автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение эффективности обработки колес с внутренними неэвольвентными зубьями

На правах рукописи

АНИСИМОВ РОМАН ВИКТОРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБРАБОТКИ КОЛЕС С ВНУТРЕННИМИ НЕЭВОЛЬВЕНТНЫМИ ЗУБЬЯМИ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической

и физико-технической обработки

2 6 ФЕВ 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Орел 2013

005050211

Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения и конструкторско-тех нологическая информатика» федерального государственного бюджетного образователі ного учреждения высшего профессионального образования «Государственный универск тет - учебно-научно-производственный комплекс»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Тарапанов Александр Сергеевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Ивахненко Александр Геннадиевич ФГБОУ ВПО «Юго-западный государственный университет» профессор кафедры «Управление качеством, метрология и сертификация»

кандидат технических наук, доцент Сотников Владимир Ильич ФГБОУ ВПО «Госуниверсите-УНПК» заведующий кафедрой «Автоматизированные станочные и инструментальные системы»

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Московский

государственный университет приборостроения и информатики»

Защита диссертации состоится «15» марта 2013 г. в «15°°» часов в ауд. 212 на заседании диссертационного совета Д 212.182.06 по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29, главный корпус, ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс» (302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29).

Автореферат разослан «7» февраля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Василенко Юрий Валерьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Зубчатые зацепления с внутренними зубьями получили широкое распространение в современном машиностроении. Они применяются в конструкциях механизмов буровых установок, дорожно-строительных машин и т.д. Их использование обуславливается высокими требованиями к качеству. Долговечность и стабильность работы узлов зависит от точности изготовления зубьев. Основными достоинствами применения зубчатого зацепления с внутренними зубьями по сравнению с внешним зубчатым зацеплением являются более высокий КПД, более высокая нагрузочная способность, существенное уменьшение габаритов конструкций, в которых они применяются. В таких изделиях помимо традиционного эвольвентного профиля зуба в последнее время активно применяют зубья неэвольвентного профиля — треугольного, циклоидального, профиля храпового зацепления и т.д. Это обусловлено, во-первых, конструктивным назначением механизма, а во-вторых, определенными преимуществами каждого из этих профилей перед эвольвентным.

В условиях современной экономики, когда на предприятиях тип производства редко превышает среднесерийный, а в основном это единичный и мелкосерийный, наиболее эффективной является обработка зубодолблением.

Внедрение в производство зубчатых колес с внутренними зубьями неэвольвентного профиля, появление новых инструментальных и обрабатываемых материалов застав-шет заново производить трудоемкие и дорогостоящие исследования по определению ре-кимов резания, степени влияния их на точность поверхности. Как следствие этого необходимо проводить теоретические исследования влияния метода и режима обработки, а также формы зуба на кинематические, силовые характеристики процесса, точность и ше-юховатость получаемой поверхности, износ инструмента и производительность процесса.

Получение требуемых показателей качества и максимальной производительности фоцесса, а также профилирование инструмента на стадии предварительного проектиро-1ания делает актуальной задачу разработки методики комплексного анализа параметров грофиля зуба, физико-механических свойств инструментального материала и материала аготовки, параметров геометрии инструмента и заготовки, кинематических и динамиче-:ких характеристик процессов обработки зубчатых колес с внутренними зубьями.

Цель работы. Профилирование долбяков для зубчатых колес с внутренними убьями неэвольвентного профиля и комплексный анализ процесса их формообразования.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены следующие задачи:

1. Разработать комплекс универсального математического обеспечения профи-[ирования инструмента и отображения схемы резания для зубодолбления колес с внутрен-[ими неэвольвентными зубьями.

2. На основе разработанного отображения схемы резания провести анализ кине-штических характеристик процесса зубодолбления колес с внутренними зубьями не-вольвентного профиля, включающий в себя расчет толщин срезаемого слоя и рабочих глов по периметру режущего лезвия.

3. Определить величины составляющих силы резания, установить их зависи-юсть от формы обрабатываемого зуба и режимов обработки.

4. Определить зависимости для расчета погрешностей и шероховатости обрабо-анной внутренней зубчатой поверхности

5. Разработать алгоритм управления параметрами качества колес с внутренними Чями неэвольвентного профиля.

6. Дать экспериментальную оценку адекватности и применимости получении теоретических зависимостей.

7. Разработать практические рекомендации, направленные на повышение прои: водительности процесса, а также возможное снижение погрешности и шероховатости пс верхности внутренних неэвольвентных зубьев зубчатых колес.

Объект исследования: процесс зубодолбления зубчатых колес с внутренним зубьями неэвольвентного профиля.

Предмет исследования: профилирование инструмента, производительность и каче ство обработки зубчатых колес с внутренними зубьями неэвольвентного профиля.

Методика исследований. Теоретические исследования базируются на положения теории резания металлов, проектирования режущего инструмента, научных основ технолс гии машиностроения, дифференциальной геометрии, векторного анализа, инженерии пс верхности.

Экспериментальные исследования проводились на действующем оборудовании лабораториях кафедры ТМиКТИ и в реальных производственных условиях ООО «Орлов ский завод бурового инструмента и оборудования» (г. Орел). Измерения производились «Центральной измерительной лаборатории» ОАО «Мценский литейный завод: (г.Мценск). В основе экспериментальных исследований использованы методы многофак торного планирования экспериментов и математической статистики.

