автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Зубофрезерование колес цевочных передач внешнего зацепления

На правах рукописи

ПОЛУЭКТОВ Алексей Евгеньевич

ЗУБОФРЕЗЕРОВАНИЕ КОЛЕС ЦЕВОЧНЫХ ПЕРЕДАЧ ВНЕШНЕГО ЗАЦЕПЛЕНИЯ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.03.01 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

Тула 2005

Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения» в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель -

доктор технических наук, доцент Феофилов Николай Дмитриевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Протасьев Виктор Борисович

кандидат технических наук Ананьев Вадим Николаевич

Ведущая организация -

ОАО «Тулаточмаш»

Защита состоится «15 » ноября 2005 г. в 13:00 на заседании диссертационного совета Д212.271.01 при ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» по адресу: 300600, г. Тула, ГСП, пр. Ленина, 84 в, 4-203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Автореферат разослан «14» октября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А. Б. Орлов

2. м-у Ш966Ч

з

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальпость работы. Передачи зацеплением являются одним из механизмов, связывающих привод с технологической машиной. При этом повышение качества, надежности, долговечности и экономичности машин, упрощение технологии их изготовления являются актуальными задачами.

I Среди зубчатых передач, передающих значительные мощности, немало-

важное место занимают цевочные передачи. Для крупногабаритных механизмов и устройств, являющихся часто уникальными, в конкретных производственных условиях обеспечение точностных показателей весьма сложно и трудоемко. Такие механизмы применяются в приводах фильтров водозабора электростанций, воздухоподогревателях паровых котлов, в горнодобывающих и других машинах.

На параметры цевочных передач влияют точность обработки поверхностей звеньев и в первую очередь - зубчатого колеса, выбранные материалы, соотношение твердостей венца колеса и цевок, условия смазки.

Наиболее распространенным способом нарезания колеса является зуборезная операция. Однако отсутствие технической информации приводит к тому, что в производстве внешних цевочных передач практически не применяют корригирование и зубообработку обкатными инструментами. В результате, единственным способом изготовления зубчатого венца колеса является обработка с единичным делением фасонной дисковой фрезой в стандартных делительных приспособлениях. Таким образом, возникает необходимость решения актуальной задачи - совершенствования операции обработки крупных колес цевочных передач на основе установления взаимного влияния геометрических параметров цевочной передачи и параметров производящей поверхности дисковых и червячных фрез.

Работа выполнена в соответствии с грантом РФФИ в поддержку ведущих научных школ РФФИ 961598242, №00-15-99064.

Цель работы - повышение эффективности конструкторско-технологической подготовки производства цевочных передач внешнего зацепления.

Задачи работы:

провести анализ кинематики плоского зацепления зубчатого колеса с цевочным колесом и установить пути управления параметрами передачи;

осуществить моделирование цевочного зацепления пары колес и станочного зацепления зубчатого колеса с фрезой и предложить вариант коррекции профиля зубчатого колеса, обеспечивающий положительную кинематику резания;

разработать сборные конструкции дисковой и червячной фрезы с поворотными режущими элементами, позволяющие высокоэффективно осуществить процессы черновой и чистовой обработки зубчатых колес;

разработать методику проектирования и технологию изготовления сборных инструментов для фрезерования зубчатых колес, определить размерные связи при переходе от черновой к чистовой зубообработке, при этом учесть вопросы формообразования и стружкообразования, разработать варианты разделения стружки на элементы;

разработать технологические варианты реализации зубофрезерования. Методы исследований. Работа включает тооротичедит и жцперименталь-

К>С. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА^

ные исследования, а также моделирование на ЭВМ. При ее выполнении использовались основные положения теории машин и механизмов, аналитической и дифференциальной геометрии, теории резания металлов, технологии машиностроения, теории вероятностей и математической статистики. Достоверность результатов подтверждается применением современного лабораторного оборудования и классических методов расчета зацеплений.

Автор защищает:

методику численного моделирования процесса обкатывания и определения геометрических и кинематических параметров сопряженных поверхностей цевочной передачи;

теоретическое обоснование проектирования точного и приближенного цевочного зацепления на основе смещения производящих контуров относительно теоретических исходных;

методику проектирования и моделирования червячного и дискового инструмента для чистовой и черновой зубообработки колеса;

конструкции сборных дисковых и червячных фрез с поворотными режущими элементами.

Научная новизна выполненной работы заключается в установлении влияния геометрических параметров цевочной передачи на параметры производящей поверхности дисковых и червячных фрез и во взаимосвязанном синтезе геометрии инструментов и конструкции передачи с заданными кинематическими параметрами, который позволяет:

устранить точку излома на профиле зуба в целях повышения кинематической плавности передачи;

обеспечить необходимые для процесса резания величины кинематических задних углов фрез;

установить регламент переточек инструментов для минимизации погрешностей профиля его режущих кромок.

Практическая ценность работы:

разработан компьютерный вариант моделирования цевочного зацепления пары колес и станочного зацепления зубчатого колеса с фрезой и предложен вариант коррекции профиля зубчатого колеса, обеспечивающий положительную кинематику резания;

разработаны сборные конструкции дисковой и червячной фрезы с поворотными режущими элементами, позволяющие высокоэффективно осуществить процессы черновой и чистовой обработки зубчатых колес;

разработана методика проектирования и технология изготовления сборных инструментов для фрезерования зубчатых колес, определены размерные связи при переходе от черновой к чистовой зубообработке, при этом учтены вопросы формообразования и стружкообразования, разработаны варианты разделения стружки на элементы.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной научно - практической конференции «Проблемы и опыт обеспечения качества в производстве и образовании» (г. Тула, 2001 г.), на Всероссийской научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики» (г. Тула, 2002 г.), на Международной научно - технической

конференции, посвященной памяти выдающихся ученых Коганова И. А. и Лашнева С. И. (г. Тула, 2002 г.), на ежегодных научно - технических конференциях профес-сорско - преподавательского состава ТулГУ (2003-2005 гг.), получена грамота министерства образования за лучший доклад на Международном форуме «Образование, наука, производство» (г. Белгород, 2002 г.), диплом участника на Всероссий-| ской выставке научно - технического творчества молодежи НТТМ - 2002 (г. Моск-

ва, ВВЦ, 2002 г.), диплом первой степени на Шестой молодежной региональной научной и инженерной выставке «ШАГ В БУДУЩЕЕ, ЦЕНТРАЛЬНАЯ РОССИЯ» (г. I Липецк, 2003 г.), диплом лауреата второй степени на Всероссийской научно - тех-

нической конференции студентов и аспирантов «Идеи молодых - новой России» (г. Тула, 2004 г.).

Элементы работы в виде прогрессивных дисковых инструментов и специальной оснастки внедрены в ОАО МосЭнерго.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных статей.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка использованных источников из 46 наименований. Работа содержит 125 страниц машинописного текста, 97 рисунков, 1 таблицу, 1 приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована научная новизна и кратко раскрыто содержание глав.

В первой главе проведен анализ конструктивных особенностей циклоидальных зубчатых передач, способов улучшение их кинематических характеристик, рассмотрены варианты проектирования циклоидальных зацеплений, технологии изготовления звеньев передачи, конструкции инструментов для обработки зубчатых колес, сформулированы цель и задачи исследования.

Из литературных источников и патентов установлено, что операции фрезерования зубчатых колес цевочной передачи уделяется недостаточное внимание: имеются сложности при расчете, изготовлении и эксплуатации зуборезных инструментов, ограниченны сведения о проектировании самой передачи. В результате сформулированы цель и задачи работы.

Цевочные зацепления являются одной из разновидностей циклоидального зацепления. Передачи, спроектированные на основе цевочного зацепления, применяются в приводах бесцепной системы подачи угольных комбайнов, фильтрах для очистки охлаждающей воды конденсаторов паровых турбин электростанций, гусеничной технике, оборудовании для пищевых производств, регенеративных воздухоподогревателях, планетарных редукторах с большими передаточными числами, подъемно-транспортных механизмах, часовых механизмах.

