автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Особенности технологии нарезания червяков резцом на станках с ЧПУ



На правах рукописи

Кузнецов Евгений Юрьевич

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ НАРЕЗАНИЯ ЧЕРВЯКОВ РЕЗЦОМ НА СТАНКАХ С ЧПУ

Специальность: 05.02.08 - Технология машиностроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула-2012

005047280

005047280

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Ямников Александр Сергеевич

Официальные оппоненты: Шадский Геннадий Викторович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», профессор кафедры «Автоматизированные станочные системы»

Губарев Павел Валерьевич кандидат технических наук, ООО «Девелопер Софт», г. Тула, инженер - программист

Ведущая организация: ФГУП «Государственное научно-

производственное предприятие «СПЛАВ»

Защита диссертации состоится «21» мая 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.01 при ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» по адресу: 300012, г. Тула, проспект Ленина, д. 92, ауд. 9-101.

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

Автореферат разослан «20» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.Б. Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. При современных темпах развития и совершенствования техники все большую роль играет гибкость производства и возможность оперативного воплощения в металле конкретного конструкторского решения. Подобные задачи могут быть решены только при использовании оборудования с ЧПУ, которое, в сравнении с универсальными станками или станками-автоматами, позволяет одновременно обеспечить высокие показатели как по гибкости производства и оперативности внедрения, так и по производительности.

Нарезание витков червяков резцом на токарных станках является наиболее распространенным методом формообразования в силу простоты реализации при минимуме специальной технологической оснастки. Перевод обработки на станки с ЧПУ позволит существенно расширить технологические возможности метода, повысить его производительность, реализовать безлюдное производство, при этом метод должен быть пересмотрен с учетом особенностей обработки витков червяков, а также учтена специфика обработки винтовых поверхностей на оборудовании с ЧПУ и конструкции станков. Необходим в этом случае и инструмент для оперативного составления управляющих программ (УП), позволяющий сократить время технологической подготовки производства и обеспечить высокий уровень гибкости производства.

На сегодня готовых решений в этой области не существует, специфика обработки витков червяков на токарных станках в специальной литературе представлена весьма скудно или не представлена вовсе, имеющиеся САМ-системы имеют ограниченные возможности по составлению УП для обработки винтовых поверхностей, а разделы, посвященные червякам, отсутствуют. Поэтому совершенствование процесса многопроходного нарезания витков червяков резцом на станках с ЧПУ, в том числе путем учета особенностей обработки винтовых поверхностей на данном типе оборудования в условиях гибкого и безлюдного производства с разработкой специализированной С/Ш-системы для составления УП является актуальной научной задачей.

Объектом исследования является технологический процесс многопроходного нарезания витков червяков на станках с ЧПУ.

Предметом исследования является установление и исследование зависимостей производительности и точности обработки от управляемых конструкторских и технологических факторов.

Цель настоящей работы: состоит в повышения эффективности технологии многопроходного нарезания витков червяков резцом на станках с ЧПУ.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

1. Разработка методов и экспериментальной оснастки для исследования технологии многопроходного нарезания червяков резцом на станках с ЧПУ в производственных условиях.

2. Выявление доминирующих факторов, влияющих на производительность процесса многопроходного нарезания витков червяков.

3. Теоретическое обоснование способов повышения производительности процесса многопроходного нарезания витков червяков.

4. Анализ факторов, влияющих на качество поверхностного слоя витков червяков при многопроходном нарезании резцами.

5. Выявление особенностей многопроходного нарезания червяков резцом на станках с ЧПУ и исследование влияния кинематики станка на точность шага и профиля путем теоретико-экспериментальных исследований процессов их формирования.

6. Разработка конструкторско-технологического обеспечения для реализации эффективной технологии многопроходного нарезания витков червяков на станках с ЧПУ.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории резания, теории машин и механизмов, технологии машиностроения. Экспериментальные исследования проводились в лабораториях ТулГУ, а также на ЗАО «Тулаэлектропривод» (Тульская обл. п. Плеханово), с использованием промышленного оборудования и средств технологического, и метрологического обеспечения на червяках, изготавливаемых серийно.

Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи, использованием аттестованного измерительного оборудования с соблюдением процедуры проведения эксперимента, и подтверждается согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, а также практическим использованием результатов в промышленности.

Автор защищает:

1. Способ определения окружной силы резания с помощью встроенного в станок индикатора нагрузки двигателя - лодметра и зависимости для её определения с учетом технологических режимов обработки.

2. Обоснование закона изменения подачи врезания, обеспечивающего максимальную производительность процесса.

3. Упрощенную методику расчета подачи врезания, которая являет собой рациональный баланс между простотой математического аппарата и оптимизацией процесса многопроходного нарезания витков червяков.

4. Комплекс конструкторско-технологических решений обеспечивающих необходимое качество и точность витков червяков, учитывающих особенности обработки винтовых поверхностей в целом, и витков червяков в частности, на оборудовании с ЧПУ.

5. Внедренные результаты экспериментальных и опытно-промышленных исследований, подтверждающие обоснованность теоретических выкладок.

