автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Шевингование крупномодульных червячных колес шеверами с криволинейными стружечными канавками

На правах рукописи

АНАНЬЕВА Валерия Валериевна

ШЕВИНГОВАНИЕ КРУПНОМОДУЛЬНЫХ ЧЕРВЯЧНЫХ КОЛЕС ШЕВЕРАМИ С КРИВОЛИНЕЙНЫМИ СТРУЖЕЧНЫМИ КАНАВКАМИ

Специальность 05.03.01 — Технологии и оборудование механической и физико-

технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 2004

Работа выполнена на кафедре технологии машиностроения в Тульском государственном университете

Научный руководитель -

доктор технических наук, доцент Феофилов Николай Дмитриевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ушаков Михаил Витальевич

кандидат технических наук Моисеев Евгений Федорович

Ведущая организация ■

ОАО «Тульский комбайновый завод"

Защита состоится июня 2004 г. В ^ на заседании диссертацион-

ного совета Д212.271.01 при Тульском государственном университете по адресу: 300600, г. Тула, ГСП, пр. Ленина, 92,9-101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета

Автореферат разослан мая 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А. Б. Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Зубчатые передачи являются наиболее распространенными в технике механизмов, связывающих привод с технологической машиной. При этом повышение качества, надежности, долговечности и экономичности машин, снижение их габаритов и веса, упрощение технологии изготовления являются актуальными задачами машиностроения.

Для крупногабаритных механизмов и устройств, являющихся часто уникальными, в конкретных производственных условиях обеспечение точностных показателей часто весьма сложно и трудоемко. Такие механизмы применяются в судовом оборудовании, тяжелом и транспортном машиностроении, в горнодобывающих и других машинах. Среди зубчатых передач, передающих значительные мощности, немаловажное место занимают червячные передачи.

На параметры червячных передач влияют точность обработки поверхностей звеньев и в первую очередь - червяка, выбранные материалы, твердость червяка, условия смазки.

Наиболее распространенным способом предварительного нарезания колеса является зуборезная операция. При многозаходной передаче количество резов, приходящихся на боковую поверхность зуба, оказывается малым, а из-за неизбежных погрешностей установки, возникают значительные кинематические, по нормам плавности и контакта погрешности. В результате, единственным способом, повышающим точность зубчатого венца, является шевингование. Известно несколько конструкций червячных шеверов. Однако они трудоемки в изготовлении, не позволяют осуществлять доводку зубчатого венца со специальным профилем, не технологичны в условиях индивидуального производства, не могут шевинговать с осевой подачей при свободном обкате.

Таким образом, тема диссертации, направленная на дальнейшее совершенствование операции чистовой обработки колес крупномодульных червячных передач, является актуальной.

Цель работы - обеспечение точностных характеристик крупномодульных червячных ортогональных передач на основе учета геометрических и кинематических параметров червячного колеса в рабочем зацеплении с червяком и в станочном зацеплении с червячным шевером.

Задачи работы:

- провести анализ кинематики пространственного червячного зацепления колеса с гладким червяком и установить наличие между контактирующими поверхностями пары кинематических углов, приводящих к скольжению звеньев;

- осуществить моделирование зацепления пары колесо-червяк на основе теории огибающих поверхностей и предложить компьютерный вариант ее реаизации;

- разработать новую конструкцию червячного шевера с циклоидальными стружечными канавками, позволяющую осуществлять процесс чистовой зубо-обработки колеса, как при свободном, так и при принудительном обкатывании;

- разработать методику проектирования и технологию изготовления ше-вера на основе комплексного сочетания процессов формообразования и струж-

кообразования, учитывающую

способности

шевера при свободном обкатывании;

- провести экспериментальное исследование процесса стружкообразова-ния в процессе шевингования и определить возможные границы размеров стружечных канавок и режимов резания при шевинговании;

- оценить влияние погрешностей установки червячного колеса в станочном зацеплении на точность его боковой зубчатой поверхности.

Методы исследований. Работа включает теоретические и экспериментальные исследования, а также моделирование на ЭВМ. При ее выполнении использовались основные положения теории машин и механизмов, аналитической и дифференциальной геометрии, теории резания металлов, технологии машиностроения, теории вероятностей и математической статистики. Достоверность результатов подтверждается применением современного лабораторного оборудования.

Автор защищает:

- методику численного моделирования процесса обкатывания и определения геометрических и кинематических параметров сопряженных поверхностей червячной ортогональной передачи;

- обоснование возможности использования цилиндрической винтовой поверхности для проектирования инструмента на основе эффекта скольжения сопрягающихся поверхностей в точке контакта;

- методику проектирования и моделирования конструкции червячного шевера с криволинейными стружечными канавками для чистовой зубообработ-ки колеса в различных схемах реализации процесса шевингования при свободном и при принудительном обкатывании;

- результаты экспериментального исследования процесса стружкообразо-вания при шевинговании;

- результаты аналитического исследования точностных параметров червячного колеса после шевингования в зависимости от параметров установки заготовки и припуска на чистовую обработку.

Научная новизна выполненной работы заключается в установлении влияния геометрических и кинематических параметров крупномодульной червячной передачи на формирование математического образа производящей поверхности червячного шевера с криволинейными стружечными канавками и точностные показатели процесса шевингования с учетом кинематики резания при свободном и принудительном обкатывании.

Практическая ценность работы:

- разработан компьютерный вариант моделирования зацепления пары колесо-червяк на основе теории огибающих поверхностей;

- разработана новая конструкция червячного шевера с криволинейными стружечными канавками, позволяющая осуществлять процесс чистовой зубо-обработки колеса, как при свободном, так и при принудительном обкатывании;

- разработана методика проектирования и технология изготовления шевера с криволинейными стружечными канавками на основе комплексного сочетания процессов формообразования и стружкообрзования, учитывающая возможность сохранения ведущей способности шевера при свободном обкатывании.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной научно - практической конференции «Проблемы и опыт обеспечения качества в производстве и образовании» (г. Тула, 2001 г.), на Международной молодежной научной конференции XXVIII Гагаринские чтения (г. Москва, 2002 г.), на Всероссийской научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики» (г. Тула, 2002 г.), на Международной научно - технической конференции, посвященной памяти выдающихся ученых Коганова И. А. и Лашнева С. И. (г. Тула, 2002 г.), на ежегодных научно -технических конференциях профессорско - преподавательского состава ТулГУ (2002-2004 гг.) получены диплом первой степени на Четвертой молодежной региональной научной и инженерной выставке «ШАГ В БУДУЩЕЕ, ЦЕНТРАЛЬНАЯ РОССИЯ» (г. Липецк, 2001 г.), диплом участника на Всероссийской выставке научно - технического творчества молодежи НТТМ - 2002 (г. Москва, ВВЦ, 2002 г.), диплом лауреата первой степени на Всероссийской научно - технической конференции студентов и аспирантов (г. Тула, 2004 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных статей, получено положительное решение о выдаче патента по заявке № 2003 126701.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка использованных источников из 48 наименований. Работа содержит 141 страницу машинописного текста, 92 рисунка, 18 таблиц, 3 приложения.

Работа выполнена в соответствии с грантом РФФИ в поддержку ведущих научных школ РФФИ 961598242, №00-15-99064.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована научная новизна и кратко раскрыто содержание глав.

В первой главе на основе анализа конструктивных особенностей зубчатых поверхностей червячных передач, методик профилирования зубчатых поверхностей, конструкций инструментов для обработки червячных колес, сформулирована цель и задачи исследования.

Из литературных источников и патентов установлено, что операции шевингования червячных колес уделяется недостаточное внимание. В результате имеется сложность расчета, изготовления и эксплуатации шеверов, отсутствуют сведения об использовании специального оборудования. Шевингование производится на зубофрезерных станках, а при обработке крупномодульных колес нет оборудования для его реализации. И, несмотря на то, что при описании работы шевера указывают на наличие свободного обката, реально это возможно при радиальном способе шевингования. Реализация осевого (тангенциального) шевингования невозможна по причине отсутствия заходной части и заборного конуса, разделяющего припуск.

