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

РИ)

В V»

1 З-ИЮИ 1095

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНЮЕЙН АНАТОЛИЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

СИНТЕЗ ПРИВОДА ШПИНДЕЛЕЙ РОТОРНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН ДЛЯ НАРЕЗАГОШ РЕЗЬВ

Специальность 05.03.01. - Процессы механической ¡г

фгашсотехгакесш! сбраеотки, станки и инструмент.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соис;сан не ученой степени кандидата технических паук

на правах рукописи

Тулаг1995

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

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Корняхин 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 нов предприятие "Сплав".

Защита диссертации состоится ¿3 пеня 1995 г. в часов в !

учебном корпусе, ауд. 101, на ^заседании специализированного со

вета К 063.47.01 Тульского технического университета / 300600

г. Тула, пр. Ленина 92 ,,..

; . -

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

Автореферат разосланмая 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета к.т.н.,-доцент • ' В.И.Феди

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ.

Повышению производительности производственного оборудования 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 резьбоиарезания. Поэтому повышение производительности и качества резьбонарезного производства являются существенным резервом снижения трудоемкости и себестоимости всей продукции машиностроения.

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

Наибольшие возможности повыиекта производительности резьбонарезного производства связаны главным образом с крупносерийшм и массовым производством. В крупносерийном" производстве ваташм резервом повышения производительности является оснащение унтер-сального оборудования специализированной оснасткой. В массовом производстве, как правило, переходят к комплексной автоматизации резьОообрабатывающего оборудования, применении агрегатных стая. ков, роторных и других автоматических линий.

Конкретное содержание диссертационной работы и ее практическая направленность определялись планами работ Тульского государственного технического университета й хоздоговорной работы с ОКТВ "Ротор" (тема N Б6103). Результаты исследования могут бить использованы при автоматизации производства внутренних и наружных резьб тел вращения при массовом и крупносерийном производстве.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

разработка теоретических положений и математического обеспе-. чении для создания на этой основе роторных технологических машин и автоматических линий.для резьбонарезных сйерэлкй, допускающих ' многокрагное- увеличение производительности по сравнению с трзди-

ционно применяемым оборудованием.

Для достижение указанной цели решались следующие основные

задачи:

1. Исследование возможных видов связей между технологическими параметрами резьболарезания,■ 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 реэьбонарезании.

4. Разработка инженерной методики синтеза привода шпинделей.

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

Н А У -Ч Н А Я 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 транспортногб движения с использованием червячных редукторов и выявлены функциональные зависимости позволяющие управлять динамическими параметрами системы в условиях стационарного и переходных режимов ее работы целенаправленным выбором параметров червячных перв-дач. . х . • .

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

I. Обоснованы инженерные методики проектирования привода шпинде-. пей роторных технологических машины для резьбонарезных опера-

ций н привода транспортного движения системы технологичёских машин в составе которого имеются червячные редукторы. 2. Подученнш методики использовались при проектировании технологического ротора для нарезания внутренних и нарушим резьб и расчетов динамических нагрузок в элементах привода транспортного движения роторно-конвейерной линии ЛНКВ-200.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Материалы диссертации докладывались в ОКТБ "Ротор" (г. Тула) в 1992,1993 гг. и на научных конференциях кафедры В'М в 1993, 1994 гг.

ПУБЛИКАЦИИ

.По теме диссертации опубликовано 3 работы.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ

диссертация состоит из введения, четырех разделов, оалаие-ния и перечня использованных источников. Работа содеригс 128 страниц машинописного текста, 23 рисунка, список исподьвовшшых источников из 102 наименований.

GCH0BH0E СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность теш работы и сформулированы "основные положения, еыноснмыо на залету.

ГЛАВА 1. Технологические н конструктивные предпосылки создания роторных технологических маяин для нарезания резьбы,.

В этой главе на основе анализа литературных источников сделан вывод о возможности применения автоматических линий для процессов резьбонареэания, поаволяющ« значительно повысить производительность чанных операций цо сравнения с традиционным оборудованием. Применение данного оборудования позволяет также знача-

цельно сократить требуемые производственные площади.

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

Ограничивакшщм фактором повышения производительности традиционного оборудования является допускаемая скорость резания, и как следствие, проектирование многошпиндельных автоматов и автоматических линий является перспективным направлением повышения производительности для данных операций.

