автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технология обработки круговых зубьев колёс полуобкатной цилиндрической передачи

На правах рукописи

Поляков Владимир Васильевич

ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ КРУГОВЫХ ЗУБЬЕВ КОЛЁС ПОЛУОБКАТНОЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Тула 2013

005542686

005542686

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "Тульский государственный университет"

доктор технических наук, доцент Бобков Михаил Николаевич

Борискин Олег Игоревич, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», кафедра «Инструментальные и метрологические системы», заведующий кафедрой

Андрианов Павел Алексеевич, кандидат технических наук, ОАО «Конструкторское бюро приборостроения» (г. Тула), начальник отдела.

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Московский государ-

ственный технологический университет «СТАНКИН», г. Москва.

Научный руководитель Официальные оппоненты

Защита диссертации состоится 30.12.2013 в 14 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.01 при ФГБОУ ВПО "Тульский государственный университет" (300012, г. Тула, просп. Ленина, д. 92, к. 9-101)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "Тульский государственный университет"

Автореферат разослан 29.11.2013 г.

Ученый секрета] диссертационной

Черняев Алексей Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Решение задач повышения качества продукции и производительности её изготовления является одним из условий развития отечественного машиностроения. Выполнение повышенных требований к изделиям с помощью традиционных решений и приёмов, как показывает опыт, не даёт технического и экономического эффекта. В конкурентной борьбе за деньги потребителя и место на мировом рынке необходимы инновационные конструкторские и технологические решения, опирающиеся на патентно-защищённые схемы, теоретический фундамент и программно-методическое обеспечение.

Для широкого круга изделий, содержащих цилиндрические зубчатые передачи с большими передаточными числами (ЦЗП с БПЧ), задачу повышения качества (снижения уровня шума и вибраций, увеличения ресурса и т.п.) в ряде случаев можно решить, заменяя прямые зубья круговыми. Увеличение производительности изготовления таких передач, отличающихся повышенной трудоёмкостью, достигается при использовании полуобкатного способа, предусматривающего нарезание без движения обката колеса передачи и обработку зубьев шестерни с обкатом по производящему колесу. Такая схема в отличие от известных схем полностью имитирует рабочее зацепление и обеспечивает формирование зубьев шестерни, сопряжённых с зубьями колеса, нарезанными методом копирования, то есть с производительностью, увеличенной по сравнению с обработкой по методу обката.

Целью данной работы является улучшение эксплуатационных характеристик полуобкатных цилиндрических зубчатых передач за счёт повышения точности по норме контакта.

Для достижения цели в работе были решены следующие основные задачи:

1 Разработан новый способ формообразования зубьев шестерни, обеспечивающий благоприятные размеры и форму зоны касания зубьев в рабочем зацеплении.

2 Проведён геометрический и кинематический анализ станочного зацепления шестерни с производящим колесом и на его основе разработаны математическое и программное обеспечение процесса формообразования зубьев шестерни.

3 Проведён геометрический и кинематический анализ рабочего зацепления и промоделирована на ЭВМ работа зубчатой передачи.

4 Разработана методика автоматизированного расчета геометрических параметров передачи и зубчатых колес.

5 Разработана методика расчета параметров зуборезных головок и наладок зуборезных станков.

6 Дана сравнительная оценка производительности процесса нарезания зубьев шестерни и колеса

7 Изготовлены и проконтролированы по нормам точности опытные образцы зубчатых колес.

Объектом исследования является технология обработки круговых зубьев колёс полуобкатных цилиндрических передач (ПЦП).

Предметом исследования являются параметры станочного и рабочего зацепления колёс полуобкатной цилиндрической передачи, зуборезного инструмента и наладок зуборезных станков.

Методы исследования. При выполнении работы использовались научные основы технологии машиностроения и проектирования зуборезного инструмента, теория зубчатых передач, а также элементы высшей математики и компьютерного моделирования.

Автор защищает:

- новый способ формообразования круговых зубьев шестерни ПЦП;

- результаты моделирования станочного и рабочего зацепления ПЦП с круговыми зубьями, шестерня которой сформирована на базе производящего колеса, и полученные аналитические зависимости, позволяющие синтезировать такие передачи и осуществить технологическую подготовку их производства;

- математическое и компьютерное обеспечение проектирования ПЦП с круговыми зубьями, режущих инструментов и наладок зубообрабаты-вающих станков;

- результаты изготовления и контроля точности опытных образцов зубчатых колёс.

Научная новизна:

- разработана геометро-кинематическая модель станочного зацепления цилиндрической шестерни с круговыми зубьями с производящим колесом;

- установлена и формализована взаимосвязь геометрических параметров полуобкатной цилиндрической передачи с круговыми зубьями, шестерни которой сформирована в зацеплении с производящим колесом, с параметрами станочного зацепления, зуборезного инструмента и наладок оборудования.

Практическая значимость результатов работы заключается в по-вьшении эксплуатационных характеристик ПЦП с круговыми зубьями за счёт улучшения размеров и формы суммарного пятна контакта зубьев.

