автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Синтез привода шпинделей роторных технологических машин для нарезания резьб

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНПИИП АНАТОЛИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

СИНТЕЗ ПРИВОДА ШПИНДЕЛЕЙ РОТОРНЫХ ТШОЛОП1ЧЕСШ («ЛЕЕМ ДЛЯ НАРЕЗАНИЯ РЕЗЬБ

Специальность 05.03.01. - Процессы механэтескоЛ и

фнакготехш!ческсй обработка, станки и инструмент.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учянсй степени гатлидата технических наук

на правах рукописи

Тулаг 1995

Работа выполнена на кафедре "Теория механизмов и машш Тульского государственного технического университета

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Корнюхин Иван Федорович.

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент

Крюков Владимир Алексеевич.

Официальные оппоненты: доктор технических.наук, профессор

Протасьев Виктор Борисович; кандидат Технических наук, Токмаков Юрий Владимирович.

Ведущее предприятие - Государственное научно-производствен ное предприятие "Сплав".

Защита диссертации состоится июня 1995 г. в часов в учеоном корпусе, ауд. 101, на ^заседании специализированного со вета К 063.47.01 Тульского технического университета / 300600 г. Тула, пр. Ленина 92 ~

г V

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского Го сударственного технического университета.' '

Автореферат разослан22. мая 1995 г.

Ученый секретарь • специализированного совета к.т.н.,-доцент В.Й.Феди]

0Б1ЦЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ.

Повышению производительности производственного оборудовании всегда уделялось и будет в дальнейшем уделяться повышенное внимание. Особенно это актуально для выполнения широко распространенных в промышленном производстве процессов, к которым относится и процесс резьбонарезания. Поэтому повышение производительности и качества резьбонарезного производства являются существенным резервом снижения трудоемкости и себестоимости всей про1 дукции машиностроения.

Повышение производительности этого производства происходит, а основном, за счет создания нового и усовершенствования имеющегося оборудования, к традиционно применяемых технологий производства.

Наибольшие возможности повышения производительности резьбонарезного производства связаны главным образом с крупносерийным и массовым производством. В крупносерийном производстве важным резервом повышения производительности-является оснащение универсального оборудования специализированной оснасткой. В массовом производстве, как правило, переходят к комплексной автоматизации реэьбообрабатывэощего оборудования, применении агрегатных станков, роторных и других автоматических линий.

Конкретное содержание диссертационной работы и ее практическая направленность определялись планами работ Тульского государственного технического университета и хоздоговорной работы с ОКТБ "Ротор" (тема N 56103)'. Результаты исследования могут быть использованы при автоматизации производства внутренних и наружных резьб тел вращения при массовом и крупносерийном производстве.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

Разработка теоретических положений и математического обеспе-. ■гении для создания на этой основе роторных технологических машин и ачтоматичееких линий, для резьбонарезных операций, допускающих многократное увеличение производительности по сравнению с тради-

ционно применяемым оборудованием.

Для достижения указанной цели решались следующие основные-

задачи:

1. Исследование возможных видов связей между технологическими параметрами резьбонарезания, основными и вспомогательными-движениями рабочих органов машины и их влияние на производительность.

2. Выявление возможных направлений развития конструктивных схем роторных технологических машин для резьбонарезания.

3. Разработка математических моделей для исследования скоростей и нагрузок в приводах рабочих органов технологической машины при резьбонарезании.

4. Разработка инженерной методики синтеза привода шпинделей.

б. Разработка математических моделей транспортного движения системы технологических машин, в приводах которых имеются несколько червячных передач. ' .

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Разработана математическая модель приводов шпинделей, установлена и формализована взаимосвязь между кинематическими и силовыми параметрами и передаточными отношениями позволяющая управлять и оптимизировать качественные характеристики этих приводов на стадии проектирования.

2. Установлены и формализованы основные и дополнительные условия синтеза приводов шпинделей и выявлены возможные направления их конструктивных схем,

3. Разработаны динамические модели приводов транспортного движения о использованием червячных редукторов и выявлены функциональные зависимости позволяющие управлять динамическими параметрами системы-в условиях стационарного и переходных режимов ее работы целенаправленным выбором параметров червячных передач. - -

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

1. Обоснованы инженерные методики проектирования привода шпинделей роторных технологических машины для резьбонарезных опера-

ций и привода транспортного движения системы технологических машин в составе которого имеются червячные редукторы. 2. Полученные методики использовались при проектировании техноло-гичеасого ротора для нарезания внутренних и наружных резьб и расчетов динамических нагрузок в элементах привода транспортного дви&ения роторно-конвейерной линии ЛНКВ-200.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Материалы диссертации догладывались в ОКТБ "Ротор" (г. Тула) в 1092,1993 гг. и на научных конференциях кэфедрн ТММ в 1693, 1994 ГГ.

