ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ПРОФИЛЬНОГО ШЛИФОВАНИЯ ВИНТОВЫХ ЗУБЬЕВ КРУПНОМОДУЛЬНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОЛЕС
advertisement
На правах рукописи Макаров Владимир Михайлович ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ПРОФИЛЬНОГО ШЛИФОВАНИЯ ВИНТОВЫХ ЗУБЬЕВ КРУПНОМОДУЛЬНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОЛЕС НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Специальности: 05.02.07 – Технология и оборудование механической и физико-технической обработки 05.02.08 – Технология машиностроения АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Саратов 2010 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет «Станкин» Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Зверовщиков Владимир Зиновьевич доктор технических наук, профессор Калашников Александр Сергеевич доктор технических наук, профессор Погораздов Валерий Васильевич Ведущая организация - Институт проблем точной механики и управления РАН (г. Саратов) Защита состоится 3 марта 2010 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.02 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, СГТУ, корп.1, ауд. 319. С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет». Автореферат размещен на сайте Саратовского государственного технического университета www.sstu.ru " 1 " февраля 2010 г. Автореферат разослан " 1 " февраля 2010 г. Ученый секретарь диссертационного совета А.А. Игнатьев 2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Создание и внедрение прогрессивных технологий и оборудования при производстве зубчатых колес является необходимым условием развития фондообразующих отраслей отечественного машиностроения, авиационной и оборонной промышленности. Основные эксплуатационные параметры зубчатых колес определяются на финишной стадии технологического процесса их изготовления на операции шлифования зубьев. Зубошлифованием обеспечиваются не только точность формы и качество рабочих поверхностей зубьев, но и параметры их взаимного расположения по зубчатому венцу и относительно базирующего центрального отверстия. Уровень требований по обеспечению норм точности колес лежит в микрометрическом диапазоне размеров. Высокая эффективность реализации зубошлифовальной операции безусловно необходима из-за большой стоимости технологических средств и требований снижения себестоимости изготовления колес. В российской промышленности крупномодульные колеса с винтовыми зубьями шлифуются на неэффективных обкатных зубошлифовальных станках отечественного производства, цикл обработки которых длится часами. Повышают производительность финишной операции шлифования зубьев крупномодульных колес импортными технологиями и оборудованием. Устранение этой зависимости является приоритетным для высокотехнологичных отраслей российского машиностроения в целях обеспечения технологической безопасности государства. Создание инновационных технологических средств зубошлифования, интегрирующих в себе высокий уровень прецизионности и производительности при шлифовании зубьев, является актуальной задачей для отечественного машиностроения при изготовлении колес с модулем более 6 мм. Это возможно на базе новых высокоэффективных формообразующих технологий зубообработки. Самым производительным методом финишной отделки зубьев крупномодульных цилиндрических колес (с модулем более 6 мм) является профильное шлифование, применение которого позволяет комплексно решить задачу гармонизации взаимосвязанных технико-экономических показателей их изготовления. Этот метод является наукоемким, но практически не исследованным. В отечественном машиностроении отсутствуют оборудование и технология, способные внедрить профильный метод в производство цилиндрических колес с винтовыми зубьями, что является практической производственной проблемой. Отсутствие методов обеспечения точности колес с винтовыми зубьями не позволяет достигать требуемого уровня качества их изготовления на финишной стадии при шлифовании зубьев и исключить брак на этой операции. Вероятность брака при зубошлифовании высока из-за малых припусков на зубьях и больших погрешностях заготовки, поступающей на зубошлифование, получаемых после химико-термической обработки, предварительном зубонарезании и отклонений взаимного расположения базовых поверхностей изготавливаемого колеса относительно венца, наследуемых на стадиях технологического процесса. Компенсировать эти погрешности на финишной операции 3 шлифования зубчатого венца и достичь высоких показателей точности и качества поверхностей зубьев цилиндрического колеса можно лишь путем разработки комплекса технологических действий, выполняемых на различных стадиях производственного цикла, этапах подготовки операции, наладки станка и в процессе зубошлифования. Достижение практической цели внедрения профильного зубошлифования в отечественное машиностроение сдерживается отсутствием научнообоснованных методов обеспечения точности профильного шлифования зубьев цилиндрических косозубых колес, что является актуальной научной задачей. Решение этой задачи требует разработки теории профильного зубошлифования для формирования целостного представления о его закономерностях, существенных связях и создания на этой основе системы обеспечения точности колес при шлифовании их зубьев профильным методом. При этом требуется применение современных инструментов компьютерно-графического, математического и имитационного моделирования, позволяющих выявлять взаимосвязи норм точности колес с параметрами пространственной схемы формообразования, погрешностями заготовки и величиной припуска на зубьях. Целью работы является обеспечение точности профильного шлифования винтовых зубьев цилиндрических колес путем выявления и формализации взаимосвязей показателей точности колес с параметрами схемы и режима шлифования зубьев профильным кругом на стадиях технической подготовки производства и наладки станка. Объект исследования – операция зубошлифования и средства ее оснащения во взаимосвязи с технологическим процессом изготовления цилиндрического колеса. Предмет разработки – методы, интеллектуальные продукты и средства технологического обеспечения точности цилиндрических колес с винтовыми зубьями профильным шлифованием зубьев. Научная новизна заключается в решении актуальной научной проблемы обеспечения точности шлифования винтовых зубьев цилиндрических колес методом бесцентроидного огибания профильным кругом. Решение этой проблемы состоит в: - выявлении и формализации взаимосвязей норм точности зубчатого колеса с параметрами схемы шлифования и технологического процесса, позволяющих устанавливать допустимый уровень погрешности заготовки и величину припуска на зубьях для недопущения брака при зубошлифовании профильным методом; - развитии теории бесцентроидного огибания криволинейных винтовых поверхностей, обосновании технологических параметров шлифования зубьев крупномодульных цилиндрических колес как методологической основы управления точностью и направленного формирования параметров элементов технологической системы профильного шлифования; - имитационном моделировании профильного шлифования как основы выбора оптимальных технологических, конструктивных и эксплуатационных параметров схемы формообразования и элементов технологической системы, обеспе4 чивающих достижение 3…5-й степени точности крупномодульных цилиндрических колес и повышение производительности шлифования в 3,5…4 раза. На защиту выносятся: 1. Методология моделирования зубообразующих процессов абразивным инструментом по критерию точности зубчатых колес. 2. Модели взаимосвязей показателей точности цилиндрического колеса с наследуемой погрешностью заготовки, поступающей на финишную операцию, припуском на зубьях и технологическими параметрами схемы профильного зубошлифования. 3. Методика наладки станка, базирования и закрепления заготовки, позволяющая достичь заданной точности цилиндрического колеса профильным методом. 4. Обоснование требований к технологическим компонентам абразивной зубообработки и принцип объединения их в систему по критерию эффективности. 5. Методика формирования характеристик станочной системы, обеспечивающих требуемый уровень точности и качества профильного шлифования поверхности винтовых зубьев крупномодульных цилиндрических колес. 