CC BY
31
ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ОБРАБОТКИ
5^Г"Г пггтлп л ттттш .т
&1£.лАЛл1УО ГС.О/\ПГ1&М
УДК 621.91
В.Д. Артамонов, Ю.Н. Федоров (Тула, ТулГУ)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СООТНОШЕНИЯ СИЛЫ РЕЗАНИЯ И ПАРАМЕТРОВ СРЕЗАЕМЫХ СЛОЕВ ПРИ ЗУБОНАРЕЗАНИИ ПО МЕТОДУ ОБКАТА
Рассмотрены особенности схемы формообразования зубьев цилиндрических колес методом обката, подтверждено наличие линейной зависимости между величиной силы резания и площадями срезаемых слоев металла, что позволяет осуществить управление процессом зубонарезания резцовьши головками за счет реализации рациональной схемы формирования впадин путем выравнивания площадей срезаемых слоев.
Наряду с традиционными путями повышения эффективности зубо-обработки (повышение скорости резания, увеличение подачи, сокращение длины пути резания и др.) в последнее время все более актуальным становится направление, связанное с управлением различными параметрами процессов обработки и получаемых изделий. Это направление полностью согласуется с общей тенденцией в механообработке, в основе которой лежит применение станков с числовым программным управлением, которые оснащаются адаптивными системами, системами автоматического обеспечения точности обработки и т. д.
Управление процессом формообразования относительно простых поверхностей на токарных, фрезерных или многоцелевых станках с ЧПУ проработано достаточно хорошо и не вызывает серьезных затруднений, однако проблема управления такими сложными процессами, как формообразование эвольвентных профилей зубчатых колес методом обката, мало изучена и требует детального исследования.
Для объективной оценки эффективности при управлении процессом формообразования эвольвентных профилей методом обката могут быть использованы различные критерии, например, повышение производитель-
ности обработки для предварительного зубонарезания. Использование себестоимости обработки в качестве критерия оказывается в значительной степени субъективным, поскольку определяется экономическим состоянием конкретного предприятия.
При выборе принципа управления следует учитывать, что сложность формообразования эвольвентных поверхностей зубьев методом обката и отсутствие полноценных зубообрабатывающих станков с ЧПУ не позволяют применять современные адаптивные системы управления процессом обработки. В связи с этим целесообразно заранее выявлять оптимальные законы протекания процессов формирования зубчатых поверхностей по различным параметрам с последующей реализацией этих законов путем внесения соответствующих изменений в конструкции станков и инструментов.
Для процессов предварительного зубонарезания управление параметрами обработки заключается в реализации рациональной схемы формирования впадины. Известно, что при нарезании зубьев методом обката параметры срезаемых слоев металла (толщина, площадь) изменяются от максимальных значений в начале формообразования до нуля в момент полного врезания зубьев инструмента во впадину обрабатываемого колеса. Выравнивание параметров срезаемых слоев позволяет повысить производительность обработки и стабилизировать силовые характеристики процесса резания [1].
Непременным условием, определяющим возможность использования рациональной схемы резания, является последовательное формирование каждой впадины обрабатываемого зубчатого колеса. По этой причине, например, невозможно управлять процессами червячного зубофрезерова-ния и зубодолбления. С этой точки зрения несомненными преимуществами обладают процессы зубонарезания резцовыми головками большого диаметра по методу г-кратного обката.
Основой геометрической теории выравнивания процессов зубонарезания по методу обката является предположение о линейной зависимости силы резания Р от площади срезаемого слоя F [2]
Р = кР, (1)
где к - коэффициент резания, учитывающий свойства обрабатываемого материала.
Поскольку процессы зубообработки цилиндрических колес по методу обката отличаются значительными колебаниями геометрических параметров срезаемых слоев, возникает необходимость экспериментальной проверки влияния формы и размеров срезов на силу резания с целью подтверждения возможности и целесообразности применения соотношения (1) для силового выравнивания процессов предварительного зубонарезания. С этой целью был предложен метод дискретного формообразования впа-
дины зубчатого венца инструментом с одним режущим элементом в форме зуба производящей рейки.
Экспериментальные исследования были выполнены на специальной установке, позволяющей при зубообработке по методу обката дискретно осуществить единичные резы с фиксацией возникающей при этом силы резания. Установка, схема которой представлена на рис. 1, смонтирована на базе универсального горизонтально-фрезерного станка модели 6Р82Г. На столе станка установлена оптическая делительная головка 2. В шпинделе головки установлена оправка с закрепленной заготовкой 7. С помощью оптической делительной головки задавались углы поворота заготовки, а соответствующие им поперечные перемещения стола фиксировались с помощью нормализованного отсчётного оптического устройства 1.
