МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

гОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ-УЧЕБНО-НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС.

На правах рукописи

ДЕМЕНТИЕСКИЙ ЕВГЕНИЙ СЕРГЕЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗУБОДОЛБЛЕНИЯ

ПРОФИЛЬНЫХ МОМЕНТОПЕРЕДАЮЩИХ СОЕДИНЕНИЙ

Направление: 150900.68 – Технология, оборудование и автоматизация

машиностроительных производств

Программа 150900.68.12 – Автоматизация технологических процессов и

производств в машиностроении

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание академической степени

магистра техники и технологии

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор А.С. Тарапанов

СОДЕРЖАНИЕ

1. МОМЕНТОПЕРЕДАЮЩИЕ СОЕДИНЕНИЯ В МАШИНОСТРОЕНИИ 11

1.1 История создания и развития моментопередающих профильных соединений 11

1.2 Конструкции моментопередающих соединений в машиностроении. 15

1.3 Методы обработки и инструмент для получения профильных моментопередющих соединений. 26

1.4 Зубодолбежное оборудование, применяемое для обработки колес с внутренними зубьями. 34

1.5 Состояние вопроса профилирования долбяков для обработки профильных моментопередающих соединений. 42

1.6. Выводы. Формулирование задач исследования. 50

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЗУБОДОЛБЛЕНИЯ ПРОФИЛЬНЫХ МОМЕНТОПЕРЕДАЮЩИХ СОЕДИНЕНИЙ. 53

2.1 Профилирование долбяков для обработки профильных моментопередающих соединений. 53

2.2 Анализ процесса зубодолбления профильных моментопередающих соединений 63

2.2.1 Математическое отображение схемы резания. 63

2.2.2 Кинематические изменения геометрических параметров режущих лезвий долбяков. 68

2.2.3 Силы резания при зубодолблении профильны моментопередающих соединений. 73

2.3 Управление параметрами качества профильными моментопередающими соединениями РК- и К- профиля. 76

2.4 Выводы по главе: 81

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ: 83

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 85

Введение

Актуальность работы. Одним из путей решения вопросов конкурентоспособности продукции является использование новых прогрессивных конструкций деталей машин, позволяющих по сравнению с традиционными, значительно снизить расход металла, затрат энергоресурсов, что в свою очередь, вызывает необходимость совершенствования методов обработки, конструкций станков, режущих инструментов и способов их проектирования.

Примером подобных конструкций могут быть механизмы, содержащие в своем составе, например, профильные моментопередающие соединения. В настоящее время в зарубежном и отечественном машиностроении наблюдается тенденция к широкому использованию профильных (бесшпоночных) соединений, применяемых для передачи крутящего момента. Также широкое применение профильные соединения получили в металлорежущих инструментах и гибких модульных инструментальных системах фирмы Sandvik-Coromant (Швеция), прецизионных зажимных приспособлениях фирмы Schunk (Германия), в необслуживаемых приводах фирмы Lenze (Германия), передачах, промышленных шуруповертах фирмы Boellhoff (Германия), в коленчатых валах судовых двигателей Scania (Швеция), в устройствах отбора мощности коробок передач ZF (Германия) и др. Расширение использования профильных соединений, является одной из тенденций современного машиностроения, способствующей повышению конкурентоспособности выпускаемой продукции.

Среди процессов формирования деталей в металлообработке место механической обработки и, в частности, обработки резанием, по-прежнему остается главным. Важную роль в обеспечении процесса механической обработки играет инструментальная подготовка производства, так как от эффективности, точности и работоспособности инструмента во многом зависит качество и эффективность всего процесса.

Качество режущего инструмента характеризуется его надежностью, т.е. способностью работать безотказно, сохраняя при этом предусмотренные техническими условиями показатели. К таким показателям относятся размерная и геометрическая точность, стойкость. Показатель стойкости характеризует качество режущего инструмента – длительность времени работы между переточками. Чем больше будет это время, тем выше качество такого инструмента. Производство режущих инструментов на современном уровне требует соответствующей подготовки специалистов, иного подхода к проектированию и автоматизации.

