автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка оборудования и инструмента контурного кругового строгания с целью повышения производительности и точности изготовления цилиндрических зубчатых колес

..Министерство высшего и среднего специального

образования РС<1СР Московский ордена Трудового Красного Знамени стаякоинструментальный институт

На правах рукописи

Васильев Сергей Константинович

Разработка оборудования и инструмента контурного кругового строгания с целью повышения производительности и точности изготовления цилиндрических зубчатых колес

Специальность: 05.03.01 - Процессы механической и физико-технической обработки» станки и инструмент

•АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учепл{* / кандвдата технических н

Москва, 1990 г.

Работа выполнена в Центральном научно - исследовательском технологическом институте.

Научный руководитель - профессор, доктор технических наук

Тернюк Н.Э. у /

Официальные оппоненты - профессор, доктор технических наук

Сухоруков Ю.М. кандитат технических наук

I

Ермолаев В.К. Ведущая организация: ' ПО "Кировский завод"

' час.

на заседания специализированного совета К 063.42.05 в Московском станкоинструментальном институте.

Адрес института: Ю1472, Москва К-55, Вадковский пер.,д.За

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского станкоинструменгального института.

Автореферат разослан рлял^/л^ 1990г.

Ученый секретарь специализированного совета

к.т.н., доцент Л ..-;v Поляков Ю.П.

| а.

I диссертации

- 3.-

ОБЩАЯ ХАРАлСТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Основными направления«! экономического' г социального развития СССР на 1986-1990 и на период до 2000 года поставлена задача повышения производительности ыетаялорезуцего оборудования. ;;

Особенно актуальна задача повышения производительности изготовления типовых деталей массового производства, к которым относятся цилиндрические зубчатые колеса. Операция формирования зубье! колес имеет высокую удельную станкоемкость (от 23 до 45% всего времени механообработки). Наиболее высока удельная станкоемкость операции нарезания зубьев при изготовлении колес с закрытыми венцает.

Одним из путей, позволяющих повысить производительность зубо-нарезания, является использование станков и инструмента, работащя методом копирования. Однако юс применение ограничено вследствие низкой точности изготовления зубчатых колес, отсутствием сведений о влиянии кинематики резания и технологических параметров на точность обработки зубчатых колес.

В связи с этш актуатьной становится научная задача исследова •ния всего комплекса вопросов, связанных с обработкой колес методом копирования.

Цель ваботн. Целью работы является.повышение производительности зубообррботки и качества обработки путем повышения точности нарезания зубьев колес методом контурного кругового строгания и разработка оборудования и инструмента. ,

Методы исследование» Результаты работы получены на основе теоретических и экспериментальных исследований. Теоретические исследования выполнены с применением методов теории зубчатых зацеплений, матричной и векторной алгебры, дифференциального исчисления,

а также методов планирования экспериментов.

Экспериментальные исследования проведенн на модернизировали станке в лабораторных и производственных условиях с использована современной измерительной аппаратуры.

Научная новизна. Научная новизна заключаемся в :

- математической модели оптимизации конструкции узлов станка по заданным условиям резания;

- математической модели влияния кинематики резания и теп логических параметров на точность обработки колес;

- математической модели профилирования инструмента; !

- математической модели влияния геометрических параметре: на стойкость инструмента.

Практическая ценность заключается в разработке рекомендац! доя повышения производительности нарезания зубьев цилиндрически зубчатых колес наружного и внутренного зацепления в 4 - 5 раз не сравнению с зубодолбленизм и_в 2- 3 раза по сравнению с зубофр< верованием, обеспечивающие точность изготовления зубчатых колес в пределах 7-8 степени точности по ГОСТ 1643 - 81, а также для дяя определения области эффективности применения метода контура го кругового строгания.

Реатазадня работы» Станок для контурного кругового строган: на базе модернизированного стачка-мод. 5А130 внедрен в производстве предприятия п/я .1 - 1125 с годовым экономическим эффектом 35.000 рублей на операции нарезания зубьев барабанов фрикционов

Новый метод профилирования зубострогальных резцов огибание] на зубошлифовальных станках мод. 5А841 принят в качестве базово при шлифовании резцоз в инструментальном производстве предприят

Апробация работы и публикации. Основные положения работы доложены и обсуядены на заседании технического совета ЩИТИ, на заседании секции технического совета ШИИ "Оргстанкинпрон", на семинаре "Новые достижения в области технологии", (Москва, 1986 г.), на заседании кафедры "Станки и инструмент" Московског станкоинструменгального института, 1989 г.).

