Выбор технологических параметров процесса обработки зубьев конических колес с учетом погрешностей станка тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Романчук, Фёдор Михайлович

• Романчук, Фёдор Михайлович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Романчук, Фёдор Михайлович

Глава 1. Состояние вопроса. Обзор литературы. Постановка задачи.

1.1. Описание процесса измерения боковых поверхностей зубьев спирально-конических передач на координатных измерительных машинах (КИМ).

1.1.1. Принцип работы КИМ.

1.1.2. Типы КИМ.

1.1.3. Компоновка и конструкции базовой части КИМ.

1.1.4. Описание КИМ "GLOBAL".

1.1.5. Измерение боковой поверхности зуба конического спирального колеса с помощью КИМ.

1.2. Компьютерное получение теоретических боковых поверхностей зубьев, обеспечивающих заданные характеристики зацепление.

1.2.1. Описание процесса изготовления.

1.2.2. Универсальные наладки.

1.2.3. ПК «Эксперт».

1.3. Обзор литературы. Состояние вопроса.

1.4. Постановка задачи.

Глава 2. Математическая модель табличного представления боковой поверхности зуба на координатной измерительной машине.

2.1. Математическая модель процесса формообразования боковой поверхности зуба конического колеса с круговыми зубьями.

2.1.1. Выбор систем отсчета.

2.1.2. Параметрическое уравнение производящей поверхности в системе отсчета, связанной с инструментом.

2.1.3. Параметрическое уравнение производящей поверхности в системе отсчета, связанной с вращающейся заготовкой.

2.1.4. Поверхность зуба как огибающая семейства производящих поверхностей.

2.2. Табличное представление боковой поверхности зуба.

2.2.1. Построение боковой поверхности кругового зуба конического колеса на выбранной сетке.

2.2.2. Построение боковой поверхности кругового зуба конического колеса в точках измерения КИМ.

2.3 Расчет поля отклонений.

2.4. Представление поля отклонений в виде полинома.

2.4.1. Выбор систем координат для описания поля отклонений

2.4.2. Расчет коэффициентов полинома.

2.5. Влияние наладок на форму боковой поверхности зуба.

2.5.1. Влияние радиальной установки на боковую поверхность зуба.

2.5.2. Влияние осевого смещения заготовки на боковую поверхности зуба.

2.5.3. Влияние гипоидного смещения заготовки на боковую поверхность зуба.

2.5.4. Влияние передаточного отношения цепи обката на боковую поверхность зуба.

2.5.5. Влияние образующего радиуса инструмента на боковую поверхность зуба.

2.5.6. Влияние коэффициента модификации обката на боковую поверхность зуба.

2.6. Выводы из главы 2.

Глава 3. Воспроизведение заданной поверхности зуба спирально-конического колеса на идеальном зубообрабатывающем станке.

3.1 Алгоритм подбора наладок идеального станка для воспроизведения теоретической поверхности с помощью представления поля отклонений полиномом второй степени (методика 1).

3.1.1. Базовые коррекции и матрица коэффициентов.

3.1.2. Алгоритм подбора значений наладок идеального станка для воспроизведения на нем эталонной поверхности.

3.2. Подбор наладок идеального станка для воспроизведения измеренной поверхности.

3.3. Алгоритм, основанный на минимизации среднеквадратичного отклонения полученной поверхности от измеренной (методика 2).

3.3.1. Определение параметров процесса обработки зубьев на идеальном станке, обеспечивающих получение поверхности близкой к эталонной поверхности.

3.3.2. Построение наборов значений параметров обработки зубьев, приводящих к близким друг к другу боковым поверхностям.

3.4. Примеры расчета коррекций наладок идеального станка для воспроизведения теоретической поверхности.

3.5. Примеры расчета коррекций наладок идеального станка для воспроизведения измеренной эталонной поверхности

3.6. Выбор оптимального набора наладок для воспроизведения заданной поверхности на идеальном станке.

3.7. Выводы из главы 3.

