Повышение производительности резки внутренних зубцов колес с использованием технологии "скайвинга"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Метод обработки зубчатых колёс «Скайвинг»

1.1 Особенности метода

1.2 Особенности зуботочения внутренних зубчатых венцов

1.3 Проблемы скайвинга

2. Методика определения параметров изготовления внутренних венцов

2.1 Определение необходимой ширины канавки для выхода обкаточного резца

2.2 Определение максимально допустимого диаметра инструментальной оправки (инструментального шпинделя)

2.3 Проверка возможности осуществления процесса зуботочения внутренних венцов для принятых конструктивных параметров инструмента и заготовки

2.4 Программа расчета конструктивных параметров резца и заготовки, наладочных параметров операции и проверки возможности осуществления процесса зуботочения

3. Методика теоретических и экспериментальных исследований процесса скайвинга для внутренних зубчатых венцов

3.1 Задачи теоретических и экспериментальных исследований

3.2 Методика силовых испытаний

3.2.1 Определение составляющих силы резания

3.2.2 Погрешность измерения составляющих силы резания

3.2.3 Влияние на составляющие силы резания диаметров инструмента и заготовки

3.2.4 Влияние составляющих силы резания на точность получаемых зубчатых венцов

3.3 Методика стойкостных испытаний

3.3.1 Влияние на стойкость инструмента диаметров резца и заготовки

3.3.2 Определение длины срезаемого слоя

4. Экспериментально-аналитические исследования

4.1 Оборудование для экспериментально-аналитических исследований

4.2 Определение зависимостей для составляющих силы резания

4.2.1 Определение начальных зависимостей составляющих силы резания

4.2.2 Оценка влияния числа зубьев инструмента и заготовки на составляющие силы резания

4.2.3 Определение составляющих силы резания при работе по предварительно прорезанной впадине

4.3 Определение мощности резания

4.4 Определение зависимости стойкости инструмента от факторов резания

4.4.1 Определение начальной зависимости для стойкости инструмента

4.4.2 Оценка влияния числа зубьев инструмента и заготовки на стойкость резца

4.5 Проверка адекватности полученных зависимостей и теоретических положений работы в условиях реального процесса резания

5. Практическое использование и промышленные испытания результатов исследования

5.1 Реализация методики проектирования скайвинга для внутренних венцов

Заключение

Библиографический список

Приложение



Введение

Технологический процесс изготовления храпового колеса представляет собой совокупность всех действий людей и орудий производства, необходимых для данного предприятия по производству или ремонту изделий. Технологический процесс состоит из технологических операций, каждая из которых может состоять из установок, переходов и положений, а также рабочих ходов и других показателей.

Самая точная поверхность храпового колеса - это поверхность, которая приземляется на вал и концы. Для зубчатых колес основным требованием является обеспечение перпендикулярности рабочих концов к поверхностям основания. заготовка зуботочение обкаточный резец

Коронку храпового колеса подвергают термической обработке, целью которой является увеличение допустимых контактных напряжений на ее поверхности.

Повышение технического уровня, качества и конкурентоспособности машиностроительной продукции, последовательная ориентация на производство машин, способных совершить радикальную революцию в технической базе общества, обеспечение повышения производительности труда и значительное повышение эффективности производства - основные задачи развития машиностроения.

Решение этих задач осуществляется на основе комплексной механизации и автоматизации, широкого внедрения новых технологий и дальнейшего развития навыков персонала.

В современных условиях, когда внедрение новых передовых технологий для производства конкурентоспособной продукции требует особых требований к инженерно-техническим работникам.

Инженеры и технические работники в производстве сталкиваются с широким кругом вопросов, как технических, так и организационных, которые требуют более глубоких знаний, постоянного повышения их технического уровня.

Обработка зубчатых колес методом «скайвинга» является наиболее перспективной технологией обработки зубчатых передач на сегодняшний день. В настоящее время наиболее распространенными методами изготовления зубчатых передач являются зубчатое зацепление и редукторное фрезерование. Недостатки передачи - низкая производительность из-за того, что при обратном движении обработки инструмента не происходит. Механическое фрезерование подходит только для изготовления колес с наружными зубьями. Чтобы изготовить зубчатые коронки с внутренними зубами до сегодняшнего дня, нам пришлось использовать выталкивание, профилирование или резку.

Именно в этом отношении обработка зубчатых колес «скайвинг» открывает новые возможности. Инструмент представляет собой шестерню с режущими кромками на конце. Однако, в отличие от фрезерных операций, движение резания не обеспечивается движением инструмента назад и вперед. Вместо этого из-за перекрестного позиционирования осей инструмента и заготовки создается осевая относительная скорость, что делает возможным движение резания.

При разработке магистерской диссертации приобретаются навыки использования справочников, спецификаций и технической литературы, накоплен опыт в разработке технологического процесса, проектирование и расчет устройства, инструмент для резки и измерения, выбор наиболее производительного оборудования и определения наиболее выгодных режимов резания для принятого технологического процесса. Завершение диссертации требует, чтобы ученик широко использовал знания, полученные во время учебы в институте.

Целью исследования является повышение производительности резки внутренних зубцов колес с использованием технологии «скайвинга».

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить влияние параметров заготовки на параметры настройки технологической системы и конструктивные и геометрические параметры инструмента с зубцами внутренних обходов.

2. Разработать методику определения компонентов режущей силы, мощности резания, долговечности инструмента, шероховатости обрабатываемых поверхностей, точности результирующих зубчатых колес, в зависимости от условий обработки (Скорость подачи, глубина резания, скорость резания, угол пересечения осей инструмента и заготовки, передний и задний углы на верхней части инструментального зуба, модуль, количество зубьев инструмента и деталей, и распределение надбавки между проходами).

3. Экспериментально исследовать процесс скайвинга внутренних зубных венцов для получения эмпирических зависимостей для компонентов силы резания, долговечности инструмента, шероховатости обработанных поверхностей.

4. На основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований разработать техническую методологию проектирования работы скайвинга внутренних венцов.

