автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Радиальные головки для накатывания мелкомодульных зубчатых колес

Комитет науки, высшей школы и технической политики Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "СТАНКИН"

На правах рукописи

Иванов Александр Валерьевич

УДК 621.992.7.02.001.5

РАДИАЛЬНЫЕ ГОЛОВКИ ДЛЯ НАКАТЫВАНИЯ МЕЛКОМОДУЛЬНЫХ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

Специальность 05.03.01. - Процессы механической и

физико-технической обработки, станки и инструмент.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1997г.

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени Государственном технологическом университете "СТАНКИН".

Научный руководитель-

Официальные оппоненты

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профес сор Султанов Т. А.

-Лауреат Государственной премии СССР, доктор технических наук,профессор Верещака А.С.,

-кандидат технических наук, доцент Жарченков Ю.Н.

Ведущее предприятие

Московский инструментальный завод

Защита состоится в /ХЗ^часов на за-

седании специализированного Совета К 063.42.05 Московского Государственного технологического университета "СТАНКИН" по адресу: 101472, ГСП, Москва, К 55, Вадковский пер., д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного технологического Университета "СТАНКИН".

Афтореферат разослан

Ученый секретарь Специализированного совета

к.т.н., доцент Поляков Ю.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние время во всех ттромышленно развитых странах широкое развитие получают материалосберегающие технологии, реализуемые на специализированном оборудовании и на станках общетехнологического назначения. Особенно эффективной является технология формообразования деталей холодным пластическим деформированием на станках общетехнологического назначения. Такие технологии, помимо материалосбережения, обладают рядом преимуществ по сравнению с обработкой резанием и формообразованием деталей пластическим деформированием на специализированном оборудовании:

• возможностью использования наличного металлорежущего оборудования,

• возможностью применения высоких режимов обработки при более высокой стойкости инструмента (по сравнению с резанием);

• отсутствием стружкообразования;

• возможностью концентрации операций за счет использования многоинструментальной наладки;

Наиболее широкое распространение такие технологии получили при обработке, резьб различными типами резьбонакатных головок, серийно выпускаемых инструментальной промышленностью большинства развитых стран.

В последнее время сформировалось самостоятельное направление метоллообработки, получившее название кинетопластика и заключающееся в использовании деформирукнцнх инструментов для формообразования ка станках общетехнологического назначения практически всех видов поверхностей^ том числе зубчатых, шлицевых, кольцевых, цилиндрических и др. Однако имеющиеся по этому вопросу научные и практические данные не исчерпывают всех возможностей и путей дальнейшего совершенствования процессов и инструментов для обработки изделий деформирующими инструментами на станках общетехнологического нназначения.

В настоящее время известен ряд способов получения зубчатых колес пластическим деформированием на специализированных станках.В 1988г. была предпринята попытка формообразования зубчатых колес на станках общетехнологического назначения с помощью аксиальных (осевых) накатных головок,которая наряду с ее научной и практической полезностью не получила заметного развития вследствие того,что зубчатые колеса не являются длинномерными изделиями,а аксиальные процессы рассчитаны именно на такие изделия.

Отсюда и возникла идея разработки метода формообразования зубчатых колес с помощью радиальных накатных головок, обеспечивающих

обработку деталей в многоинструментальных наладках станков и автоматов общетехнологического назначения,причем проявляющих эффективность как раз по короткомерным изделиям,каковыми являются зубчатые колеса.

Цель работы - создание и последующее изучение процесса и инструмента для накатывания мелкомодульных эвольвентных зубчатых колес на станках и автоматах токарной группы на основе исследований особенностей кинематики процесса формообразования материала, некоторых си-ло-моментных закономерностей,разработки и обоснования системы расчета новых инструментов и ряда основных условий эксплуатации.

Методы исследований. Достижение поставленной цели осуществлялось комплексным решением задач с применением экспериментальных и теоретических исследований.

Научная новизна заключается в совокупности установленных фактов, закономерностей и научно-обоснованных разработок, которые обеспечивают осуществление процесса зубонакатывания эвольвентных колес радиальными головками на станках и автоматах токарной группы:

• в процессе зубонакатывания и инструментах для его осуществления,характеризующиеся тем,что формообразование осуществляется радиальной головкой за один оборот роликов постадийно на заготовке особой формы,

• в теории кинематического деления и образования на заготовке заданного числа зубьев в условиях отсутствия жесткой кинематической связи между звеньями технологической пары "инструмент-заготовка";

• в закономерностях формообразования при накатывании зубчатых колес радиальными головками;

• в создании и обосновании конструктивной схемы зубонакатных

• роликов к радиальной головке и системы их расчета;

• в выборе и обосновании особой и цилиндрической формы и размеров заготовки;

• в определении взаимосвязи между параметрами инструментов и заготовки и мощностными характеристиками процесса;

• в уровене качественных показателей изделий.

Практическая ценность заключается в разработке научных положений, позволяющих осуществить процесс накатывания зубчатых колес радиальными головками и обосновании системы проектирования накатных инструментов (роликов) и условий их эксплуатации.

Реализация работы .Материалы исследований и чертежи переданы на Красногорский оптико-механический завод.На основе выполненных исследований созданы методические разработки для лабораторных работ кафедры "ИТ и КМ" для магистратуры по предмету "Современные тенденции в развитии станков и инструментов".

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на международной научно-технической конференции "Совершенствование процессов финишной обработки в машино- и приборостроении, экология и защита окружающей среды" (г.Минск, 1995г.), юбилейной международной научно-технической конференции "Вопросы совершенствования технологических процессов механической обработки и сборки изделий машиностроения" (г.Тула, 1997г.) и заседаниях кафедры "Инструментальная техника и компьютерное моделирование" МГТУ "СТАНКИН".

Публикации. По материалам диссертации опубликованы три статьи, получено положительное решение по заявке от 13.01.97г., Л»9б 108665/02(013968).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5-и глав и общих выводов, изложена на 121 странице машинописного текста и содержит 50 рисунков, 13 таблиц, 3 приложения, а также список литературы, включающий 100 наименований.

