книги / Технология производства и методы обеспечения качества зубчатых колес и передач

сокими контактными температурами и ин­ тенсивными процессами отдыха и полигоиизации в металле зубьев.

Микротвердость поверхности зубьев рассматривалась в нескольких работах как ха­ рактеристика качества поверхности зубьев при выборе условий и режимов процессов виброударной обработки [20], шлифования зубьев [46,80], ХТО и обкатки на стенде [84]. Ус­ тановлено, в частности, что шлифование даже на мягких режимах вызывает прижоги за­ калки (на рис. 12.6 видно, что после шлифования твердость поверхности зубьев на глубине до 15-30 мкм практически не уменьшается, это объясняется наличием вторично закаленного слоя) и прижоги отпуска [80].

С ростом радиальной подачи при зубошлифовании абразивным червячным кругом про­ исходит уменьшение микротвердосги поверхности зубьев на глубину до 0,5 мм (рис. 12.7) [46]. При обкатке зубчатых колес, подвергнутых ХТО, происходит рост мнкротвердостн поверхности зубьев на 10-35% [84], причем этот рост имеет различную интенсивность на различных участках профиля. Наибольший рост имеет место в точке профиля, располо­ женной па делительной окружности (точка 3 на рис. 12.8). Данные о микротвердосги по­ верхности зубьев (в основном из сталей 45 и 40Х) после различных операций обработки зубьев приведены в работе [24]. Эта информация указывает на необходимость оценки микротвердости поверхности зубьев прежде всего в зоне делительной окружности.

Таким образом, в настоящее время отсутствуют данные об основных закономерно­ стях, изменениях характеристик качества поверхности зубьев цилиндрических колес на основных операциях их изготовления. Это вызывает трудности при проектировании тех­ нологических процессов обработки зубчатых колес, приводит к противоречивым реко­ мендациям при нормировании этих важнейших характеристик качества зубчатых колес как в технической литературе, так и в действующих процессах.

В то же время исследования [68,83,85-88] подтвердили наличие явлений технологи­ ческого наследования характеристик качества поверхности деталей машин при различных видах обработки. Это дает основание предполагать наличие указанных явлений и для по­ верхностей зубьев цилиндрических зубчатых колес на операциях их изготовления.

12.3. Экспериментальное исследование изменений показателей точности и параметров качества поверхности зубьев зубчатых колес на различных операциях их изготовления

12.3.1. Основные положения

Введение. В основу выбора методов исследования изменения параметров качества прямозубых цилиндрических зубчатых колес на различных операциях их изготовления были положены представления о природе этих процессов.

Основными особенностями исследуемых процессов изменения параметров качества зубчатых колес на различных операциях их изготовления можно считать:

1.Процессы носят случайный характер и их можно рассматривать как статистические преобразующие системы.

2.В условиях оптимальных режимов резания, конструкции и настройки оснастки, вы­ бор которых в настоящее время не вызывает принципиальных затруднений, значения па­ раметров качества зубчатых колес после различных операций определяются в основном их исходными значениями и свойствами технологической системы станка на соответст­ вующей операции. При этом погрешности колес после данной операции складываются из погрешностей, перенесенных с предыдущей операции, и погрешностей, возникающих на

самой операции.

Для решения задач выбора рациональных требований к параметрам качества цилинд­ рических зубчатых колес на различных операциях их изготовления на основе математиче­ ского моделирования изменения качества колес на этих операциях в рассмотренных усло­ виях нами была предложена методика исследования, основными особенностями которой, отличающими ее от уже выполненных работ, являются:

1. Кибернетический подход к решению задачи построения модели процесса измене­ ния параметров качества колес при их зубообработке, при котором устанавливаются зави­ симости между входами технологической системы зубообрабатывающего станка — пара­ метрами качества колес перед данной операцией — и ее выходом — параметрами качества колеса после данной операции, отвлекаясь от конкретного механизма возникновения каж­ дой отдельной составляющей суммарной погрешности. Этот подход находит в последние годы все более широкое применение [89-91], так как доказал свою плодотворность для построения моделей процессов механической обработки с целью повышения их точности,

вчастности с помощью систем адаптивного управления [92].