Рис. 1. Схема установки для измерения составляющих сил резания
при зубообработке по методу обката
Для осуществления каждого единичного реза на фрезерной оправке смонтирован специальный механизм 5, который позволял диску 3 с закреплённым в нём резцом делать один оборот с последующей остановкой. Два индуктивных датчика 4 и 6 электронных измерительных систем модели 217 фиксировали отжимы фрезерной оправки в двух взаимно перпендикулярных направлениях, т.е. измеряли составляющие силы резания Рг и Ру. В момент включения однооборотного механизма включался и механизм протяжки ленты осциллографа Н115, который отключался после осуществления каждого единичного реза.
Подготовительная работа для проведения эксперимента заключалась в том, что заранее были рассчитаны углы поворота заготовки и соот-
ветствующие им линейные поперечные перемещения стола. При этом определялись площади единичных срезов.
Для определения параметров срезаемых слоев при зубообработке методом обката могут быть использованы как аналитические зависимости, так и графические программные средства ЭВМ. Развитие компьютерной техники в последние годы привело к появлению программных продуктов, например AutoCAD, с помощью которых можно с высокой точностью построить и определить параметры схемы вырезания впадины зубчатого колеса. Для построения самой схемы был использован принцип графической обкатки, с помощью которого была построена схема зубонарезания по методу обката и определены параметры срезаемых слоев графоаналитическим способом.
Геометрические параметры зубчатого колеса, инструмента и процесса формообразования впадины зубчатого венца были определены аналитически. С помощью графических примитивов, таких, как «Линия» (команда LINE), «Окружность» (команда CIRCLE), «Дуга» (команда ARC), были построены окружности колеса и исходный контур инструмента. Далее, используя команду «Поворот» ROTATE, контур был повернут на величину начального угла обката (рн относительно центра окружности и сдвинут параллельным переносом на величину радиуса кривизны ph Поворот и смещение контура были произведены многократно. При этом значение угла обката #>, каждый раз уменьшалось на величину элементарного угла поворота dtp цо тех пор, пока не была смоделирована полная схема вырезания впадины зубчатого колеса, а текущий угол обката (ру не достиг конечного значения <рк.
Для определения площади полученных при построении фигур использовалась команда «Площадь» (AREA). Толщина элементарных срезаемых слоев измерялась с помощью команды «DIST». Значение площади и толщины считывалось в командной строке AutoCAD. Точность измерений по умолчанию - четыре знака после запятой (0,0001 мм). Следовательно, схема резания, построенная средствами AutoCAD, является теоретически точной и пригодной для исследования, а значения параметров, определенные по данной схеме, имеют незначительные погрешности и отражают действительные характеристики процесса.
В качестве исходного объекта для исследования был принят процесс зубообработки по методу обката цилиндрического зубчатого колеса с модулем т = 2,5мм, числом зубьев z - 18 и шириной зубчатого венца b = 12 мм дисковой резцовой головкой. Число резов соответствовало числу режущих лезвий инструмента z0 = 30.
Значения площадей срезаемых слоев, определенные графоаналитическим методом, представлены в таблице.
По расчетным данным был построен график зависимости площадей срезаемых слоев от текущего угла обката F = /(фн - ф|)-
Во время эксперимента по определению составляющих силы резания производилась обработка зубчатых колёс т = 2,5 мм; г = 18 из бронзы Бр.ОЦС 5-5-5 при числе резов на каждую впадину, равном 30. Диск диаметром О = 250 мм был оснащен резцом из быстрорежущей стали Р6М5, угол профиля которого а = 20°, передний угол у = 0°. Обработка осуществлялась со скоростью резания V ='25 м/мин. Результаты эксперимента показали некоторое увеличение силы резания (упругих деформаций технологической системы) в первоначальный момент врезания зуба производящей рейки во впадину обрабатываемого зубчатого колеса и дальнейшее постепенное уменьшение силы резания в процессе дальнейшего формообразования впадины, что полностью согласуется с закономерностью изменения площадей срезаемых слоев при зубонарезании по методу обката.
