автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение эксплуатационных свойств зубчатых профилей за счет применения нового инструмента для эксцентричного накатывания нескольких фасонных поверхностей

4855162

На правах рукописи

ЕЛИСЕЕВ НИКОЛАИ ЕВГЕНЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ЗУБЧАТЫХ ПРОФИЛЕЙ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ НОВОГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ ЭКСЦЕНТРИЧНОГО НАКАТЫВАНИЯ НЕСКОЛЬКИХ ФАСОННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-6 ОКТ 2011

Москва - 2011

4855162

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении «Московский государственный Индустриальный университет»

Научный руководитель: д.т.н., профессор Берлинер Эдуард Максович

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор Хлебалин Николай Федорович

к.т.н., старший научный сотрудник Фингер Михаил Львович

Ведущая организация: ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ»

Защита состоится 20 октября 2011г. в 1 б00 на заседании диссертационного совета Д 212.129.01 при Московском государственном Индустриальном университете, 115280, Москва, Автозаводская ул., 16, ауд.1804,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного Индустриального университета

Автореферат разослан 16 сентября и размещен на сайте www.msiu.ru

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.129.01 к.т.н. Иванов Юрий Сергеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Непрерывно возрастающие требования к качеству выпускаемых машин связаны с необходимостью повышения их надежности, которая в значительной степени определяется эксплуатационными свойствами отдельных деталей.

Эксплуатационные свойства деталей машин существенно зависят от качества поверхностного . слоя, определяемого геометрическими параметрами: макроотклонения, шероховатость; физико-механическими параметрами: поверхностная твердость, структура материала, остаточные напряжения. Все эти параметры зависят от технологии изготовления детали.

Большими потенциальными возможностями улучшения эксплуатационных свойств деталей машин обладает метод окончательно холодного накатывания профилей.

В связи с этим диссертационная работа, направленная на повышение эксплуатационных свойств зубчатых профилей за счет применения нового инструмента для эксцентричного накатывания нескольких фасонных поверхностей, является актуальной.

Цели и задачи исследования.

Цель настоящей работы — повышение эксплуатационных свойств зубчатых профилей за счет применения нового инструмента для эксцентричного накатывания нескольких фасонных поверхностей.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1.Создать математическую модель процесса многопрофильного накатывания затылованными роликами для детального изучения процессов, протекающих при обработке;

2.Выявить зависимости влияния геометрических параметров, определяющих конструкцию инструмента, и режимов накатывания на эксплуатационные характеристики обрабатываемых изделий;

3.Изучить характер заполнения обрабатываемого профиля и выявить причины возникновения дефектов при многопрофильной обработке;

4.На основе анализа данных, полученных в ходе математического моделирования, разработать новую конструкцию инструмента для окончательного эксцентричного накатывания нескольких фасонных профилей;

5.Провести экспериментальные и металлографические исследования для подтверждения данных, полученных в результате математического моделирование;

6.По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработать рекомендации по проектированию специального инструмента для размерного формообразования нескольких фасонных профилей на деталях зубчатых колес;

7.Сравнить и проанализировать макро- и микрогеометрию поверхностей и физико-механические свойства материала профилей, обработанных инструментом-прототипом и инструментом, спроектированным в рамках данной работы;

8.Провести ресурсные испытания зубчатых колес, обработанных ранее названными инструментами.

Предмет и объект исследования.

Объектом исследования являются зубчатые профили, в частности: эвольвентные, мелкомодульные, прямозубые и косозубые цилиндрические зубчатые колеса; эвольвентные и треугольные шлицы малого модуля.

Предметом исследования является инструмент для осуществления процесса эксцентричного накатывания нескольких фасонных поверхностей.

Методы исследования. В данной работе использовался комплексный метод исследований, который включал в себя как теоретические, так и экспериментальные исследования.

Теоретические исследования базируются на теории зубчатого зацепления и сопрягаемых профилей, метод конечных элементов, компьютерное моделирование, современных программных и аппаратных средств, для построения модели процесса накатывания затылованными роликами.

