автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Совершенствование процессов обработки зубчатых колес за счет конструкторских и технологических параметров

Актуальность темы. Зубчатые колеса являются и будут оставаться в будущем одним из основных элементов машин и механизмов. Область их применения очень широкая. Они используются в автомобилестроении, тракторостроении, станкостроении, авиастроении, космической технике и других отраслях машиностроительной промышленности.

Технология производства зубчатых колес является одной из сложных и проблемных задач, требующих наличия специального дорогостоящего оборудования, технологической оснастки и специалистов высокой квалификации. Совершенствование технологических процессов, в части решения проблемных вопросов повышения качества и производительности обработки, стойкости режущего и деформирующего инструментов, сводится не только к анализу и обобщению мирового опыта, но и к необходимости постоянного проведения теоретических, экспериментальных исследований, с учетом различных условий производства зубчатых колес. Поэтому данная работа направлена на решение актуальной научной проблемы, имеющей народно-хозяйственное значение.

Цель работы. Целью настоящей работы является достижение высокого качества и производительности обработки зубчатых колес с заданной стойкостью металлообрабатывающего инструмента за счет рациональных конструкторских и технологических параметров обработки, с учетом различных условий машиностроительного производства.

Общая методика исследований. Результаты работы получены на основе теоретических, экспериментальных лабораторных и производственных исследований. При этом использовались фундаментальные научные положения технологии машиностроения и технологических систем. Разработанные теоретические положения подтверждены экспериментальными исследованиями, которые выполнялись с использованием современного автоматизированного оборудования в лабораторных условиях и ме-ханообрабатывающих цехах машиностроительных предприятий. ■"■""" " ¡предложены ос

1ти изготовления ; и технологичешающих производительность и качество рабочих поверхностей зубчатых колес; обеспечить равномерность распределения нагрузок между рабочими элементами инструмента и другими поверхностями; рассмотреть с единых позиций способы воздействия рабочих элементов инструмента на обрабатываемый материал на основе предложенной классификации качества деталей; разработать новые конструкторско-технологические решения и наметить пути совершенствования технологических систем производства зубчатых колес, включающих в себя оборудование, инструмент и приспособления, используемые при протягивании и прошивании цилиндрических, шпоночных, прямоугольных, трапецеидальных и эвольвентных шли-цевых базовых отверстий, а так же протягивании, фрезеровании, шевинговании и прикатывании зубьев колес.

Практическая ценность работы заключается в:

1. Расширении технологических возможностей черновых и чистовых процессов обработки рабочих поверхностей зубчатых колес,

2. Разработке и внедрении высокоэффективных конструкторских и технологических решений, методик проектирования элементов технологической системы производства зубчатых колес.

3. Разработке и внедрении технологических процессов, использование которых на автомобилестроительных заводах позволило высвободить порядка 50-и единиц оборудования, повысить качество, производительность и стойкость инструмента.

Реализация результатов работы. Результаты работы реализованы на десятках операций при производстве зубчатых колес на AMO ЗИЛ, АО "Москвич", Владимирском тракторном заводе, МСПО «Красный пролетарий», а также на других предприятиях машиностроительной промышленности. Большая часть разработок выполнена на уровне изобретений. Полученные результаты включены в стандарты предприятия, РТМ, учебные пособия и книги, которые используются конструкторами и технологами машиностроительных предприятий и в учебных процессах многих технических ВУЗов и колледжей России и СНГ.

Апробация работы. Результаты работы доложены на более чем 50 научно-технических конгрессах, симпозиумах, конференциях в РФ и за рубежом.

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 100 научных трудов, в том числе 2 монографии, 3 учебника, 23 изобретения и более 20 методических разработок.

Личный вклад автора. В диссертации представлены результаты участия в разработке крупных научно-технических программ, выполняемых по планам ГКНТ, целевой комплексной программы Минвуза РСФСР «Разработка и внедрение прогрессивных методов обработки в машиностроении», межвузовской научно-технической программы «Ресурсосберегающие технологии машиностроения», отраслевым планам НИР Минавто-сельхозмаша, планам научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ ЗИЛа и других предприятий и учреждений машиностроительной промышленности за период 1970-2001 гг.

Доля творческого участия автора в работе составляет более 70%.

Работа выполнена при научной консультации заслуженного деятеля науки, проф., д.т.н. О.В. Таратынова.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования

На протяжении всего периода развития машиностроительной промышленности одной из наиболее сложных проблем остается обеспечение возрастающих требований к качеству и производительности обработки, а также стойкости инструмента в соответствии с новыми международными стандартами. Значительными достижениями машиностроительное производство обязано основополагающим работам отечественных ученых: С.Н. Калашникова, Г.И. Когана, А.И. Петрусевича, Л.Н. Решетова, Б.А. Тайца и многих других, заложивших фундаментальные основы зубчатых зацеплений, технологии их обработки, составивших научную и методическую базу современного производства. Работа Б.М. Базрова, Б.С. Бал актина, А.И Каширина, В.М. Кована, И.М. Колесова, А.П. Соколовского, В.А. Кудино-ва, A.A. Маталина, П.И. Ящирицына и других ученых позволили раскрыть проблемы производительности и качества обработки изделий в машиностроении.

В развитие методов обработки резанием и холодным пластическим деформированием большой вклад внесли ученые: A.M. ДальскиЙ, М.И. Клушин, В.Н. Подураев, Ю.Г. Проскуряков, O.A. Розенберг, Я.Г. Усачев, Ю.Г. Шнейдер и другие ученые. В трудах В.А. Аверченкова, A.A. Вавилова, В.А. Гречишникова, Н.М. Капустина, С.Н. Корчака, Ю.М. Соломеные-ва и других заложены основы проектирования технологических процессов и достижения точности обработки различными методами. Изучению и совершенствованию методов обработки посвящены работы: В.И. Апраксина, A.M. Вульфа, М.Б. Гордона, Г.И. Грановского, A.M. Кузнецова и других ученых. Задачам совершенствования механообрабатывающего оборудования посвящены работы Аверьянова О.И., Бушева В.В., Кудинова A.B., Левиной З.М., Проникова A.C., Тарамыкина Ю.П., Черпакова Б.И. и других ученых.

Однако, несмотря на выполненные работы, в научно-технической литературе практически отсутствуют обобщения и анализ последних достижений в области технологии производства зубчатых колес, не уделено должного внимания проработке актуальных вопросов совершенствования , технологических операций и раскрытию их потенциальных возможностей, в особенности применительно к комбинированным способам воздействия на обрабатываемый материал и эффективного их использования в условиях современного производства. Нет обоснований, методик и технических решений, способных с наименьшими затратами проводить экспериментальные исследования новых конструкций инструментов в зависимости от различных условий производства зубчатых колес.

Анализ научных работ показал, что процессы протягивания базовых отверстий и зубьев колес, зубофрезерования, зубошевингования и холодного зубоприкатывания остаются доминирующими, но еще недостаточно изученными процессами.

Наиболее сложными и ответственными процессами изготовления зубчатых колес являются черновая и чистовая обработки рабочих поверхностей базового отверстия и зубьев колес.

Для достижения сформулированной в работе цели необходимо решить следующие задачи:

1. Систематизировать и обобщить имеющуюся в мире информацию по конструктивным и технологическим решениям и проблемам изготовления зубчатых колес с выявлением наиболее перспективных технологических процессов с точки зрения повышения качества и производительности обработки, а также стойкости дорогостоящего инструмента.

2. Провести теоретические и экспериментальные исследования предлагаемых новых эффективных конструктивных и технологических решений для различных условий машиностроительного производства в области протягивания цилиндрических, шпоночных, прямоугольных, трапецеидальных и эвольвентных шлицевых базовых отверстий, протягивания, фрезерования, шевингования и холодного прикатывания зубьев колес.

