автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Устойчивость и точность технологических систем при прерывистой обработке резанием заготовок зубчатых колес

На правах рукопи<

КОЛОДЯЖНЫЙ Дмитрий Юрьевич

УСТОЙЧИВОСТЬ И ТОЧНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРИ ПРЕРЫВИСТОЙ ОБРАБОТКЕ РЕЗАНИЕМ , ' ЗАГОТОВОК ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

Специальность 05.02.08 - технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005009-5°«

26

С У ГЭ Т'

>> 11 и ¿.и;

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012

005009361

Работа выполнена в Федеральном бюджетном государственном образовательном учреждении Высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет".

Научный руководитель: заслуженный деятель науки Российской Федерации, доктор технических наук, профессор, Мурашкин Сергей Леонидович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Защита состоится 21 февраля 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.229.26 ФБГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет", 195251 Санкт-Петербург, ул. Политехническая д.29, в ауд. 41,1 учебного корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФБГОУ ВПО "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет".

Автореферат разослан 17 января 2012 г.

Ученый секретарь---------------------

Коротких Михаил Тимофеевич;

кандидат технических наук, доцент, Дмитриев Сергей Иванович.

Ведущая организация: ЗАО «Петербургский тракторный завод», г. Санкт-Петербург.

совета Д 212.229.2' профессор

Тисенко В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из важных мероприятий, направленных на повышение эффективности машиностроительного производства является снижение расхода металла, за счет применения прогрессивных методов получения заготовок. Примером применения таких методов при изготовлении деталей массового производства является изготовление зубьев зубчатых колес обработкой давлением в горячем и холодном состоянии. В таких технологических системах (ТС), наряду с возможным возбуждением автоколебаний, обусловленных нелинейностью силы резания, имеют место вынужденные колебания вследствие переменной силы резания.

Следует также учитывать, что точность деталей является одним из основных показателей их качества, а стабильное его обеспечение - важнейшим условием надежности любых технологических процессов.

Обеспечение надежности возможно за счет уменьшения амплитуды колебаний до приемлемого уровня. Поэтому повышение эффективности процесса прерывистого резания по качеству и точности за счет увеличения виброустойчивости системы станка является актуальной задачей и представляет значительный практический интерес.

Цель работы. Разработка мероприятий по обеспечению устойчивости движения ТС, снижению уровня вынужденных колебаний при изготовлении деталей с прерывистыми поверхностями и повышение точности обработки.

Методика исследований. Параметры расчетных математических моделей исследуемой ТС определялись с использованием общепринятых методов исследования динамики станков.

Исследование нелинейных колебаний выполнялось аналитическим методом, а также методом Льенара с использованием фазовой плоскости.

Анализ вынужденных колебаний ТС проводился на основании расчета и исследования амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) системы. Экспериментальная проверка полученных результатов и расчетных данных проводилась в лабораторных и производственных условиях. Силовые зависимости определялись с использованием многофакторного планирования экспериментов.

Научную новизну работы составляют:

- математические модели автономной и неавтономной ТС при прерывистом резании;

- методика определения условий мягкого и жесткого возбуждения автоколебательного процесса;

- зависимости для определения гармонических составляющих периодических сил резания при прерывистом резании и влияния на них режимных параметров;

- расчетные модели для определения АЧХ ТС от воздействия полигармонической силы;

3. Практическая ценность:

- разработан и исследован двойной резец с возможностью регулирования расстояний между вершинами резцов;

- установлено рациональное расстояние между вершинами резца для различных технологических условий, при котором минимизируется амплитуда вынужденных колебаний;

- получены зависимости стойкости двойного резца от режимов резания;

- разработаны промышленные рекомендации по точению наружного диаметра зубчатых колес с учетом параметров технологической системы и режимов резания.

- получены эмпирические зависимости сил резания от режимов резания для стали 40ХН и для стали 30.

Промышленная реализация работы. Двойные резцы, оснащенные многогранными неперетачиваемыми пластинами, внедрены в производство при обработке заготовок зубчатых колес со сформированными зубьями по наружному диметру на ВГУП "НПЦ газотурбостроения "Салют", на одном из дочерних обществ ОАО "Кировский завод" и ряде других предприятий Северо-западного региона РФ.

Апробация работы. Диссертационная работа и её отдельные разделы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры "Технология машиностроения" Санкт-Петербургского государственного политехнического университета (СПбГПУ), научно-технических совещаниях ОАО "Ленполиграфмаш", ОАО "Кировский завод", на Всероссийских конференциях по проблемам науки и высшей школы в СПбГПУ, на третьей межрегиональной научно-практической конференции в Алтайском государственном техническом университете, на Московском международном форуме по нано-технологиям в октябре 2011 г.

Публикации. Основные результаты работы изложены в шести печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, общих выводов и заключения, изложена на 132 страницах, включая: 6 таблиц, 43 рисунка, список литературы из 106 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована необходимость проведения исследований, направленных на повышение эффективности процесса изготовления зубчатых колес с предварительно сформированными зубьями и разработки специального режущего инструмента.

В первом разделе рассмотрены современные тенденции повышения эффективности технологических процессов изготовления зубчатых колес.