Для проведения экспериментальных исследований создана экспериментальная установка, повторяющая в своей конструкции кинематику накатного стана для обработки при постоянном межосевом расстоянии. При проведении испытаний применялись современные средства измерения для определения параметров шероховатости и твердости, а также комплексной оценки показателей точности зубчатых колес. Обработка экспериментальных данных выполнялась с применением методов математической статистики и планирования эксперимента.

Научные результаты, выносимые на защиту

-Параметрическая математическая модель процесса многопрофильного накатывания зубчатых венцов затылованными сегментами роликов;

-Выявленные при анализе данных математического моделирования зависимости влияния геометрических параметров, определяющих конструкцию инструмента, и режимов накатывания на эксплуатационные характеристики обрабатываемых изделий;

-Разработанную новую конструкцию инструмента для окончательного эксцентричного накатывания нескольких фасонных профилей (Патент № 98157);

-Научно обоснованные рекомендации по проектированию специального инструмента для окончательного эксцентричного накатывания нескольких фасонных профилей.

Научная новизна результатов исследования

-Создана математическая модель процесса многопрофильного формообразования затылованными роликами, позволившая детально изучить процессы, протекающие при обработке;

-По результатам математического моделирования установлены качественные и количественные зависимости шероховатости обрабатываемой поверхности и характеристик упрочнения обрабатываемого профиля от геометрических параметров активного профиля инструмента и режимов накатывания;

-Изучен характер заполнения обрабатываемого профиля и выявлены причины возникновения дефектов при многопрофильной обработке;

-На основе анализа данных, полученных в результате математического моделирования, разработана новая конструкция инструмента для окончательного эксцентричного накатывания нескольких фасонных профилей (Патент № 98157);

-Даны научно обоснованные рекомендации по проектированию специального инструмента для размерного формообразования нескольких фасонных профилей на деталях зубчатых колес.

Практическая значимость и реализация результатов работы

-Разработана новая конструкция инструмента для окончательного эксцентричного накатывания нескольких фасонных профилей (Патент № 98157);

-Разработана методика нахождения оптимальных геометрических параметров инструмента и режимов обработки для одновременного накатывания нескольких зубчатых профилей.

-Результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях: ЗАО «Станконормаль» (Акт №16 от 14.04.2010г.), ООО «Стройинвест-прокат» (Акт №112 от 24.08.2010г.).

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Диссертационное исследование, посвященное повышению эксплуатационных свойств зубчатых профилей за счет применения нового инструмента для эксцентричного накатывания нескольких фасонных поверхностей, соответствует п. 4. «Создание, включая проектирование, расчеты и оптимизацию, параметров инструмента и других компонентов оборудования, обеспечивающих технически и экономически эффективные процессы обработки» и п. 6. «Новые технологические процессы механической и физико-технической обработки и создание оборудования и инструментов для их реализации» паспорта специальности 05.02.07 -«Технология и оборудование механической и физико-технической обработки».

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались к обсуждались на:

-Научно практическом семинаре «Современные методы и средства автоматизированного проектирования изделий. Современные промышленные технологии и перспективы их развития»;

-Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии»;

-Заседании кафедры «Металлообрабатывающие системы с ЧПУ» Московского государственного Индустриального университета;

-Экспертном совете ОАО «Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков»;

-Экспертном совете ОАО «НИИТавтопром».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы, в том числе 2 работы в изданиях рекомендованных ВАК и один патент РФ на полезную модель.

Структура и объем работы

Диссертация изложена на 130 страницах, состоит из введения, четырех основных глав, списка используемой литературы из 62 наименований и приложения. Работа включает 90 иллюстраций.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, изложены цели и задачи работы, представлена ее научная новизна и практическая значимость.

В первой главе проведен анализ существующего инструмента, способов накатывания профилей методом обката при постоянном межосевом расстоянии, с рассмотрением технологических характеристик каждого способа. При проведении анализа были рассмотрены труды следующих авторов: Афонин А.Н., Барбарич М.В., Гашков И.В., Дейнеко В. Г., Киричек A.B., Кузьменко А. Ф., Лапин В. В., Лындин В.А., Мельничук O.A., Миропольский Ю. А., Папшев Д. Д., Писаревский М.И., Фингер M.JL, Хоруженко М.В., Якобсон М.О. По результатам анализа, как наиболее перспективный выбран способ накатывания затылованными роликами.