Научная новизна выполненной работы:

- раскрыты несоответствия в общепринятой методике программирования с помощью стандартного цикла многопроходного нарезания резьбы и возможности реализации рациональной схемы резания при многопроходном нарезании витков червяков;

- обоснован закон изменения подачи врезания от прохода к проходу, позволяющий почти в 2 раза сократить количество рабочих проходов резца и обеспечить максимальную производительность процесса;

- изучены связи кинематических погрешностей шага винтовой линии, реализуемой станком, с динамикой переходных процессов разгона и торможения суппорта станка, эти связи учтены при разработке специализированной CAM-системы-,

- разработана специализированная С4А/-система для автоматизации составления управляющих программ для многопроходного нарезания витков червяков, обеспечивающая реализацию обоснованной схемы резания.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

Способ измерения сил резания с помощью встроенного в станок с ЧПУ индикатора нагрузки двигателя — лодметра, позволяет при минимальном количестве специального оборудования с достаточной для практического применения точностью определять окружную силу резания.

Комплекс рекомендаций по назначению режимов обработки учитывает особенности применения станков с ЧПУ и обеспечивает не только необходимые параметры точности и качества витков червяков, но и повышение производительности процесса.

Технологическая оснастка расширяет возможности оборудования и учитывает особенности его конструкции и применения.

Результаты работы внедрены на предприятии ЗАО «Тулаэлектропривод», о чем свидетельствует акт внедрения. Теоретические положения диссертации были реализованы в НИОКР выполняемой в рамках Контрактов 8768р/13991 от 2.12.2010 г. и №10021р/16818 от 09.12.2011 г с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. Материалы диссертации используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению 552900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств».

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на IX Всероссийской НТК «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов», Тула, 2010 г.; МНТК «АПИР-14» и «АПИР-15» Тула, 2009; 2010 г.г.; III ВНТК «Будущее машиностроения России», Москва, 2010 г.; Всероссийской НПК «Инновационные наукоемкие технологии: теория, эксперимент и

практические результаты», Тула, 2010 г.; V интернет-НТК «Новые материалы неразрушающий кошроль и наукоемкие технологии в машиностроении» (МКТМ-2010), Тюмень, 2010 г.; Международной интернет-конференции по металлургии и металлообработке, Тула, 2011 г.; а также на ежегодных НТК преподавателей и аспирантов ТулГУ 2009 - 2011 г.г.

По теме диссертации опубликованы 23 работы, в том числе 5 в изданиях, включенных в перечень ВАК, из них без соавторов -17; патентов - 1.

Структура и о&ъем диссертации Диссертационная работа состоит из введения и пяти глав, заключения, списка использованных источников из 73 наименований, 2 приложений общим объемом 214 с., включая 79 иллюстраций, 28 табл.

ОБЗОР СОДЕРЖАНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой научной задачи, сформулированы цель работы, положения, выносимые на защиту, научная новизна, методы исследования, практическая ценность и реализация работы, приводятся данные об апробации работы, о публикациях, структуре и объеме диссертационной работы и дано краткое содержание глав диссертации.

В первой главе рассмотрены методы формообразования витков червяков и выявлены наиболее рациональные в зависимости от: теоретического профиля рабочих поверхностей; требований, предъявляемых к твердости и микрорельефу рабочих поверхностей, типа производства, модуля, и угла подъема линии витка червяка. На рис. 1 представлен чертеж типичного насадного червяка и технические требования к его изготовлению.

УшзМ

Модуль т 1

Число биткой г, 1

Вид чербяка - /Л

Делительный угол подъема Г 2'52'

\Напра6ление лиши битка - праЬае

Исходный чербяк - Г0СТ19036-73

Степень точности - 9-С Г0СТ3675-81

Делительная толщина битка по хорде 5а, 1С7-°П О'-0.325

Высота до хорды Ьа1 1

Делительный диаметр чербяка «1 20

Ход битка Р21 З.П

Рис. 1. Чертеж червяка и технические требования к его изготовлению

Рис. 2. Обработка червяка на токарном станке с ЧПУ

Нормы точности на червячные цилиндрические передачи и червячные пары (без корпуса), выполняемые в соответствии с ГОСТ 19036-94, регламентируются ГОСТ 3675-81. Для червяка (см. рис. 1), предельные отклонение осевого шага fpx = ±30 мкм; допуск погрешности профиля витка fn = 45 мкм; допуск на радиальное биение витка fr = 26 мкм.

Анализ специфики нарезания винтовых поверхностей резцом на станках с ЧПУ показал, что в определенных условиях такие станки могут не обеспечивать оптимальной скорости резания рекомендуемой для материала сменной многогранной пластины (СМП). При обработке винтовых поверхностей на станках с ЧПУ имеются объективные ограничения верхнего предела скорости резания, обусловленные возможностями станка и определяемые шагом винтовой линии. Образование любой винтовой поверхности на станке с ЧПУ (рис. 2) базируется на использовании специальных функций, учитывающих особенности оборудования. Наиболее простой из них является функция нарезания резьбы с постоянным шагом. В системе ЧПУ Fanuc series oi-TC (Япония) таковой является функция G32. При ее использовании, программируется каждый ход резца, в том числе и холостые перемещения вывода резца из рабочей зоны, и возврат в исходную точку траектории, а также перемещения для позиционирования перед каждым новым рабочим ходом (рис. 3). УП на основе функции G32 будет иметь блочную структуру с количеством блоков равным числу формообразующих проходов. Поэтому составление УП, базирующейся на использовании функции G32, «вручную» может быть рекомендовано лишь в тех случаях, когда впадина формируется за один - три прохода. В противном случае громоздкая УП из повторяющихся элементов может явиться причиной ошибок программирования и как результат - поломки инструмента.