Реализация результатов работы. Методика расчёта геометрических параметров ПЦП с КЗ, зуборезных инструментов и наладок станков, а также соответствующее программное обеспечение, приняты в ОАО "Тула-точмаш" для использования при проектировании зубчатых передач новых изделий и разработке технологических процессов их изготовления.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях ТулГУ с 2008 по 2013 г., на международной юбилейной НТК "Инструментальные системы машиностроительных производств" (Тула, 2008 г.), на IV международной

научно-технической конференции "Современные проблемы в машиностроении" (Томск, 2008 г.), на научно-техническом семинаре "Прогрессивные технологии и оборудование механосборочного производства" (Москва, МГТУ "МАМИ", 2009 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и одно описание изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков, 4 таблицы, библиографический список из 27 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель исследования, положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе определена область рационального применения цилиндрических колёс с арочными, в частности с круговыми, зубьями, проанализированы методы обработки арочных зубьев и сформулированы задачи исследования.

В ряде случаев применение цилиндрических передач с арочными зубьями позволяет существенно повысить их эксплуатационные показатели за счёт улучшения виброшумовых характеристик, повышения плавности работы, контактной выносливости и изгибной прочности зубьев.

В настоящее время известны три основных метода формообразования арочных зубьев: метод обката с единичным делением, метод обката с непрерывным делением для нарезания колёс с циклоидальной линией зубьев и метод обката с непрерывным делением, при котором используется спирально-дисковая фреза.

Значительный вклад в изучение и теоретическое обоснование этих методов внесли В. Н. Ананьев, А. Э. Волков, М. И. Догода, М. И. Евстигнеев, М. Л. Ерихов, А. кЫЬаэЫ, И А. Коганов, Ь. К^бсЬ, А. А. Кравчук, А. Н. Красулин, В. Л. Малеин, В. И. Медведев, Э. В. Ратманов, Л. Н. Решетов, В. Н. Севрюк, А. К. Сидоренко, А. Е. Скляров, Н. А. Шахбазов, Г. И. Шевелёва, Г. М. Шейнин.

Сравнительный анализ этих методов обработки показал, что метод обката с единичным делением, существенно превосходящий два других метода по технологичности инструмента, простоте конструкции оборудования и оснастки второго порядка, уступает им по производительности.

При изготовлении ЦЗП с БПЧ повысить производительность можно путём применения полуобкатного метода, при котором большее звено пары нарезается без движения обката, копированием по принципу наикратчайшего рабочего хода. При этом для формообразования шестерни возможны две схемы станочного зацепления. В первой схеме реализуется за-

цепление заготовки с производящей рейкой. Однако при такой схеме профили зубьев шестерни и колеса будут сопряженными лишь в среднем торцовом сечении. Во всех остальных торцовых сечениях будет иметь место несопряженность профилей, возрастающая от среднего сечения к крайнему. В результате в рабочем зацеплении возникает так называемая диаго-нальность пятна контакта.

Для устранения диагональности контакта и повышения точности передачи следует использовать вариант станочного зацепления шестерни с производящим колесом, который в наибольшей мере удовлетворяет совокупным требованиям точности и производительности по сравнению с другими методами формообразования круговых зубьев цилиндрических колёс (ЦККЗ). Для его практической реализации был разработан новый способ обработки зубьев шестерни.

Во второй главе приведены результаты теоретических исследований станочного и рабочего зацепления ЦККЗ полуобкатной передачи и разработано математическое и программное обеспечение процессов формообразования зубьев.

Важными параметрами, существенно влияющими на эксплуатационные показатели зубчатой передачи, являются продольная кривизна и глубина продольной модификации зубьев, определяющая приведённый зазор, равный расстоянию между отсчётной теоретической боковой поверхностью зуба и модифицированной поверхностью этого же зуба. Наличие приведенного зазора в передаче обусловливает теоретически точечный контакт в среднем торцовом сечении зуба, а в крайних торцовых сечениях - отвод рабочих поверхностей зубьев шестерни и колеса друг от друга. Практически же под нагрузкой будет иметь место локализованное пятно контакта зубьев, компенсирующее при работе передачи погрешности её изготовления. Для получения такого контакта при формообразовании зубьев шестерни и колеса в станочном зацеплении применяют нежесткую конгруэнтную производящую пару. Эта пара состоит из двух конических производящих поверхностей, у которых углы при вершине конусов одинаковы, а радиусы основания конусов различны.

При заданных исходных параметрах зубчатых колёс продольная кривизна и длина зоны касания зубьев, а следовательно, коэффициент осевого перекрытия, длина рабочего хода (пути обката) заготовки в станочном зацеплении, параметры чистового и чернового зуборезного инструмента и наладок станков определяются радиусами производящих поверхностей, формообразующих сопряжённые стороны зубьев шестерни и колеса. Для определения этих радиусов была разработана методика расчёта геометрии ПЦП с круговыми зубьями, шестерня которой сформирована в зацеплении с производящим колесом, и параметров станочного зацепления. Методика включает следующие основные этапы вычислений.

1 Расчёт профиля зуба колеса в средней и торцовой плоскостях.

2 Вывод уравнений для определения координат точек торцового профиля зуба шестерни в станочном и рабочем зацеплении .

3 Расчёт торцовых приведённых зазоров в различных фазах рабочего зацепления и радиусов зуборезных головок для чистовой обработки выпуклых и вогнутых сторон зубьев шестерни.