В автореферате сохранена нумерация рисунков и таблиц,принятая в тексте диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе дан краткий анализ основных способов обработки зубчатых колес холодным пластическим деформированием на универсальном резьбонакатном и зубонакатном оборудовании, а также на станках общетехнологического назначения с помощью головок и рассмотрены материалы исследований в данной области.

Обработка зубчатых колес горячей и холодной пластической деформацией на специализированном оборудовании как один из методов зубо-накатывания применяется преимущественно в автомобилестроении,в условиях массового производства для накатывания среднеразмерных зубчатых колес модулем порядка 2-3 мм. Однако не менее важным является зу-бонакатывание мелкомодульных колес головками, позволяющее осуществить формообразование зубьев на обычных металлорежущих станках, например, токарных.Это позволило бы сосредоточить за счет единой многоинструментальной наладки на одном станке, например, точение, сверление и зубообработку, обеспечивая таким образом концентрацию операций,что соответствует современным тенденциям металлообработки.

В настоящее время в производстве промышленно развитых стран получили распространение три основные вида головок:осевые или акси-

альные,тангенциальные и радиальные.Все они применяются преимущественно при резьбообразовании.Естественно,что с учетом специфики работы каждого из этих типов могут предприниматься усилия по их использованию в нетрадиционных вариантах,в том числе и при зубообработке.

Анализ отечественной и зарубежной литературы показывает, что возможность использования осевых накатных головок для накатывания зубчатых колес экспериментально доказана и теоретически подтверждена. Исследованиями установлено, что кинематическая связь инструмента и заготовки при накатывании зубчатых поверхностей состоит из трех стадий, определяющих формообразование на детали заданного числа зубьев: стадии деления, стадии формирования полного профиля, стадии установившегося процесса.

Установлены и формализованы применительно к аксиальному зубо-накатыванию закономерности, определяющие кинематическую связь движения инструмента и заготовки для условий свободного деления при перекрещивающихся осях. Обоснована и экспериментально доказана возможность образования на заготовке заданного числа зубьев одним и тем же комплектом инструментов при неизменных параметрах наладки. Разработана общая система профилирования накатных инструментов, работающих в условиях перекрещивающихся осей. Исследованы и выявлены факторы, влияющие на усилие захвата инструментом головки и на возникающие в процессе накатывания силы.

Сведения такого характера о накатывании зубчатых профилей радиальными накатными головками как более предпочтительными для технологии зубообработки отсутствуют. В последние годы научной школой "СТАНКИНа" предпринимались попытки решения некоторых научных задач радиального накатывания зубьев головками, на основе использования головок,применяющихся при накатывании резьбы. Однако принципиальных решений,обосновывающих развитие и исследование процесса, найдено не было.

По сравнению с процессом накатывания зубчатых колес осевыми головками процесс зубонакатывания радиальными головками предположительно может быть более эффективен, так как:

• зубчатые колеса имеют, как правило, небольшую ширину зубчатого венца (не являются длинномерными изделиями), поэтому применение осевых головок менее рационально;

• процесс накатывания радиальными головками более производителен, так как профиль изделия формируется за один оборот роликов;

• радиальное накатывание не требует наличия на заготовке заходного конического участка,как это должно быть при аксиальном накатывании,и отсюда более эффективно материалосбережение;

• радиальные головки могут использоваться на станках и автоматах как с

осевой, так и с тангенциальной подачей (кулачковые автоматы),а также на

станках с ЧПУ_________

Принципиальная особенность процесса зубонакатывания радиальными головками заключается в том,что двухроликовая головка, оснащенная роликами особой конструкции, будучи установлена на одном из поперечных суппортов или револьверной головке токарного станка с ЧПУ, подается в тангенциальном относительно заготовки направлении и выводится до совпадения на одной прямой центров роликов и заготовки.Затем срабатывает механизм вращения роликов, они захватывают вращающуюся в шпинделе заготовку,совершают один оборот,после чего движение роликов автоматически прекращается.при этом на заготовке остается полностью обработанный зубчатый венец.Время обработки - секунды. Естественно,что такой процесс имеет ряд специфических свойств - отсутствие жесткой кинематической связи между инструментом и заготовкой, что способствует формообразованию произвольного числа зубьев,особые закономерности течения материала,отражающиеся на форме профиля зубьев,« специфические форму и размеры заготовки.

Поставленная в работе цель и анализ современного состояния проблемы определяют основные направления исследования:

• создание и изучение процесса и инструментов для формообразования эвольвентных зубчатых колес радиальными накатными головками на станках общегехнологического назначения;

• создание теории кинематического деления заготовки на заданное число зубьев в условиях отсутствия жесткой кинематической связи между звеньями технологической пары "инструмент-заготовка" и исследование закономерностей пластического деформирования при накатывании зубчатых колес радиальными головками;

• создание и обоснование конструктивной схемы зубонакатных роликов к радиальной гйловке и системы их расчета;

• выбор и обоснование формы и размеров заготовки;

• исследование взаимосвязи между параметрами инструментов и заготовки и динамическими характеристиками процесса;

• определение границ применяемости инструмента и достижимых качественных показателей изделий.

Во второй главе предложена и подтверждена экспериментально концепция формообразования зубчатой заготовки.

Как известно, зубонакатные инструменты используются на специализированных станках и в виде НГ - на универсальном оборудовании. В первом случае комплект инструментов является приводным звеном технологической пары инструмент-изделие, во втором - вращение передается от изделия роликам.

При радиальном накатывании кинематическая схема, при ее реализации в инструментах для станков общетехнологического назначения, характеризуется двумя движениями: вращением заготовки от шпинделя станка и вращением роликов.

Как указывалось выше, радиальные накатные головки представляют собой конструкцию со сменными формообразующими элементами, выполненными в виде накатных роликов. Ролики при обработке заготовки совершают один полный оборот и поэтому по периферии венца ролика последовательно расположены деформирующий и калибрующий участки. Кроме того, на поверхности роликов выполнены загрузочные участки, позволяющие беспрепятственно подводить инструмент и отводить его относительно установленной в шпинделе станка заготовки. Для введения в контакт с заготовкой роликов инструмент содержит механизм синхронного поворота роликов.