3. Провести разработку и осуществить внедрение новых эффективных технологических процессов обработки зубчатых колес.

4. Разработать рекомендации по дальнейшему совершенствованию конструктивных решений и технологических процессов, направленных на повышение стойкости инструмента, качества и производительности обработки зубчатых колес.

2. Комплексный подход к теоретическому и экспериментальному исследованию методов обработки зубчатых колес 2.1. Методическая основа исследования

Достигаемый уровень качества обработки зубчатых колес рассматривался в основном в зависимости от конструктивных и технологических параметров, а также условий обработки, которые в четырех блоках показаны на рис. 1. В свою очередь каждый из показателей условий обработки оценивался по уровню значимости. С целью достижения требуемого параметра качества рабочей поверхности зубчатого колеса оценивалась вся цепочка взаимосвязанных операций (рис. 2). Поэтому, одной из задач исследования была оценка влияния исходных показателей точности и качества поверхностного слоя обрабатываемой поверхности на достижимые, на базе которых строился вариант технологического процесса (ТП) от исходной заготовки до зубчатого колеса. Основные теоретические положения и выводы проверялись экспериментально, определялась область применения ТП, затем в производственных условиях уточнялись и оценивались преимущества разработанных решений над базовыми.

Управление ТП машиностроительного производства представляет собой сложный взаимосвязанный информационно-энергетический процесс, обеспечивающий изготовление изделий с определенной производительностью при заданном качестве [7,3,10, 2, 5,1,4, 61,64, 65].

В свете поставленных задач, используя методологию системного анализа, ТТ1 рассматривается как сложная система V (К е Т), состоящая из ряда подсистем. Например, технология производства изделия в целом (макроанализ) и одновременно как совокупность более простых систем -технологических и вспомогательных операций 01 {(). е Т,( = 1,г) - микроанализ. Структура объекта производства определяется путем представления рассматриваемой системы V в виде множества подсистем О,.

Далее выявляется система взаимосвязи между входными и выходными параметрами (откликами), оценивается влияние условий производства, решается задача синтеза математических моделей объекта исследования. В начале ТП исходные заготовки имеют начальный уровень качества в/где ау -1 -й параметр у-го полуфабриката, материала (03), / = 1,2,.,«; у =1,2,.,/?/.

Находясь под воздействием условий производства^,,,исходные параметры претерпевают последовательные преобразования. Среди воздействующих факторов имеется ик управляемых и неуправляемых. После завершения ТП, изделие будет обладать уровнем качества Ое отличным от начального уровня (¿,:

Для удобства исследований ТП представлены в виде определенной совокупности и последовательности функциональных блоков, модулей, рабочих циклов, генерирующих определенную информацию об изменениях параметров заготовки, находящихся под воздействием управляемых факторов технологической системы и неконтролируемых случайных дестабилизирующих воздействий. Для каждого рабочего цикла можно записать:

У] =/(>•/>«,,£,)' У, где: у,-,уруа-заготовки зубчатых колес с уровнем качества соответственно, и1,и;,иа, управляемые и неуправляемые факторы соответственно; у - зубчатое колесо с уровнем качества Оа.

Относительное изменение уровня качества, реализуемое данным блоком:

О) =(уя - >'7-кю0%1, а =()->„) VI00%

Расчлененность процесса на функциональные блоки А1,А2,.,Ак позволяет получить структурное представление о местах формирования новых процессов.

Последовательность изменения свойств заготовки может быть представлена траекторией точки в (к +1) - мерном пространстве состояний от некоторого начального А до конечного состояния В. Каждое из этих состояний характеризуется конечным числом параметров и их значениями, последовательность изменения которых можно представить как соответствующие ориентированные графы. Причем ребра этих графов gl указывают на наличие изменений 1-х параметров на ]-х этапах функционирования технологического процесса и условий обработки.

Межоперационный ТП может быть представлен некоторой последовательностью изменения параметров, формируемых на предшествующих и последующих операциях. Определенная исходная заготовка зубчатого колеса (/, имеющая комплекс свойств изделия, в процессе реализации изменяется от некоторой совокупности исходных значений р\,Ь[,.,Ь1) до конечных (/>'). Общее число передаваемых свойств может быть представлено уравнением: < , / I ** ' ; ) ; где число ребер, входящих в вершины графа ( /=1,2,.,«); е. ¡- число ребер, выходящих из вершин графа.

Такое отображение ТП позволяет получить структурное представление о местах формирования качественных свойств рабочих поверхностей зубчатых колес и в конечном итоге целенаправленно искать пути его совершенствования, повысить наглядность представления последовательного изменения параметров заготовки и проводить количественную оценку степени влияния предыдущих параметров на последующие изделия в целом.

Таким образом, исходная заготовка зубчатого колеса, находясь под воздействием оборудования, инструмента и условий ТП, претерпевает изменения до момента получения детали с заданными параметрами.

Использование данной математической модели ТП позволяет оценить долевой вклад каждого операционного процесса в суммарное изменение качественных параметров зубчатого колеса [31,2,8].

Комплексное совершенствование элементов технологической системы включает оборудование, инструмент, зажимные и контрольные приспособления. С учетом поставленных задач был проведен анализ токарных, сверлильных, протяжных, зубофрезерных, зубошевинговальных станков и их наладок [3, 6, 7, 8, 27]. Наименее изученной и наиболее сложной кинематической схемой формообразующих систем обладает зубофрезер-ное оборудование, поэтому анализ процесса формообразования проводился на его базе. Кинематическая система станка рассматривалась на основе графа, с помощью которого возможно достаточно полно отобразить изучаемые свойства процесса и построить энергетические потоки, циркулирующие в кинематической структуре функциональных подсистем, и связь между ними.

Все многообразие кинематических систем станков группировалось по следующим признакам: замкнутые с механическими связями между функциональными подсистемами, замкнуто-разомкнутые с механическими связями дифференциального и бездифференциального типа и разомкнутые без механических связей между функциональными подсистемами. Показано, что бездифференциальная настройка в сочетании с регулируемыми приводами в функциональных подсистемах позволяет создавать кинематические структуры с уменьшенным количеством узловых точек, механически замкнутых кошуров. повышенной жесткосш и точности [72. 27. 19. 8. 37].

Основные исследования проводились на насадных, одновенцовых, среднемодульных, эвольвеитных, цилиндрических прямозубых, косозубых, конических прямозубых, стальных зубчатых колесах, с внешними зубьями, без ступицы и со ступицей, с цилиндрическим, шпоночным, прямоугольным, трапецеидальным и эвольвентным базовым отверстием с модулем от 2 до 6 мм, диаметром до 350 мм, шириной венца до 60 мм, числом зубьев до 50, выполненных из стали 35, 30Х, 35Х, 40Х, 45, 18ХГТ, 25ХГТ, 25ХГМ, 12Х2М4А, 12ХНЗА, 7.8 степени точности. В зависимости от требований к зубчатым колесам окончательной (финишной) операцией могут являться черновая или чистовая обработка зубьев колес; постоянными остаются только процессы обработки базовых поверхностей. Физико-механические свойства исходных заготовок и методы их получения принимались как заданные [1,2, 3, 10, 25].

Вспомогательные поверхности, не влияющие на общий порядок построения технологического процесса, в частности наличие уступов, выточек и т.д., в данной работе не учитывались.

На основе теории построения методов обработки были разработаны классификационные модели процессов обработки зубчатых колес с учетом их конструкторских и технологических особенностей, схем обработки, способов воздействия факторов, оказывающих влияние на качество, производительность обработки и стойкость инструментов, применяемых на основных операциях производства зубчатых колес.

