автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Разработка многорезцового обкатного инструмента с нулевым углом профиля для высокопроизводительного зубонарезания арочных колес на станках с ЧПУ

Липатов Сергей Игоревич

РАЗРАБОТКА МНОГОРЕЗЦОВОГО ОБКАТНОГО ИНСТРУМЕНТА С НУЛЕВЫМ УГЛОМ ПРОФИЛЯ ДЛЯ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОГО ЗУБОНАРЕЗАНИЯ АРОЧНЫХ КОЛЕС НА СТАНКАХ С ЧПУ

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

2 8 НОЯ 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005540763

Москва 2013

005540763

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный открыть университет имени B.C. Черномырдина» на кафедре «Технология автоматизирова ного производства»

Научный руководитель: Марголит Ремир Борисович, кандидат техническ

Официальные оппоненты: Петухов Юрий Евгеньевич, доктор технических н

ук, профессор, профессор кафедры «Инструментальн-техника и технология формообразования» ФГБО

Защита состоится «24» декабря 2013 г. в 15 часов на заседании диссертацио ного Совета Д 212.142.01 при ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» по адресу: 10100 Москва, Вадковский пер., дом За.

Тел: (499) 972-95-21, (499) 972-94-41. e-mail: m.volosova@stankin.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ «СТАНКИН» по адресу: г. Москва, Вадковский пер., дом За.

наук, доцент, профессор кафедры «Механик технологических дисциплин» ФГБОУ ВП «РИ(ф)МГМУ (МАМИ)»

ВПО МГТУ «СТАНКИН»

Локтев Дмитрий Абрамович, кандидат технических наук, доцент, технический директор ООО «Инженерно-технологический центр Технополис»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учрежден!

науки Институт машиноведения им. A.A. Благонраво!

РАН

Автореферат разослан «

2013 года.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Д 212.142.01 кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В работе исследуются возможности изготовления одного из видов эвольвент-ных колес, а именно арочных зубчатых колес, эвольвентный профиль которых имеет постоянный угол зацепления по всей ширине венца. Только режущим инструментом с нулевым углом профиля можно, используя движение обката, выполнить зубонаре-зание таких колес с достаточно высокой производительностью и точностью на многокоординатных станках с ЧПУ.

Арочные передачи (рис. 1) по эксплуатационным показателям - несущей способности, передаваемому крутящему моменту, износостойкости, плавности работы и массогабаритным характеристикам превзойдут в редукторах многих машин и механизмов другие виды передач, такие как прямозубые, косозубые и шевронные. Арка - наиболее жесткая конструкция из всех известных в технике. Именно арочное расположение

Рисунок 1 - Арочная передача _

зубьев повышает прочность и жесткость зубьев, способствуя улучшению плавности работы, снижению уровня шума передач, увеличению долговечности их работы.

Опыт прошедшего времени показал, что зубонарезание этих колес натолкнулось на определенные трудности, связанные с попытками использовать традиционные способы и инструменты зубонарезания. Возникла потребность выполнить исследование, направленное на создание и изучение перспективного с точки зрения точности и производительности режущего инструмента для зубонарезания.

Цель работы

Повышение производительности и точности зубонарезания арочных колес использованием многорезцовых инструментальных головок с нулевым углом профиля.

Для достижения указанной цели в работе необходимо решить следующие задачи:

1. Определить условия формообразования эвольвентных поверхностей зубчатого венца арочных колес с углом зацепления, одинаковым по всей ширине венца вращающимся инструментом с нулевым углом профиля за счет параметров установки и размеров режущего инструмента в результате движения обката рабочих органов станка с ЧПУ.

2. Предложить рациональное конструктивное исполнение зуборезного инструмента с нулевым углом профиля. Выявить возможность программированием обработки на многокоординатных станках с ЧПУ нарезания одним инструментом колес с различным числом зубьев и модулями, включая дробные, с профилем зубьев, отличающимся от стандартного исходного контура.

3. Установить пространственное положение профилирующих точек инструмента, обеспечивающих создание в результате движения обката эвольвентного профиля зуба с заданным углом зацепления.

4. Установить математические зависимости кинематических перемещений режущего инструмента от параметров колеса.

5. Установить взаимозависимость радиуса инструмента и радиуса арки нарезаемого колеса.

з

6. Установить математические зависимости величины радиуса инструмента о диаметра нарезаемого колеса и ширины режущих пластин от параметров нарезаемо го колеса.

7. Предложить схему эксплуатации режущих пластин, обеспечивающую ра циональное расходование инструмента.

8. Разработать математическую и компьютерную модель зубонарезания САПР для получения управляющей программы обработки на станках с ЧПУ.

9. Выявить закономерности достижения точности, шероховатости и произво дительности зубонарезания колес с материалами улучшенного и закаленного испол нения.

10.Изучить возможность достижения высокой производительности при выпол нении кольцевого сверления и профилирования эвольвентных участков профиля.

11.Определить возможность для арочных колес использования метрологиче ского обеспечения, применяемого при контроле цилиндрических зубчатых колес соответствии с требованиями ГОСТ 1643-81 «Основные нормы взаимозаменяемо сти. Передачи зубчатые цилиндрические. Допуски».

Научная новизна работы состоит:

- в теоретическом обосновании условий формообразования эвольвентны профилей зубьев арочных колес вращающимися многорезцовыми инструменталь ными головками с нулевым углом профиля, обусловленных размерами инструмент и параметрами его установки в координатной системе многокоординатных станков ЧПУ;

- во взаимосвязи параметров режущего инструмента (радиуса инструмента ширины режущей пластины, радиусов при вершине пластин) и параметров колес (радиуса арки, числа зубьев и ширины венца);

- во взаимосвязи станочных параметров установки режущего инструмента заготовки (координатные расположения и перемещения рабочих органов станка) параметрами нарезаемого арочного зубчатого колеса (модулем, числом зубьев, уг лом зацепления, радиусом арки, шириной венца, коэффициентами смещения исход ного контура);

- в математической модели формообразования движением обката режущег инструмента и заготовки эвольвентных поверхностей с заданным углом профиля включающей определение положения осей инструмента и заготовки в зависимое от параметров нарезаемого колеса (модуля, числа зубьев, коэффициентов коррек ции, ширины венца).

Практическая ценность работы состоит:

- в разработке конструкции многорезцовых инструментальных головок с нуле вым углом профиля для высокопроизводительного зубонарезания арочных колес обеспечением по всей ширине венца одинакового угла профиля и равной толщинь зубьев;

- в рекомендации по использованию комплекта, состоящего из трех инструмен тов для зубонарезания колес с твердостью до HB 300 в три технологических перехо да и состоящего из пяти инструментов для зубонарезания закаленных колес с твер достью зубьев до HRC 60 в пять переходов, обеспечивающих производительност зубонарезания, соизмеримую с традиционным зубофрезерованием;

- в обеспечении одинаковых углов зацепления по всей ширине зубьев в каждом сечении колеса, перпендикулярном его оси, за счет нулевого угла профиля режущего инструмента;

- в разработке схемы рационального использования режущих пластин путем определенной последовательности их переустановки в инструментах комплекта, которая обеспечивает увеличение суммарной стойкости каждой пластины;

- в рекомендации по определению параметров инструментальных головок (радиуса инструмента и точности его настройки, ширины режущих пластин) в зависимости от размеров и характеристик нарезаемых колес, обеспечивающих заданные показатели точности в пределах пятой-шестой степени по ГОСТ 1643-81 с производительностью, превосходящей обработку с использованием зубошлифования;

- в рекомендациях по использованию в инструментальных головках токарных резцов для прорезки канавок на торцах заготовок, оснащенные быстросменными многогранными неперетачиваемыми пластинами со сверхтвердыми покрытиями;

- в рекомендациях по назначению величин припусков между технологическими переходами, режимов резания и скорости перемещения режущего инструмента по линейной составляющей обката.

- в предложенном алгоритме проектирования многорезцовой инструментальной головки с нулевым углом профиля для зубонарезания арочных колес, обеспечивающей постоянный угол зацепления по всей ширине венца. Методы исследования

Для решения поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследования, в частности теория получения эвольвентных поверхностей нулевым способом, а также компьютерное моделирование, пакеты программ МаЛСАЭ, Т-Р1ехСАО и др.

Результаты исследований подтверждены экспериментами в лабораторных и производственных условиях, а также промышленным внедрением. Поставленные в работе задачи достигнуты использованием режущего инструмента с нулевым углом профиля на различных станках с ЧПУ, в том числе мод.17С40, ГФ5171Ф4, ЛР395, МСУ-2418. Достоверность научных выводов обеспечена согласованием расчетных и экспериментальных данных. Реализация работы Результаты работы внедрены:

- на металлургическом заводе «Северсталь» г. Череповец, в редукторе листоупако-вочной машины и при изготовлении арочных колес редуктора для листоправильного стана;

- при изготовлении арочных колес многошпиндельных агрегатных головок сверлильного станка в ООО «Тяжпрессмаш» г. Рязань; редуктора транспортера предприятия «ТехноНИКОЛЬ»; редукторов нефтедобывающих станков-качалок;

- в ОАО «Рязанский станкостроительный завод» в конструкции главных приводов токарного станка с ЧПУ мод. 16Р35ФЗ, в конструкции главного привода зубофре-зерного станка с ЧПУ мод. 53Р32Ф6;

- при изучении дисциплины «Технология машиностроения» в РИ(ф)МГОУ.

Апробация работы

Основные положения и результаты работы доложены и получили одобрение:

- на семи межвузовских Научно-технических конференциях студентов, молодых ученых и специалистов, Рязань, 2007 - 2013 г.г.;

- на II Всероссийской научно-технической конференции, Чита, 2009 г.;

- на Международной научно-практической конференции, Брянск, 2009 г.;

- на Национальной научно-технической конференции но итогам конкурса Союз инженеров России на лучшую работу в области техники, Москва, МГТУ им. Баума на, 2011 г.

Публикации

По теме диссертации опубликованы 23 работы, в том числе две учебно методические; имеется 5 патентов на изобретения; свидетельство, зарегистрированное в Отраслевом фонде алгоритмов и программ; две работы опубликованы и одн принята к публикации в журналах из перечня ВАК РФ.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, общих выводов и списка литера туры. Работа изложена на 161 странице машинописного текста, содержит 56 рисун ков, 16 таблиц, список литературы включает 93 наименования использованных ис точников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, определены цели и задачи научная новизна и практическая ценность работы.

В главе 1 кратко проанализировано нарезание колес эвольвентных передач прямозубых, косозубых, шевронных и арочных, замыкающих этот ряд наиболее вы соким уровнем эксплуатационных характеристик.