Попытка получения заданного числа зубьев на заготовке радиальными накатными головками при отсутствии жесткой кинематической связи между инструментом и заготовкой, используя общепринятые рекомендации по накатыванию зубьев и спиральную деформирующую часть, не удалась, так как:

• из-за увеличивающейся высоты зубьев заходной части контакт между инструментом и заготовкой происходит не по начальным окружностям, а по окружностям различного радиуса, который увеличивается с вступлением в работу следующего зуба;

• наличие затылованной площадки на зубьях приводит к тому, что между роликами и заготовкой происходит проскальзывание;

• увеличение диаметра заготовки приводит вследствие неравномерности загрузхи зубьев к их поломке.

Существо выдвинутой концепции заключается в том,что устойчивое формообразование заданного числа зубьев изделия может быть достигнуто за счет сочетания двух факторов: специальной конструктивной схемы накатных роликов и особой формы заготовки.

Ролик (рис. 2.3 а) имеет делительную группу зубьев, расположенную перед деформирующими зубьями, с количеством большим или равным половине числа зубьев накатываемого колеса для разметки заготовки на заданное число зубьев. Вершины зубьев делительной группы расположены на делительном диаметре ролика и, с целью минимизации проскальзывания, заострены на некоторый угол. Деформирующая часть состоит из нескольких формообразующих секций, в которых вершины зубьев расположены на одном радиусе и заострены на некоторый угол. Для равномерной загрузки всех деформирующих зубьев величина, деформируемая каждой секцией, принимается примерно одинаковой.

Заход пай часто а)

Ó)

Рас. 2.3. концепция зубонакатыбани/* радиальными ъопоЬкомц;

a) pon ик с секциями ; 5) Ьариант срормы заготоЬы.

Заготовка (рис. 236) имеет следующую форму: диаметр заготовки определяется из условий равенства площадей поперечного сечения зубчатого профиля до и после деформации, а со стороны торцев имеется выступающие пояски с увеличенным по сравнению с расчетным диаметром.

Формообразование зубчатого колеса с помощью таких роликов и формы заготовки осуществляется следующим образом: зубья делительной группы будут выдавливать впадины в выступающих поясках , размечая таким образом заданное число зубьев. При этом обкат будет производится по делительным (начальным) окружностям, а за счет угла заострения при вершине зубьев проскальзывание минимизируется. Зубья деформирующей части, попадая во впадины, сделанные делительными зубьями, осуществляют полное формообразование поверхности зубчатого колеса. При этом за счет того, что величина, деформируемая каждой секцией зубьев принята примерно одинаковой, в значительной степени устраняется неравномерность загрузки зубьев ролика. В дальнейшем происходит калибрование поверхности изделия и выход га зацепления роликов заготовкой.

Результаты экспериментальных исследований (таблица 2.1 в диссертации) показывают, что за счет применения роликов с секциями возможно стабильное получение требуемого числа зубьев на заготовках из различных материалов, независимо от скорости накатывания.

Экспериментами исследовались влияние диаметра заготовки на образование числа зубьев изделия и возможность обработки колес с различным числом зубьев одним комплектом роликов. На основании полученных результатов (таблицы 2.2 и 2.3 в диссертации) можно заключить, что:

• при уменьшении диаметра заготовки на величину 0,5-0,7 мм, возможно получение колеса с числом зубьев, на единицу меньшим необходимого, однако при этом зубья колеса не получаются полнопрофильными;

• при увеличении диаметра заготовки на 0,5-0,7 мм возможно получение колеса с числом зубьев, на единицу большим требуемого, однако при этом возникает значительное переполнение профиля зубьев ролика, что может привести к их поломке;

• одним комплектом роликов при соответствующей подрегулировке головки возможно получение колес с различным числом зубьев.

В главе 3 рассмотрена математическая модель процесса зубонакаты-вания радиальными головками, как частный вариант общей модели процессов кинетопластики (технологии формообразования типовых поверхностей пластической деформацией на металлорежущих станках общетехнологического назначения), описанный проф. Султановым Т. А. Логическая структура математической модели представлена на рис. 3.1. Каждый из модулей математической модели развит до различной глубины.

Исходными данными в математической модели процесса зубонака-тывания эвольвентных зубчатых колес радиальными головками являются:

модуль ш, число зубьев Ъ\, ширина Ь и материал (его физико-механические свойства, например предел текучести СГг) накатываемого колеса.

В качестве ограничений могут быть приняты следующие положения:

• ограничение по модулю;

• ограничение по форме зубчатого венца (торцевые наплывы);

• ограничение по размеру полнопрофильного зуба (радиальная форма зуба);

• ограничение по степени точности накатываемого колеса;

• ограничение по оборудованию.

Количественная оценка мощности при накатывании зубчатых колес радиальными головками описана с помощью закономерности типа уравнения регрессии, составленного на основе экспертных оценок:

N = (кх • сг02 + к2-т + кг-У + £4 • аг) • 6 (3.1)

где: Сто.2 - условный предел текучести обрабатываемого материала; т - модуль накатывания колеса; V - скорость накатывания;

аг - величина припуска, деформируемая каждой группой зубьев;

Ь - ширина заготовки;

к1 = 0,05 - для материалов с О0.2 6320 МПа

к1 = 0,085 - для материалов с СТ0.2 >320 МПа

кг =10

кз = 1,1

к4 = 13

Экспериментально установлены зависимости мощности от свойств обрабатываемого материала (Оо.з и НВ),скорости вращения заготовки и ее ширины (рис. 3.2-3.5).

Экспериментальные исследования мощности, возникающей при накатывании, позволили установить,что:

• при увеличении диаметра заготовки величина мощности практически не увеличивается, однако при этом профиль изделия получается более равномерным по ширине;

• средством снижения мощности является применение заготовок с выступающими на торцах поясками с увеличенным диаметром, что также позволяет получить профиль изделия,более равномерный по ширине.

Величины радиальных и тангенциальных сил, действующих при зу-бонакатывании, могут быть получены путем расчета через использование частоты вращения заготовки и крутящего момента при известной мощности (формулы 3.2-3.4 в диссертации).

п.