Научная новизна работы. Разработан комплекс универсального математическоп обеспечения профилирования инструмента с одновременным анализом параметров про цесса обработки и прогнозированием значений точности и шероховатости получаемых из делий.

На основании анализа процесса обработки выявлены закономерности соотношенш составляющих силы резания для зубодолбления различных неэвольвентных зубьев, поз воляющие, с учетом качества полученных поверхностей, назначать рациональные режимь обработки.

Автор защищает:

• методику комплексного анализа параметров процесса обработки колес с внутрен ними зубьями неэвольвентного профиля, сочетающую в себе профилирование долбяка < одновременным анализом параметров процесса обработки и прогнозированием точности и качества изделия.

• результаты теоретических и экспериментальных исследований обработки колес с внутренними зубьями треугольного, циклоидального профиля и профиля храпового зацепления

• технологические рекомендации по назначению рациональных режимов зубодолбления колес с внутренними неэвольвентными зубьями.

Практическая значимость заключается:

• в разработке методики профилирования долбяков для обработки колес с внутренними неэвольвентными зубьями, совмещенной с возможностью прогнозирования точности и качества изготавливаемого изделия;

• в разработке алгоритма проектирования процесса обработки, в котором процесс профилирования долбяка совмещен с анализом процесса зубодолбления.

• в разработке рациональных технологических режимов зубодолбления колес с внутренними неэвольвентными зубьями, определенных с помощью методики комплексного анализа параметров процесса обработки;

Реализация результатов работы: разработанный и сконструированный инструмент и рекомендуемые режимы зубодолбления апробированы и приняты к внедрению на

000 «Орловский завод бурового инструмента и оборудования» при обработке зубчатых колес с внутренними зубьями треугольного профиля (экономический эффект 225 259 ,уб.).

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на международных и региональных научно-технических конференциях: «Научный потен-шал Орловщины в модернизации промышленного комплекса малых городов России» Орёл-Ливны, 2010 г); «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии» г. Орел, 2010, 2011 г.); Международная научно-практическая конференция «Актуальные юпросы инновационного развития транспортного комплекса», г. Орел, 2011 г.; Междуна-юдная молодежная конференция «XXXVIII Гагаринские чтения », 2012 г.; Международ-1ая научно-техническая конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы модер-шзации современного машиностроения и металлургии», г. Липецк, 2012 г.; XV Междуна-юдная научно-техническая конференция «Технология-2012», 2012 г.; ежегодных научно-ехнических конференциях профессорско-преподавательского состава (г. Орел, 2009-2012

■.г.).

Диссертация выполнялась при поддержке гранта администрации Орловской об-[асти №12-08-97605 р_центр_а «Разработка математических моделей вновь создаваемых

1 существующих прогрессивных процессов формирования сложных поверхностей дета-[ей, основанных на многопараметрическом анализе нано-элементов пространства обработки».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 4 I изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ для публикации материалов диссер-•ационных исследований, и получены 2 патента Российской Федерации на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 172 страницах основного тек-та, содержит 74 рисунка и 13 таблиц. Состоит из введения, четырех глав, списка литера-уры, включающего 98 наименований, и приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследования, определены ;ель, задачи, объект, предмет и методы исследования, раскрыта научная новизна и прак-■ическая значимость работы.

В первой главе рассмотрены основные группы зубчатых колес с внутренними зубьями [ наиболее распространенные профили зубьев, отличительные особенности, области при-1енения, достоинства и недостатки. Проведен анализ работ посвященных обработке зубча-ых поверхностей и профилированию инструмента. Исследования в данной области в раз-юе время проводили С.И. Лашнев, В.М. Матюшин, В.Ф. Романов, Г.Н. Сахаров, И.И. Се-генченко, A.C. Тарапанов, Г.А. Харламов, Ю.В. Цвис, М.И. Юликов и др.

Одной из главных проблем при получении внутренних зубьев изделий является шерация, определяющая точность зубчатых колес. Рассмотрены основные методы обра-ютки и инструмент для формирования зубчатых венцов колес с внутренними зубьями. В шиболее распространенном в последнее время серийном производстве практически !динственной операцией, обеспечивающей необходимую производительность и точ-

ность, при минимальной себестоимости является зубодолбление. Рассматриваются с( временные зубодолбежные станки, применяемые для обработки колес с внутренним зубьями. Выделены основные направления развития зубодолбежного оборудована Определены основные виды и причины износа зуборезных долбяков.

Проанализировано состояние вопроса расчета составляющих сил резания при зубе долблении внутренних зубчатых венцов. Рассмотрены влияния силы резания и изменени её составляющих в процессе обработки на точность и шероховатость зубчатой поверхне сти при зубодолблении. Определены основные направления по управлению параметрами точности и шероховатости зубчатых поверхностей.

На основании проведенного анализа работ сделан вывод о том, что в настоящее время не существует обобщенной методики теоретической оценки обработки зубодолблением неэвольвент-ных зубчатых колес с внутренними зубьями, которая позволяла бы производить исследование процесса обработки изделий с целью прогнозирования параметров процесса резания и профилирования инструмента на этапе разработки технологического процесса.

