asyan.org
добавить свой файл
1
РЕФЕРАТ

наукової праці «Основи теорії просторового формоутворення черв’ячних фрез»

Мета роботи: створення основ просторової теорії формоутворення черв’ячних фрез, за рахунок чого отримати підвищення точності та працездатності черв’ячних зуборізних фрез з врахуванням просторової моделі процесу і створення фрез з меншим відхиленням їх профілю від теоретично-точного та з більш раціональною геометрією різальної частини.

Наукова новизна; Вперше розроблена просторова математична модель формоутворення поверхні зубчастих коліс при зубофрезеруванні черв’ячними фрезами. Вперше на основі просторової моделі формоутворення розроблена уточнена теорія визначення геометрії та завантаження різальної частини черв’ячних зуборізних фрез. Розроблені моделі розрахунку огранки зуба та перехідних кривих на основі просторової теорії формоутворення. Уточнено теорію проектування черв’ячних зуборізних фрез підвищеної точності на основі конволютних черв’ячних фрез. Розроблено технологічні методи підвищення точності фрез.

Практична значимість; Розроблені методики та алгоритми проектування черв’ячних фрез підвищеної точності та працездатності. На основі отриманих наукових результатів розроблені рекомендації проектування черв’ячних зуборізних фрез підвищеної точності та працездатності. В ПАТ «Мотор Січ» впровадження результатів роботи забезпечило підвищення по точності зубчастих коліс, що нарізаються в 2 рази за показниками плавності роботи та 1,5 рази за показниками кінематичної точності. Зменшення витрат матеріалу на виготовлення інструменту. Економічний ефект від впровадження роботи на ПАТ «Мотор Січ» становить 21 тис. грн. в рік. Черв’ячні фрези підвищеної точності та працездатності впроваджені у виробництво на ВАТ «Львівський інструментальний завод» , м. Львів. Економічний ефект від впровадження роботи становить 75 тис. грн. в рік. Результати роботи використовуються в навчальному процесі на кафедрі інтегрованих технологій машинобудування НТТУ «КПІ». На нові конструкції фрез отримано 3 патенти.

У вступі обґрунтовується актуальність теми наукової роботи.

У першому розділі проведено аналіз похибок зубчастих коліс при зубофрезеруванні черв’ячними фрезами та вплив на них складових технологічної системи. Встановлено, що заміна теоретично точного черв’яка вихідної інструментальної поверхні фрези на наближений архімедовий або конволютний вносить похибки в профіль зубчастого колеса вже на стадії проектування черв’ячних фрез. Це є причиною неможливості призначення більш раціональної геометрії інструменту, підвищення режимів різання, зменшення шорсткості, зменшення зусиль різання, збільшення припусків для фінішних операцій, зниження витрат на інструмент для фінішних операцій.

У розділі аналізуються існуючі способи проектування черв’ячних зуборізних фрез та вплив їх на точність профілю зубчастих коліс, що нарізаються. Цей аналіз показав, що невизначено доцільну область використання того чи іншого способу проектування фрез, а також не досліджено вплив способу на похибки зубчастих коліс. Дослідження на вплив способу проектування на точність зубчастих коліс можливо тільки на основі теорії формоутворення.

Аналіз стану сучасної теорії формоутворення поверхні зубчастих коліс при зубофрезеруванні черв’ячними фрезами показав, що в основному вона базується на припущеннях, які спрощують просторовий процес формоутворення зубчастих коліс. Відомі роботи дослідників, присвячені вирішенню просторової задачі, проте вони недостатньо вирішують дану задачу.

Задачі підвищення точності зубчастих коліс та призначення раціональної геометрії черв’ячних фрез взаємопов’язані між собою, тому теорія визначення геометричних параметрів цього інструмента потребує уточнення на основі просторової моделі формоутворення зубчастих коліс.

Другий розділ присвячений розробці уточненої теорії формоутворення поверхні зубчастих коліс при зубофрезеруванні черв’ячними фрезами на основі просторової моделі, розрахункова схема якої наведена на рис 1. В даній моделі було враховано всі рухи, які здійснюють фреза та колесо в процесі формоутворення. Для вирішення поставленої задачі було розроблено узагальнену матричну модель лінійчатих гвинтових поверхонь, які є вихідними інструментальними поверхнями даного інструменту. На основі узагальненої матричної моделі було отримано рівняння контакту при двопараметричному огинанні, що відповідає схемі формоутворення зубчастих коліс черв’ячними фрезами: обертання фрези та колеса навколо своїх осей - один параметр руху, рух фрези вздовж осі колеса - другий параметр руху.

