Разработка сборных дисковых фрез с кинематическим обкаточным движением для обработки зубчатых колес крупного модуля на станках с ЧПУ

Во многих отраслях промышленности, таких как тяжелое, транспортное и энергетическое машиностроение, судостроение, производство горно-шахтного, обогатительного и подъемно-транспортного оборудования при изготовлении узлов привода широко применяются крупномодульные зубчатые колеса. С учетом специфических масштабов производства в этих отраслях крупномодульные зубчатые колеса производятся в единичных экземплярах или мелкими сериями. В связи с этим их изготовление происходит с применением металлобрабатывающего оборудования с ручным управлением, что обусловливает большое количество переходов при токарной обработке и на операциях зубофрезерования. Наибольшую трудоемкость в производстве таких колес занимают операции зубофрезерования. Эта группа операций выполняется на таких изделиях не менее чем в два перехода, в зависимости от степени точности изделия.

На первом этапе осуществляется черновое зубофрезерование, где удаляется из впадины зубьев до 70−80% материала. На втором этапе формируется окончательный профиль с заданной степенью точности. Второй этап является наиболее ответственным в производстве зубчатых венцов, от качества его выполнения зависит и качество изделия в целом.

Сложившаяся практика чистовой обработки крупномодульных зубчатых колес в подавляющем большинстве случаев предполагает использование зуборезного инструмента с режущей частью из быстрорежущей стали, работающего методом копирования (затылованными дисковыми или пальцевыми фрезами с фасонным профилем) или методом обката (червячными модульными фрезами). При использовании традиционных тяжелых зубофрезерных станков с ручным управлением наилучшие результаты в части точности и производительности обработки достигаются методом обката при зубофрезероваиии червячными фрезами. Применение метода копирования на таких станках для чистовой обработки данных деталей ограничено невысокой точностью делительных механизмов станков.

Геометрические параметры (передние и задние углы) для зуборезного инструмента, например червячных, дисковых или пальцевых фрез, как правило, назначаются из расчета минимальных искажений профиля инструмента при переточках, а не исходя из свойств обрабатываемого и инструментального материалов, что характерно для большинства других видов металлорежущего инструмента. Поэтому традиционные виды зуборезного инструмента обладают несовершенной геометрией, что существенно ограничивает их стойкость. Кроме того, при использовании дискового инструмента на оборудовании с ручным управлением, погрешности расположения режущих кромок не могут быть компенсированы за счет корректировки кинематики станка. Все это не позволяет использовать в технологических процессах современные высокоэффективные методы обработки и обеспечить степень точности обрабатываемых зубчатых колес ниже 8 степени точности по ГОСТ 1643–81.

Современной тенденцией развития металлообработки в мировой практике является повышение доли механообрабатывающего оборудования, оснащенного системами ЧПУ. Это позволяет создавать технологические процессы с высокой концентрацией операций на одной позиции. Внедрение многокоординатных многоцелевых станков с ЧПУ вызвало волну разработок новых схем формообразования фасонных поверхностей методом обката и, как следствие, новых видов режущих инструментов, оснащенных современными инструментальными материалами.

Обработка деталей в многоинструментальных наладках современного оборудования, в сочетании с другими видами обработки резанием, позволяет получать более высокую точность изделия, обладает большими технологическими возможностями и высокой производительностью. Традиционные фасонные инструменты, используемые для окончательного формообразования эвольвентной поверхности зубьев, требуют специальных схем расчета профиля.

В последние годы все больший интерес у разработчиков таких технологий вызывает использование различных типов фрезерного инструмента. Новым направлением при чистовой обработке эвольвентных поверхностей зубьев колес является, на наш взгляд, использование дисковых сборных твердосплавных фрез. Однако научно обоснованные рекомендации по обработке эвольвентных зубьев такими инструментами на станках с ЧПУ в современной технической литературе практически отсутствуют.