По теме диссертации опубликовано 3 работы и получено 2 авторских свидетельств.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из восьми глав и общих выводов, изложенных на <22. страницах машинописного текста, содержит 7 ¿"рисунков, /7 таблиц, список литературы из 92 наименований и 5 приложений.

Основное содержание работы

ПЕРВАЯ ГЛАВА посвящена анализу состояния вопроса и поста новке задач иследования.

Зубчатые колеса с закрытыми венцами могут быть нарезаны только инструментом, совершающим возвратно-поступательное движе ние, т.е., методами зубодолбления.

Зубодолбление огибанием дисковыми долбяками универсально, является основным .методом зубонарезания, обеспечивает высокую степень точности изготовления (до 5-ой степени точности). Несмо ря на ряд работ, направленных на повышение производительности -(Пахомов В.В,, Мойсенко О.И., Егоров В.П. и другие), эубодолбле ние имеет;/ самую низкую производительность по сравнении с другим методами зубонарезания.

Зубодолбление многорезцовыми головками методом копирования (метод Шерспид) имеет производительность в 8-10 раз выше, чем зубодолбление дисковыми долбяками, но не обеспечивает требуемую точность зубонарезания.

Исследования в области зубодолбления многорезцовыми головками выполнялись рядом авторов (Матюшин В.М., Сахаров Г.Н., Евдак A.A., Семенченко Д.И.).

На основании летературных данных показано, что эубодолбление многорезцовыми головками имеет высокую производительность, но вследствие низкой точности зубонарезания (9-ГО степень точности по ГОСТ 1643-81) практически не применяется в отечественном машиностроении.

В последние годы за рубежом и в СССР начаты работы по совершенствованию метода Шерспид (Рык Ф.В.). Разработанный новый метод получил название контурного кругового строгания (ККС) вследствие введения дополнительного периодического поворота штосселя после каждого двойного хода. Однако отсутствуют исследования по производительности и точности зубонарезания методом ККС. Высокая' слож-—ность профилирования резцов и их невысокая стойкость также сдерживают внедрение ККС. --

На основании изложенного были сформулированы следующие задачи исследования:

1. Разработать теоретические основы метода ККС.

2. Выполнить теоретические и экспериментальные исследования точности зубонарезания методом ККС.

3. Выполнить теоретические исследования по формообразованию резцов огибанием для разработки нового высокоэффективного метода профилирования точного режущего инструмента.

4. Провести точностные и стойкостные исследования резцов ,при нарезании колес методом ККС,

о. Разработать технические средства, в том числе и станок, для реализации ККС и определить оптимальные параметры станка в зависимости от условия резания.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена разработке методики проведения исследований.

Введение дополнительного движения деления изменяет характе зубонарезания и тем самым влияние технологических погрешностей точность изготовления зубчатых колес. Исследование точности зуб нарезания методом ККС проводится на основе научных основ техно'л гии машиностроения, точности зубчатых колес, разработанных Б.А. Тайцем, Марковым Н .Н., Литвином Ф.Л.

Для разработки новой технологии профилирования на основе т рии огибающих, поверхностей и зубчатых зацеплений были выполнены исследования профиля резца, полученного движениями огибания.

Для проверки полученных теоретических зависимостей точност профилирования резцов по новой технологии и зубонарезания метод ККС необходимо провести статистические исследования. Исследован по точности состоят, в оценке погрешности резцов и зубчатых коле и их распределения с использованием контролируемых технологичес ких параметров. Для этого используется методика статистического анализа результатов измерений.

Анализ количественного характера влияния геометрических па метров на стойкость резцов должен проводиться на основе математ ческой модели, полученной в результате экспериментальных исслед ваний с использованием методов-планирования экспериментов. На о ве полученного адекватного уравнения регрессии производится опт мизация геометрических параметров резцов, обеспечивающих их наи высшую стойкость.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА -посвящена исследованию теоретических основ м тода контурного кругового строгания. ■

Анализ кинематики резания ККС показал, что введение дополн тельного движения деления изменяет циклограмму и схему резания

при этом число резцов в головке уке не зависит от числа зубьез нарезаемого колеса (рис. I).