При отсутствии шеверов специальной конструкции единственным способом, обеспечивающим высокое качество зубчатого венца колеса, является фрезерование летучим резцом на зубофрезерных станках с протяжным суппортом или ЧПУ.

Анализ методов проектирования производящих поверхностей инструментов, приведенных в работах Литвина Ф. Л., Цвиса Ю. В., Фрайфельда И. А., Лашнева С. И. показал, что отсутствуют универсальные алгоритмы и примеры расчетов, применимых для инструментов с нестандартным профилем, например, заданным координатами точек, полученными в результате замеров при ремонте передачи.

Чтобы обеспечить высокие точностные ха- ,

рактеристики крупномодульных червячных ортогональных передач в условиях любого вида производства, в том числе и ремонтного, предлагается использовать червячный шевер с винтовыми и цик- \ fc^y^j'Vjl / лоидальными (рисунок 1) стружечными канавками, -Ц Jvk jVi

заборным конусом и переменной толщиной витка. Варьируя параметрами конструкции инструмента и его установки, можно влиять на параметры червячного колеса в станочном зацеплении. Шевер (поло- \ _ ступица;*?- - зубчатый ве-жительное решение по заявке на патент № кец; 3 - криволинейные стру-2003126701 от 16.09.2003 г.) состоит из ступицы 1 и жечные канавки одно- или многозаходного зубчатого венца 2 в виде Рисунок 1 - Червячный витка с профилем, определяемым видом зацепле- шевер с криволинейными ния. На витках выполнены стружечные канавки 3 стружечными канавками (криволинейной) гипоциклоидальной формы.

В результате анализа литературных источников сформулированы цель и задачи работы.

Во второй главе на основе теории огибающих поверхностей с учетом кинематики зацеплений, с использованием системы AutoCAD и пакета символьных, численных и графических вычислений Maple, разработан такой ее вариант, который позволяет при определении профиля сопряженных поверхностей визуализировать процесс расчета и тем самым управлять параметрами станочного и рабочего зацеплений еще на этапе их проектирования.

Станочное зацепление производящего (рабочего) червяка и колеса описываем в четырех подсистемах системы координат станка: Ocxcyczc - неподвижная система координат стола станка; OjXiyjZj - система координат, связанная с колесом; OpXpYpZp - промежуточная система координат (система координат суппорта станка), повернутая на угол вокруг оси - система координат инструмента, началом которой является точка пересечения оси инструмента с межосевым перпендикуляром. Она вращается вокруг оси ОрУр.

Исходные данные в программу вводятся в виде массива точек, полученных в результате замеров колеса, который редактируется в системе Autocad или в виде уравнений.

У зуба колеса описываются все участки профиля (рисунок 2), т. е. боковые стороны, вершина зуба и переходные кривые. Это позволяет на экране монитора наблюдать при программном воспроизведении зубчатого колеса его фактический профиль и все поверхности.

Массив точек является основой для построения сплайна первого порядка гладкости

а2х + ^2»х\ и используется для

г, 1.ГП *

1 \М*'

\(>ГЧ

р3( 0 =

0<*<1.

апХ + Ъп,хп_{<хйхп Рисунок 2 - Участки

вычисления производных, касательных и нормалей к Пр0филя Зу£а колеса поверхностям сопряженным в точке контакта.

В параметрическом виде уравнение, описывающее профиль зуба колеса

При аналитическом задании для удобства расчетов все участки профиля зуба описываем как единую кривую уравнением с параметром /, диапазоны значений которого соответствуют различным участкам:

УН = гъМлы^ + сои^йпгч/ы - >Ы ^ П- г соз/^) СОБ 2^1

а.

Л( 0 =

при О ¿К

N'

при 5 / <

N

т. ы'

Х/1=ГпСОЦ

при

N

Ха\ = га\ С05(туая1 + 2(Л2 - Щ{УЬ\ - ¡пуао1))> .Уа1 ~га15ш(туаа1 +2(Я2-туал1)),

У/1

где = = у^(п3-М)/пх, /е[0,1].

Равномерность распределения расчетных точек на профиле зубчатого колеса, предварительно полученных из условия огибания, достигается умножением уравнений, описывающих активный участок профиля на

Гх

, где х - его текущая координата (рисунок. 3, а). а) 6)

Используя уравнение р3(1), описы- а_ ^номерное; б-равномерное вающее торцовый профиль одного зуба, Рисунок 3 - Расположение точек строим профиль колеса в сечении, прохо- на профиле зуба колеса

.•ио М! 1» 56 1во

дяшем через межосевой перпендикуляр. При этом вводим дополнительный па-раметр-у, соответствующий номеру зуба. Сечение у-го зуба получим поворотом исходного п р о ф р3(1) на >гол (г| у), с т в у ю щ и й угловому шагу зубьев.

Путем винтового движения торцового профиля колеса вдоль его оси образуем поверхность геликоида, описываемую функцией РзЬ^А) (рисунок4).

Сопряженный профиль определяем как «след», оставленный колесом в среднем сечении инструмента при их согласованном вращении вокруг своих осей, т. е. для каждого угла поворота <р\, получается сечение колеса плоскостью ОуХуУу папаттттеттьной плоскости Со-^О-УО и ПР0Х0ДЯ~ щей через т | ^ Ро д 1 с У Р и с у н о к 4 - Исход-^ РО ) ный образ колеса

Огибающая семейства полученных сечений и будет давать осевое сечение инструмента. Однако необходимо учесть, что для каждого угла поворота колеса сечение будет отличным от предыдущего, т. к. деталь вращается относительно своей оси.

Заданием параметров у и <р\ в функции и определением

из уравнения перемещаем точки сечения в плос-

РО

кость в результате вычисляем координаты точки

[xo(tJA><p\)>Уo(|>jA>(P\)>zo(t,j,ь¡><plj\.

Изменяя параметр t в интервале 0</<1, а так же придавая параметру у значения от 1 до , получаем сечения колеса в системе координат инструмента.

Для каждого угла найденные сечения имеют разные значения _)'о и расположены в параллельных плоскостях (рисунок 5). Однако, для нахождения огибающей все сечения должны быть расположены в одной плоскости, поэтому мы сдвинем все сечения в плоскость Оо-^О2!) (рисунок 6).

При определении уравнений характеристик в системе координат инструмента решаем систему

/71(^0>>'0.г0) = 0.

-Г-С*0 • УО > г0 > <Р\. '01) = О-а<Р\

Решая второе уравнение системы, применяем метод численного дифференцирования послесглаживания и, в ре-

Рисунок 5 - Рисунок 6 - Семейство се-Семейство чений колеса в плоскости сечений

зультате, получаем координаты точек осевого профиля червяка (рисунок 7).

При моделировании пары винтовых взаимооги- , баемых поверхностей необходимо в начале процесса *! '. '.

осуществить определение граничных положений зуба "I .'•."• исходного звена в системе координат рабочего и ста- '• __ '• _ * .

ночного зацеплений. Для этого вполне достаточно за- 4 л "•*'' *

менить пространственное зацепление плоским. Рисунок 7 - Осевой про-

В результате расчета профиля прозводящего филь червяка червяка для червячной передачи с параметрами: модуль 10 мм, число заходов червяка 3, число зубьев колеса 30, выявлено, у ((и что погрешность профиля (рисунок 8) у боко- «

- 0.05

вых сторон при переходе к архимедовому чер- .еоо« вяку не одинакова. Погрешность на входной & 0,04 стороне больше, чем на выходной и максимальные значения соответственно равны 42,8 и 48,3 мкм.

В третьей главе теоретически и экспе-

""" Л I 2 } 4 }

риментально обоснована новая конструкция Номер точки на профиле чуб

червячного шевера, исследованы кинематиче- Рисунок 8 - Погрешность пра-ские особенности работы инструмента, осуще- вого и левого профилей ствлено физическое моделирование процесса стружкообразования при шевинговании.

Реализация процесса шевингования основывается на использовании эффекта скольжения контактирующих поверхностей в червячной передаче, который является необходимым условием для срезания стружки шевером с зубчатой поверхности колеса при свободном обкате.

При свободном обкате производящая поверхность должна вести колесо и сохранять режущую способность кромок шевера.

Рассмотрим червячную передачу на наличие кинематических углов между сопрягающимися поверхностями.

