: прямолинейных гармонических и по • окружности Сочетания различных параметров движений

W

и »

I I о

О

V

1 «е 2sNe

2Ц

2» Me

i»(N«i)e 2-Ne

h

г ад

I 2Л

2M

1 = е

2*(tft)e

i-e

2»((И)е

/

3.1

к

Кг з.2

i

А

I 3.1

uatpe

4J

6)

t%

Сочетания поступательных движвний:!прямолииейиых гармонических и окружности. Сочетания различных параметров движений.

а

>-

а'—

я «

3 „ i

•' а s

** а

V

i«Ne 2-е

u

wh

i - Ne 2-е

i í.

N

/s

i» Ne 2-е

3.1

7

34

1» Ne 2»(N-i)e

1-Ne

2-(И)е

7

4.4

i'íN-i)e 2«e

WN*i)e 2-е

5.1

SS

7

SA

18

а) задание движений в одной плоскости: 1-переносное движение; 2-относительное движение; б) задание движений в различных плоскостях: 1-переносное движение; 2-относительное движение.

Рис.3

регата к токарному станку мод. 163. В главе изложены также рекомендации по выбору процессов для создания комплектов специализированных металлорежущего оборудования и станочных агрегатов для любых видов производств. Выделены процессы, которые можно использовать для модернизации станков общего назначения в следующих, случаях: а) в период перехода от широкомасштабного производства изделий шлицевых соединений-к производству изделий РК-профильных соединений; б) в период производства только деталей РЕ-профильных соединений при организации единичного и ремонтного производств.

Вторая часть. Исходя из цели и задач исследований установлены связи между значениями и отклонениями параметров РК-профильных соединений и параметрами процессов. Вначале выявлено дифференцированное влияние отклонений параметров на отклонение радиус-вектора, а затем - комплексное.

При формообразовании внешних и внутренних РК-профилей с использованием двухпараметрических процессов точность радиус-вектора р зависит от точности задания множества линейных и угловых параметров процесса, т. е.

Тр - Г (Тк. Т„,Т2е , таке. тмч>, Т+, тр ...). При назначении допусков на все параметры процесса формообразования важно знать степень влияния отклонений каждого из этих параметров на отклонение радиус-вектора профиля, т.е. определить значение частных производных по каждому параметру.

Малая ось ЭФ. Если принять, что 00а - погрешность при задании длины малой оси ЭФ, то в первом приближении погрешность ООр радиус-вектора иОрй;(с1р/с1а>Ооа, где коэффициент (ёу/сЬ) и есть "передаточное отношение" для определенного значения параметра РК-профиля. Поскольку ^р -р (а, в, ), где а - е, а в - Не, то ¿р д£+ЬР Э/

да. +д <Р 'да.'

Исследованиями установлено, что

¿а " К * е со? N4'

(7)

Из анализа функции (7) установлено, что она убывает от максимального значения (+1 при - 0 или /в- - 0 ) до минималь-

ного значения (-1 при Wf-JT или W N) проходя через нуль при-в- -31 / 2N - arctg (Ne / R) . Это позволяет отметить, что в процессе формообразования РК-профилей погрешность I ыа I мах I Сор!.

Большая ось ЭФ. Аналогичным образом, как это было сделано выше, найдено (при в - Ne), что

а (8 -л н) рsinн?

d6~ J>¿ - в N (2. * R

Следовательно по первой производной ép /¿в = 0 нельзя оценить точность процесса формообразования. Дальнейшие исследования позволили определить, что

i1?

dt

Z

А'« < "Ti-г..г ^ -

К - (пг ~ 1) С

Исследования уравнения (8) позволили установить, что в процессе формообразования максимальная погрешность задания длины большой оси ЭФ, переходящая на радиус-вектор р, оценивается с помощью неравенства:

г

мах (лХ)<—=--—5-—1-|'( сов )

Например, при сов - 500 мкм погрешность равна шах Оор-р? 12 мкм, а при Сов - - 20 мкм погрешность мах сор < 0,02 мкм (для РК-профиля с И - 25 мм, е - 1,8 мм и N - 3).

Малая и большая оси ЭФ. По аналогичной методике для случая, • когда исследуется одновременное воздействие погрешностей ооа и Ыв на радиус-вектор, его максимальную погрешность можно оценить с помощью следующего неравенства:

, <,, , мЬсоаМсдН) (озе)

махыу$1ыа! + 2[К-(1\1г-Яе]

При задании допуска Т^о при помощи неравенства (9) на плоскости переменных Ыа и Ыв выделяется некоторая область, внутри которой обеспечивается выполнение неравенства Сор ^ Тр. Например, задавшись допуском на длину малой оси Та - 5 мкм находим допуск на размер большой оси Тв - 310 мкм (для РК-профиля с (3 - 25 мм, е - 1,8 мм, N - 3 и Тр - 10 мкм).

Смещение а< (см. рис. 2) центра ЭФ вдоль его малой оси.

Исследованиями установлено, что передаточное отношение cjp/daj-1 для экстремальных значений радиус-вектора О, т.е. при4* - 0° иЧ1 - <П / N.