В процессе исследований оценивались статические и динамические характеристики методов обработки, определяющие взаимодействие инструмента и заготовки, а также кинематические, определяющие форму обрабатываемой поверхности. Учитывая сложность и разнообразие методов и способов обработки зубчатых колес, классификационные модели расчленялись на более простые без потери свойств связи, организации и интегра-тивных качеств. После выбора метода и способа обработки с помощью функциональных моделей, структурных матриц и фактографических графиков определялись перспективные направления исследований в области совершенствования черновой и чистовой обработки базовых поверхностей и зубьев колес [7, 2, 10, 68]. При построении функциональных структур технических решений использовался блочный принцип, формируемый по технологическим признакам. Во всех случаях проводилось ранжирование факторов в порядке их значимости. В частности, в результате данных исследований была выявлена взаимосвязь формы и расположения рабочих элементов инструмента с качеством формируемого профиля [40, 9, 13, 18, 25, 68, 70, 91, 86, 88]. Критериями были выбраны точность, качество поверхностного слоя, производительность обработки и стойкость инструмента, а для оценки прямой технологической наследственности - точность и шероховатость обрабатываемой поверхности.

2.2. Технологические процессы обработки зубчатых колес, основанные на способе обработки деталей со снятием и без снятия металла

Повышение точности и качества рабочих поверхностей зубчатых колес определяется методом обработки, функционально зависящим от расположения и направления рабочих элементов инструмента, условий обработки, исходных и достижимых показателей качества при переходе от одного метода обработки к другому.

Проведенные исследования позволили сделать вывод о существенном влиянии на качество и производительность обработки формы, расположения и взаимодействия режущих и деформирующих рабочих элементов инструментов. В частности, установлена возможность реализации условий формирования эвольвентного профиля деформирующими элементами качения. Установлены также степень влияния жесткости технологической системы и погрешности базирования заготовки и инструмента. Например, при протягивании базового отверстия заготовка базируется на венцовый торец, что увеличивает его жесткость, хотя в этом нет никакой необходимости. В то же время, при коэффициенте жесткости ступицы менее 2,5.3, базовое отверстие копирует конфигурацию заготовки, а микронеровности со стороны ступицы увеличиваются на 23. .28%.

Предложены пути по уменьшению радиальных деформаций заготовок со ступицей путем распределения усилий обработки и увеличения жесткости ступицы в 1,3.1,5 раза [40,9,17,2].

Определены условия возникновения неопределенности базирования, раскрыты пути повышения точности центрирования инструмента на операциях сверления и протягивания базового отверстия, фрезерования и шевингования зубьев колес [63,10, 18, 3,6, 7,9,46].

Предложено пересмотреть некоторые положения теории базирования в области понятая неопределенности базирования и классификации схем обработки в области рациональности их применения. Установлено, что повышение производительности обработки при круговом протягивании и фрезеровании эффективно решать на базе увеличения длины обрабатываемых поверхностей, а при осевом протягивании и шевинговании - за счет уменьшения рабочего хода инструмента. Повышение стойкости инструмента в значительной степени связано с колебанием твердости материала заготовки и равностойкостью всех его рабочих элементов.

Заслуживает внимания направление повышения стойкости режущего инструмента путем нанесения износостойких покрытий. Однако из-за переточек эффективность данного решения снижается, в частности это относится к шеверам. В работе проводилась оценка влияния СОТС на процесс обработки и стойкость инструмента с учетом стабилизации условий формообразования стружек и условий самоочистки от нее инструмента.

Смазывающие свойства СОТС значительно улучшаются, если в ее состав входят поверхностно-активные вещества, так как при этом возрастает теплота адсорбции и прочнее становится связь между молекулами СОТС и поверхностью срезаемых стружек. Давление поверхностно-активных веществ влияет на ползучесть и усталость поверхностного слоя металла, а следовательно, и на условия формообразования стружки, что особенно заметно при снятии тонких стружек при протягивании и шевинговании.

Влияние СОТС и других параметров, оказывающих влияние на процесс обработки, сказывается на формообразовании стружки, анализ которой позволяет в определенной мере комплексно оценить условия обработки заготовки.

Предложены варианты повышения эффективности вымывания стружки из зоны резания и самоочистки инструмента от нее, кроме того, предложено устройство для более точного контроля технологических свойств СОТС, применяемых при резании и пластическом деформировании [76,85, 52, 2, 71, 18].

В связи поставленными задачами рассмотрено влияние конструктивных и технологических факторов на всех основных этапах обработки зубчатых колес, с использованием при этом принципа суперпозиции и при внимании к процессу образования стружки. С учетом многообразия факторов, влияющих на форму срезаемых стружек, возникла необходимость в выборе доминирующих факторов. Расчетные модели суммарных отклонений в расстоянии между инструментом и обрабатываемой поверхностью можно представить в виде следующей системы уравнений:

АС, =/(/,)

АС, =/(/,)

АС, = /(/,.)

АО, =/(/,")

ЛЕ>2 =/(//) Щ =/</*").

АА>/(./ ,. )| где &С:,АК 1-,АОк - соответствующие отклонения замыкающего звена, исполнительной поверхности от действия каждого из единичных факторов /и 4, приведенных в классификации способа обработки.

Например, на кривизну стружек при токарной обработке, сверлении, зенкеровании, протягивании, фрезеровании, шевинговании существенное влияние оказывают физико-механические свойства обрабатываемого материала, СОТС и другие факторы.

В качестве допущений, обрабатываемый материал рассматривался как изотропный, а технологическая система абсолютно жесткой; в каждый рассматриваемый момент времени инструмент формирует объем металла, соизмеримый с глубиной его внедрения; форма режущей кромки инструмента учитывается соответствующим коэффициентом Кф. Например, при токарной обработке сном, Рх и Р2, действующие на обрабатываемую поверхность, определяются по формулам: • Тм ■ (вшу + /л ■ сову) sin <9[(1 - ¡л-/л )-cos {у + в)-(/и + fj ) • sin(r + 0)]' f-Tv(siay-ju-smy) sin 6>[(1 -//•//)• cos(y, + 9) - {ц + fi ) • siníx + 9)] где /- поперечная площадь резания, (//sin9- площадь скалывания стружки); rv -максимальные касательные напряжения, возникающие в плоскости скалывания; у - фактический угол резания; 0 - угол, характеризующий направление плоскости скалывания; р - коэффициент трения царапания рабочего элемента инструмента по обрабатываемой поверхности; ц - коэффициент внутреннего трения деформируемого металла в направлении плоскости скольжения.

Для нахождения угла, характеризующего направление плоскости скалывания 0, оценивается связь между прикладываемой силой Р2 и радиусом очага пластической деформации гпд, т.е.: ctg9 = $ 1 ]¡Ж-S-Kc где К сопротивление сдвигу, соответствующее началу пластической деформации.

Длина снимаемой стружки /и ее кривизна Кр могут быть рассчитаны из следующего дифференциального уравнения: d'S di

1 di2) V d h dl

6Kv-S-TMctg9 Kcmp ' t "Г где Кстр - коэффициент, учитывающий эквивалентность перераспределения энергии, затрачиваемой на отделение стружки и ее формообразование, Кя -коэффициент, учитывающий твердость обрабатываемого КЛЦ и режущего KXh материалов (Км = Кщ • ).

Коэффициент Кстр является комплексным, т.е., стр = Кф ' кСОТС ■ KRa> где Кф - коэффициент, учитывающий форму режущей кромки;

-влияние СОТС; KR -исходная шероховатость обрабатываемой поверхности. л-к =^. где я - высота микронеровностей на поверхности стружки, определяемая глубиной резания Кац - соответственно определяемые продольной подачей 5.