Во второй главе представлена методика, сочетающая в себе процесс профилирования с анализом выходных параметров.

На этапе профилирования долбяка задается профиль впадины зубчатого колеса с внутренними неэвольвентными зубьями пр] помощи набора кривых, представленных в параметрическом виде. Представленный в дис сертации набор составляющих профиля может быть расширен для принципиально новы: изделий, что позволяет получить соответствующий профиль зуба инструмента по нижеиз ложенной методике.

Для отображения пространства профилирования разработана математическая модель Основу предлагаемого метода профилирования инструмента составляет математически описание процесса формообразования (рисунок 1), заключающегося в обработке зубчатсм поверхностью 1 профиля долбяка 2, которое представлено выражением, описывающш положение каждой точки профиля впадины зубчатого колеса с внутренними неэвольвент ными зубьями в любой момент обработки:

Рис. 1. Схема определения положения впадины колеса 1 относительно зуба долбяка 2 при профилировании.

-Д

(Ц-ЩФ^Г,^

Я

ил 1 +

■¿I

м

+ Уи

ЩФ+-

1+-

2Ь

(1)

2 = 1

- технологическая система принимается абсолютно жесткой,

- лезвия инструмента представляют собой геометрические линии.

А Б В

Рис. 3. Составляющие профиля зуба долбяка при обработке колес с внутренними

неэвольвентными зубьями:

А- радиусная вершина зуба долбяка для обработки внутренних треугольных зубьев, Б-входное лезвие зуба долбяка для обработки внутренних циклоидальных зубьев, В- выходное лезвие долбяка для обработки внутренних зубьев храпового зацепления.

Рис. 5. Схема определения положения зуба долбяка относительно зубчатого колеса при комплексном анализе процесса формообразования.

Обработка колес с внутренними зубьями неэвольвентного профиля характеризу . ется взаимным обкатом точек режущих лезвий инструмента (рисунок 5), которые перемещаются относительно обрабатываемой заготовки по траекториям - гипоциклоида!! (удлиненным и укороченным). Уравнения перемещения точек режущих лезвий долбяк! и его центра относительно детали наиболее целесообразно представить в параметрической форме:

Рис. 4. Спрофилированный инструмент и изготавливаемое изделие

материал инструмента- Р6М5, окружная подача SOKp = 0,44 мм/дв.ход, скорость резанит Vpa= 20 м/мин.

Анализом полученных данных установлено, что при зубодолблении профиль зуба инструмента оказывает существенное влияние на изменение толщины срезаемых слоев. При зубодолблении колес с внутренними неэвольвентными зубьями при одинаковых режимах обработки и одинаковых высотах профиля соотношение между нагружением входного и выходного лезвия составляет для эвольвентной впадины - 1,2; для треугольной и храповой впадины - 1,3; для циклоидальной - 2.

Методика расчета составляющих силы резания процесса зубодолбления колес с внутренними зубьями заключается в определении удельных сил на единицу длины режущего лезвия долбяка и последующего суммирования их по всем режущим кромка, участвующим в резании. Для определения удельной силы резания АР (Н/мм) применяются полученные экспериментально зависимости силы резания для диапазона толщин срезаемого слоя от 0,01 до 0,5 мм, передних углов - от -0,0175 рад до 0,0349 рад и задних углов- от 0,873-10~2 рад до 0, 0524 рад, а так же диапазона срезаемых толщин от 0 до 0,01 мм. Такое разделение необходимо для учета процесса срезания и смятия слоя металла, удаляемого различными участками режущего лезвия. Зна-Рис. 8 Схема определения суммарных чения составляющих силы резания для всех составляющих силы резания режущих лезвий, получают путем суммиро-

вания удельных сил, возникающих на элементарном участке режущего лезвия, по схеме, представленной на рисунке 8, и формулам:

Рх=£АРгАЬзт(Ф + г},0)Хс, (4)

Pz=^APAbKa

где АР у, АР, - удельные силы резания, ЛЬ- элементарный участок режущего лезвия, Ф -угол определяющий положение впадины колеса относительно межосевого расстояния, y/уо- угол между радиус-вектором точки режущего лезвия долбяка и линией симметрии зуба, Ксд- коэффициент сложности формирования стружки.

На рисунке 9 представлены графики изменения составляющих силы резания при обработке одним зубом долбяка впадины зубчатого колеса с внутренними зубьями эволь-вентного, треугольного, циклоидальногопрофиля и профиля храпового зацепления из стали 45 при высоте зуба h=5 мм, SOKp=0,44 мм/дв.ход, V= 20 м/мин . Из графиков видно, что профиль обрабатываемой впадины оказывает прямое влияние на составляющие силы резания, что связано с изменением длины активной режущей кромки лезвия зуба долбяка и суммарной площади срезаемого слоя материала во время обработки.