Смещение в* (см. рис. 2) центра ЭФ вдоль его большой оси. Установлено, что передаточное отношение dp/dB - 0. Приближенное значение ^ 0

Даза Ч" согласования двух поступательных движений. Установлено, что и при наличии погрешности Cvty фазы согласования двух движений передаточное отношение - О. Приближенное

значение ^ ц3 es 2

мах Оир "Z-g ^ _ ^¿_ )

Эта максимальная погрешность достигается у вершины профиля, а минимальная - у основания.

При любом значении погрешности 6реальный ЭФ всегда вписан в прямоугольник со сторонами 2е и 2в, т.е. с такими сторонами прямоугольника, в который вписан номинальный ЭФ. Установлено, что при погрешности 0о+ —>Я/2 ЭФ стремиться к отрезку прямой - диагонали этого прямоугольника. Как показали исследования, при погрешности ии^ -СП / 2 формируется некоторая профильная кривая, у которой дуга до вершины не отображается зеркально после вершины. Это дает основание предположить,. что участок кривой до вершины обладает свойством самоторможения , а после вершины - нет. Данную задачу необходимо исследовать в дальнейших работах.

Поворот на угол В (см. рис. 2) ЭФ вокруг оси центров. Исследованиями установлено, что

i? м .PsLnNf ,

Til „» по - Ne в-Г7Т 10

df f =0 Л + ecosN^P

, ^ < ñ<?\/Rz+ Nze2 ' ■ и Я- „„

При этом мах Oüp ^-^--- ) (11)

Поворот на угол ¿J формообразующей плоскости вокруг оси центров станка приводит к возникновению погрешностей параметров R и е профиля 00^ - 2R • sin.2 (¿'/2) (12) оие - 2е • sin2 (¿J/2) (13)

I о

Например,при - 2. погрешность 15,2 мкм, и ООе~

~ 2,16 мкм. 1

Поворот на угол р. ЭФ вокруг его большой оси приводит к возникновению погрешности 2 ООе - е (1 - соз (14)

Так, при - 2? погрешность Ые;~;1,1 мкм.

Поворот на угол ¿,ЭФ вокруг его малой оси приводит к возникновению погрешности 2 ООе - е (1 - со.з ¿.) (15)

Анализ зависимостей (10) - (15) показывает, что любой поворот на большие углы вызывает незначительные изменения (приращения) длины малой оси ЭФ. Это дает основание использовать данные приемы для тонкой настройки станка на линейные функционально изменяющиеся параметры.2е и 2№ процесса формообразования.

Исследование комплексного влияния отклонений параметров процесса на отклонение радиус-вектора профиля осуществлено с •учетом приоритетных параметров. Методика, изложенная в рассматриваемой работе, позволяет учитывать любое число параметров процесса. Комплексная зависимость погрешности ООр от допусков Та (т.е. Те), Тв и Ту имеет следующий вид:

<г г 2 4.4 А к А г е г

!СОр! 5: ^е + + N е Т^, +. N Те Т^ +0,5'

Ц 2 г 2 г г г г Уг 2

• Ы е Те Ту + 0,5 N • е • Тв-Тг).|, где 1?Д-Г?-(М - 1)е (16)

При формообразовании РК-профиля с параметрами К - 25 мм,е-1,8 мм, N - 3 при Тр -0,01 мм используя выражение (16) нахо- . ДИМ: Те - 4 мкм; Тв - 670 мкм; ТуЛ Г° (0,124 рад).

4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОДНОПАРАМЕТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ РК-ПРОФИЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Трудности реализации двухпараметрических процессов формообразования и поддержания точностной надежности станков, особенно при изготовлении режущих и контрольных инструментов, выдвинули задачу отыскания более простых и надежных процессов.

В главе 4 доказана возможность формообразования внешних РК-профильных поверхностей изделий при помощи одного поступательного движения: прямолинейного гармонического или по окружности (рис. 4). Особым условием для этих процессов является обязательное размещение режущих кромок лезвийных и абразивных

Виды простейших движений твёрдого тала

а) <0

амплитудой а;

б) поступательное движение 2 по пкпукности с радиусом' е.

Рис Л

Схема расположения формообразующей плоскости А относительно

Рис.5

инструментов в формообразующей плоскости А (рис. 5). При формообразовании РК-профиля на валах, протяжках и калибрах малая ось ЭФ формируется принудительно посредством механизма-построителя, а большая - функционально зависимо непринудительно.

Анализ указанных процессов позволил установить, что они содержат на пять параметров нормируемых допусками меньше, чем процессы с двумя поступательными движениями, у которых 16 параметров нормируемых допусками. Это позволяет упростить конструкцию профилеобрабатывающего станка или станочного агрегата, повысить их точностную надежность и производительность.

С помощью выражения (16) рассчитаны допуски на одни и те же параметры двух- и однопараметрического процессов. Так, при Тр= -0,01 мм для двухпараметрического процесса Те - 0,005 мм, Тв= -0,05 мм и Т<^ - 6,6 , а для однопараметрического процесса Те= - 0,01 мм, Тв - 0 мм и V - 0°.