Также в этой главе показаны перспективы метода многопрофильной обработки и приведена классическая методика проектирования инструмента для многопрофильного накатывания затылованными роликами при постоянном межосевом расстоянии. Определены недостатки данной методики и предложен альтернативный принцип конструирования многопрофильного инструмента.

Итогами главы является постановка цели и задач исследования.

Во второй главе разработана математическая модель процесса многопрофильной обработки затылованными роликами. Моделирование осуществлялось при помощи программного комплекса Deform3D, который

был выбран, так как базируется на методе конечных элементов. Данный метод оптимален для описания процессов протекающих при обработке накатыванием при моделировании именно на ЭВМ, так как позволяет с большей степенью аппроксимировать форму тела, а значит и при решении задачи даёт меньшую погрешность.

Созданная математическая модель детально описывает процессы протекающие при многопрофильном накатывании зубчатых венцов и шлиц, следовательно, позволяет изучить процесс обработки инструментом с теми или иными параметрами активного профиля.

В связи с особенностями описания физических законов при математическом моделировании необходимо специально описывать некоторые процессы:

1) профилирование инструмента по сопрягаемому профилю и переходной кривой; 1 V

Рис. 2. Формообразование инструментом с кромкой зуба в виде фаски.

Рис. 3. Формообразование инструментом с кромкой зуба в виде окружности.

"г Ри

с. 1. Расчетная схема зацепления.

Кривая активного сопрягаемого профиля инструмента (рис. 1.) в системе координат хОу описывается уравнениями:

х = (x'-r<p) cos(<р - ц/) + (y'+r) sin(<р - у/); у = -(х'- Г(р) sin( <р - у/) + (у'+ г) cos( ср - y)-rf;

а в системе координат х'Ау':

хЭ = г [sinf <р - i//)-cpcosacos(<p- ц/+ а)]; уЭ = г[cos((р - \//)+<pcosasin((p- ц/+ a)]-rf;

Угол ф для различных точек профиля эвольвент будет принимать следующие значения:

<Рр = <Рш = 0; <рн =<Ра = - tga; <pIV= tgaa - tga (3)

Переходная кривая при формообразовании инструментом с кромкой зуба в виде фаски (рис. 2.) описывается уравнениями:

(1)

(2)

Хв = -(Ко tga + r<p)cos( <р - у/) + (-hM + r)sin( <р - у) ; Ун = -(Ко tga + r(p)sin( (р - ц/) + (-Ко - r)cos( <р - Ц/)-гг.

Переходная кривая при формообразовании инструментом с кромкой зуба в виде окружности (рис. 3.) описывается уравнениями:

x¡ = -(h'tga + pfcosa- p/cosju +rcp)cos( cp- y/) +

+ (- h'-pfcos/л + r)sin(<p- 4/ ); y3 = (h'tga + pfcosa- pfCOSju +r<p)sin( (p- y/)+ + (- h'- pfsinp. + r)cos(cp- у/ )-r¡.

(5)

2) напряженно-деформированное состояние металла при накатывании, вызванное нелинейностью процесса деформации при течении больших объемов металла;

В общем случае деформация нелинейная (рис. 4.)., а значит, в общем виде деформированное состояние в точке определяется не только линейными деформациями, но и деформациями сдвига. Рассмотрим деформацию элемента прямоугольной формы, расположенного в окрестностях произвольной точки. Растяжение элемента вдоль трех осей определяется тремя линейными деформациями:

ди Зу

dx

u + du/dx

дх'£у ду'£* dz

Рис. 4. Общий случай деформации.

dw

Изгиб элемента определяется

у у у у у у

/ ху ' / V't ' i vz ' / zy ' / zx 5 / xz .