Наиболее разработанным является внецентроидное внутреннее цевочное зацепление. Профили зубьев в нем размещаются на окружностях, смещенных по отношению к центроидам, что и дало повод такое цевочное зацепление назвать внецентроидным. В некоторых типах планетарных редукторов при одинаковых размерах передача с цевочным зацеплением способна передавать нагрузку на «75% большую, чем передача с эвольвентным зацеплением. Такое повышение на-

грузочной способности возможно при корригировании цевочного зацепления и соответственном изменении конструкции передачи. Вопросы расчета и проектирования внецентроидного зацепления достаточно подробно рассмотрены в работах В. М. Шанникова и В. Н. Кудрявцева.

Вопросы, связанные с проектированием и изготовлением внешнего зацепления в литературе недостаточно освещены. Отдельные отраслевые рекомендации исследуют специальные конструкции передачи в узком диапазоне типоразмеров и чисел зубьев.

Конструкторско-технологическая подготовка производства ЦП находится на сравнительно низком уровне.

Во второй главе проведен анализ кинематики работы цевочной передачи, и ее влияние на конструктивные параметры звеньев, исследованы вопросы аналитического и графического моделирования передачи на базе теории огибающих поверхностей и предложен вариант определения профиля сопряженных поверхностей.

Для определения уравнения зацепления и координат торцового профиля зубчатого колеса использован метод профильных нормалей, в соответствии с которым координаты торцового профиля зубчатого колеса в системе, связанной с зубчатым колесом, имеют вид

х, = -г-, соэ

<Рг

(г1+г2)\ , , •( (2г2+г1) —-—\ + (г, +Г2)С0Х<Р, - Ро .«л! <Р, --\-

2г.

У1 ~г2

Ч>1

(п + г2Л

-(г1 + г2 )вт (р! - р(, соя

VI

(2г2+Г,)\

2г.

0)

где гх - радиус начальной окружности зубчатого колеса; г2 - радиус начальной окружности цевочного колеса; р0 - номинальный радиус ролика; <р1 е[<Р1р,<Р)а] - фаза зацепления зубчатого колеса от начала до конца зацепления.

Анализ бокового профиля колеса по его координатам предложено проводить в три этапа.

На первом этапе для передачи с конкретными параметрами осуществляется построение профиля и определяется наличие на нем участков, которые могут быть подвержены интерференции (рисунок 1).

На втором этапе путем дифференцирования определяется наличие и положение экстремума на рассчитанном профиле. Фаза зацепления <р} в момент контакта с нижней точкой расчетного профиля зубчатого колеса

А Ро(г, +

расчетный ' профиль

начальная

точка излома

точка жстречума

окружность колеса

<Р1Э = 2 агс.<;1п\

{4г2(г,+г2)

(2)

Наличие экстремума объясняется тем, что

Рисунок 1 - Интерференция профилей зубчатого колеса и ролика

профиль зуба колеса образуется как эквидистанта траектории движения оси ролика.

Координаты точки экстремума х1э,у1э определяются из (1) при <р1 = <р]э. Анализ этих координат показывает, что точка экстремума расположена внутри окружности торцевого сечения ролика, т. е. профили ролика и зубчатого колеса интерферируют.

На третьем этапе аналитически определяются границы интерферирующих профилей путем совместного решения уравнений профиля ролика и профиля боковой поверхности колеса (1)

Р0=(Х1-Г,)2 +у]. (3)

Решив уравнение (3) относительно переменной <р¡, обозначим найденное значение <р1р. При подстановке <р, - (р1р в (1), получаются координаты х1р,у1р,

определяющие точку излома профиля.

Участки однопрофильного и многопрофильного контакта зубьев в передаче определяются точками пересопряжения. Устранение погрешностей зацепления, таких как, кромочный контакт, интерференция и т. п. путем изменения профиля детали, например за счет применения модификации и корригирования, невозможно без информации о точках пересопряжения.

Алгоритм определения границ фаз пересопряжения профилей зубьев в зацеплении состоит из четырех шагов.

1. По зависимостям (3) определяется фаза зацепления зубчатого колеса <р1р, соответствующая первой контактной точке активного профиля зуба.

2. Путем решения уравнения (4) рассчитывается фаза зацепления (ры, соответствующая верхней точке активного профиля зуба (см. уравнение 4).

г?а =х1о2 + у 1а2, (4)

где х1а,у1а - координаты точки пересечения активного профиля с окружностью вершин.

3. Определяется фаза зацепления, соответствующая началу однопрофильного зацепления

<Ри=<Р1а~т< (5)

где г = 2к / х1 - угловой шаг зубьев колеса.

4. Определяется фаза зацепления <р1и, соответствующая окончанию однопрофильного зацепления

4>1и =<Р1р+*- (6)

Для получения координат точек пересопряжения из (1) переменной ср; следует присвоить соответствующее значение фазы зацепления.

На плавность работы цевочной передачи влияет величина коэффициента торцового перекрытия, который приближенно определяется выражением

е = г2<р2а/{2п), (7)

где г2 - число цевок.

5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 | Число зубьев зубчатого колеса

Рисунок 2 - Влияние числа зубьев колеса на коэффициент перекрытия

Значение коэффициента перекрытия, большего единицы во внешней цевочной передаче обеспечивается при числах зубьев зубчатого > 5 и цевочного г2 > ¡0 колес (рисунок 2).

Точное значение коэффициента перекрытия учитывает положение нижней точки активного профиля зуба колеса и определяется зависимостью

б = (<Р1а-Я>1р)/*- (8)

В целях снижения номенклатуры режущего инструмента и вспомогательной оснастки выведены математические зависимости, позволяющие определить координаты профилей дисковых фрез для диапазона передаточных отношений, который при фиксированном числе зубьев зубчатого колеса задается минимальным г2тт и максимальным - г2тях числами зубьев сопряженных цевочных колес с радиусами начальных окружностей г2тт и г2так. Профили сопряженных с ними зубчатых колес пересекают окружность вершин в точках с координатами х1аО'У1аО и х1ап'У1ап ■ Радиус-векторы, проведенные в эти точки из центра зубчатого колеса, составляют с осью 01у1 углы а и а]. Диапазон разбивается на поддиапазоны делением дуги между точками на погрешность профиля /f. Координаты узловых точек на дуге окружности вершин

*1ак =г1а Н а + к

а, - а

У 1ак = г1а СН <*+к

а, - а

(9)

; к = п-1,

(10)

п ) у п

где г1а - радиус вершин зубчатого колеса; к = {0;п} - номер точки; п - количество поддиапазонов, каждый из которых профилируется своей фрезой.

Координаты точек профиля фрезы для нарезания колеса из поддиапазона с порядковым номером и зависят от минимального значения эквивалентного радиуса цевочного колеса г2 = г2п, который является решением системы

Х1(г2,<р,) = х,ак У1 (г2 >91) = У1ак'

где х1(г2,<р1),у1(г2,<р1) - координаты боковой поверхности зуба из (1).

При расчете параметров профиля зубчатого колеса используется номинальный радиус ролика р0. Однако радиус рабочего ролика р в передаче отличается от номинального. Для избежания заклинивания рабочего ролика во впадине зубчатого колеса должно выполняться условие р< р0 (рисунок 3).

Анализ кинематики передачи показал, что на характеристики цевочного зацепления влияют как абсолютные значения радиусов номинального и рабочего

Рисунок 3 - Контакт зуба с номинальным и рабочим роликами Лад, град

роликов, так и их отношение р0/р. Положение контактной точки и профильной нормали в зацеплении с роликами разного диаметра будет различным.

Влияние радиуса рабочего ролика на характеристики передачи, которое косвенно оценивается по изменению углов давления, незначительно даже при уменьшении величины относительно номинальной на 20% (рисунок 4). Через приведенный радиус кривизны р в значительной мере влияет на величину контактных напряжений в передаче.