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

Совмещение в одной автоматической линии нескольких этих операций делает применение данного оборудовании наиболее эконома-чески выгодным.

Получена математическая, оависимость, позволяющая определить требуемое число позиций ротора К для нарезания резьбы от ïex-кодсгцческих характеристик резьбовой части и требуемой rpgmbbo-. дительносги.

\/ч

где /1т - требуемая производительность, шт/мин; ¿н - длина траектории линии рез&пш, м; 1,п - расстояние между инструментом и изделием в моменты его приема и выдачи, м; . . - соответственно скорости нарезании резьбы и вывинчивания инструмента, м/мин. Данная зависимость обоснована конструктивно-технологической схемой автоматической линии роторно-конвейерного ■ типа- (наличие позиций ротора располагающихся на участке от линии выдачи до линии приема).

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

нологических машин и транспортных роторов, шаг транспортирующей цепи и т.д. 1

По принятому числу позиций и заданному пагу между ними кокно определить радиус- начальной окружности роторной технологичесгай машины.

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

Выбор шага 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 - венчиль, 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 Мб и М8 мало отличается 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 1

——| '||Г Ф 'I1 3

У

к,. ?17 А л ; 1

Н5,

Л18

Рис.1. Эскиз изделия. ;

- 8 -

2й Не й

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

Схема зацепления Рис.2(в).Схема зацепления

колес колес

С помощью привода шпинделей (рис.2) Ера;дателыгое двихение от колеса 2р передается инструментальным блокам. Реверсирование шпинделей по сюжчанки нарезания резьбы и вывинчивании инструмента обеспечивается муфтой А1 .

Все осевые движения- инструментального блока и Слота ааготов-ки, а такие переключение муфт реверсирования выполняются кулач--ковыми механизмами, расположенными внутри ротора.

Инструментальные головки стационарно закреплены в рабочих позициях технологических мании/ Предметы обработки, закрепленные в блоках заготовок, отделены от технологических мпаин и*монтируются в замкнутом гибком конвейере, огибахвдм технологические машины, и обрабатываются в процессе их транспортирования.

Механизм Н1-21-г2-гз-г4 представляет собой планетарную ступень типа 3Л{ , число сателлитов которой определяется с учетом геометрических условий синтеза (условия сборки и услош я соседства). Для дачной роторной машины принято число сателлитов - 3.

Выбор схемы механизмов Н2-25-28 и Н2-27-?£-79 обусловлен требуемыми видами движений, необходимых по технологии резьбона-резашя (реверс 'исполнительного органа). Оыбор варианта ".ехализ-ма К8-27-^3-29, когда еращение от центрального полиса 2? перелается сразу двум сателлитам 7.9 черев одно колесо 28 обусловлен условием соседства. Порядок синтеза механизмов привода подробно рассмотрен в главе 3.

На рио.З приведена конструктивно-техкологиеокая схема автоматической риторно-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 друг™« колесами-механизма. Передаточные отношения между валом ротора и шпинделями при вывинчивании и при нарезании реаьбы определяются выражениями!

- ■ - '

, Пд ~

Здесь и далее обозначено:

ОЬтомат питания Ротор песемады&ашР . Ротор нарнц/ооЬхи Ротор ЬыЪочи

'КонЬейер передом// КснВе<жр тшо/юш'вс/а/и Рсггф. нарезания/ ^топ нареза 1шя

НоиШер передаче/ перектды&емм

Ррс.З. -Конетрутютвно-техналогутескал схема свтоматгческсй роторной лип»? для нарезания резьбы, и цепного . ттаиспорптрув-цего тоетзйера.

0

1

с-. иАиэт, а = ¿tf 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 выражением:

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

/7? - число позиций роторной машины, в которых сдповременно вывинчивается, инструмент..

Учитывая, что данная схема привода шпинделей содержит замкнутые контуры была проанализировала возможность циркуляции мощности в них и получены интервалы передаточных отношений, в которых циркуляция мощности отсутствует или ке она минимальна.

Определены коэффициенты полезного действия привода при нарезании-резьбы, при вывинчивании инструмента, а такие при выполнении этих двух операций одновременно.

КПД привода определялось методом М.А. Крейнеса, как наиболее удобного при предварительном сравнении и отбраковке различных кинематических схем по КГЩ, следовательно в большей степени отвечающего вадачач решаемым в данном исследовании.