Анализ работ по обработке поверхности вершин зубьев заготовок зубчатых колес подтверждает ранее сделанные при оценке актуальности выводы о целесообразности формирования зубчатого венца на этапе получения заготовок. При этом возникают проблемы, связанные с обеспечение устойчивости ТС, минимизацией вынужденных колебаний и точности механической обработки.

Исследованию автоколебаний, имеющих место при обработке металлов резанием и анализу причин их возникновения, посвящены работы А. И. Каширина, А. П. Соколовского, Л. С. Мурашкина, В. А. Кудинова, И.С. Амосова и др. Проведенный анализ показал, что наиболее точно суть происходящих в ТС колебательных процессов можно объяснить и описать математически, используя в качестве одной из основных причины возникновения автоколебаний нелинейную характеристику силы резания.

Устойчивость движения ТС механической обработки можно изучать как аналитическим так и методом Льенара на фазовой плоскости. Этот метод полностью учитывает нелинейные свойства, присущие данной системе. Ход интегральных кривых на фазовой плоскости позволяет судить о возможном положении равновесия при различных внешних воздействиях. Стационарному положению равновесия отвечает устойчивая особая точка, а колебательному - предельный цикл.

При этом наряду с возможным возбуждением автоколебаний при прерывистом резании имеют место вынужденные колебания вследствие переменной силы резания. Исследованию таких колебаний посвящены работы И.Г. Жаркова Л.С Мурашкина, Л.Н. Бердникова, С.Л Мурашкина, и др.

Отмечено, что при исследовании прерывистого наружного точения снижение динамической силы, действующей на резец, возможно за счет рационального выбора режимов и условий резания, например, за счет разделения припуска и уменьшения вследствие этого возмущающих сил.

На основании выполненного анализа и в соответствии с поставленной целью настоящей работы сформулированы основные задачи.

1. Разработать конструктивную реализацию процесса резания, обеспечивающую уменьшение силы резания за счет разделения припуска.

2. Разработать методику определения динамических параметров технологической системы и нелинейных характеристик процесса резания.

3. Разработать математическую модель технологической системы при точении диаметра поверхности выступов зубчатого колеса и определить ее параметры.

4. Составить дифференциальные уравнения движения автономной системы токарной обработки.

5. Исследовать на фазовой плоскости методом Льенара условия как мягкого, так и жесткого возбуждения автоколебаний и предложить методику но определению рациональных режимов резания.

6. Составить дифференциальные уравнения движения неавтономной системы токарной обработки и определить ее амплитудно-частотные характеристики.

7. Для проверки расчетных данных АЧХ и правильности математической модели, провести соответствующие экспериментальные исследования.

8. Исследовать технологические характеристики процесса токарной обработки наружных диаметров зубчатых колес.

Второй раздел посвяшен разработке и предварительному исследованию работы специального резца, обеспечивающего разделение припуска, описана методика определения динамических параметров подсистем технологической системы

Анализ конструкций инструментов для обработки по методу разделения глубины резания позволил создать двойной резец, схема которого приведена на рис. 1. За счет особенностей прерывистой обработки обеспечивается раздельная во времени работа каждого резца.

Рис. 1

В результате проведения предварительных экспериментов были определены величины смещений, при которых амплитуда колебаний была наименьшей. Эти смещения оказались близкими к расчетным величинам, полученными исходя из геометрических соотношений между координатой по высоте зуба и толщиной зуба по хорде.

Для проведения исследований выбран типовой представитель токарных станков - станок 16К20. Обрабатываемая заготовка устанавливалась на консольной оправке. Для исследования динамики технологической системы была разработана ее математическая модель

Выбор модели, прежде всего, связан с определением числа степеней свободы. Реальная система металлорежущего станка имеет большое число степеней свободы, каждой из которых отвечает своя собственная парциальная частота. В теории колебаний показано, что можно пренебречь некоторыми степенями свободы, если эти степени связаны с частотами, значительно отличающимися по величине от основных частот технологической системы. Окончательное суждение о правильности принятой модели и значении ее параметров дает сравнение результатов математического анализа с экспериментальными данными.

После определения числа степеней свободы и схемы априорной модели определялись: коэффициенты жесткости подсистем у по диаграмме "нагрузка-перемещение"; частоты собственных колебаний й)для каждой степени свободы; приведенные массы т через коэффициенты жесткости и частоты собственных колебаний; логарифмические декременты Д собственных колебаний; коэффициент пропорциональности силы сопротивления скорости к; характеристики сил резания.

Коэффициенты жесткости определялись по известной методике статическим методом, собственные частоты и логарифмические декременты - по осциллограммам затухающих колебаний, вызванных импульсным воздействием. Приведенные массы,

коэффициенты сил и моментов сопротивления, пропорциональных скорости рассчитывались по соответствующим зависимостям.

В разделе описана также методика определения зависимостей составляющих силы резания от технологических параметров.

Третий раздел посвящен определению параметров подсистем и составляющих сил резания.

Анализ частот собственных колебаний подсистем исследуемой априорной модели позволяет согласно теории колебаний обоснованно не учитывать те степени свободы, квадрат собственной частоты которых отличается от квадратов лимитирующих частот систем в 3 - 5 раз. Кроме того, при анализе динамических параметров априорной модели не учитываются те степени свободы, перемещения по которым мало влияют на суммарное смещение резца.