В главе первой представлен глубокий анализ состояния вопроса о технологической поддержке производства внутреннего зубчатого колеса методом «скайвинга», проведено доказательство актуальности проблемы.

Во главе второй выражены теоретические основы методологии определения параметров регулирования работы зубьев внутренних колес и конструктивно-геометрических параметров инструмента в зависимости от параметров заготовки.

Третья глава объясняет и обосновывает теоретически, а также разрабатывает методологию расчета компонентов силы резания, мощности резания, срока службы инструмента, шероховатости обработанных поверхностей, точности полученных зубчатых колес, в зависимости от условий обработки.

Глава четвертая содержит определение экспериментальному компоненту силы резания, сроков службы инструмента и шероховатости подвергаемой обработке поверхности в зависимости от условий обработки. Была проверена адекватность зависимостей и теоретических позиций, полученных в работе.

В главе пятой рассматривается инженерная техника для проектирования работы зубчатых колес, позволяющая разрабатывать технологические процессы для обработки деталей с внутренними шпоночными ранами модуля 1-8 мм со стандартным начальным контуром.



1. Метод обработки зубчатых колёс «Скайвинг»

1.1 Особенности метода

За последние годы в машиностроении широкое распространение получила высокопроизводительная скоростная обработка металлов резанием с применением твердых сплавов, металло- и минералокерамики, сверхтвердых материалов, особенно при точении и фрезеровании.

Однако, зубонарезание внутренних венцов на большинстве заводов базируется на малопроизводительном методе - зубодолблении быстрорежущими долбяками.

Этот метод, наряду с низкой производительностью, обусловленной потерей времени на холостые ходы инструмента, имеет еще один существенный недостаток, а именно: невозможность ведения скоростного зубодолбления (со скоростями порядка 150-200 м/мин) твердосплавными долбяками из-за больших инерционных сил, возникающих при возвратно-поступательных движениях инструмента с большими ускорениями.

Широко используется для резки внутренних зубчатых венцов таких высокопроизводительных инструментов, как зубчатые зубцы и колпаки, сдерживается следующими недостатками:

1. Нет универсальности.

2. Высокая стоимость инструмента и сложность.

Поэтому, эти инструменты могут использоваться только при массовом производстве зубчатых колес.

Естественно, возникает вопрос о поиске метода обработки, при котором инструмент, имеющий вращательное рабочее движение, будет иметь достаточную универсальность.

В 1952 году Ю.В.Цвис [47] предложил метод обработки цилиндрических зубчатых колес точением с обкаткой, резцами типа зуборезных долбяков, как метод, значительно повышающий производительность зубонарезания, по сравнению с существующими методами. Однако, в силу ряда причин, о которых речь пойдет позже, данный высокопроизводительный метод пока не получил достаточно широкого распространения в промышленности и малоизвестен. Поэтому, приведем основные положения метода зуботочения. Именно в этом отношении обработка зубчатых колес «скайвинг» открывает новые возможности. Инструмент представляет собой шестерню с режущими кромками на конце. Однако, в отличие от долота, движение резания не обеспечивается движением инструмента назад и вперед. Вместо этого из-за перекрестного позиционирования осей инструмента и заготовки создается осевая относительная скорость, что делает возможным движение резания.

Из рассмотрения взаимодействия двух винтовых зубчатых колес со спиральными зубцами, работающих с перекрещивающимися осями, следует, что эта пара колес имеет скользящую боковую поверхность зубьев одного колеса относительно боковой поверхности зубьев другого колеса, и в любой точке контакта боковых поверхностей зубьев пары колес, не равных нулю. Если одно из двух взаимосвязанных винтовых колес превращается в инструмент, такой как режущий инструмент, а другой в заготовку, и полученный инструмент подается вдоль оси заготовки, тогда мы будем резать зубы, поворачивая скольжение боковых поверхностей в непрерывном движение резании (рис. 1).

Существует три возможных комбинации режущего диска и инструмента.

1-й вариант: режущее зубчатое колесо спирально, инструмент представляет собой прямозубый режущий инструмент;

2-й вариант: зубчатое колесо, предназначенное для резки, является простым, инструмент представляет собой винтовой ходовой инструмент;

3-й вариант: зубчатое колесо, предназначенное для резки, является винтовым, инструмент представляет собой зубчатый режущий инструмент.



Рис.1. Принципиальная схема скайвинга

Следует отметить, что с помощью метода скайвинга можно обрабатывать колеса как внешнего, так и внутреннего зацепления, ввиду того, что обе эти связи подобны в кинематике. Разница между ними будет заключаться только в том, что при резке колес внешней зацепки заготовка и инструмент будут вращаться в разных направлениях и при разрезании внутренних зубчатых колес - в одном направлении.

В процессе обрезки инструмент и заготовка выполняют те же движения, что и в процессе фрезерования режущего инструмента червяком, а именно: скоординированное вращение заготовки и инструмента, а также перемещение инструмента вдоль оси заготовки, поэтому обычные зубчатые роликовые станки с кинематической структурой полностью удовлетворяют требованиям зубов.

Однако на обычных зубчатых машинах для зубчатых передач обычно невозможно обработать шестерни с шестерней, за исключением колес большого диаметра, обработанных инструментами малого диаметра.

Кроме того, значение инструмента подается вдоль оси шестерни на зубчатой передаче меньше, чем при фрезеровании редуктора.

Таким образом, принимая во внимание вышесказанное, можно сказать, что для реализации метода скайвинга необходимо: либо использовать специальные машины для зуботочения, либо использовать обычные редукторные машины, которые были модернизированы таким образом, чтобы обеспечить необходимые передаточные числа для передаточного отношения и продольной подачи.

1.2 Особенности зуботочения внутренних зубчатых венцов

На рисунке 2 показано крайнее положение инструмента в конце обработки.

Так как оси заготовки и обкаточного резца перекрещиваются, то для выхода резца и заготовки из зацепления и гарантированной обработки крайних точек венца требуется канавка, и ширина этой канавки зависит от параметров зубчатого венца, от диаметра инструмента, от угла скрещивания и от величины аксиального отверстия в заготовке, если такое имеется.

