Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки, молодежи и спорта Украины

Донбасская государственная машиностроительная академия

Кафедра мехатронных систем инструмента и технологий

ОТЧЁТ

о прохождении преддипломной практики на ПАО "НКМЗ"

Выполнил: Чмырь В.А.

Руководитель от ДГМА: Гах В.М.

Руководитель дипломного проекта: Клочко А.А.

Краматорск - 2014 г.

Реферат

Отчет состоит: стр. 205, рис. 64, табл. 8.

В отчете рассмотрены методы технологического воздействия при изготовлении крупномодульных закаленных зубчатых цилиндрических колес; проанализированы взаимодействия контактирующих поверхностей крупномодульных закаленных зубчатых цилиндрических колес, а также параметров поверхностного слоя, характеризующих их эксплуатационные свойства. Произведено моделирование взаимосвязи эксплуатационных свойств поверхностей закаленных крупномодульных зубчатых колес с их показателями качества.

ЗАКАЛЕННЫЕ КРУПНОМОДУЛЬНЫЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ ЗУБЧАТЫЕ КОЛЕСА, ЗАЦЕПЛЕНИЕ, ТОЧНОСТЬ, ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ, МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ.



Введение

Важнейшей проблемой машиностроения на современном этапе является повышение качества выпускаемой продукции, в том числе крупномодульных зубчатых передач тяжелых металлорежущих станков, прокатных станов, рудоразмольных мельниц, шагающих экскаваторов, подъемных машин, буровой техники, редукторов. Технологические основы обеспечения производительности, точности и качества зубообработки закаленных крупномодульных зубчатых колес с учетом основных показателей зубчатых передач регламентируют их надежность, которая в значительной мере определяется эксплуатационными свойствами зубчатых цилиндрических колес (пределом выносливости, износостойкостью, коэффициентом трения, контактной жесткостью, прочностью). Эксплуатационные свойства характеризуются состоянием поверхностного слоя зубчатых колес, определяемым технологией их изготовления.

В настоящее время при конструкторско-технологической подготовке производства выбор, назначение и технологическое обеспечение системы параметров поверхностного слоя зубчатых цилиндрических крупномодульных колес базируются на общих положениях науки технологи машиностроения. Отсутствие научного подхода к назначению параметров состояния рабочих поверхностей зубчатых колес, как правило, приводит к необоснованному завышению требований, а следовательно, и удорожанию выпускаемых машин без должного повышения их надежности.

Для решения проблемы технологического обеспечения и улучшения эксплуатационных свойств зубчатых колес с учетом их несущей способности и контактного взаимодействия, которые зависят от состояния поверхностного слоя в целом (макроотклонения, волнистости, шероховатости, физико-химических свойств), а не только от параметров шероховатости, необходим комплексный подход к изучению состояния поверхностного слоя. Выбор системы параметров поверхностного слоя зубчатых колес одновременно предопределяется возможностью их технологического и метрологического обеспечения. Необходимость комплексного подхода к выбору, назначению и технологическому обеспечению системы параметров поверхностного слоя зубчатых колес подтверждают результаты исследований [6, 9, 10, 11, 13, 14, 15, 16, 17, 18].

Эти исследования выявили следующие основные задачи, стоящие перед специалистами в области технологии изготовления зубчатых колес:

1. Установить взаимосвязь состояния поверхностного слоя крупномодульных закаленных зубчатых цилиндрических колес (КЗЗЦК) макроотклонения, волнистости, шероховатости, физико-механических свойств).

2. Обеспечить дальнейшее развитие научных методов определения необходимых параметров состояния рабочих поверхностей КЗЗЦК, научной методологии формирования параметров поверхностного слоя с целью обеспечения качественных показателей состояния эвольвентных поверхностей зубчатых колес.

3. Развивать научное прогнозирование по обеспечению состояния поверхностного слоя зубчатых закаленных колес при различных условиях их обработки.

4. Создать технологическую базу данных по оптимизации технологии производства зубчатых закаленных колес с учетом обеспечения требуемой системы параметров поверхностного слоя.



Раздел 1. Проблемы технологии зубообработки крупномодульных зубчатых колес

1.1 Методы технологического воздействия при изготовлении крупномодульных закаленных зубчатых цилиндрических колес

Моделирование технологического обеспечения эксплуатационных свойств поверхностей закаленных крупномодульных зубчатых колес при их изготовлении обеспечивает повышение эксплуатационных свойств их контактирующих поверхностей. Выбор и назначение комплексных параметров состояния поверхностей, оптимизация технологических решений с использованием математического аппарата моделирования технологического обеспечения эксплуатационных свойств контактирующих поверхностей закаленных крупномодульных зубчатых колес являются определяющими и иллюстрируют острую актуальность выполненных исследований.

В машиностроении широкое распространение получили цилиндрические прямозубые и косозубые цилиндрические зубчатые колеса, обрабатываемые методом профильного формообразования (табл. 1.1) и методом обката (рис. 1.1). Из ряда методов и способов обработки колес выбирают наиболее эффективный.

Рисунок 1.1 - Образование эвольвентного профиля цилиндрического зубчатого колеса червячной фрезой

На технологию изготовления зубчатых колес влияет целый ряд факторов (рис. 1.2): геометрические параметры, технические условия на изготовление зубчатых колес, материал, геометрические параметры поверхностного слоя, степень точности в соответствии с требованиями ГОСТ 1643-81, вид производства, эксплуатационные параметры зубчатых колес на "рабочих осях", что и определяет выбор решения принципиальных вопросов технологии, как способ изготовления заготовки, метод образования зубьев, термическая обработка и выбор способа окончательной зубообработки.

Все виды цилиндрических колес имеют примерно одинаковый структурный технологический маршрут обработки, который состоит из нескольких этапов.