4 Определение других геометрических параметров передачи: координат точек переходной кривой на торце зуба шестерни, предельных значений фаз рабочего зацепления, коэффициента перекрытия, толщины вершины зуба на торцах колеса и шестерни.

Для расчёта координат точек торцового профиля вогнутой стороны зуба колеса воспользуемся рисунком 1, на котором показана схема формообразования впадины торцовой зуборезной головкой 1 радиуса R02.

При обработке инструменту сообщают главное движения резания Dr, а заготовке 2 - радиальное движение подачи Д,. После отвода заготовки в исходное положение осуществляется деление на зуб.

В торцовой плоскости У=0,5Ь с помощью углового параметра 02 зафиксируем произвольную точку Е2(Е2; £;>)> принадлежащую конической производящей поверхности. В системе координат инструмента положение точки Ei будет определяться координатами

Х2 = 0,5bctgQ2;Z2 = h02 + A2ctga02, где А2 = R02 + 0,5S02 -6/2sin02.

В системе координат колеса положение точки Е2 будет определяться полярными координатами R2 = +(/г02)2; v2 = r¡w2 -Т2, где

L2=x2-RQ2; F02 = ra2 — Z2; r¡w2 = -о,5л + а02; = arceos—;

rw2

Tj = arete —

2 s FO2

В процессе обработки инструментом 1 выпуклой стороны зуба шестерни 2 ( рисунок 2) заготовке сообщают два вращательных движения, согласованных так, что начальная окружность радиуса rwl шестерни катится без скольжения по неподвижной центроиде - начальной окружности радиуса rwо = rw2 производящего колеса 3. Боковая сторона профиля И инструмента совмещена с профилем зуба производящего колеса, у которого угловая ширина впадины одинакова с угловой шириной впадины колеса, используемого в рабочем зацеплении. В этом случае профиль И пройдет через точку Ew с угловой координатой r|w2.

Координаты оси <90 производящего колеса Х00 = % -rw2 sin — ; 7 "2

00 — rw2 + rwl ~ ral' гДе -2 ~ число зубьев колеса; га1 - радиус окружности вершин зубьев шестерни.

Координаты точки Ew профиля зуба производящего колеса в среднем сечении XEW = А'00 + rw2 ; ZEW = rw2 ~ z00 ■

7

Рисунок I - Схема для расчета координат точек торцового профиля

Пусть вектор связанный с заготовкой шестерни, совпадает по направлению с радиусом-вектором точки £„,. После поворота вокруг оси 00 на угол <ре1 положение оси Оу заготовки будет характеризироватъся углом X. За время перемещения из точки О^ в точку Оу шестерня и вектор IV повернутся вокруг оси заготовки на угол Ф0| = асро1 = + Лгде ФоьФо1 - фазы станочного зацепления шестерни и производящего колеса; и — передаточное число.

Полученные зависимости устанавливают связь между радиусом Й01 инструмента, положением его профиля И, координатами оси производящего колеса, а также угловыми координатами X и Ф(ц, определяющими положение заготовки шестерни в произвольный момент времени.

9

Б-Б

Зафиксируем параметром 9[ точку торцового профиля Иа, инструмента 1 и проведём через неё нормаль к профилю до пересечения в точке С} с неподвижной центроидой - окружностью радиуса гк2 (рисунок

3).

Согласно рисунку координаты точки ЕХ(Е{; Е{) в системеХУг ^1=0,5^ =0,56;

Угол наклона касательной к торцовому профилю производящей поверхности а, =агсг^а02/созе1).

Полярные координаты точки Е1 торцового профиля зуба шестерни

относительно оси О0 производящего колеса Л100 = + (О0Е)2 ; ЙЮО = агс1%{1лЮ0Е)- где = - ^ ; ОйР = 21 + Ет.

В треугольнике О0Е"Сх углы Х = 0,5тг + а, -ц)00; „ . Л] 00 яш I] Л _

Г = агсБт —-±1; п = Угол Х. = П-ц1ПП.

гу,г 100

Радиус - вектор точки Е{:

К1 т +а1~2к100ам, сое О .

Относительно вектора IV положение точки Е{ определяется углом

При определении координат точек торцовых профилей зубьев шестерни и колеса в рабочем зацеплении за начало отсчёта примем момент времени, когда в средней плоскости точки н Е^ профилей совпадают с полюсом Р (рисунок 4).

В этот момент положение точек Е1 л£2 шестерни и колеса определяется координатами i?j и Пусть в произвольный момент времени положение шестерни определяется фазой <р\ф. Этот угол отсчитывается против часовой стрелки от радиуса QjP. Повороту шестерни на угол cpj^ соответствует поворот колеса на угол ф2ф = Ф1 ф / w. В результате поворота шестерни и колеса точки Е\ и совместятся с точками Mj И которым соответствуют полярные углы |i] = и(р2ф ~ vi. Р-2 = Ф2ф ~ v2 •

В системе координат XPZ координаты точек И Mr торцовых профилей Хт = ^ sin М-1; Zm = -Я] cos И! + rwl; Хм2 = Щ. s¡n И2 i

Расстояние между точками M¡ li М2

Ау = -Хмг)2 +(zmi-ZMI)2 ■

Полученное расстояние является функцией параметров 0j и 02. Изменяя эти параметры, можно найти кратчайшие расстояние между профилями, равное торцовому приведённому зазору At для данного момента времени, определяемого фазами <p¡ф и <Р2ф. Изменяя номинальный радиус инструмента, можно добиться выполнения условия At = А , где Д— приведённый газор в торцовом сечении, выбранный из условия достижения заданной длины зоны касания зубьев. Варьируя фазы «р^ф и <Р2ф, можно проследить за изменением приведённого зазора в границах

угла торцового перекрытия.