Для конволютної гвинтової поверхні рівняння контакту має вигляд:

, (1)



де, u, t – незалежні параметри гвинтової поверхні, φкут повороту фрези, i12 – передаточне відношення пари фреза-колесо, γ – кут розвороту фрези, р – гвинтовий параметр фрези, β – кут розташування твірної площини гвинтової поверхні, α – кут нахилу твірної гвинтової поверхні, А – міжосьова відстань, А1- параметр, що відповідає за симетричне розташування западини витка черв’яка відносно міжосьового перпендикуляра.

Для архімедової гвинтової поверхні рівняння контакту запишеться:

, (2)

Характер відхилення профілю показав, що найбільші відхилення профілю колеса від теоретично точного евольвентного є біля ніжки та біля вершини зуба колеса.

На базі матричної узагальненої моделі гвинтових поверхонь було запропоновано дискретну модель поверхні черв’ячної фрези.

Розроблено алгоритм визначення огранки профілю колеса при формоутворенні його черв’ячними зуборізними фрезами з урахуванням просторової моделі формоутворення.

Було розроблено аналітичну просторову модель визначення перехідної кривої зуба при нарізанні архімедовою або конволютною фрезою.

Отримані рівняння контакту для визначення перехідної кривої при зубофрезеруванні:

  • архімедовим черв’яком:

  • конволютним черв’яком:

де ρ – радіус округлення вершинної кромки витка черв’яка, B – координата X центру радіуса округлення черв’яка.

У третьому розділі розроблено нові способи проектування черв’ячних фрез підвищеної точності та працездатності. Базуючись на аналізі існуючих способів проектування черв’ячних фрез показано, що в більшості вони зводяться до заміни кута нахилу вихідного утворюючого контуру. Дослідженнями та практикою зубонарізання черв’ячними фрезами відомо, що у зубчастих коліс зі збільшенням модуля (збільшення висоти робочої частини зуба) точність знижується. Показано, що застосування багатокромочних фрез підвищує точність. Аналіз результатів математичного моделювання процесу зубонарізання прямозубих не коригованих зубчастих коліс стандартними фрезами за ГОСТ 9324-80, показав, що найбільша похибка профілю коліс спряжених з архімедових черв’яком менше в порівнянні з колесами спряженими з конволютним черв’яком. При чому, вона росте зі збільшенням числа зубів колеса, що нарізається. Це пояснюється тим, що у рівняннях контакту при обкаті для черв’яків (1), (2) входить міжосьова відстань А, яка при збільшенні числа зубів колеса, що нарізається також збільшується, внаслідок чого і збільшується і відхилення профілю зуба від теоретичного евольвентного. Для архімедових фрез найбільше відхилення по профілю у ніжки зуба, а для конволютних на головці зуба.

При нарізанні зубчастих коліс фрезами класу А модулем більше 6мм похибка профілю перевищує третину допуску на точність профілю за 8-мим ступенем точності.

Для коліс малих модулів 3-5мм для малих чисел зубів до 25-30 величина огранки має переважне значення над похибкою від заміни черв’яка.

Для того, щоб біля головки та ніжки зуба колеса, що нарізається вирівняти відхилення профілю від теоретично точного евольвентного профілю пропонується кут вихідного утворюючого контуру вибирати за критерієм мінімальної площі, обмеженої теоретично-точним черв’яком та його заміняємим.

Від такої заміни похибки профілю зубчастого колеса зменшуються на 5% у порівнянні з похибками стандартних архімедових фрез та 24% у порівнянні з похибками стандартних конволютних фрез. Оптимальні кути корекції для фрез архімедового типу лежать в бік збільшення кута рейки, а для фрез з прямолінійним перерізом в нормальній січній площині кут вихідної рейки треба зменшувати від номінального 200.

Для зменшення похибки при нарізанні зубчастих коліс модулем більше 6мм пропонується фреза, профіль вихідного утворюючого контуру якої складається з двох ділянок з різними кутами профілю, при чому заміна контуру виконувалась за критерієм мінімальної площі, обмеженої цими профілями. Як показують розрахунки, точність профілювання таких фрез у порівнянні зі стандартними виросла на 65% .

Аналіз відхилення профілю зубчастих коліс отриманими при зубофрезеруванні при заміні теоретично точного евольвентного черв’яка фрези на дві прямолінійні ділянки твірного профілю конволютного, або архімедового черв’яка за критерієм мінімальної площі показав, що такі фрези дають значне зменшення похибок профілю зубчастого колеса. Такі фрези можна рекомендувати для модулів більше 6мм для зменшення похибок, які визвані заміною теоретично точного черв’яка.