Таким образом, особенностью зуботочения внутренних зубчатых венцов является зависимость наладочных параметров операции (угла скрещивания, диаметра инструментальной оправки и (или) инструментального шпинделя) и конструктивно-геометрических параметров инструмента от параметров обрабатываемой детали.



1.3 Проблемы скайвинга

Как уже отмечалось, первые теоретические разработки метода «Скайвинг» связаны с работой Ю.П. Цвица [47,48], в котором излагаются основные положения процесса зуботочения, анализ загрузки зубьев инструмента, формирование стружки, скорость резания, геометрия режущего инструмента, исследование. Продолжением работы [47,48] была работа [19], в которой описывается общий метод определения профиля инструмента для качения для цилиндрической и винтовой поверхностей, который применим ко всем методам обработки по методу (зубчатое фрезерование и т. д.), а также к разному профилю зубов зубчатых колес. На основе этого метода даются инструкции для расчета профилей различных типов инструментов.

Изучение обработки изделий с прямым профилем зубов (шлицевых валов) методом нарезание шлицевых (зубчатых) валов посвящено работе Котельникова Ю.В. [19] и В.В. Кошлакова. [2], которые содержат методы расчета координат точек режущих кромок различных режущих инструментов для резки шлицевых валов с прямым профилем.

Наибольший вклад в развитие вопроса обрезки методом зубьев внутренних зубчатых колес внес Н. Н. Волков. В работах [2, 45, 34, 24] изучалось внутреннее зацепление сетки ходового инструмента с шестерней, изучался метод решения задач формирования зубчатых колес с внутренними зубьями режущих инструментов, геометрические параметры режущего клина резаков, высота кривых перехода и значение погружения. Однако конструктивно-геометрические параметры инструмента рассматриваются в этих работах вне контекста параметров заготовки, которые налагают определенные ограничения на геометрию инструмента.

В работе [18] представлена методика проектирования бегущих инструментов, заданная смещением относительно межосевой линии. Даны формулы для расчета размера резца, угла пересечения осей резца и зуба и их межосевого расстояния. Описывается изменение параметров резака и указывается способ восстановления параметров.

В работе [15] рассматриваются схемы машинного зацепления ходовых инструментов с зубчатыми колесами с наружными и внутренними зубьями. Предложена универсальная формула для расчета координат точек линии соединения и режущих кромок. Дана блок-схема программы расчета.

В работе [16] приведено описание расчета сплошных ходовых инструментов, режущие кромки которых расположены в плоскости, перпендикулярной направлению зуба (с формированием положительного фронтального угла), путем замены теоретических режущих кромок с режущими кромками, расположенными на эвольвентных спиральных поверхностях. Дана блок-схема расчета на компьютере.

Статья [22] посвящена модернизации оборудования для разреза внутренних зубов методом прокалывания. Однако вопросы, касающиеся выбора параметров настройки для работы зубов (угол пересечения, диаметр оправки инструмента или шпинделя инструмента) и их связь со структурными и геометрическими параметрами инструмента и заготовки в этом Работа не влияет.

Есть и другие работы Н. Н. Волкова, которые охватывают расчет и проектирование ходовых инструментов [9, 47, 28, 11, 14, 7], заточка обкачных режущих машин [5].

Производство рабочих инструментов из заготовок в виде однолистного гиперболоида является темой работы [34], где авторы обосновывают перспективы использования таких инструментов для цилиндрической шестерни с точки зрения повышения производительности и точность передач. Работа [22] рассматривают обработку внутренних цилиндрических зубчатых колес методом зуботочения трехрядными ходовыми инструментами. Описана конструкция инструмента, позволяющая избегать коробчатых стружек. Математическая модель процесса зуботочения трехрядным режущим инструментом. В математической модели учитываются вопросы профилирования боковых и передних поверхностей зубьев ходового инструмента, что позволяет построить профиль зуба обрабатываемого колеса для различных положений инструмента, обеспечивает повторное заточку инструмента согласно различным схемам.

Приведены в работе [24] расчетные зависимости, которые позволяют определять профиль зуба колеса на режущий механизм с любой формой режущей кромки инструмента. Показано, что прямолинейная режущая кромка инструмента образует модифицированный эвольвентный профиль зуба колеса с величиной модификации в зависимости от параметров инструмента.

Известно из работы [22], что обработка зубчатых колес методом акваланга осуществляется со скоростью резания от 10 до 30 м / мин и подачи от 0,2 до 0,5 мм / об. В этом случае передние углы прибора могут достигать 20 ° [51]. В то же время в данных источниках нет данных о влиянии вышеуказанных параметров на основные характеристики процесса: сила резания, потребление энергии, сопротивление инструмента, шероховатость обрабатываемых поверхностей, точность обработки.

Известные зарубежные источники, посвященные проблемам редуктора, в основном, занимаются вопросами станкостроения. В статье [60] описывается машина для масштабирования, предназначенная для обработки предварительно разрезанных и закаленных цилиндрических колес, и спиральных цилиндрических колес с использованием карбидных наконечников.

Анализируя обзор литературы, можно сделать следующие выводы:

1. Большинство опубликованных исследований посвящено вопросам расчета и конструирования обкаточных резцов.

2. Вопросы технологической поддержки скайвигша для внутренних колесных дисков (расчет режимов резания, силы резания, потребления энергии, точности обработки, шероховатости полученных поверхностей, параметров настройки операции, конструктивно-геометрических параметров инструмента) почти не исследованы. Инженерные методы для расчета вышеуказанных параметров также не разработаны, что исключает быстрый и качественный ход самой операции.

Данные выводы в полном объёме позволяют объяснить тот факт, что такой высокоэффективный метод, как скайвинг, на данное время не нашел широкого применения в промышленности.

2. Методика определения конструктивно-геометрических параметров резца, заготовки и наладочных параметров операции при зуботочении методом «скайвинг» внутренних венцов

Как показано в главе 1, в настоящее время вопрос о разработке параметров настройки операции скайвинга внутренних колес и конструктивно-геометрических параметров инструмента в зависимости от параметров заготовки остается неизменным.