¿00

£00

4.00

300

гоо

Ь-гмм; магееиа/1-/1атункЛ-&

/

г. 1

/ /

/ (

У

V \

Ь,

мм

2,5

<,5

т-0£1»м/г'20; с/н,чо,л ни;

/

/

I

$0 60 Ю ¡0 90

АО

СО

КВт

Рис 3.2Зависимость мощности Рис.3.3 ЗаЬисшюсть мощности от частоты Ьращеии.я загагобю/. от ширины ьаютоЬии.

С

4оо

■300

т-ЦМмн; фяг - Ш п- гьв оо !миц

1

изаг-, МИ

/<2

/0,3

Ш

моте-риал-Аотунь Л-&3

! У 2. н

90 *го го 30 40 50 60

Рцс. ЗА.Зоё>исимость мощности Рис. 3.5. ЗаЬисипосгь мощности

\

от успоЬиого предела текучести от диаметра и формы заготовки:

материала зашгтюЬни 1- цилиндрической рормо;

2 - рорна с 'Выступающими поясками.

На начальной стадии накатывания зубья делительной группы, вершины которых расположены на делительном диаметре ролика и заострены при вершине на некоторый угол, выдавливают впадины на поверхности заготовки с увеличенным диаметром, размечая заданное число зубьев. При этом обкат происходит по делительным (начальным) окружностям, а, за счет угла заострения проскальзывание отсутствует. Делительный диаметр ролика определяется при известном межосевом расстоянии головки с учетом величины угла поворота эксцентриковой оси :25° < (р < 45° :

^ах = ~ еС0325° ~ У) = ^ " 2еС°825° ~ ^ (15)

¿■ы» = 2(у - ^45° " у) = ^ " 2есоз45° - йх (3.6)

а ' = г(^-е■ собЗО0 = 2есоз30° -± (3.7)

\2 2)

где: с^! - делительный диаметр накатываемого колеса.

Затем корректируется с учетом получения у ролика целого четного числа зубьев.При этом :

0? . <й <с1 . (3.8)

и шщ и ит ах у /

Диаметр заготовки для обеспечения разметки на необходимое число зубьев должен быть увеличен по сравнению с делительным диаметром.

При накатывании колес некоррегированными роликами обкат происходит по начальным окружностям, которые совпадают с делительными окружностями. В этом случае эвольвентный профиль инструмента образует эвольвентный профиль на изделии, т.е. никаких нарушений эвольвент-ной формы колеса не происходит, При этом у основания ножки накатываемого колеса образуется утолщение в форме переходной кривой, что в случае ее значительной толщины может привести к пересечению профилей зубьев колес, создающему быстрый износ зубьев.

Определены условия отсутствия пересечения профилей колес, накатанных радиальными головками (формула 3.79 в диссертации) и условие отсутствия закатывания вершин зубьев колеса (формула 3.80).

Изменение диаметра ролика возможно за счет смещения исходного контура, однако особенностью данного процесса,обуславливаемой специфичностью кинематической связи,является то,что изменение диаметра может привести к получению большего или меньшего числа зубьев.

Разработаны две системы расчета конструктивных параметров накатных роликов к радиальной головке,методика расчета эксцентриковых осей на прочность и жесткость,приведены данные по режимам накатывания и стойкости роликов к радиальной головке,а также картина распределения твердости по профилю зуба колеса,накатанного радиальной головкой.

В четвертой главе рассмотрены органические отклонения от формы и размеров зубчатых колее и параметры точности. Этот вопрос в соответствии с приведенной схемой является частью математической модели процесса радиального зубонакатывания, однако, учитывая особенности этого явления, свойственного только зубонакатыванию, он вынесен в отдельную главу.

При накатывании зубчатых колес образуются наплывы со стороны торцев, а профиль зуба приобретает радиусную форму. Это обстоятельство не получило широкого освещения в литературе, что вызвало необходимость белее подробного изучения этого явления,во-первых,для того,чтобы

можно было прогнозировать результат и во-вторых - для правильного выбора формы и размеров заготовки.

Для этого был аппроксимирован профиль зубчатого колеса, полученный экспериментально. Для аппроксимации была выбрана система координат Х,0!¥| (ось X совпадает с теоретической образующей наружного цилиндра) и выделены характерные точки профиля: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 (рис. 4.3).

Кривая, соединяющая точки 3, 4 и 5, была заменена окружностью радиусом:

где: с - длина хорды:

Н - стрелка прогиба:

с =

8Л

к=у3=у5 (4.3)

Рис. A3. Профиль зуаа накатанного koneco 6 oceôort сечении.

с центром в точке с координатами:

х=0; у=Ы

Кривые, соединяющие точки 5-6 и 3-2, заменены прямыми:

у=кх-Ь] (4.4)

у~-кх+Ь (¥.5)

Кривые, соединяющие точки 6-7 и 2-1 заменены окружностями радиусом Кл\

Координаты центра этих окружностей можно определи ть с помощью уравнения окружности:

[х-а)' +(у~Ь)1 =К2 (4.6)

где а и Ь - координаты центра окружности,

Максимальная погрешность при аппроксимации профиля составила /?глх --- 0,01 мм.

Затем были определены координаты точек профиля зубьев, получающиеся при накатывании колеса с т=0.54 и из латуни Л63 и стали 45, в зависимости от стадий накатывания: 1 стадия - деление; 2 стадия -выдавливание материала 1-й деформирующей секцией: 3 стадия - выдавливание материала 2-й деформирующей секцией, и т.д.

По полученным значениям координат в системе ХОУ были построены картины образования профиля зубьев колеса в осевом сечении в зависимости от стадий обработки (рис. 4.2 и 4.3 в диссертации). Из рисунков видно, что:

1. Профиль зубчатого колеса получается практически симметричным относительно оси У, по этому далее можно рассматривать профиль колеса с одной (например, правой) стороны;

2. Точки Ь (15;25;...;п5) расположены практически на одной прямой:

причем равен тангенсу угла наклона этой прямой к оси X для латуни Л63:

кн = ^123° = -1,54, = tg\2T = -1,33 - для стали 45;

3. Точки ¡5 и ¡6 расположены на прямых:

у.. = к, -X;; -к (4.8)

^ '5*6 56 '5'6 56 4 '

с одинаковым углом наклона к оси X, т.е. к5^ = ^60° = 1.73

4. Точки ¡6 расположены на прямых:

У, = 2~а1 (4'9)

где: а; - величина слоя, выдавливаемого каждой секцией.