На основе анализа кинематики резания ККС максимальное рад ное расстояние между двумя следами резцов во впадине (максима; толщина стружки) может быть определено по формуле:

'Я1тах (I)

где - радиальная подача резцов на один двойной ход,мм/д:

¿¿^ - максимальное угловое расстояние между резцами в у] вых шагах. .'

Минимальные радиальные погрешности будут в том случае, к< радиальное расстояние между двумя следами резцов во впадине б^ равно НУЛИ, Т.е. кетах 51 0«

Данное условие может быть выполнено в двух случаях:

1) = I (частный случай ККС - метод Шерспид)

2) £р в 0 (калибровка колеса при нулевой подаче резцоз Проведенные исследования показали, что введение калибровки в т це резания устраняет влияние тангенциальных и радиальных погре ностей инструментального контура головки на соответствующие пс затели нарезаемых зубчатых колес. На основе исследований полу* аналитические зависимости влияния технологических погрешносте! точностные параметры Нарезаемых зубчатых колес, построены гис1 граммы влияния технологических параметров на погрешности зубч; колес (рис. 2).

Так например показано, что погрешность профиля резца сос! ляет 99^ суммарной погрешности профиля нарезаемых зубчатых ко;

Для обеспечения правильного формообразования зубьев коле< строгании проекция зубострогального резца на торец нарезаемой колеса должна быть идентичной профилю впадины колеса. При тре<

мой точности зубонарезания (8-я степень) боковые стороны резцов должны иметь криволинейные режущие кромки - это повышает точное инструмента, но резко усложняет технологии его изготовления. К; вестные конструкции зубострогальных резцов с прямолинейными бо* выми режущими кромками проще в изготовлении, но им присущи неустранимые органические погрешности профиля зубчатых колес.

В связи с этим выполнен комплекс исследований и разработо1 по созданию геометрически точных резцов с криволинейными режущ] ми кромками.

Рассматривая задние поверхности резцов как совокупность 01 бающих семейства поверхностей резания при относительном движен: получаем, что в случае эвольвентного сечения резца поверхность профилирующего инструмента будет иметь вид инструментальной ре] с прямолинейным трапецевидным профилем.

Для обеспечения профилирования резцов по новому методу ра: ботана специальная оправка-кассета, в пазах которой установлен] резцы. При этом их задние поверхности образуют некоторый преры: тый зубчатый контур-(рис. 3).

Проведены исследования технологической системы резцы-опра станок. Получены аналитические зависимости точностных параметр профилируемых резцов от влияния технологических погрешностей.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА посвящена разработке и созданию станка -д реализации ККС. •

С целью снижения затрат и ускорения работ была выполнена модернизация серийного станка мод. 5А130. При модернизации был установлены механизм деления для осуществления прерывисто-вращ тельного движения заготовки и ее последующей фиксации.

Наиболее ответственным узлом модернизации являлся штоссел предназначенный для закрепления заготовки и сообщения ей возвр поступательного движения резания. Конструкция штосселя должна

печить максимальную производительность, которая ограничена ди] мическими нагрузками движущихся масс. Вследствие этого длину хода £ и число двойных ходов штосселя определяют по фо; лам:

_ 5000

где В - ширина зубчатого- венца.

Для обеспечения повышенной жесткости системы СПИД в уело высоких знакопеременных усилиях резания при ККС разработана н зубодолбежная головка (а.с. № 1495031). Отличительной особенн резцовой головки является быстрослоенность корпуса с резцами отдельно самих резцов, а также повышенная жесткость стыковых динений. Конструкция резцовой головки расчитывается из услов максимальной производительности, точности нарезания и равноме ти максимальных нагрузок на резцы при резании.

Для обеспечения всех условий оптимальное сочетание числ резцов в головке и угловых шагов между ними определяется по $ мулам:

г!

А 'СЙг) ~ ¿£ ^-¿с)'

/ • — 0.875 Пг ~ г ЧП

где 2 - число зубьев колеса ;

Л - высота профиля зуба ; П2 - число двойных ходов за цикл.

- 1Г -

При оптимальных конструктивных параметрах станка и режима резания производительность станка для КСС расчитывается по фор муле:

Г)__ЗООООО_ / _ . ,

Чт - (гоь-£г1 -зг)+5осо

Производительность КСС в 4-5 раз вьше зубодолбления огиб нием, в 2-3 раза выше зубофрезерования, но в 1,5-2 раза ниже зубострогания методом "Шерспид".