С учетом аналогичных соотношений собственных частот, а также коэффициентов жесткости и пропорциональности силы сопротивления скорости других подсистем, в качестве доминирующей колебательной системы была принята подсистема "резец-резцедержатель-поперечная каретка" в направлении у-у (рис. 2).

Для определения силовых зависимостей использовался метод многофакторного планируемого эксперимента 23. Нижний уровень глубины резания принимался равным 0,9 мм, а верхний - 2 мм. Подача варьировалась на двух уровнях - нижний 0,11 мм/об, а верхний - 0,34 мм/об. Скорость резания также изменялась на двух уровнях - нижний уровень 0,67 м/с, а верхний - 2,12 м/с.

В результате обработки результатов экспериментальных данных получены зависимости составляющих силы резания от параметров режима резания для резца, находящегося по центру заготовки при обработке стали 40ХН.

Р. = 1015 /°-87. . ■ Ру = 649,3 • г"0,88 • £0'57 -У~а,т ■ Рх = 421,8-/0'89 •50'55 - К"0,11

Получены также зависимости для резца, находящегося ниже центра заготовки. Р1 = 1781,7-?0'77 • 50,57 -К-0'14 Ру = 1128,7-/°'76 -50,59 - У'0,12 ■ Рх= 811,59-Л77-Я0'60-Г0'12

Аналогичные зависимости были получены при обработке стали 30.

Все эти данные были использованы для исследования устойчивости движения технологической системы и вынужденных колебаний в системе.

Четвертый раздел посвящен разработке математических моделей технологической системы при прерывистом резании и ее анализу.

Как отмечалось ранее исследование вопроса об условиях возникновения автоколебаний, имеющих место при резании металлов па станках, удобно вести с помощью анализа движения системы на фазовой плоскости. Это дает возможность, не прибегая к аппроксимации характеристики силы резания, определить, возможны ли автоколебания в исследуемой системе, и, в случае их существования, параметры - амплитуду и форму. Движение системы с одной степенью свободы описывается дифференциальным уравнением:

ту"+ 11у'+]у = Ру(у) где Ру{у) — нелинейная характеристика силы резания.

Этим методом исследованы условия возбуждения колебательных движений парциальных систем при работе на падающих и поднимающихся участках нелинейных характеристик сил.

В качестве примера на рис.3 приведен фазовый портрет для случая обработки стали 40ХН резцом, находящимся ниже центра заготовки (г = 1 мм, 5 = 0,34 мм/об, V:| =0,5 м/с; У2 =2,16 м/с). Здесь 1- характеристика силы сопротивления; 2- характеристика силы резания; 3- обобщенная характеристика; 4- интегральная кривая; 5- устойчивый предельный цикл.

В результате построения серии фазовых портретов и их анализа выяснено, что на падающем участке возможно мягкое возбуждение автоколебательного процесса, на

поднимающемся участке, вблизи от падающего - жесткое возбуждение. Участок с ярко выраженным положительным сопротивлением в системе характеризуется устойчивым резанием. Используя метод Льенара, определены параметры режима резания и технологической системы, при которых отсутствуют как мягкое, так и жесткое возбуждение автоколебаний.

у

мкм

697

387

0,75

0,5

0,25

0,975 о, 77/

о, ) 7 ___2

1 ^^ (0, 24) 1 (1.60)

V, м/с

Рис. 3

Было определено, что резец, находящийся ниже центра заготовки, характеризует условия устойчивости движения технологической системы. Установлено, что при обработке стали 40ХН в диапазоне скоростей от 1 до 2 м/с в системе возможно жесткое возбуждение автоколебаний, а при к>2 м/с в системе устанавливается устойчивый режим резания.

Границей устойчивости, отвечающей критическим параметрам режима резания, следует считать й = |#,|, где А - крутизна положительной силы сопротивления, а

крутизна характеристики силы в пределах рассматриваемого линеаризованного участка.

При обработке поверхности вершин зубьев возникает периодическая сила, обусловленная прерывистой поверхностью выступов зубчатых колес.

При резании двумя резцами внешняя периодическая сила (рис. 4) выражается в следующем виде:

1

_ПЛ

Ьд

Рис.4

П(0) =

Уо

(К'о<'о1

О,

102<10<Т

Здесь: — время окончания резания резцом, находящимся по центру заготовки, в каждом цикле; /02— время окончания резания резцом, находящимся ниже центра заготовки, в каждом цикле; Т — период внешней периодической силы

Движение технологической системы с одной степенью свободы, находящейся под действием внешней периодической силы, описывается неоднородным дифференциальным уравнением второго порядка:

'"/+/'/+7>= Л,+

Для аналитического решения в работе характеристика составляющей силы резания Ру аппроксимировалась линейной зависимостью.

Ру=Ру0+НУ

где Руа — сила резания при отсутствии колебательного движения, Н1 — крутизна характеристики составляющей силы резания.