5. Точки \\ш,11 расположены на прямой:

6. Точки 13; 15 расположены на прямой:

где: Ь - ширина зубчатого колеса.

7. Окружности, соединяющие точки имеют различные радиусы.

Для определения координат точек профиля зубчатого колеса в осевом сечении были приняты следующие положения:

1. Точки 13; 15 расположены на прямых:

ъ ь

*>з=2; Д = ~2 {4Л2)

2. Величина прироста материала в направлении прямой I {рис. 4.3) составляет величину Л1:

А1 = л/(Х«-Х1)2+(Л-^)2 (4.13)

= К

{4,4)

зависящую от материала и формы заготовки и глубины внедрения зубьев ролика в заготовку:

(1 ,• с1,

I - -¿. (415)

2

3. Величина прироста материала на торцах составляет величину Ах:

С^ Г

(4.17)

Ат = к^

"ЗАГ

ч 2 ;

и зависит от материала заготовки и глубины внедрения зубьев ролика в заготовку.

4. Угол наклона прямых I к оси X постоянен для данного материала: для латуни Л63: к^ =—1.54

для стали 45: к, =—1.33

'5

5. Прирост материала на участках [6-17 и ¡2-й происходит по окружностям, радиусами Ит с центром в точках с координатами (а„п; Ь„п)и (а„ ; Ь., ) соответственно для правой и левой сторон профиля.

6. Радиусы окружностей, соединяющих точки П5-П7 и гь-П] определяются в зависимости от материала и формы заготовки и глубины внедрения зубьев ролика в заготовку:

р _ К. Г^ЗАГ_ ^

Лт.. — Л р_

Тп --.,„, ., ^

(¿29)

7. Отрезки 16-17 и 12-11 - есть часть прямых линий, параллельных прямым I:

Ль +Кь

На основания принятых положений были записаны координаты точек профиля зуба в осевом сечении.

Значения координат точек профиля зубьев будут изменяться в зависимости от изменения прироста материала в направлении прямых 1-Ль торцевого прироста Лт и радиуса Итп-

Влияние глубины внедрения зубьев ролика в заготовку и формы заготовки на изменение Д1; Лт и Ищ было определено экспериментально. Результаты экспериментов (рис.4.4 в диссертации) свидетельствуют о том, что зависимости между Ах, Ах Дтп и глубиной внедрения носят линейный характер:

А, = 0,318 ■ Г Аг = 1,43 КТ = 2,457 -г

—<Л}г

(4.48)

(4.49)

для заготовок цилиндрической формы;

А, =0,275

Дг = 1,34 ■ г (4.50)

Ят =2,124 -г

п

с1т -

Г =-(4.51)

для заготовок с выступающими на торцах поясками.

Результаты исследования образования профиля зубчатого колеса в осевом сечении были использованы для оценки отклонения профиля зубьев от прямолинейности.

Величина отклонения определяется координатой ур точки пересече-

ъ

ния прямой X = — и окружности, соединяющей точки п3, п4, п5, радиусом и с центром в точке с координатами х„=0, у„=0 (см.рис. 4.3). Координату точки Г найдем из системы уравнений:

Хр —

ь

2

(хг-Хя)2+(УР-Уп)2=К2\

\ (4.52)

Ъ л о

Подставляя ХР — —; Хп~0\ }'п = лч и раскрывая скобки, получим приведенное квадратное уравнение:

Ур ~ 2Я„у„ + = 0 (4.53)

Корни этого уравнения определяются следующим образом:

(4.54)

Очевидно, что прямая Хг — — пересечет окружность с центром

2

X — 0; уп ~ Яп и радиусом Яп в двух точках. Координата ур выбранной точки Р:

I г. 2 Ь"

Если задано отклонение от прямолинейности профиля зуба на торцах би, необходимо чтобы:

УР < дк (4.56)

Добиться выполнения этого условия возможно за счет увеличения диаметра заготовки.

Точность зубчатых колес, полученных накатыванием радиальными головками, оценивалась по трем важнейшим параметрам: накопленной погрешности окружного шага по зубчатому колесу; отклонению средней

длины общей нормали; погрешности эвольвентного профиля зу-ба.Установлено, что:

• накопленная погрешность шага по зубчатому колесу составила FpK=0,029 мм, что соответствует 8 степени точности по ГОСТ 9178-81 (Для 8 степени точности допуск на накопленную погрешность шага по зубчатому колесу составляет Fp=0,032 мм).

• отклонение средней длины общей нормали составило Ew = 0.024 мм, что соответствует 9 степени точности и виду со-

"тг

пряжения Е по ГОСТ 9178-81 (Для 9 степени точности и вида сопряжения Е допуск на среднюю длину общей нормали составляет

Tw =0.026 ММ).

"т

• погрешность профиля зуба для колес 9 степени точности не нормируется. Погрешность профиля зуба накатанного колеса составила 0,016 мм, при допуске на погрешность профиля для 8 степени точности ff=0,013 мм.

В пятой главе описываются практические результаты приведенных исследований,которые здесь отражены в общих выводах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ литературных, патентных и промышленных источников позволяет констатировать, что в мировой промышленной практике в течение длительного времени проявляется устойчивый интерес и объективная потребность к развитию процессов зубообработки горячей и холодной пластической деформацией взамен или наряду с формообразованием резанием. Это научно-практическое направление распадается на две самостоятельные области-зубонакатывание на специализированных зубонакатных станках и зубонакатывание на ме таллорежущих станках общетехнологического назначения путем использования зубонакатных головок. Если зубонакатывание на специализированных станках более или менее изучено, то зубонакатывание головками изучено слабо и оно до настоящего времени не получило промышленного признания, несмотря на организационную и экономическую целесообразность формообразования головками зубчатых венцов одновременно с точением на многочисленных деталях типа тел вращения. Научные же принципы зубонакатывания на станках не могут быть в полной мере использованы при зубонакатывания головками.