ПУБЛИКАЦИЙ

По теме диссертации опубликовано 3 работы.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, веклаче-ниа и перечня использованных источников. Работа содерлн? 128 страниц маииг.описного текста, КЗ рисунка, список испольаованных источников из 102 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЛАКИЕ ДИССЕРТАЦИИ

. Во введении обоснована актуальность темы работу и сформулированы "основные полмешш, выносимые на защиту.

ГЛАВА 1. Технологические и конструктивные предпосылки создания роторных технологических ¡.'.аяин для нарезания резьбы.

В этой главе на основе анализа литературных источников сделан вывод о повмонности применения автоматических линий для процессов ревьйонареэаккя, позволявши значительно повысить производительность данных -операций со сравнения с традиционным оборудованием. Применение данного оборудования позволяет также вначи-

- б -

тельно сократить требуемые производственные площади.

Недостатком автоматических линий является узкая специализация, что обуславливает'применение данного оборудования, в основном в крупносерийном и массовом производстве.

Ограничивающим фактором повышения производительности традиционного оборудования является допускаемая скорость резания, и как следствие, проектирование многоипинделЬных автоматов и автоматических линий является перспективным направлением повызения производительности для данных операции.

Кроме того, резьбонарезание относится к операциям 2-го класса (по классификации Л.Н. Кошкина), следовательно обладает'определенной универсальностью (как и подобные' ей сверление, зенкеро-вание и т.д.), что позволяет применять дачное оборудование для'| производства .подобных деталей.

Совмещение в одной автоматической линии нескольких этих раций делает применение данного оборудования наиболее экономически выгодным.

Получена математическая иависшость, позволяющая определить требуемое число позиций ротора К для нарезания резьба от технологических характеристик резьбовой части и требуемой производительности.

Нг- Пт кн+^М*

* у-

где Пт - требуемая производительность, ит/мин;

Ьн - длина траектории линии резания, м;

¿п - расстояние иехду инструментом и изделием в моменты его приема и выдачи, м; . .

VI - соответственно скорости нарезания резьби и вывинчивания инструмента, м/ыин.

Данная зависимость обоснована конструктивно-технологической схемой автоматической линии роторно-консейерного тина- (наличие позиций ротора располагавшихся на участке от линии выдачи до линии приема).

Принимаемое число позиций согласовывают с рядом предпочтительных' чисел, который учитывает дополнительные условия компоновки автоматической линии, кратность числа позиций других тех-

нологкческих машин и транспортных роторов, шаг транспортирующей цепи и т.д.

По принятому числу позиций и заданному пагу меяду ними можно определить радиус- начальной окружности роторной технолог11чес[юй машины.

Р - ^

где Ьр - шаг ротора, измеренный по хорде начальной окружности между централи двух смежных рабочих позиций.

Выбор иага ротора зависит как от геометрических условий синтеза механизма привода и возможности размещения инструментальных блоков и блоков заготовок, так и от принятого шага транспортирующей цепи.

В данной работе в качестве объекта-для'автоматизации принято конкретное изделие - вентиль, эскиз которого приведен на ргс.1.

Производство данного изделия позволяет наиболее полно использовать преимущества автоматических . роторных линий.

Рассматриваемое изделие имеет две резьбонарезные операции: внутренняя резьба, нарезаемая машинным метчиком; внешняя резьба, нарезаемая плашкой. Поэтому автоматическая линия содержит две роторные технологические машины. Одна из них предназначена для выполнения наружной резьбы, другая для выполнения внутренней.

Размеры этих резьб М5 и М8 мало отличаются друг от друга, поэтому, для унификации роторных машин они выполнены одинаковыми, кроме инструментальных блоков. В одной машине установлены блоки крепления метчиков, в другой -блоки крепления плашек.

08

ГО

Кг

ФЮ

/15

МВ

Рис.1. Эскиз изделия.

- 8 -

7г Нб ?<?

Рис.2(а). Кинематическая схема роторной машины дня нарезания резьбы

Г'иг.,2(б).Схема зацепления колес

Рис.2(в).Схема зацепления колес

С помощью привода шпинделей (рис.2) вращательное движение от колеса 2/з передается инструментальные блокам. Реверсирование шпинделей по скончании нарезания резьбы и вывинчивании инструмента обеспечивается муфтой Л| .