С учетом мгновенной глубины резания =1 — у известная степенная зависимость составляющей силы Ру от режимных параметров выглядит следующим образом:

Ру=Ср-Ц-у)Хр-8Ур+Нху С учетом мгновенной глубины резания t•¡ = (-у известная степенная зависимость составляющей силы Ру от режимных параметров выглядит следующим образом:

После разложения (<-у)Хр по формуле Ньютона и подстановки результата в дифференциальное уравнение получим:

ту" + А/+1!У = С ■ 1Хр ■ 8Ур ■ V-С -х - 1ХрА ■ 8Ур ■ У~"р ■ у +

■-р

1.С — -п л'2 <?Ур 2

±Ср-хр{хр-1)-Г>-' -Б*' -Г-' -у2 -

-бСр-хр{хр-\){хр-2)-1х^ - ■у3 + ... + Я|/ + Р(/0) После ввода обозначений: 7У0 = (И —Н^/т

д.2 _ Л _ ]+Срх/р'х8УрУ'"р

шк - -

т т

а_-Срхр{хр-\)1Хр-28Уру-"р

2т

^_-Срхр(хр-1)(хр-2)1Хр-3БУру-"р

В0= —

6т

С/"8УрУ'"р

т

дифференциальное уравнение примет

/+С0/+со2ку+а у + г / - в0 = Ш

т

Пренебрегая квадратичными и кубическими степенями по перемещению, получим:

т

После разложения периодической функции ) в ряд Фурье уравнения примет вид:

/ + СоУ'+а>кУ = -{ЦруА + /> (* -'„,)]+!-т Т 4=1Г

Р Р,

к(0„ ' к со а - '

cos kcoBt +

С ~ c°s кщ'о,) + Ру. а (cos kajBt0i - cos k<oBtai )]sin kcoBl)

l ko)B

Решением уравнения является следующее выражение: у—а0 | cos(tofl?o

-<pk) + bksm(k(VBta-<pk)

2Jk *=i iii^ (Щ-кга>1)2 + (2 С0к(ов) Амплитуда вынужденных колебаний подсистемы:

М+ь1

2

к=1 пЦ{со2к -к2(02в)2 +(2С0ксов)2 Сдвиг по фазе:

2 С0ксов

<Рк = a^g °

йг -к (Оя

"к

Учитывая, что технологическая система токарной обработки характеризуется высокими диссипативными силами, расчет АЧХ производился с учетом только первой гармоники к — 1.

Формула амплитуд вынужденных колебаний в технологической системе примет следующий вид:

А=___

mJ(af-a)2s)2 + (2C0a)B)2

Где коэффициенты о, и 6, равны: 2

а, -

Тсо,

- k, sin ^fl'n + (i sin ^д Со2 - 'о,)]

А =

2

fo, (1 - COS £Уд/0[ ) + ру, а (cos суд - COS O)Bt0i)]

По полученным зависимостям были рассчитаны АЧХ технологической системы для двух вариантов обработки зубчатого колеса из стали 40ХН и стали 30. В первом

случае заготовка обрабатывалась одним резцом с глубиной резания 2 мм, а в другом -двумя резцами с глубиной резания 1 мм на каждом из них. При этом скорость резания изменялась от 0,48 до 3,06 м/с, а подача варьировалась от 0,11 до 0,34 мм/об.

В качестве примера на рис. 5,а приведены расчетные АЧХ технологической системы при точении двумя резцами наружной поверхности зубчатого колеса с глубиной резания 1 мм на каждом резце. На рис. 5,6 приведена экспериментальная АЧХ для одного из условий (сталь 40ХН, обработка двумя резцами, 5 = 0,34 мм/об, К = 0,48...3,03 м/с)

Рис. 5

Сравнение результатов обработки одним и двумя резцами показало, что амплитуда колебаний во втором случае примерно на 40% ниже, чем при обработке одним резцом.

В пятом разделе приведены результаты сравнительных экспериментальных исследований работы обычного и двойного резцов. Для обоих резцов производилась оценка их стойкости, точности выполнения размеров и шероховатости поверхности. Эксперименты проводились на токарно-винторезном станке модели 16К20 резцом с пластинками твердого сплава Т5К10.

В работе для оценки стойкости режущего инструмента принималась наиболее часто используемая ее степенная зависимость от скорости резания и подачи. Методом многофакторного планируемого эксперимента типа 22 были определены эти зависимости для одинарного резца и для каждой из двух пластин двойного резца. В работе приведены полученные степенные зависимости и построенные по ним графики. Анализ результатов экспериментов показал, что при обработке двойным резцом стойкость больше, чем при обработке одним резцом примерно в 1,5...2,0 раза. Это происходит

благодаря снижению средних сил резания на каждой вершине двойного резца за счет снижения припуска в два раза.

В реальных условиях достаточно часто поверхность вершин зубьев используется как в процессе настройки зуборезного оборудования так в процессе контроля зубчатого колеса. Поэтому точность диаметра поверхности вершин зубьев оказывает влияние и на точность обработки, и на точность аттестации продукции. В работе исследована сравнительная точность обработки поверхности вершин зубьев при использовании одинарного и двойного резцов. На рис. 6,а приведена кривая распределения размеров при обработке одинарным, а на рис. 6,6 -двойным резцом. Сравнение результатов при обработке партии заготовок показывает, что при использовании одинарного резца эмпирическое среднее квадратичное отклонение 5 = 72,1 мкм, а поле рассеяния со = 432,6 мкм, что соответствует 12-му квалитету точности.