Первый этап включает комплекс заготовительных и механических операций по обработке колес до зубонарезания. Технология изготовления зубчатых закаленных колес с термообработкой имеет свои особенности. Для исправления погрешностей, вызываемых поводкой и короблением в пределах 0,5-0,8мм до модуля 12-16мм и величиной коробления 2,5-3,2мм для модуля 18-65мм, неизбежных при термической обработке, для окончательной отделки посадочных отверстий, базовых поверхностей и зубьев оставляется технологический припуск, который определяется с учетом величины коробления, величины дефектного слоя, погрешности базирования, погрешности закрепления, погрешности обработки на предыдущей операции, погрешность инструмента и станка при обработке методом обката.

Второй этап механической обработки включает предварительную зубообработку. В настоящее время известен ряд способов образования зубьев колес. Из них наибольшее распространение получили способы образования зубьев червячной фрезой и дисковой фрезой. С этой целью созданы высокопроизводительные зубофрезерные станки, новые конструкции твердосплавных червячных и дисковых фрез, позволяющие работать на скоростях резания свыше 1,5м/с [2, 19].

Третий этап включает окончательную термическую обработку колеса - цементацию, закалку ТВЧ, спреерную закалку с последующим выполнением вибростабилизации на различных резонансных частотах при температуре окружающей среды. Благодаря цементации достигается высокая твердость поверхностного слоя зубьев, в то время как сердцевина колеса остается вязкой. По прочности зубьев на изгиб толщина закаленного слоя с целью обеспечения контактной прочности для легированных сталей при поверхностной закалке устанавливается при тп=12-65мм равной

мм.

После цементации изделия подвергаются закалке с целью придания цементованному слою определенной твердости (обычно HRC 52…63). При закалке ТВЧ и спреерной закалке поверхность зубьев приобретает высокую твердость, достигающую HRC48…63, устойчивый износ при знакопеременных нагрузках. Деформации при спреерной закалке значительно меньшие, чем при цементации и закалке ТВЧ.

Четвертый этап включает окончательную обработку технологических, установочных и измерительных баз после термической обработки и окончательную чистовую обработку рабочих поверхностей зубьев закаленных зубчатых колес методом зубошлифования и скоростным зубофрезерованием фрезами, оснащенными пластинками твердого сплава и минераллокерамики.



Рисунок 1.2 - Основные факторы, влияющие на технологию изготовления цилиндрических зубчатых закаленных колес

Нарезанные предварительно на зубофрезерных станках колеса с целью достижения требуемой точности и чистоты поверхностей зубьев проходят окончательную обработку. В настоящее время существует ряд способов чистовой обработки зубьев колес: чистовое зубофрезерование червячными модульными фрезами класса точности А, АА и ААА (ГОСТ 9324-81) по методу обкатки и является эффективной отделочной операцией для крупных колес модулем тп = 12…30 мм твердостью до НВ 280. В результате достигается 6-7-я степень точности ГОСТ 1643-81; зубошлифование методом прерывистого обката для колес модулем тп = 12…20 мм твердостью до HRC48…60 степени точности 6-7В ГОСТ 1643-81 [3, 4, 12, 20, 21].

Создание нового оборудования в ряде случаев сдерживается технологическими возможностями изготовления зубчатых приводов. Увеличение твердости рабочих поверхностей зубьев зубчатых колес является одним из наиболее эффективных и актуальных на сегодняшний день путей повышения нагрузочной способности и долговечности зубчатых передач и, следовательно, редукторов при одновременном снижении их габаритов и массы.

Результаты ряда исследований свидетельствуют о том, что повышение твёрдости поверхности зубьев с HRC 30…32 до НRC 60позволяет вдвое уменьшить габариты редуктора и в 3 раза уменьшить его массу.

В то же время производство крупномодульных зубчатых передач с твёрдостью зуба HRC 52...60 и длиной зубьев 200...800 мм требует значительных трудозатрат.

Существенное повышение твердости зубьев колес резко увеличивает трудоемкость их изготовления, так как повышаются требования к жёсткости зуборезного оборудования, стойкости инструмента, появляется потребность в дорогостоящих, но малопроизводительных зубошлифовальных станках ит. д. Ограниченные возможности обработки крупномодульных зубчатых колес с m = 12...65 мм и твёрдостью зубьев выше 350 НВ со степенью точности 7В-8В ГОСТ 1643-81 приводят к тому, что в ряде отраслей машиностроения закалённые зубчатые колёса составляют менее 20 %, что вызывает необходимость изготовления большого количества запасных деталей и, соответственно, повышает трудоемкость эксплуатации, снижает эффективность машин. Вопросы технологического обеспечения производительности, точности и качества изготовления закаленных крупномодульных зубчатых колес тесно связаны с технологическим влиянием динамической технологической системы.

а) б) в)

г) д) е)

ж) з)

Рисунок 1.3 - Виды крупномодульных закаленных зубчатых передач тяжелых токарных станков, редукторов с цилиндрическими колесами

а) Тяжелый токарный станок модели 1К 670Ф 3 (m=14-24мм); б) - Тяжелый токарный станок модели РТ 95 (m=12-16мм); в) Рудоразмольная мельница (m=24-65мм; г) Редуктор шлаковоза (m=20-46мм); д) Редуктор ЦДН-630 (m=18-36мм); е) Редуктор ЦЦ 2-1250 (m=20-40мм); ж) Редуктор (m=12-18мм); з) Рудоразмольная шаровая мельница (m=20-50мм).

За счет выбора оптимальных технологических схем резания и кинематики зубообработки существенно уменьшается длина главных режущих кромок инструмента, что формирует новые технологические направления обработки зубчатых колёс универсальным инструментом, обеспечивает возможность оснащения инструмента неперетачиваемыми поворотными пластинками из твердого сплава, керамики, сверхтвёрдых материалов, гарантирует достижение необходимой точности изготовления.

В настоящее время одним из важных вопросов повышения надежности закаленных крупномодульных зубчатых колес является обеспечение показателей их качества на этапе проектирования технологи изготовления. В странах ЕС доля этого этапа расходуется (30-35) % от общих затрат на производство изделия, так как при проектировании технологического процесса "закладывается" до 80 % дефектов, а качество изделия в значительной степени определяется состоянием контактирующих поверхностей закаленных крупномодульных зубчатых колес [11, 14].