При положительных значениях углов червяк в виде инструмента, даже без дополнительной обработки задних поверхностей, будет выполнять функцию резания. Для чего, найдем угол между касательной плоскостью к боковой поверхности червяка и вектором результирующего

движения (рисунок 9).

Кинематический угол ак определим как

Рисунок 9 - Схема к определению кинематических углов

где ал1го, ахугО -коэффициенты при параметре /у в уравнении, описы-

вающем винтовую поверхность витка червяка

Так, на примере червяка 2А, т = 10 лш, а^ — 20°, ¿а§ = 125мм, направление линии витка - правое, кинематический угол у основания составляет у од-нозаходного примерно 0,5°, двухзаходного - 0,9°, трехзаходного - 1,25°. Это свидетельствует о том, что при использовании винтовой поверхности червяка в качестве производящей для инструмента и расположении на ней стружечных канавок, получаются кромки, которые будут обладать режущими свойствами.

Анализ кинематических задних углов на правой и левой сторонах витка(рисунок 10) для червяков показал:

- с увеличением угла подъема витка, т. е. числа его заходов, кинематические задние углы в контактных точках увеличиваются (рисунок 11, а);

- задние углы в точках контакта пере- Рисунок 10 - Схема к определе-менныпо высоте витка, т. е. у основания нию кинематических углов на витка они больше, а на вершине - меньше правом и левом профилях примерно в два раза (рисунок 11,6);

- на правой и левой сторонах витка величина углов примерно одинаковая (рисунок 11,6);

наличие задних углов в точках контакта свидетельствует о возможности использования их в качестве углов резания при изготовлении инструмента - червячного шевера.

Выведенная регрессионная зависимость кинематических задних углов от числа заходов червяка и диаметра , позволяет определить задний угол с

./о ;

высокой степенью точности, что удобно при проектных работах:

= (3,882520 + Ш2)-

У червячного шевера стружечные канавки выполняются на винтовой поверхности. Основными расчетными параметрами канавок являются их направление и форма поперечного сечения, которые должны обеспечивать необходимые условия резания.

С целью выявления влияния направления стружечных канавок на условия

Рисунок 11 - Графики изменения кинематических задних углов:

а) - от заходности червчка,

б) - по высоте профиля

резания рассмотрено расположение канавок на боковой винтовой поверхности, если они выполнены прямолинейными, винтовыми, и гипо-циклоидальными (рисунок 12).

Винтовая канавка выполнена на заходной и калибрующей частях, гипоциклоидальная -на рабочей.

Для обеспечения кинематического беззазорного взаимодействия с обрабатываемым колесом червяк имеет заходную конусную винтовую часть 13 (рисунок 13). Заходный конус выполняется также для уменьшения нагрузки,

а) прямолинейные стружечные ка-

приходящейся на крайние режущие кромки, и

распределения ее на другие кромки, рядом расные канавки, выполненные по вин-положенные. Длина заборного конуса при- товой линии, г) криволинейные нимается равной одному шагу, а угол конуса стружечные канавки, выполненные

по гипоцикловде

н о к 12 - Положение стружечных канавок на развертке винтовых линий

р а с с ч и

(р — аг

2в | с я Р и с у

Р\

где - припуск по дну впадины на чистовую обработку;

р\ -осевой ход червяка.

Рабочая часть 1р выполняется цилиндрической винтовой с переменной толщиной витка вдоль оси шевера, что позволяет учесть припуск на чистовую обработку.

Червяк с переменной толщиной витка шагами. Первый шаг равен р\=тх. Второй шаг />г должен учитывать припуск гст, оставленный на чистовую обработку. Если необходимо срезать весь припуск за один рабочий ход червяка (шевера), то последний зуб на режущей части 1П должен иметь толщину, равную расчетной (/>[ =мл). Таким образом,

Р\2ст

шаг р2 рассчитывается Р2~Р]+*

I г

Рисунок 13 - Составные части

Окончательное формирование профиля шевера производится после прохода калибрующего

витка, имеющего геометрические параметры, совпадающие с параметрами изделия.

Калибрующая часть выполняется цилиндрической винтовой (зубья калибрующей части по толщине должны быть равны ширине по начальному цилиндру окружной впадине колеса), с одной стружечной канавкой, точки которой расположены вдоль линии зацепления.

Для анализа условий формообразования боковых поверхностей зубьев колеса частью винтовой поверхности червяка с переменной толщиной витка, рассечем дискретно поверхность червяка осевыми плоскостями. В среднем сечении червячного колеса, т. е. на межосевом перпендикуляре, получим в станочном зацеплении схему формообразования (рисунок 14). Сначала в работу вступает участок шевера « рейка 1 с толщиной витка, отличной от толщины витка яд на 2ст > т о

о е е м

рейка 2 и т. д. Толщина витка в различных сечениях червяка рассчитывается по формуле:

А

ТЭ иТ Т^О Г\Г\ТТ>Р"Г1^ТТ>\ТР"Г ТТГМТЛГГ'Ъ'ЛГ

-гит Г'Т^ТТ^ХЛ^Т/Г тлиил.

Погрешносп срофяи зуба вол еса £а, мкм

\ у

'и

где - текущая длина инструмента, изменяется I _ ^ ^ ^ - длина инструмента.

' ' " Рисунок 14 - Схема формооб-

При обработке рабочей частью червяка ования бочей частью профиль на правой и левой боковой стороне зуба червяка получается различным. Однако, погрешность

профиля (рисунок 15), полученная при обработке колеса частью червячного шевера с переменной толщиной сти по нормам плавности (ГОСТ 3675-81).

Так как выбор ширины стружечной канавки осуществляется из условия • ведения обрабатываемого колеса, то необходимо определить площадь контакта червяка и колеса. Для червячной перемодулем числом заходов червяка г0 = ^» числом зубьев колеса =30, с ходом винтовой линии

червяка площадь контактной поверхности, вычисленная по колесу

дачи с

т = 10 мм,

Ра&жая часть Калибрующая

часть

рИСуН0К 15 . Зависимость погрешностей профиля колеса, полученных при обработке различными частями инструмента от длины инструмента

равна В расчете параметр

изменяется в пределах

0йpj й 24,67,так как ¿ц =86, ¡3\ = 16°.

Если принять, что из сохранения устойчивости инструмента к «ведению» колеса площадь стружечных канавок должна быть не менее 50% от контактной площади, то имеется два варианта выбора ширины канавки:

- задать ширину и форму направляющей линии канавки, т. е. закон ее изменения (в нашем случае прямолинейная винтовая, описанная по дуге окружности

или гнпоциклоидальная), а затем определить шаг канавок, т. е. их количество;

- задать шаг и форму направляющей стружечной канавки и определить ширину канавки с учетом процесса стружкообразования и возможности размещения стружки.

Поэтому возникла необходимость проведения экспериментальных исследований с целью определения формы и размеров стружек, а соответственно и стружечных канавок.

Выполнение стружечных канавок по циклоидальной кривой или по дуге окружности на боковых поверхностях витков шевера приводит к изменению мгновенных углов наклона режущей кромки.

При проведении эксперимента варьировались параметры срезаемого слоя, т. е. толщина и ширина, угол наклона стружечных канавок и передний угол у стружечной канавки.

Объектом исследования принято зубчатое колесо с модулем 10 мм, числом зубьев 30, числом заходов 3 и шириной зубчатого венца 86 ми редуктора привода валков стана для профильного проката листовой стали в ОАО «Легкоконструкция» г. Киреевска Тульской области (рисунок 16).

В связи с тем, что в процессе проведения эксперимента практически трудно реализовать все параметры процесса шевингования с высокой точностью, то были приняты допущения:

- эпициклоида на винтовой поверхности заменена дугой окружности соответствующего радиуса;

- в точке контакта зуба инструмента с зубом нарезаемого колеса эвольвента окружности заменялась радиусом кривизны в этой точке;

- углы наклона касательных к стружечным канавкам изменялись дискретно в соответствии с принятым для исследования количеством контактных точек;

- задние кинематические углы в контактных точках инструмента заменены соответствующими им статическими углами резания;

- сечение срезаемого слоя вдоль поверхности резания в процессе единичного реза оставалось постоянным и прямолинейным;

- скорость резания для всех исследованных контактных точек была принята постоянной.