Величину зазора в цевочной передаче из-за отсутствия в нормативной литературе четких рекомендаций назначаем по аналогии с эвольвентными зубчатыми передачами. За коэффициент пропорциональности - модуль цевочного зацепления принята 4

величина т,=—р. с Г

Проведенный геометрический анализ цевочной передачи показал, что рациональной является величина высоты рабочего профиля зуба, равная 1,5тс, хотя удовлетворительное значение коэффициента перекрытия обеспечивается уже при 1,2тс. Высота переходной кривой определяется радиусом ролика, равным 0,75тс. Суммарная высота зуба зубчатого колеса с учетом назначенного радиального зазора составит 2,5тс.

В качестве кривой, описывающей переходный участок впадины зуба, выбрана дуга окружности меньшего радиуса pj- (рисунок 5), центр которой

смещен на расстояние а от полюса для образования радиального зазора с. В соответствие со схемой, изображенной на рисунке 6, радиус переходной кривой равен

с sin В Pf = Ро—.—г^г, 1-smfi

где р - угол профиля общей касательной, определяемый зависимостью

Po~Pf

Рисунок 4 -Изменение углов давления в зависимости от фазы зацепления при различных радиусах рабочего ролика:

1 - р=9,5 мм; 2 - р=9 мм; 3 - р=8,5 мм; 4- р=8 мм

(Н)

sin/? = -

Po~Pf+c

(12) Рисунок 5 - Радиальный зазор в цевочной передаче

Особенности профиля зубчатого колеса влияют на стойкость режущего инструмента, т. к. малые профильные углы 2-3° в точках излома 2К и 2£ (рисунок 6а,

б) приводят к малым задним углам по профилю режущего зуба. На участках, профилирующих точки излома, задние углы изменяются скачкообразно от 6-7° до минимального значения в 11,5° (см. рисунок 6

в).

Путем смещения в станочном зацеплении производящей поверхности це-

а. град

19

16 14 Ч /3 /

12 :

10 \ /

6 ♦ * :

4 2 2,):

) 02 0'4 06 08 1

Рисунок 6 - Особенности профиля зубчатого колеса а) график изменения профильных углов по впадине зубчатого колеса; б) профиль зубчатого колеса; в) задние углы фасонной фрезы

вочного колеса относительно зубчатого могут быть увеличены минимальные углы профиля, что приводит к увеличению задних углов резания у инструмента. В зависимости от вида и способа смещения производящей поверхности в передаче реализуется точное или приближенное зацепление.

Для конкретной пары колес профиль исходного контура цевочной передачи является строго определенным и не может быть использован при другом отношении чисел зубьев. В номинальной цевочной передаче радиус начальной окружности равен радиусу окружности роликов. Проектирование корректированных передач точных и приближенных осуществляется с измененными диаметрами окружностей производящего колеса. При проектировании внецентроидного цевочного зацепления коэффициент коррекции определяется отношением изменения радиуса начальной окружности цевочного колеса к радиусу окружности роликов

г, - г,,

. _ '2

'2к

(13)

При расчете внешнего зацепления за коэффициент коррекции удобно принять отношение изменения радиуса начальной окружности зубчатого колеса к радиусу ролика

р

Коэффициент коррекции принимает положительные значения при удалении производящей поверхности инструментального колеса от заготовки. Так при отрицательной величине смещения р% зубья колеса окажутся подрезанными (ри-

Рисунок 7 - Образование профиля зубчатого колеса при смещении исходного контура а) отрицательном; б) положительном

сунок 7 а). Это вызвано тем, что линия, описывающая совокупность последовательных положений центра ролика в подвижной системе координат колеса, содержит участки возврата. Математически эта линия представляет собой удлиненную эпициклоиду. Для устранения точки излома и увеличения минимальных профильных углов должно обеспечиваться условие г2у1Г > г2 (см. рисунок 7 б).

Точное плоское зацепление подразумевает обеспечения постоянства угловых скоростей колес, которое может быть достигнуто двумя способами: увеличением г2„ или уменьшением г2, что приведет в первом случае к изменению межосевого расстояния в передаче на величину Да„ = рх(1 + 2]/г2), во втором - к изменению конструкции цевочного колеса.

В номинальной передаче профили зубчатого колеса и режущего инструмента также могут быть скорректированы с целью устранения точки излома и увеличения профильных углов за счет применения приближенного зацепления.

В третьей главе разработаны вопросы проектирования станочного зацепления нарезаемого зубчатого колеса с дисковым и червячным инструментом, теоретически путем моделирования обоснована кинематика резания, определены направления проектирования производящей поверхности инструментов.

При проектировании червячной и дисковой фрез определяются вид и форма производящих поверхностей, которые зависят от величины радиуса начального цилиндра детали, наличия положительных кинематических задних углов резания, конструктивных параметров проектируемого инструмента и др. Профиль зуба колеса может быть обработан без подрезания, если величина радиуса начальной окружности зубчатого колеса в станочном зацеплении, равна радиусу начальной окружности в рабочем зацеплении. Однако червячный инструмент, спроектированный в соответствие с этим условием, не будет иметь кинематических задних углов резания достаточной величины. Увеличить кинематические углы можно, изменив профиль исходного контура за счет увеличения радиуса начальной окружности изделия, однако оно ограничено условием отсутствия подрезания.

Например, для зубчатого колеса цевочной передачи с г] =14, р = 10 мм, Г[ =93,6 мм, г,а =112,5 мм, сопрягаемого с цевочным колесом с г2 = 79 границы допустимых значений радиуса начального цилиндра определяются диапазоном

Г1», мм

Jw

е [93,49;97,34] (рисунок 8).

Моделирование производящих поверхностей инструментов осуществляется в программно-вычислительном комплексе на основе

130 120 110 100 90 80 70 во

л JHU 1 Ч riwmmt

ВТ. 34-

1, 1ин Г 1и л

« AlV S3 49

г

рЛ 0 =

OSfjSl.

(15)

Рисунок 8 - График предельных значений радиуса начального цилиндра зубчатого ко-системы AutoCAD и пакета символь- леса цевочной передачи ных, численных и графических вычислений Maple.

Профиль колеса изображается в системе AutoCAD в виде точек, которые соединяются полилинией и экспортируются в текстовый файл. Данные из файла считываются программой построения поверхности зубчатого колеса. Полученный массив точек является основой для построения сплайна, который в дальнейшем используется для вычисления производных, касательных и нормалей к сопряженным в точке контакта поверхностям.

В параметрическом виде профиль зуба колеса описывается уравнением

х=х0+(хп -x0)t y = s(x0+(xn -x0)t)_

Построение сечения всего колеса производится на основе уравнения (15), описывающего сечение одного зуба. Для этого введен дополнительный параметр -j, соответствующий номеру зуба. Сечение j -го зуба получено поворотом исходного профиля p3(t) на угол (Г[ у), соответствующий угловому шагу зубьев, таким образом, сечение j -го зуба имеет вид

COS(Tjj) -sin(Tjj)

sin(r,j) cos(T,j)

Координаты (x, у) получены путем подстановки значения t в уравнение

Л(0 (15).

Таким образом, профиль колеса представляет собой совокупность профилей отдельных зубьев, а р] (t, у) зависит от двух параметров: t - определяет координаты точки на профиле исходного зуба, j - номер зуба в сечении.

Для определения уравнения осевого профиля червячной фрезы в системе координат инструмента необходимо решить систему уравнений:

I'M

При решении второго уравнения системы (17) применен метод численного дифференцирования послесглаживания

PtjO.J) =

•рМ j = l,zr (16)

У к '

1

¿УЛ+7-

(18)

Дл: п(п + 1)(2л +1)

В результате получены точки путем дифференцирования многочленов наилучшего среднеквадратичного приближения, которые экспортированы в текстовый файл. По считанным из текстового файла координатам точек, построен профиль червячной фрезы.