Таблица 1.1 - Методы и способы обработки цилиндрических зубчатых колес

Способ обработки зубьев	Эскиз обработки	Тип станка. Область применения
Фрезерование дисковой модульной фрезой m = 12…36 мм	в=00	Станок зубофрезерный вертикальный 5А 342П, Серия: 381572 ГОСТ 18065-91
Фрезерование двумя дисковыми модульными фрезами m = 12…36 мм	в=00
Фрезерование тремя дисковыми модульными фрезами m = 12…36 мм	в=00	Диаметр обработки до 2000м. Станок зубофрезерный вертикальный мод.WFS-54 Диаметр обработки до 5000м Для цилиндрических зубчатых колес степени точности 8-9ВГОСТ 1643-81 Число нарезаемых зубьев z=7-240 Станок зубофрезерный с накладным суппортом
Фрезерование специальными дисковыми фрезами (трепанация) с специальным суппортом	Предварительное фрезерование, в = 00
Фрезерование твердосплавной червячной модульной фрезой в нагретом состоянии заготовки m = 12…30 мм	в=±350	Специальный зубофрезерный станок Для зубообработки закаленных цилиндрических зубчатых колес; Степень точности 10-12 ВГОСТ 1643-81
Ротационное зубофрезерование m = 12…30 мм		Станок зубофрезерный
Скоростное зубофрезерование немодульными дисковыми фрезами m = 12…55 мм	в=±350	Станок зубофрезерный PowerTec 7500

1.2 Функциональный анализ взаимодействия контактирующих поверхностей крупномодульных закаленных зубчатых цилиндрических колес

Технология зубообработки закаленных крупномодульных зубчатых колеси особенности проектирования и эксплуатации технологических систем в тяжелом машиностроении значительно изменились. Установлено, что большинство технологических решений базировались на традиционных схемах формообразования и формообразующего зубообрабатывающего оборудования.

Основные положения технологии машиностроения и рекомендуемые способы реализации технологического обеспечения параметров точности и качества поверхности зубьев зубчатых колес, в т. ч. и крупномодульных зубчатых колес, технологические схемы формообразования создавались, разрабатывались и совершенствовались по мере развития науки и техники, тяжелого машиностроения, металлургического комплекса.

Объектом технологии зубообработки крупномодульных закаленных колес является технологический процесс, а предметом - установление, исследование, экспериментальная апробация, производственное внедрение и полная факторная взаимосвязь закономерностей технологического процесса. Современная технология зубообработки крупномодульных закаленных колес развивается в направлении разработки новых технологических подходов, процессов формообразования рабочих поверхностей зубьев, создания нового высокопроизводительного оборудования, новых инструментальных материалов и инструментов. Технологический процесс и станкоинструментальное оснащение развиваются в гармоническом единстве и постоянно находятся в динамическом совершенствовании.

В связи с постоянно растущими требованиями к качеству крупногабаритных зубчатых передач непрерывно растет объем технологической подготовки, связанной с оснащением производства современным высокопроизводительным оборудованием и инструментальным обеспечением. Современные требования по увеличению твердости рабочих поверхностей зубьев зубчатых колес является одним из наиболее эффективных и актуальных направлений повышения нагрузочной способности и долговечности зубчатых передач и редукторов при одновременном снижении их размеров. Результаты исследований ученных свидетельствуют о том, что при повышение твердости зубьев в 1,5-2 раза, во столько же раз уменьшаются габариты редукторов и в 2,5-3 раза уменьшается их масса.

В процессе работы зубчатых колес одновременно происходит трение качения и трение скольжения, вызывающие износ и разрушение рабочих поверхностей зубьев. Это сопровождается нарушением правильности зацепления, ростом шума, падением к.п.д., возникновением динамической нагрузки и т. д. При попадании в смазку горной породы износ профиля зубьев носит абразивный характер. В результате усталости материала и больших нагрузок в зоне начальной окружности возможно появление осповидных углублений (питтинг). Зубчатые колеса с корригированными зубьями, а также шевронными и спиральными меньше подвержены износу.

Износ зубьев шестерен и колес допускается до размеров, указанных в ТУ. При больших износах они заменяются. При сверхдопустимом износе зубьев зубчатых венцов (m > 26) и колес барабанов (m > 20) не допускается оставлять их в механизмах. Величина износа не должна превышать нормативную более чем на 0,17m.

Предельный износ зубьев зубчатых колес составляет (0,1-0,24)m, где m-нормальный модуль. Для зубчатых колес с закаленными зубьями предельный износ составляет 0,8 толщины цементированного слоя.

При наличии трещин, изломов и сколов на зубьях колеса и шестерни подлежат замене или восстановлению. Заварка трещиндопускается только не более чем на трех зубьях для колес, имеющих m > 20 и изготовленных из стали 35Л, и зубчатых венцов, имеющих m > 30. Длина трещины не должна превышать 1/3 длины зуба. При наличии мелких трещин, сколов и выкрашивания в зоне торцов зуба допускается выведение дефекта укорочением зуба не более, чем на 10 % его длины. Не допускается заострение зуба до величины, менее 0,35m.

При выкрашивании рабочей поверхности зуба и других нарушениях профиля сверх допустимых норм, колеса и шестерни подлежат замене.

Предельно допустимый износ зубчатых колес по толщине зуба: в редукторах механизма подъема - 15 %; в редукторах механизмов передвижения - 20 %(рис. 1.3).