Из этого примера видно, что допуск на параметр процесса формообразования малой оси ЭФ (т.е. допуск Те) при однопара-метрическом процессе в 2 раза шире,чем при двухпараметрическом.

- Установлено, что движения формообразования однопараметри-ческих процессов могут задаваться как в горизонтальной и вертикальной координатных плоскостях, так и в диагональных. Предложены схемы механизмов, реализующих поступательные движения прямолинейные и по окружности.

Проведены теоретические исследования однопараметрического процесса Мосткова-Геллерта, при котором режущий инструмент . (точка М на рис. 4,6) осуществляет движение по окружности с радиусом е. В результате исследования установлена и описана аналитически связь между изменением радиуса шлифовального круга в процессе его изнашивания и отклонением радиус-вектора р внешних и внутренних профильных кривых: при увеличении радиуса круга обработанный криволинейных контур приближается к РК-профилю, а при уменьшении - к профилю укороченной гипоциклоиды. Разность диаметров шлифовальных кругов для внешней и внутренней обработки, а также их изнашивание в процессе эксплуатации вносят большие искажения в геометрию формообразующей кривой, что не позволяет использовать указанный процесс в машиностроительном производстве.

Исследованиями данной главы доказана возможность формообразования внешних и внутренних РК-профильных поверхностей при

помощи инструмента, с формообразующей точкой М, осуществляющего движение по окружности с радиусом Ne в плоскости, расположенной относительно оси центров станка под углом £ - arcsin 1/N. Движение точки М в системе координат станка описываются следующими уравнениями: Хм - Ne cos Nf sin_^; Ym - Ne sin N-2; Zm - Ne eos Ji eos N*£

Установлены параметры данного процесса нормируемые и не-нормируемые допусками.

Результат приведенных выше исследований позволил разработать систему однопараметрических процессов формообразования РК и других профилей. Методика синтеза однопараметрической системы, аналогична методике, изложенной в главе 3.

Классификация однопараметрических процессов формообразования проведена с помощью морфологического анализа, путем составления двух морфологических "яшиков", содержащих по 4 морфологические плоскости каждый. В первом морфологическом "ящике" используются поступательные прямолинейные гармонические движения, а во втором - поступательные движения по окружности. Все движения задаются в трех координатных и в трех диагональных плоскостях! "Ящик" N 1 содержит 24 процесса, а"яшик" N 2 -40 процессов. Это различие объясняется тем, что для процессов, у которых движения по окружности задаются в вертикальных плоскостях, имеется два варианта формирования большой оси ЭФ: сложением или вычитанием параметров движения.

В главе 4 дана также краткая характеристика основной части процессов однопараметрической системы. В качестве примера на-рис. 6 приведена морфологическая плоскость из "ящика" N 2: процессы 5.1, 5.2, 5.3 и 5.4 предназначены для формообразования цилиндрических или конусообразных РК-профилей, а процессы 5.5 и 5. б - для торцевых профильных поверхностей.

Приведены рекомендации: по применению методов обработки при реализации однопараметрических процессов; по областям применения однопараметрических процессов; по обоснованному выбору однопараметрического процесса исходя из технологических задач.

Морфологическая плоскость системы процессов формообразования РК-проф ильных поверхностей включающей одно поступательное движение по окружности,'задаваемое в 3-х координатных плоскостях

Рис. б

5. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ПРОЦЕССОВ НАСТРОЙКИ И ПОДНАСТРОЙКИ НА ЛИНЕЙНЫЙ ФУНКЦИОНАЛЬНО ИЗМЕНЯЮЩИЙСЯ РАЗМЕР МАЛОЙ ОСИ ЭЛЛИПСА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

Отмеченные в первой главе технологические недостатки про-филешлифовального станка типа AFD стали основой разработки и исследования системы процессов настройки и поднастройки, позволившей исключить эти недостатки.

Отмечено, что в настоящее время процессы настройки и поднастройки станка на размер малой оси ЭФ в основном осуществляется путем замены жестких (нерегулируемых) эксцентриков и изменением суммарного эксцентриситета ez при использовании двойных регулируемых эксцентриков. У последних, как показали исследования, важную роль играют отношения их эксцентриситетов е2 /е-i - Зе . В главе были исследованы для различных значений 3£ зависимости передаточного отношения de£dE - к как функции угла Е относительного разворота двух эксцентриковых втулок.

Установлено, что при 0 < 62 < 1

в£ - ел \А + зе2 - 2 Ж eos Е ', (17)

,, (18) VÍ + £ -Z <£ cos±

При этом рассмотрены три случая:

1) Зе - 0, тогда зависимости (17) и (18) принимают следующий вид: e¡; -е., и к - 0;

2) 0 < 36. <1 (0 <е2 <е/| ), тогда зависимость (18) будет выг-

к - - e-i ЗЕ -----х 7 з

1 у/1 + $г ~ Z$cqsTT

3) ЗС - 1, (е^ - e-j), тогда ее - e¿\/ 2-2 eos Е/21-- 2e.|Sin Е / 2; к - e.jcos Е / 2.

Анализ графического изображения зависимостей (17) и (18) для второго случая (рис.7) позволил определить номинал и границы предпочтительных и наихудших областей регулирования суммарного эксцентриситета, которые показаны на рис. 8.