Определение минимально допустимой ширины канавки для выхода инструмента, максимально допустимого диаметра инструментальной оправки, минимально допустимого угла инструмента, с заданным углом пересечения, диаметром и высотой инструмента и решение других вариантов этих задач было возможно только с помощью графического метода, который чрезвычайно трудоемок. Поэтому поиск аналитического решения этих проблем был целью этой части работы.

2.1 Определение необходимой ширины канавки для выхода обкаточного резца

Принято следующее допущение, не влияющее на точность и правильность расчетов [25]: обкаточный резец представляется как окружность, лежащая в плоскости переднего торца резца, диаметром, равным диаметру резца в сечении переднего торца [31].

Рассматриваются 2 случая: когда исходная заготовка не имеет аксиально расположенного с ней аксиального отверстия и когда такое отверстие имеется. Для первого случая расчетная схема представлена на рисунке 3.

На рисунке 3: L - необходимая ширина канавки для выхода резца, d - диаметр обкаточного резца в сечении переднего торца, В - угол скрещивания осей обрабатываемого колеса и обкаточного резца, а - межосевое расстояние резца и обрабатываемой заготовки, Re - радиус окружности выступов обрабатываемого колеса, у} - вспомогательная величина, равная расстоянию от оси обрабатываемой детали до точки пересечения проекций окружностей выступов инструмента и детали на координатную плоскость, определяемая путем совместного решения двух уравнений, одно из которых -



Рис.3. Схема к определению

(х + а)² + у² = R ² (1)

- уравнение окружности с центром в т. М и радиусом R_e, 4х²4у²

Другое - уравнение эллипса с центром в т. О, большой осью d и малой осью b,(b = d * cos/3).

Для второго случая, когда исходная заготовка имеет аксиально расположенное отверстие, расчетная схема представлена на рисунке 4.

2.2 Определение максимально допустимого диаметра инструментальной оправки (инструментального шпинделя)

Схема для определения максимально допустимого диаметра инструментальной оправки показана на рисунке 5 [31].



Рисунок 4. Схема к определению ширины канавки для выхода резца в случае, когда исходная заготовка имеет аксиально расположенное с ней отверстие

Дополнительные обозначения на рисунке 5: Ј) - диаметр инструментальной оправки, В} - ширина зубчатого венца, В2 - величина, равная у - величина перебега резца.

Рисунок 5. Схема к определению максимально допустимого диаметра инструментальной оправки



Рассмотрим предельный случай, когда в конце обработки деталь и инструментальная оправка соприкасаются. На рисунке 5 точка касания обозначена цифрой 1.

2.3 Проверка возможности осуществления процесса зуботочения внутренних венцов для принятых конструктивных параметров инструмента и заготовки

На рисунке 6 введены обозначения:

d - диаметр обкаточного резца в сечении переднего торца;

d_x - диаметр верхней кромки инструмента;

b - величина, равная d * cos ft;

h - высота резца (расстояние от сечения переднего торца до задней вершинной кромки зуба);

е - величина, равная h-sin;

а - задний угол инструмента при вершине зуба;

1 - крайняя точка контакта резца и заготовки в процессе обработки

Рисунок 6. Схема к проверке возможности осуществления процесса скайвинга



Процесс зуботочения может быть осуществлен, если в процессе обработки ни одна из задних вершинных точек зуба резца (точки 4 и 4' на рис. 6) не касается обработанной поверхности (следом этой поверхности является дуга 23').

Проверка возможности осуществления процесса обработки заключается в следующем.

Поворачиваем, условно, инструмент и заготовку на сколь угодно малый угол, начиная от начала врезания (на рис. 2.4 положение А), в соответствии с передаточным отношением, определяя при этом координаты точек 4,.4' и 2. Если х₄(х₄-) + 0,5 >х₂ и у₄(у₄-)~ 0,5 < у₂, то произойдет врезание задних вершинных точек инструмента (4 и 4') в обработанную поверхность заготовки и, поэтому, осуществление процесса невозможно. (Необходимо либо увеличить задний угол при вершине зуба резца, либо уменьшить высоту резца и повторить проверку). В противном случае (если вышеприведенные неравенства не выполняются), поворачиваем инструмент и заготовку далее, на тот же, сколь угодно малый угол, и продолжаем проверку. Когда координата' х₄(х₄ ) станет равна нулю, выбираем на обработанной поверхности (дуга 23") следующую точку (точку х на рис. 6), с радиусом Я_х, равным Я_е + А_Я (А_я - сколь угодно малая величина) и повторяем повороты инструмента и заготовки от положения А, проверяя при этом возможность осуществления процесса по методике, описанной выше. Когда х₄(х₄ ) станет равна нулю, полагаем Я_х = Я_е + 2-АЯ и продолжаем проверку. При достижении радиусом Я_х величины, большей радиуса, проверку прекращаем и делаем вывод о том, что при данных параметрах процесс зуботочения может быть осуществлен.

Величины сколь угодно малых углов поворота инструмента А(р_х) и заготовки А(р₂), а также, величина АЛ определялись, исходя из того, чтобы величина врезания задних вершинных кромок инструмента в заготовку, в промежутках между поворотами резца и заготовки и в промежутках между и точками на дуге 23, могла бы составить не более 0,0001 мм, что никак не повлияло бы на процесс обработки:

АЯ = (Я^ - Я_е)/\00, А(р₁₎=0,0\рад., А(р₂₎ = А<р_х/и, (2)

где и - передаточное число резца и заготовки

2.4 Программа расчета конструктивных параметров резца и заготовки, наладочных параметров операции и проверки возможности осуществления процесса зуботочения

Представим блок-схему программы, позволяющей автоматизировать расчеты конструктивных параметров резца и заготовки, наладочных параметров операции и проверки возможности осуществления зуботочения.