А(2:1)

XX

■XX \ а.;

$ А

РХ.

Ж

Рис. 3. Схема цикла формообразования винтовой поверхности

Более эффективным и удобным, особенно в цеховых условиях, является вариант формирования УП с использованием функций для упрощения программирования. Однако их ограниченные возможности и ориентированность на обработку крепежных резьб, а иногда элементарное отсутствие таковых вынуждает искать альтернативные пути оперативного составления эффективных УП. Были рассмотрены варианты составления УП, предлагаемые САМ - системами: Pro\Engineer, SprutCAM, Vardex ТТ (Tread Turning) Tools Generator v 5.0.3 и показано, что имеющиеся стандартные инструменты автоматизированного составления УП, не имеют специализированного модуля по обработке витков червяков, а также ограничены в выборе и настройках режимов обработки. Анализ возможностей, достоинств и недостатков применения рассмотренных САМ- систем показал необходимость разработки специализированной С/Ш-системы по своему интерфейсу приближенной к Vardex ТТ Generator v 5.0.3. В конце главы сформулированы выводы, цель и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрена экспериментальная оснастка для измерения силовых характеристик процесса резания, шероховатости боковой поверхности витка червяка, комплексного контроля годности нарезанного витка используемая при выполнении диссертационной работы.

Предложен и реализован способ измерения сил резания с помощью встроенного в станок с ЧПУ индикатора нагрузки двигателя - лодметра (англ. load meter), позволяющий при минимальном количестве специального оборудования с достаточной для практического применения точностью определять окружную силу резания. На рис. 4 представлена промышленная

Рис. 4. Схема и фотография промышленной экспериментальной

установки для многопроходного нарезания витков червяков резцом: 1 - токарный центр TNL-85 А2; 2 - патрон с установленной в нем заготовкой - прутком 3; 4-резцовая головка; 5 - ПЭВМ типа «ноутбук».

оснащенная программой «USВ - осциллограф 2.6»; б - USB-осциллограф Disco (Digital Scope), оснащенный аналогово-цифровым преобразователем; 7 - система измерения тока лодметра; 8 - двигатель Famic aI5/6000ip.

Для сопоставления электрического сигнала лодметра и силовых характеристик процесса резания было проведено его тарирование путем последовательной обработки эталонной тарирующей заготовки на лаборатор-

Рис. 5. Фотография лабораторной экспериментальной установки:

1 - токарно-винторезный станок 16К20; 2 - патрон с установленной в нем эталонной тарирующей заготовкой - 3; 4 - резец; 5 - динамометр УДМ-600, установленный на поперечном суппорте станка; б - измерительный усилитель МДУ-8; 7 - US В - осциллограф Disco; 8 - ПЭВМ типа «ноутбук», оснащенная программой «USB - осциллограф 2.6».

Испытаниями подтверждена адекватность предложенного способа измерения окружных сил резания.

Контроль шероховатости боковой поверхности витка осуществлялся на профилометре Hommel Tester W55 (Hommel-Etamic, Германия). Для установки измеряемого червяка на столе профилометра, использовалось специ-

Рис. 6. Общий вид профилометра с установленным на нем приспособлением и измеряемым червяком Для контроля делительной толщины витка червяка использовались предельные листовые калибры. При помещении проходной стороны (ПР) калибра во впадину (рис. 7) он не только дает представление о правильности профиля в целом, угле профиля и глубине витка, но и контролирует делительную толщину витка (в пересчете на ширину впадины с учетом компенсации толщины калибра (сш) в зависимости от угла подъема линии витка червяка у рис. 8). При этом калибр должен опираться своими плечиками на

м

Рис. 7. Схема измерения параметров витка предельным листовым калибром

ч

цилиндр вершин витков червяка. По аналогии, непроходная сторона (НЕ) не должна полностью «входить» во - впадину т.е. должен оставаться зазор между плечиками калибра и диаметром цилиндра вершин витков червяка.

В третьей главе рассматривается вопрос выбора оптимальной схемы вырезания впадины червяка, которая определяется направлением врезания резца относительно перпендикуляра к оси детали и законом изменения подачи от прохода к проходу. Рассмотрены схемы резания, применяемые для обработки винтовых поверхностей и в первую очередь резьб. После предварительной оценки рациональности применения рассмотренных схем резания для принятых исходных условий обработки проведен подробный анализ их использования применительно к нарезанию витков червяков.

Наиболее рациональной к использованию, с точки зрения направления врезания резца относительно перпендикуляра к оси детали, признана комбинированная схема резания (рис. 9), при которой на черновой стадии обработки принята схема переменного резания, как обеспечивающая наилучшие условия стружкообразования и равномерный износ режущего инструмента, а на чистовой стадии - профильная, как обеспечивающая максимальную точность и высокий класс шероховатости.