Исследованием арочных колес занимались, начиная с середины прошлого век коллективы исследователей в России и за рубежом. Ряд вопросов, характеризующи арочное зацепление и методы его изготовления, отражены в работах А.И. Беляева М.Н. Бобкова, М.Р. Варшавского, М.И. Евстигнеева, И.А. Коганова, A.A. Кравчук A.A. Мапикова, P.A. Мацея, А.Н. Паршина, В.Д. Плахтина, Э.В. Ротманова, В.Н. Севрюка, А.К. Сидоренко, А.И. Сирицына, В.Н. Сызранцева, H.A. Шахбазова, Г.М. Шейнина, A.B. Юрченко, A.C. Ямникова, и других. Круговые зубья доказали сво превосходство над прямолинейными в конических передачах, что отражено в рабо тах ряда отечественных ученых: А.Э. Волкова, В.И. Медведева и других. Подобного эффекта можно ожидать и в арочных цилиндрических передачах.

Несмотря на выявленные преимущества и многочисленные исследования, ци линдрические арочные колеса до последнего времени в реальных конструкциях машин не использовались. Это можно объяснить как ошибочностью некоторых подходов в создании конструкции арочных колес, так и отсутствием технологии, обеспечивающей высокую производительность изготовления точных передач.

Явно ошибочным является нарезание выпуклых и вогнутых сторон зуба одной инструментальной головкой. Выпуклые и вогнутые стороны зубьев приобретут разные радиусы, и попытка сопрягать в передаче такие колеса обречена на неудачу.

Низкой производительностью зубонарезания характеризуется обработка зубчатого венца арочного колеса цилиндрической пальцевой фрезой, при которой обработка боковой стороны зуба происходит построчно движением минутной подачи фрезы вдоль ширины венца.

Большинство исследователей, которые предлагают нарезать зубья арочных колес многозубыми вращающимися инструментами, придают резцам трапецеидальный профиль с углом, равным углу зацепления колеса. В этом случае эвольвента с заданным углом исходного контура образуется только в среднем сечении венца. Во всех прочих перпендикулярных оси колеса сечениях вместо заданного профиля будет искаженный, с уменьшенным углом. Зубчатая передача с такими колесами при-

перемещение резцовой голов при обкате г

обретает явный недостаток: во всех сечениях, кроме центрального, начинают сопрягаться участки профилей с несколько отличными друг от друга углами зацепления.

В ряде работ предлагается использовать инструмент шевер-прикатник для повышения точности предварительно нарезанных арочных колес, что представляется излишним. Изучаемый в данной работе режущий инструмент с нулевым углом профиля позволяет нарезать колеса, параметры точности которых соответствуют пятой - шестой степени по ГОСТ1643-81, что равноценно точности, достигаемой при зу-бошлифовании.

Даже в тех случаях, когда зубья нарезают обкатом с использованием инструмента с нулевым углом профиля, не соблюдают принцип расположения профилирующей точки на касательной к основному цилиндру. В итоге не получают одинаковые углы зацепления у парных колес передачи.

Глава 2 работы посвящена разработке режущего инструмента с нулевым углом профиля для зубонарезания арочных колес и способа его применения. Поскольку традиционные зубофрезерные станки имеют расположение оси главного движения, которое не позволяет нарезать арку, предложено для зубонарезания использовать универсальные многокоординатные станки с ЧПУ.

На рисунке 2 показана схема образования эвольвенты вогнутой стороны зуба инструментом с нулевым углом профиля. Станок с ЧПУ должен иметь минимум четыре управляемые координаты, из которых две У и А участвуют в образовании движением обката эвольвентного профиля зубьев.

Координата А является круговой, на которую также возложена функция единичного деления. Координаты X и г необходимы для осуществления настройки станка и реализации процесса черновой обработки впадины зубьев.

Профилирующая точка резца располагается в месте сопряжения радиуса при вершине режущей пластины и ее плоской поверхности на внешней стороне. При обработке выпуклой стороны профилирующая точка расположена на том же радиусе Я/, но на внутренней стороне пластины.

Углы резания в плане равны 0 и 90° и не изменяются при прохождении профилирующей точкой всей ширины венца. Именно нулевой угол профиля инструмента теоретически обеспечивает постоянство угла зацепления.

Разработана конструкция инструментальной головки (рис. 3), состоящей из корпуса 1, резцов 2, оснащенных быстросменными режущими пластинами твердого сплава 3, подкладок под резцами 4, регулировочных 5 и крепежных 6 винтов. Грубая настройка положения резцов осуществляется с помощью мерных подкладок 4 под резцами, а тонкая настройка точнее 0,01 мм - с помощью регулировочных винтов 5.

Для стальных колес, улучшенных до твердости 300 НВ, операция зубонарезания состоит из трех отдельных технологических переходов, выполняемых комплектом из трех резцовых головок:

Рисунок 2 - Схема зубонарезания

Рисунок 3 - Инструментальная головка с оправкой

- для предварительной прорезки в режиме кольцевого сверления впадин между зубьями колеса;

- для фрезерования в режиме обката эвольвентной части профиля вогнутой стороны зубьев и нарезания примыкающего участка впадины;

—. для фрезерования в режиме обката эвольвентной части профиля выпуклой стороны зубьев и нарезания примыкающего участка впадины.

Для закаленных колес технологическая схема имеет в своем составе дополнительную операцию финишной обработки из двух переходов чистового нарезания эвольвентной части профиля вогнутой и выпуклой сторон зубьев.

Для всего технологического процесса обработки закаленного колеса в соответствии с числом переходов используется комплект из пяти инструментальных головок. Они отличаются друг от друга положением пластин относительно оси головок, которое изменяют подкладками под резцы.

При проектировании инструментальных головок поставлены задачи создания конструкции, отвечающей ряду характерных черт:

- простоты изготовления и дальнейшего обслуживания;

- высокой жесткости;

- применения во всех головках комплекта одинаковых корпусов и резцов;

- использования серийно изготавливаемых резцов с нулевым углом профиля;

- применения режущих пластин твердого сплава со сверхтвердыми покрытиями;

- возможности тонкой регулировки положения профилирующих точек;

- возможности выполнять автоматическую смену инструмента из магазина станка с ЧПУ.

Покупные резцы (рис. 4), устанавливаемые в пазы ifflfii

корпуса, серийно производятся многими зарубежными ->£1

инструментальными фирмами для прорезки канавок на ¡^¿ГдШ-'-й'Т "

торцах заготовок при токарной обработке. Резцы могут • ™

работать с осевой подачей в режиме кольцевого сверления И В режиме фрезерования, когда суммируются Рисунок4-Резецдоработанный

подачи по двум направлениям. Резцы подвергаются доработке сверлением двух кре пежных отверстий.

В зависимости от марки, физико-механических свойств и твердости обрабаты ваемых сталей использованы различные марки твердых сплавов (рис. 5) со сверх твердыми покрытиями. Применены четыре типоразмера резцов, режущие пластинь которых обеспечивают нарезание колес широкого диапазона модулей от 2 до 10 мм диаметров до 1000 мм, с радиусами арки от 35 до 150 мм. Предложены резцы с ши риной пластин 2,1 мм для колес с модулями ш=2^-4 мм; 3 мм для 111=3-^5,5 мм; 4 miv для т=4-^8 мм; 5 мм для модулей более 6,5 мм.

. В корпусах головок глубина пазов под резцы пре вышает высоту их державок. Используя подкладки, мож но в одной головке установить резцы с различием радиу Рисунок 5 - Быстросменные сов в пределах 10 мм. Для сокращения номенклатуры го пластины ловок предложено ограничить размеры их диаметров зна

чениями 70, 100, 150, 200, 280, 360 мм. Одновременно учтены диапазоны диаметров нарезаемые каждым типоразмером резцов.

Расположение профилирующих точек резцов головки для предварительног прорезания регулируют один раз, в дальнейшем можно только переворачивать i сменять режущие пластины. В головках для финишной обработки необходимо npi

каждой смене пластин с высокой точностью выставлять положения профилирующих точек с помощью регулировочных винтов. В работе для этой цели использован оптический прибор с пятидесятикратным увеличением.

Для повышения экономичности использования твердосплавных пластин предложен особый прием их эксплуатации. На пластине выделены шесть формообразующих участков, по три на каждой рабочей стороне. Каждая режущая пластина начинает цикл своей эксплуатации обработкой вогнутой стороны зуба. Происходит износ внешнего (левого) формообразующего участка. После затупления этого участка пластину переворачивают, начинает работать новый формообразующий участок другой стороны пластины. Когда износ обоих участков достигает своего предельного значения, пластину переставляют в головку для обработки выпуклой стороны профиля. Пластина начинает резать совершенно не изношенным внутренним (правым) формообразующим участком. И только после затупления всех четырех вершин режущую пластину переставляют в головку для предварительной прорезки основного материала впадины кольцевым сверлением, где она начинает работать серединой режущей грани. Каждая пластина, благодаря такой схеме работы, имеет повышенную суммарную стойкость, что создает благоприятные условия экономного использования твердого сплава.

В оправках (поз. 7 на рис.3) для крепления инструментальных головок в шпинделе станка предпочтение отдано соединению HSK. Учитывая, что большинство станков с ЧПУ имеют конус типа SK, разработаны и проверены при нарезании оправки с хвостовиками типа SKI, которые имеют одновременную посадку по конусу 7:24 и опорному торцу. Тем самым они функционально приближены к соединению типа HSK.

На рисунке 6 линии вдоль зуба отображают траектории контакта профилирующей точки инструмента с обрабатываемой поверхностью. При обработке вогнутой стороны зуба контакт начинается в среднем сечении зуба, а при обработке выпуклой стороны контакт начинается с обоих торцов колеса.

Учитывая, что арочные передачи смогут найти широкое использование только при эффективности замены ими традиционных прямозубых, косозубых и шевронных передач, выполнено сравнение формообразования зубьев инструментальной головкой с нулевым углом профиля и традиционными червячными фрезами.

Рисунок 6 - Нарезание сторон зубьев: а — вогнутой; б — выпуклой

Нарезание инструментом с нулевым профилем Зубофрезерование червячной фрезой

Нулевой угол профиля инструмента. Производящая рейка с углом профиля, равным углу зацепления.

Возможность нарезать колеса любого модуля одной инструментальной головкой. Нарезание инструментом колеса строго определенного модуля.

Получение любого угла профиля программированием обработки без внесения изменений в конструкцию режущего инструмента. Возможность внесения угловой коррекции только путем изменения угла профиля червячной фрезы.

Сравнительно равномерная нагрузка на шпиндель Неравномерная нагрузка на шпиндель станка

Использование стандартных резцов, оснащенных непе-ретачиваемыми быстросменными пластинами твердого сплава со сверхтвердыми покрытиями. Использование для изготовления червячных фрез, в основном, быстрорежущих сталей и необходимость переточки фрез при затуплении.