Помимо этого во второй главе изложены методики расчёта приближённых (начальных) значений радиусов чистовых зуборезных головок, координат точек переходной кривой на торце зуба шестерни, предельных значений углов Sj и 62, фаз рабочего зацепления, коэффициента перекрытия передачи и торцовых толщин вершин зубьев колеса и шестерни.

Программа расчёта геометрии станочного, рабочего зацепления и зубчатых колёс, а также результаты расчёта приведены в приложении к диссертации.

Третья глава посвящена расчёту режущего инструмента для черновой, получистовой и чистовой обработки зубьев, а также параметров наладки зуборезных станков.

С учётом принятых схем формообразования зубьев шестерни и колеса (см. рисунки I и 2), а также требований точности и производительности, для обработки зубьев колёс полуобкатной передачи был принят двусто-ронне-односторонний способ, при котором чистовое нарезание зубьев шестерни осуществляется последовательно двумя односторонними головками, а чистовое нарезание колеса - двусторонней головкой за один установ. Черновая прорезка впадин шестерни и колеса производится двусторонней головкой.

В ряде случаев из-за существенного различая диаметров чернового и чистового инструментов при изготовлении шестерни со сравнительно большой продольной кривизной зубьев припуск на чистовую обработку оказывается неравномерным вдоль зуба, что обусловливает необходимость введения получистовой обработки выпуклых и вогнутых сторон зубьев. Поскольку такой вариант является наиболее общим, расчёт параметров зуборезных головок и наладок станков рассмотрен на его примере. В результате расчёта были установлены зависимости для определения диаметров черновых, получистовых и чистовых головок, углов профиля резцов, толщин их режущей части, развода резцов, припуска на чистовую и получистовую обработку.

При нарезании зубьев шестерни и колеса инструментом сравнительного малого диаметра возникает опасность вторичного резания, когда резцы головки, не участвующие в данный момент в профилировании впадины, могут повредить уже обработанные зубья с противоположной от зоны резания стороны. Определение минимального диаметра инструмента для трёх схем обработки зубьев шестерни и колеса является составной частью методики расчёта геометрии зуборезного инструмента.

В чётвертой главе приведены зависимости для определения основного времени обработки колёс с арочными зубьями различными методами; дана оценка производительности методов нарезания зубьев цилиндрических колёс на примере главной передачи заднего моста автомобиля КамАЗ путём сравнения основного и штучного времени обработки; представлены результаты контроля точности изготовленных зубчатых колёс.

Для предварительной оценки производительности различных методов зубообработки можно использовать максимальную толщину срезаемого слоя, являющуюся одним из важнейших показателей нагрузки на лезвие. С учётом этого критерия разработана методика для расчёта основного времени нарезания арочных зубьев тремя методами: обкат с единичным делением, формирование зубьев с циклоидальной линией и обработка зубьев спирально-дисковой фрезой.

Для сравнительного анализа были выбраны три метода зубообработки: базовый метод, используемый на автозаводе, метод обката с единичным делением и полуобкатной метод.

Расчёт основного и штучного времени производился для пары колёс с числами зубьев 13 и 49, модулем б мм и шириной зубчатого венца соответственно 74 и 70 мм. Результаты расчёта показали, что рассмотренные методы нарезания ЦККЗ производительнее принятого на предприятии варианта обработки косозубых колёс, причём суммарное время нарезания пары колёс полуобкатным способом меньше базового примерно на 37%.

В связи с отсутствием специальных станков для экспериментального нарезания круговых зубьев были использованы обрабатывающий центр ОЦ-1И, имеющий круговую управляемую координату, и многоцелевой станок с ЧПУ с приводом поворота изделия (рисунок 5).

Рисунок 5 - Обработка зубьев шестерни и колеса

Контроль точности изготовленных колёс осуществлялся в среднем сечении на универсальном зубоизмерительном приборе и биениемере модели Б-ЮМ. Отклонение и накопленная погрешность шага находились в пределах 8 степени точности по ГОСТ 1643-81, радиальное биение зубчатого венца также соответствовало 8 степени точности. Расположение и размер пятна контакта проверялись по краске на контрольно-обкатном станке. Пятно контакта занимало середину зуба и не выходило на торцы колеса. Длина пятна контакта и приведённый зазор, замеренный щупом на торце зуба, соответствовали расчётному приведённому зазору. Если учесть возможность повышения точности зубообработки на специальных станках, можно сделать вывод о сравнительно высокой точности метода и перспективности его использования в серийном производстве. В условиях такого производства наиболее рациональной с точки зрения производительности, стоимости оборудования и оснастки, а также занимаемой производственной площади, является обработка круговых зубьев на многоинструмент-ных станках, при которой черновое и чистовое нарезание зубьев осуществляется на одном рабочем месте последовательно тремя зуборезными го-

ловками. Однако целесообразность использования такого оборудования требует в каждом конкретном случае тщательного обоснования ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе решена актуальная научная задача - теоретически и практически обоснована новая технология обработки круговых зубьев шестерни полуобкатной цилиндрической передачи, обеспечивающая улучшение её эксплуатационных характеристик за счёт повышения точности по норме контакта зубьев. В процессе выполненного исследования получены следующие результаты и сделаны выводы.

