3.3 Достижение требуемых параметров микрогеометрии поверхностного слоя зубьев после нанесения покрытий

Основными путями повышения качества ЗК и их эксплуатационной характеристик, является повышения качества поверхностного слоя и точности параметров зацепления зубчатой передачи, а также физико-механических свойств поверхностных слоев. Дальнейшее повышение геометрических параметров качества поверхностного слоя, а также точности основных параметров зубчатого зацепления достигается различными методами отделочной механической обработки. Вариантом повышение физико-механических свойств поверхностного слоя рабочих элементов ЗК является нанесение вакуумных ионно-плазменных покрытий на рабочие элементы ЗК. При этом для восстановления исходной микрогеометрии поверхностного слоя, после нанесения покрытий требуется последующая отделочная механической обработкой.

На основе особенностей процесса нанесения вакуумных ионно-плазменных покрытий на рабочие элементы ЗК, установлено, что ФО технологический процесс изготовления ЗК должен базироваться на следующих основных этапах (рис. 3.6):

- 1-й этап – механическая обработка рабочих элементов ЗК с целью обеспечения требуемых параметров точности зубчатого зацепления (формообразование зубьев, чистовая обработка зубьев, исправление кромочного контакта);

- 2-й этап – подготовка рабочих поверхностей ЗК к нанесению покрытий (полирование зубьев, ультразвуковая чистка);

- 3-й этап – нанесения покрытий на рабочие элементы ЗК;

- 4-й этап – механическая обработка рабочих элементов после нанесения покрытия (сглаживающее полирование);

- 5-й этап – операции контроля свойств рабочих элементов ЗК (контроль состояния поверхности после нанесения покрытий, контроль шероховатости, контроль толщины покрытия, контроль микротвердости).

Данные этапы технологического процесса предпочтительно строить с учетом всех особенностей и принципов ФОП. Однако в некоторых случаях для определенных этапов производства ЗК, более целесообразно применять традиционные операции технологического процесса. Поэтому в настоящее время, более рационально использование комбинации традиционных и ФО технологических процессов.

Рисунок 3.6 - Общая универсальная структура технологического процесса отделочной обработки рабочих элементов ЗК

Для каждого этапа технологического процесса возможно определенное количество возможных вариантов операций данного этапа (S_i), и количество возможных структурных вариантов подпроцессов данного этапа технологического процесса (V_i).

Первый этап технологического процесса: механическая обработка рабочих элементов ЗК, включает в себя: предварительную и окончательную механическую обработку контуров заготовки, формообразование зубьев. На данном этапе технологического процесса необходимо обеспечить: требуемую точность комплекса параметров характеризующих степень точности ЗК (по нормам кинематической точности, плавности работы, контактной точности и бокового зазора), точность всех линейных и диаметральных размеров ЗК, точность формы и взаимного положения поверхностей, заданные параметры шероховатости поверхностей, а также требуемые механические свойства основного материала заготовки.

Указанные параметры ЗК, обеспечиваются различными вариантами структуры подпроцесса данного этапа технологического процесса. То есть множеству возможных вариантов операций технологического модуля 1-го этапа технологического процесса , соответствует определенное подмножество подпроцессов (структур) , каждый из которых будет обеспечивать требуемые параметры рабочих элементов ЗК. При этом, на данном подмножестве подпроцессов 1-го этапа технологического процесса, требуется выбрать рациональную структуру подпроцесса обработки рабочих элементов ЗК, что решается на базе установления связей и отношений между параметрами операций всего технологического процесса в целом. Представленное множество возможных операций 1-го этапа технологического процесса должно формироваться в базе данных «технологического модуля операций 1» (рис. 3.6).

На 2-м этапе технологического процесса осуществляется подготовка рабочих поверхностей ЗК к нанесению покрытий. Здесь также определяется множество возможных вариантов операций технологического модуля операций 2-го этапа технологического процесса, а также выбирается определенное подмножество подпроцессов , каждый из которых будет обеспечивать требуемые параметры рабочих элементов ЗК. На подмножестве подпроцессов 2-го этапа технологического процесса необходимо выбрать рациональную структуру подпроцесса подготовки рабочих поверхностей ЗК к нанесению покрытия, что решается на базе установления связей и отношений между параметрами операций всего технологического процесса. Представленное множество возможных операций 2-го этапа технологического процесса должно формироваться в базе данных «технологического модуля операций 2» (рис.3.6).

На 3-м этапе технологического процесса выполняется процесс нанесения вакуумных ионно-плазменных покрытий. На этом этапе также возможно множество вариантов операций технологического модуля операций 3. Этому множеству соответствует определенное подмножество подпроцессов , каждый из которых будет обеспечивать требуемые параметры рабочих поверхностей ЗК при их эксплуатации. На базе закономерностей и связей параметров операций каждого этапа технологического процесса выбирается рациональная структура подпроцесса нанесения покрытия. Вид или тип покрытия рабочих элементов ЗК выбирается и реализуется в зависимости от особенностей эксплуатации рабочих элементов ЗК в машине или технологической системе. Представленное множество возможных операций 3-го этапа технологического процесса должно формироваться в базе данных «технологического модуля операций 3».

Следующий этап – дополнительная механическая обработка рабочих элементов ЗК, с целью восстановления параметров качества рабочих поверхностей ЗК в соответствии требованиям эксплуатации. Для этой цели используется сглаживающее полирование или глянцевание поверхности. В данном случае, множеству операций технологического модуля операций 4, соответствует подмножество подпроцессов (структур) , каждый из которых будет обеспечивать требуемые параметры рабочих поверхностей ЗК при эксплуатации. На базе закономерностей и связей параметров операций каждого этапа технологического процесса необходимо выбрать рациональную структуру подпроцесса механической обработки рабочих поверхностей ЗК. При этом параметры зубьев выбираются и реализуются в зависимости от особенностей эксплуатации рабочих элементов ЗК в машине или технологической системе. Представленное множество возможных операций 4-го этапа технологического процесса должно формироваться в базе данных «технологического модуля операций 4».