Глава 4. Экспериментальная проверка выполненной работы и внедрение ее в промышленность.

4.1. Определение допуска на максимальное отклонение между поверхностями.

4.1.1. Анализ поверхностей, полученных при изменении радиальной установки инструмента.

4.1.2. Анализ поверхностей, полученных при изменении осевого смещения заготовки.

4.1.3. Анализ поверхностей, полученных при изменении гипоидного смещения заготовки.

4.1.4. Анализ поверхностей, полученных при изменении передаточного отношения цепи обката.

4.1.5. Анализ поверхностей, полученных при изменении образующего радиуса инструмента.

4.2 Примеры анализа поверхностей, полученных при воспроизведении заданной поверхности за счет различных наборов наладок.

4.2.1. Анализ поверхностей, полученных при воспроизведении теоретической поверхности.

4.2.2. Анализ поверхностей, полученных при воспроизведении измеренной на КИМ эталонной поверхности передачи

4.2.3. Анализ поверхностей, полученных при воспроизведении измеренных на КИМ эталонных поверхностей передачи 2.

4.3. Построение твердотельной модели эталонного колеса.

4.3.1. Определение формы поверхности зубчатого венца для построения твердотельной модели колеса.

4.3.2. Уравнение производящей поверхности в системе заготовки.

4.3.3. Представление поверхности зуба в табличном виде.

4.3.4. Построение части поверхности зуба, являющейся огибающей семейства производящих поверхностей.

4.3.5. Окончательное представление данных для построения твердотельной модели.

4.3.6. Создание твердотельной модели зубчатого колеса в

T-Flex CAD.

4.4. Алгоритм воспроизведения на реальном станке требуемой боковой поверхности кругового зуба по результатам ее измерения на КИМ.

4.5. Экспериментальная проверка.

4.5.1. Экспертиза наладок, полученных на ОАО «Красный Октябрь» для изготовления передачи 2.

4.5.2. Экспертиза наладок для нарезания передачи 1.

4.5.3. Экспертиза наладок для шлифования передачи 2.

4.6 Выводы из главы 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Выбор технологических параметров процесса обработки зубьев конических колес с учетом погрешностей станка»

Актуальность проблемы

Конические передачи с круговыми зубьями находят широкое применение в различных областях техники для передачи вращения между валами с пересекающимися осями. Достоинствами этих передач является возможность работы при больших окружных скоростях, повышенная нагрузочная способность и более высокий коэффициент полезного действия, по сравнению с прямозубыми передачами.

Характеристики зацепления, такие как прочность, долговечность и уровень вибраций, сильно зависят от формы боковых поверхностей зубьев. Погрешности формы, исчисляемые сотыми долями миллиметра, оказывают существенное влияние на характеристики зацепления.

В случае абсолютно точно изготовленного инструмента и идеального зубообрабатывающего станка, обеспечивающего абсолютно точно требуемое движение инструмента относительно заготовки в процессе обработки, форма боковых поверхностей зубьев определяется наладками - параметрами процесса зубообработки. Имеется большое количество работ, посвященных расчету значений этих параметров. Однако каждый реальный станок обладает своими уникальными погрешностями, которые могут изменяться в процессе эксплуатации. Более того, не всегда удается на одном и том же станке воспроизвести прежнюю форму поверхности и, следовательно, прежние характеристики зацепления после переналадки и возврата к прежним наладкам.

Традиционным методом испытания зубчатых пар является обкатка на контрольно-обкатном станке (КОС), не дающий информации о форме полученных боковых поверхностей зубьев. Такой способ испытаний приводит к тому, что к точности обработки колеса, имеющего большее число зубьев, не предъявлялось высоких требований. Заданное местоположение и форма пятна контакта достигается варьированием параметров процесса обработки компонента пары с меньшим числом зубьев (шестерни). Однако информация, получаемая с помощью КОС, не гарантирует удовлетворительного качества передачи в условиях эксплуатации, а боковые поверхности зубьев различных экземпляров колес могут значительно отличаться друг от друга, т.е. не обеспечивать взаимозаменяемости компонентов пары.