Все осевые движения- инструментального блока и бло1са заготовки, а также переключение муфт реверсирования выполняются кулачковыми механизмами, рсюположеннши внутри ротора.

Инструментальные головки стационарно закреплены в рабочих позициях технологических машин. Предмета обработки, закрепленные в блоках заготовок, отделены от технологических (.тин' и ионтиру-ются в замкнутом гибком конвейере, огибающим технологические ыа-стм, и обрабатываются в процессе их транспортирования.

Механизм, Н1-21-2"-23-24 представляет собой планетарную ступень типа , число сателлитов которой определяется с учетом геометрических условий синтеза (условия сборки и услав: я соседства) . Для данной роторной малины принято число сателлитов - 3.

Выбор схемы механизмов №-'¿5-26 и 42-27-73-20 обусловльн требуемыми видами двигзний, необходимых по технологии респ г.сна-резания (реверс исполнитель него органа). Вивер варианта ие;;пяиз-яа Н2-27-1в-2<3\ когда вращение от центрального колеса 27 передается сразу двум сателлитам 29 через одно колесо 28 обусловлен условием соседства. Порядок синтеза механизмов природа подробно рассмотрен в главе 3.

На рис.О приведена конструктивно-технологлеокач схема автоматической роторно-конвейерной линии для нарезания резьбы.

Глава '¿. Формирование основных математических зависимостей функционирования привода рабочих органов

Для данной схемы-привода найдены кинематические зависимости между частотами вращения вала ротора и всеми другими колесами механизма. Передаточные отношения между валом ротора и шпинделями при вывинчивании и при нарезании резьбы определяются выражениями:

// _ П» _ 7 . • .. _/?//_ /

1-С( Пд

Эдесь и далее обозначено:

ЙЬтомат питания Ротор переипадыЬашр Ротор нармцроЬми Ротор Ьыдачи

НоиВейер тредаяц// На&оагр тт'оюшгсгми Ротор, нарезания/ /Ьтод нареза ¿шя _

КонЬейер передачи Ротор переятЗы&амр

Рис.З. Конструетт'вш-тегнзлогрзсетгал схема аЕТог.'атгчБСКпй роторной луга*и для нгрээани'я ргзьбн р цетгаго

- И г

С? uäи&; Ci^ü^Uss -

График зависимостей передаточных отношений от этих параметров приведен на рис.4.

Выполнен кинематический и силовой анализ механизма, позволяющий найти моменты на всех колесах роторной машины в зависимости .от технологических усилий при нарезании резьбы и , вывинчивании инструмента.

Момент на валу ротора без учета потерь в зацеплении и в опорных узлах привода определяется выражжием:

MrStkfä-mm

где S - число позиций роторной машины, в которых одновременно нарезается резьба;

/Г/ - число позиций роторной машины, в которых одновременно вывинчивается инструмент.

Учитывая, что данная схема привода шпинделей содержит замкнутее контуры была проанализирована возможность циркуляция «оз-поста в них и получены интервалы передаточных отиовепиЛ, а которых циркуляция ноадости отсутствует или яэ она (.'.инимальна.

Определены коэффициенты полезного действия привода при нерэ-еаиип рэзьС/ij, при вывинчивании инструмента, а-такяе при иаюлче-H'in этих двух операций одновременно.

ИИ привода определялось методом H.A. Крейпеса, как наиболее удойного при предварительном сравнении и отбраковке различных кинематических схем по КПД, следовательно в большей степени отвечающего задачам решаемым в данном исследовании.

Согласно этому иетоду 1(Щ передачи для нарезания резьбы и вывинчивании инструмента записывается в виде:

Оиа - М®. • h - Um

где и U^G - кинематические передаточные отношения;

Hfug и Цнб - силовые передаточные отношения.

График зависимости Ллд и tlnt параметров С и Cl приведен на рис.5. .

Из этого графика очевидно, ,что применение предложенной схриы привода шпинделей нецелесообразно в интервале

CXteZO + bl

- 12 -11 Нб. Низ

4

3

* 1

л.— 0 1 2 3 1, 5 С

-6 -б -ч

-/

-с7 \

■з

. -к

Рис.4. Зависимость передаточных отношений ¿/ч$ ч от параметров С и ¿"V

1

0.1

о.ь /

0.5 1

ОМ

о.ь

0,1

0.1

-3 -¿ 0 и 1 ь 4 5 &

Рус.5. Зависимость У от параметров^ у

Общий КПД ротора определяется выражением: где Пр - момент на валу ротора о учетом потерь на трение.