При обработке двойным резцом эмпирическое среднее квадратичное отклонение 5 = 43,2 мкм, а поле рассеяния а) = 259,2 мкм, что соответствует 11-му квалитету точности.

Рис.6

Величина шероховатости поверхности (среднее арифметическое отклонение профиля ) при обработке заготовок одним резцом изменялась в диапазоне от 5,4 до

7,5 мкм. Величина шероховатости поверхности 11а при обработке заготовок двойным резцом изменялась в диапазоне от 2,5 до 4 мкм.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании исследований, проведенных в настоящей работе, можно сделать следующие основные выводы:

1. Создана новая конструкция резцов для обработки поверхности вершин зубьев зубчатых колес, обеспечивающая регулирование расстояния между вершинами резцов в направлении глубины резания и в вертикальном направлении. Экспериментально было установлено оптимальное вертикальное расстояние между вершинами резцов, при котором амплитуда вынужденных колебаний является наименьшей.

2. Разработана математическая модель технологической системы токарной обработки зубчатых колес в виде доминирующей подсистемы резец-резцедержатель-поперечная каретка в радиальном направлении.

3. По методу полного факторного эксперимента получены эмпирические зависимости составляющих силы резания от режимов резания для стали 40ХН и для стали 30, как для резца, находящегося по центру заготовки, так и для резца, находящегося ниже центра заготовки.

4. Методом фазовой плоскости исследованы условия возбуждения колебательных движений парциальных систем при работе на падающих и поднимающихся участках нелинейных характеристик сил. Выяснено, что на падающем участке возможно мягкое возбуждение автоколебательного процесса, на поднимающемся участке, вблизи от падающего - жесткое возбуждение. Участок с ярко выраженным положительным сопротивлением в системе характеризуется устойчивым резанием. Используя метод Льенара, определены параметры режима резания и технологической системы, при которых отсутствуют как мягкое, так и жесткое возбуждение автоколебаний. Было определено, что резец, находящийся ниже центра заготовки, характеризует условия устойчивости движения технологической системы.

5. Установлено, что при обработке стали 40ХН в диапазоне скоростей от 1 до 2 м/с в системе возможно жесткое возбуждение автоколебаний, а при V >2 м/с в системе устанавливается устойчивый режим резания. При обработке стали 30 в диапазоне скоростей от 1,75 до 3,85 м/с в системе возможно жесткое возбуждение автоколебаний, а при V > 3,85 м/с в системе устанавливается устойчивый режим резания.

6. Разработана математическая модель в виде дифференциального уравнения для подсистемы резец-резцедержатель-поперечная каретка в направлении глубины резания. Аналитическим путем были получены амплитудно-частотные характеристики системы при обработке стали 40ХН и стали 30. Было определено влияние режима резания на амплитуду вынужденных колебаний.

7. Разработаны промышленные рекомендации по точению наружного диаметра зубчатых колес с учетом параметров технологической системы и режима резания.

8. Определено влияние параметров режима резания на стойкость инструмента и получена эмпирические зависимости для определения стойкости инструмента. Установлено, что при обработке двойным резцом стойкость больше, чем при обработке одним резцом примерно в 1,5...2,0 раза. Это происходит благодаря снижению средних сил резания на каждой вершине двойного резца за счет снижения припуска наполовину.

9. На основании полученных экспериментальных данных установлено, что точность размера при обработке поверхности вершин зубьев двумя резцами выше, чем при обработке одним резцом как минимум на один квалитет.

10. Определено, что происходит уменьшение примерно в два раза средне арифметического отклонения профиля Ra при обработке зубчатых колес двойным резцом по сравнению с обработкой одинарным резцом.

11. В результате проведенных исследований, лабораторных и промышленных испытаний подтверждена эффективность применения двойного резца для обработки поверхности вершин зубьев на токарном станке.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Мурашкин С.Л., Жуков Э.Л., Колодяжный Д.Ю. Устойчивость и надежность процессов обработки материалов резанием. В кн.: Фундаментальные исследования в технических университетах: Материалы IX Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы. СПб, СПбГПУ, 2005. с 249...250.

2. Колодяжный Д.Ю. и др. Обеспечение качества изделий при обработке материалов резанием. В кн.: "Управление качеством образования, продукции и окружающей среды". Материалы третьей межрегиональной научно-практической конференции. АлтГТУ, БТИ, Бийск, 2005, с 168-173.

3. Колодяжный Д.Ю. и др. Колебания и точность технологических систем при прерывистой обработке резанием. В кн.: Фундаментальные исследования в технических университетах: Материалы X Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы. СПб, СПбГПУ, 2006. С. 317-318.

4. Колодяжный Д.Ю. и др. Устойчивость движения технологических систем при прерывистой обработке резанием В кн.: Научно-технические ведомости СПбГТУ № 2, 2006. с. 91-97.

5. Колодяжный Д. Ю. Функциональный анализ периодических возмущений при прерывистом резании,- Двигатель. 2011,№ 6 (78), с. 20-21.