В настоящее время все более широкое применение находит более совершенная методика тестирования зубчатых колес, основанная на использовании координатных измерительных машин (КИМ), путем сравнения формы поверхности, полученной в результате обработки, с эталонной поверхностью. При этом эталонная поверхность может быть получена либо теоретически, либо путем измерения поверхностей реально существующей передачи, удовлетворительно зарекомендовавшей себя в эксплуатации.

Использование КИМ создает предпосылки для решения задачи о подборе наладок конкретного станка для воспроизведения на нем эталонной поверхности с требуемой точностью. Точность воспроизведения определяется допустимым разбросом эксплуатационных характеристик, таких как пятно контакта и максимальная неравномерность при передаче вращения.

Настоящая работа посвящена решению актуальной для современного производства проблемы уменьшения разброса эксплуатационных характеристик экземпляров зубчатой передачи и проблемы взаимозаменяемости ее компонентов.

Цель работы состоит в повышении точности обработки и сокращении сроков на подготовку производства спиральных конических зубчатых передач с заданной формой боковых поверхностей зубьев за счет создания программного обеспечения по расчету наладок для компенсации погрешностей используемого зубообрабатывающего оборудования.

Методы исследования основаны на математическом анализе, дифференциальной геометрии, законах теоретической механики, теории огибающих, технологии машиностроения, теории зубчатых зацеплений, теории оптимизации, численных методах, в том числе методе наименьших квадратов.

Научная новизна работы заключается в:

1) критерии близости требуемой и полученной поверхностей, в виде среднеквадратичного отклонения в направлении окружных скоростей точек поверхности зуба при вращении колеса;

2) установлении характера влияния каждого из наладочных параметров станка на форму боковой поверхности зуба;

3) выявлении на боковой поверхности зуба стационарной линии, по расположению которой можно судить о направлении смещения пятна контакта и характере изменения поверхности.

Практическая ценность работы заключается в создании программно-методического обеспечения, которое (в совокупности с координатно-измерительной машиной и зубообрабатывающим оборудованием) позволит:

1) по измеренной на координатно-измерительной машине поверхности зубьев эталонного колеса определить наладки идеального станка (не обладающего погрешностями), необходимые для воспроизведения поверхности;

2) создать модель эталонного конического зубчатого колеса с круговыми зубьями, совместимую с программным обеспечением координатно-измерительной машины;

3) автоматизировать процесс коррекции наладок для каждого конкретного станка путем минимизации отклонений обработанной поверхности зуба от эталонной;

4) обеспечить возможность совместной работы любых экземпляров однотипных компонентов зубчатой передачи.

Определены допуски на отклонения обработанной поверхности от требуемой. Обоснован выбор номенклатуры наладочных параметров для воспроизведения требуемой боковой поверхности кругового зуба с целью компенсации погрешностей зубообрабатывающего оборудования, удовлетворяющего критерию близости и учитывающего особенности производства.

Реализация работы

Результаты работы приняты к использованию при производстве спиральных конических передач на ОАО «Красный Октябрь» (г. Санкт-Петербург).

Результаты работы используются в учебном процессе МГТУ «СТАН-КИН» на кафедре теоретической механики при выполнении бакалаврских и инженерных дипломных работ, а также магистерских диссертаций.

Апробация работы

Основные положения и наиболее важные разделы диссертационной работы докладывались на V международном конгрессе «Конструкторско-технологическая информатика-2005»; на 4-й международной конференции «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM - 2004)»; на IX-ой научной конференции МГТУ "Станкин" и "Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ "Станкин" - ИММ РАН"; на международном научно-техническом семинаре «Конкурентоспособность машиностроительной продукции и производств», на XVII международной интернет-конференции молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ объемом 2.2 печатных листа, в том числе 2 работы в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и 8 приложений. Работа изложена на 210 страницах машинописного текста, содержит 150 рисунков, 57 таблиц. Список литературы включает 72 наименования. Общий объем работы составляет 232 страниц.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Романчук, Фёдор Михайлович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Созданное программное обеспечение для расчета наладок для компенсации погрешностей зубообрабатывающего оборудования позволяет повысить точность обработки, а также сократить сроки подготовки производства спиральных конических зубчатых передач с заданной формой боковых поверхностей зубьев за счет уменьшения числа пробных нарезаний.