Предпочтительные области регулирования - это те области через которые должны проходить векторы суммарного эксцентриси-

Графики зависимостей суммарного эксцентриситета е^ (а) и передаточного отношения К (б) от изменения угла £ относительного ег(мн) разворота эксцентриков для 0<£С (0<е2<е1; е1=- 2,5мм)

Схема расположения предпочтительных и наихудших областей регулирования суммарного эксцентриситета 63°

Левая область \ Большая область

предпочтительного рег-я \ ¿з° наихудшего регулирования

а, в - номиналы предпочтительных областей регулирования;

б, г - номиналы наихудших областей регулирования.

Рис. в

е-окиьх. ^ 7

тета и в которых значения к меньше максимальных. Регулирование в таких областях позволяет получать очень малые значения приращения суммарного эксцентриситета за счет больших углов относительных разворотов эксцентриковых втулок. В итоге повышается точность и производительность процессов настройки, а также точностная надежность механизма-построителя станка. В данной главе приведена методика определения предпочтительных областей регулирования.

Установлено, что для достижения требуемой точности процессов поднастройки при их максимальной производительности эксцентриковые втулки необходимо выбирать такими, чтобы отношение <56 - 0,05-0,1. Показано, что если значения ег находятся в наихудших областях регулирования, то следует выбирать новую пару эксцентриковых втулок с таким же значением Ж, но с другими номинальными значениями е* и При этом необходимо стремиться к тому, что бы номинальный размер суммарного эксцентриситета наихудшей области в первом варианте стал номинальным размером предпочтительной области во втором варианте.

Отмечено, что после достижения требуемого значения е^ необходимо произвести поднастройку кинематической цепи, согласовывающей вращения шпинделя изделия и блока эксцентриковых втулок. Эта поднастройка выполняется путем относительного разворота блока эксцентриковых втулок или шпинделя изделия в соответствующую сторону на угол:

е1 * ё,г с

агссоз

Для решения двух технологических задач С обеспечение широкого диапазона регулирования суммарного эксцентриситета с широким допуском; обеспечение высокой точности (1 мкм и менее) процесса поднастройки при максимальной ее производительности] предложена методика регулирования, основанная на использовании тройного блока эксцентриковых втулок.

В главе 5 разработаны и исследованы процессы поднастройки, включающие в себя следующие приемы: 1) Поворот плоского толкателя эксцентрика относительно вектора поступательного движения; 2)' Поворот формообразующей плоскости относительно вектора поступательного движения; 3). Повороты вектора поступательного движения относительно горизонтальной оси ОХ в горизонтальной и

вертикальной плоскостях; 4) Масштабирование размера малой оси ЭФ с помощью рычажной системы.

Графоаналитические исследования этих процессов позволили : а) установить связи между регулировочным значением угла поворота и величиной приращения размера малой оси ЭФ; б) обосновать рациональный диапазон углов регулирования (поднастройки) при повороте того или иного элемента механизма-построителя.

Рассмотренные в работе процессы настройки и поднастройки сведены в систему по следующим признакам: физической сущности; по методу изменения размера 2е; по функциональному назначению; по знаку регулирования.

С целью повысить производительность процессов настройки и поднастройки предложены комбинированные процессы, состоящие из двух и более этапов: 1) этап грубой настройки; 2) этап тонкой настройки или поднастройки. Первый этап реализуется с большим значением передаточного отношения параметров процесса настройки и с широким полем допуска на требуемый размер, а второй - с очень малыми значениями передаточного отношения и с узким полем допуска на требуемый размер.

В главе рекомендованы области применения процессов настройки и поднастройки на линейные функционально-изменяющиеся размеры, а также дан пример решения задачи по отысканию последовательности выполнения большого числа процессов настройки и поднастройки и их сочетаний при помощи экспертной системы Micro-Expert, разработанной Червяковым Л. М.

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПРОЦЕССОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ' РК- ПРОФИЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Задача стабилизации контурной подачи является актуальной для одно- и двухпараметрических процессов, особенно для тех, которые основаны на поступательном прямолинейном гармоническом движении. При ее стабилизации с одной стороны повышается производительность процесса формообразования, а с другой - выравнивается качество поверхностного слоя вдоль контурной кривой РК-профиля.

В главе приведены результаты аналитических исследований производительности одно- и двухпараметрических процессов, основанных на поступательных прямолинейных гармонических дви-

жениях. Установлена связь между максимально достижимыми скоростями Умаху и V махх движения инструментального шпинделя (или шпинделя изделия) вдоль вертикальной и горизонтальной осей координат и частотой вращения пу и п^ шпинделя изделия,

а ШеНН0: ШаГта*х тоУмаху

Если при реализации однопараметрического процесса принять, что Ушах этого процесса равна Ушах двухпараметрического, то можно найти следующее соотношение:

г?/ 1$пге

^ А ПШ) U ш л ' S Ч\ М ^

ñy" JfJTe ■ 10 QOVma

N (19)

Из соотношения (19) видно, что максимальная частота вращения обрабатываемой заготовки однопараметрического процесса при прочих равных условиях может быть в N раз больше, чем у двухпараметрического и, соответственно, производительность однопараметрического процесса выше двухпараметрического.