6. Д.Ю. Колодяжный и С.Л. Мурашкин. Технологические характеристики прерывистого точения зубчатых колес - Вестник СГАУ (Самарский государственный аэрокосмический университет). 2011, № 5 (29), с. 150-156.

Подписано в печать 10.01.2012. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 8587Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

61 12-5/1562

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

УСТОЙЧИВОСТЬ И ТОЧНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРИ ПРЕРЫВИСТОЙ ОБРАБОТКЕ РЕЗАНИЕМ ЗАГОТОВОК ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

Специальность 05.02.08 - технология машиностроения

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На пра

КОЛОДЯЖНЫЙ Дмитрий Юрьевич

Научный руководитель: д.т.н., проф., заслуженный деятель науки РФ С.Л. Мурашкин

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ, 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................. 5

1. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ, ПОСВЯЩЕННЫХ ПРОЦЕССАМ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС, КОЛЕБАНИЯМ И ТОЧНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ......................................................... 6

1.1. Современные тенденции повышения эффективности технологических процессов изготовления зубчатых колес....................................... 6

1.2. Устойчивость движения технологических систем......................... 14

1.2.1. Причины возникновения колебаний при резании металлов....... 16

1.2.2. Влияние жесткости на точность и устойчивость технологических систем..................................................................... 24

1.3. Анализ методов и средств определения жесткости станочного оборудования............................................................................. 26

1.4. Обзор известных исследований по точению прерывистых поверхностей.................................................................................... 30

1.5. Выводы и задачи исследования................................................. 34

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ..................................... 37

2.1. Описание конструкции и работы технологической системы прерывистого резания............................................................................ 37

2.2. Методика определения параметров технологической системы........ 43

2.2.1. Определение коэффициентов жесткости элементов технологической системы............................................................................ 46

2.2.2. Определение частот собственных колебаний........................ 48

2.2.3. Определение приведенных масс и коэффициентов сил сопротивления..................................................................................... 50

2.3. Методика определения зависимостей составляющих силы резания от режимных параметров................................................................ 52

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ.................................. 57

3.1. Определение коэффициентов жесткости элементов технологической системы...................................................................................... 57

3.2. Определение собственных частот, логарифмических декрементов, приведенных масс, моментов инерции и коэффициентов пропорциональности между силой сопротивления и скоростью....................................... 63

3.3. Определение эмпирических зависимостей составляющих силы резания от режимных параметров........................................................... 68

4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СТАНКА ПРИ ПРЕРЫВИСТОМ РЕЗАНИИ ЗАГОТОВОК ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС И ЕЕ АНАЛИЗ................................................................... 77

4.1. Разработка расчетной математической модели автономной системы. 77

4.2. Анализ движения парциальных систем на фазовой плоскости и определение областей устойчивости...................................................... 80

4.3. Функциональный анализ периодических возмущений при прерывистом резании................................................................................ 92

4.4. Разработка расчетной математической модели неавтономной системы при обработке прерывистых поверхностей зубчатых колес................. 95

4.5. Определение амплитудно-частотных характеристик технологической системы............................................................................... 100

4.6. Экспериментальная проверка АЧХ технологической системы......... 103

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРЕРЫВИСТОГО ТОЧЕНИЯ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС......................................... 107

5.1. Исследование стойкости режущего инструмента........................ 107

5.2. Анализ точности размеров и шероховатости обработанных поверхностей......................................................................................... 113

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................... 120

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.................................................. 123

ВВЕДЕНИЕ

Необходимыми механизмами большинства современных машин являются зубчатые передачи. Существует довольно ограниченное число механизмов, где не применялись бы зубчатые колеса, шестерни, сателлиты, валы-шестерни либо другие детали, имеющие прерывистую цилиндрическую поверхность. Ежедневно изготовляется огромное количество зубчатых колес разнообразных размеров с диаметром от 2 до 12000 мм, с модулем 0,05 - 70 мм, причем потребность в зубчатых колесах с каждым годом увеличивается.

Действующая в настоящее время технология изготовления зубчатых колес, базирующаяся в основном на применении процессов резания, требует улучшения, так как процесс формообразования зубьев на фрезерных и зуборезных станках отличается крайне низкой производительностью. В последнее время все шире используются различные методы получения заготовок зубчатых колес с уже сформированными зубьями.

Однако при этом, возникает сложность обработки поверхности вершин зубьев колеса, которая заключается в возникновении ударных нагрузок на режущий инструмент и в появлении вынужденных колебаний.

Для исследования этих явлений необходимо рассматривать колебательные процессы в различных подсистемах станка, возникающие при периодической внешней нагрузке, и определять области устойчивости движения технологической системы в условиях использования многорезцовой наладки. Данная работа посвящена созданию конструкции специального режущего инструмента и исследованию устойчивости технологической системы при прерывистой обработке резанием.

1. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ, ПОСВЯЩЕННЫХ ПРОЦЕССАМ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС, КОЛЕБАНИЯМ И ТОЧНОСТИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1. Современные тенденции повышения эффективности технологических процессов изготовления зубчатых колес

Одним из важных мероприятий, направленных на повышение эффективности машиностроительного производства является снижение расхода металла, за счет применения прогрессивных методов получения заготовок. Отходы металла при изготовлении деталей машин резанием составляют примерно 20 %-40 % общего объема потребляемого металла, а в некоторых отраслях машиностроения отходы металла в 3-4 раза превышают массу готовых изделий.