2. Разработанный алгоритм расчета поля отклонений в направлении окружных скоростей точек на боковой поверхности зуба при вращении колеса позволяет использовать координаты точек боковой поверхности зуба независимо от способа измерения.

3. На основании исследования влияния наладочных параметров зубообрабатывающего станка на боковую поверхность зуба установлена связь между формой боковой поверхности зуба и шестью наладочными параметрами: радиальной установкой инструмента; осевым смещением заготовки; гипоидным смещением заготовки; передаточным отношением цепи обката; образующим радиусом инструмента; коэффициентом модификации обкатки.

Показано, что для устранения линейной составляющей рассогласования измеренной и требуемой поверхностей достаточна коррекция радиальной установки инструмента и осевого смещения заготовки. Для устранения нелинейной составляющей необходима коррекция передаточного отношения цепи обката, гипоидного смещения заготовки или модификации движения обкатки.

4. Установленные закономерности влияния каждого наладочного параметра станка на боковую поверхность зуба позволили выявить наличие на поверхности стационарной линии, по расположению которой можно судить о направлении смещения пятна контакта. Пятно контакта при изменении значения любой из наладок смещается в направлении нормали к стационарной линии в средней точке.

5. Разработанные алгоритмы расчета наладок идеального станка для воспроизведения требуемой боковой поверхности кругового зуба конического колеса при совместном использовании позволяют повысить надежность получаемых результатов.

Первый алгоритм основан на описании поля отклонений между двумя поверхностями полиномом второй степени и использовании матрицы влияния наладок на коэффициенты полинома. Второй алгоритм основан на описании боковой поверхности зуба функцией, зависящей от наладок идеального станка. Для подбора коррекций наладок в каждом из алгоритмов решается задача минимизации отклонений методом наименьших квадратов.

Значения всех наладочных параметров, полученные по двум алгоритмам, практически совпадают.

6. Определены допуски на отклонения обработанной поверхности от требуемой, зависящие от размеров передачи и обеспечивающие нормы контакта зубьев в зацеплении. Если боковые поверхности зубьев колес удовлетворяют критерию близости, то такие зубчатые колеса являются взаимозаменяемыми.

7. Проведенное исследование возможности воспроизведения требуемых боковых поверхностей зубьев за счет варьирования различных наборов наладок позволило установить:

1) для воспроизведения боковой поверхности зуба на зубошлифоваль-ном станке рекомендуется набор из пяти наладок: радиальная установка инструмента, осевое смещение заготовки, гипоидное смещение заготовки, передаточное отношение цепи обката, образующий радиус инструмента. Так же можно использовать комбинации из любых четырех перечисленных наладок;

2) для воспроизведения боковой поверхности зуба на зубофрезерном станке рекомендуется набор из четырех наладок: радиальная установка инструмента, осевое смещение заготовки, гипоидное смещение заготовки, передаточное отношение цепи обката.

8. Для контроля зубчатых колес, в случае отсутствия эталонного зубчатого колеса, разработано программное обеспечение для построения математической модели эталонного зубчатого колеса, которая совместима с программным обеспечением координатно-измерительной машины.

9. Экспериментальная проверка, проведенная на ОАО «Красный Октябрь» (г. Санкт-Петербург), показала возможность использования разработанного программно-методического обеспечения для подготовки производства конических зубчатых передач с круговыми зубьями в промышленности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Романчук, Фёдор Михайлович, 2007 год

1. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. М.: Наука, 1986, 544 с.

2. Верховский А.В. Геометрическое моделирование при анализе и синтезе червячных передач общего типа. Дисс. докт. техн. наук. Москва, 2000.