шестью деформациями

ди 8v = —+

ду

Относительная

дх

деформация

_ dv dw _ dw ди

(б) сдвига

(7)

сдвига определяется углом между

направлениями ребер в исходном состоянии и после деформации. Таким образом, напряженное состояние в точке определяется тензором деформаций:

(8)

Одной из задач моделирования является определение внешних сил и реакций связей, ограничивающих движение тела и вызывающих уравновешивающие их внутренние усилия, интенсивность которых определяет напряжения.

2 ^ Г»

1 i

еу 2Г"

1 1 ~Yzv е.

2 zt 2 •

Рис. 5. Напряженное состояние элементарного куба.

Рис. 6. Напряженное состояние элементарного сектора.

Напряжения, действующее на гранях элементарного куба, раскладывается на нормальное и касательное. Полностью напряженное состояние на гранях элементарного куба (рис. 5.) описывается тензором напряжений, в декартовых координатах:

Т, =

<т Г

X ху Х~

Т „ <7

ух У У2

Т <7,

ах г

(9)

У .У >У

где х у проекции на оси прямоугольной системы координат полных напряжений, действующих на гранях элементарного куба -нормальные напряжения; остальные составляющие - касательные напряжения.

В цилиндрических координатах (рис. 6.):

Т„ =

аР тРФ

хфр аФ тф--

Т--Р сг_

(10)

3) трение, как основную причину нелинейности деформации.

Рис. 7. Схема реального (прерывистого) контакта деформируемого материала и инструмента 1 — инструмент; 2 - заготовка

При обработке имеют место зоны контакта двух типов (рис. 7.): зона типа I, на которых действует нормальная сила q¡, противонаправленная перемещению металла относительно инструмента, и зоны типа J, на которых действует нормальная сила qj сонаправленная движению металла. Действующие на указанных зонах контакта касательные силы k¡ и k¡, противонаправленны перемещению металла. Средний угол наклона пятна / относительно номинальной поверхности контакта составляет y¡, средний угол наклона пятна J составляет y¡ тогда, трение t* на некотором пятне касания составит:

'' = К ■ ст* ■ eos+ q¡ -07*-sinу,={к, +q, ■tgyi)-wi t' = kl ■ пт' ■ cos yi - ql ■ m] ■ sin yi = (к, - q¡ ■ tgy¡ )-mj

Элементные законы трения на пятнах / и J не совпадают:

t, =к, -qt , t, =к, -V, -q, (12)

где введенные обозначения у, = tgyi; v = tgyj

Таким образом, суммарная сила трения составляет:

T = t-F = £t,™,+iltj-Vj=K-e'+kl-Q'+qc-Vc-e'-ч\ <-Q (13)

1=1 7=1

где штрихом отмеченные величины, которые относятся к зонам контакта I, двумя штрихами - к зонам J.

Перечисленные описания при введении в программный комплекс позволят максимально точно путем моделирования отразить процессы, протекающие во время реальной многопрофильной обработки затылованными роликами.

Входными параметрами математической модели являются геометрические параметры, определяющие конструкцию инструмента (рис. 8.), а также режимы многопрофильной обработки: смещение исходного контура (X) при профилировании инструмента (рис. 9.); величина калибрующего участка, участка инструмента с профилем постоянной

величины; величина формообразующего участка, участка инструмента с постоянно полным профилем (ее значение определяет один из режимов обработки подачу на зуб, а точнее величину элементарного воздействия)^; скорость вращения инструмента, которая является определяющей составляющая скорости накатывания.

Участок загрузки и сбросо

Рис. 9. Влияние смещения исходного контура на профиль инструмента

Исследование влияния смещения исходного контура при профилировании инструмента на качество геометрии накатываемого венца показало, что при значениях коэффициента вне свободной от подрезания и заострения зоны наполнения профиля резко снижается (рис. 10.).

коэффициент заполнения

профиляд

Хт|п Хпах

Рис. 10. Зависимость заполнения накатываемого профиля, от коэффициента смещения инструмента

Это объясняется тем, что при обработке инструментом, имеющим подрезание, резко возрастают скорости и количество встречного течения материала, что способствует образованию кратера (рис. 11. в). В случае же, когда зуб инструмента имеет заострение, величина встречного течения недостаточна и профиль не заполняется полностью (рис. 11. а).