1 Для получения сопряжённого зацепления и повышения точности передачи зубья шестерни рационально формировать в станочном зацеплении с производящим колесом.

2 В результате геометрического и кинематического анализа станочного зацепления шестерни, проведённого на базе нового способа обработки, получены зависимости, устанавливающие связь между параметрами инструмента, производящего колеса и обрабатываемой шестерни.

3 Разработанное математическое и программное обеспечение процесса формообразования зубьев позволяет синтезировать цилиндрические полуобкатные зубчатые передачи с круговыми зубьями и является основой подготовки конструкторской и технологической документации для их производства.

4 Разработанная методика расчёта параметров режущих инструментов может быть использована при проектировании зуборезных головок для нарезания круговых зубьев колёс полуобкатной цилиндрической передачи.

5 Установлено, что основное и штучное время обработки круговых зубьев пары колёс главной передачи автомобиля КамАЗ полуобкатным способом на 37% меньше, чем основное и штучное время принятого на предприятии варианта обработки косозубых колёс.

6 Результаты опытного нарезания зубчатых колёс подтверждают достоверность полученных аналитических зависимостей, разработанных методик и программного обеспечения.

7 Контроль изготовленных на станках с ЧПУ экспериментальных зубчатых колёс показал, что их точность находится в пределах 8 степени по ГОСТ 1643-81. Учитывая возможность повышения точности при обработке на специальных станках, можно сделать вывод о перспективности предложенного способа зубообработки.

Основное содержание диссертации отражено в публикациях

1 Пат. 2352439 Российская Федерация, МПК В23Р9/02, В23Р9/08. Способ обработки цилиндрических зубчатых колёс {текст] / Бобков М. Н., Шейнин Г. М., Поляков В. В.; заявитель и патентообладатель Тульский государственный университет. - №2007146861/02 ; заявл. 17.12.07 ; опубл. 20.04.09, Бюл. №11. - 6с.: ил.

2 Поляков В. В. Расчёт геометрических параметров шестерни полуобкатной цилиндрической передачи с круговыми зубьями, сформированной на базе производящего колеса [текст]/ М. Н. Бобков, В. В. Поляков, Г. М. Шейнин // СТИН. - 2008. - №10. - С.18-20.

3 Поляков В. В. Расчёт параметров станочного зацепления при формообразования зубьев шестерни полуобкатной цилиндрической передачи [текст] /В. В. Поляков, М. Н. Бобков // Современные проблемы машиностроения : труды IV международной научно-технической конференции. -Томск : ТПУ, 2008. - С.513-517.

4 Поляков В. В. Геометрические параметры колеса полуобкатной цилиндричес/кой передачи с круговыми зубьями [текст]/ Г. М. Шейнин, В. В. Поляков, М. Н. Бобков // Известия ТулГУ. Серия "Технические науки".-Тула, 2008.-Вып. 4.-С.186-191.

5 Поляков В. В. Определение приближенных значений радиусов резцовых головок для обработки круговых зубьев шестерни полуобкатной цилиндрической передачи [текст]/ В. В. Поляков // Известия ТулГУ. Серия "Технические науки". - Тула, 2008. - Вып. 2. - С.89-94.

6 Поляков В. В. Расчёт коэффициента перекрытия цилиндрической полуобкатной передачи с круговыми зубьями [текст]/ В. В. Поляков, М. Н. Бобков // Известия ТулГУ. Серия "Технические науки". -Тула, 2008. - Вып. 4. - С.192-196.

7 Поляков В. В. Расчёт толщины вершины кругового зуба на торце колеса полуобкатной цилиндрической передачи [текст]/ В. В. Поляков, М. Н. Бобков, Г. М. Шейнин // Вестник ТулГУ. Серия "Инструментальные и метрологические системы" : материалы международной юбилейной научно-технической конференции "Инструментальные системы машиностроительных производств". - Тула: ТулГУ, 2008. - С.105-107.

8 Поляков В. В. Расчёт толщины вершины кругового зуба на торце шестерни полуобкатной цилиндрической передачи [текст]/ М. Н. Бобков, Г. М. Шейнин, В. В. Поляков // СТИН. - 2010. - №4. - С.ЗЗ-34.