Согласно этому методу КПД передачи для нарезания резьбы и вывинчивании инструмента записывается в внДе:

■Oka = ' П,, - _§L

№ Ш9 > 2?*- (м ■

где Uh$ и (J»6 - кинематические передаточные отношения;

t/vg и tfi/6 - силовые передаточные отношения.

График зависимости и Ьнс от параметров С и ¿/приведен на рис.5. .

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

- 12 -Шб, Инд

4

3

2

< I

0 < ■ 2 3 4 5 С

~6 ~5 -ч -3 -с' -1

Ч С

•2

•з 1

-к

Рис.4. Зависимость передаточных отношений Iч С/щз от параметров С V С/

Ц><Ь, Чнэ

—* — гдажзоня тЬ*г лп

07

0.5

ОМ

о л -

ОЛ

0.1

-ь •-3 0|к г. 3 4 5 $

Рис.5. Зависимость рщ и 2"*от параметров С V С,

Общий КПД ротора определяется выражением: £ -- /jp/ftp , где пр - момент на валу ротора с учетом потерь на трение.

Hp =SMatf-C) ~ШМб (1-й),

здесь Си Сt - силовые передаточные отношения.

С- У* • Q- У'* У®5

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.

Однако кроме этих зависимостей должен быть выполнен ряд дополнительных условий и ограничении, учитывающих конкретные конструктивные особенности, характерные для роторных машин. Все эти условия объединены об одам названием - геометрические условия синтеза.

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

lac, С Rxo Sin £ -fY)6 ; Zd9 <: Ruo Sin ff- -m ■

гце/П$ vi/7?g - нормальные модули зубчатых колес, определяемые из условия прочности передачи; Р& и- угол наклона аубьев передач. Причем следует отметить, что при выборе чисел'зубьев и надо стремиться it 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-Z5-Z6 и H2-Z7-Z8-Z9 определяется выражениями: __ __ ^

Rho -- Й56; Rho = An COS f-+ \/йЛ -{¡78 SCrfjt' ,

где Азб>Д?8 и flSQ - 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:

р^ а гссо$ 1716 (?5+7в) ,

2 К НО

При использовании прямозубых передач коэффициенты смещения центральных колес определяется выражениями:

. inv (QUCOS meC0Sd(Z5+Ze)j

Хб = • ^

'

/ ____ГПдСО^Ъ+^в)_ |

""Г*

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

Исходными параметрами для синтеза механизмов привода являют-• ся:х '

- 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 шпинделей получаемые для конкретного изделия.

Выходными параметрами синтеза являются:

- модули всех колес;

- числа зубьев колес;

- число сателлитов для механизма К1-21-г2-гз-21;

- углы на!слона или коэффициенты смешения зубчатых колес.

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

Одним из основных структурных элементов, во многом определяющим конструкцию, качество- и надежность работы всей автоматической линии в целом, является привод вращательного двкл-юлия рабочих мааин. На сегодняшний день наиболее распространенной является схема привода с использованием одной или нескольких червячных передач, поэтому большое внимание в данной рабохэ уделяется динамике привода транспортного движения.

Учитывая, что технологические группы потребляют мощюсть з неуравновешенном виде применение червпчких передач благоприятно сказывается на динамике привода липка в установившемся двинени», т.к. препятствует распространен!!» крутильных колебаний от одной технологической Группы к другой.

Однако при переходных процессах, особенно в режиме выбега, при определенном соотношении моментов инерции масс, связанных с червяком и червячным колесом и конструктивных параметров червячной передачи, динамические нагрузки, возникающие в ней, приведут к ускоренному износу и даже к поломке элементов привода. Особенно это характерно для с&чотормовяиихся червячных передач.

Кроме того, роторная линия состоит обычно из нескольких технологических групп, вращение ютдой из них передается отдельным червячным редуктором. Обычно все они одного типа, но встречаются аатомат1пеские.линии с различными редукторами для кавдой технологической группы. Из всего вынеиэложенного очевидна необходимость дииа>т, .¡кого исследования прг'вода роторной линии с. несколькими червячными передачами и их вваимного влияния друг на

друга. Особенно это актуально для автоматических линий содерда-вдм роторы с небольшими технологическими усилиями (ротора контроля; маркировки и т.д.) и для роторов'со значительными приведенными моментами инерции подвижных частей.соединенных с червячным колесом редуктора.