С точки зрения закона изменения подачи от прохода к проходу^более подробно рассмотрены схемы резания: реализуемая стандартным циклом станка, с делением припуска по законам арифметической и геометрической прогрессий, равноплошадная и равно-силовая. Их сравнительный анализ, сделанный в том числе на основе проведенных силовых экспериментов (рис. 10), показал, что рациональный баланс между простотой и универсальностью математического аппарата, и стремлением к оптимизации процесса многопроходного нарезания витков червяков может быть достигнут при использовании равносиловой схемы резаНИЯ' Рис. 9. Комбинированная схема резания

Рис. 8. Схема расчета компенсации толщины калибра в зависимости от угла подъема линии витка

Для реализации в специализированной САМ-системе принята упрощенная методика расчета подачи врезания, реализующая равносиловую схему резания, которая показала хорошую сходимость результатов с равносиловой, обеспечивая при этом легкость автоматизации расчетов.

600

500

400

300

200

100

2,25

- геом. прогресс

- равноплощадная

-геом.прогресс (Гжир) * арифм. прогресс -равносиловая (упр.) —о— равносиловая

Рис.10. Сводный график силовых зависимостей для разных схем резания В этом случае расчет подачи врезания ¡' -го прохода резца, необходимо производить по формуле:

л.. =-"«*•>

(1)

где Р. - окружная сила, принятая для всех проходов резца, Н; Са((к,) - эмпирическая постоянная; у^ - показатель степени. Окружная

сила, принимаемая впоследствии для всех проходов резца, может быть назначена или получена расчетным путем исходя из величины подачи врезания принятой для последнего наиболее нагруженного прохода резца, т.е.

= Р г_ . В этом случае расчет Р- ведется по формуле:

Р-. = КМуСа(ск)^1

А'к)

(2)

где Кш - поправочный коэффициент, учитывающий влияние материала заготовки.

Программная реализация выбранной схемы резания осуществляется в соответствии с алгоритмом, представленным на рис. 11. Вначале осуществ-

ляется ввод и расчет данных необходимых для составления УП (блоки 2; 3). Для возможности обработки многозаходных червяков основной расчет заключен в отдельный цикл (блоки 4-14). Расчет координат позиционирования резца на этапе черновых проходов осуществляется внутри цикла (блоки 5-11). В цикле последовательно для каждого прохода начиная с предпоследнего и заканчивая /-м осуществ-1 ляется расчет подачи врезания 5,

(блок 6). При этом рассчитанная величина з, сравнивается с величиной

предельной подачи 5тах

(блок 7); и,

Рис. 11. Упрощенный алгоритм программного приложения

если расчетная величина подачи я,-будет больше значения зтах, то значение подачи на текущем проходе будет приравнено к соответствующей величине предельной подачи лтах (блок 8). Далее осуществляется расчет координат х, и г, , для позиционирования резца перед рабочим ходом (блок 9) и вывод их в файл (блок 10). Расчет координат позиционирования резца на этапе чистовых проходов осуществляется внутри цикла (блоки 12-14), а т.к. чистовая обработка ведется по профильной схеме с постоянной величиной подачи на каждом проходе, то внутри цикла осуществляется лишь расчет координат Хфп и -фух для позиционирования резца перед рабочим ходом (блок 13) и вывод их в файл (блок 14).

Четвертая глава посвящена рассмотрению вопросов технологического обеспечения качества (точности и шероховатости боковой поверхности получаемого профиля, шага винтовой линии) и его стабильности.

Показано что при обработке на станках с ЧПУ одной из причин ухудшения микрорельефа, связанной с геометрией процесса резания, будет неточность позиционирования резца перед рабочим ходом, вызванная округлением расчетных координат. Так

при заявленной точности позиционирования рабочего органа станка с ЧПУ 0,001 мм, расчетная величина неровностей для равносиловой схемы резания для червяка на рис. 1 составит 0,9 мкм, то есть 28 % от максимального значения шероховатости допустимого на данной поверхности по чертежу. Что еще раз подтверждает правильность выбора профильной схемы резания для чистовых проходов. При такой схеме резания на шероховатость большое влияние оказывает радиус округления режущей кромки инструмента т.к. с его увеличением повышается степень пластической деформации поверхностного слоя обрабатываемого материала, что ведет к росту шероховатости боковой поверхности витка. Поэтому для того, чтобы обеспечить минимальный радиус округления режущей кромки СМП износостойкое покрытие должно быть нанесено на мелкозернистую основу методом PVD (англ. Phisical Vapor Deposition или MEW А (англ. Metal Vapor Vacuum Arc), или КИБ - конденсация с ионной бомбардировкой - термин, применяющийся в русскоязычной литературе).

Показана необходимость и обозначена специфика применения последовательной многоинструментальной обработки винтовых поверхностей на станках с ЧПУ, что особенно актуально для автоматизированного, в том числе, безлюдного производства. Для её реализации разработан способ взаимной привязки профильного инструмента по оси Z станка с ЧПУ с помощью шаблона. Также экспериментально установлено, что после 3000 циклов нарезания червяка (рис. 1) пластина должна быть переведена в черновые. Применение последовательного метода обработки двумя резцами в том числе позволяет максимально использовать размерную стойкость режущего инструмента, что особенно актуально в условиях исключительного применения на станках с ЧПУ сменных неперетачиваемых пластин с износостойким покрытием.