Влияние на качество нарезаемого венца со стороны режущего инструмента сведено к минимуму. Влияние на точность обработки большинства параметров червячных фрез.

Шесть периодов стойкости при рациональной схеме эксплуатации сменных пластин твердого сплава. Фреза после затупления должна пройти заточку и повторное нанесение сверхтвердого покрытия.

Зубонарезание арочных колес схоже с фрезерованием торцовыми фрезами и формирование обработанной поверхности происходит следом инструмента. Зубофрезерование схоже с формированием поверхности методом копирования. Неизбежно появление погрешности в виде следа от подачи.

Изменение толщины зуба колес (внесение тангенциальной коррекции) программированием обработки. Утонение зуба только дополнительной обработкой и невозможность утолщения.

Перемещение инструмента во время обката только в одном центральном сечении колеса. Необходимость перемещения червячной фрезы на рабочей подаче на всю ширину зубчатого венца.

Любое значение коэффициента радиального зазора. Стандартное значение коэффициента радиального зазора с = 0,25 т.

Единичное деление при нарезании. Непрерывное деление при нарезании.

Вогнутая и выпуклая стороны профиля обрабатываются в разных технологических переходах. Обе стороны профиля обрабатываются одновременно.

Рисунок 7 - Несимметричный профиль

Рисунок 8 - Вал-шестерня повышенной жесткости

Предложенный инструмент открывает ряд возможностей зубонарезания, н достижимых другими видами инструментов. Одним комплектом можно нарезат колеса различных модулей, включая дробные, изменять исходный контур в целя улучшения эксплуатационных характеристик зубчатых передач. Путем программи p.w¡ с}-лш. ю- дцддииииииии рования можно придавать зубья

высотную, угловую и тангенци апьную коррекции, равную проч ность зубьев передачи. Без про блем можно нарезать несимме ричные профили (рис. 7), когд рабочая сторона зубьев сделана номинальным углом зацепления, нерабочая с увеличенным. Появляется возможность повысить жесткость вало шестерен (рис. 8), нарезая зубья непосредственно на цилиндрической поверхност вала единого диаметра, без занижений для выхода режущего инструмента.

Установлена взаимозависимость радиуса инструмента R¡ и нарезаемого и, расположения зуба. А.Н. Паршин предложил назвать радиусом арки Ra - «радиу дуги окружности базовой линии смещения исходного контура на развертке дeл^ тельного цилиндра». Этот параметр связан с радиусом инструмента следующей з висимостью:

Я, =—---0.5 i sin a-tga, мм,

cosa

где a - угол зацепления; s - высота сегмента, образованного аркой зуба на разверт

основного цилиндра: s = R,- R~ -

мм.

В связи с тем, что радиус арки Иа простыми инструментальными метода измерить затруднительно, а радиус всех резцов инструмента необходимо настра вать с высокой точностью, целесообразнее выбирать в виде круглых значений не р диус арки, а радиус инструмента Я/.

Для установления взаимозависимостей параметров режущего инструмента нарезаемого колеса использован ряд конструктивных и технологических данных.

В чертеже арочного колеса должны быть заданы следующие конструктивнь параметры: число зубьев модуль т, мм; угол зацепления а, град; ширина венца мм; радиус инструмента /?/', мм; коэффициент радиального смещения корригирова

ного зубчатого венца (коэффициент высотной коррекции) ±х; длина общей нормали JV; коэффициент радиального зазора с*; степень точности по ГОСТ 1643-81, высота головки зуба в случае отличия от исходного контура по ГОСТ 13755-81.

Ряд конструктивных параметров следует отнести к расчетным: диаметр делительной окружности d; диаметр основной окружности db\ диаметр граничных (рабочих) точек dr\ окружной шаг р,\ высота головки зуба ha\ высота ножки зуба h/, наружный диаметр венца da; диаметр окружности впадин зубьев: ¿/(все в мм); угловой

шаг г, град; коэффициент обката М = *'m'z'C0S(0:) (равен длине в мм одного градуса

360

основной окружности); угол смещения зуба в торцовых сечениях колеса относительно центрального сечения у? =-, ч, град, длина постоянной хорды sc =

K-m-z-cos\a)

~соъ2(а) + ^• sin(2a)j• ш, мм; высота до постоянной хорды h,=0.5-(da-d-sc-tg(aj),

мм; инволюта угла a inv(a) = tg(a) - (а), рад; длина общей нормали W=m\n(:w -0,5) + inv(a)•_]cos а, мм, (где zw- число охватываемых зубьев при контроле длины общей нормали, при z < 16 z„ = 2, при z от 17 до 25 zw = 3, при z от 26 до 34 zw = 4, при z от 27 до 43 zw = 5); радиус кривизны впадины зуба f = c*-m, мм.

Для корригированных зубчатых колес некоторые параметры подсчитывают по иным формулам: наружный диаметр венца: d„ = mz + 2 т + 2 хт, мм; диаметр окружности впадин зубьев: dj = m z - 2,5т + 2 мм; длина общей нормали: W~m [ л-(г„ - 0,5) + 2 • • fg(ar) + inv(a) ■ - ] cos а.

Установлены математические зависимости величины радиуса инструмента от параметров нарезаемого колеса и от ширины режущей пластины. При недопустимо малом радиусе инструмента в момент начала обработки выпуклой стороны зуба колеса возможно зарезание зубьев правой стороной инструментальной головки. Рекомендована следующая формула для расчета минимально допустимого значения радиуса инструмента от параметров колеса:

„min \(т-г V fm-z-cosarV

лг А~г+т) Ч—2—J

где z - большее значение из двух чисел зубьев передачи.

Второе условие выбора минимального значения радиуса инструмента связано с необходимостью иметь ширину впадины в торцовом сечении венца, большую, чем ширина профилирующего резца 6 =i /2 L ь> мм

/ у Ь1 + 2 с'т

Из двух полученных значений радиуса инструмента следует выбрать большее. Максимально допустимая ширина резца ¿»""должна обеспечить размещение его во впадине зуба в торцовых сечениях колеса. Ее можно определить по следующей формуле, в мм:

При использовании покупных резцов значение ширины резца, полученное по этой формуле, необходимо округлить до ближайшего меньшего стандартного значения ширины используемых многогранных пластин твердого сплава.

Резцовую головку для выполнения кольцевым сверлением первого технологического перехода настраивают на радиус /?/ по середине режущего пластины. На последующую обработку оставляют припуск примерно 0,25 т, стараясь максимально приблизиться к эквидистанте профиля. С целью облегчения условий работы резцов рекомендованы два приема, которые назовем «разведение резцов» и «косое резание».

При «разведении» радиусы четных номеров резцов отличается от радиусов нечетных резцов на 0,3 мм. Такое расположение режущих кромок обеспечивает полуоткрытое резание каждым из резцов по прогрессивной схеме. Затраты мощности снизились на 20%, полностью исключились случаи поломки резцов.

При «косом резании» устанавливают заготовку поочередно с поворотом по часовой стрелке и против нее для обработки соответственно вблизи от вогнутой (рис. 9 а) и от выпуклой сторон зуба (рис. 9 б). В каждом из этих угловых положений А1 и А2 осуществляют рез двумя попеременными прорезками, отстоящими друг от друга примерно на половину ширины пластины. За счет «косого» расположения резцов и двух прорезок резание вначале является открытым и в полуоткрытое переходит для выполнения резания только на 2 мм от глубины предыдущей прорезки. На протяжении именно этой части прорезки условия резания наиболее неблагоприятны из всей обработки.

Установлены математические зависимости кинематических перемещений режущего инструмента и заготовки от параметров колеса. Величина координатного размера У отсчитывается в виде расстояния между осями заготовки и инструментального шпинделя.

Координаты начальных точек при прорезке с вогнутой стороны зубьев:

Л = Я +

[л-(г„ - 0,5) + ту(а) ■ г] соб а + Ьр

+ Д; А\ = -

360г. 2г

= у/га2 -[0.5(л-(г„ -0,5) + т\а■ :)со5а + 0.25т]2-га,

ч

«к

^-Да1

/ Л

Г

: \

)

/

^ Р :

ч ,

г^ 1

\ т г 1у

\

V ;

а

Рисунок 9 - Схема прорезки: а - с вогнутой стороны; б - с выпуклой стороны

Координата конечной точки 2К\

г =-

Д,соз(а) + 0,5

где Ъ - ширина венца колеса.

Углы поворота А! и А2 не совпадают по величине и направлению отсчета. Ко-1 ординаты начала 2и и конца 2К врезания совпадают с соответствующими координатами первого «косого резания».

У 2 = Я,-

- 0,5) + /т'(аг) -г]с

Л

Л2 =

360г. 2г

2 2 ' \ ' л-тгсоз(а)

В определенный момент пазы с обеих сторон зуба пересекаются, средняя часть металла во впадине (темная область на рис. 9 б) отделяется и выпадает. Завершается сверление одним или двумя резами в районе дна впадины с нулевым положением заготовки по координате А. Всего этап сверления потребует выполнения 6-7 прорезок.

Для профилирования эвольвентных участков зубьев использована компьютерная параметрическая модель Т-Б1ехСАО, которая состоит из двух компонентов: таблицы параметров и графической части. В таблицу вводят параметры колеса из чертежа, а другие параметры модель рассчитывает самостоятельно и автоматически строит графическое двухмерное отображение (рис. 10). Его особенностью является возможность поворачивать заготовку по круговой координате, смещать резцы, а также совместно поворачивать заготовку и перемещать резцы согласованным движением обката. При этом отображение имеет две проекции нарезанной заготовки и режущего инструмента: темная в центральном сечении и серая в торцовом сечении колеса.

Рисунок 10 - Профилирование эвольвентных участков: а - вогнутой стороны; б - выпуклой стороны

Вогнутую и выпуклую стороны профиля зубьев нарезают по аналогичным друг другу схемам, но движение обката идет в противоположном направлении, благодаря чему обработка эвольвентных участков профиля обеих сторон зубьев выполняется движением резцов от вершины к впадине.

Координатное расположение инструмента и заготовки при обработке вогнутой стороны показано на рисунке 11. Профилирующую точку В располагают на касательной к основной окружности. В исходном положении профилирующую точку с целью безопасности отодвигаем от вершины зуба в центральном сечении на некоторое расстояние А, что определяет ее координатное положение У„

Длина перемещения ДГпри профилировании каждой из сторон зубьев суммируется из величины АВ (первое слагаемое формулы), дополнительного перемещения, обеспечивающего обработку по всей ширине венца от центрального сечения до торцовых (второе слагаемое формулы) и расстояний А в начале и конце обката.