Рис.7. Блок-схема программы расчета конструктивных параметров резца и заготовки, наладочных параметров операции и проверки возможности осуществления процесса зуботочения для принятых конструктивных параметров инструмента и заготовки:

1 - определение задачи;

2 - проверка наличия аксиального отверстия;

3, 7, 14, 19 - ввод исходных данных;

4, 5, 10, 11 - расчет А_шп

15 -- расчет величин а,Ь,у

16 - решение системы уравнений

20 - расчет величин х₂, У₂, Х₂, ху

21 - проверка возможности осуществления процесса

6, 12, 13, 18, 22 - вывод результата; СТОП - завершение работы.

Исходными данными для разрабатываемой программы являются: диаметр ролика для обрезки ролика в поперечном сечении переднего конца, угол пересечения оси инструмента и заготовки, радиус окружности обрабатываемых колесных выступов радиус выемки, обработанная окружность колеса, радиус заготовки осевого отверстия (если таковая имеется), ширину перевернутого режущего инструмента с измененной заводской головкой и значение гарантированного зазора между резаком и заготовкой или между оправой и обрабатываемой деталью в конце обработки, количество зубьев инструмена для обжига роликов, количество зубьев заготовки, поддерживаемый регулируемый угол на вершине инструмента для обработки зубов, измеренный в осевом разрезе, режущий инструмент, высота инструмента для обработки ролика (расстояние от передней части до задней части зуба), значение начального инструмента для обработки ролика на расстоянии, измеренное вдоль оси резака.

Данная программа разработана и скомпилированна в системе Turbo Pascal. Полный программный код приведен в Приложении 1.

1. Предложена методика, позволяющая определять минимально допустимую ширину канавки для выхода режущего инструмента с учетом геометрических и структурных параметров инструмента и заготовки.

2. Разработана методика определения максимально допустимого диаметра инструментальной оправки (инструментального шпинделя) с учетом конструктивных и геометрических параметров инструмента и заготовки.

3. Разработана методика, позволяющая сделать вывод о целесообразности процесса связывания внутренних колец, учитывая конструктивные и геометрические параметры инструмента и заготовки, из условия не касания задних вершинных точек зубьев инструмента и обрабатываемой поверхности.

4. Программная реализация этих методов позволяет автоматизировать расчеты для определения параметров работы по резке внутренних колес и конструкции инструмента и геометрических параметров в зависимости от структурных и геометрических параметров заготовки.



3. Методика теоретических и экспериментальных исследований процесса скайвинга для внутренних зубчатых венцов

3.1 Задачи теоретических и экспериментальных исследований

Для достижение цели, поставленной в работе, как следует из главы 1, связано с разработкой методики проектирования работы зубчатых колес, которая включает в себя обозначение режимов резания. Под термином «условия резки» понимается набор численных значений глубины резания, скорости подачи, скорости резания, геометрических параметров и стабильности режущей части инструмента, а также силы резания, мощности и других параметров резания, от которых зависят технико-экономические показатели [31]. Режущие режимы будут рациональными, если процесс будет выполняться с такими значениями перечисленных параметров, которые позволят получить высокие технико-экономические показатели. Параметры режима взаимосвязаны, и поэтому вы не можете произвольно изменить значение хотя бы одного из них, не меняя при этом всех остальных. При выборе и назначении режимов резания необходимо произвести соответствующее выравнивание значений всех параметров с учетом возможности их использования на используемом оборудовании.

При зуботочении внутренних зубчатых колес особенно важно влияние режимов резания на компоненты режущей силы, которое определяет не только эффективную мощность резания, но и точность результирующих зубчатых колес, поскольку изменение в процессе обработки создает силы резания (из-за того, что инструмент является многозубчатым), вызывает изменение межосевого расстояния режущего инструмента и заготовки и переходит к готовой детали в виде колебаний измерения межосевого расстояние. Принимая во внимание высокую стоимость ручных инструментов, влияние режимов резания на сопротивление инструмента становится особенно важным и с учетом прерывистого характера обработки и шероховатости обработанных поверхностей.

Поэтому, принимая во внимание вышесказанное, задачами экспериментально-аналитического исследования является:

1. Определение зависимости компонентов режущей силы, мощности резания, долговечности инструмента и шероховатости обрабатываемых поверхностей, когда зубцы внутреннего зубчатого колеса связаны с условиями механической обработки (подачи 5, глубины резания скорости резания у, угла скрещивания осей инструмента и заготовки Р, переднего и заднего углов при вершине зуба инструмента у и а, модуля т, числа зубьев инструмента и заготовки ги и гд, распределения припуска между проходами).

2. Проверка адекватности полученных зависимостей и теоретических положений работы.

3.2 Методика силовых испытаний

Для экспериментальных исследований использовался одноточечный режущий инструмент со сменными резцами (рисунок 8), что позволило изменить параметры инструмента в пределах, необходимых для тестирования:

модуль ш - от 1 мм до 8 мм,

угол наклона зуба - от 15° до 35°,

передний угол при вершине у - от 0,5° до 20°,

задний угол при вершине а - от 5° до 20°.



Рис.8. Сборный однозубый резец

Рис. 9. Сборный многозубый резец

Для получения зависимостей компонентов силы резания (Px и P на рисунке 10) многофакторное планирование применялось с реализацией “Л реплики полного факториального эксперимента с использованием шести факторов:

модуля т,

подачи б,

глубины резания (,

переднего угла при вершине резца у,

заднего угла при вершине резца а

угла скрещивания осей инструмента и заготовки

3.2.1 Определение составляющих силы резания

Определение составляющих силы резания в каждом опыте осуществлялось методами тензометрии [15, 37, 74, 75]. Обратимся к рисунку 10.

Рис.10. Расчетная схема составляющих силы резания

Формулы (3) представляют собой выражения для нормальных напряжений тензодатчика в соответствующих положениях через составляющие силы резания [60] при рассмотрении шпинделя как несущего пучка, консольно закрепленного силами Р_х, Р_у и Р₂

(3)

Экспериментально определяя напряжение-манометрическое напряжение в каждом из 4-х положений и разрешая вместе любые 3 из приведенных выше выражений, определяли силы Р_х, Р_у и Р₂. 4-е выражение использовано для проверки, которая показала, что погрешность определения составляющих, обусловленная погрешностью обработки осциллограмм, лежит в пределах 2%-4%.