6. Основные положения имитационного моделирования профильного зубошлифования. Методы исследования. Все разделы работы выполнены с единых методологических позиций с использованием основных положений теории систем, теории конструкции и оптимизации, теории графов и теории множеств, а также технологии машиностроения, теории зацеплений, теоретической механики, теории механизмов и машин с использованием методов имитационного, структурного и поверхностного моделирования, численноаналитических методов вычислительной математики и программирования, дифференциальной геометрии и интегрального исчисления, основ математической теории эксперимента. Практическая ценность и реализация результатов работы состоят в: -разработанном программном обеспечении для автоматизации цикла профильного шлифования цилиндрических колес; -реализованных алгоритмах имитационного моделирования в трехмерной CAD-среде, позволяющих определять оптимальные параметры наладки схемы профильного шлифования по критерию точности и производительности, формировать припуск, исключающий брак при зубошлифовании; -практических рекомендациях по выбору средств технологического оснащения операции зубошлифования цилиндрических колес профильным методом; -методиках расчетного анализа и проектного синтеза зубошлифовального оборудования для профильной технологии. Внедрение предложенных проектных и технологических решений в производство крупномодульных цилиндрических колес позволило обеспечивать 3…5-ю степень точности и значительное снижение трудоемкости их изготовления на предприятиях железнодорожного машиностроения и станкостроения. Решение научной проблемы выполнялось в рамках научно-технической программы, финансируемой Министерством образования и науки РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техни5 ки», раздел «Производственные технологии», бюджетная тема «Программнометодический учебно-производственный комплекс для оценки характеристик механических систем станков на стадии их проектирования» в ГОУ ВПО МГТУ «Станкин»; в рамках гранта Федерального агентства по науке и инновациям по приоритетному направлению «Индустрия наносистем и материалы» №02/442/11/7007 «Разработка системы аналитического прогнозирования погрешности как основы создания технологических наносистем». Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертации докладывались на 5-й Республиканской межотраслевой научнотехнической конференции «Теория и практика разработки и внедрения средств автоматизации и роботизации технологических и производственных процессов», г. Уфа, 1989 г.; научно-методической конференции «Проблемы интеграции образования и науки», г. Москва, Мосстанкин, 1990 г.; научно-технической конференции «Типовые механизмы и технологическая оснастка станковавтоматов, станков с ЧПУ и ГПС», г. Чернигов, 1991 г.; IV Международном конгрессе «Конструкторско-технологическая информатика – 2000» М., 2000 г.; Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии», г. Липецк, 2002 г.; V Международном конгрессе «Конструкторско-технологическая информатика» КТИ2005 (Москва, 2005 г.); II Международной научно-технической конференции, г. Тюмень, 2005 г.; 2-й Всероссийской научно-технической конференции, г. Нальчик, Каб.-Балк. ун-т, 2005 г.; IX научной конференции МГТУ «Станкин» и Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «Станкин», 2006 г.; Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии», г. Липецк, ЛГТУ, 2006 г.; Международной научно-технической конференции «Проблемы формообразования деталей при обработке резанием», Тула, ТулГУ, 2007; 6-й Международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности», г. Брянск, БрГТУ, 2008 г.; Международной научно-технической конференции «Инструментальные системы машиностроительных производств», г. Тула, ТулГУ, 2008 г.; Всероссийской научнотехнической конференции «Совершенствование техники, технологий и управления в машиностроении» г. Саратов, СГТУ, 2009 г.; 7-й Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе», г. Новосибирск, 2009 г.; межкафедральном научном семинаре Саратовского государственного технического университета, 2009 г. В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на заседаниях кафедр «Станки» Московского государственного технологического университета «Станкин» и «Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования в машино- и приборостроении» Саратовского государственного технического университета. Публикации. По материалам диссертации опубликовано 52 печатные работы, из них 15 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. 6 Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов, списка использованной литературы из 209 наименований и 4 приложений. Материал изложен на 455 страницах, содержит 227 рисунков и 22 таблицы. Общий объем работы 509 страниц. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность решаемой практической проблемы, сформулированы цель, задачи работы, научная новизна, практическая ценность и реализация результатов работы, а также научные положения и результаты, выносимые на защиту. Первая глава посвящена обзору и анализу методов и средств обеспечения точности шлифования зубьев цилиндрических колес. Проведен обзор литературных данных по теме диссертации. Существенный вклад в развитие абразивной обработки внесли С.Н.Корчак, А.В.Королев, Г.Б. Лурье, Е.М.Маслов, В.К.Старков, Ю.С. Степанов, О.В. Таратынов, Л.В. Худобин, П.И. Ящерицын, Marinescu Ioan D., Ichiro Inasaki и другие ученые. В литературе практически отсутствуют данные по технологическому обеспечению и расчетному прогнозу точности цилиндрических колес с винтовыми зубьями (далее косозубых колес) профильным шлифованием. Вопросы точности и качества обработки прецизионных деталей рассмотрены в работах Б.М.Базрова, Б.М.Бржозовского, И.И.Колтунова, Е.П.Калинина, В.А.Кудинова, А.В.Пуша, В.Н.Подураева, В.Т.Портмана, А.С.Проникова, А.Г.Суслова, А.В.Якимова и ряда других ученых. Зубчатые детали, включающие базирующие поверхности и рабочие поверхности зубьев, располагающиеся периодически равноудаленно и, как правило, равномерно относительно оси вращения, характеризуются наличием особых топологических признаков (множественности, периодичности, сложнопрофильности, концентричности и симметричности), что определяет специфику их формообразования. При этом накладываются соответствующие ограничения на технологию зубообразования, методы обеспечения точности и производительности цикла его обработки. Высокие требования к точности формы и взаимного расположения рабочих поверхностей зубьев обусловлены эксплуатационными требованиями к зубчатому колесу, что обеспечивается на финишной операции зубошлифования. Проведен компьютерно-графический анализ способов абразивной зубообработки (АЗО), включающий моделирование контактного взаимодействия шлифовального круга и зубчатых колес во всем разнообразии возможных структурно-параметрических исполнений и схем (рис.1). В результате направленного численного имитационного эксперимента получены сравнительные оценки типовых способов зубошлифования в сопоставимых условиях по критерию мгновенного съема, определяющему производительность формообразования зубьев колес. Предварительным анализом выявлена и подтверждена имитационным численным экспериментом связь переменных характеристик процесса зу7 бошлифования (съема металла, температуры в зоне резания, износа круга, силы резания) с общим для них параметром – площади контакта между кругом и заготовкой при шлифовании. Последняя влияет на все показатели процесса, является функцией глубины врезания S вр и кривизны взаимодействующих при обработке поверхностей и представлена комплексом регрессионных моделей. Сравнение способов шлифования зубьев колес по комплексу критериев доказало, что метод профильного шлифования является наиболее производительным при обработке зубьев крупномодульных колес (с модулем более 6 мм), имеет большие потенциальные возможности достижения высокой точности (3…4-й степеней), но обладает высокой вероятностью брака и появления шлифовочных дефектов зубьев из-за прижогов, черновин и подрезов. Рис.1. Компьютерно - графический имитационный анализ способов АЗО Установлено, что наукоемкость профильного шлифования зубчатых колес и неисследованность этого метода обусловливают необходимость вскрытия новых взаимосвязей профильного шлифования с показателями точности и качества рабочих поверхностей зубьев и разработки на этой основе практических методик обеспечения точности колес с учетом всего комплекса технологических, конструктивных, метрологических и эксплуатационных параметров и структуры техпроцесса. По результатам обзора поставлена цель работы, сформулированы задачи исследования, связанные с формированием методологии исследования зубооб8 разующих процессов и разработкой способов управления точностью шлифуемых колес, на которых должна строиться теория абразивной зубообработки. Вторая глава посвящена формированию концепции и структуры системы обеспечения точности профильного зубошлифования. Сложные конструктивные формы зубчатых колес требуют разработки и применения трудоемких технологических процессов, научно обоснованных проектных