Обработка деталей профильных соединений зачастую требует специальных станков, формообразующие движения в которых реализуются с помощью механизмов-построителей. Применение подобного оборудования эффективно лишь для массового и крупносерийного производства. В условиях серийного производства высокопроизводительное и дорогое оборудование будет простаивать, кроме того, оно существенно увеличивает себестоимость деталей, соответственно его использование будет экономически нецелесообразным. Обработка деталей профильных соединений на станках с ЧПУ осуществляется в основном контурным фрезерованием. Данный метод характеризуется низкой производительностью и может быть использован только для обработки внутренних частей соединений, либо только торцовых частей валов. Обработка профильных соединений шеек валов на станках с ЧПУ токарной группы практически не может быть осуществлена из-за высокой инерционности их поперечных суппортов. Для условий серийного и мелкосерийного производства, характерного для большей части машиностроительных предприятий, наиболее целесообразно применение универсального оборудования общемашиностроительного назначения.

Несмотря на эксплуатационные и технологические преимущества профильных соединений над шпоночными и шлицевыми, они все еще не находят широкого распространения в отечественном машиностроении. Анализ литературных источников показал, что в качестве производящей линии сечения профильных соединений, могут быть использованы различные замкнутые кривые: гипо - и перитрохоиды, РК-профиль, синусоиды. Сравнение геометрии и прочностных характеристик различных профильных соединений с тремя осями симметрии в работах Л.С. Боровича, показало незначительность расхождений исследуемых параметров геометрии и несущей способности различных видов профильных соединений, следовательно, обеспечивается одного из первых пунктов качества изделия – обеспечения несущей нагрузочной способности и соответственно, долговечности. Обращая внимание на технологичность изготовления и контроля деталей профильного соединения типа вал и втулка, на примере РД23.800.2.02-89, следует особо отметить так называемый «равноширотный профиль», построенный на базе правильного треугольника с постоянным радиусом, образующим стороны и радиусом скругления при вершинах. В этом виде сопряжений практически отсутствуют места интенсивных концентраций напряжений, что обусловливает их более высокие эксплуатационные характеристики при малых габаритных размерах. А.И. Тимченко показал, что указанные соединения в несколько раз долговечнее, чем шлицевые, обладают меньшими шумовыми характеристиками и металлоемкостью. Кроме указанного вида соединения, существует построенный на базе правильного треугольника, стороны которого образованы радиусами, определяемыми как сторона правильного треугольника. Данный вид профиля более прост в построении и контроле при производстве, а также обладает свойством равноконтурности.

Таким образом, исходя из вышесказанного, видим, что сложности изготовления профильных соединений связаны, в первую очередь, с большим числом возможных вариантов исполнений данного вида соединений, с технологическими особенностями обработки такого типа соединений, к тому же, существуют способы получения элементов профильных соединений на универсальных станках с модернизацией и дополнением различными кинематическими схемами, которые за счет своей сложности могут приводить к снижению виброустойчивости и точности за счет накопленной погрешности рассогласования различных частей механизмов-построителей.

Одним из путей решения данной проблемы является применение для изготовления наружных и внутренних частей профильных соединений недорогого обкаточного станкоинструментального оборудования в технологических системах, как наиболее приемлемого в условиях отечественного машиностроения. Основным элементом таких систем может быть долбежный инструмент. Кроме того существенно выделяет этот способ возможность применения широко распространенного в условиях серийного и мелкосерийного производства, для обработки элементов деталей зубчатых соединений, недорогого долбежного оборудования без необходимости закупки дорогостоящих станков с ЧПУ.

Долбежный инструмент имеет ряд эксплуатационных преимуществ по сравнению с другими металлообрабатывающими инструментами. Например, долбяк для большинства деталей является финишным инструментом, т.е. помимо послойного снятия технологического припуска, он задает окончательную форму и размеры обрабатываемой детали. Долбежный инструмент может быть использован в тех областях обработки, где другими типами инструмента осуществить обработку невозможно, либо менее рационально, в том числе исходя из себестоимости операции. К таким типам обработки относится обработка внутренних поверхностей, поверхностей имеющих бурт, либо обработка «в упор». В работах российских ученых достаточно глубоко рассмотрены аспекты получения точных параметров долбежного инструмента, в частности связанных с обработкой профильных соединений. Однако, несмотря на широкое применение долбежного инструмента, и исследованность теоретических положений по изготовлению, все еще остается актуальной задача проектирования инструмента и уменьшения погрешности производящего контура его режущей кромки. Кроме того, углы заточки долбяка оказывают существенное влияние не только на качество обработанной поверхности и геометрию обрабатываемой детали, но и на возможность точно определить ту погрешность, пределы которой необходимо обеспечить в случае, если при переточке изменить передний угол для улучшения режущих свойств инструмента, в зависимости от физико-химических свойств материала обрабатываемой детали.