Значения коэффициентов определены экспериментально.

В свете решения проблемы повышения качества обработки и стойкости инструмента для условий протягивания и зубошевингования процесс образования стружки рассматривался с целью обеспечения условий ее гарантированного удаления из зоны обработки.

Исследования способов воздействия без снятия материала проводились при применении ТП протягивания, прошивания и калибрования базовых отверстий и холодной прикатки зубьев колес.

Решение проблемы повышения производительности обработки и стойкости инструмента также в значительной степени связано с усилиями обработки. В частности, при аналитическом описании взаимосвязи величины и характера распределения нагрузок на рабочей поверхности деформирующих элементов инструментов, например цилиндрических, представляет собой набор из дисков, диаметры которых изменяются в соответствии с заданной формой профиля. Радиальная нагрузка I) на каждом диске толщиной Ь представляет собой результирующее усилие, которое принимается распределенным по длине образующей равномерно. Радиальное перемещение Ьт 1 соответствующей точки 1-го диска под действием силы I] при соответствующих значениях /л,Е (коэффициента Пуассона и модуля упругости материала диска) определяется по формуле: и \ZJL.ELIl ' Е Ь ■

Радиальные напряжения <тг на внутренней поверхности контакта оболочки с каждым диском определяется из отношения а =£. Данная методика позволяет включать в расчетную схему несколько одновременно находящихся в работе элементов, расположенных на определенном расстоянии друг от друга [23, 10, 2,1,9].

Принцип разделения способов воздействия без снятия материала основывался на формировании рабочего профиля элементами качения и скольжения, при полнопрофильной и прерывистой обработке. В соответствии с функционально-теоретической моделью формообразования поверхностей наиболее эффективным условием повышения качества обработки в большинстве случаев является снижение припуска, что влечет за собой необходимость в обеспечении соответствующих условий предварительной обработки.

Установлено, что наиболее эффективным является выдавливание металла прерывистой поверхностью в виде шлицевых пазов с постепенным их уширен ием до полного профиля за счет изменения направления действия усилий обработки, формы и схемы чередования рабочих элементов, при этом усилие на смятие выступов уменьшается в 1,4. 1,6 раза.

Стабильность качественных показателей процессов без снятия материала в значительной степени зависит от решения проблемы наростооб-разования на рабочих элементах инструмента. Как показали экспериментальные исследования, применение при протягивании деформирующих элементов качения обеспечивает наиболее интенсивное сближение продольных и поперечных микронеровностей, полученных при лезвийной обработке.

С увеличением припуска площадь контакта увеличивается на заборном и уменьшается на обратном конусе. С уменьшением угла наклона и увеличением длины ленточки увеличивается площадь контакта и снижаются радиальные нагрузки. Для обеспечения равномерного деформирования по глубине поверхностного слоя можно исключить обратный конус деформирующего элемента, что позволяет одновременно с решением задачи по интенсификации процесса обработки, обеспечить снижение затрат на материал, уменьшение шага, а следовательно, длин инструмента и производительности обработки [6,24,38, 33,36,62,58,64, 66,84].

2.3. Комбинированный способ обработки зубчатых колес

Теоретической и экспериментальной базой совершенствования способов комбинированного воздействия на обрабатываемый материал являлись результаты исследований со снятием и без снятия материала. Комбинированные способы воздействия были разделены на следующие группы: режуще-деформирующие, деформирующе-режущие, режущедеформирующе-режущие, с нанесением, без нанесения и частичным нанесением износостойких покрытий [6, 83,61,64].

Для шпоночных и шлицевых базовых отверстий схемы обработки разделялись в зависимости от способа центрирования и наличия фасок.

Определение площади контакта деформирующих элементов качения с обрабатываемой поверхностью может производится по формуле: где: К коэффициент, учитывающий деформации материала заготовки; У,У\,У2~ параметры производной нижней и верхней точек контакта деформирующего элемента с обрабатываемой поверхностью соответственно; рч,р„-радиус деформирующего элемента и шлица соответственно; у -расстояние от оси инструмента до центра деформирующего элемента.

Диаметр деформирующих элементов целесообразно выбирать минимально возможным, при этом наличие цапф позволяет повысить их стойкость в 3.5 раз. Смещение деформирующего элемента в радиальном направлении можно оценить.по формуле:

171 >

180 180 - . ,180 ! сое— «»2— СО&2Ш -1)— М М К ), ату--^Ы2-со$гу где Р,: -радиальная сила, Роп - радиус оправки, Е - модуль упругости, I расстояние между рядами деформирующих элементов, у - угол между осью прикладываемой силы и крайней точкой, вызванной деформации на наружной поверхности оправки, М - количество рядов деформирующих элементов, N — величина отношения внутреннего и наружного диаметров оправки.

Наиболее эффективной можно считать деформирующе-режущую схему обработки цилиндрических базовых отверстий для условий обработки исходных заготовок, режуще-деформирующую при обработке шпоночных и шлицевых базовых отверстий и зубьев колес по предварительно обработанной поверхности [2,25,38,10, 79].

С помощью применения метода конечных элементов и фотоупругости были решены задачи по повышению стойкости инструмента за счет перераспределения усилий из наиболее нагруженных зон в менее нагруженные [55,87,4, 23,74,61,66,40,87, 80, 86].

Практическая реализация теоретически разработанных схем обработки резанием или пластическим деформированием в случаях формирования нестандартного профиля сдерживалась ограниченными возможностями традиционной технологии производства инструмента. Использование метода электроэрозионной обработки позволило решить поставленные задачи. В частости, были определены режимы резания при электроэрозионной обработке деформирующих элементов протяжек, а также производстве шеверов и накатников [7, 2,18,10, 14,41].

2.4. Особенности ТП обработки зубчатых колес с использованием способа нанесения мат ериала на рабочие поверхности инструмента

С точки зрения повышения стабильности показателей качества процессов обработки и стойкости инструментов, нанесение износостойких покрытий является эффективным решением для большинства применяемого инструмента. В меньшей степени это относится к шеверам и накатникам, в большей - к деформирующим элементам протяжного инструмента [62,64,2,6].

Исследования проводились при применении процессов протягивания базовых отверстий и зубьев колес способами воздействия со снятием, без снятия материала и комбинирования. Предложено заменять твердосплавные элементы инструмента на выполненные из быстрорежущей стали с износостойкими покрытиями, а на элементах скольжения, работающих при натягах до 0,3 мм, наносить промежуточные покрытия, рабочие слои которых состоят из титана и нитрида титана. При этом в самых неблагоприятных условиях отработки исходных заготовок стойкость инструмента повышается в 1,5.2 раза [61,10, 65,60].

При наплавлении твердого сплава на деформирующие элементы скольжения было установлено, что способность сопротивляться разрушению на границе наплавленного и основного материала в значительной степени зависит от формы профиля канавки под наплавленный материал. Когда граница наплавленного и основного материала проходит по траектории максимальных нормальных напряжений, обеспечивается наибольшая прочность соединения.

Экспериментальными исследованиями было установлено, что траекторию главных напряжений с достаточной степенью приближения можно заменить эвольвентной. Установлено, что применение износостойких покрытий нитридом титана позволяет повысить стойкость деформирующих элементов протяжек в 1,5.2 раза, режущих - в 3 раза, снизить усилие обработки до 15% [83,61,79, 33,35, 70,9,10].

3. Расширение технологических возможностей процессов черновой и чистовой обработки базовых поверхностей зубчатых колес

Первые технологические операции обработки зубчатых колес всегда направлены на формирование базовых поверхностей (рис. 3).