Вместе с тем существенное повышение твердости зубчатых колес резко увеличивает трудоемкость их изготовления: повышаются требования к жесткости зуборезного оборудования, стойкости инструмента, появляется потребность в дорогостоящих, но малопроизводительных зубошлифовальных станках. Если для зубчатых колес мелкого и среднего модуля можно сравнительно устойчиво получить требуемые характеристики зацепления путем химико-термической обработки и зубошлифования, то для крупномодульных колес (m = 12ч65 мм), особенно косозубых с углом наклона зубьев свыше вd = 250ч30° и длиною зуба более bк = 400ч800 мм, выполнение технологических операций химико-термической обработки и зубошлифования многократно усложняется и далеко не всегда обеспечивает достижение поставленных целей по причине значительных термических деформаций зубьев (0,8 ч 2,5 мм) и высокой (более 200 станко-часов) трудоемкости операций зубошлифования.

Выполнение технологической операции зубошлифования на зубьях крупного модуля в условиях съема увеличенного припуска (1,0 ч 2,5 мм) приводит к появлению таких дефектов поверхностного слоя, как "прижоги" и микротрещины, а в самом слое появляются растягивающие напряжения, что, в конечном счете, снижает нагрузочную способность и долговечность тяжелонагруженных цилиндрических зубчатых передач.

Для выполнения технологической операции зубошлифования необходимо наличие тяжелых зубошлифовальных станков с диаметром планшайбы до 3000 мм, позволяющих осуществлять рабочий ход штосселя с инструментом длиной до L = 1500 мм при модуле обрабатываемых зубьев до m = 65 мм. Отечественная станко-инструментальная промышленность таких тяжелых зубошлифовальных станков не выпускает, а стоимость приобретения такого оборудования по импорту может достигать до 5 млн. долларов. зубообработка зубчатое колесо технологическое

Иными словами, необходимо создать такую методологию моделирования технологического обеспечения процесса формообразования, которая позволит оценивать технологические решения по объективным критериям, позволяющим целенаправленно управлять структурой и параметрами технологического воздействия с обеспечением параметров точности и качества обработки закаленных крупномодульных зубчатых колес при высокой производительности обработки за счет разработки альтернативных зубошлифованию технологий, позволяющих значительно повысить качество поверхностного слоя и точность зубообработки крупномодульных закаленных зубчатых колес, снизить трудоемкость технологических операций окончательной обработки зубьев.

Новые специальные технологии зубообработки обеспечивают выполнение окончательных операций при обработке закаленных зубьев без приобретения по импорту уникальных дорогостоящих зубошлифовальных станков за счет разработки, исследования и внедрения в производство специальных новых технологий зубообработки крупномодульных закаленных зубчатых колес, выполнения комплексных научно-исследовательских реинжениринговых работ по созданию и внедрению высокоскоростных фрезерных суппортов к зубострогальным станкам и широко распространенным на предприятиях вертикально-зубофрезерным станкам, а также путем разработки и внедрения технологической гаммы червячных твердосплавных фрез и дисковых универсальных немодульных фрез, оснащенных керамикой.

Технологические основы обеспечения точности, качества и производительности обработки закаленных крупномодульных зубчатых колес являются, как всегда, основополагающими.

При назначении параметров состояния контактирующих поверхностей цилиндрических крупномодульных закаленных зубчатых колес установлены возможности технологических методов обработки по обеспечению параметров состояния поверхностного слоя шероховатости (Rmax, Ra, Rz, Rp, Sm, S), волнистости (Wa, Wp, SmW,) и физико-механических свойств поверхностного слоя (k = (Hм0/Hм)·100 %, hм0 ± у0, hу,).

Анализ результатов исследований по формированию высоты профиля шероховатости при различных методах зубообработки крупномодульных закаленных зубчатых колес позволил сделать вывод о том, что на образование шероховатости при всех методах зубообработки встречным фрезерованием оказывают влияние геометрия рабочей части фрезы (радиус округления режущей кромки зуба фрезы с), кинематическая схема формообразования, динамические процессы при зубофрезеровании, колебательные перемещения червячных и специальных модульных фрез относительно обрабатываемой поверхности, упругие и пластические деформации обрабатываемого материала в зоне контакта с зубом фрезы, шероховатость рабочей поверхности инструмента, вырывы частиц обрабатываемого материала.

Технологическое обеспечение качества, точности и производительности изготовления во многом тесно связаны с разработкой технологических схем формообразования зубьев цилиндрических зубчатых колес. Выбор оптимальной схемы резания и кинематики зубообработки существенно уменьшает длину главных режущих кромок и, таким образом, упрощает подготовку зуборезных фрез, обеспечивает возможность оснащения инструмента неперетачиваемыми поворотными пластинками из твердого сплава, керамики, сверхтвердых материалов, гарантирует необходимую точность изготовления и качество обработки поверхности зубчатых колес.

Традиционная технология обработки зубьев стандартными червячными фрезами, у которых размеры режущих кромок зависят от размеров (модуля) обрабатываемых зубьев колеса, не позволяет увеличить количество режущих элементов и снизить нагрузки на режущие кромки червячных фрез, особенно при оснащении фрез твердым сплавом. Из-за значительных размеров режущих кромок усложняется процесс шлифования зубьев, обеспечение точности инструмента.

В настоящее время рассматривается два научных направления технологического обеспечения эксплуатационных свойств закаленных крупномодульных зубчатых колес. Первое из них предусматривает технологическое обеспечение системы параметров поверхностного слоя. Второе - технологическое обеспечение непосредственно эксплуатационных свойств закаленных крупномодульных зубчатых колес.

Начало научного подхода по технологическому обеспечению эксплуатационных свойств деталей на основе обеспечения параметров качества поверхности было положено А.П. Соколовским.

В настоящее время этому направлению посвящено достаточно большое число работ. Основные результаты исследований обобщены в работах: Б.С. Балакшина, А.А. Маталина, П.И. Ящерицина, Э.В. Рыжова, Дальского, М.М. Кане,A. M Корсакова, А.Г. Суслова, Н.В. Кравцова.