В главе отмечено, что у двух- и однопараметрических процессов, основанных на поступательных движениях по окружности производительность лезвийной и шлифовальной обработки РК-профилей изделий почти такая же, как и при обработке круглых поверхностей аналогичных размеров.

Задача стабилизации контурной подачи при формообразовании внешних и внутренних РК-профилей решена в два этапа. На первом этапе аналитически исследована связь между постоянной контурной подачей и изменением угловой скорости РК-профильной заготовки (для различных методов обработки); на втором этапе исследована связь между радиусом инструмента и производительностью процесса формообразования РК-профилей, с использованием различных методов обработки.

В результате исследований первого этапа установлены аналитические зависимости, характеризующие закон возвратно-поступательного движения - шлифовального круга Ок или заготовки .полярный угол ^Р' заготовки, а также закон вращения с угловой скоростью 00 обрабатываемой заготовки: Х'ок =\/(R¿ + е cos N-9¡) + (N е sin N-9*),nie Ra=R + ftt, "+" - при обработке вала; "-" - при обработке отверстия;

f '' - 4 - arete _/^g S in MV .

I arctg ^ + ecos ,

R CRj + ecos N<6¡ [r¿ - (нг-1) ê] eos

В главе 6 разработан алгоритм расчета данных, характеризующих процесс формообразования с постоянной контурной подачей, который был реализован в виде подпрограммы. На основании расчетов для различных методов обработки РК-профильных поверхностей изделий построены графики, два из которых показаны на рис. 9. Анализ этих графиков позволяет отметить, что при шлифовании РК-профильного вала угол его поворота вначале (в течение 1/6 части периода) обгоняет угол , а затем отстает (где и Н? обозначают углы поворота обрабатываемой заготовки при ее переменной'и постоянной угловыми скоростями). При растачивании и шлифовании наблюдается обратная картина.

В работе установлено, что при шлифовании РК-профильных валов и отверстий неравномерность вращения обрабатываемой заготовки увеличивается с возрастанием диаметра шлифовального круга и наоборот. Сравнивая лезвийную и шлифовальную обработку РК-профильных валов и отверстий можно отметить, что при шлифовании вала кругом Rk - 300 мм неравномерная Ы угловая скорость вращения обрабатываемой заготовки изменяется в пределах от 0,666 до 2,242 (см. рис. 9), при обработке торцем режущего инструмента - от 0,634 до 2,358, при точении - в пределах от 0,933 до 1,078.

На втором этапе исслёдований стабилизации контурной подачи установлено, что повышение q производительности процесса формообразования и диаметральные размеры режущих инструментов имеют связь в виде: ~ _

q-*mflí ~ * 100%, (20)

л>

где Рмах - эквивалентный радиус, подробно описанный в данной работе.

На основании зависимости (20) установлены аналитические связи для конкретных методов обработки:

1) при точении РК-профильных валов и отверстий: Ч - С2Ы (И -V И2- -1* V 1 - (еЛ?)2 )' - 1] 100%

Графическое изображение зависимостей отображающих

характер неравномерности угловоа скорооти вращения обрабатываемой заготовки РК-профильного вала (К " 25 мм,; £ =■ 1,6 мм; N • 3) при шлифовании его кругом

Графическое изображение зависимости производительности процессов формообразования РК-профил»и при постоянной контурнбй подаче от изменения размере {Ц радиуса шлифовального круга

360

г ■ Г ■ | - , ■ , | , 1 Я„ а 0 соответствует ючении РК-проФилтих .валов и отверстий;

1 1 вх>0 - соответствует шлифовании РК-профильннх валов перифери ч <С0 - соответствует шлифования рк-профильвого отверстия; ^ 1 . 1 1 | ей круга;

\ 1 1 8 = (Х - соот реху вотствует вего инст! шлифовани уиепта. и фрезер овании РК- профильны х валов то рцем

[+-

1 1 1

1 I 57,6

50,1

1— 1 1

1 7,35 и

-9 О

25 50

100

150

200 250

Рис.10

300

350

100

со

2) при шлифовании РК-профильных валов торцем чашечного круга q - [ (И2 - 1)е]/1М00%, а при шлифовании кругом конечного радиуса Нк: д ^ ^

+ Я к +Гмг- 1) 100*121)

3) при шлифование РК-профильных отверстий производительность при постоянной контурной подаче повышается в Рмах/[? (раз), т.е. в [_Х -(]**-/) + е)

I [1 - Кк -<Гмг-Л е]

( раз) (22)

Используя зависимость (22) рассчитаем повышение производительности ч процессов формообразования с постоянными контурными подачами для кругов с различным радиусом. На основании этих данных построена зависимость (рис. 10), анализ которой позволяет отметить следующее-..