решений по обеспечению точности их изготовления. Методология исследования абразивной зубообработки и выбор инструментальных средств ее анализа определяются сложностью формообразуемых поверхностей и изделия в целом, прецизионным уровнем точности и множеством взаимосвязей последней с технологической системой и структурой техпроцесса. Цилиндрические колеса с винтовыми зубьями представляют общий случай цилиндрических колес по форме рабочих поверхностей зубьев, описанных эвольвентным геликоидом (винтовой поверхностью), поэтому выявленные условия их изготовления и обеспечения показателей их точности в рамках технологического процесса и схемы зубообразования будут справедливы и для прямозубых колес, являющихся по топологии их частным случаем. Требования качества и точности являются приоритетными для зубчатых колес и оцениваются сложным комплексом нормативных показателей, удовлетворение которых при зубошлифовании является трудной задачей. Техническое задание на изготовление зубчатого колеса включает перечень геометрических параметров и точностных требований к колесу с учетом специфики конкретной отрасли машиностроения, которые являются основой для разработки технологического процесса его изготовления, в котором определяются также данные о серийности производства колес и предполагаемой себестоимости изготовления (рис.2). Исходными данными являются: 1. Параметры изделия (модуль m , число зубьев z , угол зацепления , угол наклона зубьев , коэффициент коррекции исходного контура , ширина венца B , данные фланков, радиусы скругления переходной кривой, данные о свойствах материала и др.). 2. Требования точности зубчатого колеса по нормам кинематической точности (погрешность окружного шага t ), плавности (погрешность профиля f f ), контакта (погрешность направления зубьев f ) и бокового зазора (колебание длины общей нормали L ), а также требования качества поверхностей зубьев на отсутствие дефектов. Дополняющими данными операции являются: 3. Параметры заготовки (твердость, припуск h и его колебание h , радиальное биение венца e R , накопленная погрешность окружных шагов ). 4. Параметры абразивного инструмента (диаметр круга DØ и его ширина, данные о свойствах структуры и т.п.). 5. Параметры профилирующего инструмента (диаметр DP и ширина ролика b P , радиус его режущей кромки rP ). Конечная точность зубчатого колеса обеспечивается всеми стадиями техпроцесса его изготовления, но формируется на самой его финишной операции зубошлифованием. Высокие требования к точности, качеству и низкой себестоимости зубчатых колес вынуждают технологов искать новые подходы в органи9 зации технологических процессов их изготовления. Экономические показатели определяют выбор метода зубошлифования по критерию производительности, а требования качества обусловливают разработку методов и средств обеспечения необходимой точности колес и исключение брака. Введение в техпроцесс зубообразующих технологий, обладающих значительным резервом точности и производительности, обеспечивает достижение требуемых показателей их качества колес с меньшими затратами времени и ресурсов. Рис. 2. Техническое задание на изготовление зубчатого колеса и расчетные параметры шлифуемых поверхностей винтовых зубьев Обеспечение точности зубчатых колес представляет собой интегрированную задачу, решение которой зависит от качества технологической подготовки, от управления ходом производственного цикла изготовления колеса и соблюдения технологической культуры на каждом его этапе. Проведен анализ множества технологических X , H , конструктивных Z , I , A, S t и эксплуатационных параметров R , функционально связанных с метрологическими нормами шлифуемого зубчатого колеса N K , требуемый уровень которых определен техническим заданием на его изготовление (рис.3). Управление точностью и производительностью профильного зубошлифования основано на множестве взаимосвязей АЗО W ( WТП 0 , WП1 , WП 2 , WН 3 , WН 4 , WР 5 , WФ6 , W Д 7 , W А8 ), реализация которых в функциональной модели NK FW (U , Z , I , A, S t , X , H , R ) обеспечивает достижение заданных требований технического задания по геометрии колеса U и его точности N при минимальном машинном времени обработки. При этом вектор 10 качества поверхностей зубьев K выступает как критериальное ограничение, при котором безусловно должен быть исключен брак (по черновинам, подрезам и прижогам) на финишной операции шлифования зубьев. Для повышения эффективности системы обеспечения выходных показателей профильного зубошлифования и управления ею комплекс разнородных моделей W должен быть интегрирован в имитационной модели на единой информационной платформе в компьютерной среде (рис.3). Рис.3. Интеграция взаимосвязей комплекса параметров профильного шлифования винтовых зубьев цилиндрических колес в имитационной модели Выявлены технологические, проектно-конструкторские, метрологические и производственные факторы, определяющие выходные показатели операции зубошлифования, на основе которых разработана система мер обеспечения точности косозубых колес (рис.4). При этом только взаимосвязь всех составляющих (станка, инструмента, заготовки, подготовки, наладки и процесса) позво- 11 ляет обеспечить требуемый производственно-технический и экономический эффект при изготовлении зубчатых колес. Рис.4. Факторы, определяющие точность, качество и уровень производительности зубошлифования косозубых колес профильным методом Cформирована многоуровневая структура системы обеспечения точности профильного зубошлифования колес (рис.5). Рассмотрены функциональные взаимосвязи между стадиями техпроцесса и выявлено, что важнейшим фактором обеспечения точности цилиндрического колеса в структуре техпроцесса являются форма и величина припуска, оставляемого на зубошлифование, а также уровень технологически наследуемых погрешностей заготовки. Недостаточность припуска на зубошлифование является причиной брака при низкой точности 12 предварительного зубообразования заготовки, а его завышение приводит к неэффективной эксплуатации дорогостоящего оборудования и растрате ресурсов. Основными оценочными показателями технологического процесса изготовления зубчатого колеса по критерию точности являются накопленная погрешность окружных шагов и радиальное биение зубчатого венца e R . Другие нормы точности и качества колеса формируются на финишной операции шлифованиям зубьев. Рекомендовано при разработке техпроцесса изготовления колеса обеспечивать показатель кинематической точности заготовки по самой высокой границе предела достижимости на самых начальных его стадиях, а показатель радиального биения венца e R - исходя из требований себестоимости. Схема формообразования винтовых зубьев колес является пространственной, для исследования которой необходимы инструменты трехмерного моделирования, обладающие возможностями симуляции анализируемых процессов в компьютерной среде. Имитационное моделирование зубообразующих процессов в полной мере может быть осуществлено в CAD/CAE/PDM-среде компьютерно-графического моделирования. Рис.5. Многоуровневая система мер обеспечения точности шлифования зубьев цилиндрических колес 13 В работе использованы результаты имитационного и компьютерного моделирования с помощью системы «SolidWorks». В связи с тем, что большинство важнейших погрешностей профильного метода могут быть сведены к геометрическим, учтены в имитационной модели и симулированы в CAD/CAE-среде с высокой разрешающей способностью, компьютерная среда является корректным испытательным полигоном для проверки выдвинутых положений и теоретических гипотез. Результатом исследований являются сформированные концепция и структура системы обеспечения точности шлифования зубьев цилиндрических колес профильным методом, а также комплекс необходимых взаимосвязей, подлежащих формализации. В третьей главе проведен анализ погрешностей изготовления цилиндрических колес и сформированы аналитические модели точности профильного зубошлифования. Осуществлена структуризация погрешностей зубошлифования зубчатых колес и предложена их системная классификация. Установлены взаимосвязи показателей точности цилиндрического колеса с погрешностями профильного зубошлифования. Основными критериями точности профильного шлифования зубьев колес принят комплекс показателей: по нормам кинематической точности – погрешность окружных шагов; по нормам плавности – погрешность профиля; по нормам контакта – точность направления зуба; по нормам бокового зазора – колебание длины общей нормали. Критерием качества является отсутствие прижогов, подрезов и черновин поверхностей зубьев. При моделировании и прогнозной оценке точности зубошлифования обосновано применение принципов суперпозиции и пренебрежения бесконечно