Наличие положительных кинематических задних углов резания у инструмента является необходимым условием обеспечения процесса фрезерования зубчатого колеса. Величины задних кинематических углов зависят как от конструкции инструмента, так и от технологических параметров процесса - подачи и скорости резания. Для определения кинематического заднего угла в рассматриваемой точке режущей кромки необходимо найти угол между касательной плоскостью к задней поверхности фрезы и вектором результирующего движения.

, . Г*(0

Пусть рг0(/) = ■{ , 0</<1 - параметрически заданный осевой профиль

ЬМ

дискового инструмента в системе координат О0х0у0г0. Профиль инструмента в передней плоскости - рг()у определяется как сечение поверхности инструмента передней плоскостью $г0

( Ло(0„ 4

'у

-РгоЬ)х

О

(19)

где pr0{t)y - ордината pr0(t), pr0(t)x - абсцисса pr0{t)-

Для нахождения рг0у найдем зависимость у/ * (<) между параметрами, при которой pr0(t), ~-ra0sinya0, где га0 - наружный радиус фрезы; уай - передний угол на вершине зуба фрезы.

Задняя поверхность инструмента srT в системе координат инструмента получена вращением рг0у вокруг центра технологического приспособления

РгОу {Ох ~Х0Т

srT{t,y/)= Мг{-ц/)■ pr0r(t)y +(%А%), (20)

ч \Pr0y (!)z ~ Z0T J,

где (x0T,z0r) - координаты центра приспособления в системе координат инструмента, определяемые зависимостями хот =-rao tgasinr, zor = -ra0 tgarcos/.

Задний угол определится как угол между вектором ve скорости результирующего движения и его проекцией \еТ на касательную плоскость в рассматриваемой точке режущей кромки (рисунок 9)

ver-v.

COS CU =:

(21)

'еТ\

ряжущмфоим

к

и

Исходными данными для расчета кинематических задних углов дисковой фрезы являются: координаты режущей кромки в системе координат инструмента [РгПу (0* > Рту (<)у, РгОу (4 ); координаты центра технологического приспособления хдТ ,0, гот; наружный диаметр фрезы ¿0=150 мм; число зубьев г0=Ю; направление стружечных канавок - осевое; частота вращения шпинделя п = 100мин~'\ подача - ^ = 5мм/об или 5г = 0,5мм / зуб, направление фрезерования - встречное, скорость подачи 500 мм/мин.

Анализ графиков, построенных по результатам расчетов статических и кинематических задних углов у сборного

инструмента, выявил незначительное влияние подачи на величину кинематических углов резания на тех участках режущей кромки, где статические углы были изначально малы (рисунок 10).

Это объясняется малыми углами между касательными плоскостями в этих точках и осью Ох и подтверждает целесообразность варьирования параметрами зубофрезерования с помощью коррекции профиля (рисунок 11).

плоскость,

касательная к поверхности

Рисунок 9 - Кинематический задний угол дисковой фрезы

о'в о'0 "Т Параметр профиля I

Рисунок 10 - Статические и кинематические задние углы сборной дисковой фрезы

06 0В 1

Параметр профиля <

Рисунок 11 - Кинематические задние углы сборной дисковой фрезы с корригированным профилем

В четвертой главе разработана технология зубофрезерования зубчатого колеса цевочной передачи, конструкции инструментов. Предложены схемы зубофрезерования. Осуществлена оценка конструктивных и кинематических показателей на точностные характеристики цевочной передачи. Выявлены резервы повышения производительности зубонарезания.

Существенным резервом повышения производительности и качества зубо-обработки является последовательное использование на зубофрезерном станке предварительного прорезания впадин дисковой фрезой при отключенной цепи деления и использования и последующего чистового червячного зубофрезерования.

На основе расчетных зависимостей, полученных во второй и третьей главах, разработана сборная дисковая фреза для зубообработки зубчатых колес цевочного зацепления (рисунок 12). Она состоит из корпуса 1 с девятью пазами прямоугольного сечения, зубьев 2, закрепленных от радиального смещения клиньями 4 и винтами 3. Зубья фрезы устанавливаются в пазах по переходной посадке - это обеспечивает расположение зубьев на производящей поверхности инструмента с заданной точностью. В данной конструкции применено профилирование задней поверхности в специальном приспособлении по образующей в виде дуги окружности. Сборные фрезы с поворотными быстрорежущими рейками более эффективны по сравнению с монолитными фрезами. После установки реек в рабочее положение они приобретают положительные задние углы резания. Основными достоинствами сборных фрез по сравнению с монолитными быстрорежущими являются' более высокая точность расположения режущих кромок на винтовой поверхности производящего червяка, более качественная термическая и механическая обработка реек и увеличенные задние углы резания.

Сборные червячные фрезы с зубчатыми рейками имеют два конструктивных варианта: с одним корпусом, выступающим в качестве рабочего и технологического; с двумя корпусами - рабочим, необходимым для эксплуатации фрезы, и технологическим, необходимым для профилирования комплекта реек.

Для первого варианта важно определение условия поворота рейки в такое положение, когда ее задние поверхности будут располагаться на винтовой цилиндрической поверхности. При этом имеется однозначная взаимосвязь между диаметрами рабочего и технологического червяков.

Для второго варианта важен расчет такого диаметра технологического червяка, который обеспечивает наименьшее искажение профиля фрезы при переточках.

Переточка фрезы может производиться также по двум вариантам. Первый наиболее простой вариант предусматривает затачивание режущих зубьев по передней поверхности до устранения износа задней поверхности. Этот вариант менее экономичен, т. к. значительно уменьшает количество возможных переточек.

Р 4

Рисунок 12 - Сборная фасонная фреза: 1 - корпус; 2 - режущая пластина; 3 - винт; 4 ■

Рисунок 13 - Погрешность осевого профиля дисковой фрезы для зубчатого колеса с числом зубьев г=14 после переточки по задней поверхности

По второму варианту необходимо сначала переточить фрезу по передним поверхностям до устранения на них имеющегося износа, а затем произвести разборку фрезы, установить зубья в технологическое положение и перешлифовать зубья по задней поверхности, т. е. практически придется произвести ее профилирование вновь. После этого зубья устанавливаются в рабочее положение. Второй вариант не только более экономичен (количество переточек 20-25, что примерно в три раза больше чем по первому варианту), но и обеспечивает восстановление первоначальной точности фрезы.

Анализ погрешности профиля дисковой фрезы после переточек по задней поверхности (рисунок 13) показал, что при допуске на профиль // = 0,1мм и величине стачивания

Ъст =2-5- Змм коррекция технологического профиля не требуется.

Эксплуатация фасонной фрезы производится на универсальном зубофрезер' ном станке или зубофрезерном станке с ЧПУ, т. к. эти станки имеют высокую жесткость инструментальной оправки, базирующих и зажимных элементов. При нарезании зубчатых колес на зубофрезерном станке фасонным инструментом кинематическую связь стола станка с инструментальной оправкой размыкают. Для обеспечения деления заготовки на зуб спроектировано делительное приспособление (рисунок 14), основным элементом которого является делительный диск с отверстиями или пазами. Число пазов соответствует числу зубьев нарезаемого зубчатого колеса. Делительный диск закрепляется на оправке при помощи шпонки, и

заготовка фиксируется от проворота зажимной „ ,.

й Рисунок 14 - Наладка на зубо-

гйикои. , и

После предварительного зубонарезания ФР^зеРныи станок, на место дисковой фрезы устанавливается чер- " ФРеза'1 - нарезаемое колесо вячная фреза и производится чистовое нареза- - оправка, - делительный

ние зубьев. диск; 5 - фиксатор

Сборная червячная фреза для обработки зубчатых колес цевочной передачи (рисунок 15) состоит из корпуса, в пазах которого по переходной посадке устанавливаются зубчатые рейки, и конических крышек, предохраняющих рейки от осевого и радиального смещения. Для повышения прочности конструкции на корпусе выполнены элементы, поддерживающие спинку зуба.