1) процесс формообразования РК-профильных поверхностей изделий с постоянной контурной подачей целесообразней всего применять для шлифования РК-профильных валов и отверстий, т.к. при этом производительность процессов, по сравнению с традиционными (т.е. с переменной контурной подачей) повышается следующим образом: при шлифовании РК-профильных валов кругом 1?к -300 мм на 50%; при шлифовании РК-профильных валов торцем чашечного круга или фрезеровании - торцевой фрезой на 57%; при шлифовании РК-профильных отверстий кругом йс - 9 мм на 372% (т.е. в 4,7 раза);

2) при токарной обработке РК-профильных валов и отверстий производительность повышается всего лишь на 7%.

7. РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ РК-ПРОФИЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ

На основании результатов теоретических исследований были разработаны и изготовлены: а) станочные агрегаты к станкам общего назначения: в том чмсле два к горизонтально-фрезерным станкам, два к токарным, один к внутришлифовальному станку; б) узлы модернизации к токарно-затыловочным станкам различных моделей и резьбошлифовальному станку. Проведены исследования токарной обработки РК-профильных валов и протяжек (прошивок) на специальном профилетокарном станке, реализующем однопа-

раметрический процесс с поступательным движением по окружности.

Результаты экспериментальных исследований этих агрегатов и узлов подтвердили следующее: правильность представления процесса формообразования РК-профиля, т.е. то, что он состоит из трех частей: а) процесса задания поступательных движений; б) процесса настройки на функционально изменяющиеся размеры; в) процессов поднастройки; надежность станков и их станочных агрегатов при обеспечении требуемой точности функционально изменяющихся размеров, максимальной производительности процесса формообразования и особенно процесса поднастройки; возможность задания высоких частот вращения обрабатываемой заготовки на рабочих ходах (п - 630 об/мин) и на холостых (п -1000 об/мин).

Разработана САП УП для фрезерования и шлифования внешних и внутренних РК-профильных поверхностей на станках с ЧПУ. Программирование предусматривает два вида обработки: а) обработка при невращающейся заготовке с использованием двух относительных прямолинейных движений режущего инструмента и обрабатываемой заготовки; б) обработка при вращающейся в центрах заготовке с возвратно-поступательным движением плоского прямого шлифовального круга.

Созданы оригинальная конструкция и технология изготовления РК-профильной протяжки (прошивки, долбяка), не имеющей аналогов в мире.

В результате теоретического исследования установлена связь между постоянством ширины фаски на пространственно-искривленной режущей кромки зуба и направлением вектора поступательного движения шлифовального круга при заточке зуба по задней поверхности.

Разработан, теоретически исследован и экспериментально проверен процесс долбления профильных отверстий на зубодолбеж-ных станках. Установлено, что торцевой профиль долбяка для обработки отверстий с произвольным выпуклым профилем при поступательном движении обката должен быть эквидистантным к обрабатываемому профилю.

Предложены схемы и средства для измерения РК-профильных валов и отверстий при помощи микрометрических и индикаторных устройств.

Разработаны технологические процессы изготовления валов и

зубчатых колес с РК-профильными поверхностями в условиях Горь-ковского автомобильного завода.

Разработаны и изданы технические задания на изготовление специальных станочных агрегатов, станков и измерительных средств, необходимых для изготовления деталей с РК-профильными поверхностями.

Годовой экономический эффект (по курсу 1985 г.) от применения новых технологий изготовления деталей с РК-профилем взамен технологий изготовления деталей со шлицами составляет для раздаточной коробки автомобиля ГАЗ-66 250. 990 руб и для редуктора заднего моста автомобиля ГАЗ-5Э 659.688 руб. При этом в два раза сокращаются (с четырех до двух) требуемое число станков и, следовательно, производственная площадь.

На основе теоретических исследований и практической реализации множества процессов и методов обработки рекомендованы соответствующие процессы формообразования РК-профилей, процессы настройки и поднастройки станков, позволяющие создать комплектоы отечественных высокопроизводительных станков, а также комплекты режущих инструментов и контрольно-измерительных средств, необходимых для изготовления деталей с РК-профилем в массовом, серийном и единичном (ремонтном) производстве.

В приложении приведены таблицы справочного характера

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В результате выполненных комплексных исследований (теоретических и экспериментальных) решена крупная актуальная научная проблема, состоящая в СОЗДАНИИ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ОБОСНОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПРОФИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ С РАВНООСНЫМ КОНТУРОМ (РК-профилем).

Установлено, что РК-3 профильные сопряжения можно применять в соединениях с зазором с относительными перемещениями зубчатых колес и валов после снятия нагрузки крутящего момента.

Детали со срезанным профилем типа Кс-3 и Кс-4 можно применять, в соединениях с зазором для выполнения одновременно передачи крутящего момента и перемещения зубчатых колес относительно валов. Тем самым доказана возможность расширения области применения профильных соединений по сравнению с существующими сегодня представлениями.

Основные результаты исследований.

1. Процессы формообразования внешних и внутренних РК-профильных поверхностей изделий можно представить в виде системы двухпараметрических процессов, включающие в себя принудительные простейшие поступательные движения двух бидов: прямолинейное гармоническое: по окружности.

Формирование эллипса формообразования (ЭФ) при этих процессах должно осуществляться путем указанных видов движений с учетом множества комбинаций . номинальных значений параметров этих движений, которые установлены в работе.