3. Вильдгабер Э. Основы зацепления конических и гипоидных передач. Машгиз, 1948.

4. Волков А.Э., Шевелева Г.И. Компьютерный анализ работы конических и гипоидных зубчатых передач // Проблемы машиностроения и надежности машин, 2001, № 5, с.96-103.

5. Волков А.Э. Повышение эффективности моделирования процессов формообразования и анализ работы конических и гипоидных зубчатых передач на стадии подготовки производства: Дисс. докт. техн. наук. М.: 2001.

6. Волков А.Э., Романчук Ф.М. Подбор коррекций наладок идеального станка для воспроизведения эталонной поверхности. // Проблемы машиностроения и надежности машин. № 5. 2005. 49-55 стр.

7. Epuxoe М.Л. К вопросу о синтезе зацеплений с точечным касанием. В сб. "Теория передач в машинах". М.: Машиностроение, 1966.

8. Кедринскш В.Н., Писманик КМ. Станки для обработки конических зубчатых колес. М.: Машиностроение, 1967. 584 с.

9. Колесников В.Н., Котликова В.Я. О технологическом синтезе пространственных зубчатых передач с локализованным контактом // Проблемы машиностроения и надежности машин, 1993, № 1, с. 86-91.

10. ИЛитвин Ф.Л. Теория зубчатых зацеплений. -М.: Наука, 1968.

11. Медведев В.И., Шевелева Г.И. Синтез конических зубчатых передач на основе теории квазилинейного контакта // Проблемы машиностроения и надежности машин, 1996, № 2, с. 25-32.

12. Медведев В.И. Синтез полуобкатных конических и гипоидных передач // Труды Международной конференции по ТММ "Теория и практика зубчатых передач", Ижевск, 1998, с.251-256.

13. Медведев В.И. О возможности получения близких поверхностей круговых зубьев конических колес при различных параметрах процесса зубообработки // Проблемы машиностроения и надежности машин, 2005

14. Медведев В.И, Шевелева Г.И. Синтез спирально-конических зубчатых передач по условиям контактной прочности зубьев // Проблемы машиностроения и надежности машин, 2002, № 4.

15. Нестеров А.В. К вопросу измерения и контроля тел вращения на координатно-измерительных станках с ЧПУ// Исследования станков и инструментов для обработки сложных и точных поверхностей: Межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2003. - С.164-168.

16. Нестеров А.В. К вопросу автоматизированного измерения и контроля конических колес с криволинейными зубьями // Прогрессивные направления развития технологии машиностроения: Сб. научных трудов -Саратов: СГТУ, 2004. С. 147-151.

17. Нестеров А.В., Погораздов В.В. Численная коррекция параметров процесса формообразования круговых зубьев конического колеса при помощи координатно-измерительной машины //

18. Ъв.Палагута В.А. «Аппроксимация дискретно заданных поверхностей деталей машин поверхностями второго порядка». // Техника машиностроения 2002. №4.

19. Погораздов В.В., Шейко Л.И. Моделирование на ЭЦВМ зацепления круговых зубьев конических и гипоидных передач с учетом упругих деформаций в несущих системах // Известия ВУЗов. Машиностроение, 1984, №5,;

20. ЪЪЛогораздов В.В., Филлжов B.JI. Схема и аналитическая модель контроля боковых поверхностей кругового зуба колеса конической передачи \\ Исследования в области станков и инструментов, вып.4: Сб. тр.-Саратов, 1978.- С.48-52.

21. Рубцов В.Н. Синтез полуобкатных конических передач с круговыми зубьями // Механика машин. М.: Наука, вып. 45, с.43-50, 1974.

22. Сегаль М.Г. О локализации контакта в конических и гипоидных зубчатых передачах // Труды Новочеркасского политехнического института, т. 213, Новочеркасск, 1970, с. 124-135.