Рис. 11. Схема макроструктуры профиля, обработанного инструментом а - с заострением, б - при етах, в - с подрезанием

Также огромное влияние коэффициент смещения профиля инструмента оказывает на величину нежелательных напряжений в зоне переходной кривой (рис. 12.).

и, (Ми!*)

Рис. 12. Зависимость величины остаточных напряжений в зоне переходной кривой от коэффициента смещения инструмента

Таким образом, можно утверждать, что коэффициент смещения исходного контура при профилировании инструмента является важнейшим параметром геометрического обеспечения качества зацепления.

Математическое моделирование процесса многопрофильной обработки затылованными роликами позволило получить качественные и количественные зависимости напряжений, деформации, глубины наклепанного и сжатого слоев металла, шероховатости поверхности и твердости от таких параметров как: скорость накатывания, число зубьев на калибрующем и формообразующем участках профиля.

Для практического применения наиболее интересны кривые изменения поверхностной твердости (рис. 13.) и глубины сжатого слоя (рис. 14.) в зависимости от количества оборотов калибрования. Из них видно, что достижение максимальной поверхностной твердости за счет увеличения числа калибрующих оборотов изделия, влечет за собой увеличение глубины сжатого слоя, что снижает общую несущую способность венца, из-за ухудшения сопротивления зуба изгибающим нагрузкам.

НУ

240

Его

гоэ

о 1 г з 4 5 6 ^ 7 „

2колиБ//детали

/

/

/

/

Рис. 13. Зависимость твердости НУ от относительного числа зубьев на калибрующем участке инструмента. 13

Ьн. {«№}

Ьс, («к«) *

— г -- .............

1—

ПН

2колив/'2д^то.1и

Рис. 14. Зависимость глубины наклепанного Ьн и сжатого Ьо слоев от относительного числа зубьев на калибрующем участке инструмента.

Исследования показали, что скорость накатывания не оказывает заметного влияния на высоту микронеровностей. Поэтому для повышения производительности процесса рекомендуется выбирать максимально возможную скорость накатывания.

Ее повышение сопровождается увеличением скорости деформации металла, что вызывает снижение глубины распространения пластической деформации, причем глубина наклепа уменьшается в 2,0...2,5 раза, а снижение степени наклепа составляет 10... 15% (рис. 15.).

Ин, (икм) ДНВ, %

Рис. 15. Зависимость глубины наклепанного слоя Ьн и степени наклепа ДНВ от скорости накатывания

Уменьшение степени и глубины наклепа с увеличением скорости обкатывания более характерно для сталей с меньшей исходной твердостью. В процессе накатывания по периферии деформирующего элемента образуется волна выдавливаемого металла. Чем больше объем волны, тем больше степень и глубина распространения пластической деформации. С увеличением же скорости накатывания объем движущейся волны

14

обрабатываемого металла уменьшается, что вызывает снижение характеристик упрочнения.

При малых скоростях накатывания воздействие деформирующих элементов на единицу площади обрабатываемой поверхности более продолжительно, поэтому пластическая деформация успевает распространиться на значительную глубину (рис. 15.). С увеличением скорости обкатывания разность между скоростью распространения пластической деформации и скоростью деформирования уменьшается, что, в конечном счете, приводит к снижению степени пластической деформации за счет соответствующего увеличения упругой фазы.

На основе анализа данных полученных в результате математического моделирования была разработана новая конструкция специального инструмента для окончательного эксцентричного накатывания нескольких фасонных профилей.

А-А

У* 1 р — -Г

1 ^ II 1 я [ Ч

а б

Рис. 16. Специальный инструмент для окончательного эксцентричного накатывания нескольких фасонных профилей, а - общий вид, б - планшайба.