На основе экспериментального применения двух универсальных во-досмешиваемых СОЖ среднего ценового диапазона ЭКОМЕТ-ПРО (РФ) и Dascosol 2500 (Германия), что свойственно в первую очередь условиям гибкого производства, показано, что циклическое охлаждение инструмента, имеющее место при обработке винтовых поверхностей, не оказывают существенного влияния на стойкость инструмента. Однако, обработка с применением СОЖ позволила наблюдать снижение величины заусенца (наплыва металла) выдавливаемого по стороне впадины, вдоль которой осуществлялось врезание резца, а также положительно сказалась на качестве обработанной поверхности.

Показано, что для обеспечения точности получаемого профиля допуск на высоту головки резца сечением державки 25x25 мм должен быть не грубее /П1.

Рассмотрено влияние кинематики станка с ЧПУ на точность шага винтовой линии. Обоснована необходимость учета участков разгона 8[ и торможения б2 при назначении длины рабочего хода резца для обеспечения заданного хода витка на всей длине нарезанной части червяка. Уста-

новлены зависимости для расчета величин минимальных участков 5[ и 62 для изготовления винтовой поверхности с заданной погрешностью шага. Показаны ограничения к выбору скорости резания.

По результатам выполнения главы выработан комплекс мер и рекомендаций позволяющий обеспечить стабильность получения заданных точности и качества рабочих поверхностей (витков) червяков при их многопроходном нарезании на станках с ЧПУ.

В пятой главе приведены конструкторские и технологические решения для реализации разработанной технологии многопроходного нарезания витков червяков резцом.

Рассмотрена разработанная специализированная ОШ-система для автоматизации составления УП для многопроходного нарезания витков червяков (рис. 12). Приводится описание заложенных в ней принципов и выполняемого комплекса работ. Представлена последовательность работы с программным продуктом.

Описана конструкция разработанного резца с поворотной державкой (рис. 13) предназначенного для использования на станках с ЧПУ и позволяющего бесступенчато, с высокой точностью и в широком диапазоне значений устанавливать СМП на необходимый угол подъема винтовой линии.

Указана последовательность действий, реализующая разработанный способ взаимной привязки профильного инструмента по оси 2 станка с ЧПУ с помощью шаблона, для реализации последовательной многоинструментальной обработки винтовой поверхности. Практически подтверждена высокая точность предложенного способа.

Представлен сравнительный анализ действующих и предложенных решений.

Рис. 12. Форма разработанной САМ - системы для ввода исходных данных

Рис. 13. Резец с поворотной державкой

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе решена задача повышения эффективности технологии многопроходного нарезания витков червяков резцом на станках с ЧПУ на базе теоретического обоснования и экспериментальнго подтверждения возможности повышения производительности и точности обработки при обеспечении рациональной схемы резания, и учете особенностей обработки винтовых поверхностей на выбранном типе оборудования в условиях гибкого и безлюдного производства с разработкой специализированной САМ-системы для составления управляющих программ.

ВЫВОДЫ

1. Доказана возможность измерения окружной силы резания с помощью встроенного в станок с ЧПУ индикатора нагрузки двигателя - лод-метра, при минимальном количестве специального оборудования. Показано, что достигаемая точность измерений приемлема для практического применения. Подтверждена адекватность измерений полученных таким способом.

2. Результаты сравнительного анализа данных экспериментальных исследований существующих законов изменения подачи от прохода к проходу, реализующих различные схемы резания, в том числе закона, реализуемого стандартным циклом станка, показали, что оптимальной для автоматизации является равносиловая схема резания. Для расчета подачи врезания по этой схеме разработана упрощенная методика.

3. Обоснован способ установки резца, обеспечивающий равномерную нагрузку на боковых режущих кромках, для реализации которого была разработана и запатентована конструкция резца с поворотной державкой.

4. Показано, что для сохранения размерной стойкости инструмента, точности профиля и микрорельефа боковой поверхности впадины целесообразно применять последовательную многоинструментальную обработку для формообразования витков червяков. Для её реализации разработан способ взаимной привязки профильного инструмента по оси Z станка с ЧПУ.

5. Установлено, что, при разных частотах вращения шпинделя появляется систематическая погрешность, проявляющаяся в виде смещения в осевом направлении нарезаемой винтовой линии, что при последовательной обработке двумя резцами будет проявляться в несовпадении винтовых, образуемых черновым и чистовым резцом. Показана необходимость определения величины линейной компенсации разности участков разгона и торможения суппорта станка при различных частотах вращения шпинделя и ее учета при составлении УП для обеспечения «попадания» в виток резцов требующих разной скорости резания.

6. По результатам проведённых экспериментов существенной разницы в стойкости инструмента с применением СОЖ и без таковой выявле-

но не было, однако показано, что применение СОЖ снижает величину заусенца, выдавливаемого по правой стороне впадины и положительно сказывается на микрорельефе обработанной поверхности.

7. Результаты проведенной работы реализованы в виде специализированной С4А/-системы, что позволило на предприятии ЗАО «Тулаэлектропривод» сократить время составления УП в среднем в 7 раз. Результаты диссертационной работы в виде комплекса программ использованы в учебном процессе кафедры технологии машиностроения ТулГУ.

ПУБЛИКАЦИИ в изданиях, включенных в перечень ВАК:

1. Кузнецов Е. Ю., ЯмниковА. С. Измерение толщины витков червяков предельными листовыми калибрами // Известия ТулГУ. Сер. «Технические науки», вып. 2, ч. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 17-21.