у

Рисунок 11 - Схема начала обката при обработке вогнутой стороны

- + т

тгсо$а 1

й,-

360-

я-

■соз(а)

+ 2А, АЛ = -

360Д У

:соз(а)

Величина поворота заготовки АЛ (град) связана с ДГ (мм) условием образования обкатом эвольвентной части профиля.

Рекомендовано окончательно обрабатывать участки впадины, прилегающие к каждой из сторон зуба, кольцевым сверлением до выполнения профилирования. Это улучшит условия заключительного этапа профилирования, так как резцы смогут работать на выход, не утыкаясь в необработанную поверхность.

На основе математической модели образования эвольвентных участков профиля определяют начальное и конечное положения профилирующей точки, величи ны координатных перемещений противоположных по направлению движений прй зубонарезании вогнутой и выпуклой сторон зубьев. На основе модели разработань алгоритм и система автоматизированного проектирования схем обработки и управ ляющих программ для станков с ЧПУ, которая позволила на экспериментально^ этапе исследований автоматизировать технологическую подготовку изготовлений колес т=8,654 мм г=15 и г=89; т=5,505 мм г=16 и г=93; т=4 мм г=18 и г=32; т=8 мм 2=30 и 2=31; т=3,09 мм г=11 и г=57; т=4 мм г=19.

В теоретической части работы даны прошедшие экспериментальную проверку рекомендации по выбору рациональных значений скорости резания и подачи на зуб инструментальной головки с целью сохранения продолжительного периода стойко] сти.

В режиме кольцевого сверления величина подачи на зуб ограничена условия ми резания, которые затруднены сходом стружки. Подача принимается в предела; 0,04 - 0,07 мм/зуб согласно рекомендациям производителей резцов аналогично то карной обработке, для которой эти резцы предназначены.

При профилировании боковых сторон зубьев фактическое резание происходи по зубу сверху вниз на расстояние О,А, равное высоте рабочей части зуба (рис. 11 которое гораздо меньше, чем длина АВ половины хорды, по которой происходит об кат. Для того чтобы фактическое значение минутной подачи вдоль зуба 5М)„„ стал равным рекомендуемой величине, определяемой подачей на зуб 0,04 - 0,07 мм/зуб необходимо запрограммированную минутную подачу по оси У рассчитать п формуле:

25.

1

¡¡^1е1А - ¿1

К-4,)

, мм/зуб,

^УЬии» — "

5г- подача на зуб, мм; п - частота вращения головки, об/мин; к - число резцов в режущей головке.

Эту формулу можно представить и в другом виде: в числителе половина длг ны общей нормали IV, а в знаменателе - часть высоты зуба от вершины до основно окружности. В этом случае зависимость между Б^ин и 5к»,« будет выглядеть сл дующим образом:

5^=0.5 -0.5) + /т>(аг)г]соз(а), мм/зуб.

Решение этого уравнения показывает, что величина программируемой подачи по оси У превосходит подачу вдоль зуба от 2,3 раза (при обработке малозубых колес) до 16 раз (при обработке многозубых колес) и зависит от числа зубьев нарезаемого колеса

Ступенчатый характер графика на рисунке 12 связан с дискретным изменением числа охватываемых зубьев при определении длины общей нормали. При программировании обработки удобно пользоваться линейной зависимостью:

Угмин 0) 167 Z

» 3 5 ~ - ~ :

Рисунок 12 - График зависимости отношения программируемой подачи к фактической от числа зубьев колеса

Например, при обработке головками диаметром 100 мм колес т=4 мм г=32 из стали 40Х с твердостью НВ 200 принята скорость резания 175 м/мин и подача 0,04 мм/зуб. При профилировании минутная подача вдоль боковых сторон зубьев 178,3 мм/мин обеспечивается запрограммированной на станке с ЧПУ подачей вдоль оси У 952,8 мм/мин. Основное время обработки эвольвентных участков обеих боковых сторон всех 32-х зубьев составляет 3,6 мин. Столь высокая производительность обката позволяет произвести повторную обработку, если жесткость технологической системы оказалась недостаточной для получения точности в один рабочий ход.

Для оценки производительности изучена ее обратная величина - трудозатраты выполнения цикла зубонарезания. Это время ^ = ^ + (:„ складывается из суммы основного времени резания 10 и вспомогательного времени 1В на выполнение холостых перемещений заготовки и инструмента, смены инструментальных головок, единичного деления от зуба к зубу. Доля вспомогательного времени ^ = в цикле для разных станков с ЧПУ, на которых выполнялась зубообработка, различна в пределах 0,1 < X < 0,3. Чем больше скорость холостых перемещений, тем меньше X. На станках мод.17С40 и мод МСУ-2418 \ = 0,1, на станке мод.ГФ5171Ф4 = 0,18, на станке ЛР395 Х = 0,3.

^ = 20о пр + 2^ об + 21^ вп),

где ^ пр - время прорезки впадины одного зуба в режиме кольцевого сверления; *ооб - время обката при профилировании эвольвентных участков выпуклой и вогнутой сторон зуба;

^о.вп _ время формирования участка впадины, прилегающего к боковой стороне зуба.

тпп:Я

125 ук соэ а I 5

1

+ to.ee .

/гЯ, т:у1\-со$'а +1

62.55. „УАГV - соб2 а

5 ^О.ВП-

яЯ1(гь-г/-0.25т + г + 1)

где ¿-число резцов инструментальной головки; у - скорость резания, м/мин;

Sz.no, $2.3- подача, соответственно, для открытого, полуоткрытого и закрытого резания, мм/зуб.

Расчетные значения трудозатрат подтверждены примерами времени цикла обработки колес с шириной венцов ¿=40 мм: для г=18, т=4 мм время составляет 15 мин; для г=32, ш=4 мм время 23 мин; для г=57, т=3,09 мм время 25 мин.

Существенное значение для осуществления производительной обработки имеют силовые характеристики главного привода станка с ЧПУ, на котором выполняется нарезание зубьев. Наибольшая нагрузка в виде мощности на инструментальном шпинделе приходится на режим кольцевого сверления при выборке основного

материала впадины.

Р

Проблемы при сверлении обостряются на современных станках с ЧПУ с регулируемым главным приводом. На рисунке 13 по оси абсцисс отложена частота вращения шпинделя, по оси ординат — мощность на шпинделе. От нуля до п„п- номинальной частоты вращения

Рисунок 13 - Характеристика регулируемого привода ШПИНДеЛЯ Пном МОЩНОСТЬ растет ДО

своего максимального значения Р по линейному закону. Главный привод имеет также участок постоянной мощности от п,юм до и до пмакс участок падения мощности.

Прослеживается современная тенденция изготовления станков типа обрабатывающих центров с высокой максимальной частотой вращения шпинделя питс. Этого достигают использованием малых редукций между двигателем и шпинделем. При этом увеличивается не только пмкс, но и п,юм. Это приводит к тому, что характери стика главного привода оказывается непригодной для выполнения сверления инструментальными головками большого диаметра, когда рабочая частота резания пре. становится в несколько раз меньше номинальной «„„.„. Мощность резания Ррез1=Рпрез/пнаи становится недостаточной для производительного зубонарезания. Приходится уменьшать число резцов в инструментальной головке, что приводит к увеличению времени кольцевого сверления.

Предлагается в станках, предназначенных для нарезания арочных колес, сни-] зить номинальную частоту вращения шпинделя в главных приводах путем редук ции. При частоте вращения през мощность на шпинделе увеличится до значения РреЛ.

Изучены зависимости ряда параметров точности арочных колес от погрешно стей инструментальных головок и их расположения на станке. Для анализа точносЫ профиля целесообразно разделить понятие точности профиля на две составляющие! расположение и форма профиля и рассматривать их возникновение по отдельности.

Основным условием получения точного расположения профиля является ус тановка профилирующих точек резцов не выше плоскости, касательной к основном) цилиндру. Прочие погрешности самой головки и ее пространственного положений на станке влияют в меньшей степени. Если при настройке профилирующие точк!-резцов будут лежать выше плоскости, касательной к основному цилиндру, то воз никнет отрицательная погрешность расположения профиля, то есть шаг зацеплени уменьшается. Если при настройке профилирующие точки резцов окажутся ниж

плоскости, касательной к основному цилиндру, то погрешность нарезанного профиля останется равной нулю, так как в работу вступит другая профилирующая точка резца, которая определит точность профиля. Исследования показывают, что эта погрешность не зависит от угла зацепления, но увеличивается с уменьшением диаметра основной окружности. Выведены математические зависимости погрешностей профиля:

- а) от погрешности положения 8 профилирующей точки для разных диаметров основной окружности нарезаемого колеса (рис. 13, а):

кривая / для диаметра основной окружности 120,3 мм (§•= -0,09(5 -0,0325<5); кривая 2 для диаметра основной окружности 94 мм (1/= -0,103(52-0,0367(5); кривая 3 для диаметра основной окружности 67,7 мм -0,122(5 -0,0429(5);

- б) от диаметра основной окружности (рис. 13, б):

кривая 4 для погрешности +0,1 мм ({/= -2-10" Оь +6-10" А, - 0,0075); кривая 5 для погрешности +0,25мм (§-= - 7-10"7£>Л2 + 210- 0,0299); кривая б для погрешности +0,5мм - 2-106Д

Исходя из выполненного исследования, предложено установить односторонний допуск минус 0,03 мм на точность настройки положения профилирующих точек резцов инструментальной головки относительно основного цилиндра.

Изучено действие факторов, влияющих на возникновение погрешностей шагов нарезанных колес.

+ 610 Д, - 0,0846).

у, лим

&, МЛ!

а)

б)

Рисунок 13 - Зависимость погрешностей профиля а) от погрешности Л установки формообразующей точки, б) от диаметра основного ци-.индра О-,:

Для арочных колес может проявить себя такая погрешность, как разнотол-щинность зубьев на отдельных участках колеса - то, что не проявляется при нарезании зубьев червячными фрезами. Анализ показал, что разнотолщинность зубьев -это своеобразное проявление накопленной ошибкой шага Рр нарезанного колеса.

Рр £ мкм

Причина возникновения такой погрешности состоит в том, что выпуклая и вогнутая стороны зубьев нарезаются от отдельных участков кинематической цепи станка, отстоящих по круговой координате друг от друга на достаточно большой угол 2ф (рис. 14). На рисунке соответственно сплошной и штрихпунктир-ной линиями изображены графики 1 и 2 накопленной ошибки шага, выявленной при проверке колеса соответственно вогнутой и выпуклой сторон зубьев. Пунктирная кривая 3 в том же масштабе отражает возникшую разнотолщинность зубьев е.