44 ss Г\гу

-- _ я s j

100

В случае использования одного корпуса для закрепления реек, при перестановки их из рабочего положения в технологическое, т. е. повороте реек на 180°, корпус выполняет функцию технологического приспособления. В таком положении задние поверхности реек распо- _ ,, т, _ _„ , лагаются на винтовой Рисунок 15 - Конструкция сборной червячной фрезы

поверхности, ход которой равен ходу витков основного червяка.

Исходными данными для расчета являются: количество режущих реек z10, рассчитываемое в зависимости от допустимой нагрузки на режущие зубья, например толщины срезаемого слоя или погрешности бокового профиля /у детали, подлежащей обработке; высота зуба обрабатываемой детали hx\ задний и передний у^углы на

вершине режущей рейки аай, радиус технологического червяка гт.

На рисунке 16 представлена сборная червячная фреза с поворотными зубчатыми рейками, построенная по разработанной во второй и третьей главах методике.

Для спроектированного комплекта режущих инструментов проведен сравнительный анализ оперативного времени при обработки фасонной чистовой фрезой и при обработке комплектом фрез.

Обрабатываемое колесо с числом зубьев Zj=14, глубиной впадины зуба t = 29,9мм и шириной зубчатого венца 1о=40 мм, количество одновременно нарезаемых колес т= 5.

Диаметр и число зубьев черновой и чистовой дисковой фрез приняты равными и составили £^,=150 мм и z0 = 9, подача на зуб чистовой фрезы s2=0,03

мм, подача на зуб черновой фрезы sz=0,05 мм, частота вращения шпинделя я = 63мин~1, минутная подача при обратном ходе soS х =500 мм/мин, время на деление т=3 мин и длина перебега 1„=2 мм приняты одинаковыми.

Параметры, влияющие на основное время при червячном зубофрезеровании: число зубьев червячной фрезы z0=10, подача на оборот колеса s =1 мм, число заходов червячной фрезы q = /. Частота вращения шпинделя и длина перебега при-

Рисунок 16 - Червячная фрезы для зубообработки зубчатых колес цевочных передач

няты как для фасонного фрезерования. Время, затрачиваемое на установку и настройку червячной фрезы, примем равным 10 мин.

Сравнению подвергались' оперативное временя обработки фасонной чистовой фрезой и оперативное время обработки комплектом фрез с учетом вспомогательного времени в расчете на одну заготовку. Оперативное время зубофрезерова-ния колеса чистовой дисковой фрезой составило /0=53 мин. Оперативное время зубофрезерования колеса комплектом инструментов составило <0=47,2 мин, при радиальном врезании червячной фрезы ?й=44,9 мин. Сокращение оперативного времени составило соответственно 11,5% и 18,5%.

Теоретические материалы, полученные в ходе выполнения диссертации, использованы при проектировании и изготовлении сборных червячных фрез с поворотными зубчатыми рейками для звездочек втулочно-роликовых цепей мотоциклов и механизмов сельскохозяйственных машин (рисунок 17), а также при изготовлении фасонных радиусных фрез.

Дисковые фрезы в количестве двенадцати штук изготовлены и внедрены в экологическом производстве ГРЭС-24 - филиале Мосэнерго в г. Новомичуринске Рязанской области. Фрезы Рисунок 17 - Фреза для звездо-реализованы на сумму 45 тысяч рублей. чек с шагом цепи 19,05 мм

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ литературных источников по проектированию и производству цевочных передач показал, что основным способом обеспечения высокой точности передачи является учет геометрических и кинематических факторов в станочном и рабочем зацеплении. При этом наибольшую часть технологических задач приходится решать для зубчатого колеса цевочной передачи, как на этапе ее расчета, так и изготовления.

2. Разработанная методика численного моделирования процесса обкатывания звеньев в рабочем и станочном зацеплении и определения геометрических и кинематических параметров сопряженных поверхностей, позволила как при аналитическом так и графическом задании исходных параметров передачи осуществить проектирование ее взаимоогибаемых сопряженных поверхностей.

3. Исследование функции, описывающей боковой профиль колеса цевочной передачи, показало, что он состоит из двух участков, образующих точку излома, которая находится внутри окружности торцевого сечения ролика цевочного колеса. В результате в станочном зацеплении часть профиля зубчатого колеса окажется срезанной, что снижает качество зацепления звеньев в передаче. Анализ однопрофильного и многопрофильного контакта зубьев в передаче позволил определить точки пересопряжения профилей и вывести зависимости для расчета коэффициента перекрытия в цевочной передаче. Установлено, что в диапазоне передаточных чисел 1-20 при минимальном количестве зубьев 5-10 коэффициент перекрытия изменяется соответственно в диапазоне 2,8-0,8.

3. Теоретическое исследование зоны контакта звеньев передачи, с учетом кинематики зацепления позволило путем аналитических и численных расчетов обосновать проектирование приближенного цевочного зацепления, на основе смещения производящих контуров относительно теоретических исходных. Предложенные способы коррекции и модификации профиля зубчатого колеса, позволяют увеличить значения углов профиля с 2,8 до 11 градусов при сохранении значения коэффициента перекрытия большим единицы. Произведена оценка влияния конструктивных параметров элементов передачи на такие параметры зацепления, как углы давления, скольжение, коэффициент перекрытия, интерференция, боковой и радиальный зазоры в передаче.

4. Установлено влияние конструкции цевочной передачи на геометрические параметры дискового и червячного инструментов. При этом определены варианты проектирования производящей рейки, в зависимости от изменения параметров начальных поверхностей звеньев передачи и инструментов. На основе гра-фо-аналитического моделирования рабочего и станочного зацеплений зубчатого колеса с цевочным колесом и инструментальной рейкой установлено, что при выборе радиуса начального цилиндра исходя из условия неподрезания бокового профиля в месте сопряжения с переходной кривой неизбежно получение профильных углов инструмента вблизи начальной окружности не превышающих 0,5°. Это недостаточно для обеспечения процесса резания при зубообработке. При увеличении радиуса начального цилиндра до максимального расчетного значения из условия неподрезания бокового профиля зуба его углы можно увеличить до 12-13°. Анализ кинематических и статических задних углов резания для дискового инструмента показал одинаковый характер их изменения. Однако их величина вдоль правого и левого профилей изменяется в широком диапазоне: от 1,5 до 18°.

6 Установлено, что работа инструмента с продольной подачей влияет на величину кинематических задних углов резания, хотя и незначительно. Влияние подачи не выражено на участках с минимальными статическими задними углами. Увеличение минимальных значений углов до 5° и выравнивание их значений по длине режущей кромки возможно за счет корректирования профиля.

7. Разработаны конструкции сборных дисковых и червячных фрез с поворотными режущими элементами для нарезания зубчатого колеса. Определены условия их эксплуатации. Установлено, что на точность профиля колеса оказывают влияние погрешности при переточках. Так для дисковой фрезы при величине стачивания задней поверхности на 2 мм погрешность торцового профиля колеса составит 0,05 мм. Максимальная погрешность профиля колеса наблюдается в точке сопряжения рабочего профиля с окружностью вершин.

8. Внедрение работы в предпроизводственный период позволит повысить эффективность конструкторско-технологической подготовки за счет сокращения сроков проектирования и изготовления специальной оснастки и режущего инструмента, определения их необходимого минимума и условий эксплуатации, оценки точности цевочной передачи путем моделирования рабочего и станочного зацеплений.

9. Результаты диссертации использованы при изготовлении червячных фрез для звездочек цепных передач и сборных дисковых радиусных фрез.

V190 в8

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕ 2006"4 В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ ~~~-

1. Феофилов Н.Д., Полуэктов А. Е., Панчев Д.Ю., Протасьев A.B. »_____ ^ ^

чение качества фрезерования плит теплообменников//Проблемы и опыт обеспечения качества в производстве и образовании//Научн. тр./ ТЦМС и С.-Тула, 2001. - с. -101-103.