в г

Рис. 9. Силы резания при работе одного зуба долбяка при зубодолблении колес с внутренними зубьями: А- эвольвентного профиля, Б - треугольного профиля, В- циклоидально профиля, Г- профиля храпового зацепления

На рисунках 10 и 11 представлено изменение составляющих силы резания во время работы всех зубьев, находящихся в резании, при обработке колес с внутренними эволь-вентными, треугольными, циклоидальными зубьями и зубьями храпового зацепления. Исследования составляющих силы резания показали, что зубодолбление колес с внутренними зубьями неэвольвентного профиля из стали 45 при высоте зуба Ь=5 мм, 5ОКр=0,44 мм/дв.ход, У= 20 м/мин характеризуется следующими соотношениями: обработка треугольного профиля и эвольвентного - Рут/ Руэ= 0,81, Ргт/ Ргэ= 1,09, Ргп/ Ргэ= 1,28, циклоидального профиля и эвольвентного Руц/ Руэ= 1,38, Ргц/ Ргэ= 1,38, храпового профиля 1 эвольвентного - Рух/ Руэ= 1,27, Ргх/ Ргэ= 1,28.

А Б

Рис. 10. Силы резания при зубодолблении колес с внутренними зубьями:

А- эвольвентного профиля, Б - треугольного профиля

Рис. 13. Функциональная схема

и

В четвертой главе проведено экспериментальное исследование составляющих сил резания. Установлено, что разница в значениях силы резания между теоретическими данным] и полученными экспериментальным путем составляет 4-11%. Причем до 4% отличается со ставляющая Рх, до 11% - составляющие Ру и Рг. Так же ч и было установлено, что при увеличении круговой подачи составляющие силы резания и амплитуда их колебания растут не пропорционально подаче. Это объясняется тем, что при увеличении окружной подачи увеличиваются толщины срезаемого слоя и уменьшается удельная сила, что сдерживает рост силы резания.

При исследовании точности и шероховатости установлено, что точность изделий, изготовленных спрофилированные инструментом, соответствует требованиям чертежа и прогнозируемым значениям, а прогно зируемые значения шероховатости отличаются от полученных экспериментально на 8-12%.

Проведена реализация результатов исследования и расчет экономической эффективно сти обработки при производстве изделий «Кулачок» (черт. НКР100М-1-1038), «Кольцг храповое» (черт. ПП54В.023), «Кольцо храповое» (черт. ПТ48.014) с внутренними зубьям] треугольного профиля на ООО «Орловский завод бурового инструмента и оборудования» Экономический эффект составил 225 259 рублей

>

А Б

Рис. 14. Процесс измерения на КИМ Ргито 7 А- внешний вид КИМ, Б- процесс контроля

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. В представленной научно-квалификационной работе изложен комплекс обоснованных технических и технологических решений, направленных на повышение производительности, качества и точности зубодолбления колес с внутренними неэвольвентными зубьями за счет применения методики комплексного анализа процесса зубодолбления

2. Разработана методика комплексного анализа и алгоритм, которые совмещают профи-шрование инструмента и прогнозирование результатов обработки колес с внутренними ;убьями неэвольвентного профиля, что позволяет осуществить проектирование профилей [олбяков для любых неэвольвентных колес внутреннего зацепления с одновременным ана-[изом значений точности получаемых изделий и качества поверхности зубьев.

3. Разработан комплекс универсального математического обеспечения профилирования I отображения схемы резания зубодолбления колес с внутренними неэвольвентными убьями, включающий в себя описание движений инструмента и заготовки, анализ которого ; помощью положений дифференциальной геометрии позволил получить профиль инстру-1ента и установить аналитические зависимости для определения рабочих углов режущего езвия и толщин срезаемого слоя по профилю режущих лезвий.

4. Установлены зависимости соотношений между нагружениями входного и выходного южущего лезвия при зубодолблении колес с внутренними зубьями при одинаковой высоте уба, которые составляют: для эвольвентных зубьев - 1,2; для треугольных зубьев и зубьев рапового зацепления -1,3; для циклоидальных зубьев - 2.

5. Установлены численные зависимости между величинами составляющих силы резания : профилем зуба долбяка. При зубодолбление колес с внутренними зубьями неэвольвентного рофиля выявлены следующие соотношения составляющих силы резания: обработка тре-гольного профиля и эвольвентного - Рут/ Руэ= 0,81, Ргт/ Рг~>= 1,09; циклоидального профиля эвольвентного Руц/ Руэ= 1,38, Ргц/ Ргэ= 1,38; профиля храпового зацепления и эвольвент-ого - Рух/ Руэ= 1,27, Ргх/ Ргэ= 1,28.

6. Установлено, что профиль зуба долбяка оказывает влияние на величину шерохова-эсти обработанной зубчатой поверхности и точность. При одинаковых режимах зубо-олбления прогнозируемые шероховатость и точность по радиальному биению имеют аксимальные значения при обработке циклоидального профиля Яа = 4.6 мкм, Рг= 44 мкм, инимальные - при обработке треугольного Яа= 3.2 мкм, Гг= 26 мкм, что создает резерв ля повышения производительности зубодолбления колес с внутренними зубьями тре-гольного профиля.

7. Выявлено, что экспериментально определенные величины составляющих силы реза-ия, шероховатость, точность при зубодолблении колес с внутренними треугольными убьями и зубьями храпового зацепления отличаются от теоретически рассчитанных для анной детали на 4-12%.

8. Разработаны практические рекомендации, направленные на повышение производи-:льности процесса, а так же возможное снижение погрешности и шероховатости поверх-эсти внутренних неэвольвентных зубьев.