Параметрическим способом была выполнена коррекция погрешности поворота стола станка с 17' до 7". Разнотолщинность зубьев при нарезании колеса т=5.505 мм г=93 уменьшилась с 300 до 8 мкм. В беззазорных зубчатых передачах, например, редукторов нефтяных станков-качалок разнотолщинность нужно свести к минимуму.

Рисунок 14- Появление рашотолщинностн зубьев

Для уменьшения погрешностей шагов ^ и нарезанного колеса на всех станках с ЧПУ, на которых выполнялось зубонарезание, были выполнены следующие работы:

- проверка точности круговой и линейной координат;

- уменьшение величины люфтов в приводе круговой координаты;

- компенсация зоны нечувствительности;

- коррекция погрешностей перемещения и поворота.

2,-/57 У57

а б в

Рис. 15 - Кривые распределения погрешностей шагов зубьев

Точность шагов колес, нарезанных в закаленном и не закаленном состояниях, после ликвидации люфтов в круговой координате примерно одинакова. На рисунке 15 в качестве примера для колеса г=57, т=3,09 мм изображены кривые распределения погрешностей шагов соответственно для вогнутой а), выпуклой б) сторон зубьев и в) для всех 228 шагов колеса. Сплошной линией - до закалки и пунктирной - после. В допуск пятой степени по ГОСТ1643-81 укладываются 215 шагов, т.е. 94,3%, а в допуск шестой степени точности все 228 шагов.

Размеры пятна контакта достигаются равенством углов профиля и радиусов арок вогнутой и выпуклой сторон зубьев колес пары. Размеры пятна контакта по пятой степени точности (по высоте зубьев не менее 55%, по длине зубьев не менее 80%) устойчиво достигается при дополнении точности изготовления использованием эффекта самоустановки колес при сборке.

Для компенсации непараллельности и перекоса осей редуктора целесообразно использовать бочкообразную модификацию зубьев. Продольная бочкообразность достигается расположением профилирующей точки резцов для нарезания выпуклой стороны на меньшем радиусе Яавт чем для вогнутой (рис. 16). При ширине венца Ъ за счет разницы радиусов еЛ возникает глубина бочкообразное™ Зд-

£

Я

аеп/

А / аУ\

ъ

Рисунок 16 - Схема создания бочкообразности

'Я.

Выполнены расчеты для ширины венца от 45 мм до 80 мм и углов зацепления от 12° до 28°. Математический закон зависимости дб от ед подчиняется единой функции = 0,167еЛ.

Выделены два показателя жесткости технологической системы. В качестве первого показателя у'/ принято отношение составляющей усилия резания Ру (рис. 17) в направлении оси 2 к деформации Ау в этом направлении. Отжимы в направлении оси 2 вызывают при сверлении

Рисунок 17 - Схема усилий резания в технологической системе

вибрации, а при профилировании - погрешности расположения профиля зубьев в сторону минуса. Отжимы в направлении оси А вызывают погрешности шага нарезаемого колеса.

Геометрическая точность станка с ЧПУ, предназначенного для нарезания арочных колес, должна соответствовать классу точности В. В этом случае все отклонения расположения координатных осей станка, шпинделя станка не приведут к выходу параметров колеса за пределы допусков пятой степени точности. Также сохранится нулевое расположение профиля резцов.

Изучена зависимость шероховатости поверхности зуба от подачи и точности выверки резцов в инструментальной головке. При идеальной выверке резцов шероховатость целиком зависит от радиуса закругления при вершине режущих кромок резцов г и подачи на зуб Для используемых пластин шириной 3 и 4 мм радиус при вершине составляет соответственно 0,3 и 0,4 мм. Подача на зуб определяется работоспособностью резцов и должна быть установлена согласно рекомендациям фирм-изготовителей в довольно узких пределах.0,04 - 0.07 мм/зуб.

Рисунок 18 - Величина микронеровности: а) при идеальной выверке пластин Л;): б) при смешении одной из пластин «в плюс»

При идеальной выверке резцов (рис. 18, а) максимальная высота микронеровности в мм может быть подсчитана по формуле:

Ктах= г[\ -«»(агсвт —)], мм.

1г

Формула для удобства восприятия может быть преобразована за счет выражения шероховатости в виде среднеарифметической высоты микронеровности Ка (для изучаемой шероховатости Яг = 5Ка), мкм:

Ла = 84,111** при радиусе 0,3 мм и = 62,827.?; при радиусе 0,4 мм.

Для зубчатой передачи из условий износостойкости рабочих поверхностей зубьев и смазки рекомендуют иметь шероховатость Яа = 0,8-1,0 мкм. Убеждаемся, что при профилировании идеально выверенными резцами шероховатость поверхности в пределах 0,10-0,41 мкм будет достигнута во всем диапазоне рекомендуемых подач (0,04 - 0,07 мм/зуб). В таблице 2 отражены результаты анализа в графическом редакторе Т-Аех.

Подача, мм/об лг г - 0.3 мм г = 0.4 мм

йг Ка «2 йа

0,04 0,667 0,133 0,500 0,100

0,05 1,043 0,209 0,782 0,156

0,06 1,504 0,301 1,127 0,225

0,07 2,049 0,410 1,534 0,307

Однако в реальности резцы выверены с некоторым отклонением ±ц/ от номинального значения радиуса инструмента Л, (Рис. 18, б). Проведен расчет для инструментальных головок с числом к резцов 8, 12 и 16. Принято условие, что величины отклонений ц/ подчиняются закону нормального распределения (таблица 3).

Таблица 3 - Распределение к резцов по группам, шт

Группа__% в группе__8 резцов

±0,5о

±ст

38,3

68,17

12 резцов

16 резцов

±1,5д

86,64

±2о

95,45

±2,5о

98,1

В таблице 3 в первом столбце дано распределение отклонений величины у/ от центра группирования, во втором столбце распределение резцов по группам в процентах, а в остальных столбцах - в штуках.

Выполнено построение реальной поверхности с равномерным распределением отклонений у = ±6 мкм и у = ±16 мкм от средней линии на базовой длине проверки шероховатости /=0,8 мм. Конфигурация поверхности за один оборот инструментальной головки повторялась п раз, где « = //($,На рисунке 19 приведено графическое отображение результатов расчета.

Меньшая шероховатость получена при погрешности выверки ±6 мкм и большая шероховатость - при погрешности ±12 мкм. Отсюда видно, что при подачах 0,03 - 0,04 мм/зуб можно получить желательную шероховатость поверхности зуба Ка 1 мкм при выверке радиального биения резцов в пределах ±6 мкм. Это значение рекомендуется принять в качестве допуска.

Таблица 4 - Шероховатость поверхности зуба при погрешностях, мкм

0.03 0.04

Рисунок 19-

Изучены возможности финишной обработки арочных колес зубошлифованием и зубофрезерованием. При зубошлифовани^ нужно использовать чашечный круг, который является аналогом зуборезной головке с ну левым профилем. Основная сложность со-1 стоит в изменении радиуса круга при каждой его правке. Поэтому единственным условие*«; шлифования неизменным радиусом являете? придание кругу планетарного (осциллирующего) движения. При каждой правке диаметр шлифовального круга уменьшается, но величина радиуса точки соприкосновений круга с обрабатываемой поверхностью восстанавливается за счет увеличения вели, чины осцилляции.

Расчеты показывают, что шлифование закаленных арочных колес является не производительным способом обработки, проигрывая по показателю трудозатра; шлифованию обычных цилиндрических зубчатых колес, поскольку формирует арк;. не главное движение резания, как при фрезеровании рассматриваемым методом, движение подачи шлифовального круга.

Проверена возможность зубонарезания закаленных арочных колес многорез цовыми головками с нулевым углом профиля при обработке партий заготовок коле

Зависимость шероховатости от подачи на зуб

г=18, г=20 и г=32, ш=4 мм; г=11 и г=57, т=3,0б мм из стали марки 40Х, закаленных объемно и ТВЧ до твердости Ш1С54. Припуск на сторону зуба составлял 0,2 мм.

Испытаны 2 режущих материала: твердый сплав фирмы КСАЯ с нанострук-турированным покрытием марки 1С808 и один из самых износостойких отечественных сплавов без покрытия марки ВКЗ-М по ГОСТ3882-75.

Получены положительные результаты по стойкости режущих инструментов, шероховатость поверхности в пределах Яа 0,5 мкм, точность обработки в пределах пятого-шестого квалитетов по ГОСТ 1631-81.

Глава 3 посвящена экспериментальной части работы, проверке и реализации предложенного способа зубонарезания арочных колес многорезцовыми инструментальными головками с нулевым углом профиля и отработке на его основе технологии, обеспечивающей высокие показатели производительности и точности.

Изготовленные арочные передачи прошли практическую проверку:

- арочное колесо ш=4 мм с числом зубьев ъ=\% и два парных колеса г=32 для редуктора листоупаковочной машины завода «Северсталь»;

- десять колес ш=4 мм г=19 для двух коробок передач специального агрегатного сверлильного станка завода «Тяжпрессмаш»;

- восемь передач для каждого из двух редукторов нефтяных станков-качалок из колес ш от 5,5 до 8,6 мм с числом зубьев г от 13 до 93;

- передача т=3,09 мм г=\ 1 и г=57 в редукторе транспортера завода «Технони-коль».

Проработана конструкция режущих инструментов для изготовления колес редукторов вагонов метрополитена и снегоперерабатывающих устройств.

В экспериментальной части работы было выполнено следующее:

1. Спроектированы, изготовлены и прошли проверку в производственных условиях многорезцовые инструментальные головки диаметрами 100, 140 и 400 мм с нулевым углом профиля резцов.

2. Положительно зарекомендовали себя в качестве режущих элементов стандартные токарные резцы для прорезки канавок на торцах заготовок, оснащенные быстросменными неперетачиваемыми пластинами твердого сплава со сверхтвердыми покрытиями.

3. Испытан ряд твердых сплавов для зубонарезания материалов заготовок с твердостью от НВ200 до Ш.С60.

4. Конструкции головок придана возможность точного осевого и радиального регулирования положения профилирующей точки резца.

5. Предложена конструкция оправок для крепления инструментальных головок с конусом БК50 с базированием по конусу и упором в торец шпинделя станка.

6. Отработана последовательность выполнения технологических переходов. Для съема основной массы металла между зубьями следует начинать обработку с кольцевого сверления.

7. Отработана рациональная с точки зрения производительности и нагрузки на режущие инструменты и станок схема выполнения сверления, включающая в себя чередование резов и прорезок, «косое резание» и «разведение» резцов.

8. Реализована схема перестановки пластин твердого сплава по мере их затупления между инструментальными головками, обеспечивающая шесть периодов стойкости рабочих кромок пластин.