2. Полуэктов А. Е. Определение профиля фасонных фрез для изготовления звездочек цевочных передач/Юбразование, наука, производство: Сборник тезисов докладов Международного студенческого форума. - Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2002. с. 99.

3. Ананьева В. В., Полуэктов А. Е., Феофилов Н. Д. Моделирование рабочего и станочного зацеплений зубчатых передач//Современные проблемы математики, механики, информатики: Тезисы докладов Всероссийской научной конференции. - Тула: ТулГУ, 2001. - С. 68-70.

4. Полуэктов А. Е., Феофилов Н.Д. Сборная дисковая фреза для зубообработ-ки звездочек цевочных передач Труды Международной научно-технической конференции "Технологические системы в машиностроении", посвященной памяти выдающихся ученых Коганова И.А. и Лашнева С.И., ТулГУ, Тула, 2002. - с. 344-347.

5. Полуэктов А.Е Изменение геометрических параметров сборной дисковой фрезы для зубообработки звездочек цевочных передач при переточке по задней поверхности. Труды научно-практической конференции молодых ученых и специалистов центра России, Тула, 26 ноября 2003 г - с. 47-51.

6. Полуэктов А.Е. Изменение профиля сборных фрез при переточках Известия ТулГУ. Серия Технология машиностроения. Выпуск 1. Изд-во ТулГУ, Тула, 2004-с. 71-75.

7. Полуэктов А.Е Определение профиля червячных инструментов с применением современных графических редакторов Труды 1-ой Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Идеи молодых - новой России», Изд-во ТулГУ, Тула, 2004. - с. 29.

8. Московский A.B., Полуэктов А.Е., Войнов Д.А. Расчет кинематических углов резания сборных фрез для зубчатых колес цевочных передач Известия ТулГУ. Серия Машиноведение, системы приводов и детали машин: Вторая международная научно-техническая конференция «Проектирование, технологическая по-готовка и производство зубчатых передач» Тула: Изд-во ТулГУ 2005. - с. 161-164.

9. Полуэктов А.Е., Проходцев С.Ю. Проектирование сборной червячной фрезы для фрезерования зубчатого колеса цевочной передачи Известия ТулГУ. Серия Машиноведение, системы приводов и детали машин: Вторая международная научно-техническая конференция «Проектирование, технологическая поготов-ка и производство зубчатых передач» Тула: Изд-во ТулГУ 2005. - с. 165-166.

Изд. лиц. ЛР№ 020300 от 12 02.97 Подписано в печать 11 1005 Формат бумаги 60x84 Vi« Бумага офсетаал Уел печ я. 1,1. Уч-изд. л. 1,0 Тираж 100 экэ Заказ 41

Тульсхкй государственный университет 300600, г. Тула, просп Ленина, 92

Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300600, г Тула, ул Болднна, 151

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Циклоидальные зацепления.

1.2 Проектирование инструментов для деталей с неэвольвентным профилем.

1.2.1 Способы определения профиля инструмента.

1.2.2 Профиль червячной фрезы для зубчатого колеса цевочной передачи.

1.3 Анализ конструкций инструмента.

1.3.1 Требования к конструкциям сборных инструментов

1.3.2 Особенности конструкции и эксплуатации 33 зуборезных фрез.

1.4 Изготовление зубчатых деталей с неэвольвентными профилями

1.5 Выводы.

2 АНАЛИЗ КИНЕМАТИКИ ЦЕВОЧНОЙ ПЕРЕДАЧИ.

2.1 Выбор системы координат.

2.2 Профиль зубчатого колеса.

2.2.1 Профиль зубчатого колеса, сопряженного с цевочной рейкой

2.2.2 Математическое описание торцового профиля зубчатого колеса.

2.3 Определение характерных участков профиля зубчатого колеса

2.3.1 Коэффициент перекрытия в цевочной передаче.

2.3.2 Определение толщины зуба по окружности вершин.

2.4 Влияние параметров инструмента и погрешностей изготовления колес на характеристики цевочной передачи.

2.4.1 Передаточное отношение и погрешности зацепления.

2.4.2 Влияние диаметра ролика на профиль инструмента и характеристики передачи.

2.4.3 Влияние погрешностей изготовления и монтажа цевочного колеса на работу передач.

2.4.3.1 Кромочный контакт и интерференция в передаче

2.4.3.2 Изменение межосевого расстояния в передаче

2.4.4 Назначение допусков.

2.4.5. Назначение радиального зазора в цевочной передаче.

2.4.6 Выбор бокового зазора.

2.5 Повышение технологичности обработки венца зубчатого колеса.

2.5.1 Корректирование профиля путем изменения радиуса начальной окружности производящего колеса.

2.5.2 Корректирование профиля путем изменения радиусов начальных окружностей звеньев при сохранении постоянного межосевого расстояния.

2.5.3 Модификация профиля с целью повышения технологичности.

2.5.4 Применение профиля со смещенным исходным контуром

2.6 Выводы.

3 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОИЗВОДЯЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ИНСТРУМЕНТОВ.

3.1 Определение радиуса начального цилиндра зубчатого колеса.

3.2 Моделирование производящих поверхностей червячной и дисковой фрез.

3.3 Определение кинематических задних углов.

3.4 Определение минимальной длины червячной фрезы.

3.5 Выводы.

4 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПЕРАЦИИ ЗУБООБРАБОТКИ.

4.1 Зубофрезерование зубчатого колеса сборной дисковой фрезой.

4.1.1 Анализ погрешностей осевого профиля фрез после пере

4.1.2 Технология изготовления сборных фрез.

4.1.3 Точность обработки и система базирования.

4.2 Червячное фрезерование фрезами с поворотными режущими рейками.

4.3 Анализ производительности при зубообработке дисковыми и червячными фрезами.

4.4 Технико-экономическое обоснование применения сборных фрез.

4.5 Использование результатов работы для фрезерования фасонных поверхностей.

4.8 Выводы.

В механизмах и машинах с жесткой кинематической связью широко применяют передачи зацеплением. Они характеризуются обеспечением постоянства частоты вращения и момента выходного звена за счет фиксированного передаточного отношения. К таким передачам относятся передачи, составленные из пары непосредственно перекатывающихся друг по другу зубчатых звеньев, имеющих взаимоогибаемый профиль или пары, соединенной третьим - гибким зубчатым звеном и перекатывающейся по нему. Двухзвен-ными являются пары, составленные из зубчатых колес эвольвентных, циклоидальных и других. Трехзвенными являются цепные, зубчатоременные и другие аналогичные передачи.

Учитывая простоту технологической подготовки и изготовления, цилиндрические зубчатые передачи с эвольвентным профилем получили наибольшее распространение. Однако приводы, составленные из таких передач, особенно с большим передаточным отношением от / = 10 до нескольких тысяч имеют ряд недостатков, которые можно устранить при использовании цевочного зацепления.

Преимуществами цевочного зацепления являются: минимальная интенсивность шума при большем, чем для эвольвентного зацепления времени выработки мощности за общей срок службы машины; возможность передавать в механизмах большую мощность при меньших, чем для эвольвентного зацепления габаритах; высокий коэффициент полезного действия.

Цевочные передачи используются в горнодобывающих машинах, подъемно-транспортных механизмах и планетарных редукторах с большим передаточным отношением.

Несмотря на положительные качества цевочных передач, они имеют ограниченное применение. Это объясняется необходимостью корригирования передачи с целью повышения ее нагрузочной способности и увеличения диаметра цевок, которые являются наиболее слабым звеном в передаче и технологическими трудностями при профилировании циклоидальных боковых поверхностей зубчатых колес.

Так как высота зубчатого венца цевочных передач превышает 20 мм, то при его обработке применяются долбяки - для внутреннего зацепления и дисковые фасонные фрезы — для внешнего зацепления звеньев передачи.