Оригинальные конструкторские решения, использованные при создании инструмента, защищены Патентом № 98157. Спроектированный инструмент представляет собой сборную конструкцию (рис. 16. а), состоящую из планшайбы (рис. 16. б) с центрирующим отверстием и позиционирующими отверстиями. На планшайбе при помощи соединения болт-гайка неподвижно закреплены затылованные сегменты роликов (рис. 17.).

Центрир; отверсп.

По.-эиц отвес

Рис. 17. Сегмент затылованного ролика.

Сегмент ролика (рис. 17.) включает в себя зону загрузки, формообразующий и калибрующий участки, зону высвобождения. Длины описанных участков определяются из анализа данных, полученных в результате моделирования. При построении модели для определенного изделия учитываются особенности его эксплуатации и требования ТЗ.

В третьей главе приведены данные экспериментальных исследований, проведенных для подтверждения адекватности данных математического моделирования. Изучению подлежала партия деталей, обработанная специальным инструментом для окончательного эксцентричного накатывания нескольких фасонных профилей, изготовленного по данным моделирования.

Экспериментальные исследования проводились при изменении параметров активного профиля инструмента и режимов обработки: смещение исходного контура в свободной зоне, при максимальном коэффициенте перекрытия, пограничное значение у зоны подрезания и зоны заострения; длина участка калибрования 7калиб/2изделия = 1...5; длина формообразующего участка, обеспечивающая величину элементарного воздействия от 0,1 до 0,4 мм/оборот изделия; средняя скорость накатывания была рассмотрена в диапазоне 10...100 м/мин. Для экспериментальной обработки созданным инструментом были выбраны треугольный шлиц (т=0,8; а=60°), эвольвентный шлиц (т=1,25; а=30°) ГОСТ 6603-51 и метрическая резьба (М18х1) ГОСТ 9150, как наиболее типичные для деталей машиностроительных отраслей. Материал заготовки: Ст35, Ст45, 18ХГТ. Материал инструмента: 6Х6ВЗМФС.

Обработка производилась на приспособлении для многопрофильного накатывания затылованными роликами (рис. 18.).

Рис. 18. Приспособление для многопрофильного накатывания затылованными роликами.

Экспериментальные исследования подтвердили, что зависимости, полученные в ходе математического моделирования, являются верными. Был проведен анализ сходимости теоретических и экспериментальных исследований, который выполнялся в соответствии с ГОСТ 51672 «Метрологическое обеспечение испытаний продукции для целей подтверждения соответствия». Для снижения трудоемкости расчета сходимости теоретических и экспериментальных данных был задействован программный комплекс МаЛСАБ. По результатам автоматизированного расчета можно заявлять об экспериментальном подтверждении данных математического моделирования. Незначительные расхождения результатов эксперимента и моделирования можно объяснить погрешностью измерений и допущениями, принятыми при построении модели.

Так же в рамках экспериментальных исследований проведены металлографические исследования, которые показали, что качество поверхности, а также геометрическая точность изделий, полученных холодным пластическим деформированием, во многом зависят от выбранной формы рабочей части инструмента. Рассмотрим более подробно особенности процесса при накатывании инструментом с различным смещением исходного контура.

Х=Хшах X при 8тах Х-Хтт

Макроструктура при обработке профильным инструментом

Схема расположения волокон в накатываемом профиле

Схемы течения металла в накатываемом профиле

Рис.19. Влияние формы активного профиля инструмента на макроструктуру и течение металла в обрабатываемом профиле

Исследования процесса накатывания инструментом с различным смещением исходного контура (рис. 19.) показали, что для получения наиболее точной и геометрически правильной формы накатываемого профиля целесообразно использовать инструмент со смещением исходного контура, обеспечивающим максимальное перекрытие.

Проведенные эксперименты подтвердили практически причинно-следственную связь возникновения дефектов в областях переходной кривой, вершин зубьев и сопрягаемого профиля при многопрофильном холодном накатывании затылованными роликами.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований даны общие рекомендации по проектированию специального инструмента для окончательного эксцентричного накатывания нескольких фасонных профилей.

В четвертой главе проведен комплексный сравнительный анализ эксплуатационных показателей зубчатых колес, обработанных инструментом прототипом и инструментом новой конструкции. Измерения параметров точности зубчатых колес проводились на высокоточной зубоизмерительной машине мод. ВУ5120.