При обработке заготовок с предварительно несформировашшм базовым отверстием первой технологической операцией является сверление. Отсутствие альтернативного решения вынуждает машиностроителей предъявить к этому процессу повышенные требования в рамках технологической наследственности качественных показателей обработки колес. При сверлении на качество базового отверстия оказывают влияние конструктивные и технологические решения, схемы базирования заготовки колеса и инструмента, прямолинейность и радиальные биения спиральных сверл. Для решения этих задач были предложены конструктивные и технологические решения, обеспечивающие повышение качества обработки за счет снижения погрешностей базирования сверл в процессе обработки и изготовления [28,6, 9].

После операции сверления последующая обработка цилиндрического базового отверстия может осуществляться с помощью токарной обработки. Проведен анализ вариантов обработки базовых поверхностей колес, с точки зрения обеспечения перпендикулярности торна и отверстия. Как показали исследования, с увеличением длины базового отверстия роль торца как базы снижается, что указывает на необходимость пересмотра существующего подхода к назначению допусков на биение торца, учитывающих длину базового отверстия. Предложены варианты повышения качества обработки заготовок при токарной обработке [6,8,5,1,2,10].

Наиболее перспективным вариантом обработки цилиндрических базовых отверстий является протягивание, так как оно способно заменить технологические операции, как со снятием, так и без снятия материала, (зенкерования и раскатывания), Цилиндрическое базовое отверстие может обрабатываться режущим, деформирующим и комбинированным инструментом, обеспечивающим одновременную черновую и чистовую обработку. При обработке цилиндрических базовых отверстий предложено использовать комбинированные способы воздействия на обрабатываемый материал и, в частности, деформирующе-режуще-выглаживающую схему обработки, осуществляющую многоцикловое опережающее пластическое деформирование и изменение знака деформаций на разных этапах обработки. Использование комбинированной схемы обработки позволило заменить протяжной станок на пресс [23, 33,50, 60,61, 62,63,64,65,84,89].

С целью снижения осевых усилий, повышения стойкости инструмента и производительности обработки впервые предложено для пластического деформирования использовать эффект суммарного действия напряжений, создаваемых режущей кромкой, заборным конусом и ленточкой.

В отличие от стандартных решений комбинированных инструментов предлагаются схемы обработки, в которых деформирующие элементы создают осевое и радиальное напряжения на поверхности, причем на линии соприкосновения с кромкой, образованной ленточкой с обратным конусом, напряжения меняют свою величину и знак, создавая благоприятные условия для последующего резания. Установлено, что в этом случае обратный конус целесообразно выполнять под углом 1.20, а на заборном конусе выглаживающего элемента дополнительно создавать режущую кромку, обеспечивающую стабильность припуска, что наиболее важно при обработке колес с нежесткой ступицей.

В том случае, когда ТГ1 предусматривается операция запрессовки в базовое отверстие бронзовой втулки с последующей ее обработкой, базовый процесс, состоящий из двух или трех операций, может быть также заменен одной - протягиванием. Разработанные ТП одновременной обработки и запрессовки бронзовых втулок в базовое отверстие зубчатых колес обеспечивают повышение производительности и снижение затрат на материал втулок [90,13,9,1,2,10,44].

20 Обрабатываемые поверхности ОБП

21 базовое отверстие БО

211 Цилиндрическое Ц

212 Шпоночное шпн

213 Прямоугольное щлицевое ПРГ

214 Трапецеидальное шлицевое ТРП

215 Эвольвентное шлицевое эв

I Б/ГОК (Модуль)

Черновая и чистовая обработка базовых поаерхностей

22 Базовый БТ торец

2121 Фаски ФК кромок зубьев щлицевого отверстия

2222 Фаски ОТ горцев шлицевого отверстая

1 I Исходная ИЗ

I заготовка

11 Без предварительно сформированного отверстия БПФ

12 С предварительно сформированным отверстием ПФО

13 С предварительно сформированным отверстием и зубьями ПФОЗ

200 Технологическая операция ТОП

201 Сверлильная СВОП

211 Токарная тооп

221 Протяжная ТРОП

1000 Способ воздействия на обрабатываемый материал С8М

1001 Со снятием материала СВСМ

Ю02 Без снятия материала св 6СМ

1003 Комбинированные свк

Процесс обработки шпоночных базовых отверстий может осуществляться долблением или протягиванием. Производительность обработки и стойкость инструмента при долблении ниже, чем при протягивании, поэтому в данной работе процесс долбления не рассматривался. Несмотря на то, что шпоночные соединения колес с валом являются неподвижными, к качеству боковых сторон шпоночного паза предъявляются повышенные требования как к передающим крутящий момент.

Шпоночный паз можно рассматривать как одношлицевое базовое отверстие колеса, однако повышение качества боковых его сторон значительно легче из-за доступности к рабочим элементам инструмента, формирующим заданный профиль при изготовлении протяжек.

Исследование процесса протягивания с бреющей и альтернативной схемой резания показало их способность обеспечить в 1,5. 2 раза меньшую микронеровность на боковых сторонах шпоночного паза, при угле наклона режущей кромки 20. 25°: Данное решение целесообразно использовать в условиях единичного и мелкосерийного производства. В условиях крупносерийного производства применение боковой схемы резания и деформирующих элементов позволяет повысить качество обрабатываемых поверхностей в 2 раза и стойкость инструмента в 1,5 раза [75, 1, 6,65].

ТП обработки базовых шлицевых отверстий представляются наиболее сложными, как с точки зрения проектирования, изготовления и восстановления инструмента, так к технологических условий их работы. Обеспечение качества боковых сторон шлицев представляет сложную технологическую проблему, связанную с конфигурацией лезвия протяжного инструмента и его положения относительно направления резания. ТП обработки прямоугольных шлицевых отверстий, основанные на деформирующей и комбинированной обработке, были объединены в более значительной степени с методикой образования шпоночного паза, чем шлицевого отверстия. Учитывая, что оптимальную геометрию режущим кромкам инструмента на традиционных схемах обработки обеспечить трудно, были предложены боковая схема резания и комбинированная с элементами качения для условий мелкосерийного производства и комбинированная с элементами скольжения для крупносерийного производства [25, 33,36, 38, 58, 79,84].

Как показали экспериментальные исследования, применение про-шивок для снятия заусенцев на торце шлицевых отверстий вносит дополнительные погрешности в направление шлицев и снижает качество поверхностного слоя боковых поверхностей шлицев [10, 45, 70].

При обработке боковых поверхностей прямоугольных шлицевых базовых отверстий были предложены способы воздействия на обрабатываемый материал деформирующими элементами качения, ось которых проходила параллельно оси шлицевого паза, и элементами скольжения со сменяющимися рабочими поверхностями. Теоретические и экспериментальные исследования ТП обработки цилиндрических, шпоночных и прямоугольных шлицевых отверстий позволили выявить общие закономерности в формировании рабочих поверхностей базового отверстия, в методиках их проектирования й эксплуатации, что упростило выбор рационального конструкторского и технологического решения в зависимости от условий и типа производства зубчатых колес.

Анализ ТП обработки трапецеидальных шлицевых базовых отверстий показал, что поставленные задачи могут решаться в сопоставлении с обработкой эвольвентных шлицевых отверстий. Например, при двухпро-ходной обработке эвольвентного профиля могут использоваться трапецеидальные протяжки. Процессы формирования бокового профиля независимо от применяемой схемы резания принципиальных отличий не имеют. В то же время эвольвентные шлицевые базовые отверстия следует считать наиболее перспективными, так как они в наибольшей степени удовлетворяют все возрастающие требования к зубчатым передачам [36, 38, 39, 40, 1, 2,6].