Эксперимент проводился на вертикально-фрезерном станке модели ВФ12 (рисунок 17) и заключался в строгании специально подготовленного образца из деформируемой оловя1шстой бронзы БрОФ7-0,2 диаметром 40ми и длиной 100 ми.

Образец по торцам закреплялся в губках тисок через изоляционную прокладку из паронита. На шпинделе станка в шпоночных пазах устанавливалось приспособление (рисунок 18) для закрепления пластин из быстрорежущей стали Р6М5. Приспособление состоит из корпуса и двух клиньев, прижимаемых винтами. Для удобства раскрепления клиньев, а соответственно и режущих пластин, у винтов перед головкой сделана проточка на высоту клина и вытал-

Рисунок 16 - Червячное колесо

кивающей резьбовой шайбы.

Исследование процесса стружкообразования осуществлялось в восьми точках эвольвенткого профиля.

Для получения необходимой зоны резания на заготовке с различных сторон были изготовлены участки с шириной, вершины которых в ходе проведения эксперимента профилировались фасонными резцами

Момент контакта режушей кромки с образцом фиксировался датчиком касания, который состоит из лампочки, элемента питания и соединительных проводов, один из которых подведен к заготовке, другой к столу станка. В момент контакта цепь замыкается, что сигнализируется лампочкой, а на индикаторе устанавливается нулевое значение.

Анализ возможных направлений стружеч- стана, 3 - приспособление для ных канавок показал, что угол наклона режущей закрепления пластины, 4 - ин-

„ „ дикатор, 5 - сигнальная лампа

кромки изменяется в пределах от О ДО 60 . датчика касания. 6 - шкала

Установка угла наклона касательной к стру- Р и с н о к 17 . Эксперимен-жечной канавке осуществляется поворотом шпин- т а л ь н а я установка деле по шкале, закрепленной на пиноле фрезерной

головки. Вращение шпинделя станка в процессе исследования было отключено и использовано только возвратно-поступательное движение стола.

В ходе проведения эксперимента получено большое количество стружки. В таблице 1 приведены стружки только для радиуса кривизны р = 35лш. Следует заметить, что режущей кромкой срезается широкая стружка, которая в пределе равна длине обрабатываемого бокового профиля зуба. Так как такую стружку смоделировать сложно, то она была разделена на участки. По результатам эксперимента можно судить о влиянии угла наклона касательной к стружечной канавке и толщины срезаемого слоя на стружкообразование.

Независимо от угла Л, при малых толщинах срезаемых слоев (до 0,05 лш) стружки в процессе деформации остаются цельными, т. е. не разделяются на отдельные элементы и сильно завиваются. С увеличением угла форма стружки от цилиндрической спиралеобразной переходит в коническую спиральную. С увеличением толщины срезаемого слоя и угла

X до 30° стружка становится элементной, а при дальнейшем увеличении угла К стружка превращается в сливную.

При переходе от нулевого переднего угла к отрицательному длина стружки увеличивается при увеличении угла X. Это можно объяснить дополнительным сопротивлением срезаемого слоя к завиванию стружки, что приводит к удлинению стружки.

Рисунок 18 - Приспособление для крепления режущих пластин

Таблица 1 - Влияние параметров процесса резания на изменение формы срезаемой стружки

Толщина срезаемого слоя а, мм

0,09 0,07 0,05 0,03 0,01

1 Угол наклона касательной к стружечной канавке, А. 1 60° 1* ттт Г*» «ч Ч^1 V р ^ с-те »г* — _ ^ Т \ -1 9 Г«,,

50° «•«к.» "'Р, Т Я1Г-11 -Г?-ГГ II МП, яруртпг г , 1

40° ,' » « * ч -> « • «• 1 «» ^ ) ГТ ■Л **** уг

30° ш чтгр амргр, гстттргт

20° Луи|ПКфТ.| П|ГрМ|И1Р1 1 "ЯТТО г^т Ш[ттртг ■* тр^при^гп-пз ррТП 1ГП

——~

10е 2 • 1 I* II»»»» * * ¡"'•"'•"»ГП?й 1 • * II II И и N >• » 1ШТ |« » »

0° ШГ]ИЧрГ11 Ш |Тр|П 1 ♦ « »»»«Я« 'ч'рфирртсф- «л р Л1р|ри1гтг»}4|т|' тппро^п^шфшртрфв | • 1 ММ»«!«» V- |Ч|!П1[11Ц

Анализ стружек при последовательном рассмотрении их вдоль режущей кромки шевера от основания витка к вершине показал, что стружки меняют свою форму, т.е. изменяются по высоте профиля зуба от элементной у головки к сливной у ножки, и длину. На вершине стружка длиннее. Так как, единая стружка движется от головки к ножке зуба, к тому же, у ножки образуется сливная стружка, то она может пакетироваться, забивая стружечную канавку и

ухудшая условия резания, поэтому желательно работать с тонкими стружками.

В четвертой главе рассмотрена технологическая подготовка к реализации процесса шевингования и дана его технико-экономическая оценка.

Технология изготовления шевера во многом аналогична технологии изготовления червяков, за исключением операций, связанных с обработкой стружечных канавок. Основными операциями, на которых обеспечиваются необходимые точностные параметры шевера являются: предварительное изготовление червяка, нарезание стружечных канавок, термообработка и шлифование витков червяка.

Для крупномодульных червяков операция предварительного нарезания резьбы связана со значительными трудностями и в единичном или мелкосерийном производстве может выполняться на универсально-фрезерных станках в делительной головке фасонной концевой фрезой или на токарных станках комплектом резцов. Наиболее эффективны при этом станки с ЧПУ, так как червяк имеет заходную, рабочую и калибрующую части, при чем первые две с переменной толщиной витка. Фрезерование винтовой линии технологически не представляет трудностей. Однако точение выполняется за большое количество рабочих хо-1 дов, с незначительной глубиной резания, а в результате весьма трудоемко. Ее снижение, а также снижение динамических нагрузок на станок и повышение стойкости инструмента возможно при использовании схем резания с разделением срезаемых слоев на части не только на этапе предварительного вырезания металла из впадины, но и окончательном формообразовании боковых сторон витка (рисунок 19). Важным моментом является определение параметров задних поверхностей комплекта токарных резцов из условия отсутствия интерференции при точении. Для этого в разработанном вычислительном комплексе предусмотрено моделирование процесса точения с целью обеспечения у резцов наличия положительных задних кинематических углов резания. Задача решается численно при непосредственном наблюдении процесса моделирования на мониторе (рисунок 20).

Нарезание стружечных канавок может осуществляться специальным летучим резцом на токарном станке с ЧПУ или при за- дель винтовой поверхности, в - расположение

полнопрофильного резца в нутрии модели мене гипоциклоиды дугой COOT- _

Рисунок 20 - Сечения червяка плоскостями

ветствующего радиуса кривизны

торцовой фрезой на вертикально-фрезерном станке при установке заготовки шевера в делительной головке. Второй вариант наиболее прост в осуществлении, но для его реализации необходимо определить минимально возможный

а) б) в) г) д) Рисунок 19 - Схемы образования резьбы резцами полного и разделенного профиля

расположение секущих поверхностей, б - мо-

диаметр фрезы и угол наклона ее оси к оси шевера.

Аналитическими расчетами выявлено, что при нарезании стружечных канавок дисковыми торцовыми фрезами канавки получаются переменной глубины, при этом возможно образование недореза канавки или среза. Путем решения оптимизационной задачи определены угол наклона оси фрезы к оси шевера и минимальный диаметр инструмента (рисунок 21). Для червяка с модулем 10 мм, и числом заходов 3 угол наклона

диаметр

= 64 мм.

Из технологических факторов, которые Рисунок 21 - Влияние расположения торцовой фре-могут влиять на точ- зы относительно витка шевера ность профиля зубьев а) - при определении диаметра фрезы, колес, в укрупненных б) - при определении угла наклона инструмента расчетах необходимо учитывать только погрешности технологического порядка: неточность при установке и закреплении крупномодульного червячного колеса.