. В ПЯТОЙ ГЛАВЕ приведены результаты экспериментальных исс дований точности профилирования резцов новым методом.

Статистическая обработка результатов измерений показала хорошую согласуемость расчетной точности резцов с фактической. При этом отклонения среднего значения погрешностей от расчетно не превышало 10%.

Практическое совпадение кривых распределения погрешностей их малый разброс как в-каждом комплекте резцов, так и во всей партии указывает на высокую стабильность процесса профилировав резцов по новому методу. При этом погрешность профиля зубострс гальных резцов равнялась 12 ыкм, что соответствует 6-ой степе точности по ГОСТ 1643-81, а время профилирования в 4-4,5 раза меньше, чем по традиционной технологии.

ШЕСТАЯ ГЛАВА посвящена экспериментальным исследованиям точности зубонарезания методом ККС.

Нарезались барабаны фрикционов внутреннего зацепления мс лем 5 мм, числом зубьев 58, глубиной профиля 6,0 мм, шириной з ца 35 мм, из стали ЗЗХС тзердостью 285...302 НВ.

Контролировались колебание длины общей нормали , р*

диальное биение , колебание.измерительного межосевого рг

стояния на одном зубе /ее и за оборот Р, погрешность профиля ./уг« погрешность направления зуба /у>г. Статистическа обработка результатов измерений показала, что'погрешности как в кг дой партии деталей, так и во всей выборке имеют малый разброс,41 указывает на высокую стабильность зубонарезания методом ККС.

Для сравнения фактической и расчетной точности зубонареэану методом ККС полученные значения погрешностей приведены в таблице

И? : Обозначение п/п: погрешностей

Расчетная величи-:Фактическое сред-:Допуск п на погрешности, :нее значение по- '.чертежу,

мм

:грешности, мм

мм

I. 0,19 0,21 0,3

2. \fvsi- 0,05 0,04 0,07

3. /л- 0,014 0,015 -

4. 0,26 0,28 0,50

5. 0,03 0,03 0,05

6. 0,04 0,03 0,07

Результаты исследований указывают на хорошую адекватность т ретических зависимостей с фактическими значениями погрешностей. При этом жесткость системы СПИД сильно влияет на значения радиал ного биения и колебания межосевого расстояния за оборот.

Точность зубонарезания мётоцом ККС соответствует 7-ой степе ~ точности по ГОСТ 1643-81, за исключением значений радиального би ния и колебания межосевого расстояния за оборот, которые соответ ствуют 8-ой степени точности по ГОСТ 1683-81.

В СЕДЬМОЙ ГЛАВЕ приведены результаты исследования влияния геоиетричесхих параметров резцов на их стойкость.

Исследования проводились на модернизированном станке иод. 5А130 методом натурных испытаний путем обработки барабанов

. . - 13 - .

фрикционов из стали ЗЗХС твердостью 280...302 НВ. Исследования проводились по композиционному плану полного факторного эксперимента второго порядка. Уровни варьирования факторов приведены в таблице.

Факторы Кодовое обозначе ние X х -I х = 0 X = +1 Интервал

Передний угол х^ 5 10 15 5 ¿Г » град

Суммарная длина режущих кромок,мм I , мм Х2 549 385 221 164

Обработка результатов экспериментальных данных после отсеивания незначимых факторов и их взаимодействий позволила получить следующее уравнение регрессии, адекватно описывающее при уровне значимости 0,05 стойкосткую зависимость резцов при ККС:

Т = 203,9 + 35,1x2 " 4б9?х? + 13,99х§

Исследование полученной математической модели позволило уст новить, что в исследованном участке факторного пространства макс мум стойкости будет достигнут при обработке резцами блочной коне рукции с передним углом ^Г = Ю°.

ВОСЬМАЯ ГЛАВА посвящена реализации метода ККС в произведет

Применение метода ККС на операции зубонарезания барабанов ф ционов с внутренним зацеплением взамен зубодолбления снизило мал ное время с 29 минут до 5,1 минуты, при этом все проверяемые точ ностньте параметры барабанов укладывались в 1/2 поля допуска.