На 5-м этапе технологического процесса выполняются контрольные операций с целью контроля соответствия свойств рабочих элементов ЗК параметрам заданным при конструировании. Здесь также множеству контрольных операций технологического модуля операций 5, соответствует подмножество контрольных подпроцессов . Из данного подмножества необходимо выбрать рациональную структуру подпроцесса контроля параметров ЗК. Представленное множество возможных операций 5-го этапа технологического процесса должно формироваться в базе данных «технологического модуля операций 5».

Исследования показали, что структура технологического процесса требует установления закономерностей параметров точности, качества поверхности и физико-механических [22] свойств элементов ЗК на каждой операции, с целью обеспечения рациональных величин данных параметров. При этом, для обеспечения определенных конечных параметров, должна формироваться структура технологического процесса, зависящая от начальных параметров и свойств рабочих элементов ЗК полученных на предыдущем этапе технологического процесса. Этот процесс можно описать с помощью следующего отображения:

,

где - начальные свойства рабочих элементов ЗК (заготовка);

- конечные свойства зубчатых рабочих элементов ЗК (деталь);

- функция отображения, которая зависит от структуры технологического процесса отделочной обработки рабочих элементов ЗК ( ).

Синтез структуры операций технологического процесса отделочной обработки рабочих элементов ЗК, основывается на выборе его структуры из множества технологических операций, в том числе ФО:

, (1)

где - полное множество возможных операций рационального технологического процесса отделочной обработки рабочих элементов ЗК;

- элементарная технологическая операция отделочной обработки рабочих элементов ЗК;

- общее количество возможных отделочных операций для рабочих элементов ЗК.

Из полного множества возможных вариантов отделочных операций, представленного выражением (1), необходимо выбрать требуемое подмножество операций, на основании которого строится технологический процесс отделочной обработки рабочих элементов ЗК. Этот процесс может быть реализован на основе морфологического синтеза технических решений [33].

Процесс морфологического синтеза рациональной структуры ФОТП отделочной обработки рабочих элементов ЗК, состоит из следующих последовательных шагов проектирования (рис. 3.7):

1. Постановка задачи.

2. Выбор морфологических признаков (строк матрицы) для всех этапов технологического процесса.

3. Выявление возможных вариантов каждого признака – строк каждого этапа технологического процесса.

4. Составление морфологической матрицы.

5. Генерирование множества возможных вариантов технологических процессов.

6. Определение критериев выбора технологического процесса.

7. Выбор рациональной структуры технологического процесса.

При постановке задачи синтеза, основными параметрами синтеза является выбор структуры рационального технологического процесса по параметрам производительности , качества и себестоимости С изготовления ЗК.

Выбор морфологических признаков выполняется по строкам матрицы. При этом осуществляется выявление возможных вариантов каждого признака на основе формирования групп сходных операций по каждой строке, мощностью . Причем с увеличением номера строки повышаются параметры качества, по отношению к предыдущим операциям (строкам матрицы) обработки рабочих элементов ЗК.

Выявление возможных вариантов каждого признака ( ) должно выполняться на базе ФОП.

Морфологическая матрица имеет следующую структуру:

(2)

где - любая отделочная операция i-й строки j-й операции группы сходных операций морфологической матрицы этапа технологического процесса; при этом h=1…5;

- количества строк морфологической матрицы каждого этапа технологического процесса, соответственно;

- мощность групп сходных операций отделочной обработки по каждой строке морфологической матрицы для каждого этапа технологического процесса, соответственно.

В морфологической матрице, элементы каждой строки слева на право, представляют собой однотипные элементарные операции определенного этапа, в которых варьируются показатели производительности, качества и себестоимости обработки рабочих элементов ЗК. В вертикальном направлении по строкам сверху вниз представлены операции обработки рабочих элементов ЗК, которые последовательно обеспечивают заданные свойства рабочим элементам ЗК.

На стадии генерирования множества возможных вариантов структур технологического процесса, выполняется определение этого множества. Полное множество всех структурных вариантов технологических процессов отделочной обработки рабочих элементов ЗК, определяется по следующей формуле:

где - полное множество всех возможных вариантов технологических процессов обработки рабочих элементов ЗК.

В дальнейшем определяются критерии выбора рационального технологического процесса. В данном случае, критериями выбора приняты производительность, качество и себестоимость отделочной обработки рабочих элементов ЗК.

После определения критериев выбора структуры технологического процесса, осуществляется выбор из множества возможных структурных вариантов, рационального технологического процесса.

Таким образом, в данном разделе решены вопросы, связанные с проектированием и реализацией ФО ТП. Связь между свойствами функциональных элементов, технологическими воздействиями и особенностями эксплуатации, а также способы реализации ТВ, должны осуществляются на основе принципов ориентации ТВ и свойств, что позволяет максимально адаптировать изделие с ЗК к особенностям эксплуатации в конкретных условиях. Разработанные модели схем ТВ для основных зон рабочих элементов ЗК, позволяют в зависимости от вида зон функциональных элементов создавать и характера действия эксплуатационных функций в них, определять требуемый характер технологических воздействий согласно принципов ориентации. Разработанная методика синтеза ФО технологий изготовления ЗК определяет последовательность и основные этапы проектирования и внедрения ФОТ производства изделий с ЗК, а также характеризует связи между основными этапами технологического процесса.