Анализ схем установок червячного колеса при горизонтальном и вертикальном расположении осей (рисунок 22) показал, что влияние посадочного эксцентриситета и биения торцов при горизонтальном расположении больше, чем при вертикальном расположении оси. Это объясняется односторонней выборкой зазора между отверстием и оправкой при горизонтальном расположении осей и равновероятностным законом расположения оправки в отвер-

стии колеса положении.

при ее вертикальном

я) - горизонтальная; б) - вертикальная;

Рисунок 22 - Посадочный эксцентриситет при установке колеса

Погрешность профиля детали определяется как расстояние между точкой пересечения нормали к профилю колеса, не имеющей эксцентриситета и биения, и точкой пересечения этой нормали с профилем ко. уу = ^ -хеи? +(у1 -уеП?+

»

где Уеи» ге1\ - координатыточек профиля при наличии эксцентриситета и биения колеса, х\,У\,2\ - без погрешностей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ литературных источников по проектированию и производству червячных ортогональных передач показал, основным способом обеспечения высокой точности передачи является учет геометрических, кинематических и динамических факторов в станочном и рабочем зацеплениях. При этом наибольшую часть технологических задач приходится решать для червячного колеса, как на этапе его расчета, так и изготовления. До настоящего времени не решена задача эффективной чистовой обработки колеса с заданными точностными характеристиками.

2. Разработанная методика численного моделирования процесса обкатывания и определения геометрических и кинематических параметров сопряженных поверхностей червячной ортогональной передачи позволила как при аналитическом, так и графическом задании исходных параметров червячной передачи осуществить проектирование ее взаимоогибаемых сопряженных винтовых поверхностей с одновременной визуализацией процесса расчета на экране монитора. Для реализации процесса проектирования разработан программно-графический комплекс.

3. Теоретическое исследование зоны контакта звеньев передачи с учетом кинематики зацепления позволило путем аналитических и численных расчетов обосновать известное положение о скольжении сопряженных поверхностей и определить наличие кинематических задних углов в контактных точках винтовой поверхности червяка. При примерно одинаковых величинах задних углов на боковых сторонах витка их значение уменьшается от основания витка к вершине почти в два раза. Для однозаходного червяка с модулем 10 мм кинематический угол у основания составляет примерно 0,5°, двухзаходного - 0,9°,

трехзаходного - 1,25°. Это свидетельствует о том, что использование винтовой поверхности червяка в качестве производящей для инструмента и расположения на ней стружечных канавок, полученные кромки будут обладать режущими свойствами. На основе регрессионного анализа получена зависимость для расчета кинематических задних углов.

4. Методика проектирования и моделирования конструкции червячного шевера позволяет выбрать и оценить с точки зрения реализации процесса резания форму и количество стружечных канавок из условии сохранения ведущей способности инструмента при свободном обкатывании, т. е. в отсутствии кинематической связи между шевером и нарезаемым колесом. Установлено, что наиболее технологичными, с точки зрения изготовления инструмента, являются стружечные канавки циклоидальной или дугообразной формы.

5. В результате экспериментального исследования процесса стружкообра-зования при шевинговании установлены параметры, позволяющие управлять формой срезаемой стружки. Выявлено, что в зависимости от толщины срезаемого слоя, угла наклона режущей кромки и положения зоны резания на профиле колеса, одна и та же стружка в пределах своей длины и ширины имеет различную форму и состояние: от сливной до элементной. При толщине срезаемого слоя более 0,03 мм стружка при перемещении вдоль стружечной канавки

может пакетироваться в зоне основания витка. При переходе от нулевого переднего угла к отрицательному длина стружки увеличивается при увеличении угла наклона режущей кромки к вектору скорости результирующего движения. Это можно объяснить дополнительным сопротивлением срезаемого слоя к завиванию стружки, что приводит к удлинению стружки.

6. Результаты аналитического исследования точностных параметров червячного колеса после шевингования показали, что основное влияние на погрешности колеса оказывают параметры его установки на станке и припуск на чистовую обработку. В случае червячного фрезерования и последующего шевингования на зубофрезерном станке без переустановки колеса устраняется появление дополнительных погрешностей профиля, при этом возможно получение прецизионных колес вплоть до 3 и 4-ой степеней точности по нормам плавности, что объясняется отсутствием огранки профиля при криволинейных режущих кромках шевера.

7. Исследованы схемы формообразования стружечных канавок. При этом аналитическими расчетами выявлено, что в случае нарезания стружечных канавок дисковыми торцовыми фрезами канавки получаются переменной глубины, возможно образование недореза канавки или среза части винтовой поверхности. Путем решения оптимизационной задачи определены угол наклона оси фрезы к оси шевера и минимальный диаметр инструмента. Для червяка с модулем 10 мм, и числом заходов 3 угол наклона 4; = 17,7°, а диаметр = 64 мм.

8. Сравнительный анализ способов изготовления прямолинейных стружечных канавок для известных конструкций шеверов и криволинейных канавок для предложенной конструкции показал, что предложенная конструкция более технологична, так как трудоемкость изготовления по оперативному времени в 4,11 раз ниже у шевера с криволинейными канавками.

Выражаю благодарность доценту, кандидату физико-математических наук Московскому А. В. за научные консультации по вопросам моделирования и расчета параметров процесса зубообработки при выполнении диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Ананьева В. В., Феофилова И. И. Изготовление высокоточных крупномодульных червячных передач/ЯТроблемы и опыт обеспечения качества в производстве и образовании//Тр. Международной научно-практической конферен-цииАГЦМСиС. - Тула: ТулГУ, 2001. - С.263-266.

2. Феофилов Н. Д., Ананьева В. В., Плахотников В. М., Феофилова И. И. Влияние качества сборки червячных фрез и погрешностей их установки на точность профиля нарезанных зубьев//Сборка в машиностроении и приборостроении: Тезисы докладов международного научно-технического семинара. -Брянск: БГТУ, 2001. - С. 73-76.

3. Ананьева В. В., Полуэктов А. Е., Феофилов Н. Д. Моделирование рабочего и станочного зацеплений зубчатых передач//Современные проблемы математики, механики, информатики: Тезисы докладов Всероссийской научной.

1130 02

конференции. - Тула: ТулГУ, 2001. - С. 68-70.

4. Ананьева В. В., Московский А. В., Феофилов Н. Д. Проектирование режущей части инструмента на основе теории взаимоогибающих поверхно-стей//Современные проблемы математики, механики, информатики: Тезисы докладов Всероссийской научной конференции. - Тула: ТулГУ, 2001. - С. 109-110.

5. Ананьева В. В., Московский А. В., Феофилов Н. Управление качеством формообразования за счет аппроксимации профиля зуба//Современные проблемы математики, механики, информатики: Тезисы докладов Всероссийской научной конференции. - Тула: ТулГУ, 2001. - С. 111-112.

6. Ананьева В. В. Оптимальное проектирование зубчатых зацеплений при изготовлении и восстановлении передачУ/ХУШ Гагаринские чтения: Тезисы докладов Международной молодежной научной конференции. — М: Изд-во «МАТИ» - Российского государственного технологического университета им. Циолковского К. Э., 2002. - Т. 3, С. 8-9.

7. Московский А. В., Ананьева В. В., Панчев Д. Ю., Лифанов В. Г. Комплексный контроль параметров зубчатого венца//Технологические системы в машиностроении: Труды международной научно-технической конференции, посвященной памяти выдающихся ученых Коганова И. А. и Лашнева С. И. -Тула: ТулГУ, 2002. - С. 312-315.

8. Московский А. В., Ананьева В. В., Панчев Д. Ю., Лифанов В. Г. Управление геометрическими параметрами передач со скрещивающимися осями с целью устранения интерференции зубьев//Технологические системы в машиностроении: Труды международной научно-технической конференции, посвященной памяти выдающихся ученых Коганова И. А. и Лашнева С. И. - Тула: ТулГУ, 2002.-С. 316-319.

9. Феофилов Н. Д., Ананьева В. В., Плахотников В. М., Феофилова И. И. Влияние параметров инструментальной наладки на точность зубчатых колес при зубофрезеровании сборными фрезами//Сборка в машиностроении и приборостроении. Ежемесячный научно-технический и производственный журнал. -М: Машиностроение, 2003. - С.22-25.