Нарезание на горизонтально-расточном станке

Нарезание на токарном обрабатывающем центре

Колеса редуктора листоупаковочнои машины завода «Северсталь»

9. Выполнено на четырехкоординатных фрезерных и расточных станках с ЧПУ зубонарезание одним комплектом головок колес различных модулей с различным числом зубьев.

10. Выявлены источники возникновения при зубонарезании погрешностей шагов и профиля зубьев, осуществлено их устранение.

11. Реализовано финишное зубофрезерование закаленных до высокой твердо-1 сти зубьев различными материалами твердого сплава. I

12. Отработаны режимы резания на всех переходах нарезания зубьев.

Опыт изготовления редукторов с арочными колесами показал, что себестои-1 мость их изготовления не превышает себестоимости редукторов с традиционными! колесами. Следовательно, экономический эффект будет получен в соответствии р ростом долговечности зубчатых передач. Например, редуктор листоупаковочной машины на заводе «Северсталь» успешно работает 4 года, в то время как прямозу! бые колеса приходилось заменять каждые 4 месяца. Десять передач в двух агрегат, ных головках на заводе «Тяжпресемаш» после двух лет эксплуатации не имеют ни каких следов износа. Начаты совместные работы с концерном «МоторСИЧ» по по! вышению долговечности зубчатых передач редуктора вертолета МИ-2 и ряда редук торов других машин.

Примеры выполненных работ показаны на рисунке 20. ^

Сборка редуктора нефтяного станка-качалки и его испытания Рисунок 20 - Примеры выполненных работ

Практическое использование результатов работы даст значительный экономический эффект. Рынок продукции отечественного редукторостроения оценивается в несколько миллиардов рублей. Проявили интерес ряд отечественных и зарубежных фирм (Украины, Белоруссии, Ю.Кореи и Финляндии). Если оценить рост долговечности за счет установки арочных колес в 1,5 раза, то сумма экономического эффекта будет весьма значительна.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В диссертационной работе решена имеющая важное значение для машиностроения научно-техническая задача, заключающаяся в достижении высоких показателей производительности и точности при зубонарезании эвольвентных арочных колес многорезцовым обкатным инструментом с нулевым углом профиля.

2. В результате проведенных исследований установлено, что вращающийся режущий инструмент с нулевым углом профиля взаимным движением обката с заготовкой образует эвольвентные поверхности зубьев арочного цилиндрического колеса с постоянными углом зацепления и равной толщиной зубьев по всей ширине венца в диапазоне модулей от 2 мм до 10 мм, с числом зубьев от 10 до 100 и углом зацепления от 13 до 28°.

3. Использование предложенного инструмента позволяет нарезать зубья арочных колес с высокой производительностью, соизмеримой с традиционным зубонареза-нием быстрорежущей червячной фрезой цилиндрических колес с прямолинейными зубьями. Время нарезания предложенным способом арочного венца из стали 40Х т=4 мм, и г=32 на четырехкоординатном станке с ЧПУ составляет 24 минуты, в то время как нарезание твердосплавной пальцевой фрезой диаметром 4 мм потребовало 40 часов и последующей десятичасовой притирки с парным колесом г=18.

4. В ходе исследования установлено, что радиус инструмента Я, находится во взаимозависимости с радиусом арки Яа нарезаемого колеса, определяемой углом за-

23

цепления и шириной зубчатого венца. Например, при радиусе арки 45 мм радиус инструмента должен равняться 47,5962 мм, но радиус инструмента проконтролировать гораздо проще, чем радиус арки. Поэтому решено круглые значения придавать радиусам инструментам. Для уменьшения номенклатуры инструментальных голово при проектировании предложен ряд диаметров корпусов инструментальных голово 70, 100, 150, 200, 280, 360 мм, позволяющий нарезать зубчатые колеса диаметрам до 1000 мм с шириной венца до 200 мм.

5. Выявлены две зависимости минимальной величины радиуса инструмента о параметров колеса: одна из них определяется модулем, числом зубьев и углом заце пления; вторая - шириной зубчатого венца. Из двух полученных значений следу -принимать большее. Так минимальный радиус инструмента для зубонарезания коле са m=3,09 мм, z=53 и а=22,3° шириной 35 мм составляет Л,—33,0738 мм, при это увеличение модуля либо ширины венца потребует применения головки с больши радиусом.

6. Исследованием установлена математическая зависимость максимальной ши рины режущих пластин от параметров колеса: модуля, угла зацепления, радиуса ар ки, ширины венца и длины общей нормали. В соответствии с этим, определена воз можность нарезать зубья широкой номенклатуры арочных колес с модулями от 2 д 10 мм и шириной венца до 235 мм четырьмя типоразмерами режущих пластин с ши риной режущих кромок 2,1; 3; 4 и 5 мм.

7. Исследованием установлено, что достижение точности профиля зубьев в пре делах пятой степени точности по ГОСТ 1643-81 обеспечивается расположение формообразующего участка в месте перехода от радиуса при вершине режущей пла стины к ее боковой плоской поверхности. Крайняя боковая точка формообразующе го участка является профилирующей точкой и находится при обработке вогнуто! или выпуклой сторон зубьев, соответственно, на внешней или внутренней сторон. резца на расстоянии, равном радиусу вращения инструмента R,. Инструментом, вы веренным по радиальному биению с точностью ±0,006 мм, получено арочное колес m=4 мм z=18 с отклонениями: ошибка шага выпуклой стороны -3,22 , +4,78 мкм ошибка шага вогнутой стороны -2,44 , +3,56 мкм; накопленная погрешность шаг 10,0 мкм для выпуклой и 8,56 мкм для вогнутой сторон; радиальное биение 17 мкм.

8. В ходе исследования найдено допустимое отклонение положения плоскост движения профилирующей точки в пределах 0,03 мм в сторону оси колеса, что по зволяет получить пятую степень точности профиля. Отклонение профилирующе точки наружу относительно основного цилиндра не допускается, так как приводит уменьшению угла профиля. Отклонение точки внутрь основного цилиндра не вызы вает возникновения погрешности положения профиля.

9. Установлена зависимость перемещений режущего инструмента и заготовки о параметров нарезаемого колеса (модуля, числа зубьев, угла зацепления,.коэффици ентов высотной, угловой и тангенциальной коррекций, ширины венца). Так при н резании зубьев арочного колеса т=4 мм с числом зубьев z=18 и углом зацеплени а=20° и шириной венца 40 мм продольное перемещение головки составит 26,750 мм при повороте заготовки в режиме обката на угол 45,3076° , а для парного колес m=4 мм z=32 эти перемещения составят соответственно 37,1414 мм и 35,3847°.

10. На основании исследования предложена математическая модель образовани эвольвентного участка профиля профилирующей точкой режущего инструмен определяющая начальное и конечное положения профилирующей точки, величин координатных перемещений и направления движений (противоположных при зуб

24

нарезании вогнутой и выпуклой сторон зубьев). На основе модели разработаны алгоритм и система автоматизированного проектирования схем обработки и управляющих программ для станков с ЧПУ, которая позволила на экспериментальном этапе исследований автоматизировать технологическую подготовку производства при изготовлении колес ш=8,654 мм г=15 и т= 89; ш=5,505 мм 27=16 и г=93; т=4 мм 2=18 и г=32; ш=8 мм г=30 и г=31; т=3,09 мм г=11 и 2=57; т=4 мм 7=19.

11. Разработанная схема последовательной поочередной перестановки режущих пластин в технологических переходах выделяет на каждой пластине шесть формообразующих участков и регламентирует последовательность их работы, которая обеспечивает шесть периодов стойкости пластин с уменьшением общего расхода инструмента не менее чем в два раза.

12. Исследованием установлено, что эффект продольной бочкообразности зубьев в зацеплении достигается различием в радиусах режущих инструментов ед для выпуклой и вогнутой сторон зубьев. Так при ширине зубчатого венца 60 мм превышение радиуса вогнутой стороны зубьев по отношению к выпуклой на величину 0,1 мм приводит к получению глубины-.бочкообразности, равной 0,016 мм,.

13. Предложен алгоритм проектирования резцовых головок с нулевым углом профиля, позволяющий узкой номенклатурой режущих инструментов выполнять зубонарезание колес с широким диапазоном параметров колес. Например, режущие пластины шириной 2,1 мм предлагается использовать для колес с модулями ш=2-4 мм; шириной 3 мм для т=3-5,5 мм; шириной 4 мм для т=4-8 мм; шириной 5 мм для т>6,5 мм; с радиусами инструментов и диаметрами колес, отмеченными в п.5 выводов.

14. Экспериментально подтверждено, что в пределах принятых подач на каждый зуб инструмента шероховатость поверхности зависит в большей степени от точности положения режущих кромок. Для достижения шероховатости поверхности зубьев в пределах Яа0,8 мкм предложено регулировать радиальное биение профилирующих точек резцов чистовой режущей головки с точностью ±6 мкм. В эксперименте при нарезании закаленного венца получена шероховатость зубьев Яа0,3 мкм.

15. Выявлено, что режущий инструмент при осуществлении технологического перехода прорезки впадины требует затрат мощности в пять-шесть раз большей, чем при профилировании. Эту особенность зубонарезания необходимо учитывать при выборе силовой характеристики приводов главного движения станков с ЧПУ, на которых выполняется зубонарезание.

16. Исследование подтвердило, что производительность зубообработки обеспечивается: 1) схемой прорезки материала впадины кольцевым сверлением с полуоткрытым резанием и 2) оптимальной подачей на каждый зуб резца при профилировании эвольвентного участка профиля. Установлена математическая зависимость подач от числа зубьев нарезаемого колеса, согласно которой программируемая на станке с ЧПУ минутная подача по прямолинейной оси обката превосходит минутную подачу вдоль эвольвентного профиля от 2,3 до 16 раз.

17. Установлено, что финишной обработкой закаленных арочных зубчатых колес возможно достижение 5-6 степеней точности зубофрезерованием твердосплавным инструментом, превосходящим по производительности зубошлифование.

18. Во всех изготовленных арочных зубчатых колесах были проконтролированы следующие параметры: шаги, накопленная ошибка шагов, радиальное биение, профиль зубьев, шаги зацепления, длины общей нормали. Контроль выполнялся на измерительных машинах: КНп§е1пЬег§ на Рязанском станкозаводе и Коломенском теп-

ловозостроительном заводе, Carl Zeiss на Рязанском станкозаводе и в МГТУ «СТАНКИН» на новейшей контрольно-измерительной машине. Специального метрологического обеспечения для арочных колес не потребовалось.

19. Выполнена экспериментальная и производственная проверка теоретических исследований. Результаты работы доведены до промышленного внедрения при изготовлении арочных колес на Рязанском станкостроительном заводе и в лаборатории РИ(ф)МГОУ. Разработанные методические пособия по результатам исследования внедрены в учебный процесс.