Поиск и исследование новых способов формообразования эвольвентных зубьев, а также видов инструмента, не требующих специальных методов профилирования, более производительных, обеспечивающих более высокую точность эвольвентного профиля является актуальной задачей.

Цель работы. Повышение точности обработки зубчатых колес крупного модуля за счет разработки процесса чистового зубофрезерования сборными дисковыми твердосплавными фрезами на станках с ЧПУ методом обката.

Научная новизна состоит в:

— установлении совокупности закономерностей и научно-обоснованных решений, которые обеспечивают осуществление процесса чистового зубонарезания эвольвентных колес дисковым инструментом с прямолинейными режущими кромками на станках с ЧПУ;

— выявлении закономерностей формообразования при нарезании зубчатых колес новым методом дисковыми фрезами на станках с ЧПУ;

— разработке модели управления величиной погрешности эвольвентного профиля зубчатого колеса при обработке методом дискретного обката для получения заданной точности колеса;

— установлении взаимосвязей параметров модели в пределах выполнения сборными дисковыми фрезами двух функций: по формированию на заготовке требуемой формы профиля и послойного срезания с нее припуска;

— определении взаимосвязей между параметрами инструмента и заготовки и создании конструктивной схемы универсального инструмента, обеспечивающего зубофрезерование колес с различными модулями;

— обосновании возможности применения сборных твердосплавных дисковых фрез при нарезании зубьев крупномодульных колес по методу обката и экспериментальном подтверждении обеспечения точности формообразования эвольвентного профиля в соответствии с техническими требованиями.

Практическая ценность работы состоит в:

— разработке конструкции сборной твердосплавной фрезы с прямолинейными режущими кромками для чистовой обработки зубчатых колес;

— разработке схем обработки эвольвентной поверхности колес;

— разработке алгоритмов и программ математического синтеза объектов — проектирования в трехмерном пространстве, моделировании работы спроектированного инструмента, формировании управляющих программ изготовления крупномодульных зубчатых колес;

— рекомендациях по назначению режимов резания при обработке зубчатых колес дисковыми фрезами методом обката.

Методы исследования. Теоретические исследования основывались на математическом анализе, аналитической и дифференциальной геометриях, основных положениях теории зубчатых 6 зацеплений, теории резания с использованием методов математического и компьютерного моделирования и современных графических программ на ЭВМ. Экспериментальные исследования проводились в производственных условиях с использованием измерительных средств, в том числе профилографа-профилометра и координатно-измерительной машины Klingelnberg Р26.

Реализация работы. Результаты исследований, изложенные в диссертационной работе использованы при разработке инновационного процесса зубообработки на Московском опытном инструментальном заводе (МОИЗ) применительно к производству крупномодульных зубчатых колес на специальном исследовательском комплексе на базе прецизионного пятикоординатного обрабатывающего центра W-528-Sпри разработке эскизного проекта опытного образца обрабатывающего центра для комплексной механической обработки крупномодульных зубчатых колес на ОАО НИПТИ «МИКРОН" — при изготовлении экспериментального образца зубчатой шестерни на станке ZFWZ 12 CNC «MODUL» сборной дисковой твердосплавной фрезой на ОАО «Электростальский завод тяжелого машиностроения" — в ходе выполнения работ по государственному контракту от 13.09.2010 г. № 14.740.11.0148 на тему «Проведение коллективом научно-образовательного центра «Перспективные технологии, инструмент и оборудование для оборонных и гражданских отраслей машиностроения» работ по созданию инновационных конструкций твердосплавного фрезерного инструмента для многоцелевых станков автоматизированных машиностроительных производств», заключенного с Минобрнауки РФ в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 годы.

Апробация работы. Основные положения и наиболее важные разделы диссертационной работы докладывались на международном научном симпозиуме «Автотракторостроение 2009" — на международном 7.