10. Ананьева В. В. Шевингование червячных колес. Сборник тезисов 1-ой Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Идеи молодых - новой России». - Тула, 2004. Per. св-во №3928, гос. per. №0320400297.

Изд. лиц. ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 25.05 ОН. Формат бумаги 60x84'/,». Бумага офсетная.

Тульский государственный университет. 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92. '

Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300600, г. Тула, ул. Боддина, 151.

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Проектирование червячных передач.

1.2 Особенности формы колеса и условия его сопряжения с червяком.

1.3 Изготовление червячных колес.

1.4 Чистовая обработка червячных колес.

1.5 Перспективы совершенствования технологии чистовой зубообработки червячных колес.

2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИНТОВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ.

2.1 Выбор системы координат.

2.2 Описание поверхностей винтового зубчатого колеса

2.2.1 Графическое описание торцевого профиля винтовой поверхности колеса.

2.2.2 Математическое описание торцевого профиля винтового колеса.

2.2.3 Описание и построение поверхности винтового зубчатого колеса.

2.3 Определение сопряженной поверхности.

2.4 Пример расчета сопряженного профиля по программе profil, mws.

2.5 Выводы.

3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ

4 ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА ШЕВИНГОВАНИЯ.

3.1 Кинематический анализ червячной передачи.

3.2 Определение параметров стружечных канавок

3.2.1 Направление стружечных канавок.

3.2.2 Форма поперечного сечения стружечных канавок

3.3 Конструкция червячного шевера и схема формообразования.

3.4 Определение зоны контакта витков червяка и колеса

3.5 Исследование влияния геометрических параметров срезаемого слоя и режущего лезвия на процесс стружкообразования.

3.6 Выводы.

4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА, РЕАЛИЗАЦИЯ

И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОЦЕССА ШЕВИНГОВАНИЯ.

4.1 Способы изготовления червяка шевера.

4.2 Образование профиля резьбы.

4.3 Нарезание стружечных канавок.

4.3.1 Влияние диаметра торцовой фрезы на форму стружечной канавки.

4.3.2 Влияние угла установки торцовой фрезы на глубину стружечной канавки.

4.3.3 Анализ глубины стружечных канавок.

4.4 Схемы шевингования.

4.5 Источники погрешностей при шевинговании.

4.6 Нормирование машинного времени при шевинго- 123 вании.

4.7 Оценка технологичности изготовления червячного 124 шевера с криволинейными стружечными канавками

4.8 Выводы.

Несмотря на широкое внедрение в промышленность и транспорт технических средств, оснащенных вычислительной техникой и системами ЧПУ, позволяющих передавать значительные мощности, как со ступенчатым, так и с бесступенчатым ее регулированием, зубчатые передачи по-прежнему остаются наиболее распространенными в технике механизмов, связывающих привод с технологической машиной. При этом повышение качества, надежности, долговечности и экономичности машин, снижение их габаритов и веса, упрощение технологии изготовления являются весьма актуальными свойствами.

Обеспечение указанных свойств для изделий массового производства, как правило, не вызывает трудностей. Однако для крупногабаритных механизмов и устройств, являющихся часто уникальными, изготовленными в небольшом количестве экземпляров, являющихся нестандартными, для конкретных эксплуатационных условий обеспечение качества является чрезвычайно сложной, технически трудной и весьма дорогостоящей задачей. Такие механизмы применяются в судовом оборудовании, тяжелом и транспортном машиностроении, в горнодобывающих и других машинах.

Среди известных зубчатых передач, передающих значительные мощности, немаловажное место занимают червячные передачи. Они применяются для привода валов, перекрещивающихся в пространстве. Обычно угол перекрещивания составляет

90°, но червячные передачи могут быть изготовлены и с другими межосевыми углами, например, механизмы некоторых тяжелых продольно-строгальных станков имеют червячную передачу с осями, перекрещивающимися под углом 45°.

Червячная передача относится к винтовым передачам, т. к. имеет их характерные черты: червяк и колесо имеют винтовые поверхности. Однако, в отличие от цилиндрических винтовых зубчатых передач с перекрещивающимися осями, у которых начальный контакт происходит в точке, в червячных передачах имеет место линейный контакт.

Основными положительными свойствами червячных передач являются их компактность, плавность и бесшумность в работе, обеспечение большого передаточного числа.

Недостатком червячных передач является скольжение витков червяка относительно зубьев колеса, но это свойство используется для приработки винтовых передач путем шевингования, притирания и прикатывания.

В технике применяются два основных типа червячных передач, характеризуемых формой червяка: передачи с цилиндрическим червяком и передачи с глобоидным червяком. В диссертации рассматривается цилиндрическая ортогональная червячная передача.

Для обеспечения регулирования зазоров в передаче применяют червяки с двойным шагом и с соответственно переменной толщиной витка. При износе червячного колеса червяк перемещается в осевом направлении, вследствие чего в зацепление входят новые участки его витков. Такие червяки получаются при нарезании правой и левой сторон витков с различными осевыми шагами. Эти червяки могут быть архимедовыми, эвольвентными, конволютными, и нелинейчатыми. Следовательно, червяки цилиндрической формы можно вообще разделить на червяки с постоянной и червяки с переменной толщиной витка. При внедрении таких червяков возникают вопросы о построении инструмента. Можно ли парные к ним колеса нарезать нормальным инструментом или надо изготовлять специальный инструмент точно по форме червяка. Геометрическое исследование показывает, ф что применение нормального инструмента дает приближенную форму зуба червячного колеса. Только в неответственных передачах, имеющих червяки с малым углом подъема, такой способ может оказаться применимым. Для передач с многозаходным червяком приближение получается весьма грубым.

Пропорции витков стандартных червяков и зубьев соответствующих червячных колес с модулем от 1 до 25 мм определяются параметрами исходного червяка и исходного производяще-Ф го червяка (определяющего инструмент для нарезания червячного колеса), устанавливаемыми СТ СЭВ 266-76 и не распространяются на специальные виды передач. Поэтому возникают трудности при проектировании специальных передач или при восстановлении изношенных.

Относительно формы червяка следует отметить, что ни практика, ни теоретические соображения не дают пока основания предпочесть с эксплуатационной точки зрения ту или иную форму червяка. Поверхности зацепления и линии контакта, судя

• по имеющимся данным, при прочих равных условиях, мало различаются между собой, особенно при малом числе заходов червяка. Свойства существующих червячных передач определяются точностью обработки и качеством отделки поверхностей элементов пары; в первую очередь - качеством отделки червяка, выбранными материалами, твердостью червяка, условиями смазки. В настоящее время каждое предприятие выбирает ту форму чер

• вяка, которая может быть наиболее качественно и экономично выполнена при помощи имеющихся в распоряжении предприятия оборудования и технологических средств.

Чистовая и отделочная обработка винтовой поверхности червяка не вызывает каких-либо трудностей. Более сложно обеспечить точностные и качественные характеристики червячных колес, особенно крупномодульных и многозаходных. Эта задача усложняется в случае единичного производства колес или изготовления специального колеса для еще не потерявшего эксплуатационный ресурс червяка при ремонте червячной передачи.

Для предварительного зубофрезерования колеса специально изготовляется фреза. При многозаходной передаче количество резов, приходящихся на боковую поверхность зуба, оказывается малым, а из-за погрешностей установки крупногабаритных ко-ф лес, особенно с числом зубьев до 30, возникают значительные кинематические, по нормам плавности и контакта погрешности. В результате, практически единственным способом, повышающим точность зубчатого венца, является шевингование. В настоящее время известно несколько конструкций червячных ше-веров. Однако, они трудоемки в изготовлении, и не позволяют осуществлять доводку зубчатого венца со специальным профилем. Кроме того, они не технологичны для условий индивидуального производства, не могут шевинговать с осевой подачей при свободном обкате, так как теряют способность к ведению колеса. Обработку с осевой подачей известными конструкциями червячных шеверов, особенно при их многозаходном исполнении, невозможно реализовать ни на одном из отечественных зу-бофрезерных станков, так как они имеют недостаточный путь осевой передвижки инструмента.