9. На основании полученных результатов профилирования и исследования процессов /бодолбления колес с внутренними зубьями неэвольвентного профиля разработан и внед-:н технологический процесс на предприятии ООО «Орловский завод бурового оборудова-яя и инструмента», включающий спроектированый инструмент и рекомендуемые режимы зработки, что позволило получить экономический эффект 225 259 рублей при производ-:ве изделий «Кулачок» (черт. НКР100М-1-1038), «Кольцо храповое» (черт. ПП54В.023),

~>льцо храповое» (черт. ПТ48.014).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Анпсимов Р.В. Математическое отображение схем резания и определение толщины срезаемої слоя при обработке неэвольвентных профилей зубчатых колес с внутренними зубьями. [Текст] / Анис: мов Р.В., Миронов С.И. // Фундаментальный и прикладные проблемы техники и технологии»: №2/3(280).-Орел: ИПЦ ОрелГТУ, 2010-6с.-с.16-21

2. Анпсимов Р.В. Математическое отображение схемы обката для профилирования долбяков обр батывающих колеса с внутренними зубьями неэвольвентного профиля. [Текст] / Анисимов Р.В., Ревеї ков A.A.// «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии»: - №2/3 -Орел: ИПЦ Оре. ГТУ, 2011,-5с,- с. 18-22

3. Анисимов Р.В. Особенности износа инструмента при зубодолблепии колес с внутренним зубьями неэвольвеного профиля. [Текст] / Анисимов Р.В., Тарапанов A.C. // «Фундаментальные и npj кладные проблемы техники и технологии»: - №3 -Орел: ИПЦ ОрелГТУ, 2011- 7с - с.99-105

4. Анисимов Р.В. Управление параметрами качества колес с внутренними зубьями незвольвентної профиля. [Текст] / Анисимов Р.В., Тарапанов A.C. // «Фундаментальные и прикладные проблемы те; ники и технологии»: - №4/2 -Орел: ИПЦ ОрелГТУ, 2011- 6с - с. 9-14

Список публикаций в других изданиях:

5. Анисимов Р.В. Современные технологии и оборудование для зубодолбления колес с внутренним зубьями [Текст] / Анисимов Р.В., Тарапанов A.C. // Региональная научно-практическая конференция м< лодых ученых и аспирантов «Научный потенциал Орлодцины в модернизации промышленного кок плекса малых городов России»- Орел, 2010.-5c.-c.4-8

6. Анисимов Р.В. Повышение качества деталей транспортных средств с внутренними зубьями ш эвольвентного профиля. [Текст] / Анисимов Р.В. // Актуальные вопросы инновационного развития транс портного комплекса. Материалы Международной научно-практической конференции (17-18 мая, 2011 Том 1, ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК». - Орел: ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК», 201: -5С.-С. 91-95

7. Анисимов Р.В. Профилирование долбяков для колес с внутренними неэвольвентными зубьямі [Текст] / Анпсимов Р.В., Тарапанов A.C.// Фундаментальные и прикладные проблемы модернизацп современного машиностроения и металлургии: Сборник научных трудов международной научно-техш ческой конференции, посвященной 50-летию кафедры технологии машиностроения ЛГТУ. 17-19 ма 2012г./ под общ. ред. проф. A.M. Козлова- Ч.1.- Липецк: Изд-во ЛГТУ, 2012.-5с.-с.11-15

8. Анисимов Р.В. Совершенствование технологического оснащения для нарезания колес с внут ренними зубьями неэвольвентного профиля [Текст] /Р.В. Анисимов, A.C. Тарапанов, Г.А. Харламов/ «Наукоемкие технологии в машиностроении»-№5- М.: Машиностроение, 2012.- 7с.- с.9-15

9. Анпсимов Р.В. Экспериментальные исследования сил резания при обработке зубчатых колес внутренними зубьями неэвольвеного профиля. [Текст] / Анисимов Р.В., Тарапанов A.C. // «Наукоемки технологии в машиностроении и авиадвигателестроении: Материалы IV Международной научно-техни ческой конференции. В 2-х частях»- Рыбинск: РГАТУ имени П.А. Соловьева, 2012.- Ч. 1-6с.- с.263-268

10. Анисимов Р.В. Прогнозирование шероховатости обработки зубчатых колес с внутренним] зубьями неэвольвентного профиля.[Текст] /Анисимов Р.В., Тарапанов A.C.// Высокие технологии в ма шиностроении: Материалы Международной научно-технической конференции (Курган, 21-23 ноябр. 2012г.).- Курган: Издательство Курганского гос. ун-та, 2012-5с.- с.46-50

Патенты РФ на изобретения:

11. Зубоиглошевер. [Текст]/Степанов Ю.С., Киричек A.B., Тарапанов A.C., Анисимов Р.В., Афана сьев Б.И., Чепикова И.М.: пат. 2440217 С1 РФ №2010118254/02; заяв. 05.05.2010; опубл. 20.01.2012

12. Способ зубоиглошевингования зубчатых колес. [Текст]/Степанов Ю.С., Киричек A.B., Тарапаної A.C., Анисимов Р.В., Афанасьев Б.И., Чепикова И.М.: пат. 2446135 С2 РФ №2010118255/02; заяв 05.05.2010; опубл. 27.03.2012