Малые задние углы у режущих инструментов, а следовательно, их интенсивное изнашивание, сложная форма срезаемых стружек, большой объем металла, удаляемого из впадины, и недостаточная жесткость технологической оснастки являются источником вибраций при резании и низкой производительности операции зубонарезания.

Целью диссертации является повышение эффективности конструктор-ско-технологической подготовки производства цевочных передач внешнего зацепления.

Для достижения поставленной цели разработан программно-аналитический комплекс, с помощью которого решены следующие задачи.

1. На основе теории взаимоогибаемых поверхностей проведен анализ кинематики внешнего цевочного зацепления и выявлены параметры, которыми можно влиять на условия осуществления станочного зацепления нарезаемого колеса с дисковой или червячной фрезой.

2. Произведено моделирование цевочного зацепления пары колес и станочного зацепления зубчатого колеса с фрезой и предложен вариант коррекции профиля зубчатого колеса, обеспечивающий положительную кинематику резания.

3. Разработаны сборные конструкции дисковой и червячной фрезы с поворотными режущими элементами, позволяющие высокоэффективно осуществить процессы черновой и чистовой обработки зубчатых колес.

4. Разработана методика проектирования и технология изготовления сборных инструментов для фрезерования зубчатых колес, определены размерные связи при переходе от черновой к чистовой зубообработке, при этом учтены вопросы формообразования и стружкообразования, разработаны варианты разделения стружки на элементы.

5. Оценено влияние конструкции инструментов и погрешностей установки зубчатого колеса в станочном зацеплении на точность его боковой зубчатой поверхности.

Диссертация состоит из четырех глав.

В первой главе проведен анализ конструктивных особенностей циклоидальных зубчатых передач, способов улучшения их кинематических характеристик, рассмотрены варианты проектирования циклоидальных зацеплений, технологии изготовления звеньев передачи, конструкции инструментов для обработки зубчатых колес, сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе проведен анализ кинематики работы цевочной передачи, и ее влияние на конструктивные параметры звеньев, исследованы вопросы аналитического и графического моделирования передачи на базе теории огибающих поверхностей и предложен вариант определения профиля сопряженных поверхностей.

В третьей главе разработаны вопросы проектирования станочного зацепления зубчатого колеса с дисковым и червячным инструментом, теоретически путем моделирования обоснована кинематика резания, определены направления проектирования производящей поверхности инструментов.

В четвертой главе разработана технология фрезерования зубчатого колеса цевочной передачи, конструкции инструментов, предложены схемы зубофрезерования, осуществлена оценка влияния конструктивных и кинематических показателей на точностные характеристики цевочной передачи, выявлены резервы повышения производительности зубонарезания.

Автор защищает: методику численного моделирования процесса обкатывания и определения геометрических и кинематических параметров сопряженных поверхностей цевочной передачи; теоретическое обоснование проектирования точного и приближенного цевочного зацепления на основе смещения производящих контуров относительно теоретических исходных; методику проектирования и моделирования червячного и дискового инструмента для чистовой и черновой зубообработки колеса; конструкции сборных дисковых и червячных фрез с поворотными режущими элементами.

Научная новизна выполненной работы заключается в установлении влияния геометрических параметров цевочной передачи на параметры производящей поверхности дисковых и червячных фрез и во взаимосвязанном синтезе геометрии инструментов и конструкции передачи с заданными кинематическими параметрами, который позволяет: устранить точку излома на профиле зуба в целях повышения кинематической плавности передачи; обеспечить необходимые для процесса резания величины кинематических задних углов фрез; установить регламент переточек инструментов для минимизации погрешностей профиля его режущих кромок.

Выражаю благодарность доценту, кандидату физико-математических наук Московскому А. В. за научные консультации по вопросам моделирования и расчета параметров цевочной передачи и процесса зубообработки при выполнении диссертации.

4.6 Выводы

1. Учитывая большой объем металла, вырезаемого из впадины зубчатого колеса, его зубообработка может осуществляться по различным схемам как дисковыми, так и червячными инструментами. В зависимости от требований по трудоемкости и качеству колес зубонарезание можно производить дисковой чистовой фрезой с продольной подачей при периодическом делении на зуб, червячной фрезой или комбинацией этих инструментов, т. е. предварительное зубонарезание дисковой, окончательное -червячной фрезой.

2. Установлено, что на точность профиля колеса оказывают влияние погрешности переточках. Так для дисковой фрезы при величине стачивания задней поверхности на 2 мм погрешность торцового профиля колес составит 0,05 мм. Максимальная погрешность профиля колеса наблюдается в точке сопряжения рабочего профиля с окружностью вершин.

3. В целях экономии инструментального материала целесообразно дисковые и червячные фрезы применять сборных конструкций, например с поворотными режущими зубьями или рейками.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ литературных источников по проектированию и производству цевочных передач показал, что основным способом обеспечения высокой точности передачи является учет геометрических и кинематических факторов в станочном и рабочем зацеплении. При этом наибольшую часть технологических задач приходится решать для зубчатого колеса цевочной передачи, как на этапе ее расчета, так и изготовления.

2. Разработанная методика численного моделирования процесса обкатывания звеньев в рабочем и станочном зацеплении и определения геометрических и кинематических параметров сопряженных поверхностей, позволила как при аналитическом так и графическом задании исходных параметров передачи осуществить проектирование ее взаимоогибаемых сопряженных поверхностей.

3. Исследование функции, описывающей боковой профиль колеса цевочной передачи, показало, что он состоит из двух участков, образующих точку излома, которая находится внутри окружности торцевого сечения ролика цевочного колеса. В результате в станочном зацеплении часть профиля зубчатого колеса окажется срезанной, что снижает качество зацепления звеньев в передаче. Анализ однопрофильного и многопрофильного контакта зубьев в передаче позволил определить точки пересопряжения профилей и вывести зависимости для расчета коэффициента перекрытия в цевочной передаче. Установлено, что в диапазоне передаточных чисел 1-20 при минимальном количестве зубьев 5-10 коэффициент перекрытия изменяется соответственно в диапазоне 2,8-0,8.

4. Теоретическое исследование зоны контакта звеньев передачи, с учетом кинематики зацепления позволило путем аналитических и численных расчетов обосновать проектирование приближенного цевочного зацепления, на основе смещения производящих контуров относительно теоретических исходных. Предложенные способы коррекции и модификации профиля зубчатого колеса, позволяют увеличить значения углов профиля с 2,8 до 11 градусов при сохранении значения коэффициента перекрытия большим единицы. Произведена оценка влияния конструктивных параметров элементов передачи на такие параметры зацепления, как углы давления, скольжение, коэффициент перекрытия, интерференция, боковой и радиальный зазоры в передаче.

5. Установлено влияние конструкции цевочной передачи на геометрические параметры дискового и червячного инструментов. При этом определены варианты проектирования производящей рейки, в зависимости от изменения параметров начальных поверхностей звеньев передачи и инструментов. На основе графо-аналитического моделирования рабочего и станочного зацеплений зубчатого колеса с цевочным колесом и инструментальной рейкой установлено, что при выборе радиуса начального цилиндра исходя условия неподрезания бокового профиля в месте сопряжения с переходной кривой неизбежно получение профильных углов инструмента вблизи начальной окружности не превышающих 0,5°. Это недостаточно для обеспечения процесса резания при зубообработке. При увеличении радиуса начального цилиндра до максимального расчетного значения из условия неподрезания бокового профиля зуба его углы можно увеличить до 12-13°. Анализ кинематических и статических задних углов резания для дискового инструмента показал одинаковый характер их изменения. Однако их величина вдоль правого и левого профилей изменяется в широком диапазоне: от 1,5 до 18°.

6 Установлено, что работа инструмента с продольной подачей влияет на величину кинематических задних углов резания, хотя и незначительно. Влияние подачи не выражено на участках с минимальными статическими задними углами. Увеличение минимальных значений углов до 5° и выравнивание их значений по длине режущей кромки возможно за счет корректирования профиля.