Принципиальной особенностью процесса зубонакатывания является отсутствие жесткой кинематической связи между звеньями технологиче-

ской пары "ролик-заготовка", что не позволяет обеспечить получение требуемого числа зубьев на заготовке, причем если на зубонакатных станках этот факт в той или иной степени может быть преодолен, то процесс зубо-накатывания головками требует более лаконичных, свойственных методу и условиям решений с соответствующим результатом по точности, качеству и производительности.

2. Среди всего многообразия накатных головок, получивших наибольшее применение при формообразовании винтовых резьбовых поверхностей, а также некоторого количества зубонакатных головок, наиболее предпочтительными для холодной обработки мелкомодульных эволъвент-ных зубчатых колес следует признать так называемые головки радиального типа, нашедшие применение при обработке резьбы, но не освоенные для этой же цели отечественной инструментальной промышленностью. Их отличает наивысшая производительность формообразования, возможность использования в автоматизированном режиме и в единой наладке с режущим инструментами. Методика проектирования этих инструментов не опубликована даже применительно к резьбе, а применительно к зубонака-тыванию такие головки рассматривались лишь как новая идея с весьма предварительным объемом изучения. Процесс, инструменты и теория отсутствуют.

3. Предварительные эксперименты путем ортодоксальной имитации зацепления свойственного процессу накатывания радиальными головками показали, что при традиционных формах и размерах формообразующей спирали роликов на заготовке образуется число зубьев меньшее, чем планируется, высота -зубьев неравномерна по всей ширине зубчатого венца, а на торцах колес образуются небольшие наплывы.

Очевидной причиной уменьшения чис Ли зуоьевзаготовки в условиях отсутствия принудительной кинематической связи является взаимное проскальзывание рабочих поверхностей инструмента и изделия на начальной стадии обкатки.

4. Предложена и подтверждена экспериментально выдвинутая концепция формообразования зубчатой заготовки, согласно которой заданное число зубьев обеспечивается за счет специальной конструктивной схемы накатных роликов, основное отличие которой заключается в наличии делительной секции, секционном устройстве деформирующей части и заостренной форме вершин зубьев в секциях.Заготовка имеет при этом выступающие пояски,

5. Экспериментально доказано, что предложенный процесс и инструменты обеспечивают устойчивое формообразование заданного числа зубьев у заготовки.

6. Разработаная и обоснованая математическая модель процесса накатывания зубчатых колес радиальными головками, учитывает показатели процесса, заготовки и конструктивные параметры инструментов.

7. Предложеная и экспериментально обоснованая методика определения мощности, возникающей при зубонакатывании радиальными головками (уравнение 3.1) учитывает физико-механические свойства материала,размеры изделия,скорость накатывания конструктивные особенности инструмента.

8. Исследованиями установлено, что:

• при увеличении диаметра заготовки величина мощности практически не изменяется, однако при этом профиль изделия получается более равномерным по ширине,

• средством снижения мощности является применение заготовок с выступающими на торцах поясками с увеличенным, по сравнению с расчетным, диаметром.

9. При накатывании зубчатых колес некоррегированными роликами не происходит нарушений эвольвентной формы профиля колеса, при этом у основания ножки зубьев образуется переходная кривая.За счет смещения исходного контура возможно изменение диаметра ролика, однако в силу специфики кинематической связи, это может привести к получению большего или меньшего числа зубьев.

10. Исследованые и аналитически описаные закономерности (формулы 4.1-4.56) позволяют определить профиль зубчатого колеса в осевом сечении при накатывании радиальными головками в зависимости от ширины колеса, формы, размеров и материала заготовки,а также определить диаметр заготовки с учетом торцевых наплывов и образованием переменной высоты зубьев.

11. Анализ точности получающихся эвольвентных зубчатых колес позволяет утверждать:

• возможно устойчивое получение колес 9-й степени точности;

• по параметрам накопленной погрешности окружного шага возможно получение колес 8-й степени точности;

12. Выполненные исследования нашли следующее практическое применение:

• разработан и запатентован новый процесс и инструменты длязубонака-тывания на металлорежущих станках токарной группы (положительное решение от 13.01.97, №96108665/02(013968));

• разработана конструкция роликов к радиальной головке ГР-16 для зубо-накатывания;

• разработаны две системы расчета размеров роликов для накатывания зубчатых колес к радиальным головкам;

• разработана методика расчета эксцентриковых осей к радиальным головкам на прочность и жесткость;

• материалы диссертации направлены Красногорскому оптико-механическому заводу для использования в производстве деталей фотоаппаратуры.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иванов А.В.

Радиальные головки для накатывания мелкомодульных зубчатых колес

Сдано в набор Подписано в печать

Формат 60x90/16 Бумага 80 гр/м2 Гарнитура»Типе8"

Объем 1.5 уч. - изд. л. Тираж 100 экз. Заказ №513

Издательство "Станкин" 101472, Москва, Вадковкий пер.,

ЛП № 040072 от 29.08.91r. ПЛД № 53-227 от 09.02.96г.

Комитет науки, высшей школы и технической политики Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО

ЗНАМЕНИ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "СТАНКИН"

На правах рукописи

Иванов Александр Валерьевич

УДК 621.992.7.02.001.5

РАДИАЛЬНЫЕ ГОЛОВКИ ДЛЯ НАКАТЫВАНИЯ МЕЛКОМОДУЛЬНЫХ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

Специальность 05.03.01.- Процессы механической и

физико-технической обработки, станки и инструмент.

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Султанов Т.А.

.Москва 1997г.

Содержание Стр;

Введение............................................................................................................................................................................................................6

1. Состояние вопроса и постановка задач исследований..................................9

1.1. Основные методы накатывания зубчатых поверхностей на 9 резьбонакатных и специализированных станках..........................

1.1.1.Метод накатывания зубчатых поверхностей копированием 9

1.1.2. Метод накатывания зубчатых поверхностей обкаткой..................10

1.2. Инструменты для накатывания зубчатых поверхностей на 18 станках общетехнологического назначения...................................

1.3. Анализ исследований накатных инструментов для станков 22 общетехнологического назначения...................................................

1.3.1. Кинематические характеристики процесса радиального 23 накатывания зубчатых колес............................................................