малыми высшего порядка при расчете выходной погрешности, что позволило найти аналитические решения, имеющие практическое применение за счет линеаризации моделей. Как объект формообразования зубчатое колесо характеризуется не только сложным комплексом метрологических нормативов ее изготовления, но и прецизионностью рабочих поверхностей, уровень отклонений которых при формообразовании лежит в микрометрическом диапазоне. Приведена математическая модель рабочих поверхностей зубьев цилиндрических косозубых колес, которая описывается эвольвентным геликоидом и представлена уравнением: x r cos( ) r y r cos( ) i r sin( ) j p k r sin( ) , z p где r r ( ) – уравнение образующей геликоида в полярной системе координат в плоскости поперечного сечения заготовки; – полярный угол каждой точки профиля; – угол поворота заготовки при винтовом движении; p – винтовой параметр геликоида. Вектор нормали N к поверхности геликоида в рассматриваемой точке определяется так: 14 p (r ' sin( ) r cos( )) nx N r ' r ' p (r ' cos( ) r sin( )) n y . r r' nz Формализовано описание влияний вторичных (технологических) погрешностей на конечную точность формообразования винтовых зубьев, нормируемую допуском G . Математическое моделирование позволило получить значение вектора погрешности профильного шлифования r как разность между фактическим и номинальным значениями r с учетом возможности линеаризации модели путем пренебрежения слагаемыми высших порядков малости: xфакт xномин r sin( ) ( ) r cos( ) x r yфакт y номин r cos( ) ( ) r sin( ) y . zфакт z номин p z Вектор погрешности формообразования r связан с нормативным допусr N r e , где e - орт нормали; - погрешком G зависимостью G N ность обработки, определяемая проекцией вектора погрешности r на вектор нормали N . Уравнение переноса вектора погрешности r на вектор нормали к геликоиду представлено системой G r e . Его решение относительно , x , y , z дает условие обеспечения точности формообразования эвольвентно-геликоидной поверхности зуба цилиндрического колеса профильным кругом по заданному допуску на профиль G : r cos cos x 2 y 2 sin z G . Рис.6. Пространство возможных сочетаний составляющих погрешности профильного шлифования и схема моделирования угловых отклонений круга 15 Сформировано допустимое по G пространство вторичных погрешностей, позволяющее ограничивать их предельные значения в зависимости от их сочетаний в процессе обработки (рис.6). Оценено влияние на конечную погрешность обработки по профилю малых угловых пространственных отклонений оси инструмента (в плоскости XOY ) и (в плоскости XOZ ), определяющих положение режущей поверхности в процессе профильного шлифования геликоида зуба цилиндрического колеса при удалении центра крепления круга от зоны резания на величину h : h cos h sin G . Рассмотрены и решены задачи аналитического моделирования точности винтового движения при бесцентроидном огибании зубьев профильным кругом и сформирован порядок обоснованной проектной декомпозиции заданной точности по технологическим компонентам. Адекватность полученных моделей оценена данными натурных испытаний и имитационным моделированием, подтвердившими их корректность, и даны рекомендации по их применяемости. Для практического использования разработанной системы аналитических моделей сформирована допустимая по условиям точности область существования вектора погрешности профильного шлифования винтовых зубьев. В основу аналитического решения положены условия геликоидности и ортогональности вектора погрешности вектору нормали в расчетных точках контактной характеристики, позволившие сформировать функцию оптимизации Лагранжа: L (n y x n x y) 2 (n x x n y y n z z ) 2 (x 2 y 2 z 2 ) max . Найденное решение определяет эллипсоид в пространстве управляемых координатных погрешностей x , y , z при задании требований точности допуском на профиль G : x 2 G2 sin 2 ( ) M y 2 G2 cos 2 ( ) M z 2 G2 sin 4 M 1, M max L nx n y 2 nz 2 2 , где – угол наклона зуба; n x n y n z – координатные проекции вектора нормали n к эвольвентному геликоиду; – угол поворота заготовки в винтовом движении; – полярный угол, определяющий положение расчетной точки на криволинейном торцовом профиле зуба; x, y, z – координатные проекции вектора погрешности формообразования r ; G – допуск на профиль зуба (рис.7). Эллипсоид погрешности есть предельно допустимая, нормируемая по G , область существования вектора погрешности при обработке эвольвентного геликоида. Задача управления точностью профильного шлифования заключается в формировании условий, обеспечивающих размещение результирующего вектора погрешности r внутри расчетного эллипсоида путем поиска оптимального сочетания взаимосвязанных технологических, конструктивных и эксплуатационных параметров на стадиях технологического цикла, подготовки производства или проектной разработки станочной системы. 16 Установлено, что наиболее значимой составляющей точности профильного зубошлифования является погрешность профиля зуба, превышающая по рангу погрешность направления зуба в 2,5…4 раза. Это обусловливает необходимость обеспечивать точность профиля зубьев кинематически наиболее простыми схемами формообразования, характеризующимися стабильностью воспроизведения и повторяемости в круговом цикле обработки зубчатого колеса, как наиболее инвариантными действию возмущений процесса. Вышесказанное служит подтверждением обоснованности применения профильного метода на финишной стадии изготовления зубчатого колеса. Рис.7. Эллипсоид погрешности эвольвентного геликоида зубьев колеса ( m 8 мм , z 23 , 30 ) и обобщенный эллипсоид для всей контактной линии профильного шлифования впадины Результатом исследований является комплекс математических моделей, позволяющий управлять точностью колес профильным шлифованием зубьев. Четвертая глава посвящена разработке комплекса моделей обеспечения точности профильного зубошлифования на этапах технологической подготовки. Контактная характеристика между кругом и косозубым колесом является сложной пространственной траекторией, положение которой по боковым сторонам круга зависит от геометрии взаимодействующих тел и параметров схемы обработки (рис.8). Обеспечение требуемой точности шлифования рабочих поверхностей винтовых зубьев цилиндрических колес профильным кругом во многом зависит от правильной геометрии правки круга с помощью профилирующей подсистемы станка, осуществляемой в автоматизированном режиме. Рабочий профиль круга является функцией параметров шлифуемого колеса, диаметра круга и угла скрещивания, которые меняются в цикле обработки, поэтому требуется постоянная коррекция его формы при правках. Расчет требуемой траектории движения правящего ролика относительно круга для формирования инструментальной поверхности, исключающей подрезы винтовых зубьев, является сложной аналитической задачей, решаемой методами дифференциальной геометрии на основе теории зубчатых зацеплений и теории 17 огибающих. Задача специальной модификации профиля круга для прецизионного шлифования винтовых зубьев решена в математической и имитационной постановках с возможностью учета возмущений процесса и нестабильности состояний взаимодействующих компонентов. Рис.8. Пространственная контактная характеристика при шлифовании винтовых зубьев и зоны их подрезов: а – вид характеристики по левой стороне впадины при съеме припуска 50 мкм; б – вид нормального профиля круга в проекции на винтовую поверхность впадины колеса; в – зоны подреза по правой и левой сторонам впадины Для этого в трехмерной CAD-среде по разработанной методике смоделировано контактное взаимодействие тел, имитирующее схему профильного шлифования винтовых зубьев цилиндрических колес; решены прямая и обратная задачи формообразования винтовых поверхностей профильным кругом, в том числе при неидеализированном контакте, обусловленном погрешностями схемы формообразования и технологических компонентов от возмущений процесса. Имитационное решение основано на оперировании объемными геометрическими примитивами взаимодействующих при формообразовании тел, формировании пространственной контактной характеристики и зоны их взаимодействия. Разработан аналитический алгоритм автоматизированного формирования требуемого профиля шлифовального круга, адекватность которого проверена пространственной визуализацией контакта с помощью инструментов APIпрограммирования в компьютерной 3D-среде. Исходными данными являются параметры абразивного инструмента, формы его инструментальной поверхности (в т.