Яр ^Мяв-с) -тмв (1-о) /

здесь С и С{ - силовые передаточные отношения. Шч . _ ЦП С/65

Глава 3. Синтез привода шпинделей

Задачей синтеза является определение параметров передачи, главными из которых являются числа зубьев всех зубчатых колес. Основой для решения этой задачи являются кинематические зависимости, полученные во втором разделе.

Одна!со кроме этих зависимостей должен быть выполнен ряд дополнительных условий и ограничений, учитывающих конкретные конструктивные особенности, характерные для роторных машин. Все эти условия объединены общим названием - геометрические условия синтеза.

Основными из них являются условия соосности и соседства. На условия соседства получаем границу для выбора радиусов окружностей головок и чисел зубьев колес.

Тай й Ruó Sin j^-Wg; 7оэ< Rm SCn ff - Wg ;

хъ&ГПьъГПд- нормальные модули зубчатых колес, определяемые ив условия прочности передачи; и- угол наклона зубьев передач. Причем следует отметить, что при выбора чисел зубьев и надо стремиться к верхнему пределу, если это допускается передаточными отношениями и конструктивными возможностями привода. При этом

улучшаются условия работы и повышается долговечность зубьев колес.

Условие соосности для механизмов H2-Z6-Z6 и H2-Z7-Z8-Z9 определяется выражениями: __ _ ^

Rho -- Й56; Rho « flia cos f- + уйгз -flisStnjf ,

где и Й8Я - межосевые расстояния в зацеплении колес.

Отсюда очевидно, что получение требуемого делительного радиуса ротора возможно либо за счет применения косозубых передач либо за счет применения зубчатых колес выполненных со смещением.

При использовании косозубых передач углы наклона зубьев колес определяются из выражений:

& = а те со5> П16 ,

¿Rho

fis - «««g [{Zj +Zs)COs£ + \f(lB^-lZ7^)2SLn2f]

При использова!!ии прямозубых передач коэффициенты смещения центральных колес определяется выражениями:

U)V (qzccos гпвСШ(?5+Щ

Х5 =-:-нт"-— 1

/ ___П1дСО$<ЦЪ + 18\_

Xj _-----

. . ш :

В работе подробно рассмотрен порядок подбора чисел, вубьев колес: 1) когда передачи прямозубые; 2) когда передачи косозубые; 3) когда одна передача косозубая, а другая прямозубая.

Исходными параметрами для синтеза механизмов привода являются:

- кинематические зависимости полученные во 2-ой главе;

- число .позиций и геометрические параметры ротора полученные

в 1-ой главе;

- технологические моменты получаемые для конкретного изделия;

- частоты вращения ппинделей получаемые для конкретного изделия.

Выходными параметрами синтеза являются:

- модули всех колес;

- числа зубьев колес;

- число сателлитов для механизма \W-Z\-Z2-Z3-Zi\

- углы наклона или коэффициенты смешения зубчатых колес.

Глава 4. Динамика приводов роторных линий, содеряадих червячные редукторы.

Одним из основных структурных элементов, во многом определяющим конструкта, качество и надежность райоты всей автоматической линии в целом, является привод вращательного дьк.г.елия рабочих машин. На сегодняшний день наиболее распространенной является схема привода с использованием одной или нескольких червячных передач, поэтому больгоэ внимание п данной раг5оге уделяется динамике привода транспортного движения.

Учитывая, что технологические группы потребляю? мог.тасть и неуравновешенном Еиде применение черпячш!х пер'едач благоприятно сказывается на динамике привода линии в установившемся дшосении. т.к. препятствует распространена крутильных галебаннй от одной технологической группы 1£ другой.

Одндао при переходных процессах, особенно в режиме выбега, при определенном соотношении мог.ентоа инерции масс, связанных с червяком и червячным ¡солесом и конструктивных параметров червячной передачи, динамические нагрузки, возникающие в ней, приведут к ускоренному нанесу и даяе к поломке элементов привода. Особенно это характерно для самотормозящихся червячных передач.

Кроне, того, роторная лзшкя состоит обычно из нескольких тох-нолспгческих групп, вращение каждой из них передается отдельным червячным редуктором. Обычно псе они одного типа, но встречаются автоматические.линии с различными редукторами для каждой техио-логнчесгай группы. Из всего вьпнеизложенного очевидна необходимость динамич, л та го исследования привода роторной линии с несколькими червячными передачами и их взаимного влияния друг на

друга. Особенно это актуально для автоматических линий содержащих роторы с небольшими технологическими усилиями (ротора контроля, маркировки и т.д.) и для роторов со значительными приведенными моментами инерции подвижник частей.соединенных о червач-1шм колесом редуктора.