1.3.2. Профилирование рабочих элементов роликов................................................32

1.3.3. Динамические характеристики процесса зубонакатывания 33

Заключение и задачи собственных исследований..........................................................36

2.Исследование кинематики накатывания зубчатых колес ради- 38

альными головками.................................................................................

2.1. Попытка получения зубчатого колеса накатыванием ради- 38 альной головкой с роликами спиральной формы.........................

2.2. Концепция кинематики процесса формообразования задан- 43 ного числа зубьев..................................................................................

2.3. Исследование влияния диаметра заготовки на образование числа зубьев.........................................................................................

2.4.Исследование возможности обработки колес с разным чис- 47

лом зубьев одним комплектом роликов..............................................

Заключение................................................................................................................................................................................................49

3. Математическая модель процесса накатывания зубчатых ко- 51

лес радиальными головками.............................................................

3.1. Исходные данные. Ограничения........................................................................................................53

3.2. Мощность и крутящий момент............................................................................................................54

3.2.1. Мощность..................................................................................................................................................................................54

3.2.2. Крутящий момент......................................................................................................................................................61

3.3. Силы..........................................................................................................................................................................................................63

3.4. Начальная стадия............................................................................................................................................................67

3.5. Профилирование................................................................................................................................................................68

3.5.1. Взаимодействие гР и г\ в очевидных пределах эвольвент- 68 ных участков при обкатке по <1р и (Ь................................................

3.5.2. Расчет конструктивных параметров накатных роликов............70

3.5.3. Переходные кривые и пересечение профилей зубьев колес, 78 накатанных радиальными головками.............................................

3.5.4. Влияние положения основной окружности на профиль 87 зубьев накатываемого колеса............................................................

3.6. Прочность........................................................................................................................................................................................89

3.7. Формообразование........................................................................................................................................................96

3.8. Форма и размеры заготовки......................................................................................................................98

3.9. Режимы, припуски, стойкость................................................................................................................99

3.10. Точность и органические отклонения от формы и размеров 101 колес........................................................................................................

3.11. Приобретенные свойства..............................................................................................................................101

Заключение................................................................................................................................................................................................106

4. Органические отклонения от формы и размеров зубчатых ко- 108 лес, накатанных радиальными головками. Точность зубчатых колес................................................................................................

4.1. Последовательность выдавливания материала в осевом се- 108 чении. Образование торцевых наплывов........................................

4.1.1. Аппроксимация профиля зубьев колеса в осевом сечении... 108

4.1.2. Определение профиля зубчатого колеса в осевом сечении в 118 зависимости от формы и размеров заготовки................................

4.2. Форма и размеры заготовки....................................................................................................................130

4.3. Точность зубчатых колес..................................................................................................................................134

Заключение................................................................................................................................................................................................136

5. Практическое использование результатов исследований......................137

5.1. Патентный материал................................................................................................................................................137

5.1.1. Способ и инструмент для накатывания зубчатых колес на 137 металлорежущих стакках...................................................................

5.1.2. Формула изобретения........................................................................................................................................141

5.2. Методики расчета размеров зубонакатных роликов к ради- 144 альной головке......................................................................................

5.2.1. Определение конструктивных параметров роликов по ме-

жосевому расстоянию радиальной накатной головки..................................144

5.2.2. Определение конструктивных параметров роликов по ве- 147

личине подъема на секцию.................................................................

5.3. Конструкция зубонакатных роликов к радиальной головке 149 РГ-16........................................................................................................

5.4. Конструкция радиальной головки РГ-16..........................................................................149

Заключение и общие выводы..................................................................................................................................155

Список используемой литературы................................................................................................................158

Приложения..............................................................................................................................................................................................165

Приложение 1..........................................................................................................................................................................................166

Приложение 2..........................................................................................................................................................................................179

Приложение 3..........................................................................................................................................................................................186

Введение

Актуальность темы. В последние время во всех промышленно развитых странах широкое развитие получают материалосберегающие технологии, реализуемые на специализированном оборудовании и на станках общетехнологического назначения. Особенно эффективной является технология формообразования деталей холодным пластическим деформированием на станках общетехнологического назначения. Такие технологии, помимо материалосбережения, обладают рядом преимуществ по сравнению с обработкой резанием и формообразованием деталей пластическим деформированием на специализированном оборудовании:

• возможностью использования наличного металлорежущего оборудования;

• возможностью применения высоких режимов обработки при более высокой стойкости инструмента (по сравнению с резанием);

• отсутствием стружкообразования;

• возможностью концентрации операций за счет использования многоинструментальной наладки.

Наиболее широкое распространение такие технологии получили при обработке резьб различных типов резьбонакатными головками, серийно выпускаемых инструментальной промышленностью большинства развитых стран.

В последнее время появилось новое направление в развитии и применении деформирующих инструментов на станках общетехнологического назначения - использование деформирующих инструментов для формообразования многих распространенных типов поверхностей, в том числе зубчатых, шлицевых, кольцевых, цилиндрических и др. Однако имеющиеся по этому вопросу научные и практические данные не исчерпывают всех возможностей и путей дальнейшего совершенствования деформирующих инструментов для обработки этих изделий.

В настоящее время известен ряд способов получения зубчатых колес пластическим деформированием на специализированных станках. В 1988 году была предпринята попытка формообразования зубчатых колес на станках общетехнологического назначения с помощью аксиальных (осевых) накатных головок, которая наряду с ее безуслов-

ной научной и практической полезностью не получила заметного развития вследствие того, что зубчатые колеса не являются длинномерными изделиями, а аксиальные процессы рассчитаны именно на такие изделия.

Отсюда и возникла идея разработки метода и инструмента для формообразования зубчатых колес с помощью радиальных накатных головок, обеспечивающих обработку деталей в многоинструментальных наладках станков и автоматов общетехнологического назначения, причем проявляющих эффективность как раз по короткомерным изделиям, каковыми являются зубчатые колеса.

Цель работы - создание и последующее изучение процесса и инструментов для накатывания мелкомодульных эвольвентных зубчатых колес на станках и автоматах токарной группы на основе исследований особенностей кинематики процесса формообразования, разработки и обоснования системы расчета новых инструментов и ряда основных условий эксплуатации.