ч. с учетом износа и собственных деформаций) и параметров винтового движения. В результате синтезируется цифровая 3D-модель поверхности впадины, моделирующая формообразуемую поверхность заготовки, получаемую в результате совокупного действия введенных в систему факторов (рис.9). Проверка условий обеспечения прецизионности профильного шлифования номинальным, деформированным или изношенным кругом винтовых зубьев прове18 дена с помощью разработанной методики имитационного решения обратной задачи формообразования в среде 3D-моделирования (рис.10). Рис.9. Имитационно синтезированный круг и его рабочий профиль для шлифования винтовых зубьев Рис.10. Имитационное решение обратной задачи профильного формообразования и проверка адекватности ее решения Вариативность правящего инструмента по конструктивным параметрам и формам режущих элементов потребовала разработки специализированных моделей идентификации траектории движения узлов правки станка, осуществляющих профилирование круга (рис.11). Разработано в среде Borland Delphi 7 и Visual Basic специальное программное обеспечение расчета требуемой траектории правки круга с учетом параметров инструмента II рода (алмазного ролика), которое вводится в систему управления станком. Большое влияние на точность зубошлифования оказывает правильная наладка станка из-за периодичности погрешностей заготовки, проявляющихся в делительном цикле с периодом 2 . Правильная начальная установка заготовки относительно круга позволяет предотвратить брак за счет оптимального распределения припуска в круговом цикле по зубьям, создать наилучшие условия компенсации ее технологически наследуемых погрешностей и обеспечивает достижение заданной точности колеса при меньшем времени шлифования. 19 Рис.11. Фрагменты имитационно-графической проверки адекватности расчета траектории профилирования круга обтачивающим алмазным роликом (б) с учетом разновидности его исполнений (а) Важнейшим параметром наладки является угол скрещивания, обусловливающий форму контакта круга с заготовкой. Поиск оптимального значения угла скрещивания осей круга и заготовки является необходимым при шлифовании корригированных колес с винтовыми зубьями из-за возникающей асимметрии контакта по сторонам круга, что свойственно профильному методу и неблагоприятно сказывается на напряженно-деформированном состоянии взаимодействующих компонентов (рис.12). Сформирована математическая модель расчета оптимального угла скрещивания, обеспечивающая симметричность размещения контактных зон по правым и левым сторонам круга при шлифовании, решаемая численно. Поиск оптимума проводится дихотомическим методом с невязкой 1 10 9 . Одновременность врезания круга по боковым сторонам достигается модулированием угла скрещивания, что исключает крутильные деформации круга, снижает вероятность генерации динамических колебаний при врезании и уменьшает длину рабочих ходов. Рис.12. Поиск условий одновременности контакта боковых сторон круга с винтовыми зубьями цилиндрического колеса изменением угла скрещивания: симметричный-асимметричный контакт: а – вид сбоку; б – вид сверху; в – оптимальная симметричная контактная зона в пространстве 20 Разработана технология скоростного многопроходного режима профильного шлифования винтовых зубьев цилиндрических колес, который имеет большие преимущества по сравнению с глубинной малопроходной технологией в производительности и качестве обработки крупномодульных колес, но который должен обеспечиваться системой технологических мер и соответствующими характеристиками оборудования, поддерживающими форсированный съем металла и компенсацию возникающих при этом динамических возмущений. Поиск компромиссных технологических и проектных решений, удовлетворяющих требованиям оперативности, точности и качества профильного зубошлифования косозубых колес, проводится оптимизационно. Так, для обеспечения траекторной точности винт направления винтовых зубьев при реверсировании узлов станка сформирована целевая функция оптимизации винтового движения F : m z J m 4 z 4 sin 1 1 2 F винт Vпр min( мм) 2lп 2 С 32 С (1 ) B при следующей системе ограничений на управляемые параметB / 3 lп 5B ры: , где m , z , B , , – параметры заготовки, 3 3 2 10 V 20 10 ( мм / мин ) прод соответственно модуль, число зубьев, ширина венца, угол наклона зубьев и m z плотность материала; p ( мм / рад) -параметр винта, связывающий по2 sin ступательный S (вдоль оси заготовки) и вращательный ( ) контуры винтового S Vпр движения условием: p . Управляя конструктивными параметрами привода (жесткостью С цепи вращения заготовки), а также регулированием скорости продольной подачи Vпр и длины перебегов lп , повышают траекторную точность винтового движения. При этом параметр lп отсутствует в мультипликативном критерии F t «точность время цикла» (здесь h - припуск на сторону зубьев (мм); Sвр - подача на врезание): F t винт ( мм) t ( мин) m 4 z 5 sin 20 h B Vпр min . С Sвр Рекомендуемый диапазон скорости продольной формообразующей подачи при маятниковом многопроходном режиме шлифования винтовых зубьев, снижающих вероятность прижогообразования, составляет 5….12 м/мин. Алгоритмизирована процедура начальной ориентации заготовки относительно круга для минимизации числа проходов и сокращения времени рабочего цикла (рис.13). Основой является математическая модель минимизации радиальных колебаний шлифуемой зоны зубчатого венца R в круговом цикле с периодом 2 , позволяющая найти отклик сочетаний фаз периодических погреш21 ностей заготовки (геометрический e1 , фаза 1 и кинематический a2 , b2 , фаза 2 эксцентриситеты) и биения шпинделя стола станка, задаваемого эллиптической траекторией с величинами полуосей эллипса a3 , b3 и углом 3 ориентации относительно круга, закрепленного на оси X (т. М): x e1 cos(t 1 ) a2 a 2 (a 22 b22 ) 2b22 sin 2 (t 2 ) a3 b3 cost b32 (a32 b32 ) sin 2 (t 3 ) . Варьированием управляемых параметров модели ( 1 , 2 , 3 , a3 , b3 ) формируются ограничения на составляющие погрешности заготовки и станка: R ( xmax xmin ) min , где x - координата положения формообразуемой точки М заготовки при изменении угла t ее поворота в делительном цикле. Рис.13. Моделирование радиальных колебаний припуска с учетом погрешностей заготовки и биения стола станка в круговом делительном цикле Реализация результатов исследований связана с разработкой моделей и алгоритмов, позволяющих направленно формировать заданную точность косозубых колес профильным шлифованием на стадиях подготовки производства. При этом формализованы процедуры расчета параметров профилирования шлифовального круга и оптимизации схемы формообразования, обоснованы параметры наладки. В пятой главе выявлены и формализованы взаимосвязи припуска с показателями точности цилиндрического колеса при профильном шлифовании зубьев, полученные на основе математического и имитационного моделирования. Качество, точность и себестоимость изготовления зубчатых колес со шлифованными зубьями зависят от большого числа технологических факторов, управлять которыми можно, лишь зная состояние заготовки, поступающей на финишную операцию шлифования зубьев. Важнейшие параметры заготовки характеризуются припуском, оставляемым под зубошлифование, и технологи22 чески наследуемыми погрешностями , e R . Профильный метод шлифования зубьев накладывает дополнительные требования на условия формирования припуска, оставляемого на зубьях для финишного зубошлифования, и его взаимосвязи с параметрами наладки станка. При этом учитываются следующие особенности профильного зубошлифования: - неизбежность разноприпускности заготовки в круговом цикле, которая зависит от периодичности параметров шлифования не только от зуба к зубу, но и по боковым сторонам каждой впадины; разноприпускность характеризует периодически изменяющуюся в делительном цикле величину биения венца относительно круга, измеряемого в радиальном или тангенциальном направлениях; она обусловливает недопустимые врезы круга в заготовку, при которых снимается слишком большой для данного режима слой металла, приводящий к прижогам и браку из-за черновин (отсутствия контакта) и подрезов зубьев; - различие координатного исчисления параметров обработки (радиальной врезной подачи S вр и припуска h – по нормали) и выходных нормативных показателей точности шлифуемого колеса (точности профиля зубьев и длины общей нормали колеса – тангенциально), что в силу их технологической взаимосвязанности затрудняет обеспечение требуемого исхода операции и автоматизацию расчета параметров профильного шлифования; - изменяемый неполнопрофильный характер контакта круга со впадиной по профилю зубьев (от ножки к головке) в многопроходном цикле обработки. Точность и качество профильного зубошлифования цилиндрического косозубого колеса могут быть обеспечены при следующих условиях контактного взаимодействия круга со шлифуемой поверхностью впадин заготовки, связанным с величиной припуска h , измеряемого по нормали к профилю зуба: 1.