Как и при обработке прямоугольных шлицев, формирование эволь-вентного профиля главной режущей кромкой сопряжено с более значительными проблемами проектирования и изготовления инструмента, переточки и эксплуатации, чем применение альтернативной схемы резания.

Применение деформирующих элеменгов позволяет повысить точность обработки и снизить высоту микронеровностей в 2.3 раза по сравнению со стандартными решениями. Рациональность выбора схемы расположения деформирующих элементов была определена с помощью по-ляризашгонно-оптического метода.

По характеру распределения напряжения в свободных контурах зубчатых колес оценивались схемы установки рабочих элементов, число рядов й припуски на обработки [24,2,13,6,79, 56, 57, 58].

Наиболее сложной задачей, с точки зрения обеспечения точности эвольвентного профиля, является минимизация их взаимного радиального смещения, вызываемого упругими деформациями системы, износом нарушенного диаметра и другими причинами.

В условиях крупносерийного производства применение деформирующих элементов скольжения требует более тщательной предварительной черновой обработки профиля шлицев. Поэтому использовались эвольвентные шлицевые протяжки с гёнераторно-профильной схемой резания, изготовленные с подъемом заднего центра, имеющие теоретический профиль, отличающийся от эвольвентного значительно меньше, чем у протяжек со стандартной генераторной схемой.

Исследование условий комбинирования режущих и деформирующих элементов позволило определить рациональные конструктивные и технологические решения, обеспечившие замену двухпроходной обработки на однопроходную, что обеспечило повышение производительности и качества обработки эвольвентных шлицевых поверхностей в базовых отверстиях зубчатых колес [60,65, 59,46,36, 38].

При обработке заготовок с предварительно сформированным отверстием наиболее эффективным является ТП протягивания вне зависимости от формируемого профиля, что позволяет повысить производительность обработки более чем в 2 раза. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования в этой областй показали технологическую возможность применения данного процесса, однако принципиально другие условия работы инструмента, связанные с необходимостью разрушения твердой поверхности корки, вызывают резкое снижение стойкости инструмента. Было определено, что одним из эффективных пугей совершенствования данного процесса в условиях крупносерийного производства является использование комбинированного инструмента, черновые рабочие элементы которого по форме отличаются от окончательно достигаемой формы базового отверстия. С целью уменьшения износа режущих зубьев и упрощения их формы в качестве стружкоразделителей целесообразно использовать деформирующие элементы [39,23, 56, 70, 84].

При обработке базового отверстия диаметром до 50 мм целесообразно использовать эллипсные элементы, при больших диаметрах - шлице-вые, которые выполняются в виде элементов скольжения или качения.

Определены условия для распределения напряжений по знаку, величине и месту приложения сил, конструктивные и технологические факторы, в наибольшей степени влияющие на процесс формирования профиля, что позволило управлять распределением деформаций, возникающих в заготовке зубчатого колеса с разной по размеру ступицей. Найдены наиболее целесообразные с точки зрения обеспечения точности обработки схемы расположения режущих и деформирующих рабочих: элементов во взаимосвязи с предыдущими и последующими рабочими элементами. Анализ возникающих при обработке напряжений позволил перераспределить напряжения из наиболее нагруженных зон, что повысило стойкость инструмента.

При формировании фасок на торцах шлицевого отверстия вместо ТГ1 фрезерования шлицевого отверстия на зубозакругляющих станках, выполняемого после процесса протягивания шлицевого отверстия, предложено использовать процесс холодного пластического деформирования фасок на прессе с последующим протягиванием базового шлицевого отверстия, что позволяет по сравнению с фрезерованием повысить производительность обработки более чем в 10 раз, а стойкость инструмента в 20 раз [30,49,6,74,17].

4. Основные принципы повышения эффективности процесса обработки зубчатых колес на основе кругового протягивания и зубофрезерования

Протягивание зубьев колес, как и базового отверстия, является наиболее перспективным и производительным процессом, способным охватить даже область, оставшуюся за зубодолблением. Для оценки технологических возможностей данного решения была применена специальная экспериментальная установка на базе фрезерного станка и инструмент в виде круговой протяжки со сменными рабочими элементами.

На основании анализа взаимосвязей основных характеристик способов воздействия на обрабатываемый материал были определены конструктивные и технологические возможности комбинированной обработки зубьев, форма рабочего профиля, допустимые величины износа и точности расположения деформирующих элементов.

Установлено, что точность рабочих поверхностей зубьев колес в значительной степени зависит от условий обработки, конструкции инструмента, наладки, погрешности базирования заготовки и инструмента [15, 10, 9,13,1].

Установлено также, что наибольшее влияние на точность обработки оказывает соосность всех резцовых блоков (деформирующие элементы самоустанавливающиеся).

Учитывая целесообразность и перспективность использования кругового протягивания для развития наиболее эффективного в будущем многопарного зацепления зубчатых колес, было предложено конструктивное и технологическое решение полнопрофильного формирования зубьев колес. Установлено, что погрешность профиля зубьев зависит от формы рабочих элементов и смешения черновых зубьев в вертикальном, а деформирующих элементов в радиальном направлениях [93,2,11, 75].

В результате исследований было установлено, что ни схема резания черновой части протяжки, ни затылование по периферии и боковым сторонам зубьев не являются эффективными решениями повышения качества поверхностного слоя рабочего профиля зубьев колес. В более значительной степени оно зависит от припуска и схемы обработки чистовой и калибрующей частей протяжки. Применение схем бокового резания обеспечивает лучшие условия резания, что подтвердилось и при протягивании шпоночных и шлицевых поверхностей, но при круговом протягивании данное решение обеспечивает снижение микронеровностей всего в пределах 10%, при этом значительно усложнился процесс заточки и переточки зубьев. Поэтому предложено выполнять чистовые зубья по альтернативной схеме резания, а калибрующие зубья заменить деформирующими элементами качения, устанавливаемыми на подвижной опоре, что позволяет снизить микронеровности рабочих поверхностей зубьев колес более чем в 1,5 раза.

Установлено, что на стойкость инструмента схема резания существенного влияния не оказывает. Лимитирующими являются режущие элементы, создающие фланк под шевингование. В данном случае целесообразно использовать принцип частичного нанесения износостойких покрытий, создав условия равностойкости между черновыми сегментами протяжки.

Повышение производительности обработки при круговом протягивании происходит за счет установки дополнительных головок.

Установлено, что при снижении припуска на чистовые зубья в два раза их стойкость возрастает в 2,5 раза, а применение деформирующих элементов обеспечивает дополнительное повышение их стойкости в 1,3 раза [1,3, 6,10,18,60].

Фрезерование зубчатых колес червячными фрезами, несмотря на широкое распространение и достаточно глубокую теоретическую и экспериментальную проработку технологических процессов, остается с нерешенными и противоречивыми задачами.

Наиболее эффективным средством повышения производительности обработки при прочих равных условиях остается процесс обработки заготовок пакетом. При этом сложной проблемой является обработка заготовок с предварительно сформированным зубом, устанавливаемых на жесткой оправке.

В работе за методическую основу был принят наиболее сложный в кинематическом отношении вариант фрезерования некрупных зубчатых колес, предусматривающий выполнение пяти одновременных движений исходя из формы центроиды и числа нарезаемых зубьев, В данном случае некруглое зубчатое колесо представляет собой утрированную погрешность формы и расположения заготовок, возникающую при их смещении на жесткой оправке относительно оси червячной фрезы.

На базе проведенных исследований для условий автоматизированного производства предложены конструкции инструмента и измерительно-наладочная технологическая оснастка, обеспечивающая ориентацию пакета заготовок с предварительно сформированными зубьями относительно режущей кромки червячной фрезы [1,10,9,11,14,72].