Гй, (мкм)

£0

О

-20

ца ВЫ? Df Н, Смм)

Рис. 20. Результаты измерений суммарного отклонения профиля, - инструмент - прототип, «*» - инструмент новой конструкции.

Как видно из приведенных результатов измерений отклонения профиля (рис. 20.) оба венца имеют избыточное остаточное смещение, свойственное всем зубчатым колесам получаемым холодным накатыванием. Применение инструмента новой конструкции позволяет снизить величину избыточного смещения и приблизить форму реального профиля к идеальному, благодаря учету распределения деформаций изделия при расчете формы активного профиля инструмента. Значительное снижение волнистости в зоне сопряжения увеличивает опорную площадь несущей поверхности, следовательно, снижается величина удельного давления на зуб, что является предпосылками для увеличения износостойкости обрабатываемого изделия.

еа*, <мкм)

Рис. 21. Результаты измерений отклонения измерительного межосевого расстояния, — - инструмент - прототип, <•—► - инструмент новой конструкции

Проведенные исследования свидетельствуют об уменьшении измерительного межосевого расстояния при самозацеплении зубчатых колес, обработанных инструментом - прототипом (рис. 21.), что подтверждается

19

данными об отклонении формы профиля (рис. 20.). Вследствие чего в реальных условиях работы такие колеса будут иметь увеличенные зазоры в зацеплении, приводящие к ухудшению кинематической точности и смещению контактной зоны, что в свою очередь приведет к интерференции на границах контактной зоны и, как следствие, повышению износа в этих местах. Для реверсивных колес зацепление такого рода приводит к возникновению ударных нагрузок, что резко повышает вероятность отказа и снижает общий ресурс передачи.

Сравнительный анализ шероховатости обрабатываемых поверхностей показал, что применение инструмента новой конструкции позволяет получить прогнозируемый микропрофиль на обрабатываемом изделии, то есть значения шероховатости поверхности колеблются в пределах: Яа = 0,28...0,32 мкм, Яг = 1,0...1,5 мкм, по сравнению с применением инструмента - прототипа (Яа = 0,34...0,46 мкм, Кг =1,9...2,2 мкм). Это способствует увеличению площади опорной поверхности, уменьшению удельного давления, повышает несущую способность поверхностей и улучшает условия для создания масляной пленки.

В результате изучения распределения твердости по накатываемому профилю показано, что выбор геометрических параметров активного профиля инструмента и режимов накатывания, осуществляемый с учетом напряженно деформированного состояния обрабатываемого изделия, позволяет получить наиболее благоприятные характеристики упрочнения-

1. Как видно из графика распределения твердости в осевом направлении по линии симметрии зуба (рис. 22.), инструмент новой конструкции менее склонен к образованию зоны повышения твердости у ножки зуба обрабатываемого профиля. Это можно объяснить минимизацией встречных радиальных течений материала в зоне переходной кривой;

НУ 400 350 300 250

о<2 0,6 '~То 1,4 1,8 г,г ' и, "мм

Рис. 22. Распределение твердости в профиле (от вершины зуба в радиальном направлении), « - инструмент новой конструкции, - инструмент - прототип.

2. Изменение твердости вдоль делительной окружности (рис. 23.) показывает, что инструмент новой конструкции позволяет сочетать высокую твердость поверхностных слоев профиля с относительно невысокой степенью упрочнения сердцевины зуба, что способствует повышению сопротивления зуба изгибающим нагрузкам. В то время как обработка инструментом - прототипом приводит к более равномерному упрочнению профиля, что может негативно сказаться на общей несущей способности венца;

0,6 1,0 1,4 н, ми

Рис. 23. Распределение твердости в профиле (по делительной окружности), • - инструмент новой конструкции, —- инструмент - прототип.

3. Упрочнение подпрофильных слоев (рис. 24.) при использовании инструмента новой конструкции менее выражено, чем при обработке инструментом-прототипом, это является важным фактором для профилей малого диаметра, работающих на изгиб и кручение.