Публикации по теме диссертации

1. Липатов С.И. Оптимизация силовых характеристик регулируемых главных приводов токарных станков / Липатов С.И., Марголит Р.Б., Терехова O.A. // «Технология машиностроения», № 12,2008. С.14 - 17.

2. Липатов С.И. Точность нарезания колес с арочными зубьями / Виноградов А.Н., Липатов С.И., Марголит Р.Б. // «Технология машиностроения», № 9,2013. С.23 -27.

3. Липатов С.И. Нарезание арочных зубчатых колес многорезцовыми инструментальными обкатными головками с нулевым углом профиля / С.И. Липатов, А.Н. Виноградов, Р.Б. Марголит // Вестник МГТУ «Станкин» № 4, 2013, принят к опубликованию.

4. Липатов С.И. Привод главного движения зубофрезерного станка с ЧПУ / Липатов С.И., Марголит Р.Б. // Прогресивш технологи i системы машинобудування. М1жнародний зб1рник науковых праць. - Донецьк: Дон НТУ. 2009. Вип. 37. - С. 148 -153.

5. Липатов С.И. Способ изготовления цилиндрических колес с арочными зубьями / Плахтин В.Д., Панков И.Г., Давыдов А.П., Марголит Р.Б., Паршин А.Н., Липатов С.И. // Патент на изобретение № 2404030, заявка №2009114308 от 16.04.2009, зарегистрировано 20.11.2010.

6. Липатов С.И. Резцовая зуборезная головка для нарезания арочных зубьев цилиндрических зубчатых колес / Липатов С.И., Марголит Р.Б., Панков И.Г., Давыдов А.П.,. Паршин А.Н., Плахтин В.Д. // Патент на изобретение № 2430813, заявк №2009133751 от 08.09.2009, зарегистрировано 10.10.2011.

7. Липатов С.И. Способ изготовления арочных зубьев цилиндрических зубчаты колес / Виноградов А.Н., Давыдов А.П., Липатов С.И., Марголит Р.Б., Панков И.Г. Паршин А.Н., Харьков М.А. // Патент на изобретение № 2447975, заявк №2011104561 от 08.02.2011, зарегистрировано 20.04.2012.

8. Липатов С.И. Способ изготовления цилиндрических зубчатых колес с арочным зубьями / Давыдов А.П., Липатов С.И., Марголит Р.Б., Панков И.Г., Паршин А.Н. / Патент на изобретение № 246783, заявка №201100521/02 от 11.01.2011, зарегистри ровано 27.11.2012.

9. Липатов С.И. Арочная цилиндрическая зубчатая передача / Давыдов А.П., Ли патов С.И., Марголит Р.Б., Панков И.Г., Паршин А.Н. И Патент на изобретение N 2469230С1, заявка №2011120157/11 от 19.05.2011, зарегистрировано 10.12.2012. Ю.Липатов С.И. Графическое отображение силовых характеристик главных при водов металлорежущих станков / Липатов С.И., Марголит Р.Б., Терехова O.A., Тру нина O.E. // Свидетельство об инновационной разработке, зарегистрировано в От раслевом фонде алгоритмов и программ 04.02.08 №9938, номер регистраци 50200800300,2008.

П. Липатов С.И. Графическое отображение силовых характеристик привода главного движения / Липатов С.Ю., Марголит Р.Б., Терехова O.A., Трунина O.E. // «Стружка» №1 (16) 2 (17), 2007, С 23 - 25.

12. Липатов С.И. Модернизация привода главного движения токарного станка с ЧПУ / Липатов С.И., Терехова O.A., Марголит Р.Б. // Наука и производство — Материалы Международной научно-практической конференции, Брянск, 2009, С. 382 -384

13.Липатов С.И. Оценка силовых характеристик станков с ЧПУ / Липатов С.И., Марголит Р.Б., Терехова O.A. // Инновационные технологии в технике и образовании, II Всероссийская научно-практическая конференция 26-27 марта 2009. ЗГГПУ, г., Чита, 2009. С. 192-194.

14. Липатов С.И. Изучение технологических возможностей станков с ЧПУ (методические указания к лабораторной работе) / Марголит Р.Б., Липатов С.И. // РИ(ф) МГОУ.2009. 15 с.

15. Липатов С.И. Изучение конструкции и технологии нарезания зубьев арочных колес (методические указания к лабораторной работе) / Марголит Р.Б., Липатов С.И. // Рязань, РИ(ф)МГОУ, 2009. 19 с.

16. Липатов С.И. Инновационная технология высокопроизводительного изготовления цилиндрических колес с арочными зубьями / Виноградов А.Н., Давыдов А.П., Липатов С.И., Марголит Р.Б., Панков И.Г., Паршин А.Н. // Научно-технический журнал «МГОУ-ХХ1-НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ», М. МГОУ №5, 2010. С 25 - 30.

17. Липатов С.И. Особенности зубонарезания арочных эвольвентных цилиндрических зубчатых колес / Липатов С.И., Гавриков С.А., Голиков М.В., Холопов E.H., Виноградов А.Н., Марголит Р.Б. // Сборник «Новые технологии в учебном процессе и производстве». Материалы восьмой межвузовской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов. Рязань, РИ(ф)МГОУ, 2010. С.23 -26.

18. Липатов С.И. Эвольвентные арочные передачи. Инновационная технология высокопроизводительного изготовления / Виноградов А.Н., Давыдов А.П., Липатов С.И., Марголит Р.Б., Панков И.Г., Паршин А.Н. И Межотраслевой альманах «Деловая слава России» № 3 (31) 2011 .С 41 - 45.

19. Липатов С.И. Высокопроизводительная инновационная технология изготовления высокоточных зубчатых арочных колес. Лучшие инженерно-технические кадры России. / Виноградов А.Н., Давыдов А.П., Липатов С.И., Марголит Р.Б., Панков И.Г., Паршин А.Н. // Сборник статей, www.nntk2011.ru. Национальная научно-техническая конференция, МГТУ им. Баумана. 2011.

20.Липатов С.И. Инновационный способ изготовления арочных зубчатых колес. / Липатов С.И. // Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области технических наук: материалы работ победителей и лауреатов конкурса. - СПб.: Изд-во Политехнического ун-та, 2012.

21. Липатов С.И. Обработка закаленных зубьев арочных колес / С.И. Липатов, М.Н. Кучеренко, Д.С. Ненюк, М.А. Федюков, Р.Б. Марголит И Сборник «Новые технологии в учебном процессе и производстве», материалы десятой межвузовской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов. Рязань, 2012. С. 32-36.

22. Липатов С.И. Проблемы точности при нарезании арочных колес / А.Н. Виноградов, С.И. Липатов, Р.Б. Марголит // Научно-технический журнал «МГОУ-XXI-НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ», № 4, 2012. С 29 - 32.

23. Липатов С.И. Проект модернизации сверлильной головки агрегатно сверлильного станка / Н.В. Гречаный, Д.О. Гуськов, A.A. Кузнецов, И.А. Львов С.И. Липатов, А.Н. Виноградов, Р.Б. Марголит // Сборник «Новые технологии учебном процессе и производстве», материалы одиннадцатой межвузовской научно технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов Рязань 2013. С. 19-22.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального

образования

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени B.C. Черномырдина

УДК 621. £БЮ4

На правах рукопис

П/ -ЗГИ / d'770/

UTtUIT^trfUT

Липатов Сергей Игоревич

РАЗРАБОТКА МНОГОРЕЗЦОВОГО ОБКАТНОГО ИНСТРУМЕНТА С НУЛЕВЫМ УГЛОМ ПРОФИЛЯ ДЛЯ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОГО ЗУБОНАРЕЗАНИЯ АРОЧНЫХ КОЛЕС НА СТАНКАХ С ЧПУ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и

физико-технической обработки

Научный руководитель: к.т.н., доцент Марголит Ремир Борисович

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение......................................................................................5

1. Актуальность работы....................................................................5

2. Цель и задачи работы................................................................. 7

3. Научная новизна......................................................................... 8

4. Практическая ценность работы..................................................... 9

5 Методы исследования................................................................ 10

6. Реализация работы...................................................................... 10

7. Апробация работы.................................................................... 11

8. Публикации............................................................................. 11

Глава I Состояние вопроса........................................................... 12

1.1 Виды зубчатых колес и режущих инструментов для их нарезания....... 12

1.2 Арочные колеса и проблемы их нарезания и использования ............. 16

1.3 Обзор публикаций по тематике арочных колес................................ 19

Глава II Разработка режущего инструмента с нулевым углом профиля для зубонарезания арочных колес и способа его применения................... 24

2.1 Конструкция режущего инструмента............................................ 24

2.2 Особенности зубонарезания многозубым режущим инструментом с нулевым углом профиля............................................................................ 30

2.3 Математические зависимости кинематических перемещений режущего инструмента от параметров колеса................................................... 33

2.3.1 Конструкторско-технологическая подготовка зубонарезания........... 34

2.3.2 Исходные конструктивные данные............................................ 37

2.3.3 Расчетные конструктивные параметры.......................................... 38

2.3.4 Математическая зависимость величины радиуса инструмента от параметров нарезаемого колеса....................................................................... 39

2.3.5 Взаимозависимость радиуса инструмента и радиуса арки................ 41

2.3.6 Зависимость ширины режущих пластин от параметров нарезаемого колеса....................................................................................... 41

2.4 Настройка станка на обработку................................................... 42

2.4.1 Координатная система программы обработки............................................................42

2.4.2 Привязка режущего инструмента к координатной системе программы. 43

2.5 Режимы обработки....................................................................................................................................44

2.6 Черновое прорезание материала между зубьями............................................................47

2.6.1 Выполнение первого реза.........................................................................................50

2.6.2 Выполнение второго реза................................................................................................................52

2.6.3 Выполнение третьего реза..............................................................................................................54

2.7 Профилирование вогнутой и выпуклой сторон зубьев............................................56_______

2.7.1 Нарезание эвольвентной части вогнутой стороны зубьев................................58

2.7.2 Нарезание эвольвентной части выпуклой стороны зубьев......................................60

2.8 Сравнение технологических особенностей зубонарезания многозубым режущим инструментом с нулевым углом профиля и традиционного зубофрезерования................................................................................................................................................62

2.9 Экономические составляющие изготовления арочных зубчатых передач..67

2.10 Основные достоинства зубонарезания многозубым режущим инструментом с нулевым углом профиля................................................................................................................................68

2.11 Конструкторско-технологическая подготовка производства..........................71

2.12 Производительность зубонарезания........................................................................................72

2.13 Характеристики материальных элементов зубонарезания многозубым инструментом с нулевым углом профиля........................................................................................76