Целью диссертации является обеспечение точностных ха-« рактеристик крупномодульных червячных ортогональных передач на основе учета геометрических и кинематических параметров червячного колеса в рабочем зацеплении с червяком и в станочном зацеплении с червячным шевером.

Для достижения поставленной цели разработана специальная технология зубошевингования, позволяющая путем физического моделирования и на ЭВМ определить параметры станочного зацепления обрабатываемого колеса и шевера. При этом решены следующие задачи.

1. Проведен анализ кинематики пространственного червячного зацепления колеса с гладким червяком и установлено наличие между контактирующими поверхностями пары кинематических углов, приводящих к скольжению звеньев.

2. Осуществлено моделирование зацепления пары колесо-червяк на основе теории огибающих поверхностей и предложен компьютерный вариант ее реализации.

3. Разработана новая конструкция червячного шевера с криволинейными стружечными канавками, позволяющая осуществлять процесс чистовой зубообработки колеса, как при свободном, так и при принудительном обкатывании.

4. Разработана методика проектирования и технология изготовления шевера на основе комплексного сочетания процессов формообразования и стружкообразования, учитывающая возможность сохранения ведущей способности шевера при свободном обкатывании.

5. Проведено экспериментальное исследование процесса стружкообразования в процессе шевингования и определены возможные границы размеров стружечных канавок и режимов резания при шевинговании.

6. Оценено влияние погрешностей установки червячного колеса в станочном зацеплении на точность его боковой зубчатой поверхности.

Диссертация состоит из четырех глав.

В первой главе проведен анализ конструктивных особенностей зубчатых поверхностей червячных передач, методик профилирования зубчатых поверхностей, конструкций инстру

• ментов для обработки червячных колес, сформулирована цель и задачи исследования.

Во второй главе исследованы вопросы проектирования и моделирования винтовых передач на базе теории огибающих поверхностей и предложен вариант определения профиля сопряженных поверхностей, исследована кинематика работы червячной передачи с цилиндрическим червяком.

В третьей главе теоретически и экспериментально обосное вана новая конструкция червячного шевера, с криволинейными канавками, исследованы кинематические особенности работы инструмента, осуществлено физическое моделирование процесса стружкообразования при шевинговании.

В четвертой главе разработана технология изготовления шевера и необходимая технологическая оснастка для шевингования. Предложены схемы шевингования на зубофрезерном станке и специально спроектированном и изготовленном стенде. Осуществлена оценка точностных показателей червячного коле

• са после шевингования и обосновано использование шевера с криволинейными стружечными канавками.

Автор защищает:

- методику численного моделирования процесса обкатывания и определения геометрических и кинематических параметров сопряженных поверхностей червячной ортогональной передачи;

• - обоснование возможности использования цилиндрической винтовой поверхности для проектирования инструмента на основе эффекта скольжения сопрягающихся поверхностей в точке контакта;

- методику проектирования и моделирования конструкции червячного шевера с криволинейными стружечными канавками для чистовой зубообработки колеса в различных схемах реализации процесса шевингования при свободном и при принудительном обкатывании;

- результаты экспериментального исследования процесса стружкообразования при шевинговании;

- результаты аналитического исследования точностных параметров червячного колеса после шевингования в зависимости от параметров установки заготовки и припуска на чистовую обработку.

Научная новизна работы заключается в установлении влияния геометрических и кинематических параметров крупномодульной червячной передачи на формирование математического образа производящей поверхности червячного шевера с криволинейными канавками и точностные показатели процесса шевингования с учетом кинематики резания при свободном и принудительном обкатывании.

Выражаю благодарность доценту, кандидату физико-математических наук Московскому А. В. за научные консультации по вопросам моделирования и расчета параметров процесса зубообработки при выполнении диссертации.

4.8 Выводы

1. Аналитическими расчетами выявлено, что при нарезании стружечных канавок дисковыми торцовыми фрезами канавки получаются переменной глубины, при этом возможно образование недореза канавки или среза. Путем решения оптимизационной задачи определены угол наклона оси фрезы к оси шевера и минимальный диаметр инструмента. Для червяка с модулем 10 мм, и числом заходов 3 угол наклона £ = 17,7°, а диаметр ^=64 мм.

2. Установлено, что основное влияние на величину припуска на шевингование оказывают погрешность профиля зубчатого венца после зубофрезерования в виде огранки и погрешности базирования колеса на оправке станка. В случае червячного фрезерования и последующего шевингования на зубофрезерном станке без переустановки колеса устраняется появление дополнительных погрешностей профиля, при этом возможно получение прецизионных колес вплоть до 3 и 4-ой степеней точности по нормам плавности, что объясняется отсутствием огранки профиля при криволинейных режущих кромках шевера.

3. Анализ схем установок червячного колеса при горизонтальном и вертикальном расположении осей показал, что влияние посадочного эксцентриситета и биение торцов при горизонтальном расположении больше чем при вертикальном. Это объясняется односторонней выборкой зазора между отверстием и оправкой при

126 горизонтальном расположении осей и равновероятностным законом распределения погрешностей оси колеса в поле зазора при ее вертикальном расположении.

4. Сравнительный анализ способов изготовления прямолинейных и криволинейных стружечных канавок на шеверах показал, что предложенная конструкция более технологична, так как трудоемкость изготовления по оперативному времени в 4,11 раз ниже у шевера с криволинейными канавками.

1. Анализ литературных источников по проектированию и производству червячных ортогональных передач показал, основным способом обеспечения высокой точности передачи является учет геометрических, кинематических и динамических факторов в станочном и рабочем зацеплениях. При этом наибольшую часть технологических задач приходится решать для червячного колеса, как на этапе его расчета, так и изготовления. До настоящего времени не решена задача эффективной чистовой обработки колеса с заданными точностными характеристиками.

2. Разработанная методика численного моделирования процесса обкатывания и определения геометрических и кинематических параметров сопряженных поверхностей червячной ортогональной передачи позволила как при аналитическом, так и графическом задании исходных параметров червячной передачи осуществить проектирование ее взаимоогибаемых сопряженных винтовых поверхностей с одновременной визуализацией процесса расчета на экране монитора. Для реализации процесса проектирования разработан программно-графический комплекс.

3. Теоретическое исследование зоны контакта звеньев передачи с учетом кинематики зацепления позволило путем аналитических и численных расчетов обосновать известное положение о скольжении сопряженных поверхностей и определить наличие кинематических задних углов в контактных точках винтовой поверхности червяка. При примерно одинаковых величинах задних углов на боковых сторонах витка их значение уменьшается от основания витка к вершине почти в два раза. Для однозаходного червяка с модулем 10 мм кинематический угол у основания составляет примерно 0,5°, двухзаходного - 0,9°, трехзаходного - 1,25°. Это свидетельствует о том, что использование винтовой поверхности червяка в качестве производящей для инструмента и расположения на ней стружечных канавок, полученные кромки будут обладать режущими свойствами. На основе регрессионного анализа получена зависимость для расчета кинематических задних углов.

4. Методика проектирования и моделирования конструкции червячного шевера позволяет выбрать и оценить с точки зрения реализации процесса резания форму и количество стружечных канавок из условии сохранения ведущей способности инструмента при свободном обкатывании, т. е. в отсутствии кинематической связи между шевером и нарезаемым колесом. Установлено, что наиболее технологичными с точки зрения изготовления инструмента являются стружечные канавки циклоидальной или дугообразной формы.

5. В результате экспериментального исследования процесса стружкообразования при шевинговании установлены параметры, позволяющие управлять формой срезаемой стружки. Выявлено, что в зависимости от толщины срезаемого слоя, угла наклона режущей кромки и положения зоны резания на профиле колеса одна и та же стружка в пределах своей длины и ширины имеет различную форму и состояние: от сливной до элементной. При толщине срезаемого слоя более 0,03 мм стружка при перемещении вдоль стружечной канавки может пакетироваться в зоне основания витка. При переходе от нулевого переднего угла к отрицательному длина стружки увеличивается при увеличении угла наклона режущей кромки к вектору скорости результирующего движения. Это можно объяснить дополнительным сопротивлением срезаемого слоя к завиванию стружки, что приводит к удлинению стружки.