Условие «полнопрофильности контакта» круга с периферией впадины при его радиальном врезании. 2. Условие «одновременности контакта» круга с боковыми сторонами впадины, зависящее от значения угла скрещивания. 3.Условие «симметричности контакта» круга по сторонам впадины, зависящее от тангенциальной разноприпускности заготовки в периоде 2 . 4.Условие минимума радиальной разноприпускности в круговом цикле шлифования, что влияет также на число проходов при съеме припуска и время цикла. Формализована «полнопрофильность контакта» круга с заготовкой, выражающая такое их состояние, при котором круг не должен углубиться в зуб больше, чем на заданный припуск, и одновременно шлифовать весь профиль от ножки до вершины головки. В этом случае исключаются черновины на зубьях. Выявлено, что при профильном шлифовании колес доля, расходуемая на черновые проходы нестабильного съема припуска, составляет более 4/5 части общего припуска. Достаточность припуска определяется из условия заг h 4 2 hW f hW , где hW f , hW – составляющие, компенсирующие искаже2 2 ния формы зубьев по профилю w f и направлению зубьев w , что определяет требования к точности заготовки, поступающей на зубошлифовальную операцию. 23 Для управления тангенциальной разноприпускностью сформирована математическая модель обеспечения кинематической точности изготавливаемого колеса путем корректирующей угловой ориентации заготовки при ее закреплении на станке на угол a относительно начальной симметричной установки впадины и круга с учетом направления делительного цикла: 1 Z 1 1 2 ... i z i R1 R2 Ri ( рад) (рис.14). Исходными данными для расчета яв ляются предварительно полученные данные отклонения шагов i заготовки на окружности, радиусом Ri , в которых учитываются ее технологически наследуемые погрешности окружных шагов через накопленную погрешность заг max 1 2 ... i min 1 2 ... i . 1iZ 1 1iZ 1 заг : Рис.14. Управление тангенциальной разноприпускностью заготовки при наладке станка, исключающее брак при профильном зубошлифовании Для исключения брака из-за возможной нехватки припуска и возникновения черновин зубьев необходимо правильно скорректировать положение заготовки при закреплении на расчетный угол a , что обеспечит нулевую накопленную погрешность окружных шагов отшлифованного колеса при идеальном делительном цикле, т.е. технологически наследуемая накопленная погрешность окружных шазаг гов заготовки будет полностью компенсирована при hmin вх . В этом случае точность шлифуемого колеса по данному нормативу будет полностью определяться только точностью механизмов деления зубошлифовального станка. Необходимость идентификации параметров профильного шлифования и их координатной взаимосвязи с нормами точности является важнейшим условием достижения заданной точности колеса в автоматическом цикле обработки. Определена аналитическая связь величины припуска, удаляемого с зубьев для обеспечения толщины зубьев по нормам бокового зазора, с параметром врезной радиальной подачи S вр , что необходимо для выхода на конечную точность шлифуемого колеса по профилю и длине общей нормали. Задача расчета взаимосвязи припуска в нормальном и радиальном исчислениях решена аналитиче24 ски путем замены трансцендентной функции (1) многочленом Тейлора третьей степени и нахождением единственного корня кубического уравнения по формуле Кардано (рис. 15). Рис.15. Расчет взаимосвязи припуска в нормальном h и радиальном S в р исчислениях для автоматизации цикла профильного зубошлифования Решение S в р f (h) находится через взаимосвязь двух уравнений (1) и (2): ro sin (h ro h ) cos(h ) ro sin( h ) , (1) 1 cos h S в р ro , (2) cos(h ) где – угол, характеризующий положение исходной точки эвольвентного профиля зубьев на основной окружности относительно оси симметрии впадины ; – эвольвентный угол для точки, лежащей на делительной 2Z окружности; Z – число зубьев колеса; h – угол развернутости для искомой точки касания. Это позволяет рассчитать величину врезной подачи S вр , необходимую для удаления остаточного припуска для завершения цикла, обеспечивающего требуемую точность профиля зубьев колеса на финишных проходах. 25 Решена задача численной идентификации координаты начального касания круга с профилем зубьев заготовки, имеющим эквидистантный припуск h , а также межцентрового расстояния, при котором имеет место полнопрофильный контакт круга с зубьями во впадине заготовки. Установлена закономерность изменения сечения срезаемого слоя по профилю зуба, что является причиной нестабильного термодинамического состояния шлифуемой поверхности вдоль зуба и неравномерности износа круга. Определена площадь Fср срезаемого профильным кругом на каждом проходе слоя припуска с эвольвентного профиля зуба в зависимости от величины врезной подачи S вр : Fср S вр (rВ sin( max ) ro sin ) 2 S вр 2 (ctg ( max ) tg ( max )) (3) где max , max – углы эвольвентный и развернутости на вершине зуба; rВ , rо – соответственно радиусы окружности вершин и основной окружности (рис.16). Рис.16. Форма срезаемого припуска с зубьев профильным кругом и расчет площади среза Fср в функции врезной подачи S вр Адекватность разработанных моделей проверена имитационным экспериментом и данными натурных испытаний. В результате анализа полученных данных о взаимосвязях технологических факторов, параметров профильного зубошлифования с нормативными требованиями точности шлифуемых колес сформированы предложения по совершенствованию технологического процесса изготовления цилиндрических зубчатых колес при зубообразовании. При этом обеспечиваются малые периодические погрешности заготовки, стабилизирующие условия контакта круга во впадинах заготовки, что позволяет достигать высокой точности крупномодульных колес при низкой трудоемкости и малом времени цикла шлифования зубьев профильным методом. Реализация результатов исследований связана с разработкой программно-математического обеспечения, необходимого для управления станком, ко26 торое позволяет автоматизировать цикл профильного зубошлифования в абсолютной системе отсчета координат параметров обработки, а также правильно производить наладку станка для распределения припуска заготовки по зубьям в круговом цикле, а также по черновым и чистовым проходам. Шестая глава посвящена вопросам разработки методов проектного синтеза характеристик зубошлифовальной станочной системы, реализующей профильную технологию. В главе показано, что конструирование оборудования неразрывно взаимосвязано с технологией, является производным технологического процесса изготовления колеса и требований к финишной зубообразующей операции, что находит свое отражение в техническом задании на создание станка. Применение профильной технологии требует создания зубошлифовальной технологической системы, функциональные возможности которой должны быть многоцелевыми для гибкой адаптации под конкретные требования производства. Выбор сбалансированных по характеристикам и возможностям технологических компонентов и средств оснащения при их объединении в металлообрабатывающую систему является сложной технологической задачей, требующей применения научно обоснованных подходов. Установлены взаимосвязи структурно-функциональной композиции технологических компонентов (заготовки, абразивного инструмента, оснастки, системы управления, средств контроля и станка) в единую систему, обеспечивающие достижимость требуемой точности зубчатого колеса и низкой себестоимости его изготовления. Вскрыта взаимосвязанная соподчиненность профилирующей и формообразующей подсистем и установлено функциональное соответствие между конструктивной сложностью станочной компоненты и сложностью топологии инструментальной поверхности, выраженное аналитически. Предложен алгоритм синтеза компонентов в систему при технологическом проектировании операции зубошлифования на основе сетевых графов. Задача поиска эффективной структуры является оптимизационной, и ее решение осуществляется методом булева линейного программирования путем выбора лучших альтернатив из множества обходных путей графа по частным критериям предпочтения и по обобщенному показателю эффективности. Обоснован комплекс характеристик зубошлифовального оборудования, способного поддерживать прецизионно-форсированный режим съема металла профильным методом в условиях значительных силовых и тепловых возмущений, обеспечивая точность обработки крупномодульных зубчатых колес не ниже 4-й степени. Разработаны методы разрешения противоречивых многокритериальных требований к оборудованию путем использования свойств синергичности элементов и модулей зубошлифовального станка, мехатронизации кинематики и управления проектным синтезом его конструкции. Требуемые статические и динамические характеристики упругой системы и приводов формируются за счет взаимно согласованных процедур «синтез-анализ», реализованных в единой среде моделирования с помощью специально разработанных методов принятия решений по управлению точностью проекта. Для этого разработаны модули поддержки, «встроенные» в CAD-среду геометрического моделирования 27 SolidWorks и визуализирующие заданные и достигнутые результаты работы конструктора. Образное представление численных оценок критериев точности проектируемого объекта (станка, приспособления, схемы формообразования) в пространственной геометрической форме и их визуализации на экране компьютера позволяет принимать лучшие по точности проектные решения. Это осуществляется путем сравнения объемов геометрических фигур, размеры которых определяются в интерактивном режиме на основе моделей эллипсоида погрешности и точности компоновки станка (рис.17). Рис. 17. 