Изд.лиц.ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 21.11.2013 Формат бумаги 60x84 Vi6- Бумага офсетная. Усл.печ. л. 0,9 Уч.изд. л. 0,8 Тираж 100 экз. Заказ 099 Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, просп.Ленина, 92. Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, просп.Лешша, 95.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тульский государственный университет"

1С

УДК 621.914 : 621.833

04201453253

На правах рукописи

ПОЛЯКОВ Владимир Васильевич

. ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ КРУГОВЫХ ЗУБЬЕВ КОЛЁС ПОЛУОБКАТНОЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Специальность 05.02.08 - "Технология машиностроения"

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент М.Н. Бобков

Тула 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ, ОТНОСЯЩИЕСЯ К ЗУБЧАТЫМ ПЕРЕДАЧАМ ( ГОСТ 16530-83, ГОСТ 16531-83, ГОСТ 19325-73).................................................................5

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................8

1 ОБЛАСТИ РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОЛЕС С КРУГОВЫМИ ЗУБЬЯМИ. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ АРОЧНЫХ ЗУБЬЕВ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОЛЕС......12

2 РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СТАНОЧНОГО И РАБОЧЕГО ЗАЦЕПЛЕНИЯ КОЛЕС ПОЛУОБКАТНОЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ С КРУГОВЫМИ ЗУБЬЯМИ, ШЕСТЕРНЯ КОТОРОЙ СФОРМИРОВАНА НА БАЗЕ ПРОИЗВОДЯЩЕГО КОЛЕСА...................................................................28

2.1 Расчет профиля зуба колеса в средней плоскости..............................30

2.2 Зависимости для расчета торцового профиля зуба колеса................33

2.2.1 Расчет координат точек торцового профиля вогнутой стороны ........зуба колеса...........................................................................................33

2.2.2 Расчет координат точек торцового профиля выпуклой стороны .......зуба колеса............................................................................................35

2.3 Формообразование зубьев шестерни на базе производящего колеса.............................................................................................................35

2.3.1 Обработка выпуклых сторон зубьев..................................................35

2.3.1.1 Расчет параметров установки и угла поворота шестерни............35

2.3.1.2 Расчет координат точек торцового профиля выпуклой ............стороны зуба шестерни.................................................................38

2.3.1.3 Расчет координат точек торцовых профилей зубьев шестерни .........и колеса в рабочем зацеплении.......................................................41

2.3.2 Обработка вогнутых сторон зубьев шестерни.................................43

2.3.2.1 Расчет параметров установки и угла поворота шестерни............43

2.3.2.2 Расчет координат точек торцового профиля вогнутой стороны ..........зуба шестерни..................................................................................45

2.4 Определение приближенных значений радиусов резцовых ..........головок для обработки зубьев шестерни......................................49

2.5 Расчет координат точек переходной кривой на торце зуба

.......шестерни...............................................................................................53

2.6 Определение предельных значений углов 02и 01.............................60

9

2.7 Определение предельных значений фаз рабочего зацепления.........65

2.8 Расчет коэффициента перекрытия зубчатой передачи.......................67

2.9 Определение толщины вершины зуба на торцах колеса

......и шестерни...........................................................................................71

2.9.1 Расчет торцовой толщины вершины зуба колеса............................71

На рисунке 2.20 показана впадина между двумя зубьями колеса. Точки At2 и АХ2\ торцовых профилей соответственно вогнутой и выпуклой сторон зубьев лежат на окружности вершин зубьев радиуса га2. Этим точкам соответствуют параметры 0а2тт и 0а2тах, определяемые по уравнениям (2.52). Используя эти параметры, по формулам (2.1) - (2.7) и (2.8) - (2.12) можно определить угловые координаты и точек РА.2 и к\2\.............................................................................................71

2.9.2 Определение толщины вершины зуба шестерни в торцовом ......

сечении...........................................................................................................72

2.10 Описание алгоритма расчёта геометрии полуобкатной .......цилиндрической передачи с круговыми зубьями 74

3 РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ ЗУБОРЕЗНОГО ИНСТРУМЕНТА И НАЛАДОК ЗУБОРЕЗНЫХ СТАНКОВ....................................................84

3.1 Определение ширины впадины на начальной окружности

.......шестерни в торцовом сечении............................................................86

3.2 Расчет параметров чистовой резцовой головки для обработки

......выпуклых сторон зубьев шестерни....................................................87

3.3 Расчет параметров чистовой резцовой головки для обработки

......вогнутых сторон зубьев шестерни......................................................91

3.4 Расчет параметров получистовой резцовой головки для обработки ......вогнутых сторон зубьев шестерни.......................................................94

3.5 Расчет параметров получистовой резцовой головки для обработки .....выпуклых сторон зубьев шестерни......................................................96

3.6 Расчет параметров двусторонней черновой зуборезной головки ......для обработки зубьев шестерни.........................................................98

3.7 Расчет минимальных диаметров зуборезных головок из условия

......отсутствия вторичного резания при обработке шестерни и колеса

......................................................................................................................101

4 ОЦЕНКА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ МЕТОДОВ НАРЕЗАНИЯ ЗУБЬЕВ ПУТЕМ СРАВНЕНИЯ ОСНОВНОГО И ШТУЧНОГО ВРЕМЕНИ ОБРАБОТКИ И РЕЗУЛЬТАТЫ КОНТРОЛЯ ТОЧНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНЫХ ЗУБЧАТЫХ КОЛЁС... 113

4.1 Обработка зубьев по методу обката с единичным делением..........113

4.2 Обработка зубьев по методу «Кигуех» [1].........................................121

4.3 Обработка колес с циклоидальной линией зуба...............................122