2.Описание исследуемой преобразующей системы с помощью полиноминальных мо­ делей, широко используемых при описании сложных диффузных систем, представляемых

ввиде «черного ящика» [90, 93].

3.Использование методов математической статистики, в частности, методов однофак­ торного регрессионного и корреляционного аиализа. Эти методы позволяют установить степень тесноты и форму взаимосвязи между парами случайных величин, получить мате­

матическую модель преобразования исходных погрешностей.

4. Получение информации о характере изменения исходных значений параметров ка­ чества цилиндрических зубчатых колес на соответствующей операции их обработки с по­ мощью пассивного эксперимента, в наилучшен степени обеспечивающего соответствие

4 6 4 Г л а в а 12

природы эксперимента исследуемому процессу и позволяющего использовать получен­ ную с его помощью модель этого процесса в реальных условиях его выполнения.

Методика исследования. Измерения показателей точности зубчатого венца и базовых поверхностей колес производили с помощью универсальных и специальных измерительных приборов. При выполнении всех измерений соблюдали требование о том, чтобы погрешность измерения не превышала 0,2 допуска на контролируемый параметр точности [94].

Измерения остаточных напряжений первого (Gy) и второго (а„) рода в поверхности зубьев выполнялись рентгеновским методом на установке ДРО Н -05. Измерения микро­ твердости поверхности зубьев # й выполнялись на приборе ПМТ-3 с нагрузкой 1,0 Н для сырых и 2,0 Н для закаленных зубчатых колес. Измерения микротвердости производи­ лись в 3-х точках по длине зуба в зоне делительной окружности, т. к. дефекты поверхно­ сти зубьев в этой области в наибольшей степени отражаются на усталостной контактной и изгибной прочности зубчатых колес.

Измерения параметра шероховатости поверхности зубьев R„ производились в 3-х зо­ нах по высоте зуба: у вершины зуба, в зоне делительной окружности и у впадины зуба. В расчет далее принималось наибольшее значение R„ для каждого зуба.

Измерения параметров качества поверхности зубьев производились не менее чем на 4-х зубьях, равномерно расположенных по окружности. Для измерений зубья или их сег­ менты вырезались из колеса. Использование сегментов позволило обеспечить сопостави­ мость результатов на соседних операциях, т. к. в этом случае измерения до и после данной операции выполнялись на одном зубе.

При исследовании изменения различных параметров качества цилиндрических зуб­ чатых колес (показателей точности базовых поверхностей и зубчатого венца, парамет­ ров качества поверхности рабочих профилей зубьев, перечисленных выше) на операци­ ях их обработки сравнительному анализу подвергались результаты измерений различ­ ных параметров качества до и после изучаемой операции. Причем, как до, так и на исследуемой операции обработка всей партии (при числе деталей в партии от 50 до 100 штук) производилась на одном станке, при одной настройке инструмента.

Особое внимание при измерениях различных характеристик качества зубчатых колес до и после изучаемой операции уделялось обеспечению возможности их сопоставления. С этой целью маркировались и зубчатые колеса, и отдельные зубья. В протоколе измере­ ний указывался для всех характеристик качества колеса номер колеса, для которого были выполнены измерения, а для характеристик, измеренных на отдельных зубьях (Fp„ f j n

Я р, Ra, Оу, G/y), указывался и номер зуба.

При обработке результатов измерений обеспечивалось сопоставление характеристик качества до и после изучаемой операции, измеренных на одной и той же детали, а для на­ званных выше характеристик — и на одних и тех же зубьях.

Анализу подверглись как операции обработки базовых поверхностей колес (сверле­ ние, зенкерование, однократное, предварительное и чистовое протягивание, черновое и чистовое растачивание, ХТО, дробеструйная обработка, дорнование, хонингование поса­ дочного отверстия, черновая и чистовая подрезка торцов венца), так и операции обработ­ ки зубчатого венца (зубофрезерование, зубодолбление, шевингование, ХТО, зубообкатка, зубохонингование, зубошлифоваиие).

Исследования были выполнены в производственных условиях Минского завода шес­ терен, ПО М ТЗ, ПО МАЗ и Волгоградского тракторного завода. Измерение точности зуб­ чатых колес при шевинговании изучалось также в лабораторных условиях Витебского станкостроительного завода им. Коминтерна.