Форуме «Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и механизмов» (2009г.) — на международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы и современные технологии в машиностроении» (2010г.) — на III научно-образовательной конференции «Машиностроение — традиции и инновации» (2010г.) — на международной научно-технической конференции «Автомобилеи тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», МАМИ (2010г.) — на «Национальной научно-технологической конференции», МГТУ им. Н. Э. Баумана (2011г.) — на IV Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России», 2011 г. (награждена дипломом за лучшую научную работу по направлению «Машиностроительные технологии») — обсуждалась на заседаниях кафедры «Инструментальная техника и технология формообразования» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 3 в изданиях, входящих в перечень ВАК, а также заявка на изобретение.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. В работе решены имеющие важное значение для машиностроительных производств научно-технические задачи, по повышению точности обработки зубчатых колес крупного модуля за счет разработки сборных дисковых фрез для чистового зубофрезерования на станках с ЧПУ методом обката.

2. Анализ схем формообразования эвольвентного профиля и инструментов для их реализации показал, что сегодня в недостаточной степени используются для такого вида обработки современные станки с ЧПУ. Известные решения не позволяют в полной мере использовать возможности этого высокопроизводительного оборудования из-за сравнительно невысокой эффективности традиционного зуборезного инструмента и низких режимов обработки, связанных со сложностью конструктивного и технологического исполнения специального инструмента с использованием твердого сплава взамен быстрорежущей стали.

3. Разработан способ обработки крупномодульных колес методом обката сборным дисковым твердосплавным инструментом в условиях отсутствия жесткой кинематической связи между вращением фрезы и заготовки, что позволяет вести обработку с рациональными для твердого сплава скоростями резания.

4. Разработан аналитический аппарат геометрической модели формирования рабочей поверхности зуба колеса, применительно к станкам с ЧПУ с возможным решением определения профиля зуба в различных сочетаниях рабочих движений.

5. Теоретически обоснована и экспериментально доказана возможность формообразования эвольвентного профиля сборным твердосплавным дисковым инструментом на станке с ЧПУ методом обката, что обеспечивает повышение точности обработки зубчатых колес. Изменение подачи с 0,8 мм/зуб до 0,04 мм/зуб позволяет повысить точность колеса с 8 до 6 степени по ГОСТ 1643, что на две степени точнее ныне достигаемых в машиностроении показателей.

6. Разработана модель процесса зубонарезания и установлены закономерные взаимосвязи между параметрами обрабатываемого колеса, дискретностью вращения рабочего стола станка, определяющие величину погрешности эвольвентного профиля детали. С использованием разработанной модели стало возможным управлять величиной погрешности профиля для получения заданной точности колеса.

7. Использование разработанной модели позволило установить, что с увеличением модуля зубчатого колеса от 10 до 70 мм, величина огранки увеличивается от 0,001 до 0,007 мм. Изменение угла поворота заготовки при дискретном формообразовании от 1 до 3° для модуля 25 мм увеличивает величину огранки от 0,003 до 0,025 мм, для модуля 50 мм — от 0,006 до 0,05 мм.

8. Экспериментально установлено, что с изменением подачи с 0,8 мм/зуб до 0,04 мм/зуб уменьшается погрешность профиля с 31,8 мкм до 15,3 мкм, суммарная погрешность контактной линии с 34,5 мкм до 18,6 мкм, отклонение шага с 22,1 мкм до 8,3 мкм. Изменение подачи на накопленную погрешность шага не оказывает влияния.

9. Разработана конструктивная схема дискового сборного инструмента и создана конструкция фрезы, оснащенная сменными твердосплавными пластинами, обеспечивающая зубофрезерование колес с различными модулями. Спроектированный инструмент был использован при разработке комплексного инновационного процесса обработки зубчатых колес на Московском опытном инструментальном заводе (МОИЗ) и внедрен в производство крупномодульных колес на многоцелевом пятикоординатном обрабатывающем центре. В Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам на экспертизе находится заявка на изобретение № 2 011 115 838 от 22.04.2011 г. «Способ обработки боковых сторон профиля цилиндрических зубчатых эвольвентных колес». Негинский Е. А., Ott О.С., Артюхин Л.Л.