3D-модели станка, схемы формообразования и визуализация их прогнозируемой погрешности (параллелепипеды) и эллипсоида на рабочем экране дисплея конструктора Сформированный и показываемый на дисплее комплекс трехмерных геометрических фигур отражает степень достигнутого эффекта при конструировании и мотивирует разработчика к принятию правильных решений по уточнению конструкции путем варьирования ее геометрических параметров таким образом, чтобы параллелепипеды (погрешности) не превышали объем эллипсоида (допустимую область). При этом конструктор воспринимает картину численных изменений точности станка в понятной для него пространственной форме. Обоснованы характеристики зубошлифовального станка для профильного шлифования с горизонтальной и вертикальной осями заготовки. Сформирована динамическая модель винтового привода профильного шлифования винmz1 1 z1 k1 z1 F товых поверхностей зубьев: J k J z1 , где p – параметр винта 2 2 2 2 p 28 m z ( мм / рад) , здесь z – число зубьев), связывающий поступательный 2 sin Vпрод (вдоль оси z1 заготовки) и вращательный ( , ) контуры винтового двиz Vпрод жения условием: p 1 , что позволило на проектной стадии проводить в среде CAE-моделирования многофакторный оценочный расчет параметров конструкции привода. Разработаны методики расчетного CAE-анализа по различным критериям (статической и динамической жесткости, кинетостатических характеристик, компактности) разрабатываемых зубошлифовальных станков. Проведены проектные мероприятия по их совершенствованию путем оптимизации конструктивных вариантов по критериям жесткости и массы (рис.18). (p Рис.18. Система формирования характеристик зубошлифовального станка, реализующего профильное шлифование косозубых колес Определены формы колебаний упругой системы спроектированных зубошлифовальных станков, их собственные частоты и рекомендованы пути их отстройки от резонансного диапазона частот возбуждения колебаний. При оценке напряженно-деформированного состояния станка, инструмента и заготовки при профильном шлифовании косозубых колес решена задача оценки жесткости упругой системы в замкнутой постановке, учитывающей особенности контактного взаимодействия профильного круга с боковыми сторонами впадины колеса. 29 Оценено изменение влияния параметров контакта на распределение деформаций по элементам связанной технологической системы и предложены пути повышения ее точности при шлифовании винтовых зубьев. Отмечено, что глубинный режим профильного шлифования предъявляет приоритетные требования к виброустойчивости упругой системы станка, а многопроходноскоростной – к быстродействию и крутильной жесткости приводов, реализующих винтовое движение. Удовлетворение этих требований обеспечивается при разработке зубошлифовального станка итерационным проектно-расчетным моделированием и оптимизацией параметров конструкции по разработанным моделям и методикам. Адекватность соответствия комплекса рабочих характеристик станка требуемым режимам и выходным показателям работоспособности при профильном шлифовании подтверждена инженерными расчетами, сравненными с данными натурных испытаний существующих станков и технологий, что соответствует принятой практике моделирования на проектных стадиях разработки оборудования. Реализация результатов заключается в разработанных методиках расчетного анализа и направленного синтеза станочной системы, позволяющих прогнозировать уровень достигаемых показателей точности профильного шлифования зубьев колес. При этом обоснованно формируются технические требования к свойствам технологических компонентов на стадии проектной подготовки по критериям точности и стоимости. Седьмая глава посвящена выработке теоретических положений профильного шлифования зубьев и методологии имитационного моделирования его цикла. В главе сформулированы основные особенности зубошлифования, на которых строятся феноменологические представления этой технологии, показан дедуктивный принцип формирования закономерных связей и правил, по которым обеспечиваются заданные требования точности зубчатых колес на этой операции. Раскрыты основные положения имитационного моделирования в CAD-средах трехмерного моделирования и особенности пространственной компьютерной симуляции зубообразующих процессов. Необходимость гарантированного обеспечения требуемой точности колес и исключения брака обусловила разработку новых средств компьютерного моделирования процесса зубошлифования, позволяющих объединить в имитационной модели и исследовать установленные взаимосвязи профильной технологии, учесть большое число параметров и факторов, определяющих выходную точность зубчатого колеса по комплексу нормативов. При связывании разнородных частных модеn лей W в комплекс они образуют открытую систему Ф Wi , составляющую i 1 базис имитационной модели профильного зубошлифования цилиндрических колес, структура которой показана на рис.19. Рабочий цикл шлифования зубьев бесцентроидным огибанием симулирован в компьютерной среде с учетом временной динамики и возмущений процесса. Имитационная модель включает симулятор, процессирующий цикл обработки, и информационно-управляющий модуль, задающий возмущения, осуществляющий сбор и обработку результа30 тов для прогноза точности отшлифованного зубчатого колеса с учетом погрешностей заготовки, технологических компонентов и параметров наладки станка. Рис. 19. Структура имитационной модели цикла профильного зубошлифования В имитационной модели осуществлена алгоритмизация кругового цикла обработки всех впадин зубчатого колеса с учетом статистического моделирования отклонений позиционного состояния круга и заготовки на каждом профилирующем, формообразующем и делительном циклах на основе компьютерной интеграции погрешностей компонентов и схемы обработки в готовом изделии (рис.20). Сформирована методика обмена данными, обработки и представления результатов имитационной модели для принятия технологических решений по обеспечению точности профильного шлифования зубчатых колес на разных стадиях производственного цикла и технической подготовки производства. Адекватность пространственной симуляции процесса профильного шлифования косозубого колеса установлена метрологическим контролем колебания длины общей нормали в CAD-среде и на физических образцах по нормам точности на профиль зубьев и длину общей нормали. Формирование «облака» реперных точек на 3D-модели позволяет осуществить контроль виртуально «отшлифованного» колеса и корректно интерпретировать его результаты для управления точностью обработки (рис.21). Интеграция разработанных частных моделей обеспечения точности профильного шлифования зубьев цилиндрических колес в имитационной модели позволяет выявлять условия недопущения 31 брака на финишной стадии техпроцесса изготовления колеса и формировать оптимальный комплекс технологических, конструктивных и эксплуатационных параметров под заданные требования технического задания с учетом возможностей конкретного производства. Рис. 20. Последовательность имитационного моделирования профильной АЗО Рис.21. Синтезированное имитационно «отшлифованное» косозубое колесо и метрологический контроль длины общей нормали в 3D-среде По результатам имитационного моделирования формируются требования и ограничения к параметрам схемы профильного зубошлифования, требования к точности заготовки и величине припуска; вырабатываются решения, позволяющие совершенствовать технологический процесс изготовления цилиндрического колеса по критерию эффективности. 32 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. В результате проведенных исследований комплексно решена актуальная научно-практическая проблема обеспечения точности шлифования винтовых зубьев цилиндрических колес методом бесцентроидного огибания профильным кругом. Это позволяет достигать 3…4-й степени точности крупномодульных колес и повышает производительность финишной обработки их зубьев не менее чем в 3,5…4 раза в сравнении с обкатной технологией, что позволило решить важную производственную проблему, имеющую большое хозяйственное значение для экономики страны. 