При наличии постоянного контакта зацепляемых зубьев, входящих в зацепление, значительное влияние на эксплуатационные свойства тяжелонагруженных крупномодульных зубчатых колес оказывает зона контактного взаимодействия. Здесь и далее, под зоной контактного взаимодействия принимается объем, который образован между границами, очертанными линиями, отсекающими слой металла с поверхностными остаточными напряжениями взаимодействующих плоскостей. Ее структуру раскрыл А.С. Ахматов [2], составивший модель поверхностного слоя твердого тела.

Исходя из современных представлений, зона контактного взаимодействия состоит из двух основных частей ? объема межконтактного пространства и объема металла, имеющего остаточные напряжения сопрягаемых поверхностей зубчатых колес [15].

Объем межконтактного пространства зависит от формы поверхности и ее геометрических характеристик, оценка определяется тремя основными подходами.

Первый использует спектральную теорию неровностей [2]. Он основан на оценке несущей способности поверхности без деления ее неровностей на шероховатость и волнистость. Этот подход, имея положительные стороны, не учитывает традиций, на базе которых разработаны стандарты во всех странах мира. Это сужает технологические возможности обеспечения геометрических параметров поверхности зубчатых колес.

Второй - непараметрический подход к оценке состояния поверхностного слоя основан на сравнительной оценке поверхности относительно шаблона. Такой подход применяется, преимущественно, для решения частных задач наиболее изученных соединений. Применение шаблонов затрудняет процессы регламентации поверхности с позиции ее эксплуатационных свойств.

Третий - параметрический подход, основанный на исторически сложившихся условиях разделения неровностей на шероховатость, волнистость, микрорельеф и макроотклонения и создает возможности наиболее доступной регламентации поверхностей, дифференцированно учитывает все неровности и не имеет недостатков, присущих первому и второму подходам, указанных выше. Результатом исследований в этом направлении явилось ГОСТ 2789-73, ГОСТ 24773-81, ГОСТ 2.308-79 [30]. В то же время для тяжелонагруженных зубчатых колес не регламентируются параметры волнистости, не отражен характер макроотклонений, нет рекомендаций по регламентации эксплуатационных свойств эвольвентных поверхностей контактируемых зубчатых передач.

В отличие от объема межконтактного пространства в настоящее время отсутствует методика по определению слоя металла, имеющего измененное физико-механическое состояние. Физико-механические параметры не регламентируются. Определяют лишь такие характеристики как степень наклепа, глубину залегания наклепанного слоя.

Анализ моделей по расчету характеристик контакта поверхностей основан на представлении выступов реальной элементарной поверхности (Рис. 1.4) в виде сферы, конусов, цилиндров, столбиков прямоугольной формы, эллипсоидов, эллиптических параболоидов.

Рисунок 1.4 - Элементарная поверхность

Выступы имеют сферическую форму. При этом, имеет место линейная зависимость роста числа выступов при увеличении глубины рассматриваемого уровня поверхностного слоя закаленных зубчатых колес.

Результаты работ показывают, что на контактное взаимодействие оказывает влияние: эксплуатационные свойства зубчатых колес, характер изменений геометрических параметров и физико-механических свойств, исходные параметры качества поверхностного слоя контактирующих поверхностей. Все составляющие формируются в ходе технологического процесса изготовления деталей, финишными процессами которого, как правило, являются методы механической обработки. Их выбор в процессе решения задач технологического обеспечения наиболее эффективно осуществлять на базе параметрического подхода к оценке состояния поверхности.

При изучении процесса формирования поверхностного слоя при различных методах механической обработки зубчатых колес установлено, что при одних и тех же параметрах, которые обеспечивались в ходе обработки различными методами в узлах тяжелых редукторов, зубчатые колеса имели разные эксплуатационные характеристики. Это обусловило интерес к изучению влияния качества поверхности непосредственно на эксплуатационные свойства контактирующих поверхностей, имеющих практическое применение в машиностроении.

Основными причинами выхода зубчатых передач из строя являются: поломка зубьев, выкрашивание активных поверхностей и отслаивание поверхностных слоев зубьев, абразивный износ зубьев, пластические деформации зубьев и заедание [8, 12, 13, 14, 15].

Вследствие внезапности появления, поломка зубьев является весьма опасным видом разрушения. В подавляющем большинстве случаев она носит усталостный характер, поскольку каждый зуб входит в зацепление периодически, кроме этого в процессе зацепления меняется плечо приложения силы, т. е. изменяется величина изгибающего момента. Напряжения при изгибе, превышающие предел выносливости, вызывают появление микротрещин, которые возникают в зоне максимальной концентрации напряжений, обычно в месте перехода зубьев в обод колеса. Появившиеся микротрещины при дальнейшей работе передачи распространяются в глубь зуба по нормали к переходной кривой. Поломка зубьев наиболее часто встречается у зубчатых колес с высокой твердостью активных поверхностей зубьев (Н > НВ 350) и определяется качеством состояния поверхностного слоя.

Причинами поломок зубьев могут оказаться возникшие в процессе эксплуатации перегрузки отдельных участков зубьев вследствие неравномерности распределения нагрузки по ширине зубчатого венца из-за перекоса осей зубчатых колес, вызванного увеличением люфтов в подшипниках и шлицевых соединениях, деформации осей и самих колес, а также различного рода производственных дефектов (раковин при отливке, трещин при термообработке, повышенной волнистостью и шероховатостью в сочетании с физико-механическими свойствами поверхностного слоя.).



Раздел 2. Направления повышения производительности, точности и качества зубообработки закаленных крупномодульных зубчатых колес

2.1 Параметры состояния поверхностного слоя закаленных крупномодульных зубчатых колес в зависимости от условий их обработки

Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств закаленных крупномодульных зубчатых колес и их передач неразрывно связано с обеспечением параметров состояния поверхностного слоя закаленных крупномодульных зубчатых колес, определяющих их эксплуатационные свойства. Для успешного решения этой задачи необходимо рассмотреть теоретические аспекты взаимосвязи параметров состояния поверхностного слоя закаленных крупномодульных зубчатых колес с условиями их обработки. Целесообразно рассмотреть не общие аспекты связи отдельных параметров состояния поверхности закаленных крупномодульных зубчатых колес с условиями их обработки, а конкретную взаимосвязь системы параметров состояния поверхностного слоя, определяющих эксплуатационные свойства закаленных крупномодульных зубчатых колес с условиями их обработки (Рис. 2.1).