Для всех исследований использовались оборудование и оснастка, удовлетворяющие требованиям соответствующих нормативно-технических документов (Н ТД ). В лабора­

торных условиях осуществлялась тщательная обработка заготовок колес (исследовались гладкие отверстия и торцы венцов) и использовалось новое зубообрабатывающее обору­ дование, изготовленное на Витебском станкостроительном заводе им. Коминтерна.

Было экспериментально исследовано изменение 5 показателей точности базовых по­ верхностей (диаметр Ц„ овальность Otl, конусность Кт1 посадочного отверстия, биение опорного при зубонарезании торца венца ЕТ, параллельность торцев венца £}) на различ­ ных операциях их обработки, 11-ти показателей точности цилиндрических зубчатых ко­ лес при шевинговании (F‘ir, Fpn Fm F", Ftrur, fc , f plr, ffr , f Phn fy). 5-ти показателей точ­ ности зубчатых колес при цементации и питроцементации (Fm F"r, Fmir, f ”, F$r), 3-х пока­ зателей точности при обкатке, хонинговании и шлифовании зубьев (F"r, f"r, Fpr), 4-х характеристик качества поверхности зубьев (параметр шероховатости боковой поверхно­ сти зуба Ra, микротвердость поверхности зуба Ям, остаточные напряжения первого и вто­ рого рода <7/ и Су/ на боковой поверхности зуба) при шевинговании, ХТО, обкатке, хонин­ говании и шлифовании зубьев.

При анализе экспериментальных данных учитывались вероятностно-статистические характеристики процессов изготовления цилиндрических зубчатых колес, установленные нами ранее законы распределения параметров качества цилиндрических зубчатых колес, стационарность и эргодичность процессов их обработки [34].

Предварительная обработка экспериментального материала включала исключение резко выделяющихся результатов с помощью критериев Ирвина или Груббса [95-97] и фазовый анализ изменения показателей кинематической точности цилиндрических зуб­ чатых колес (JF{r, F"r, F/In F„) на различных операциях их изготовления.

Цель такого анализа — установить возможность и правомерность применения стати­ стических методов для анализа исправляемостн этих показателей. Показатели кинематиче­ ской точности при контроле зубчатых колес оцениваются лишь абсолютным значением, без учета знака отклонения от номинала, что имеет место у остальных характеристик точ­ ности зубчатого колеса. В случае, если имело бы место изменение показателя кинематиче­ ской точности по фазе на угол >180°, анализ изменения лишь его абсолютной величины был бы недостаточен для оценки сущности воздействия процесса обработки на этот пара­ метр.

Оценку характера изменения по фазе на данной операции таких показателей кинема­ тической точности, как F ’r, F"r, Fpn Fw производили с помощью совмещенных графиков изменения этих показателей по зубчатому венцу до и после изучаемой операции.

Примеры таких графиков для Fjr до и после шевингования приведены на рис. 12.9. Анализ таких графиков позволяет установить, происходит или нет изменение по фазе на угол ^180° различных показателей кинематической точности цилиндрических зубчатых колес в процессе их изготовления.

Для каждого из рассмотренных показателей точности вывод об этом делался на осно­ вании анализа указанных графиков для 35-50 деталей в каждой из 3 -5 партий зубчатых колес различных типоразмеров, обработанных в различных условиях.

Для предварительной оценки формы и тесноты связи различных параметров качества прямозубых цилиндрических зубчатых колес после изучаемой операции с их исходными значениями по полученным для различных условий обработки экспериментальным дан­ ным были построены эмпирические линии регрессии.

Примеры этих линий регрессии, аппроксимированных линейными зависимостями, показаны на рис. 12.10.