4.4 Обработка арочных зубьев спирально-дисковой фрезой.................123

4.4.1 Черновое нарезание зубьев...............................................................123

4.4.2 Чистовое нарезания зубьев...............................................................124

4.5 Полуобкатной метод обработки зубьев.............................................126

4.5.1 Обработка шестерни.........................................................................126

4.5.2 Обработка большего колеса передачи............................................126

4.5.2.1 Черновое нарезание зубьев............................................................126

4.5.2.2 Чистовое нарезание зубьев колеса................................................128

4.6 Повышение производительности при обработке круговых зубьев ......на многоинструментном станке........................................................128

4.7 Сравнительная оценка производительности нарезания круговых ......зубьев цилиндрических колес...........................................................131

4.8 Экспериментальное нарезание зубчатых колёс главной передачи ......ведущего моста автомобиля КамАЗ и контроль их точности.......136

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ................139

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.................................141

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................................................................145

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ, ОТНОСЯЩИЕСЯ К ЗУБЧАТЫМ ПЕРЕДАЧАМ ( ГОСТ 16530-83, ГОСТ 16531-83, ГОСТ 19325-73)

Цилиндрическое зубчатое колесо с круговыми зубьями - цилиндрическое зубчатое колесо с криволинейными зубьями, теоретическими линиями которых на развёртке делительной поверхности являются дуги окружностей. Полуобкатная зубчатая передача - зубчатая передача, боковые поверхности зубьев шестерни которой образованы производящей поверхностью в станочном зацеплении, а боковые поверхности зубьев колеса могут быть плоскими или коническими.

Производящая поверхность - воображаемая поверхность, содержащая режущие кромки инструмента или образуемая при их движении, огибающей которой в относительном движении является требуемая боковая поверхность зуба обрабатываемого зубчатого колеса.

Производящее колесо - воображаемое зубчатое колесо, у которого боковыми поверхностями зубьев являются производящие поверхности. Производящий контур - контур зубьев производящего колеса в сечении его заданной поверхностью.

Конгруэнтные поверхности (от лат. congruens - совпадающий) - поверхности, совпадающие при совмещении.

Производящая пара - две производящие поверхности, которые формируют контактирующие друг с другом разноимённые поверхности зубьёв шестерни и колеса.

Жёсткая неконгруэтная производящая пара - производящая пара, составленная из касающихся друг друга неконгруэтных производящих поверхностей.

Станочное зацепление - зубчатое зацепление производящего колеса с обрабатываемым зубчатым колесом.

Рабочее зацепление — зубчатое зацепление колёс в передаче. Рабочая сторона зуба - боковая поверхность зуба, участвующая в передаче движения.

Главная поверхность зуба - наибольшая часть боковой поверхности зуба, которая является частью теоретической поверхности.

Номинальная поверхность зуба - главная поверхность зуба или поверхность, полученная в результате её модификации, от которой отсчитывают-ся погрешности изготовления.

Отсчётпая теоретическая поверхность зуба - условная поверхность зуба зубчатого колеса, определяемая как огибающая номинальной поверхности парного с ним зубчатого колеса при их относительном вращеиии с передаточным отношением, равным отношению чисел зубьёв. Модификация поверхности зуба - преднамеренное отклонение поверхности зуба от главной поверхности, осуществляемое для компенсации действия факторов, отрицательно влияющих на работу зубчатой передачи. Продольная модификация зуба - модификация поверхности зуба по линии зуба.

Приведённый зазор модифицированных поверхностей зубьев - расстояние между отсчётной теоретической поверхностью зуба зубчатого колеса и номинальной поверхностью зуба этого же зубчатого колеса при их касании в центре пятна контакта, измеренное по нормали к номинальной поверхности зуба зубчатого колеса.

Линия уровня приведённых зазоров зубьев - линия на номинальной поверхности зуба зубчатого колеса, в точках которой приведённый зазор модифицированных поверхностей зубьев передачи имеет заданное постоянное значение.

Зона касания зуба — часть боковой поверхности зуба зубчатого колеса, ограниченная линией уровня приведённых зазоров модифицированных поверхностей зубьев передачи.

Пятно контакта - часть боковой поверхности зуба зубчатого колеса передачи, покрываемая площадкой контакта при повороте зубчатого колеса на угол перекрытия.

Площадка контакта - поверхность мгновенного соприкосновения взаимодействующих зубьев зубчатых колёс передачи, образовавшаяся под действием нагрузки вместо контактных точки или линии.

Фаза зацепления - угол поворота зубчатого колеса передачи относительно выбранного начального положения, определяющий картину зацепления в данный момент времени.

Угол зацепления #и> - острый угол в главном сечении эвольвентой цилиндрической зубчатой передачи между линией зацепления и прямой, перпендикулярной к межосевой линии.

Индексы обозначений относятся:

0 - к производящему колесу или инструменту;

1 - к шестерне;

2 - к колесу;

е - к вогнутой стороне зуба шестерни; [ - к выпуклой стороне зуба колеса; а - к поверхности вершин зубчатых колёс; \¥ - к начальным окружностям зубчатых колёс; к поверхности впадин зубчатых колёс.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Решение задач повышения качества продукции и производительности её изготовления является одним из условий развития отечественного машиностроения. Выполнение повышенных требований к изделиям с помощью традиционных решений и приёмов, как показывает опыт, не даёт технического и экономического эффекта. В конкурентной борьбе за деньги потребителя и место па мировом рынке необходимы инновационные конструкторские и технологические решения, опирающиеся на патентно-защищённые схемы, теоретический фундамент и программно-методическое обеспечение.