Подписано в печать 26.01.2013 Формат 60x84/16. Бумага для множит, техники. Гарнитура Times New Roman. Печать электрографическая. Усл. печ. л. 1. Уч.-изд. л. 1,1. Тираж 100 экз. Заказ №060П/13 Отпечатано с готового оригинал-макета на полиграфической базе ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК» 302030, г. Орел, ул. Московская, 65

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «Государственный университет - учебно - научно - производственный комплекс»

На правах рукописи

04201355146

АНИСИМОВ РОМАН ВИКТОРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБРАБОТКИ КОЛЕС С ВНУТРЕННИМИ

НЕЭВОЛЬВЕНТНЫМИ ЗУБЬЯМИ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор А.С. Тарапанов

Орел 2013

СОДЕРЖАНИЕ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ...................................................... 4

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................. 6

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАБОТКИ КОЛЕС С ВНУТРЕННИМИ ЗУБЬЯМИ НЕЭВОЛЬВЕНТНОГО ПРОФИЛЯ.

1.1 Техническая характеристика колес с внутренними зубьями......... 11

1.2 Методы обработки и инструмент для формирования зубчатого венца колес с внутренними зубьями....................................... 20

1.3 Зубодолбежное оборудование, применяемое для обработки колес

с внутренними зубьями...................................................... 28

1.4 Состояние вопроса динамики зубодолбления колес с внутренними зубьями........................................................ 37

1.5 Исследование износа зуборезных долбяков............................. 39

1.6 Влияние сил резания на точность обрабатываемых долбяками колес с внутренними зубьями.............................................. 45

1.7 Состояние вопроса профилирования долбяков......................... 50

1.8 Выводы и формулирование задач исследования...................... 58

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ КОЛЕС С ВНУТРЕННИМИ ЗУБЬЯМИ НЕЭВОЛЬВЕНТНОГО ПРОФИЛЯ.

2.1 Профилирование долбяков для обработки колес с внутренними неэвольвентными зубьями................................................... 63

2.2 Анализ процесса зубодолбления неэвольвентных коле с внутренними зубьями......................................................... 82

2.2.1 Математическое отображение схемы резания................... 82

2.2.2 Кинематические изменения геометрических параметров режущих лезвий долбяков.................................................. 85

2.2.3 Силы резания при зубодолблении колес с внутренними неэвольвентными зубьями................................................... 108

2.2.4 Точность колес с внутренними зубьями........................... 119

2.2.5 Шероховатость неэвольвентных зубчатых колес с внутренними зубьями........................................................ 125

2.3 Управление параметрами качества колес с внутренними зубьями

неэвольвентного профиля....................................................... 133

2.4 Выводы по главе............................................................. 140

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Методика исследования сил резания...................................... 142

3.2 Методика исследования износа инструмента......................... 146

3.3 Методика экспериментального исследования шероховатости колес с внутренними неэвольвентными зубьями..................... 149

3.4 Методика экспериментального исследования точности зубчатых колес С внутренними зубьями неэвольвентного профиля............ 150

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОБРАБОТКИ КОЛЕС С ВНУТРЕННИМИ ЗУБЬЯМИ НЕЭВОЛЬВЕНТНОГО ПРОФИЛЯ.

4.1 Исследование динамических процессов обработки колес с внутренними зубьями неэвольвентного профиля...................... 156

4.2 Экспериментальное исследование шероховатости зубчатого колеса с внутренними зубьями неэвольвентного профиля........... 159

4.3 Исследование износа режущего инструмента.......................... 159

4.4 Экспериментальное исследование точности колес с внутренними неэвольвентными зубьями................................................... 161

4.5 Реализация результатов исследований и расчет экономической эффективности................................................................. 162

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ................................. 164

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................ 166

ПРИЛОЖЕНИЯ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

а -толщина срезаемого слоя;

ау,о - межосевое расстояние долбяка и обрабатываемого зубчатого колеса;

>ост~ станочное межосевое расстояние долбяка и нарезаемого колеса; В- высота предельно сточенного долбяка; В0 - высота долбяка;

Вх - ширина посадочного отверстия долбяка;

Ь - ширина срезаемого слоя;

Ьк - ширина зубчатого венца колеса;

¿/о - диаметр делительной окружности долбяка;

сіао - диаметр окружности выступов долбяка в исходном сечении;

к - высота нарезаемого зуба колеса;

к ] - составляющая профиля шероховатости, обусловленная геометрией режущей части инструмента и кинематикой её перемещения относительно заготовки;

і - число проходов долбяка; / - длина заготовки;

1а - перемещение точки режущего лезвия долбяка за один двойной ход в направлении подачи; т — модуль;

гао - радиус вершин зубьев долбяка;

га1 и га2 - радиусы окружностей выступов зацепляемых зубчатых колес;

гьо - радиус основной окружности долбяка;

гы и гЬ2 — радиусы основных окружностей зацепляемых колес;

г/о — радиус окружности впадин долбяка;

г а и га - радиусы окружностей впадин зацепляемых колес;

г„о - радиус начальной окружности долбяка;

г „у - радиус начальной окружности зубчатого колеса;