На рисунке 11 показана схема тензорезистора, с помощью которого измерялись напряжение тензорезистора во время процесса резания.

Рис.11. Схема тензометрического устройства

Рабочий тензорезистор Ri (тип 2ФКПА-20-200Х) наклеен на шпиндель и через токосъемник 2 включен в измерительный мост 3. Деформация шпинделя под действием сил Рх, Ру, Pz передается тензорезистору, что приводит к изменению его сопротивления и нарушению равновесия моста. В измерительной диагонали моста появляется ток, который, усиливаясь в тензостанции 4 (8АНЧ- 7М), поступает в магазин сопротивлений 5 (Р157), а оттуда - на гальванометр шлейфового осциллографа 6 (Н041 У4.2), где и записывается на осциллографную фотобумагу.

Кроме сигнала тензорезистора на осциллографную фотобумагу, посредством трансформатора тока 7, записывался ток главного двигателя 8, а также сигнал от отметчика оборотов шпинделя 1.

Измеряя расстояние от линии тензосигнала до его нулевой линии в 4-х взаимно перпендикулярных точках шпинделя (соответствующих 4-м положениям тензорезистора) и пересчитывая это расстояние по тарировочному графику определяли нормальные напряжения в этих точках. По нормальным напряжениям, посредством приведенных на рисунке 10 уравнений, определяли составляющие силы резания Рх, Ру, Рz в каждом опыте.

На рисунке 11 представлена осциллограмма силовых испытаний многозубого резца.

Здесь, определение усилий резания проводилось по тому же принципу, что и при работе однозубым инструментом, за исключением того, что для определения напряжений ох, сг2, сг3, и сг4 требовалось не четыре опыта, а один, так как на протяжении всего процесса резания тензорезистор находился в напряженном состоянии.



Рисунок 12. Осциллограмма силовых испытаний многозубого резца

3.2.2 Погрешность измерения составляющих силы резания

Суммарная погрешность измерения сил определялась погрешностью приборов и устройств тензометрической установки, погрешностью градуировки и обработки осциллограмм. Относительная суммарная погрешность определяется по следующему выражению [2]:

(4)

Суммарная относительная погрешность измерения составляющих силы резания составила ±7,1%, что для решения поставленных в работе задач является допустимым.

3.2.3 Влияние на составляющие силы резания диаметров инструмента и заготовки

Рассмотрим силы, действующие на режущие кромки зуба обкаточного резца (рис. 12).

Эти силы можно условно привести к двум: Рп -- приложенной к середине периферийной режущей кромки и действующей вдоль линии зуба, Рг - приложенной в той же точке и действующей перпендикулярно линии зуба.

Рис.13. Силы, действующие на зуб обкаточного резца

Сила Рп пропорциональна удельному давлению и может быть выражена произведением удельного давления резания на проекцию поперечного сечения срезаемого слоя на плоскость, нормальную к направлению движения:

В плоскости, нормальной к поверхности резания, действуют силы, отталкивающие режущую кромку от поверхности резания. Равнодействующую этих сил (Рг) можно считать состоящей из 2-х слагаемых. Одно из них является силой сопротивления перемещению стружки по передней поверхности. Эта сила пропорциональна нормальному давлению. Другое является силой сопротивления материала внедрению в его поверхность режущей кромки.. Эта сила не зависит от толщины срезаемого слоя, прямо пропорциональна длине режущих кромок, участвующих в резании и приложена к задней поверхности.

Таким образом:

Р_г=/-Р_я+С - 1_К(5)

Все, сказанное здесь, о природе сил Рп и Рг аналогично выводам А.М.Розенберга относительно работы цилиндрических и торцовых фрез, а также выводам Г.В.Баскакова относительно работы червячных фрез [5].

С изменением диаметров обкаточного резца и заготовки, при постоянстве остальных факторов резания, будут изменяться коэффициент перекрытия и толщина срезаемого слоя. Это следует из рисунка 13, где графически показано влияние диаметров инструмента (рис. 13, а) и заготовки.

На рисунке 13 (а) цифрой 1 обозначена точка касания заготовки и вершины зуба инструмента меньшего диаметра. Положение той же вершины после перемещения инструмента на величину подачи s обозначено цифрой 2. Таким образом, величина отрезка 12 будет равна толщине слоя S™, срезаемого инструментом с меньшим диаметром. Толщина слоя, срезаемого инструментом большего диаметра обозначена §в. Разницу толщин срезаемых слоев можно заметить визуально. На рисунке 13 (б) толщины срезаемых слоев у заготовок с большим и с меньшим диаметрами обозначены, соответственно, S и S.

Таким образом, из рисунка 13 следует, что с увеличе-нием диаметра обкаточного резца и с уменьшением диаметра обрабатываемой заготовки толщина срезаемого слоя уменьшается.



Рис.14. Схема влияния диаметров обкаточного резца (а) и заготовки (б) на толщину срезаемого слоя

Принимая во внимание то, что все точки режущих кромок зуба жестко связаны с вершиной, первой вступающей в резание, можно заключить, что синхронно с изменением толщины срезаемого слоя, будут изменяться толщины срезаемого слоя и для других точек режущих кромок зуба, а также и средняя толщина.

Из вышеизложенного следует, что оценивая влияние на составляющие силы резания максимальной толщины стружки, срезаемой вершиной зуба, первой вступающей в резание и коэффициента перекрытия, при изменении диаметров инструмента и заготовки, при стабилизации остальных факторов резания, можно оценить влияние этих диаметров на составляющие силы резания.

Изложенные выше соображения позволили получить частные зависимости степенного вида составляющих силы резания от диаметров инструмента и заготовки (гл. 4), которые затем были введены в обобщенные формулы для составляющих силы резания, полученные при многофакторном планировании.