2.13.1 Станки с ЧПУ для нарезания зубьев..................................................................................76

2.13.2 Крепежная оснастка..........................................................................................................................86

2.14 Качество нарезания арочных колес и передач многозубой инструментальной головкой с нулевым углом профиля..................................................................................................89

2.14.1 Нормирование параметров точности арочных колес..........................................89

2.14.2 Зависимость точности профиля от положения профилирующей точки резцов..............................................................................................................................................................................91

2.14.3 Получение точности шагов колеса......................................................................................92

2.14.4 Получение эффекта бочкообразное™ зубьев............................................................95

2.14.5 Влияние систематических погрешностей станков на точность обработки....................................................................................................................................................................96

2.14.6 Влияние режущего инструмента на точность обработки................................100

2.14.7 Влияние жесткости технологической системы........................................................101

2.14.8 Влияние факторов, вызывающих случайные погрешности..........................103

2.14.9 Контакт зубьев в передаче..........................................................................................................104

2.14.10 Шероховатость поверхности зубьев....................................................................................104

— — 2.-1-5 Обработка-закаленных-зубьев. . ., .____________________________________________________________108______

2.15.1 Зубошлифование арочных колес..........................................................................................108

2.15.2 Финишное зубофрезерование..................................................................................................111

Глава III Экспериментальная часть работы..................................................................120

3.1 Экспериментальный комплект режущего инструмента......................................120

3.2 Совершенствование режущего инструмента......................................................................126

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ..........................................................................................................................................131

Список литературы..............................................................................................................................................136

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации..................................147

Приложение А Результаты проверки качества зубонарезания..................................151

Приложение Б Разработка САПР технологического перехода кольцевого

сверления......................................................................................................................................................................153

Приложение В Алгоритм проектирования инструментальной головки для

зубонарезания арочных колес..................................................................................................................157

Приложение Г Протоколы проверки точности........................................................................159

Приложение Д Конструкторский чертеж корпуса резцовой головки................164

Приложение Ж Акты внедрения..........................................................................................................165

Введение 1 Актуальность работы

В работе исследуются возможности нарезания на станках с ЧПУ многорезцовым обкатным инструментом одного из видов эвольвентных колес, а именно арочных зубчатых колес, эвольвентный профиль которых имеет постоянный угол зацепления по всей ширине венца. Нарезать такие колеса с достаточно высокой производительностью, используя движение обката, можно только режущим инструментом с нулевым углом профиля [59], [52], [53], [19], [20].

Эвольвентные колеса [89] за период почти двухвековой эксплуатации доказали свое преимущество перед другими видами зубчатых зацеплений. Они технологичны, так как получить эвольвентный профиль можно движением обката, как инструментальной рейки, так и другого зубчатого колеса. Эвольвентные зубчатые передачи терпимы к колебаниям межосевых расстояний, перекосам осей. Существенным недостатком, ограничивающим их несущую способность, является малая площадь контакта между зубьями, что побуждает поиски путей его преодоления. Основные режущие инструменты для зубонарезания - червячные фрезы. Их централизовано изготавливают для каждого модуля со стандартным исходным контуром [33], [88] через каждые 0,25 мм.

Начиная с середины прошлого века, предпринимаются неоднократные попытки улучшить эвольвентное зубчатое зацепление, заменой их на иные (циклоидные [26], эпициклоидные [34], Новикова [41], [40] и др.). До настоящего времени решить задачу не удавалось в силу различных причин. Но одна из них является наиболее существенной. Для парных колес передачи требуется два различных по профилю режущих инструмента высокой точности, что, по меньшей мере, удваивает затраты на технологическое оснащение. Из других причин можно отметить, что любое нарушение межосевых расстояний в передаче приводит к резкому ухудшению контакта зубьев.

Наиболее длительное время пытались решить задачу с помощью колес Новикова, в которых эвольвентный профиль заменен выпукло-вогнутым. На освоение производства зацеплений Новикова в конце пятидесятых, начале шестидесятых годов прошлого века государство затратило много средств, переведя действующие производства на выпуск редукторов с такими колесами и построив большое число новых редукторных заводов, производящих продукцию для различных отраслей народного хозяйства. Постепенно от использования — колес -Новикова начали отказываться—в—авиационном-, -судостроительном, транспортном и других производствах. Основные трудности, по мнению специалистов, создавали червячные фрезы недостаточно высокого уровня.

Арочные колеса продолжают естественное совершенствование эвольвентных зубчатых передач, занимая свое место в ряду: прямозубые, косозубые, шевронные, арочные. По всем параметрам - массогабаритным характеристикам, плавности работы, несущей способности, передаваемому крутящему моменту, износостойкости они должны превзойти в редукторах любых машин как прямозубые, косозубые или шевронные колеса. Арочные колеса - это колеса с круговыми зубьями [39] с симметричным расположением зубьев по ширине венца. Арка - одна из наиболее жестких конструкций из всех известных в технике. Именно расположение зубьев повышает прочность и жесткость зубьев, способствуя повышению плавности работы, снижению уровня шума передач под нагрузкой, увеличению долговечности их работы. Практическое подтверждение ожидаемых преимуществ можно наблюдать в переходе на круговые зубья в конических зубчатых передачах.

Возникает вопрос: «Если арочные колеса столь хороши, то почему их не применяют широко до настоящего времени?» Оказалось, что зубонарезание их наталкивается на определенные трудности. В связи с этим, возникла потребность выполнить актуальное исследование, направленное на создание и изучение режущего инструмента, который позволит нарезать эвольвентные колеса. Именно такой инструмент с нулевым углом профиля позволит выполнять зубонарезания арочных колес, эвольвентный профиль которых имеет постоянный угол

зацепления во всех сечениях по ширине венца, перпендикулярных оси. Кроме того, одним комплектом инструментов можно будет нарезать колеса любого модуля, с любым углом зацепления.

2 Цель и задачи работы

Повышение производительности и точности зубонарезания арочных колес использованием инструментальных головок с нулевым углом профиля.

Для достижения указаннойцели в работе" необходимо рёшить~следующие задачи:

1. Определить условия формообразования эвольвентных поверхностей зубчатого венца арочных колес с углом зацепления, одинаковым по всей ширине венца вращающимся инструментом с нулевым углом профиля за счет параметров установки и размеров режущего инструмента в результате движения обката рабочих органов станка с ЧПУ.

2. Предложить рациональное конструктивное исполнение зуборезного инструмента с нулевым углом профиля. Выявить возможность программированием обработки на многокоординатных станках с ЧПУ нарезать одним инструментом колеса с различным числом зубьев и модулями, включая дробные, с профилем зубьев, отличающимся от стандартного исходного контура.

3. Установить пространственное положение профилирующих точек инструмента, обеспечивающих создание в результате движения обката эвольвентного профиля зуба с заданным углом зацепления.

4. Установить математические зависимости кинематических перемещений режущего инструмента от параметров колеса.

5. Установить взаимозависимость радиуса инструмента и нарезаемого им радиуса арки колеса.

6. Установить математические зависимости величины радиуса инструмента от диаметра нарезаемого колеса и ширины режущих пластин от параметров нарезаемого колеса.

7. Предложить схему эксплуатации режущих пластин, обеспечивающую рациональное расходование инструмента.

8. Разработать математическую и компьютерную модель зубонарезания и САПР получения управляющей программы обработки на станках с ЧПУ.

9. Выявить закономерности достижения точности, шероховатости и производительности зубонарезания колес в улучшенном и закаленном исполнении.

10. Изучить возможность увеличения производительности при выполнении кольцевого-сверления-и-профилирования-эвольвентных-учаетков-профиля.-

11. Определить возможность использования для арочных колес метрологического обеспечения контроля точности цилиндрических зубчатых колес в соответствии с требованиями ГОСТ 1643-81 «Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи зубчатые цилиндрические. Допуски».

3 Научная новизна

Научная новизна работы состоит:

- в теоретическом обосновании условий формообразования эвольвентных профилей зубьев арочных колес вращающимися многорезцовыми инструментальными головками с нулевым углом профиля, обусловленных размерами инструмента и параметрами его установки в координатной системе многокоординатных станков с ЧПУ;

- в установлении взаимосвязи параметров режущего инструмента (радиуса инструмента, ширины режущей пластины, радиусов при вершине пластин) и параметров колеса (радиуса арки, числа зубьев и ширины венца);

- в установлении взаимосвязи станочных параметров установки режущего инструмента и заготовки (координатные расположения и перемещения рабочих органов станка) с параметрами нарезаемого арочного зубчатого колеса (модулем, числом зубьев, углом зацепления, радиусом арки, шириной венца, коэффициентами смещения исходного контура);

- в математической модели формообразования движением обката режущего инструмента и заготовки эвольвентных поверхностей с заданным углом профиля, включающей определение положения осей инструмента и заготовки в зависимости от параметров нарезаемого колеса (модуля, числа зубьев, коэффициентов коррекции, ширины венца);

4 Практическая ценность работы

Практическая ценность работы состоит:

- в разработке конструкции многорезцовых_инструментальных_головок—с нулевым углом профиля для высокопроизводительного зубонарезания арочных колес с обеспечением по всей ширине венца одинакового угла профиля и равной толщины зубьев;

- в рекомендации по использованию комплекта, состоящего из трех инструментов для зубонарезания колес с твердостью до НВ 300 в три технологических перехода и состоящего из пяти инструментов для зубонарезания закаленных колес с твердостью зубьев до НЯС 60 в пять переходов, обеспечивающих производительность зубонарезания, соизмеримую с традиционным зубофрезерованием;

- в обеспечении одинаковых углов зацепления по всей ширине зубьев в каждом сечении колеса, перпендикулярном его оси, за счет нулевого угла профиля режущего инструмента;

- в разработке схемы рационального использования режущих пластин путем определенной последовательности их переустановки в инструментах комплекта, которая обеспечивает увеличение суммарной стойкости каждой пластины;

- в рекомендации по определению параметров инструментальных головок (радиуса инструмента и точности его настройки, ширины режущих пластин) в зависимости от размеров и характеристик нарезаемых колес, обеспечивающих заданные показатели точности в пределах пятой-шестой степени по ГОСТ 1643-81 с производительностью, превосходящей обработку с использованием зубошлифования;

- в рекомендациях по использованию в инструментальных головках токарных резцов для прорезки канавок на торцах заготовок, оснащенные быстросменными многогранными неперетачиваемыми пластинами со сверхтвердыми покрытиями;

в рекомендациях по назначению величин припусков между технологическими переходами, режимов резания и скорости перемещения режущего инструмента по линейной составляющей обката.

в предложенном алгоритме проектирования многорезцовой инструментальной головки с нулевым �