Шжду номинальными значениями параметров движений (и их отклонениями) и номинальными значениями параметров ЭФ (и их отклонениями) существует связь, выявленная аналитически и изложенная в работе.

2. Основой любого процесса формообразования должна быть комплексная графоаналитическая модель, которая разработана в работе с учетом системы параметрических уравнений, описывающих геометрию РК-профиля. Эта модель характеризуется параметрами двух видов: линейными и угловыми. В свою очередь каждый из этих видов характеризуется двумя подвидами: постоянными и функционально изменяющимися.

3. Любой процесс формообразования должен рассматриваться как состоящий из трех подпроцессов: 1.) процесса задания простейших движений; 2) процесса настройки на постоянные и функционально изменяющиеся линейные и угловые размеры; 3) процесса поднастройки на эти размеры.

4. Между отклонениями параметров процесса формообразования и РК-профиля существует аналитическая связь, которая характеризуется следующим. Степень влияния отклонений (передаточное отношение) различных параметров процесса на отклонения параметров РК-профиля вдоль его контура колеблется от +1, до значения намного меньшего единицы, а по характеру может быть постоянной или функционально изменяющейся.

Максимальные значения степени влияния у всех линейных и угловых параметров процессов формообразования проявляются при различных значениях углового параметра РК-профиля, т.е. имеется определенный запас точности, если допуски на параметры процесса назначаются исходя из указанных максимальных значений.

«

5. Процесс формообразования внешних PK-профильных поверхностей (валов, протяжек, прошивок, калибров, технологических оправок и др.) можно представить в виде системы однопараметри-чееких процессов, включающих в себя принудительное простейшее поступательное движение одного вида: прямолинейное гармоническое или поступательное по окружности. Формирование ЭФ при этих процессах осуществляется путем использования одного принудительного движения и второго - функционально зависимого непринудительного.

Из сравнения одно- и двухпараметрических процессов показано следующее: число параметров нормируемых допусками уменьшается с 16 (при двухпараметрическом процессе) до 10 (при одно-параметрическом процессе); уменьшение числа нормируемых параметров позволяет расширить допуски на линейные функционально изменяющиеся параметры однопараметрического процесса с передаточным отношением, равным 1. Например, допуск на размер малой оси ЭФ увеличивается в 2 раза с 0,005 мм (при двухпараметрическом процессе) до 0,010 мм (при однопараметрическом процессе).

6. Сущность системы процессов настройки и поднастройки состоит в том, что довольно ошутимые значения отклонений при регулировании параметров процесса формообразования вызывают весьма малые отклонения (приращения) радиус-вектора профиля или размера малой оси ЭФ.

У процессов настройки и поднастройки, основанных на относительных поворотах круговых эксцентриков, вектор суммарного эксцентриситета должен находиться в предпочтительной области регулирований.

У процессов поднастройки, основанных на повороте элементов механизма-построителя, диапазон рационального регулирования величины приращения размера мапой оси ЭФ должен иметь обоснованные (рациональные) интервалы отклонений углов поворота.

Для комбинированных процессов настройки и поднастройки логическая связь сводится к следующему: диапазон изменения размера в процессе поднастройки должен быть несколько больше допуска на этот же размер, принятый для процесса настройки.

?. Между радиусом инструмента и производительностью процесса формообразования с постоянной контурной подачей существует аналитическая связь: с увеличением радиуса производитель-

ность увеличивается.

8. В ЗАКЛЮЧЕНИИ сформулированы основные результаты работы, а также задачи для будущих исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ:

1. Тимченко А. И. Перспективы изготовления и применения профильных бесшпоночных соединений в машиностроении // Технология и оборудование обработки металлов резанием. - М.: ВНИИ-ТЭМР, 1983. - Вып. 3. - 48 с.

2. Тимченко А. И. Новый способ обработки профильных валов и отверстий с равноосным контуром на токарном станке // Вестник машиностроения. - 1981,- N 9,-С. 48-52.

3. Тимченко А. И. Обработка профильных поверхностей с равноосным контуром // Станки и инструмент.- 1991.-М 11,-С. 27-33.

4. Тимченко А. И. Профильные бесшпоночные соединения с равноосным контуром, их достоинства, недостатки, области применения и этапы внедрения // Вестник машиностроения. - 1990. - N 11.- С. 43-50.

5. Чарнко Д. В., Тимченко А. И. Профильные соединения валов и втулок в машиностроении // Вестник машиностроения.- 1981,- N 1.- С-. 33-37.

6. Тимченко А. И. Технология изготовления деталей профильных бесшпоночных соединений: Обзор. - М.: ВНИИТЭМР. - 1988. - 160 с.

7. Тимченко А. И. , Панов А. А. , Тимченко Л. Л. Способ обработки валов. Авт. свид. N 655117, СССР, М. Кл. В 23 В, 1/00 Б. И.- N 12.- 1979.

8. Тимченко А. И., Схиртладзе А. Г. Способ формообразования профиля "Равноосный контур" на валах при однокоординатном перемещении режущего инструмента // Автоматические линии и металлорежущие станки. - ЭИ: Отечественный опыт / ВНИИТЭМР. -1986. - N 3. - С. 9-12.