По результатам испытания было установлено значительное влияние СОТС на стойкость червячных фрез. Добавление в индустриальное масло И-20А 2% присадки МР-99 обеспечило повышение стойкости червячных фрез в 1,5 раза, присадки Б-3 в 1,8 раза, а присадки ВЗ-1 в 2,5 раза.

Учитывалось, что для значительной часта зубчатых колес зубофре-зерование не является финишной операцией, поэтому, с целью обеспечения равных первоначальных условий исследования методов чистовой обработки заготовки, после черновой обработки заготовок сортировались с учетом качественных параметров и операционного припуска, а червячные фрезы подвергались дополнительному контролю [16, 6,2, 29,17].

5. Пути повышения эффективности процессов шевингования и прикатки зубьев колес

Процесс зубошевиштшания является самым распространенным и наиболее сложным чистовым методом обработки зубьев колес, и в то же время среди ученых наблюдаются значительные противоречия в оценке технологических возможностей зубошевингования.

В связи с отсутствием в зубошевинговальных станках специальных цепей деления и обката, жесткой кинематической связи между шевером и зубчатым колесом, точность, качество поверхностного слоя и производительность обработки в наибольшей степени зависят от конструкции инструмента и условий обработки. Как показал опыт машиностроительной промышленности, в последнее время наибольшее внимание уделяется форме и расположению стружечных канавок шеверов, оказывающих существенное влияние на качество обрабатываемой поверхности. Качество, производительность и стойкость инструмента зависят от того, насколько эффективно решена задача по интенсивности съема металла, аналогично процессу протягивания, то есть количеству, форме и расположению режущих кромок шеверов, одновременно находящихся в работе [42, 54, 41].

При исследовании различных способов шевингования в работе проводилось их сравнение с диагональным способом. Наиболее широкие технологические возможности были определены у способа обработки с укороченным ходом стола станка. В этом случае обеспечивался квазилинейный контакт поверхностей зубьев шевера и колеса, что позволило уменьшить длину продольной подачи, удельную нагрузку в зоне контакта и увеличить число одновременно участвующих в работе режущих кромок.

Делительная поверхность шевера является гиперболоидом вращения, наименьшее поперечное сечение которого находится в плоскости, проходящей через центр скрещивания осей. Повышение производительности обработки обеспечивалось за счет уменьшения рабочего хода стола [67, 4,10].

Выбор рациональной схемы режущих кромок осуществлялся путем обеспечения условий их взаимосвязи с расположением и формой активно действующей линии, направлением и величиной векторов скоростей относительного движения сопряженных поверхностей зубьев шевера и обрабатываемого колеса. При этом составляющие относительных скоростей продольного и профильного скольжения зубьев инструмента должны находиться в общей касательной плоскости с вектором относительной скорости. На базе анализа полученных математических зависимостей проведен выбор рациональных схем расположения режущих кромок [55,69, 71,73].

Шевера имели режущие кромки, ориентированные и расположенные так, чтобы число пересечений ими активно действующей линии было максимально возможным. При этом режущая кромка обеспечивала равные условия резания с другими режущими кромками шевера, что не всегда было возможно выполнить при использовании традиционной технологии производства шеверов.

Учитывая опыт использования элекгроэрозионной обработки при производств^ деформирующих элементов протяжек, данный метод был эффективно использован и при получении режущих кромок шеверов [20, 10].

Анализ формирования режущих кромок с различной геометрией показал, что создание переднего угла режущих кромок, равного 3.50, обеспечивает снижение микронеровностей обрабатываемых поверхностей в пределах -30%. Изменения же переднего угла и наклона режущей кромки не оказывают существенного влияния на глубину наклепанного слоя. Причем после черновой обработки она уменьшается на 20.30% [9, 2, 7].

Экспериментальные исследования процессов стружкообразования проводились по стандартной методике и без перемещения обрабатываемого колеса. Преимуществом предложенной методики является ее наглядность. Наряду с формой, размерами стружки, размещением и удаляемо-стью из стружечной канавки оценивали ее цвет [4,69,15].

Установлено, что форма контакта облегающего шевера с обрабатываемым колесом такова, что приводит к неблагоприятным условиям схода стружки с режущих кромок, в определенной степени сходным с условиями чистового протягивания эвольвентных шлицевых базовых отверстий. Применение аналогичного решения для самоочистки инструмента в условиях зубошевингования хотя и привело к положительным результатам, но из-за специфики производства были рекомендованы для условий мелкосерийного производства зубчатых колес. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что применение дополнительных поперечных канавок на уровне выше делительной окружности обеспечивает благоприятные условия для проникновения СОТС в зону обработки и удаления стружки. Данное решение эффективно в условиях крупносерийного производства.

Повышение стойкости инструмента обеспечивается перераспределением нагрузки между рабочими элементами, что достигается, в частности, снижением нагрузки на головке зуба шевера, перекрытием режущих кромок, увеличением площади контакта с обрабатываемой поверхностью колеса [76,71, 73].

Для шеверов с укороченным ходом стола станка предложен дисковый шевер с веерообразным расположением зубьев, угол наклона которых увеличивается к торцам, постоянным шагом по делительной окружности, который за счет плавного врезания и выхода из работы обеспечивает повышение качества эвольвентных поверхностей зубчатых колес на 15.20% [9,10,75].

Установлено, что при шевинговании с укороченным ходом стола станка на точность профиля и направление зуба наибольшее влияние оказывают длина рабочего хода и продольная подача. На базе анализа влияния погрешности базирования на точность обработки предложена специальная оправка, позволяющая компенсировать погрешности расположения базового отверстия и торца на 20%. На шероховатость рабочих поверхностей зубьев колес наибольшее влияние оказывает длина рабочего хода стола станка, в меньшей степени продольная подача и скорость резания [42,16].

Получены эмпирические зависимости влияния скорости резания, продольной подачи и длины рабочего хода стола станка на составляющие усилия резания при параллельном, диагональном шевинговании,с укороченным ходом стола станка, а также при различных формах расположения режущих кромок и степени их затупления [29, 21].

Наряду с анализом составляющих усилий резания проводили контроль потребляемой мощности, анализ которой показал, что несмотря на меньшее суммарное смещение стола станка при шевинговании с укороченным ходом и более поздним возрастанием потребляемой мощности изза высокой стойкости инструмента, в конечном итоге обшая потребляемая мощность практически равна диагональному шевингованию, что объясняется более быстрым ее возрастанием по мере износа облегающего шевера.

С целью дальнейшего расширения технологических возможностей процесса зубошевингования были проведены исследования без реверсной обработки.

Для условий крупносерийного производства предложено решение, основанное на изменении расположения стружечных канавок на каждой из сторон зуба шевера. В частности, режущие кромки на одной стороне зуба выполнялись расходящимися от головки к ножке, а на другой - от ножки к головке, что позволило обеспечить более равномерные условия резания на ведущих сторонах зубьев.

Для условий мелкосерийного производства предложено решение, основанное на придании заготовке возвратно-поступательного движения и установке ее перед обработкой со смещением относительно шевера.

С целью повышения качества обработки поперечная подача осуществляется с постепенным уменьшением ее величины. С целью обеспечения равномерности износа сторон шевера в течение смены дважды менялось направление вращения шевера с соответствующим подводом и отводом заготовки. Отсутствие реверса и резких остановок шеверов способствует повышению качества обработки и стойкости инструмента [2, 7,13].

В последние годы все более пристальное внимание машиностроительной промышленности в условиях производства уделяется холодной прикатке зубьев колес. Вопросам совершенствования технологических процессов холодной прикатки зубьев колес посвящено много работ, в которых в основном рассмотрены технологические процессы обработки двумя и тремя гладкими накатниками. С целью повышения объективности анализа, сравнительным исследованиям подвергались процессы прикаты-вания одним и двумя прикатниками, а также диагонального шевингования.