Як показав аналіз черв’ячних фрез, всі черв’ячні фрези мають несприятливу геометрію. Особливо передньої поверхні, для якої передній інструментальний кут дорівнює нулю, що значно знижує працездатність стандартних фрез. При чому конволютні фрези мають більш раціональну геометрію передньої частини леза в порівнянні з архімедовими фрезами, що і обумовило більше поширення конволютних черв'ячних фрез.

Аналіз формоутворення профілю черв’ячних фрез показав, що при перетині гвинтової передньої поверхні з затилованою задньою поверхнею утворюється криволінійна просторова різальна кромка, яка не лежить на поверхні базового черв'яка на якому вона виготовлена .

Для таких фрез, на базі конволютного черв’яка з інструментальним переднім кутом відмінним від нуля, забезпечення заданої точності було здійснено за рахунок підбору кута профілю базового конволютного черв’яка, переднього інструментального кута та величини заднього кута (величини затилування).

В результаті цього черв’як, утворений криволінійною просторовою різальною кромкою має менше відхилення від поверхні теоретично точного евольвентного черв’яка, при чому такі фрези мають більші технологічні переваги, ніж звичайні чистові фрези з нульовим переднім кутом виконаних на базі конволютних. За твірні передньої поверхні можна брати не тільки пряму, але й більш складні криві – парабола, еліпс, гіпербола, архімедова спіраль і та інші.

В основу проектування таких фрез покладена їхня технологія виготовлення. В роботі було розглянуто утворення передньої поверхні конічною стороною тарілчастого або конічного круга. При чому розглядлись круги з прямолінійною твірною, що значно спрощує технологію виготовлення таких фрез. Відомими вважаються: діаметр вершин зубів dа, висота зуба h, задній вершинний кута αв, або величини падіння затилка K, товщина зуба колеса S, параметри кругів, якими будуть затилуватись фрези.

Задаючись значеннями переднього кута, які доцільно вибирати цілими значеннями, наприклад, 50, 80, 100, 150. Для кожного значення кута профілю в вибраних межах при фіксованому значенні переднього кута визначалась просторова різальна кромка такої фрези для лівої та правої сторони. Знаходився осьовий переріз еквівалентного черв’яка та порівнювався з теоретично точним профілем в межах робочих радіусів фрези.

Фреза вважалася оптимальною за параметрами, якщо площа, обмежена цими профілями буде мінімальною.

Розрахунки показали, що можна зпрофілювати черв'ячні фрези з додатнім інструментальним кутом, точність яких буде вищою за стандартні конволютні чистові фрези виготовлені на тому ж діаметрі.

Дослідження показують, що фрези модулем 3мм спрофільовані на діаметрі 80мм, з переднім кутом 50, 100, за максимальною похибкою будуть точніші за стандартні конволютні. При чому стандартні фрези з нульовим переднім кутом, виготовлені без спеціальної криволінійної правки заточного та затилувального круга дають похибку профілю зубчастого колеса в 6 раз більшу ніж стандартний конволютний черв’як.

Розглянуто способи підвищення точності стандартних черв'ячних фрез, які вже знаходяться в експлуатації за рахунок підвищення ефективності обробки переточуваної поверхні фрези. Показано, що за рахунок вибору раціональних параметрів установки заточного круга можна підвищити точність фрези при заточуванні без використання спеціальної криволінійної правки заточного круга. Розглянуті способи геометрично-точного формоутворення передньої гвинтової канавки черв’ячних фрез.

Четвертий розділ присвячений розробці черв’ячний фрез нових конструкцій. Представлено алгоритм проектування черв’ячних фрез нових конструкцій. Розробка черв’ячних фрез нових конструкцій потребує уточнення значень геометрії різальної частини фрези. Було розроблено уточнену модель визначення геометричних параметрів різальної частини фрези в кінематичній системі координат.

За цією моделлю кінематичні кути визначаються за наступними залежностями:

, (3)

де, Nα, Nγ, NPnнормаль до задньої поверхні, передньої поверхні зуба та площини різання в досліджуваній точці.

В основу визначення кінематичних кутів покладено визначення напрямку вектора результуючої швидкості, рівняння якого отримали при визначенні рівняння контакту при формоутворенні зубчастих коліс при зубофрезеруванні.