Рис. 24. Распределение твердости в профиле (от впадины зуба в радиальном направлении), «•■» - инструмент новой конструкции, - инструмент - прототип.

Изучение распределения твердости по обрабатываемому профилю показало, что инструмент новой конструкции создает более благоприятные характеристики упрочнения для сопротивления зубьев изгибающим нагрузкам, что увеличивает общую несущей способности венца.

Ресурсные испытания зубчатых колес проводились согласно международного стандарта «обеспечение износостойкости» ГОСТ 23.001-2, оценка результатов испытаний на износостойкость осуществлялась по критериям: безразмерный показатель износостойкости и износостойкость по массе износа.

Рис. 25. Зависимость относительного износа от количества циклов нагружения, «■«" - инструмент новой конструкции, инструмент - прототип.

Рис. 26. Зависимость массового износа от количества циклов нагружения - инструмент новой конструкции, —■ - инструмент прототип.

Из результатов проведенных ресурсных испытаний (рис. 25. и 26.) видно, что повышение износостойкости у зубчатых колес, обработанных инструментом новой конструкции, связано с уменьшением длительности приработки и снижением величины начального износа в период приработки.

22

Общие выводы и результаты.

1.Создана математическая модель процесса холодного пластического деформирования при многопрофильной обработке накатыванием, позволившая детально изучить процессы, протекающие при обработке;

2.По результатам математического моделирования установлены качественные и количественные зависимости шероховатости обрабатываемой поверхности и характеристик упрочнения накатываемого профиля от геометрических параметров активного профиля инструмента и режимов накатывания;

3.Изучен характер заполнения обрабатываемого профиля и выявлены причины возникновения дефектов при многопрофильной обработке;

4.На основе анализа данных, полученных в результате математического моделирования, разработана новая конструкция инструмента для окончательного эксцентричного накатывания нескольких фасонных профилей (Патент №98157);

5.Проведены экспериментальные и металлографические исследования, анализ результатов которых может свидетельствовать о хорошей сходимости теоретических данных и экспериментальных исследований;

6.Даны научно обоснованные рекомендации по проектированию специального инструмента для размерного формообразования нескольких фасонных профилей на деталях зубчатых колес;

7.Результаты проведенного сравнительного анализа макро- и микрогеометрии поверхностей и физико-механические свойств материала профилей, обработанных инструментом - прототипом и инструментом новой конструкции, показали, что применение нового инструмента позволяет получить максимально возможные, для данного способа обработки, эксплуатационные характеристики изделий;

8.Проведенные ресурсные испытания показали увеличение долговечности у деталей, обработанных новым инструментом, в сравнении с деталями, обработанными инструментом - прототипом, за счет уменьшения времени приработки и износа в период приработки.

Содержание диссертации опубликовано в следующих основных работах:

1. Елисеев Н.Е., «Автоматизированное проектирование специального накатного инструмента» // Автомобильная промышленность № 2 2011. -Москва, 2011г., с.35-36;

2. Елисеев Н.Е. - «Инструмент для окончательного эксцентричного накатывания нескольких фасонных профилей» // Патент на полезную модель № 98157 - Москва, 2010г.;

3. Елисеев Н.Е., Васильев А.К., Гладков В.И., «Специальный инструмент для высокоточной обработки гильз блоков цилиндров» // Известия МГТУ «МАМИ» №1 (9) 2010. - Москва, 21 Юг., с. 114-116;

4.Елисеев Н.Е., «Проектирование инструмента для размерного формообразования нескольких фасонных поверхностей на деталях зубчатых колес методом холодного пластического деформирования» // Тезисы докладов конференции «Новые материалы и технологии - 2010» (НМТ-2010) -Москва, 2010г.

Подписано в печать 09.09.2011. Формат 60x84 1/16. Объём 1,5 пл. Тираж 100 экз. Заказ №51.

ФГУП «Типография» Россельхозакадемии 115598, Москва, ул. Ягодная, д. 12

Тел. (495) 329-45-00 Email: tvpograf-rashn@vandex.ru