Методы исследований. Достижение поставленной цели осуществлялось комплексным решением задач с применением экспериментальных и теоретических исследований.

Научная новизна заключается в совокупности установленных фактов, закономерностей и научнообоснованных разработок, которые обеспечивают осуществление процесса зубонакатывания эвольвентных колес радиальными головками на станках и автоматах токарной группы. Основными новыми научными положениями являются:

• новый процесс зубонакатывания и инструменты для его осуществления;

• теория кинематического деления заготовки на заданное число зубьев в условиях отсутствия жесткой кинематической связи между звеньями технологической пары "инструмент-заготовка";

• закономерности пластического деформирования при накатывании зубчатых колес радиальными головками;

• создание и обоснование конструктивной схемы зубонакатных роликов к радиальной головке и системы их расчета;

• выбор и обоснование формы и размеров заготовки;

• определение взаимосвязи между параметрами инструментов и заготовки и мощностными характеристиками процесса;

• уровень качественных показателей изделий.

Практическая ценность заключается в разработке научных положений, позволяющих осуществить процесс накатывания зубчатых колес радиальными головками и обоснование проектирования накатных инструментов (роликов) и условий их эксплуатации.

Реализация работы:

Материалы исследований и чертежи переданы на Красногорский оптико-механический завод. На основе выполненных исследований созданы методические разработки для лабораторной работы кафедры "ИТиКМ" для магистратуры по предмету "Современные тенденции в развитии станков и инструментов".

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на международной научно-технической конференции "Совершенствование процессов финишной обработки в машино- и приборостроении, экология и защита окружающей среды" {г. Минск, 1995 г.), юбилейной международной научно-технической конференции "Вопросы совершенствования технологических процессов механической обработки и сборки изделий машиностроения" {г. Тула, 1996 г.), международной юбилейной научно-технической конференции "Прогрессивные методы проектирования технологических процессов, металлорежущих станков и инструментов" (г. Тула, 1997 г.) и заседаниях кафедры "Инструментальная техника и компьютерное моделирование" МГТУ "СТАНКИН".

Публикации. По материалам диссертации опубликованы тезисы докладов на научно-технических конференциях, три статьи, получено положительное решение по заявке от 13 января 1997г., № 96108665/02(013968).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и общих выводов, изложена на 110 страницах машинописного текста и содержит 50 рисунков, 13 таблиц, 3 приложения, а также список литературы, включающий 100 наименований.

1. Состояние вопроса и постановка задач исследований.

Анализ имеющихся в отечественной и зарубежной литературе материалов показывает, что в настоящее время холодное накатывание зубчатых профилей выполняется на универсальном резьбонакатном и специализированном оборудовании и станках общетехнологического назначения по двум кинематическим схемам: копированием и обкаткой. В основе всех методов накатывания используется механизм последовательно повторяющихся циклов формообразования с обжатием заготовки при наличии подачи инструмента или изделия в радиальном, осевом или тангенциальном направлении. При этом на заготовке воспроизводится негативный отпечаток деформирующих элементов инструмента, а вытесненный к периферии металл образует заданную форму зубьев.

1.1. Основные методы накатывания зубчатых поверхностей на резьбонакатных и специализированных станках.

1.1.1. Метод накатывания зубчатых поверхностей копированием.

Метод накатывания зубчатых поверхностей копированием применяется на специализированном оборудовании для накатывания зубчатых колес со значительной глубиной профиля при небольшом количестве зубьев (Z=20). Сущность метода: заготовка под действием принудительного осевого перемещения продавливается через фильеру с комплектом приводных или неприводных инструментов при постоянном межосевом расстоянии между ними. Форма деформирующих выступов роликов точно соответствует форме впадин между зубьями накатываемой заготовки. Реализуют метод двумя способами: продольным накатыванием многороликовыми головками [40] и ударным накатыванием планетарными головками [97].

При продольном накатывании многороликовыми головками используют гидравлические прессы или специализированные станки (рис. 1.1а). Этот способ отличается высокой производительностью, высоким качеством обработанных поверхностей (Ra=l,25...0,63 мкм), бесшумностью в работе. Точность зубьев соответствует 7-8 квалитетам по ГОСТ 1643-81 [40]. К недостаткам способа следует отнести сложность изготовления и настройки головки, низкую стойкость накатных

роликов, невозможность использования инструмента для другого размера колеса.

При формообразовании зубьев ударным накатыванием [97] заготовка одновременно с осевым перемещением совершает вращательное движение синхронно соответственно количеству накатываемых зубьев с перемещением двух накатных роликов, вращающихся в противоположные стороны (рис. 1.16). Накатные ролики с единичным профилем, многократно вступая в контакт с заготовкой, профилируют впадины между зубьями. Способ реализован на станках фирмы "E.Grob" (Швейцария) при накатывании зубьев ш<6 мм и диаметром до 120 мм на заготовках из сталей с относительным удлинением 8>9% и пределом прочности до 1200-1400 Н/мм . Производительность процесса в 47 раз выше, чем при обработке резанием, точность обработанных зубьев соответствует 6-7 степеням "DIN", шероховатость накатанных поверхностей Ra<l мкм. Способ требует сложного и специального оборудования. Из-за периодичности нагрузки при накатывании неизбежен высокий уровень шума.

1.1.2. Метод накатывания зубчатых поверхностей обкаткой.

Кинематические схемы образования профилей обкаткой предусматривают два главных относительных движения: обкатку и подачу. Метод может быть реализован тремя способами: накатыванием с радиальной подачей инструмента, с тангенциальной или осевой подачей инструмента или заготовки. Профиль на заготовке получается как огибающая последовательных положений деформирующих элементов накатного инструмента при их внедрении в материал заготовки. Их общее свойство - необходимость в синхронизации зацепления инструментов и заготовки.

Холодное накатывание с радиальной подачей инструмента выполняют на специализированных станках двумя или тремя накатными роликами [3, 6, 7, 13, 14, 27, 48, 55, 65, 76, 82, 86, 90, 100], (рис. 1.2). Накатывание зубчатых профилей двумя роликами осуществляют на резьбонакатных станках [39, 45, 46], а тремя роли