Наиболее перспективным процессом является холодное прикатыва-ние зубьев одним инструментом, обеспечивающее базирование не по венцу, а по базовому отверстию. Как показали экспериментальные исследования, это решение позволяет уменьшить погрешность радиального биения зубчатого венца в 1,5 раза [1,16,29].

Однако процесс прикатки одним накатником лишен благоприятных условий наличия взаимоуравновешивающих сил, возникающих в процессе обработки двумя накатниками. В то же время, два гладких накатника создают .значительные усилия, приводящие к прогибам зубьев, что вызывает необходимость вводить коррекцию рабочих профилей инструмента.

Исследование технологических возможностей процесса прикатки одним инструментом осуществлялось на модернизированном шевинго-вальном станке, для которого была предложена соответствующая технологическая оснастка. Для перераспределения нагрузки между рабочими элементами были использованы результаты исследования пластического деформирования шлицевыми элементами и технология производства шеверов со смещенными стружечными канавками. Цельные прикатники выполнялись со смещением рабочих элементов по спирали с постоянным шагом, с переменным шагом, с разной шириной рабочих элементов и с распределением на группы, в каждой из которых шаг между рабочими элементами оставался постоянным. Сравнения проводились с первой схемой [2,46,10].

Базовая технология с использованием долбяков-гребенок, применяемая для обработки шеверов, из-за ограниченных технологических возможностей не всегда способна решить поставленные задачи по формированию рабочего профиля зубообрабатывающего инструмента (шеверов и накатников). Формирование любой заданной формы и геометрии рабочих элементов любого зубообрабатывающего инструмента (режущего или деформирующего) возможно путем применения метода электроэрозионной обработки.

Как показали экспериментальные исследования, обработка зубьев (шеверов и накатников) требует более "мягких" режимов, чем обработка деформирующих элементов протяжек. Кроме того, микротвердость обрабатываемых впадин на зубообрабатываюших инструментах повышается благодаря микротермообработке и насыщению химическими элементами, входящими в состав рабочей жидкости, а не путем переноса материала электрод-инструмента, как при обработке протяжного инструмента.

С целью снижения затрат на экспериментальные исследования, предложено применение сборных прикатников, позволяющих обеспечивать заданные параметры в одном инструменте [77, 78,18].

В результате исследований процесса прикатывания зубьев колес одним инструментом было установлено, что уменьшение ширины рабочего элемента вызывает соответствующие уменьшения усилия обработки, а смещение по длине зуба приводит к снижению микронеровностей обрабатываемого профиля. Наиболее эффективным можно считать отношение ширины рабочих элементов к ширине канавок как 1:1,5.

При возникновении отклонений осей заготовки может образовываться стружка. Это явление можно изменить путем повышения жесткости элементов технологической системы установкой дополнительных опор-люнетов.

За счет применения прикатников с переменным шагом на головке и ножке зуба припуск под накатку может быть увеличен в 1,5.2 раза. Микронеровности обрабатываемой поверхности зуба колеса выдерживаются в пределах 0,8 мкм, однако за счет применения групповой схемы обработки с шириной рабочих элементов от 0,7 до 1,1 мм и смещении канавок от 0,5 до 1,2 мм обеспечивается снижение микронеровностей в два раза. Цветовой рисунок в виде гогген и полос на поверхности зуба колеса, обработанного одним накатником, на качественные показатели поверхностного слоя влияния не оказывает [2,20, 1,3, 6,78].

6. Технологические возможности процессов финишной обработки зубчатых колес, включающих химико-термическую обработку

В значительной степени технологические возможности финишной обработки зубчатых колес до сих пор остаются нераскрытыми. Обычно в качестве дополнительных операций после термообработки вводятся калибрование базовых шлицевых отверстий, холодная прикатка зубьев и абразивная обработка базовых поверхностей и зубьев или части из них.

В свете решения поставленных задач были проведены исследования по оценке технологических процессов, способствующих наиболее эффективному устранению погрешностей, вносимых химико-термической обработкой. Заготовки, пронумерованные на первой операции, после термической обработки контролировались по толщине зуба, постоянной хорде, углу профиля эвольвенты, отклонению шага, длине обшей нормали зубьев, ширине, направлению и форме шлицевото базового отверстия. За основные критерии точности базового отверстия были приняты размеры и направления шлицев, для зубьев - размеры и форма окружности вершин. Как показали экспериментальные исследования, химико-термическая обработка не вносит существенных изменений микронеровностей рабочих поверхностей зубчатых колес. Наиболее сложные проблемы связаны с поводкой отверстия, в меньшей степени - зубьев колес.

Применение режущих прошивок оказалось нецелесообразным из-за их низкой стойкости и снижения качества базовых поверхностей шлицево-го отверстия.

При шлифовании шлицевого профиля исправляемость по сравнению с калиброванием возрастает на 50.60% и в меньшей степени зависит от припуска, но из-за низкой производительности, область ее применения ограничивается мелкосерийным производством [25, 65, 1].

Применение деформирующих прошивок позволяет снизить эксцентричность, ошибку шага, отклонения от прямолинейности и погрешность профиля шлицев в пределах 20 %. С целью повышения эффективности деформирующей обработки базового шлицевого отверстия припуск под обработку не должен превышать 0,05. 0, 07 мм на сторону, при этом качественные показатели процесса прошивания будет составлять около 70% от шлифованных, а производительность обработки возрастает до 5 раз. При калибровании только боковых поверхностей базового шлицевого отверстия длина инструмента может быть уменьшена почти в 2 раза, что скажется и на производительности процесса [46, 6,3].

Сведение к минимуму погрешностей термообработки в основном связано с коррекцией профиля инструмента и выбора метода предварительной обработки. Например, погрешность колебания измерительного межосевого расстояния за один оборот колеса после термообработки у ше-вингованных колес возрастает на 30.40 %, у прикатанных - на 10. 15%, а цилиндрическое базовое отверстие, обработанное деформирующим протягиванием, не требует дополнительной обработки. Для внесения коррекции профиля инструмента теоретически определялась ожидаемая погрешность путем оценки критерия подобия как соотношения площадей сердцевины и цементированной поверхности зуба.

Экспериментальные исследования позволили дополнить и уточнить результаты теоретических исследований. Например, установлено, что изменение шага в значительной степени зависит от размера зуба, а увеличение толщины зуба - от марки стали, режима химико-термической обработки.

Изменение размеров зубьев целесообразно рассматривать как смещение исходного контура с одновременым изменением угла профиля, вызываемым термообработкой. Обычно увеличение толщины зуба у вершины меньше, чем у ножки. Для колес из различных сталей увеличение толщины зуба А 8 на разных высотах можно оценить по уравнению:

ЛБ = щ + а2 • где а, и «-> - коэффициенты, зависящие от материала заготовки, 5/ - толщина зуба на заданной окружности.

Изменение угла профиля а оценивается по формуле: п - т • eos а + f eos« =-----------~ я ■ m - (1 +- s) где s относительное изменение размера,/ - отношение шага зацепления после термообработки.

Длина общей нормали W, измененная в результате увеличения профильного угла, оценивается по формуле:

К т - Zinva + 2х ■ sin«

W-гнгде Zafe - припуск под финишную обработку, т - модуль, Z ~ число зубьев.

Использование результатов проведенных исследований позволяет прогнозировать величину погрешностей, вызываемых определенной химико-термической обработкой, и вносить соответствующую коррекцию профиля обрабатывающего инструмента [53,1,2,6].