23. Сызранцев В.Н., Ратманов Э.В., Котликова В.Я. Оценка возможности изготовления конических и гипоидных пар в условиях жестких технологических ограничений // Техника машиностроения, 2001, № 2, с.52-56.

24. АЭ.Тимофеев Б.П. Синтез и анализ обкатных конических колес с круговыми зубьями: Автореф. дис . канд. техн. наук. JL: 1969.5§Хпебалин Н.Ф. Нарезание конических зубчатых колес. JL: Машиностроение, 1978, 158 с.

25. Черный Б.А. Оптимальный синтез приближенного зацепления конических колес: Дис . канд. техн. наук. JL, 1974.

26. Шевелева Г.И., Волков А.Э., Медведев В.И., Шухарев Е.А. Компьютерная технология подготовки производства конических и гипоидных зубчатых колес // Автоматизация проектирования, 1998, № 3, с.51-55.

27. Ъ%Шевелева Г.И. Теория формообразования и контакта движущихся тел: Монография. -М: Издательство "Станкин", 1999.-494 с.

28. Шевелева Г.И., Волков А.Э., Медведев В.И., Денысьев Д-Ю. Компьютерный анализ работы нагруженных конических зубчатых передач с учетом погрешностей // Вестник машиностроения, 2001, № 1, с.10-14.

29. Шевелева Г.И., Волков A3., Медведев В.И. Программное обеспечение производства конических и гипоидных зубчатых передач с круговыми зубьями // Техника машиностроения, 2001, № 2 (30), с.40-51.

30. Шевелева Г.И., Волков А.Э., Гайлит Ю.Т., Медведев В.И. Сопоставление отечественного и зарубежного программных комплексов для синтеза и анализа конических передач с круговыми зубьями // Конверсия в машиностроении, 2002, № 5.

31. ГОСТ 19326-73. Передачи зубчатые конические. Расчет геометрии. М.: Изд-во стандартов, 1974.

32. ГОСТ 1758-81. Передачи зубчатые конические и гипоидные. Допуски. -М.: Изд-во стандартов, 1981.-41 с.

33. Baxter M.L. Basic Geometry and Tooth Contact of Hypoid Gears "Industrial Mathematics", 1961, vol. 11, p. 19-42.

34. Guzman, O. Kegelradgetriebe, DDtrechnung und Messung der Zahnflankengemetrie, Bestimmung der Eingriffsverhaltnisse. Dissertation TH Aachen, 1978.

35. Krenzen, T.J. Computer Aided Inspection of Bevel and Hypoid Gears, S.A.E. Paper 831266, Milwaukee,WS. September, 1983

36. Litvin, F.L. Gear Geometry and Applied Theory. Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1994,724 c.

37. Litvin, F.L, Gutman, Y. A method of local synthesis of gears based on the connection between the principal and geodetic curvatures of surfaces. ASME J. Mech. Design. 103, 1981.

38. Stadtfeld H.J. Handbook of Bevel and Hypoid Gears. Calculation -Manufacturing Optimization. Rochester Institute of Technology, NY, 1995.

39. Stadtfeld, H.J. Hipoid Gear Generation in a Cybernetic Controlled Evolution. Industrial & Production Engineering Carl Hanser Verlag, Munich, June 2, 198911 .Week,M., Stadtfeld, H.J. Abschlussbericht FVY Vorhaben 49 IV FVA Forschungsheft Nr. 260/1987

40. Геометрические данные передачи 1

41. Числа зубьев шестерни и колеса 25/261. Межосевой угол 90°

42. Средний нормальный модуль, мм 3,088

43. Ширина зубчатого венца, мм 18,0

44. Угол наклона спирали 28°7'

45. Углы конусов впадин шестерни и колеса 40°40' 42°44'

46. Углы конусов вершин зубьев шестерни и колеса 47°16' 49°20'

47. Коэффициент смещения шестерни в долях модуля 0,0325

48. Коэффициент высоты головки зуба в долях модуля 0,9334

49. Угол профиля зуба а 23 °15 '

50. Угол наклона спирали (Зш 26 ° 04'