7. Разработаны конструкции сборных дисковых и червячных фрез с поворотными режущими элементами для нарезания зубчатого колеса. Определены условия их эксплуатации. Установлено, что на точность профиля колеса оказывают влияние погрешности при переточках. Так для дисковой фрезы при величине стачивания задней поверхности на 2 мм погрешность торцового профиля колеса составит 0,05 мм. Максимальная погрешность профиля колеса наблюдается в точке сопряжения рабочего профиля с окружностью вершин.

8. Внедрение работы в предпроизводственный период позволит повысить эффективность конструкторско-технологической подготовки за счет сокращения сроков проектирования и изготовления специальной оснастки и режущего инструмента, определения их необходимого минимума и условий эксплуатации, оценки точности цевочной передачи путем моделирования рабочего и станочного зацеплений.

9. Результаты диссертации использованы при изготовлении червячных фрез для звездочек цепных передач и сборных дисковых радиусных фрез.

1. Литвин Ф. Л. Теория зубчатых зацеплений. М.: Наука, 1968. - 584 с.

2. В. Н. Кудрявцев Планетарные передачи, Ленинградское отделение издательства «Машиностроение», 307с., 1966.

3. В. М. Шанников Планетарные редукторы с внецентроидным цевочным зацеплением, Машгиз, 1948.

4. РД 42.043-88 «Системы подачи бесцепные с эпициклической звездой. Расчет параметров и выбор исходных данных для проектирования». Методика. Гипроуглемаш. Москва. 1991 г. 40 с.

5. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1970. - 720 с.

6. Семенченко И. И., Матюшин В. М., Сахаров Г. Н. Проектирование металлорежущих инструментов. М.: Машгиз, 1962. - 952 с.

7. Романов В. Ф. Расчеты зуборезных инструментов. М.: Машиностроение, 1969. - 251 с.

8. Феофилов Н. Д. Системное проектирование зубофрезерования сборными червячными фрезами: Дис. . докт. техн. наук/ ТулГУ. Тула, 1999.-394 с.

9. В. А. Гавриленко Основы теории эвольвентной зубчатой передачи. М., «Машиностроение», 1969.

10. Лашнев С. И., Юликов М. И. Проектирование режущей части инструмента с применением ЭВМ. М: Машиностроение, 1980. - 208 с.

11. Лашнев С. И. Формообразование зубчатых деталей реечными и червячными инструментами. М.: Машиностроение, 1971. - 215 с.

12. Справочник инструментальщика/И. А. Ординарцев, Г. В. Филиппов, Н. А. Шевченко и др.; Под общ. ред. И. А. Ординарцева. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. - 846 с.

13. Цвис Ю. В. Профилирование режущего обкатного инструмента. -М.: Машгиз, 1961. 156 с.

14. Фрайфельд И. А. Инструменты, работающие методом обкатки. Теория, профилирование и конструирование. М.: Машгиз, 1948. - 252 с.

15. Иноземцев Г. Г., Иванов Н. И. Незатылованные шлицевые червячные фрезы. М.: Машиностроение. - 1973. - 152 с.

16. Лашнев С. И., Юликов М. И. Расчет и конструирование металлорежущих инструментов с применением ЭВМ. М.: Машиностроение, 1975. - 392 с.

17. Люкшин В. С. Теория винтовых поверхностей в проектировании режущих инструментов. — М.: Машиностроение, 1968. — 372 с.

18. Родин П. Р. Металлорежущие инструменты: Учебник для вузов. 3 -е изд., перераб. и доп. - Киев.: Вища школа, 1986. - 455 с.

19. Шишков В. А. Образование поверхностей резанием по методу обкатки. М.: Машгиз, 1951. - 152 с.

20. Грубин А. Н., Лихциер М. Б., Полоцкий М. С. Зуборезный инструмент. Ч I и II. М.: Машгиз, 1946.

21. Басс И. А., Винокурова В. И., Синицын Б. И. Проектирование слож-норежущих инструментов на ЭВМ в режиме диалога//Станки и инструмент. 1978. - 6. - С. 25-26.

22. Цепные передачи и приводы. Сборник научных трудов Краснодарского политехнического института. Краснодар 1991. 621.855/Ц403

23. Цепные передачи и приводы. Сборник научных трудов Кубанского государственного технологического университета. Краснодар 1991. 621.855/Ц403

24. Полуэктов А.Е Определение профиля червячных инструментов с применением современных графических редакторов Труды 1- ой Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Идеи молодых новой России», Изд-во ТулГУ, Тула, 2004.

25. ГОСТ 16530-83 Передачи зубчатые. Термины, определения и обозначения. .- Изд-во стандартов, 1987. 49с.

26. ГОСТ 16531-83 Передачи зубчатые цилиндрические. Термины, определения и обозначения. .- Изд-во стандартов, 1987. 25 с.

27. Калашников С. Н., Калашников А. С. Зубчатые колеса и их изготовление. М.: Машиностроение, 1983. - 264 с.

28. Батова Т. А. Исследование точности профилирования червячных зуборезных фрез: Дис. . канд. техн. наук/ ТулПИ. Тула, 1982, - 210 с.

29. Полуэктов А.Е. Изменение профиля сборных фрез при переточках Известия ТулГУ. Серия Технология машиностроения. Выпуск 1. Изд-во ТулГУ, Тула, 2004.

30. Н.Д.Феофилов, А. Е.Полуэктов, Д.Ю.Панчев, A.B. Протасьев Обеспечение качества фрезерования плит теплообменников//Проблемы и опыт обеспечения качества в производстве и образовании//Научн. тр./ ТЦМС и С.-Тула, 2001.

31. Кудевицкий Я. В. Фасонные фрезы. JL: Машиностроение. Ле-нингр. Отд-ние, 1978 с.

32. Силовые трансмиссии угольных комбайнов. Теория и проектирование / П. Г. Сидоров, С. В. Козлов, В. А. Крюков, JI. П. Полосатов; Под общ. ред. Сидорова. М. Машиностроение, 1995. 296 с.

33. Общемашиностроительные нормативы режимов резания: Справочник: В 2 т. Т. 2/А. Д. Локтев, И. Ф. Гущин, Б. Н. Балашов и др. М.: Машиностроение, 1991. - 304 с.

34. Готовцев A.A., Столбин Г.Б., Котенок И.П. Проектирование цепных передач. М., «Машиностроение», 1973, 384 с.

35. Ананьева В. В., Полуэктов А. Е., Феофилов Н. Д. Моделирование рабочего и станочного зацеплений зубчатых передач//Современные проблемы математики, механики, информатики: Тезисы докладов Всероссийской научной конференции. Тула: ТулГУ, 2001. - С. 68-70.

36. ГОСТ 591-69 (В РЕД 1989 Г) Звездочки для приводных и втулочно-роликовых цепей. .- Изд-во стандартов, 1989. 49с.

37. ГОСТ 15127-83 Фрезы червячные цельные для нарезания зубьев звездочек к приводным роликовым и втулочным цепям. .- Изд-во стандартов, 1987.-49с.

38. Я. С. Давыдов Неэвольвентное зацепление, Машгиз, 1950

39. Фельдштейн Е.Э. Режущий инструмент для неэвольвентных профилей Издательство: Дизайн ПРО: Минск, 2000

40. Тарасов A.B., Александров А.Р., Гарбер В.А., Каверин A.B., Поло-винкина Н.Б. Особенности геометрии реечной передачи с цевками. Межвузовский сборник «Машиностроение и автоматизация производства», вып. 4, 0,5 п.л. С.-Пб.: СЗПИ, 1996.

41. Полуэктов А.Е., Проходцев С.Ю. Проектирование сборной червячной фрезы для фрезерования зубчатого колеса цевочной передачи Известия Тул

42. ГУ. Серия Машиноведение, системы приводов и детали машин: Вторая международная научно-техническая конференция «Проектирование, технологическая поготовка и производство зубчатых передач» Тула: Изд-во ТулГУ 2005.-с. 165-166.