В последнее время все более широкое применение находят технологии изготовления зубчатых колес с формированием зубьев на этапе получения их заготовок. Современные методы изготовления зубчатых колёс (в части формирования рабочих поверхностей зубьев зубчатых колёс) весьма многообразны и насчитывают в общей сложности более 50 наименований. Сюда следует отнести :

• зубонарезание с помощью зуборезных инструментов, включая формообразование абразивными инструментами методами глубинного и высокоскоростного зубошлифования ;

• литьё;

• пластическое деформирование;

• порошковую металлургию;

Выбор какого-либо способа формообразования зубьев зависит от комплекса экономических, эксплуатационных, технологических и производственных требований, предъявляемых к конструкции зубчатого колеса.

К лучшим методам получения заготовки следует признать тот, при котором заготовки получаются более дешевыми. Однако при этом обязательным условием является оценка стоимости не только процесса накатывания зубьев, но и оценка затрат на последующую механическую обработку, а также обеспечение требуемого качества.

Анализ методов получения ответственных заготовок со сформированными зубьями показывает, что наиболее часто они изготавливаются методами пластического деформирования.

Фундаментальные исследования в области теории и практики изготовления зубчатых колес методом пластических деформаций проводились во ВНИИ-МЕТМАШе под руководством акад. А.И. Целикова, д-ра техн. наук А.Д. Кузьмина и М.В. Барбарича, кандидатов техн. наук В.Ф. Муконина и И.М. Капитонова, значительные исследования по накатыванию шлицев проведены д.т.н., профессором СПбГПУ В.Н. Востровым [3, 16, 20-23, 89-94]. Разработанные ими типовые технологические процессы накатывания зубьев колес широко внедрялись на машиностроительных заводах России. Аналогичные работы проводились и зарубежными фирмами.

Фирма «Landis Machine u Michigan Tool Со» (США) создала серию станков для холодного калибрования зубчатых венцов колес для автомобилестроения и авиационной промышленности. Эта же фирма занята разработкой поточных линий для изготовления колес методами пластической деформации. Аналогичные работы ведутся и в ФРГ [95-106].

Одна из фирм (ФРГ) выпускает станки модели «Микрофло» (лицензия фирмы «Michigan», США). Колеса с числом зубьев 31 и модулем зацепления 2 мм обрабатываются в течение 6 с (с учетом времени загрузки и выгрузки). Обработку ведут два кинематически связанные валка (накатники). Вращают заготовку накатники. Калибруют колеса диаметром 25... 125 мм при модуле 1,25...5 мм. Припуск под калибрование не должен превышать 0,02...0,03 мм. В станке используют высокоточный инструмент. Усилия при этом могут достигать 450

кН. При калибровании заготовок из сталей с HRC-18 усилия составляют 15000... 25000 Н на каждые 25 мм ширины венца при модуле 1,5... 4 мм. Для сталей с HRC-21 - усилия 20...40 кН. Точность колес после калибрования не повышается, однако значительно улучшается шероховатость поверхности и контактная прочность зубьев. Производительность при калибровании в несколько раз выше, чем при шевинговании. Стойкость инструмента составляет около 1 млн. колес.

Фирма «Hürth» (ФРГ) выпускает станок модели ZRA7, работающий одним накатником (процесс «Монорол»). Производительность станка такая же, как и у «Микрофло». Инструмент в станке выполнен с канавками на зубьях, что позволило значительно снизить усилия накатывания.

Процесс накатывания зубчатых венцов колес основан на технологическом методе пластических деформаций. При уменьшении межосевого расстояния инструмент-заготовка зубья инструмента вдавливаются в более мягкий металл заготовки, который начинает течь, заполняя впадины зубьев, и в процессе обкатывания формирует зубья венца колеса. В зависимости от конкретных условий, физических характеристик металла заготовки, инструмента, относительного объема вытесняемого металла, прочности и жесткости системы требуемое число циклов взаимодействия инструмента и заготовки можно менять в значительных пределах.

Формирование зубчатого венца должно сопровождаться определенными кинематическими условиями, связывающими движения заготовки и инструмента и обеспечивающими получение профиля зуба колеса по методу обката или же копирования с дополнительным обжатием металла, которое происходит при внедрении зуба инструмента в заготовку. Глубина внедрения на один оборот заготовки закономерно связана со способом накатывания.

Все способы накатывания зубчатых венцов колес, применяемые в промышленности, можно классифицировать в зависимости от:

а) состояния заготовки (горячее и холодное, либо горячее, холодное);

б) накатного инструмента (накатывание рейками, накатниками, роликами);

в) направления подачи инструмента или заготовки (осевое, радиальное, тангенциальное накатывание).

Самое значительное преимущество накатывания - высокая производительность. Так, при накатывании рейками 16 шлицев на длине вала 96 мм с высотой шлица около 4 мм, машинное время составляет 40 с. На поточной линии, состоящей из двух станков «Рото-Фло», накатывание зубьев длится 3 с. На каждом станке линии в час обрабатывается до 360 валов. Производительность всей линии около 12 тыс. полуосей заднего моста в день. Затраты на инструмент снизились в четыре раза.