Розрахунки показали, що задні кінематичні кути в порівнянні з інструментальними кутами мають менші значення в зоні врізання зубів в заготовку і збільшуються при виході з неї. Для бічних різальних кромок уздовж різальної кромки різниця значень задніх кутів не перевищує в окремих випадках 0,60, для вершинних різальних кромок вона може досягати до 20.

Передні кінематичні кути для бічних різальних кромок в зоні врізання мають більші значення ніж при виході зубів і різниця між ними становить 0,60. Для вершинної різальної кромки передній кут навпаки має менші значення в зоні врізання і росте при виході зубів фрези із заготовки, різниця кутів при вході та виході зубів фрези в заготовку може досягати 30 в порівнянні з інструментальними кутами. Розрахунки показали, що геометрія різальної частини зазнає найбільших змін при нарізанні зубчастих коліс в діапазоні 10-30 зубів на вершинній кромці в середньому до 20 на бічних до 10. Це пояснюється тим, що для цього діапазону чисел зубів колеса вектор лінійної швидкості суттєво змінює свій напрямок, таким чином, впливає остаточне положення вектора результуючої швидкості. Задні кути і передній кут на вершинній кромці зростають при збільшенні кількості зубів колеса, що нарізається. Передні кути на бічних кромках зменшуються при збільшенні кількості зубів колеса, що нарізається.

Фрези підвищеної точності та працездатності завдяки конструкції мають передній додатній інструментальний кут, що значно покращує геометрію вершинної різальної кромки в кінематичній системі координат. Також незначно росте задній кут вздовж бічної різальної кромки для точок, які знаходяться ближче до ніжки зуба фрези до 1,50, в порівнянні зі стандартною конволютною фрезою. Зміна кутів в залежності від кута повороту фрези навколо своєї осі та кількості чисел зубів колеса, що нарізається аналогічно стандартним фрезам тому, що вектор результуючої швидкості змінюється однаково, як для стандартних фрез так і для фрез нової конструкції. Розроблені фрези підвищеної точності та працездатності мають більш кращу геометрію різальної частини ніж у стандартних конволютних фрезах.

При проектуванні черв’ячних фрез модулем 3-6мм рекомендуються фрези з додатнім переднім кутом. Для чистових фрез модулем 3мм можна рекомендувати передні кути до 100, так як їх точність вища за стандарті конволютні фрези та наближається за точністю до стандартних архімедових. Для фрез під шевінгування та шліфування можна рекомендувати передні кути до 150, тому, що їхня точність не набагато нижче від стандартних конволютних фрез. Для чистових фрез модулем 6мм можна назначати передні кути до 50, так як їхня точність співпадає з точністю стандартних конволютних фрез, а працездатність підвищена за рахунок раціональної геометрії. При чому технологія виготовлення таких фрез не потребує застосування спеціальної криволінійної правки заточного та затилувального шліфувального круга, яка використовується для забезпечення необхідної точності стандартних конволютних фрез. Для фрез модулем більше 6мм можна рекомендувати фрези з вихідною інструментальною поверхнею, яка складається з двох прямолінійних замінючих їх ділянок розрахованих за критерієм мінімальної площі. Однак такі фрези більш складні при виготовленні тому при неможливості технологічно виготовити такі фрези рекомендується вихідну інструментальну поверхню розраховувати за критерієм мінімальної площі. Розглянуто уточнену теорію визначення завантаження різальної частини черв’ячних фрез.

У п’ятому розділі наведені результати лабораторно промислових випробовувань черв’ячних фрез підвищеної точності та працездатності на основі конволютного черв’яка. Лабораторні дослідження фрез нової конструкції проводились в порівнянні зі стандартними і включають лабораторні та промислові дослідження точності та працездатності (стійкості) нових конструкцій.

Для лабораторних досліджень були виготовлені стандартні черв’ячні фрези m=6, Zf=10, da=112мм. в відповідності до ГОСТ 9492-80 та фрези нової конструкції m=6, Zf=10, da=112мм γ=50.

Промислові випробування здійснювались при нарізанні зубчастих коліс під подальше шліфування, які проводилися на ВАТ «Мотор Січ» м. Запоріжжя. Випробування здійснювались на фрезах нової конструкції m=3мм da=80, Zf=10, з переднім кутом γ=50 в порівнянні з фрезою яка використовується на ВАТ «Мотор Січ» і має збільшений зовнішній діаметр 100мм на відміну від ГОСТ 9492-80 (для кл. А 80мм, кл. АА 112мм), також ця фреза має більшу кількість зубів 12 на відміну фрези нової конструкції 10. Ці фрези заточуються та затилуються конічною стороною круга без спеціальної криволінійної правки, що вносить додатково похибки в профіль стандартної фрези.