Эту взаимосвязь рассмотрим в математических уравнениях, которые станут основой математической модели технологического обеспечения параметров поверхностного слоя закаленных крупномодульных зубчатых колес.

В результате адаптируется решение одной из основных задач расчета оптимальных условий обработки с учетом обеспечения требуемых параметров состояния поверхностного слоя закаленных крупномодульных зубчатых колес, исходя из их надежности.



Рисунок 2.1 - Направления исследования параметров формирования поверхностного слоя зубчатых колес: геометрической и кинематической точности, шероховатости, поверхностной твердости, волнистости, производительности при зубофрезеровании

Получистовая и чистовая обработка закаленных крупномодульных зубчатых колес в промышленности, как правило, осуществляется механическими методами. К этим методам относятсялезвийная обработка (зубофрезерование червячными модульными фрезами, зубофрезерование специальными модульными фрезами); скоростное фрезерование специальными дисковыми фрезами, оснащенными минералокерамикой; отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием (ОУО ППД) (накатывание специальными коническими роликами).

Анализ результатов исследований по формированию высоты профиля шероховатости при различных методах зубообработки позволяет сделать вывод, что на образование шероховатости при всех методах зубообработки оказывают влияние следующие факторы: геометрия рабочей части зубообрабатывающего инструмента (радиус округления режущей кромки зубьев фрезы, режущего зуба фрезы, материала фрезы), кинематика встречного эллипсоидного зубофрезерования с учетом технологического коэффициента скольжения, колебательных перемещений червячной модульной фрезы относительно обрабатываемой поверхности; упругие и пластические деформации обрабатываемого материала в зоне контакта с рабочим инструментом; Шероховатость рабочей части инструмента; вырывы частиц обрабатываемого материала.

В зависимости от условий обработки степень влияния каждого из этих факторов на образование шероховатости будет различной. Первые четыре фактора вызывают образование систематической составляющей профиля шероховатости, которая может быть описана математически. Пятый фактор вызывает образование случайной составляющей профиля и определяет разброс или дисперсию параметров шероховатости.

При зубофрезеровании червячными модульными фрезами, специальными немодульными дисковыми фрезами кинематика их перемещения относительно обрабатываемой поверхности способствует формированию как поперечной, так и продольной шероховатости (рис. 2.2).

Рисунок 2.2 - Формирование поперечной и продольной шероховатости при зубофрезеровании

Формирование шероховатости поверхности зубьев колеса после врезания в него зуба фрезы показано на рис. 2.3. Формирование поверхности после обработки 1-м зубом фрезы по всей длине зубчатого колеса промоделировано на рис. 2.4.

Рисунок 2.3 - Формирование шероховатости поверхности зубьев колеса после врезания в него зуба фрезы

Рисунок 2.4 - Формирование поверхности изделия после обработки первым зубом фрезы по всей длине зубчатого колеса

Исходная схема для определения составляющей профиля шероховатости h₁в поперечном сечении I - I показана на рис. 2.5.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.5 - Исходная схема для определения составляющей профиля шероховатости: h₁ в поперечном сечении I - I: 1 - основание исходной неровности; 2 - вершина исходной неровности; 3 - основание соседней неровности; 4 - вершина соседней неровности

2.2 Исследование направления повышения производительности, зубообработки закаленных крупномодульных зубчатых колес

Процесс зубофрезерования непрерывно совершенствуется в направлении повышения производительности и точности обработки.

Возможности повышения производительности зубофрезерования аппроксимируются анализом формулы определения основного технологического (машинного) времени t₀:

, (2.1)

где b - ширина зубчатого венца, мм; y₁ - путь врезания фрезы; y₂ - путь выхода фрезы из заготовки; z - число зубьев цилиндрического зубчатого колеса; D_ф - диаметр фрезы, мм; S - подача на оборот заготовки, мм/об; k - число заходов фрезы; н - скорость резания, м/мин.

Помимо направлений, способствующих повышению производительности процессов резания - увеличения скорости резания, увеличения подачи, уменьшения длины пути подачи, увеличения числа заходов фрезы при черновой обработке, является установление технологического регламента зубообработки с учетом обеспечения качества поверхностного слоя, режимов резания и радиуса округления режущей кромки зуба фрезы при наименьшем угле скольжения.

Средством повышения скоростей резания является создание благоприятных технологических условий формообразования, схем обработки, применение твердых сплавов и минералокерамики.

Возможности уменьшения длины пути подачи инструмента реализуются через совмещение радиального и продольного перемещений фрезы.

Увеличение числа заходов червячных фрез может быть реализовано только при рассмотрении предварительного зубофрезерования под чистовую обработку, т.к. увеличение числа заходов приводит к значительному уменьшению точности по всем параметрам кинематической точности, норм плавности, норм бокового зазора в соответствии с требованиями ГОСТ 1643-81.

Возможности увеличения подач при зубофрезеровании червячными фрезами может быть реализовано путем оптимизации процесса формообразования при уменьшении угла скольжения зуба фрезы как при встречном фрезеровании, так и при попутном фрезеровании, что позволяет рационально распределять нагрузки на зубьях фрезы с обеспечением повышения стойкости инструмента.

Высокопроизводительные процессы формообразования цилиндрических закаленных крупномодульных зубчатых колес базируются на комплексном использовании следующих основных принципов: 1) отсутствие жесткой кинематической связи между движением резания - вращением инструмента и обрабатываемого зубчатого колеса; 2) применение дисковых специальных немодульных фрез диаметром 300-450 мм; 3) оптимизация процессов зубообработки варьированием коэффициента профильного формообразования с учетом жесткости динамической технологической станочной системы (ДТСС).