9. Тимченко А. И. Устройство для бескопирной обработки профильных валов с равноосным контуром. Авт. свид. N 743793. М. Кл. В 23 С 3/08, Б. К - N 24. - 1980.

10. Тимченко А. И. Синтез, анализ и выбор процессов формообразования РК-профильных поверхностей для массового, серийно-

9. Тимченко А. И. Устройство для бескопирной обработки профильных валов с равноосным контуром. Авт. свид. N 743793. М. Кл. Б 23 С 3/08, Б. К - N 24. - 1980.

10. Тимченко А. И. Синтез, анализ и выбор процессов формообразования РК-профильных поверхностей для массового, серийного и единичного (ремонтного) производств// Вестник машиностроения. - 1991,- N 1.- 0 39-48.

11. Тимченко А. И. Система .процессов формообразования профильных поверхностей с равноосным контуром// Конструк-торско-технологическая информатика, автоматизированное создание машин и технологий (КТИ-89). Доклад науч.-техн. конф.-М. : ВНШТЭМР,- 1989.-С. 88-96.

12. Тимченко А. И. Основные технологические задачи процессов формообразования РК-профильных поверхностей // Проблемы интеграции образования .и науки. Тез. докл. науч. метод, конф. - М.: ■ВНШТЭМР. -1990. - С. 52.

13. Тимченко А. И. Определение изменения передаточного отношения в процессе формирования погрешности радиус-вектора профиля от ошибки задания эллипса формообразования. //Повышение качества и надежности машиностроительной продукции. Тез. докл. науч. -техн. конф. Управление статистики Волынской обл. Луцк.: -1989.-С. 64-65.

14. Тимченко А. И. Исследования влияния ошибки фазы согласования движений формообразования РК-профиля на точность радиус-вектора. //Качество и надежность технологических систем. Тез. докл. науч. техн. коеф. КИИ. Краматорск.: - 1992. - С. 78-79.

15. Положительное решение на заявку N 4912833/08 (118377) Способ настройки станка для обработки РК-профильных поверхностей. /А. И. Тимченко, С. Н. Лапин. - Принято 26. 09. 91.

16. Положительное решение на заявку N 890330 (118891). Способ настройки станка для обработки РК-профильных поверхностей. /А. И. Тимченко, С. Е Лапин. - Принято 26.09.91.

17. Тимченко А. И. Способ обработки профильных валов с равноосным контуром. А. с. 764250 СССР: МКИ В 23 В 1/00.

. 18. Тимченко А. И. , Боголюбов А. В. Повышение точности шлифования внутренних и наружных поверхностей профильных соединений // Вестник машиностроения,- 1983,- N 6.-С. 47-52.

19. Тимченко А. И. Специальный токарный станок с ЧПУ модели 174054 для обработки валов с РК-профилем: Техническое эада-

ние. М.: -ВНИИТЭМР. - 1983,- 63 с.

20. Тимченко А. И. , Шухарев Е. А. Новые конструкции и технология изготовления протяжек для обработки профильных отверстий с равноосным контуром (РК)// Проблемы интеграции образования и науки. Тез. докл. науч.-метод, конф. - М.: ВНИИТЭМР. -1990.- С. 5.

21. Тимченко А. И. Исследование точности процессов формообразования профильных валов с равноосным контуром //Вестник машиностроения. - 1986.- N5.- 0. 41-42.

22. Тимченко А. И. . Лапин С. Н. , Губачек Э. Ю. Коробка скоростей гориз. - фрез, станка 6Р81Г с профильными соединениями типа РК-3 //Вестник машиностроения. - 1990.-И 11.-С. 51-54.

23. Тимченко А. И. Самоконтрящиеся резьбовые соединения с РК-профилем и технология их изготовления //Вестник машиностроения. - 1990. - N 2. - С. 51-53.

24. Соломенцев Ю. М. , Тимченко А. И. Профильные бесшпоночные соединения, их конструктивные виды, технология изготовления и перспективы внедрения в машиностроительные отрасли СССР. //К : Мосстанкин. - 1986. -37 с.

25. Тимченко А. И. Устройство к горизонтально-фрезерному станку 6Д82Ш для фрезерования профильных валов с равноосным контуром. Техническое задание //и.: ВНИИТЭМР.-1988. - 43 с.

26. Тимченко А. И. РК-профильные соединения и их применение в различных отраслях промышленности // СТИН. - 1993. - N 2. - с. 13-1а

27. Тимченко А. И. Анализ точности процессов формообразования РК-профильных поверхностей // СТИН. - 1993. - N 3.

28. Червяков Л. М. , Тимченко А. И. Процессы настройки и поднастройки станков для обработки РК-профилей и выбор их последовательности при помощи экспертных систем // СТИН. -1993. - N 5 - С. ......

29. Timchenko A. I. Accurate forming of Polygon shafts with an equlaxial contour // Soviet Engineering Research, 1986, Volume 6, Number 5, May. s. 33-35 (США).

30. Timchenko A. I. , LapinS. N. , Bogolyubov A. V. Shaping of noncircular holes with Profile shaper cutters // Soviet Engineering Resear e 11,Number 5,s. 147-153(США).

- 0.6..-if.