2. Кузнецов Е. Ю., Ямников А. С. Система автоматизированного программирования токарных станков с ЧПУ для многопроходного нарезания витков червяков // Известия ТулГУ. Сер. «Технические науки», вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. С. 97-104.

3. Кузнецов Е. Ю., Ямников А. С Новая линейка многооборотных электроприводов с основным червячным редуктором ЭП4 производства ЗАО «Тулаэлектропривод» // Известия ТулГУ. Сер. «Технические науки»; вып. 3: в 4 ч., ч.З Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. С. 64-66.

4. Кузнецов Е. Ю. Программное обеспечение для автоматической разработки управляющих программ для многопроходного нарезания витков червяков на станках с ЧПУ // Известия вузов. Машиностроение, 2011, №5. С. 54-59.

5. Кузнецов Е. Ю. Выбор направления врезания резца при многопроходном нарезании витков червяков // Известия ТулГУ. Сер. «Технические науки» Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. Вып. 1. С. 350-353.

Патент: Резец с поворотной державкой: пат. 106160 Рос. Федерация. №2011107384; заявл. 25.02.2011; опубл. 10.02.2011, Бюл.№ 19. 1 с.

Изд. Лиц. ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 18.04.2012 Формат бумаги 60x84/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 0,93. Уч.-изд. л. 0,8. Тираж 100 экз. Заказ 021 Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, просп. Ленина, 95.

Ь1 r¿-Ы6r¿^Э

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗАВАНИЯ ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВ ЕВГЕНИЙ ЮРЬЕВИЧ

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ НАРЕЗАНИЯ ЧЕРВЯКОВ РЕЗЦОМ НА СТАНКАХ С ЧПУ

Специальность: 05.02.08 - Технология машиностроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Ямников Александр Сергеевич

Тула-2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................5

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 16

1.1 Функциональное назначение червячной передачи....................16

1.2 Анализ основных размеров и допусков червяков. Требования, предъявляемые к микрорельефу рабочих поверхностей червяка. Применяемые материалы..................................................................................21

1.2.1 Анализ основных размеров и допусков червяков.

Требования, предъявляемые к микрорельефу рабочих поверхностей червяка 21

1.2.2 Материалы элементов червячной пары.................................24

1.3 Обзор методов формообразования витков червяков.................26

1.4 Особенности нарезания винтовых поверхностей резцом на станках с ЧПУ....................................................................................................33

1.5 Методы составления управляющих программ для формообразования витков червяков на станках с ЧПУ.................................34

1.5.1 Основные принципы разработки УП для формообразования

винтовых поверхностей на станках с ЧПУ.................................................34

1.5.2 Интерполяции при нарезании винтовых поверхностей. Функция интерполяции.................................................................................35

1.5.3 Стандартные функции для упрощения программирования при многопроходном нарезании винтовых поверхностей........................37

1.5.4 Использование САМ (АСТПП) систем для составления управляющих программ многопроходного нарезания витков червяков.41

1.6 Выводы...........................................................................................51

1.7 Цели и задачи исследования.........................................................53

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОСНАСТКА..................................^.54

2.1 Измерения, связанные с определением силовых характеристик процесса многопроходного нарезания витков червяков...............................54

2.1.1 Лабораторная экспериментальная установка.......................54

2.1.2 Промышленная экспериментальная установка для многопроходного нарезания витков червяков резцом............................... 57

2.2 Измерения, связанные с определением шероховатости боковой

поверхности витка.............................................................................................68

2.3 Измерение толщины витков червяков предельными листовыми калибрами 70

2.4 Выводы...........................................................................................75

3 ОПТИМИЗАЦИЯ СХЕМЫ ВЫРЕЗАНИЯ ВПАДИНЫ ЧЕРВЯКОВ

РЕЗЦОМ ПРИ МНОГОПРОХОДНОМ НАРЕЗАНИИ ВИТКОВ ЧЕРВЯКОВ

77

3.1 Постановка задачи. Основные понятия. Выбор оптимальной схемы резания....................................................................................................77

3.2 Выбор направления врезания резца относительно перпендикуляра к оси детали...........................................................................78

3.3 Выбор закона изменения подачи от прохода к проходу...........82

3.3.1 Схема резания, реализуемая стандартным циклом станка..83

3.3.2 Схема резания с делением припуска по закону арифметической профессии ........................................................................93

3.3.3 Схема резания с делением припуска по закону геометрической прогрессии..........................................................................96

3.3.4 Равноплощадная схема резания............................................101

3.3.5 Равносиловая схема резания.................................................111

3.3.6 Другие схемы резания........................................................... 123

3.3.7 Сравнительный анализ рассмотренных схем резания....... 124

3.3.8 Алгоритм реализации принятой схемы резания.................127

3.4 Выводы.........................................................................................129

4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА И

ТОЧНОСТИ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЧЕРВЯКА................................. 132

4.1 Основные влияющие факторы...................................................132

4.2 Обеспечение качества рабочих поверхностей (витков) червяка

133

4.2.1 Влияние геометрии инструмента, пластической и упругой деформаций обрабатываемого материала в процессе резания...............134

4.2.2 Влияние СОТС и способа ее подвода..........................................................138