3.2.4 Влияние составляющих силы резания на точность получаемых зубчатых венцов

В соответствии с шестым комплексом контроля цилиндрических зубчатых колес [6, 61, 62] нормы кинематической точности и плавности работы зацепления проверялись, соответственно, по колебанию измерительного межосевого расстояния за оборот колеса и на одном зубе.

На рисунке 14 инструментальный шпиндель рассматривается как двухопорная балка, консольно нагруженная силами Р и Р2. Изменение в процессе резания сил Ру и Р2 от Р™0* до Р™1П и от Р™ах до Р2, обусловленное характером инструмента, вызывает изменение межосевого расстояния обкаточного резца и заготовки (через деформацию шпинделя) и переходит на готовую деталь в виде колебания измерительного межосевого расстояния (рис. 15).



Рис.15. Силы, влияющие на точность получаемых зубчатых венцов

Силы Рмах и Рmin могут быть определены по полученным в ходе экспериментально-аналитических исследований зависимостям для Ру и Р2, а силы Р™1П и Р™1П находятся по суммарным зависимостям, которые строятся после определения коэффициента перекрытия резца и заготовки.

Радиальная сила от приводной шестерни шпинделя (рис. 13) составляет менее 0,1% от силы Рэкв и не оказывает существенного влияния на колебание межосевого расстояния, поэтому не рассматривается.

Таким образом, зная значения сил резания и используя вышеизложенную методику можно оценить точность получаемых зубчатых венцов.

3.3 Методика стойкостных испытаний

Как и силовые испытания, стойкостные эксперименты проводились однозубым обкаточным резцом. Ввиду того, что при одинаковой подаче на зуб условия работы однозубого резца и каждого из зубьев многозубого инструмента являются подобными, то результаты стойкостных испытаний, выполненных с использованием однозубого обкаточного резца, могут быть без изменений отнесены и к многозубому резанию.



3.3.1 Влияние на стойкость инструмента диаметров резца и заготовки

Изменение диаметров (чисел зубьев) инструмента и (или) заготовки, при неизменных остальных параметрах, приводят к изменению коэффициента перекрытия, длины (п. 3.3.2.) и толщины срезаемого слоя. Очевидно, что на стойкость инструмента будут влиять лишь длина и толщина срезаемого слоя, а коэффициент перекрытия не будет оказывать никакого влияния. Поэтому, зная зависимость стойкости инструмента от длины и толщины срезаемого слоя, при постоянстве остальных факторов, и, определяя изменение длины и толщины срезаемого слоя при изменении диаметров резца и заготовки, можно оценить влияние вышеназванных размеров инструмента на его стойкость.

3.3.2 Определение длины срезаемого слоя

Из предыдущего пункта следует, что для оценки влияния диаметров инструмента и заготовки на стойкость резца необходимо определять длину срезаемого слоя, поэтому, приведем ниже вывод соответствующей схемы (рис.15)

На рисунке 15 графически показано влияние диаметров инструмента и заготовки на длину срезаемого слоя. Индексы б и м относятся, соответственно, к большему и меньшему инструментам (рис. 15,а) и к большей и меньшей заготовке (рис. 15,б).

Таким образом, с увеличением диаметра обкаточного резца и с уменьшением диаметра обрабатываемой заготовки длина срезаемого слоя увеличивается.

1. Обоснованы и сформулированы задачи экспериментально- аналитических исследований.



Рис.16. Схема для определения длины срезаемого слоя.

2. Теоретически обоснована и разработана методика экспериментального исследования силы резания, позволяющая определять составляющие силы резания в процессе обработки.

3. Показано, что погрешность определения составляющих силы резания лежит в допустимых пределах, ±7,1%.

4. Полученная аналитическая модель силы резания при зуботочении, позволяет использовать однозубый обкаточный резец для определения силы резания при работе многозубым инструментом.

5. Предложена методика, позволяющая учитывать влияние на составляющие силы резания диаметров инструмента и заготовки.

6. Проанализировано влияние составляющих силы резания на точность получаемых зубчатых венцов. Приведенное условие обеспечения заданной точности венцов позволяет учитывать изменение составляющих силы резания в процессе обработки и жесткость используемого оборудования.



Рис.17. Схема влияния диаметров обкаточного резца (а) и заготовки (б) на длину срезаемого слоя

7. Предложена методика, позволяющая учитывать влияние диаметров инструмента и заготовки на стойкость инструмента.



4. Экспериментально-аналитические исследования

4.1 Оборудование для экспериментально-аналитических исследований

При проведении экспериментально-аналитических исследований использовалось следующее оборудование и оснастка: модернизированный универсальный зубофрезерный станок модели 5К32А (рис. 18) [32,12], обкаточные резцы (сборный однозубый и цельный многозубый из стали Р6М5) (рис. 8-9), контрольно-измерительная аппаратура для силовых испытаний (тензорезистор 2ФКПА-20-200Х (рис. 17), токосъемное устройство (рис. 17), амперметр Д570, шлейфовый осциллограф Н041 У4.2., магазин добавочных сопротивлений Р157, тензоусилитель 8АНЧ-7М (рис. 19), приспособление на базе лупы прибора Бринелля для измерения износа инструмента (рис. 16), приспособление для контроля измерительного межосевого расстояния (рис. 20).

Рисунок 18. Измерение износа инструмента лупой прибора Бринелля



Рисунок 19. Общий вид экспериментальной установки

Рисунок 20. Токосъемное устройство



Рисунок 21. Контрольно-измерительная аппаратура для силовых испытаний

Рисунок 22. Приспособление для контроля межосевого расстояния



4.2 Определение зависимостей для составляющих силы резания

4.2.1 Определение начальных зависимостей составляющих силы резания

Для получения начальных зависимостей составляющих силы резания использовалась методика многофакторного эксперимента [1, 2, 21]. Была реализована 1А реплики от полного факторного эксперимента с использованием шести факторов. Факторы и их уровни представлены в таблице 1.

Таблица 1. Уровни факторов при силовых испытаниях

Факторы				мм/об
		РГ	7°		и мм	ш, мм
Уровни
Верхний	20	35	20	0,52	4	8
Нижний	5	15	0,5	0,18	1	1

Факторы и их уровни выбирались исходя из априорных сведений о процессе зуботочения внутренних венцов [54], конструктивных особенностей используемого оборудования и результатов предварительных экспериментов.