Анализ полученных линий регрессии, а также соответствующих результатов ранее выполненных работ [7, 9, И , 17], показал, что зависимости рассматриваемых параметров

Рис. 12.9. Примеры фазового анализа изменения Fj'r при шевинговании для четырех различи

деталей (а, б, в, г) в одной партии шестерен (промежуточная шестерня коробки передачтр ДТ-75): 1— послезубофрезерования; 2 —после шевингования

Рис.12.10. Эмпирические (7) и теоретические (2) линии регрессиидля погрешности направле­ ния зуба F(vпосле шевингованиянажесткойоправкев производственныхусловиях, какфункции исходныхзначенийF^.(коробкапередачтрактораДТ-75, а — ведущаяшестерняпостоянногоза­

цепления; б— блокшестерен 1-й и 2-й передачи)

качества после операций их отделки и упрочнения от их исходных значений могут быть описаны полиномом первой или второй степени:

где х, у — значения различных параметров качества зубчатых колес до и после рассматри­ ваемой операции; a, b, c ,d ,e — постоянные коэффициенты.

Для выбора вида связи, в наилучшей степени описывающей исследуемые зависимо­ сти, наряду с расчетом коэффициентов уравнений (12.3), (12.4) был определен также ряд показателей, характеризующих адекватность каждой из рассматриваемых теоретических

зависимостей эмпирическим. При этом расчеты выполнялись для каждого из рассматри­ ваемых параметров качества не менее чем для 7-10 партий зубчатых колес как в произ­ водственных, так и в лабораторных условиях. Все расчеты выполнялись с помощью ПЭВМ по специальным программам. В качестве характеристик адекватности модели бы­ ли приняты:

1.Остаточная сумма квадратов S.

2.^-критерий Фишера адекватности модели.

3.Средняя относительная ошибка уравнения связи Ес р .

4.Критерии Стьюдента для оценки достоверности значения коэффициентов b, d и е

вуравнениях (12.3) и (12.4).

Расчеты производились с использованием известных математических зависимостей [95-99].

Оценка степени тесноты взаимосвязи различных параметров качества после данной операции с их исходными значениями производилась на основании расчетов коэффици­ ента корреляции Гц, между указанными значениями, теоретического корреляционного от­ ношения т|т для зависимости, описываемой уравнением (12.4), эмпирического корреляци­ онного отношения т)э.

Величина т\1 показывает, какая часть дисперсии функции у обусловлена изменчиво­ стью аргумента *, т. е. насколько дисперсия данного параметра качества после данной опе­ рации обусловлена колебанием, разбросом его исходных значений. Величина дает воз­ можность оценить характер изменения данного параметра качества на данной операции. Чем больше г^, тем в большей степени изменение данного параметра качества происходит при закономерном изменении исходных погрешностей, а чем меньше ггу, тем в большей степени данная операция сопровождается радикальным изменением исходных погреш­ ностей.

Расчет Гду и Т|т производился с помощью ПЭВМ. Существенность в различии между т|э и ■|\т , а также цт и оценивалась с помощью критерия Ç Романовского [100].

Выполненные расчеты показали несущественность в различии между указанными ха­ рактеристиками для исследованных параметров качества, операций и условий обработки. Значимость проверялась с помощью t — критерия Стьюдента.

Оценка точности исследуемых параметров качества до рассмотренных операций и достижимой точности после этих операций производилась нами с учетом того, что, как ус­ тановлено нами ранее, эмпирическое распределение исследуемых параметров качества после рассмотренных операций обработки в данных условиях подчиняется в основном нормальному закону. Поэтому, определив экспериментальным путем значения Sx и Sy, можно принять предельное поле рассеивания, т. е. фактически достижимую точность па­ раметра х и у как /(у)5х и l(y)Sy, где /(у) — коэффициент, зависящий от закона распределе­ ния, доверительной вероятности у определения поля рассеяния, объема выборки п, по ко­ торой были рассчитаны Sx или 5у[101]. Значения /(у) при у = 0,9973 для разных п приведе­ ны в табл. 5.6 [101].

Для оценки возможной степени изменения каждого из рассмотренных параметров ка­ чества зубчатых колес в процессе их обработки для всех параметров качества и партий

Здесь х, у - средние арифметические значения данного параметра качества до и после данной операции.

С целью установления общих закономерностей образования погрешности исследо­ ванных параметров на рассматриваемой операции нами было выполнено разложение об-

Таблица 12.3

Характеристики пооперационных взаимосвязей параметров качсстпа зубчатых венцов цилиндрических зубчатых колее при их обработке