Комплексное использование предложенных принципов создает возможность получения высокопроизводительных технологических процессов зубообработки цилиндрических закаленных крупномодульных зубчатых колес при условии обеспечения требуемых параметров качества и точности поверхностного слоя обрабатываемых зубчатых колес.

Как известно, жесткость динамической технологической станочной системы ДТСС оказывает влияние на производительность процесса при достижении требуемой шероховатости поверхности. Так, при постоянной скорости v = 2,5 м/с, радиусе округления режущей кромки с = 50 мкм и остальных технологических факторов, как и в предыдущих экспериментах получим:

(2.2)

Результаты расчетов зависимости параметра R_z от жесткости технологической системы для различных подач и данные экспериментальной проверки, приведенные на рис. 2.6, показывают значительное влияние жесткости технологической системы на образующуюся шероховатость. Это влияние возрастает с увеличением подачи, причем одинаковая шероховатость может быть получена при различных подачах. Все это подтверждает необходимость учета выбора жесткости технологической системы при обеспечении требуемых параметров шероховатости обрабатываемой поверхности.

Учитывая, что относительная длина опорной линии профиля шероховатости при зубофрезеровании не зависит от режимов, результаты всех экспериментов приведены на одном графике (рис. 2.7) в виде средних значений и диапазонов их рассеивания. Сравнение теоретической и средней (из 50 экспериментов) кривой показывает на их хорошее совпадение, что подтверждает теоретические выводы о независимости t_p от режимов обработки, а экспериментальные колебания относительной длины опорной линии объясняются влиянием шероховатости режущей кромки фрезы R_zbp,, радиуса округления режущей кромки р, жесткости динамической технологической станочной системы (ДТСС)j_ДТСС, неравномерности твердостиДНВ.

Анализ теоретических и экспериментальных результатов показывает, что высота шероховатости неровностей цилиндрических зубчатых колес при встречном зубофрезеровании фрезами зависит от режимов обработки, геометрии режущей части фрез, радиуса округления режущей кромки р фрезы, жесткости динамической технологической станочной системы (ДТСС)j_ДТСС,, физико-механических свойств обрабатываемого материала и инструмента и от исходной шероховатости обрабатываемой поверхности. Наибольшее влияние на образование шероховатости оказывает подача S_мин.

Рисунок 2.6 - Зависимость параметра R_z от жесткости динамической технологической станочной системы (ДТСС) j_ДТСС



(сплошная линия - теория, штриховая - эксперимент)

Рисунок 2.7 - Зависимость относительной длины опорной линии профиля шероховатости t_p от уровня р при встречном зубофрезеровании

Увеличение предела текучести материала заготовки приводит к уменьшению минимально достигаемой шероховатости обрабатываемой поверхности. Для получения, минимальной шероховатости при чистовом зубофрезеровании необходимо уменьшать радиус округления режущей кромки с.

Принимая минимальный радиус округления режущей кромки с = 50 мкм и R_zbp = 0,5 мкм, при м = 0,3, Е = 19,6 ГПа, у_ф = 590 МПа, обработке твердым сплавом ВК 10ОМ (ф₀ = 290 МПа), получим минимальную шероховатость, образующуюся на обработанной поверхности при наименьших подачах:

мкм.

Таким образом, полученные уравнения достаточно точно описывают физические процессы образования шероховатости. Полученные зависимости показывают на возможность перехода отскоростного зубофрезерования к ППД накатными коническими роликами. Этому переходу способствует уменьшение глубины резания, уменьшение радиусов скругления режущей кромки, выбор материала инструмента, позволяющего уменьшить молекулярное взаимодействие с заготовкой, что наблюдается при ППД.

Математическое описание моделей и распределения выступов и впадин профиля шероховатости при ППД позволяет установить взаимосвязь ее высотных параметров между собой:

R_a=0,18R*z (2.3)

R_max=1,35R*z (2.4)

Шаговые параметры шероховатости при ППД определяем по формулам:

(2.5)

(2.6)

Принимая для ППД обработки случайное распределение профиля шероховатости, получим уравнения для расчета относительной длины опорной линии:

при р?50 %; t_p=0,02р ², (2.7)

при р>50 %;t_p =100-0,02 (100-р)². (2.8)

Экспериментальная проверка теоретических зависимостей по определению параметров шероховатости при ППД обработке проведена для технологического процесса накатывания коническими роликами.

Таким образом, полученные теоретические зависимости показывают, что основное влияние на образование параметров шероховатости при ППД оказывают усилие накатывания и исходная шероховатость. Учитывая это обстоятельство, экспериментальная проверка теоретических уравнений была проведена при Р=49; 68,6; 98; 294; 588; 980; 1980 Н и исходной шероховатости. Первая и вторая серии экспериментов были проведены на образцах, предварительно обработанных при встречном зубофрезеровании с параметрами шероховатости, соответственно: R_zиcx = 40 мкм, R_рисх = 28 мкм, S_mисх = 0,55 мм; н_исх = 2,1; t_mисх = 46 % и R_zиcx = 10 мкм, R_pисх = 6 мкм; S_macx = 0,2 мм; н_исх = 2,2; t_mисх = 45 %.

Экспериментальные данные подтверждают правомерность теоретических уравнений для расчета стандартизованных параметров: R_z и t_p и частично для нестандартизованных параметров р_ф и Д. Теоретические и экспериментальные исследования подтвердили существенную роль исходной шероховатости и рабочего усилия на формирование параметров шероховатости при ППД.

Анализируя результаты исследований в целом, можно сделать вывод, что высота профиля шероховатости при ППД в значительной мере зависит от ее исходной величины R_zисх, параметров, характеризующих несущую способность поверхностного слоя цилиндрических зубчатых колес R_рисх, н_исх,t_mисх; физико-механические свойства обрабатываемого материала, технологических режимов обработки, геометрии фрез, радиуса округления режущей кромки зубьев фрезы с.

Это говорит о том, что технологическая наследственность особенно ярко проявляется при выполнении окончательных операций обработки цилиндрических закаленных крупномодульных зубчатых колес.