Доказано, что такие инструменты, как долбяки, резцы для зуботочения, ряд фрез определенной установки, имеют целевую подачу по образующей поверхности детали, выполняемую как качение или качение со скольжением, т.е. являются обкаточными и, следовательно, их проектирование должно вестись по принципам обкаточных, что позволит повысить точностные характеристики и более полно использовать потенциал инструмента.

Применительно к долбежному инструменту, основная сложность его проектирования обусловлена тем, что какие-либо вносимые изменения в конструкцию приводят к необходимости серьезных пересчетов припусков на переточку и возможности работы таким инструментом. К тому же долбежный инструмент в классическом понимании большинства учебных пособий рассматривается как инструмент для обработки элементов зубчатых соединений, либо шпоночных пазов, не принимая во внимание возможность обработки иных контуров деталей, в том числе, построенных на принципе повторяющихся элементов, к которым и относятся детали профильных соединений.

Для аналитического решения любой обкаточной задачи построения рабочего контура инструмента требуется высокая квалификация исполнителя ввиду большого многообразия различных форм описания исходного профиля, методов профилирования и многообразием обкаточных задач. Таким образом, выполнение такой задачи как профилирование является довольно трудоемкой операцией. Ввиду этого, предлагается осуществлять расчеты в автоматизированной системе, на примере САПР для ЭВМ.

Технологическое обеспечение производства профильных соединений необходимо рассматривать в комплексе с контрольно-измерительным инструментом. Контроль возможно осуществлять с использованием инструмента, изготовленного на основе ГОСТированного, а также координатно-измерительных машин.

В связи с этим, направление исследований по получению контура долбяка для обработки профильных соединений, с возможностью определения и управления погрешностью формообразующего контура инструмента и соответственно, обработанных деталей, применяемых в инновационных, наукоемких, военных и гражданских объектах производства является перспективным, а задача – актуальной для науки и техники.

Цель работы. Профилирование долбяков для обработки профильных моментопередающих соединений и комплексный анализ процесса их формообразования.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены следующие задачи:

1. Разработать комплекс универсального математического обеспечения профилирования инструмента и отображения схемы резания для зубодолбления профильных моментопередающих соединений.

2. На основе разработанного отображения схемы резания провести анализ кинематических характеристик процесса зубодолбления профильных моментопередающих соединений, включающий в себя расчет толщин срезаемого слоя и рабочих углов по периметру режущего лезвия.

3. Определить величины составляющих силы резания, установить их зависимость от формы обрабатываемого зуба и режимов обработки.

4. Разработать алгоритм управления параметрами качества профильных моментопередающих соединений.

Объект исследования: процесс зубодолбления профильных моментопередающих соединений.

Предмет исследования: профилирование инструмента, производительность и качество обработки профильных моментопередающих соединений.

Методика исследований. Теоретические исследования базируются на положениях теории резания металлов, проектирования режущего инструмента, научных основ технологии машиностроения, дифференциальной геометрии, векторного анализа, инженерии поверхности.

Научная новизна работы. Разработан комплекс универсального математического обеспечения профилирования инструмента для формообразования РК- и К- профилей с одновременным анализом параметров процесса обработки и с возможностью прогнозирования значений точности и шероховатости получаемых изделий.

Практическая значимость заключается:

• в разработке методики профилирования долбяков для профильных моментопередающих соединений, совмещенной с возможностью прогнозирования точности и качества изготавливаемого изделия;

• в разработке алгоритма проектирования процесса обработки, в котором процессс профилирования долбяка совмещен с анализом процесса зубодолбления.