гуо - радиус-вектор точки на режущем лезвии долбяка;

гУ] - радиус- вектор точки на профиле зуба колеса; ¿о - основное время обработки; г о и 2} — число зубьев долбяка и нарезаемого колеса; Е - модуль упругости обрабатываемого материала; 3— момент инерции сечения заготовки; Я2 - шероховатость обработанной поверхности; V- скорость резания; а - задний угол инструмента; у - передний угол инструмента; X - угол наклона режущей кромки; А - суммарная погрешность обработки; Да - кинематическое изменение заднего угла; Л у— кинематическое изменение переднего угла. у/уо — угол между радиус-вектором точки бокового режущего лезвия долбяка и линией симметрии зуба;

у/У1 - угол между радиус-вектором точки профиля зуба зубчатого колеса и линией симметрии зуба;

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Зубчатые зацепления с внутренними зубьями получили широкое распространение в современном машиностроении. Оно применяется в конструкциях механизмов буровых установок, дорожно-строительных машин и т.д. Основными достоинствами применения зубчатого зацепления с внутренними зубьями по сравнению с внешним зубчатым зацеплением являются более высокий КПД, более высокая нагрузочная способность, существенное уменьшение габаритов конструкций, в которых они применяются. В таких изделиях помимо традиционного эвольвентного профиля зуба в последнее время активно применяют зубья неэвольвентного профиля -треугольного, циклоидального, трапецеидального и т.д. Это обусловлено во-первых, конструктивным назначением механизма, а во-вторых, определенными преимуществами каждого из этих профилей перед эвольвентным.

Использование колес с внутренними зубьями обуславливается высокими требованиями к качеству и точности изготовления, от которых зависит долговечность и стабильность работы узлов.

Известно несколько способов обработки колес с внутренними зубьями. Однако в условиях современной экономики, когда на предприятиях тип производства редко превышает среднесерийный, а в основном это единичный и мелкосерийный, наиболее эффективным является обработка зубодолблением.

Внедрение в производство зубчатых колес с внутренними зубьями другого профиля и конфигурации, появление новых инструментальных и обрабатываемых материалов заставляет заново производить трудоемкие и дорогостоящие исследования по определению режимов резания, степени влияния их на точность поверхности. Как следствие этого необходимо проведение теоретического исследования влияния метода и режима обработки, а также параметров формы зуба на кинематические, силовые характеристики процесса, шероховатость получаемой поверхности, износ инструмента и производительность процесса.

Использование комплексного анализа параметров поверхности зуба, физико-механических свойств инструментального материала и материала заготовки, параметров геометрии инструмента и заготовки, кинематических и динамических характеристик процессов обработки зубчатых колес с внутренними зубьями позволит сделать адекватный выбор метода обработки и сочетания режимов резания, обеспечивающих получение требуемых показателей качества и максимальной производительности процесса, а также профилирования инструмента на стадии предварительного проектирования.

Цель работы. Профилирование долбяков для зубчатых колес с внутренними зубьями неэвольвентного профиля и комплексный анализ процесса их формообразования.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены следующие задачи:

1. Разработать комплекс универсального математического обеспечения профилирования инструмента и отображения схемы резания для зубодолбления колес с внутренними неэвольвентными зубьями.

2. На основе разработанного отображения схемы резания провести анализ кинематических характеристик процесса зубодолбления колес с внутренними зубьями неэвольвентного профиля, включающий в себя расчет толщин срезаемого слоя и рабочих углов по периметру режущего лезвия.

3. Определить величины составляющих силы резания, установить их зависимость от формы обрабатываемого зуба и режимов обработки.

4. Определить зависимости для расчета погрешностей и шероховатости обработанной внутренней зубчатой поверхности

5. Разработать алгоритм управления параметрами качества колес с внутренними зубьями неэвольвентного профиля.

6. Дать экспериментальную оценку адекватности и применимости полученных теоретических зависимостей.

7. Разработать практические рекомендации, направленные на повышение производительности процесса, а также возможное снижение погрешности и шероховатости поверхности внутренних неэвольвентных зубьев зубчатых колес.

Объект исследования: процесс зубодолбления зубчатых колес с внутренними зубьями неэвольвентного профиля.

Предмет исследования: профилирование инструмента, производительность и качество обработки зубчатых колес с внутренними зубьями неэвольвентного профиля.

Методика исследований. Теоретические исследования базируются на положениях теории резания металлов, проектирования режущего инструмента, научных основ технологии машиностроения, дифференциальной геометрии, векторного анализа, инженерии поверхности.

Экспериментальные исследования проводились на действующем оборудовании в лабораториях кафедры ТМиКТИ и в реальных производственных условиях ООО «Орловский завод бурового инструмента и оборудования» (г. Орел). Измерения производились в «Центральной измерительной лаборатории» ОАО «Мценский литейный завод» (г.Мценск). В основе экспериментальных исследований использованы методы многофакторного планирования экспериментов и математической статистики.

Научная новизна работы. Разработан комплекс универсального математического обеспечения профилирования инструмента с одновременным анализом параметров процесса обработки и прогнозированием значений точности и шероховатости получаемых изделий.