Высокая производительность операции зубонарезания методом К обусловило возрастание удельного веса вспомогательно-подготовите

кого времени. Для снижения доли непроизводительного времени был изготовлен ка базе станка для ККС автоматизированный модуль, который с учетом запаса заготовок в накопителе может работать в автоматическом резюме в течение 1-го часа. Установка заготовок в магазин и съем деталей с накопителя осуществляется вручную. Автоматизированный модуль самостоятельно выполняет подачу заготовок из магазина, их ориентацию с последующей установкой на стол станка, заким заготовок,обработку и последующий съем готовых детатэй, установку деталей в накопитель. Весь циют работы автоматизированного модуля занимает 6,8 минут, в которые входит и время обработки.

Внедрение одного автоматизированного модуля обеспечивает экономический эффект в размере 35.000 рублей в год.

Основные результаты •работы.

I. Проработан весь комплекс проблем, связанных с практическо реализацией метода контурного кругового строгания в промыпшенност.

2 .Исследование разработанной математической модели влияния кинематики резания показывает, что введение калибрования в течен» одного полного оборота детали в конце процесса резания устраняет атиянпа радиачыпа и тангенциальных смещений инструментального" ш тура на точностные показатели обрабатываемых зубчатых колес.

. 3. Разработанная математическая модель влияния технологичесга параметров позволяет количественно оценить влияние погрешностей станка и инструмента ка точностные показатели обрабатываемых зубчатых колес, а такзе выявить те погрешности системы станок-инструмент-базирование, которые оказывают наибольшее влияние на точности обработки.

- 15 - '

4. Проведено экспериментальное исследование точности зубонареза-ния методом ККС, которые подтвердили правильность теоретических зависимостей. Точность обработки по колебании дайны общеЗ нотиатз, погрешности профиля и направлении зуба соответствовата 7-ой степени'точности по ГОСТ 1643-81, а по радиальному биению и колебанию межосевого расстояния за оборот - 8-ой степени точности, что вызвано недостаточной жесткостью обрабатываемых деталей.

5. Математическая модель оптимизации узлов станка позволяет выбрать оптимальные конструктивные параметры станка и региыы обработки, обеспечивающие максимально возможную производительность и благоприятные динамические характеристики станка.

6. Математическая модель профилирования инструмента позволяет повысить точность изготовления профиля резца и снизить в 2-4 раза трудоемкость обработки резцов.

7. Проведенные экспериментальные исследования точности профилирования резцов огибаю...л на-зубошшфовальном станке подтвердили правильность разработанной математической модели. Точность резцов по'профилю соответствует 6-ой степени точности, по ГОСТ 1643-81.

8. Математическая модель влияния геометрических параметров резцов на их стойкость, полученная на основе обработки экспериментальных исследований; позволяет оценить стойкость зубо строгать них резцов. Исследование полученного уравнения регрессии позволило

I

установить зависимость стойкости резцов от переднего утла и ревущей кромки. Последующая оптимизация позволила установить , что в исследованном участке факторного пространства максимальная стойкость будет у резцов блочной конструкции и передним углом 10°.

9. Проведенный комплекс работ позволяет рекомендовать для крупносерийного и массового производства зубчатых колес 7-8 степени точности по ГОСТ 1С43 - 81 метод контурного кругового строгания.

- 16 -

Печатные работы автора по теме диссертации:

1. Васильев С.К. Оптимизация геометрических парактеров резцо] Вестник кашностроения. - 1988 г. № 2.

2. Васильев С.К. Метод нарезания зубчатых колес// Вестник машиностроения. - 1988. № 3

3. Васильев С.К., Петров D.A. Технология контурного круговогс строгания// Труды Оргстанкинпром. - Москва, 1990 г. -

с.24-26.

4. A.C. I024I88 СССР. МКИ3 В 23 5/12. Станок для контурного кругового строгания / Рык Ф.В., Вилков В .И., Петров D.A., Высоцкий В.И., Иконников Б.В. и Васильев С.К. / Опублик. 1981 г., Бол. » 27.

5. A.C. I495Q3I СССР МКИ3 В 23 21/04. Головка зубодолбежная для контурного кругового строгания. / Ю.А. Петров, Ф.В. Рык П.И. Косов, С.К. Васильев и B.W.. Высоцкий / Опублик. 1989 г Бел. * 27.

Рис. 1

Wf

A

99%

s.

i

y." J If

л s4

¿+S/.

4* 4 ■

Ik

0.7 Z

SSM

St

F,г

т-

Рис. J