Для широкого круга изделий, содержащих цилиндрические зубчатые передачи с большими передаточными числами задачу повышения качества (снижения уровня шума и вибраций, увеличение ресурса и т.п.) в ряде случаев можно решить, заменяя прямые зубья круговыми. Задача увеличения производительности изготовления таких передач, отличающихся повышенной трудоёмкостью, решается при использовании полуобкатного способа, предусматривающего нарезание без движения обката колеса передачи и обработку зубьев шестерни с обкатом по производящему колесу. Такая схема, в отличие от известных схем, полностью имитирует рабочее зацепление и обеспечивает формирование зубьев шестерни, сопряжённых с зубьями колеса, нарезанными методом копирования, то есть с производительностью, увеличенной по сравнению с обработкой по методу обката.

Целыо данной работы является улучшение эксплуатационных характеристик полуобкатных цилиндрических зубчатых передач за счёт повышения точности по норме контакта.

Объектом исследования является технология обработки круговых зубьев колёс полуобкатных цилиндрических передач (ПЦП).

Предметом исследования являются параметры станочного и рабочего зацепления колёс полуобкатной цилиндрической передачи, зуборезного инструмента и наладок зуборезных станков.

Методы исследования. При выполнении работы использовались научные основы технологии машиностроения и проектирования зуборезного инструмента, теория зубчатых передач, а также элементы высшей математики и компьютерного моделирования. Автор защищает:

- новый способ формообразования круговых зубьев шестерни полуобкатной цилиндрической передачи;

- результаты моделирования станочного и рабочего зацепления полуобкатной цилиндрической передачи с круговыми зубьями, шестерня которой сформирована на базе производящего колеса, и полученные аналитические зависимости, позволяющие синтезировать такие передачи и осуществить технологическую подготовку их производства;

- математическое и компьютерное обеспечение проектирования полуобкатных цилиндрических передач с круговыми зубьями, режущих инструментов и наладок зубообрабатывающих станков;

- результаты изготовления и контроля точности опытных образцов зубчатых колёс.

Научная новизна:

- разработана геометро-кинематическая модель станочного зацепления цилиндрической шестерни с круговыми зубьями с производящим колесом;

- установлена и формализована взаимосвязь геометрических параметров полуобкатной цилиндрической передачи с круговыми зубьями, шестерни которой сформирована в зацеплении с производящим колесом, с параметрами станочного зацепления, зуборезного инструмента и наладок оборудования.

Практическая значимость результатов работы заключается в повышении эксплуатационных характеристик полуобкатных цилиндрических передач с круговыми зубьями за счёт улучшения размеров и формы суммарного пятна контакта зубьев.

Реализация результатов работы. Методика расчёта геометрических параметров ПЦП с круговыми зубьями, зуборезных инструментов и наладок станков, а также соответствующее программное обеспечение, приняты в ОАО "Тулаточмаш" для использования при проектировании зубчатых передач новых изделий и разработке технологических процессов их изготовления. Материалы диссертации используются также в учебном процессе: в курсе лекций по дисциплине "Технология машиностроения" и при выполнении магистерских диссертаций по направлению 151900. Теоретические положения диссертации были реализованы в соответствии с тематическим планом НИР ТулГУ по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской федерации (регистрационный номер 7.1439.2011 19.59.2011), выполняемым по единому наряд-заказу на фундаментальные работы ТулГУ в 2012-13 гг.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях ТулГУ с 2008 по 2012 г., на международной юбилейной НТК "Инструментальные системы машиностроительных производств" (Тула, 2008 г.), на IV международной научно-технической конференции "Современные проблемы в машиностроении" (Томск, 2008 г.), на научно-техническом семинаре "Прогрессивные технологии и оборудование механосборочного производства" (Москва, МГТУ "МАМИ", 2009 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе, 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и одно описание изобретения.

Структура и обьём диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков, 4 таблицы, библиографический список из 27 наименований.

1 ОБЛАСТИ РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОЛЕС С КРУГОВЫМИ ЗУБЬЯМИ. МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ АРОЧНЫХ ЗУБЬЕВ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОЛЕС

В ряде случаев улучшение эксплуатационных характеристик цилиндрических зубчатых передач может быть достигнуто за счет применения колес с арочными, в частности с круговыми, зубьями. По сравнению с прямозубыми и косозубыми колесами они имеют следующие преимущества.

1 В передаче сравнительно легко достигается желаемая локализация контакта.

2 Отсутствует кромочный контакт, вызываемый погрешностями изготовления передачи и ее деформацией под нагрузкой.

3 Увеличиваются изгибная и контактная прочность зубьев.

4 Возрастает плавность работы передачи, улучшаются ее виброшумовые характеристики.

Для того, чтобы убедиться в этом, ранее были проведены сравнительные испытания различных цилиндрических зубчатых передач, отличающихся только формой зуба [1, 2, 3].

Так, прямые зуб