На основании анализа процесса обработки выявлены закономерности соотношений составляющих силы резания для зубодолбления различных неэвольвентных зубьев, позволяющие, с учетом качества полученных поверхностей, назначать рациональные режимы обработки.

Практическая значимость заключается:

• в разработке методики профилирования долбяков для обработки колес с внутренними неэвольвентными зубьями, совмещенной с возможностью прогнозирования точности и качества изготавливаемого изделия;

• в разработке алгоритма проектирования процесса обработки, в котором процесс профилирования долбяка совмещен с анализом процесса зубодолбления.

• в разработке рациональных технологических режимов зубодолбления колес с внутренними неэвольвентными зубьями, определенных с помощью методики комплексного анализа параметров процесса обработки;

Реализация результатов работы: разработанный и сконструированный инструмент и рекомендуемые режимы зубодолбления апробированы и приняты к внедрению на ООО «Орловский завод бурового инструмента и оборудования» при обработке зубчатых колес с внутренними зубьями треугольного профиля (экономический эффект 225 259 руб.).

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на международных и региональных научно-технических конференциях: «Научный потенциал Орловщины в модернизации промышленного комплекса малых городов России» (Орёл-Ливны, 2010 г); «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии» (г. Орел, 2010, 2011 г.); Международная научно-практическая конференция «Актуальные вопросы инновационного развития транспортного комплекса», г. Орел, 2011 г.; Международная молодежная конференция «XXXVIII Гагаринские чтения», 2012 г.; Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы модернизации современного машиностроения и металлургии», г. Липецк, 2012 г.; XV Международная научно-техническая конференция «Технология-2012»,г. Орел, 2012 г.; ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава (г. Орел, 2009-2012 г.г.).

Диссертация выполнялась при поддержке гранта администрации Орловской области №12-08-97605 р дентр а «Разработка математических моделей вновь создаваемых и существующих прогрессивных процессов формирования сложных поверхностей деталей, основанных на многопараметрическом анализе нано-элементов пространства обработки».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ для публикации материалов диссертационных исследований, и получены 2 патента Российской Федерации на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 172 страницах основного текста, содержит 74 рисунка и 13 таблиц. Состоит из введения, четырех глав, списка литературы, включающего 98 наименований, и приложений.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАБОТКИ КОЛЕС С ВНУТРЕННИМИ ЗУБЬЯМИ НЕЭВОЛЬВЕНТНОГО ПРОФИЛЯ.

1.1 Технологическая характеристика колес с внутренними зубьями.

Неотъемлемой частью всех машин и механизмов являются зубчатые передачи. В машиностроении широкое применение нашло зубчатое зацепление с внутренними зубьями. Оно применяется в дорожно-строительных, горных и буровых машинах и т.д. в таких узлах, как планетарные редукторы, шестеренные насосы и т.д. Зубчатое зацепление с внутренними зубьями обладает определенными преимуществами. Это высокий КПД, в связи с тем, что вращение ведущего и ведомого колес происходит в одном направлении и сокращаются потери на трение. В зацеплении находится большее количество зубьев, поэтому зубчатая передача с внутренним зацеплением обладает более высокой нагрузочной способностью по сравнению с такой же передачей, но внешнего зацепления. Одновременно внутреннее зацепление позволяет существенно уменьшить габариты редукторов.[11,65]

Существует большое разнообразие передач внутреннего зацепления, как по конструкции, так и по форме зуба.

Колеса с внутренними зубьями по форме разделяются на четыре основные группы (рисунок 1.1) : а) с односторонним валом мелких и средних размеров; б) со ступицей мелких и средних размеров; в) венцовые колеса; г) многовенцовые колеса. [65,43]

Открытые венцы с внутренними зубьями (рисунок 1.1, в) являются наиболее технологичной конструкцией. Нарезание и отделка зубьев возможны фрезерованием модульными (дисковыми и пальцевыми) и червячными фрезами, долблением, протягиванием, шевингованием и шлифованием. [86,87]

Рисунок. 1.1- Основные виды колес с внутренними зубьями.

Полуоткрытые (рисунок 1.2) венцы, имеющие широкую канавку для свободного выхода инструмента, можно обрабатывать указанными многими методами, кроме протягивания; фрезерование и шлифование зубьев возможны только при величине, превышающей расстояние от оси инструмента до крайней точки инструментальной головки в направлении продольной подачи, при внутреннем диаметре венца, превышающем поперечные размеры инструментальной головки.

1 1

а

Рисунок 1.2- Полуоткрытый венец

Закрытые венцы (рисунок 1.1 а, б, г), имеющие узкую канавку, обрабатывают только долблением.

Помимо того что зубчатые колеса с внутренними зубьями бывают различной конструкции, они имеют и различную форму зуба. Наиболее широкое применение получило эвольвентное зацепление.

Но в последнее время при конструировании машин и механизмов, таких как гидравлические насосы, редукторы и т.д. все больше отдают предпочтение зубчатому зацеплению с различными неэвольвентными профилями зуба. Одним из таких профилей является циклоидальный. Он обладает несколькими преимуществами перед эвольвентным [31,89,95]:

— меньший износ профилей за счет использования зацепления выпуклого профиля с вогнутым;

— больший, чем в аналогичной эвольвентной передаче, коэффициент перекрытия;

— возможность получения на шестерн