По методике многофакторного эксперимента были составлены матрицы планирования для каждой из составляющих силы резания, с рандомизацией опытов во времени (приложение 1). После реализации каждого опыта, в соответствии с методикой, изложенной в пункте 3.1.1, определяли составляющие силы резания Рх, Ру и Рz для однозубого резания (рис. 23), по которым, затем, используя методику, изложенную в пункте 3.2.3, находили составляющие силы резания для случая многозубого резания, которые и использовали при вычислении коэффициентов моделей.



Рис.23. Фрагмент осциллограммы силовых испытаний однозубого резца

После вычисления коэффициентов был проведен статистический анализ в следующем порядке.

1. Определялись дисперсии, характеризующие ошибку опыта, по критерию Фишера проверялась их однородность.

2. Определялась усредненная дисперсия. Для моделей сил Рх, Ру и Рz она составила, соответственно, 0,35; 0,09 и 0,13.

3. Осуществлялась проверка значимости коэффициентов, показавшая, что для всех сил незначимыми являются коэффициенты при переднем и заднем углах, а для силы Рх, кроме того, - при подаче и глубине резания.

4. Определялась дисперсия адекватности. Для моделей сил Рх, Ру и Ру она составила, соответственно, 0,08; 0,11 и 0,13.

5. По Б-критерию Фишера проверялась адекватность полученных моделей. Для моделей сил Рх, Ру и Рz Р - критерий соответственно равен 0,83; 1,20 и 1,00. Так как все значения Б - критерия меньше табличного (Ртаб = 2,8), то полученные модели являются адекватными.

4.2.2 Оценка влияния числа зубьев инструмента и заготовки на составляющие силы резания

Эта оценка проводилась на основании положений, изложенных в пункте 3.2.4. Зафиксировав ряд параметров на определенном уровне (т = 8 мм, / = 15°, а-у = 20°, г_и = 16, г_д =32, Ј = 3 мм) для каждой из пяти подач (5 = 0,18; 0,25; 0,32; 0,40 и 0,52 мм/об) экспериментально определяли значение сил Р_у и Р₂ при однозубом резании. Для каждой подачи были определены силы Р_п и Р_г и произведение р-1_к (сила, приходящаяся на длину активных режущих кромок) выражения Р = р -1 -8.

Усредняя значение произведения р-1_к получили следующее выражение:

Р_п =33,6-3.

Полагая непосредственное влияние подачи R на величину удельного давления р пренебрежимо малым, по сравнению с влиянием на величину р толщины стружки и учитывая постоянство, с изменением подачи, длины активных режущих кромок 1_К мы можем говорить о достоверности формулы. О наличие корреляции между Р_п и 8 говорит и тот факт, что для разных подач значения произведений р-1_к оказались близки.

Стабилизация в данных опытах всех факторов (кроме подачи) на определенном уровне делает произведение С постоянным и обусловливает получение выражения.

Эксперименты показали, что при изменении подачи от 0,18 мм/об до 0,52 мм/об (при стабилизации остальных факторов) составляющая силы резания Рх изменяется незначительно, не более, чем на 4%. Поэтому, анализируя все выражения и принимая во внимание их условность, можно считать, что изменение чисел зубьев инструмента и заготовки не оказывает на составляющую силы резания Р заметного влияния, вследствие чего, факторы г_и и г_д в выражение для силы Р_х не включены.

4.2.3 Определение составляющих силы резания при работе по предварительно прорезанной впадине

Часто, особенно при изготовлении крупномодульных колес, скайвинг зубчатых венцов осуществляют за несколько проходов. В этом случае необходимо уметь определять силу резания при каждом проходе и учитывать ее при распределении припуска между проходами (п. 3.1).

В результате проведенных однофакторных экспериментов была установлена зависимость для расчета коэффициента К, учитывающего влияние на силу резания глубины обработки (рис. 24) и глубины уже прорезанной впадины t (оба параметра в долях модуля).

Рис.24. К расчету коэффициента К.

Для определения усилий резания при работе по прорезанной впадине необходимо подсчитать силы резания, приняв в качестве глубины резания величину t в мм (рис. 22), а затем, полученные значения сил умножить на коэффициенты К, подсчитанные по формулам.

Исследования проводились многозубым обкаточным резцом с модулем 5 мм, числом зубьев 25 и углом скрещивания 15°. Режимы обработки: скорость резания - 30 м/мин; подача - 0,18 мм/об; глубина резания - 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 и 1,0-т (при t_н =0,5 * т); глубина предварительно прорезанной впадины - 1,0; 1,25; 1,50; 1,75 и 2,0(при/ = 0,25-ж).

4.3 Определение мощности резания

В соответствии с задачами экспериментально-аналитических исследований (п. 3.1) определим эффективную мощность резания.

На рисунке 25 вектор, представляющий собой разность между проекцией вектора суммарной скорости v на направление вектора окружной скорости vn и вектором окружной скорости.

Рис.25. К определению мощности резания



4.4 Определение зависимости стойкости инструмента от факторов резания

4.4.1 Определение начальной зависимости для стойкости инструмента

Определение начальной зависимости для стойкости инструмента.

Для получения начальной зависимости стойкости инструмента от факторов резания использовался эксперимент.

В ходе предварительных экспериментов определился характер износа инструмента (рис. 26). По передней поверхности, вдоль режущих кромок были видны следы лунки износа, по задней поверхности вдоль режущих кромок обозначились фаски износа, но наибольшему износу подвергались вершины зуба, причем, износ вершины, вступающей в резание второй (достигал 0,7-1,0 мм), был на порядок выше, чем износ другой вершины (достигал 0,05-0,1 мм). Поэтому, стало очевидным, что стойкость инструмента необходимо оценивать по износу вершины зуба, вступающей в резание второй.

За критерий затупления была принята величина фаски износа вершины зуба, второй вступающей в резание Ь₃, равная 0,7 мм.

...