Значение площадей срезаемых слоев при зубонарезании методом обката
№ реза 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Фі, град 40,223 38,106 35,989 33,872 31,755 29,638 27,521 25,434 23,287 21,17
Фн- Фь град 2,117 4,234 6,351 8,468 10,585 12,702 14,819 16,936 19,053 21,17
мм2 0,3772 1,0575 1,4228 1,515 1,5626 1,5744 1,5567 1,5148 1,4525 1,373
Р*Н 450 1280 2030 2430_| 2400 2390 2340 2210 2100 1950
№ реза 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
фі, град 19,053 16,936 14,819 12,702 10,585 8,468 6,351 4,234 2,117 0
Фн- фі, град 23,287 25,434 27,521 29,638 31,755 33,872 35,989 38,106 40,223 42,34
Ъ, мм2 1,2792 1,1781 1,0759 0,9736 0,8712 0,7688 0,6666 0,5646 0,4632 0,3651
РгьН 1800 1650 1530 1380 1280 1200 1050 830 680 530
№ реза 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Фі, град -2,117 -4,234 -6,351 -8,468 -10,585 -12,702 -14,819 -16,936 -19,053 -21,17
Фн- Фі, град 44,457 46,574 48,691 50,808 52,925 55,042 57,159 59,276 61,393 63,51
ь мм 0,2898 0,2591 0,2283 0,1986 0,1669 0,1362 0,1054 0,0747 0,044 0
РгьН 410 360 330 300 260 230 180 110 60 0
Для обеспечения высокого уровня надёжности (доверительной вероятности) число наблюдений в каждом опыте принималось равным десяти, и значение силы резания определялось как среднее арифметическое из всех зафиксированных результатов. После расшифровки полученных осциллограмм были определены значения главной составляющей силы резания Рг для каждого из элементарных резов (см. таблицу).
На основании данных эксперимента были построены совмещенные графики зависимости площадей срезаемых слоев и силы резания от угла обката заготовки. Для этого на графике F =/(фн - (р^ в соответствующем масштабе (1500Н : 1) были нанесены значения главной составляющей силы резания Рг. Один из таких комбинированных графиков представлен на рис. 2 (сплошной линией показан график изменения силы резания, построенный по экспериментальным данным, а пунктирной - график изменения площадей срезаемых слоев, рассчитанных графоаналитическим способом).
Сравнивания совмещённые кривые F = / (<ри - срд и Рг =f (<рн - <р^), можно убедиться в их полной идентичности. Таким образом, результаты экспериментального исследования подтвердили наличие линейной зависимости (1) силы резания от площадей срезаемых слоёв и справедливость геометрической теории выравнивания процессов зубонарезания.
Н, кв.мм
Рис. 2. Совмещенный график изменения площадей срезаемых слоев
и силы резания
Таким образом, с учетом изложенных особенностей схемы формообразования зубчатых профилей методом обката появляется возможность
осуществить моделирование процесса зубонарезания цилиндрических колес резцовыми головками большого диаметра и управление процессом зубонарезания за счет реализации рациональной схемы формирования впадины путем выравнивания площадей срезаемых слоев.
Библиографический список
1. Артамонов В.Д. Основные направления совершенствования процессов зубонарезания цилиндрических колес / В.Д. Артамонов // Изв. ТулГУ. Сер. Машиностроение. - 2000. - Вып. 5. - С. 7 - 15.
2. Коганов И.А. Прогрессивные методы изготовления цилиндрических зубчатых колес / И.А. Коганов, Е.Н. Валиков, Ю.Н. Федоров. - М.: Машиностроение, 1981. -136 с.
Получено 23.04.08
УДК 621.75
A.A. Маликов, A.B. Сидоркин (Тула, ТулГУ)
НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА ЗАГОТОВОК ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОЛЕС С КРУГОВЫМИ ЗУБЬЯМИ
Рассмотрены основные аспекты производства заготовок зубчатых колес методом накатывания, предложены варианты использования данного метода в серийном и массовом производстве цилиндрических колес с круговыми зубьями.
Статья написана в результате исследования, проведенного при финансовой поддержке гранта РФФИ № 08-08-99006 «Современная концепция создания технологических основ эффективного зубонарезания цилиндрических зубчатых колес».
Одним из перспективных направлений развития технологии машиностроения является использование заготовок, максимально приближенных по форме и размерам к готовой детали. Для заготовок зубчатых колес обычно используют заготовки номинально цилиндрической формы с необходимыми штамповочными или литейными уклонами. Попытки применения заготовок с предварительно оформленными зубьями широкого распространения не получили в основном из-за проблем, возникающих с чистовой зубообработкой. Высокопроизводительные процессы отделочной обработки зубьев обычно улучшают точность зубчатого венца на 1 - 2 степени, причем это относится к интервалу 10-8 степеней. Формообразование венцов в горячем состоянии заготовки позволяет получать точность на уровне 10-12 степеней, что требует применения получистового зубофре-зерования или долбления, а это увеличивает трудоемкость и себестоимость