Лабораторні дослідження проводились при нарізанні коліс m=6, Zk=10. Матеріал заготовки – сталь 18ХГТ. Промислові випробування при нарізанні зубчастих коліс m=3, Zk=26, матеріал заготовки для випробувань – сталь 14ХГСН2М-Ш.

Аналіз точності зубчастих коліс, що нарізалися показав, що колеса m=6, які нарізалися фрезою нової конструкції, мають похибки коливання довжини загальної нормалі FvWr в 2 рази менші ніж ті, що нарізалися стандартною. Колеса m=3, що нарізалися фрезами нової конструкції мають похибку накопиченого кроку Fpr в 1,5-2 рази меншу ніж від стандартних фрез.

Похибка профілю ff коліс m=3, що нарізалися стандартною фрезою в 2-2,5 рази більша від похибки профілю коліс, що нарізалися фрезою нової конструкції .

За отриманими даними стійкість фрез нової конструкції виросла в порівнянні зі стандартними на 30%, що пояснюється більш раціональною геометрією різальної частини фрез нової конструкції на відміну від стандартних.

ВИСНОВКИ

  1. Вперше розроблена теорія формоутворення черв’ячних фрез в основу якої покладена просторова математична модель процесу.

  2. На основі теорії формоутворення розроблені нові способи проектування черв’ячних фрез підвищеної точності та працездатності:

    • підвищення точності проектування черв’ячних фрез за рахунок раціонального вибору кута утворюючого вихідного контуру за критерієм мінімальної площі;

    • підвищення точності проектування черв’ячних фрез за рахунок раціонального поділу твірного контуру прямолінійними ділянками.

    • підвищення точності черв’ячних фрез за рахунок створення черв’ячної фрези на базі конволютного черв’яка з раціональною геометрією.

  3. Вперше на основі розробленої просторової математичної моделі уточнена теорія визначення геометрії різальної та завантаження різальної частини черв’ячних зуборізних фрез, що дозволило створити нову конструкцію черв’ячної фрези з раціональним завантаженням різальної частини та запропонувати спосіб раціонального оброблення черв’ячними фрезами.

  4. Розроблена загальна методика та рекомендації, що до проектування черв’ячних фрез підвищеної точності та працездатності.

  5. Проаналізовано та розроблені нові способи підвищення технологічності виготовлення на основних операціях заточки та затилування черв’ячних фрез.

  6. Промисловими та лабораторними випробуваннями нових конструкцій черв’ячних фрез на основі конволютного черв’яка доведено: підвищення точності зубчастих коліс в 1,5 рази в порівнянні з зубчастими колесами, що нарізалися стандартними фрезами, підвищення працездатності на 25-30% в порівнянні з стандартними фрезами, доведено можливість зменшення витрат інструментального матеріалу з одночасним підвищенням точності та працездатності.

  7. Досягнуто зменшення витрат при виготовлені черв’ячних фрез нової конструкції за рахунок спрощення технології їх виготовлення.

Результати досліджень за темою роботи викладено в _1___монографії, ___16___статтях (в т.ч. _1__ у зарубіжних журналах), __16___ тези доповідей. Роботи автора процитовано в _7__ наукових журналах, загальний індекс цитування публікацій складає _2__(згідно баз даних Scopus), h-індек =0.14. Отримано _3_ патентів.

В порівнянні зі світовими результатами відомо наступне, що фірми виробники зуборізного інструменту «Gleason, Samputensili, Klingelberg, Barit» до відкритого друку матеріали з питань підвищення точності та працездатності зуборізних фрез не надають так як вони становлять комерційну таємницю, а представляють тільки кінцевий готовий продукт – черв’ячну фрезу, на замовлення в залежності від вимог конкретного споживача інструменту.

Результати роботи впроваджені:

  • на ПАТ «Мотор Січ», м. Запоріжжя.

  • на ВАТ «Львівський інструментальний завод».

  • в навчальний процес кафедри інтегровані технології машинобудування Механіко-машинобудівного інституту Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут".

Економічна ефективність

  • річний економічний ефект від впровадження фрез підвищеної точності і працездатності на ВАТ «Мотор Січ», м. Запоріжжя, на одному типономіналу цього інструменту склав 21,0 тис. грн.

  • річний економічний ефект від впровадження фрез підвищеної точності і працездатності на ВАТ «Львівський інструментальний завод», м. Львів , склав 75,0 тис. грн.


____________ О.А. Охріменко