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

Сопоставление дияа&ических и технологических сил в червячной передаче производилось с помоцью коэффициента динамичности.

Коэффициент динамичности для червячной передачи определяется

- /

выражением ГЙ-

У

¡1« ^ >

Уи и>2 /

Результаты исследования коэффициента . динамичности привода содержащего одну червячную передачу'в аависимости от соотношения моментов инерции масс соединенных с червячным. колесом и черы;;юы а такке от конструктивных параметров самой передачи ( коэффициента диаметра червяка ) представлены на рис.6

Анализируя полученные результаты шию определить границы со-отноиения моаеитов инерции »адгда коэффициент динамичности

превышает единицу, т.о. при расчете червячных передач необходимо учитывать динамические нагруакн возникавшие в ней при переходных процессах..

Ук/1ч > 0,1 ШШ для /1>р

• 2«/7ч >0,4 иц и,2 для /¡>Р

Ук/7ч < Ш для УС/12

где 4 - угол подъема линии .витка червяка на начальном цилиндре; - приведенный угол трения.

Динамика трансмиссии роторной линии с тремя червячными редукторами рассматривалась в целях получевня функциональных эави-сниостей вваишюго влияния технологических групп друг ьд друга и

/

1 ! 1 • 1

1 1 • /

* 1 / •

| I 1 / (

I \ / /

| ш - № 1200 \ •• / Ч -¿&ю 3200 ЗШ Ш к

« —• VI. * *

ч

ч \

* • и-* у

1 ) / 4 *

I 1 ■■ 1 / 1

Передаточное отношение редуктора = 40, ' г ' "р- для ф = 8 , --«•для

—'. — для з

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 /7 червячными редукторами определяются выражениями:

Л,*

/ т -Ю. 1 £/%л

Ы УоШиос % // иос\. * У

^ в % °° $ ^ С/о ¡¿Гд

У " 7/ *

и ¿г--'<■ _

где П - число редукторов;

^ - порядковый номер редуктора;

Зс - момент инерции червяков вместе с присоединенными к ним массами;

Ус - момент инерции < -го червячного колеса вместе с присое диненными к нему.кассами: ¿/оС- кинематическое передаточное отношение I -го редуктора; Оо1 - силовое передаточное отнощение^-го редуктора определяемое выражением:

где А'- делительный радиус червячного колеса;

ХС - делительный, радиус 'червяка.

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

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1). Изучение процесса реоьбонаресания позволило установить возможность применения роторных технологических машин для выполнения операщй второго класса по классификации Л.Н. Коа-кина ( реаьбокарезанйе, сверление,' зенкерование и т.п.).

2). Указаны воэжжныв направления раэпитил конотруктганых схем роторных технологических мапзш для резьбонарез&чвд.

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

4). Разработана гашвнерлая методика синтеза привода шпинделей специфична! для оборудования роторного типа.

6). Разработаны математические «одели для исследования динамики транспортного движения система роторов а так влияния динамических процессов'технологических машкн друг на Друга з установивсексл редкие движения.

Ооновные положения диссертации опубликованы в следующих работая автора:

■1. Коршзхнн И.О., 1'рпков 6.А., Пашия A.A., Иншин A.A. Динамика выбега приводов роторных линий о червячными редукторами., отраслевой дурная "Вопросы оборонкой техника ", серия В, "Комплексная автоматизация производства м роторные линий", Москва ЦНКИинфоркации, ВЫП. 3-й (82-83), 1992г.

3. Ишоиия A.A., К0р?йшнз И.й., Привод ипинделей ротора для нарезания резьбы , Сборник научных трудов технология машинной обработки и сборка ТуяГТУ Тула 1995 г.

2. Йшвин А. А, Крюков В. А, Корнюхки И.Ф., Динамика привода автоматической роторной линии с червячными редукторами. Сборни;: научных трудов технология малинной обработки и сборки ТудГТУ Тула 1996 г.

Подтесано it птъщ 18.05,55. íopuas Öjuara 60¡¡£4 I/16, Bj'uara sanorp, b 2,0»сй5.иоп.Уоя.иеч.лЛ,09.Уч.-изд.д.О,95. Тирак 100 age. Заказ ß

Издано г хдоошш гооударсАВвшнш зехяичеокии универаи®в1е. Тулз,ул,Баадияш? I5l, Ониечбмио на розапринта » ТяеЭД.