Исходя из всего вышеизложенного возникает необходимость исследования динадаки. привода автоматической линии, содержащего одну и несколько червячных передач. .

Сопоставление динамических и технологических сил в червячной передаче производилось с цомоць» коэффициента динамичности.

Коэффициент динамичности для червячной передачи определяется выражением

У

- /

Мк 4_ У*

1 Щ7Ж~

Результаты исследования коэффициента динамичности привода содержавдго одну червячную передачу в зависимости от соотноыешш ьшентов шшрцпи масс соединенных о червячным.колесом и чбрь«ком а такие от нонструктиакых параметров са^ой передачи ( коэффициента диамегра червяка ) представлены на рис.6

Айалиаируя полученные результаты модно определить' грап.:цы соотношения коионтоа инерции когда коэффициент динамичности превышает едиккцу, т.е. при расчете червячных передач необходимо учитывать дикащкеские нагрузки возникающие в ней при переходных процессах.

- Ук/7ч > 0,7 ШШ для /1>р

■ Ух/7ч >44 и<г Пи для У/

< С//г . для и<2>и1г

гда // - угол подъема лшши .витка червяка на начальном цилиндре; р - приведенный угол трения.

Динамика трансмиссии роторной линии с тремя червячными редукторами рассматривалась в целях получения функциональных зависимостей взаимного влияния технологических групп друг ьл друга и

/

Передаточное отношение редуктора Uli = 40, для #• = <?» —■• —' ДЛЯ а /5,

— — для (fr = 20. Рис.6 Зависимость коэффициента динамичности от конструктивных . , параметров передачи и. от соотношения

обобщения полученных результатов на приводы линий с произвольным числом редукторов;

Коэффициенты динамичности привода роторной линии с П чер-' вячными редукторами определяются выражениями:

К'

у _ V

1 с7,Шс

{- 2 J(■

Ы ЪиоШос У Л ^ . £ Ус

Л- //.£ Ё м _/

$¡¡8*' Щ аоС/о/ос,

</ п -г.- *

£ -

' ¿7/ 7о(/оМ/о1

где П - число редукторов;

j - порядковый номер редуктора;

Д> - момент инерции червяков вместе с присоединенными к ним массами;

СИ - момент инерции £-го червячного колеса вместе с присоединенными к нему.массами;

ЦоС- кинематическое передаточное отношение I -го редуктора;

ОоС- силовое передаточное отношением-го редуктора определяемое выражением:

(рчС + (р т/Л)

гдн Яс- делительный радиус червячного колеса;

Z¿- делительный радиус'червяка.

Из полученных выражений очевидно, что динамические усилия; возникающие, в червячной передаче привода с несколькими редукторами записят от конструктивных параметров и массоинерционнач характеристик всех червячных передач.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1). Изучение процесса резьбонарезания позволило установить возможность применения роторных технологических машин для выполнения операций второго класса по классификации Л.Н. Кошкина ( ревьбонарезание, сверление, венкерование и т.п.). .

2). Указаны возможные направления развития конструктивных схем роторных технологических малага для резьбонарезания.

3). Разработаны математические модели для кинематического, силового и энергетического исследования привода шпинделей, необходимые для синтеза привода. Полученные модели позволяют выявить области рациональных значений параметров и области самоторможения. •

4). Разработана инженерная методика синтева привода шпинделей специфичная для оборудования роторного типа.

6). Разработаны математические модели для исследования динамики транспортного движения системы роторов а так же влияния динамических процессов 'технологических машин друг на Друга в установившемся режиме движения.

Основные положения диссертации опубликованы о следующих работах автора:

•1. Корнюхин И.Ф., Крюков В.А., Патин A.A., Инютин А-А. Динамика выбега приводов роторных линий с червячными редукторами., отраслевой журнал "Вопросы оборонной техники ". серия В, "Комплексная автоматизация производства и роторные линий", Москва ЦНИИинформации, Вып. 3-й (82-83), 1992г.

3. Иншин A.A., Корнюхин И.Ф., Привод шпинделей ротора для нарезания резьбы , Сборник научных трудов технология машинной обработки н сборки ТулГТУ Тула 1996 г. .

2. Инютин Л.А, Крюков В.А, Корнюхин И.Ф., Динамика привода автоматической роторной линии с Червячными редукторами. Сборнш: научных трудов технология машинной обработки и сборки ТулГТУ Тула 1996 г. .