4.2.3 Режимы обработки черновым и чистовым резцами различны. 146

4.2.4 Материал и покрытие режущей части профильных резцов 149

4.3 Обеспечение точности профиля витка червяка........................154

4.3.1 Установка резца при многопроходном нарезании витков

червяков 154

4.3.2 Влияние отклонение расположения передней поверхности резца на точность профиля витка червяка................................................158

4.3.3 Влияние погрешности профиля инструмента.....................164

4.4 Влияние кинематики станка с ЧПУ на точность шага винтовой линии 165

4.5 Особенности применения двухрезцового способа обработки применительно к оборудованию с ЧПУ........................................................167

4.6 Выводы.........................................................................................172

5 КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

МНОГОПРОХОДНОГО НАРЕЗАНИЯ ВИТКОВ ЧЕРВЯКОВ РЕЗЦОМ.... 175

5.1 Специальная технологическая оснастка для многопроходного нарезания витков червяков резцом................................................................175

5.1.1 Резец с поворотной державкой для обработки винтовых

поверхностей с большими углами подъема на станках с ЧПУ..............175

5.1.2 Способ взаимной привязки профильного инструмента по оси Z станка с ЧПУ для реализации последовательной многорезцовой обработки 183

5.1.3 Программное САМ (АСТПП) приложение для автоматизированного составления управляющих программ для станков с ЧПУ 191

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..................................................197

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..................................................199

ПРИЛОЖЕНИЕ А. КОПИИ ДОКУМЕНТОВ О ВНЕДРЕНИИ.......207

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. ПАТЕНТ С ПОВОРОТНОЙ ДЕРЖАВКОЙ.....214

ВВЕДЕНИЕ

При современных темпах развития и совершенствования техники все большую роль играет гибкость производства и возможность оперативного воплощения в металле конкретного конструкторского решения. Подобные задачи могут быть решены только при использовании оборудования с ЧГТУ, которое, в сравнении с универсальными станками или станками-автоматами, позволяет одновременно обеспечить высокие показатели как по гибкости производства и оперативности внедрения, так и по производительности.

Нарезание витков червяков резцом на токарных станках является наиболее распространенным методом формообразования в силу простоты реализации при минимуме специальной технологической оснастки. Перевод обработки на станки с ЧПУ позволит существенно расширить технологические возможности метода, повысить его производительность, реализовать безлюдное производство, при этом метод должен быть пересмотрен с учетом особенностей обработки витков червяков, а также учтена специфика обработки винтовых поверхностей на оборудовании с ЧПУ и конструкции станков. Необходим в этом случае и инструмент для оперативного составления управляющих программ (УП), позволяющий сократить время технологической подготовки производства и обеспечить высокий уровень гибкости производства.

На сегодня готовых решений в этой области не существует, специфика обработки витков червяков на токарных станках в специальной литературе представлена весьма скудно или не представлена вовсе, имеющиеся С4М-системы имеют ограниченные возможности по составлению УП для обработки винтовых поверхностей, а разделы, посвященные червякам, отсутствуют. Поэтому совершенствование процесса многопроходного нарезания витков червяков резцом на станках с ЧПУ, в том числе путем учета особенностей обработки винтовых поверхностей на данном типе оборудования в условиях гибкого и безлюдного производства с разработкой

специализированной С4М-системы для составления УП является актуальной научной задачей.

Объектом исследования является технологический процесс многопроходного нарезания витков червяков на станках с ЧПУ.

Предметом исследования является установление и исследование зависимостей производительности и точности обработки от управляемых конструкторских и технологических факторов.

Цель настоящей работы: состоит в повышения эффективности технологии многопроходного нарезания витков червяков резцом на станках с ЧПУ.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

Разработка методов и экспериментальной оснастки для исследования технологии многопроходного нарезания червяков резцом на станках с ЧПУ в производственных условиях.

Выявление доминирующих факторов, влияющих на производительность процесса многопроходного нарезания витков червяков.

Теоретическое обоснование способов повышения производительности процесса многопроходного нарезания витков червяков.

Анализ факторов, влияющих на качество поверхностного слоя витков червяков при многопроходном нарезании резцами.

Выявление особенностей многопроходного нарезания червяков резцом на станках с ЧПУ и исследование влияния кинематики станка на точность шага и профиля путем теоретико-экспериментальных исследований процессов их формирования.

Разработка конструкторско-технологического обеспечения для реализации эффективной технологии многопроходного нарезания витков червяков на станках с ЧПУ.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории резания, теории машин и механизмов, технологии машиностроения. Экспериментальные исследования

проводились в лабораториях ТулГУ, а также на ЗАО «Тулаэлектропривод» (Тульская обл. п. Плеханово), с использованием промышленного оборудования и средств технологического, и метрологического обеспечения на червяках, изготавливаемых серийно.

Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи, использованием аттестованного измерительного оборудования с соблюдением процедуры проведения эксперимента, и подтверждается согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, а также практическим использованием результатов в промышленности.

Автор защищает:

Способ определения окружной силы резания с помощью встроенного в станок индикатора нагрузки двигателя - лодметра и зависимости для её определения с учетом технологических режимов обработки.

Обоснование закона изменения подачи врезания, обеспечивающего максимальную производительность процесса.