Данный метод обработки только за счет варьирования режимов позволяет с достаточно высокой производительностью уменьшить высоту исходной шероховатости в 2-3 раза, а безразмерный комплекс - в 5-10 раз. Полученные уравнения математически описывают взаимосвязь образуемой шероховатости со степенью наклепа при ППД, что указывает на целесообразность использования этого метода обработки при определенном соотношении степени наклепа и шероховатости поверхности.

Полученные общие уравнения интерпретируются при расчете параметров обрабатываемых цилиндрических зубчатых колес.



Выводы

1. Технологические основы обеспечения производительности, точности и качества зубообработки закаленных крупномодульных зубчатых колес с учетом основных показателей зубчатых передач регламентируют их надежность и КПД, которые в значительной мере определяются эксплуатационными свойствами зубчатых цилиндрических колес (пределом выносливости, износостойкостью, коэффициентом трения, контактной жесткостью, прочностью).

2. Эксплуатационные свойства характеризуются состоянием поверхностного слоя зубчатых колес, определяемым технологией их изготовления. Несущая способность и контактное взаимодействие зубчатых колес зависят от состояния поверхностного слоя в целом (макроотклонения, волнистости, шероховатости, физико-химических свойств.

3. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств зубчатых колес связано с обеспечением параметров состояния поверхностного слоя зубчатых колес, определяющих их эксплуатационные свойства. Для решения этой задачи рассмотрены теоретические аспекты взаимосвязи параметров состояния поверхностного слоя зубчатых колес с технологическими условиями их обработки.

4. Взаимосвязь параметров состояния поверхностного слоя зубчатых колес с технологическими условиями их обработки выражается в математических уравнениях, которые являются основой при разработке алгоритмов и программы с целью оптимальных технологических условий обработки с учетом обеспечения требуемых параметров состояния поверхностного слоя зубчатых колес, исходя из их эксплуатационных свойств.



Список используемой литературы

1. Лезвийная зубообработка закаленных колес / Я.И. Адам [и др.]// Труды ЦНИИТМАШ. - М., 1982. - № 171. - С. 29-37.

2. Адам, Я.И. Производство зубчатых передач / Я.И. Адам, А.К. Сидоренко, Г.Г. Овумян. - К. : Южмашгиз, 1961. - 152 с.

3. Адам, Я.И. Зубофрезерование зубчатых колес фрезами из быстрорежущей стали / Я.И. Адам, Г.Г. Овумян, М.С. Эйдинов // Станки и инструмент. - 1968. - № 10. - С. 13-14.

4. Адаптивное управление технологическими процессами / Ю.М. Соломенцев [и др.]. - М.: Машиностроение, 1980. - 536 с.

5. Анфимов, М.И. Редукторы. Конструкции и расчет: альбом / М.И. Анфимов. - 2-е изд. - М.: - Машгиз, 1965. - 288 с.

6. А. с. 1805360 СССР, МКИ G01 N 23/20. Рентгеновская камера для контроля крупногабаритных объектов / Б.А. Брусиловский, А.И. Дрыга, А.А. Клочко (СССР). - № 4761525/08; заявл. 03.10.89; опубл. 30.03.93, Бюл. № 12. - 3 с.: ил.

7. А. с. 1729705 СССР, МКИ В 23 F 5/20. Способ фрезерования зубчатых изделий спаренными фрезами / А.А. Клочко, В.Н. Бородаевский, О.А. Богатырев, В.И. Баран (СССР). - № 4736585/08; заявл. 11.09.89; опубл. 30.04.92, Бюл. № 16. - 4 с.: ил.

8. А. с. 1715523 СССР, МКИ В 23 F 5/20. Способ фрезерования цилиндрических зубчатых колес / М.М. Канэ, А.А. Клочко, В.А. Колот (СССР). - № 4776925/08; заявл. 03.01.90; опубл. 29.02.92, Бюл. № 8. - 4 с.: ил.

9. Брусиловский, Б.А. Физико-механические характеристики поверхностных слоев в зависимости от особенностей технологических приемов обработки зубчатых изделий / Б.А. Брусиловский, А.А. Клочко, М.М. Канне // Передовой производственный опыт и научно-технические достижения: информ. сборник. - М.: ВНИИТЭМР. - 1990. - Вып. 6. - С. 20-21.

10. Влияние погрешностей изготовления на концентрацию нагрузки в зацепления с учетом конструкции передачи / К.И. Заблонский [и др.]// Детали машин: сборник. - К.: Техника, 1974. - № 19. - 126 с.

11. Клочко, А.А. Технологические особенности кинематики зубообработки крупномодульных закаленных колес дисковыми немодульными фрезами / А.А. Клочко // Вібрації в техніці та технологіях: Всеукр. наук.-техн. журн. - 2011. - № 2(62). - С. 78-83.

12. Теоретические предпосылки повышения эффективности процесса формообразования изделий зубообрабатывающим инструментом / А.А. Клочко, Ю.А. Клочко, В.Г. Белых, В.И. Печеный // Надежность режущего инструмента и оптимизация технологических систем: сб. науч. тр. ДГМА. - Краматорск, 1999. - С. 150-154.

13. Технологическое прогнозирование точности изготовления зубчатых реек / А.А. Клочко, Е.В. Мироненко, В.А. Овчаренко, В.Г. Белых, Ю.А. Клочко; пред. редсовета Г.Л. Хает// Надежность инструмента и оптимизация технологических систем:сб. науч. тр. - Краматорск: ДГМА, 2000. - Вып. 10. - С. 143-148.

14. Кудрявцев, В.Н. Зубчатые передачи / В.Н. Кудрявцев. - М.; Л.: Машгиз, 1957. - 264 с.

15. Кудрявцев, В.Н. Конструкция и расчет зубчатых редакторов: справочное пособие / В.Н. Кудрявцев, Ю.А. Державен, Е.Г. Глухарев. - Л.: Машиностроение, 1971. - 328 с.

...