На рис. 1.1, показаны возможные методы пластического формообразования зубчатых колес и схемы их накатывания [20-23], а также фотографии процессов накатывания и штамповки зубчатых колес (рис. 1. 2 , 1. 3 и 1.4).

Процессы пластического формообразования цилиндрических зубчатых колес

Рис 1.1

Рис. 1.2

Не все зубчатые колеса большого диапазона модулей, применяемых в соответствии со стандартом, по технико-экономическим соображениям могут быть рекомендованы для формообразования методами пластической деформации. Например, при штамповке лучшие результаты достигаются при изготовлении шестерен, имеющих сравнительно крупный модуль. Это объясняется повышенной стойкостью штампов, имеющих массивные зубья, а также большим выигрышем в производительности, значительной экономией металла и улучшением других показателей при получении крупных зубьев вместо резания штамповкой. Поэтому в практике штамповка зубчатых колес с одновременным оформлением зубьев нашла применение только для изделий, имеющих модуль зацепления 3 мм и выше. Такое ограничение не оказывает существенного влияния на масштабы применения штамповки в изготовлении зубчатых колес, так как применяемость зубчатых колес модуля 3 и меньше, например, в машиностроении составляет всего примерно 26 % от общего количества [23, 49, 56, 60, 89].

В целом, точность зубчатых колес со сформированным методами пластического деформирования зубчатым профилем в зависимости от размеров и материала заготовок колеблется в пределах от 10 до 12 степеней точности. Диаметр поверхности выступов выполняется по 13-15 квалитетам. Припуски на сторону по поверхности выступов составляют (1,5-2,5) мм.

В качестве материалов для изготовления зубчатых колес применяют цементируемые и закаливаемые углеродистые и легированные стали: 15, 20, 30, 18ХГМ, 18ХГТ, 18ХНВА, 20Х, 40Х, 40ХН, 45 и др. Для изготовления зубчатых колес методами пластического деформирования, как правило, используют заготовки из материалов с содержанием углерода до 0,5 %.

В работе изучались проблемы обработки штампованной заготовки зубчатого колеса.

1.2. Устойчивость движения технологических систем

Устойчивость движения станков при обработке металлов резанием имеет важное значение, так как стабильность режимов резания непосредственно влияет на точность и качество обрабатываемых деталей, производительность труда и работоспособность технологической системы станка в целом.

Известно, что движение технологической системы станка характеризуется стационарным или колебательным положением равновесия. При стационарном положении равновесия режимы обработки: глубина резания, скорость, подача и др. - остаются неизменными, а при колебательном они периодически меняются. Поэтому при рассмотрении устойчивости линейных и нелинейных систем станков необходимо определить поведение системы около положения равновесия. A.A. Андронов, A.A. Витт и С.Э. Хайкин [4, 5] дают следующее определение ус-

к ___ V» ___

тойчивости состояния равновесия: "состояние равновесия является устойчивым, если при любой заданной области допустимых отклонений от состояния равновесия (s) мы можем указать область б(е), окружающую состояние равновесия и обладающую тем свойством, что ни одно движение, начинающееся внутри 8, никогда не достигнет границы области е. Вопрос об устойчивости положения равновесия системы может быть решен аналитическими или графическими методами.

Исследования колебаний базируется на основных положениях, изложенных в фундаментальных трудах Н. А. Дроздова, А. И. Каширина, А. П. Соколовского, JI. С. Мурашкина, В. А. Кудинова, М. Е. Эльясберга, И. Тлустого, И. С. Штейнберга и др. Известно, что одним из основных условий устойчивой работы металлорежущих станков является устранение вибраций в процессе их работы. Этому вопросу уделено большое внимание в работах [34,44-45,50-52,6164, 81, 87, 102]. В них говориться, что вибрации в металлорежущих станках наблюдаются как в неавтономных так и в самовозбуждающихся автономных системах, а, кроме того, в результате трения между движущимися частями.

В работах [9, 21, 52, 56, 60] предлагают рассматривать колебательную систему металлорежущих станков как систему со многими степенями свободы, находящуюся под действием силы, создаваемой движущимися частями станка. Эти колебательные явления изучаются как случайные процессы. Единственным методом изучения этих процессов является статистическая обработка экспериментальных данных с применением корреляционной функции я{т), энергетического спектра и закона распределения амплитудных значений /(*), что позволяет получить определенный закономерный характер явлений. Однако, случайные величины необходимо анализировать, исходя из наличия или отсутствия существенной корреляции, что достигается графическим построением нескольких пар значений экспериментальных данных.

В работах В. А. Кудинова [50-52] устойчивость системы станка определяется расчетом и экспериментом, базирующимися на амплитудных фазово-частотных характеристиках системы. Данная методика в свое время была принята в ЭНИМСе за основную при определении динамических качеств металлорежущих станков.

Л. С. Мурашкин и С. Л. Мурашкин [62, 64] определяют устойчивость движения, пользуясь критериями Рауса-Гурвица �