Упрощенную методику расчета подачи врезания, которая являет собой рациональный баланс между простотой математического аппарата и оптимизацией процесса многопроходного нарезания витков червяков.

Комплекс конструкторско-технологических решений обеспечивающих необходимое качество и точность витков червяков, учитывающих особенности обработки винтовых поверхностей в целом, и витков червяков в частности, на оборудовании с ЧПУ.

Внедренные результаты экспериментальных и опытно-промышленных исследований, подтверждающие обоснованность теоретических выкладок.

Научная новизна выполненной работы:

раскрыты несоответствия в общепринятой методике программирования с помощью стандартного цикла многопроходного нарезания резьбы и возможности реализации рациональной схемы резания при многопроходном нарезании витков червяков;

обоснован закон изменения подачи врезания от прохода к проходу, позволяющий почти в 2 раза сократить количество рабочих проходов резца и обеспечить максимальную производительность процесса;

изучены связи кинематических погрешностей шага винтовой линии, реализуемой станком, с динамикой переходных процессов разгона и торможения суппорта станка, эти связи учтены при разработке специализированной СЛМ-системы;

разработана специализированная С4М-система для автоматизации составления управляющих программ для многопроходного нарезания витков червяков, обеспечивающая реализацию обоснованной схемы резания. Практическая значимость и реализация результатов работы: Способ измерения сил резания с помощью встроенного в станок с ЧПУ индикатора нагрузки двигателя - лодметра, позволяет при минимальном количестве специального оборудования с достаточной для практического применения точностью определять окружную силу резания.

Комплекс рекомендаций по назначению режимов обработки учитывает особенности применения станков с ЧПУ и обеспечивает не только необходимые параметры точности и качества витков червяков, но и повышение производительности процесса.

Технологическая оснастка расширяет возможности оборудования и учитывает особенности его конструкции и применения.

Результаты работы внедрены на предприятии ЗАО «Тулаэлектропривод», о чем свидетельствует акт внедрения. Теоретические положения диссертации были реализованы в НИОКР выполняемой в рамках Контрактов 8768р/13991 от 2.12.2010 г. и № 10021 р/16818 от 09.12.2011 г с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. Материалы диссертации используются в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению 552900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств».

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на следующих совещаниях, семинарах и научно-технических конференциях: на IX Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов», Тула, 2010 г.; на IV и V молодежной научно-практической конференции Тульского государственного университета «Молодежные инновации», Тула, 2009; 2011 г.г.; МНТК «АПИР-14» и «АПИР-15» Тула, 2009; 2010 г.г.; V магистерской научно-технической конференции, Тула, 2010 г.; III Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России», Москва, 2010 г.; Всероссийской научно-практической конференции для студентов, аспирантов, молодых ученых «Инновационные наукоемкие технологии: теория, эксперимент и практические результаты», Тула, 2010 г.: V научно-технической интернет-конференции «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении» (МКТМ-2010), Тюмень, 2010 г.; Международной интернет-конференции по металлургии и металлообработке, Тула, 2011 г.; а также на ежегодных НТК преподавателей ТулГУ 2009-2011 г.г.

По теме диссертации опубликованы 23 работы, в том числе 5 в изданиях, включенных в перечень ВАК, из них без соавторов - 17; патентов-1.

Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения и пяти глав, заключения, списка использованных источников из 73 наименований, 2 приложений, общим объемом 214 с., включая 79 иллюстраций, 28 табл. у

Во введении обоснована актуальность рассматриваемой научной задачи, сформулированы цель работы, положения, выносимые на защиту, научная новизна, методы исследования, практическая ценность и реализация работы, приводятся данные об апробации работы, о публикациях, структуре и объеме диссертационной работы и дано краткое содержание глав диссертации.

В первой главе рассмотрены методы формообразования витков червяков и выявлены наиболее рациональные в зависимости от: теоретического профиля рабочих поверхностей; требований, предъявляемых к твердости и микрорельефу рабочих поверхностей, типа производства, модуля, и угла подъема линии витка червяка.

Анализ специфики нарезания винтовых поверхностей резцом на станках с ЧПУ показал, что в определенных условиях такие станки могут не обеспечивать оптимальной скорости резания рекомендуемой для материала сменной многогранной пластины (СМИ). При обработке винтовых поверхностей на станках с ЧПУ имеются объективные ограничения верхнего предела скорости резания, обусловленные возможностями станка и определяемые шагом винтовой линии. Образование любой винтовой поверхности на станке с ЧПУ базируется на использовании специальных функций, учитывающих особенности оборудования. Наиболее простой из них является функция нарезания резьбы с постоянным шагом. В системе ЧПУ Fanuc series oi-TC (Япония) таковой является функция (732. При ее использовании, программируется каждый ход резца, в том числе и холостые перемещения вывода резца из рабочей зоны, и возврат в исходную точку траектории, а также перемещения для позиционирования перед каждым новым рабочим ходом. УП на основе функции <732 будет иметь блочную структуру с количеством блоков равным числу формообразующих проходов. Поэтому составление УП, базирующейся на использовании функции G32, «вручную» может быть рекомендовано лишь в тех случаях, когда впадина формируется за один - три прохода. В противном случае громоздкая УП из повторяющихся элементов может явиться причиной ошибок программирования и как результат - поломки ин