6. Результаты аналитического исследования точностных параметров червячного колеса после шевингования показали, что основное влияние на погрешности колеса оказывают параметры его установки на станке и припуск на чистовую обработку. В случае червячного фрезерования и последующего шевингования на зубофрезерном станке без переустановки колеса устраняется появление дополнительных погрешностей профиля, при этом возможно получение прецизионных колес вплоть до 3 и 4-ой степеней точности по нормам плавности, что объясняется отсутствием огранки профиля при криволинейных режущих кромках шевера.

7. Исследованы схемы формообразования стружечных канавок. При этом аналитическими расчетами выявлено, что в случае нарезания стружечных канавок дисковыми торцовыми фрезами канавки получаются переменной глубины, возможно образование недореза канавки или среза части винтовой поверхности. Путем решения оптимизационной задачи определены угол наклона оси фрезы к оси шевера и минимальный диаметр инструмента. Для червяка с модулем 10 мм, и числом заходов 3 угол наклона £ = 17,7°, а диаметр £/¿=64 мм.

8. Сравнительный анализ способов изготовления прямолинейных стружечных канавок для известных конструкций шеверов и криволинейных канавок для предложенной конструкции показал, что предложенная конструкция более технологична, так как трудоемкость изготовления по оперативному времени в 4,11 раз ниже у шевера с криволинейными канавками.

1. ГОСТ 18498-73 Передачи червячные. Термины, определения и обозначения.- Изд-во стандартов, 1987. 22с.

2. Литвин Ф. Л. Теория зубчатых зацеплений. М.: Наука, 1968.

3. Шевелева Г. И. Критерий точности профилирования червячных модульных фрез//Станки и инструмент, 1978, №4. С. 12-14.

4. Артоболевский И. И. Теория механизмов и машин. М.: Наука, 1988. - 639 с.

5. Левитский Н. И. Теория механизмов и машин. М.: Наука, 1990. - 590 с.

6. Булгаков Э. Б. Высоконапряженные зубчатые, геометрическая теория, расчет. М., Машиностроение, 1969. 103 с.

7. Булгаков Э. Б. Геометрия зубчатых передач в обобщенных координатах//Вестник машиностроения. 1969. - 1 1. - С. 22 - 26.

8. Булгаков Э. Б. Экстремальные параметры эвольвентных передач//Теория передач в машинах. М., Наука, 1973.

9. Кедринский В. Н., Писманик К. М. Нарезание конических зубатых колес. М.: Машгиз, 1958. - 535 с.

10. Хлебалин Н. Ф. Нарезание конических зубчатых колес. Л.: Машиностроение, 1978. - 160 с.

11. Писманик К. М. Гипоидные передачи. М.: Машиностроение, 1964. - 227 с.

12. Кабатов Н. Ф., Лопато Г. А. Конические и гипоидные передачи с круговыми зубьями. М.: Машиностроение, 1977. - 214 с.

13. Кабатов Н. Ф., Лопато Г. А. Конические колеса с круговыми зубьями. Теория, исследование и расчет. М.: Машиностроение, 1966. - 299 с.

14. Лопато Г. А. Конические и гипоидные передачи с круговыми зубьями. М.: Машиностроение, 1977. - 423 с.

15. Коганов И. А., Феофилов Н. Д., Птицын В. В., Горчаков131

16. Бобков М. Н. Теоретические аспекты технологии изготовления цилиндрических колес с круговыми зубьями: Дис. . докт. техн. наук/ ТулГУ. Тула, 1998. - 379 с.

17. Сегаль М. Г. Виды локализованного контакта конических и гипоидных передач// Машиноведение, 1970, №1.

18. Сегаль М. Г. Особенности контроля пятна контакта конических и гипоидных передач//Станки и инструмент, 1970, №10. С. 14-15.

19. Цвис Ю. В. Профилирование режущего обкатного инструмента. М.: Машгиз, 1961. - 156 с.

20. Фрайфельд И. А. Инструменты, работающие методом обкатки. Теория, профилирование и конструирование. М.: Машгиз, 1948. - 252 с.

21. Лашнев С. И. Формообразование зубчатых деталей реечными и червячными инструментами. М.: Машиностроение, 1971. - 215 с.

22. Лашнев С. И., Юликов М. И. Проектирование режущей части инструмента с применением ЭВМ. М: Машиностроение, 1980. - 208 с.

23. Семенченко И. И., Матюшин В. М., Сахаров Г. Н. Проектирование металлорежущих инструментов. М.: Машгиз, 1962. -952 с.

24. Романов В. Ф. Расчеты зуборезных инструментов. М.: Машиностроение, 1969. - 251 с.

25. Феофилов Н. Д. Системное проектирование зубофрезе-рования сборными червячными фрезами: Дис. . докт. техн. на132ук/ ТулГУ. Тула, 1999. - 394 с.

26. Родин П. Р. Основы формообразования поверхностей резанием. Киев: Вища школа, 1977. - 192 с.

27. Лашнев С. И., Юликов М. И. Расчет и конструирование металлорежущих инструментов с применением ЭВМ. М.: Машиностроение, 1975. - 392 с.

28. Лашнев С. И., Борисов А. Н., Емельянов С. И. Геометрическая теория формирования поверхностей режущими инструментами: Монография/Курск, гос. техн. ун т. Курск, 1997. 391 с.

29. Кирсанов Г. Н. Плоскостной метод точного профилирования инструментов червячного типа для обработки винтовых по-верхностей//Металлорежущий и контрольно-измерительный инструмент. Экспресс-информация. М.: НИИМАШ, 1977. - 3.- 26 с.

30. Люкшин В. С. Теория винтовых поверхностей в проектировании режущих инструментов. М.: Машиностроение, 1968. - 372 с.

31. Шишков В. А. Образование поверхностей резанием по методу обкатки. М.: Машгиз, 1951. - 152 с.

32. Грубин А. Н., Лихциер М. Б., Полоцкий М. С. Зуборезный инструмент. Ч I и II. М.: Машгиз, 1946.

33. Зубчатые зацепления/Под ред. Кетова X. Ф. -М.ВНИТОМАШ, 1947. 215 с.

34. Шишков В. А. Образование поверхностей резанием по методу обкатки. М.: Машгиз, 1951. - 152 с.

35. Кудрявцев В. Н, Червячные передачи. Расчет и конструирование. Л.: ЛКВВИА, 1954. - 197 с.

36. Калашников С. Н., Калашников А. С. Зубчатые колеса и их изготовление. М.: Машиностроение, 1983. - 264 с.

37. Решетов Д. Н. Детали машин. М.: Машиностроение, 1989. - 496 с.

38. Производство зубчатых колес: Справочник / С. Н.133

39. Калашников, А. С. Калашников, Г. И. Коган и др.; Под общ. ред. Б. А. Тайца. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1990. - 464 с.

40. Зубчатые передачи: Справочник / Гинзбург Е. Г., Голованов Н. Ф., Фирун Н. Б., Халебский Н. Т.; Под общ. ред. Гинзбурга Е. Г. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение, 1980. - 349 с.

41. Балакшин Б. С. Оновы технологии машиностроения. -М.: Машиностроение, 1969. 367 с.

42. Мильштейн М. 3. Нарезание зубчатых колес. М.: Высшая школа, 1972. - 272 с.

43. Тайц Б. А. Точность и контроль зубчатых колес. М.: Машиностроение, 1972. - 367 с.

44. А. С. 1683913 СССР, МКИ В 23 F 21/28. Способ обработки зубчатых колес/Радзевич 1989.

45. Справочнк технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т. 1/Под ред. Косиловой А. Г., Мещерякова Р. К. М.: Машиностроение, 1985. - 656 с.

46. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1970. - 720 с.

47. Справочник инструментальщика/И. А. Ординарцев, Г. В. Филиппов, Н. А. Шевченко и др.; Под общ. ред. И. А. Орди-нарцева. JL: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. - 846 с.

48. Общемашиностроительные нормативы режимов резания: Справочник: В 2 т. Т. 2/А. Д. Локтев, И. Ф. Гущин, Б. Н. Балашов и др. М.: Машиностроение, 1991. - 304 с.

49. Козлов Д. Н. Шевингование зубчатых колес. М.: Высшая школа, 1978. - 216 с.