2. Разработаны основные положения теории профильного шлифования зубьев колес, имеющие важное значение для развития теоретических основ бесцентроидного огибания и практики изготовления прецизионных деталей с многопрофильными винтовыми поверхностями. Научно обоснована и сформирована методология исследования процессов и оборудования абразивной зубообработки цилиндрических колес с прямыми и винтовыми зубьями. Разработаны методы и система обеспечения точности, созданы инструментальные средства анализа и синтеза технологических решений профильного шлифования зубьев. Выявлены новые взаимосвязи метрологических, технологических, конструкторских и эксплуатационных параметров профильного шлифования винтовых зубьев цилиндрических колес с их выходными показателями качества и точности. 3. Проблема отсутствия методов и средств обеспечения точности профильного шлифования винтовых зубьев цилиндрических колес устранена разработкой комплекса моделей и алгоритмов управления точностью и методик направленного формирования оптимальных характеристик зубошлифовальной станочной системы. Внедренные методы и программные средства обеспечения точности позволяют управлять качеством технологических решений, сокращают сроки и издержки производства, повышают точность и производительность изготовления крупномодульных колес. 4. Разработан комплекс моделей и алгоритмов, базирующийся на математическом, компьютерном и имитационном моделировании, который включает: -математическую и имитационную модели погрешности профильного шлифования винтовых зубьев, связывающие параметры схемы бесцентроидного огибания винтовых зубьев цилиндрических колес профильным кругом с заданными нормами точности на профиль, направление зубьев, окружных шагов и колебание длины общей нормали; -модели расчета и оптимизации параметров наладки станка по критериям точности колес и качества поверхностей зубьев при профильном зубошлифовании; -математическую и имитационную модели идентификации исходной инструментальной поверхности шлифовального круга для прецизионного формообразования винтовых зубьев корригированных цилиндрических колес; -математическую модель винтового привода станочной системы, определяющую его оптимальные параметры по критериям траекторной точности и быстродействия в условиях высокой реверсивной кинетики составляющих движений и динамики возмущений; -методики расчетного анализа и проектного синтеза характеристик зубошлифовальной станочной системы, обеспечивающие достижение требуемых показателей точности профильного шлифования различными режимами и цик- 33 лами во всем многообразии топологических и геометрических исполнений цилиндрических колес; -имитационную модель цикла профильного зубошлифования, позволяющую прогнозировать исход финишной операции при возмущениях процесса, исключать брак и совершенствовать структуру техпроцесса изготовления колеса. 5. Теоретически обоснована и практически доказана возможность обеспечения прецизионной точности винтовых зубьев цилиндрических колес профильным методом. Обоснован комплекс технических условий и требований к оборудованию, обеспечивающий заданную точность зубошлифования колес профильным методом с учетом кинематических, упругих и энергетических характеристик станочной системы. Адекватность разработанных методик и моделей подтверждена имитационными экспериментами и данными натурных испытаний серийных образцов зубошлифовального оборудования, данными технологических процессов изготовления колес в железнодорожном машиностроении, станкостроении и других высокотехнологичных отраслях промышленности. 6. Результаты исследований внедрены в отечественное производство крупномодульных зубчатых колес и при создании инновационного зубошлифовального оборудования, способного реализовать профильную технологию цилиндрических колес с винтовыми и прямыми зубьями, что подтверждено соответствующими актами. Разработанные с участием автора инновационные станки для профильного зубошлифования поставлены на станкозавод «Саста», Мытищинский завод «Метровагонмаш», Московский локомотиворемонтный завод, ОАО «Пензадизельмаш». В результате решена важная производственная проблема обеспечения точности профильного шлифования цилиндрических колес с винтовыми зубьями, что позволяет достигать требуемых качественных показателей крупномодульных колес при наименьших затратах материальных и человеческих ресурсов. 7. Результаты работы представлены в виде методологического и программного обеспечения, практических рекомендаций по обеспечению точности колес профильным шлифованием цилиндрических колес и оборудования для него, использующегося в ЗАО «ТЕХОС», ЗАО «ЕЗСК», ЗАО «Саста», ООО «Самоточка», а также и при подготовке высококвалифицированных специалистов МГТУ «Станкин». Разработанные методики позволили предложить новое конструктивное решение компоновки профилешлифовального станка, защищенное авторским свидетельством №183.91.25, использованное в ООО «Самоточка» при разработке новой гаммы зубошлифовальных станков мод. СК800…1800, работающих профильным кругом, и при модернизации станка мод.5А868С. Программная реализация комплекса моделей и алгоритмов, зарегистрированная в государственном реестре программ для ЭВМ Роспатента (№ 2008.615.662, № 2009.611.962…965), сокращает сроки и повышает качество технической подготовки производства и наладок станка. Применение в реальном производстве сформированной методологии, моделей, алгоритмов и разработанного на этой основе зубошлифовального оборудования обеспечивает достижение требуемой точности изготовления крупномодульных колес профильным шлифованием, используя отечественные технологические компоненты, и тем самым устраняет импортозависимость российского машиностроения в области прецизионной зубообработки. Основные научные положения и результаты диссертации изложены в следующих 30 работах из общего количества 52 публикаций: 34 Публикации в научных изданиях, рекомендованных ВАК 1. Макаров В.М. Критерий оценки качества компоновки металлорежущего станка / В.К.Старостин, В.М. Макаров // Станки и инструмент. 1987. № 4. С.8-9. 2. Макаров В.М. Метод оценки компоновки шлицешлифовального станка / И.И. Давыдов, В.К. Ермолаев, В.М. Макаров и др. // Станки и инструмент. 1991. № 7. С.9-13. 3. Макаров В.М. Повышение производительности шлицешлифования на станке для двусторонней обработки / А.В.Чурилин, В.К. Ермолаев, В.М. Макаров // СТИН. 1997. №5. С.14-18. 4. Макаров В.М. Исследование деформированного состояния сборного режущего инструмента / В.А. Гречишников, С.В. Лукина, В.М. Макаров и др. // СТИН. 2001. № 12. С.3-5. 5. Макаров В.М. Модель точности формообразования на зубошлифовальном станке / В.М. Макаров // СТИН. 2004. № 8. С.8-13. 6. Макаров В.М. Совершенствование зубообрабатывающих станков на основе мехатронной организации их кинематических структур / В.М. Макаров // МАУ (Мехатроника, автоматизация и управление). 2005. №10. С. 38-45. 7. Макаров В.М. Модель оценки точности станка на ранних этапах проектирования / В.М. Макаров // Инженерный журнал: справочник. 2005. № 8. С.53-57. 8. Макаров В.М. Сравнительная оценка вариантов компоновки рейкошлифовального станка / В.М. Макаров // Инженерный журнал: справочник. 2005. № 8. С.57-62. 9. Макаров В.М. Направленное формирование характеристик точности зубошлифовальных станков / В.М. Макаров // СТИН. 2005. № 10. С. 38-45. 10. Макаров В.М. Модель формообразования зубчатых поверхностей абразивным инструментом / В.М. Макаров // Известия ТулГУ. Выпуск 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. С.57- 60. 11. Макаров В.М. Оценка эффективности формообразования зубчатых поверхностей абразивным инструментом / В.М. Макаров // Известия ТулГУ. Выпуск 2. Тула: Изд-во ТулГУ. 2007. С. 60-64. 12. Макаров В.М. Математическая модель схемы формообразования винтовой поверхности профильным абразивным инструментом / В.М. Макаров, К.А. Чернышов // СТИН. 2008. №7. С.2-5. 13. Макаров В.М. Имитационный синтез инструментальной поверхности дискового круга при профильном зубошлифовании / В.М. Макаров, А.С. Костерин // СТИН. 2008. №8. С. 13-17. 14. Макаров В.М. Модель управления точностью формообразования геликоидных поверхностей при проектировании станочной системы / В.М. Макаров // СТИН. 2008. №12. С. 15-20. 15. Макаров В.М. Технологическое обеспечение точности зубчатых деталей на основе новых технологий и моделирования / В.М.Макаров, А.В.Чурилин, Г.К. Корендясев // Технология машиностроения. 2009. №7. С.27-31. Статьи и материалы конференций, опубликованные в других научных изданиях 16. А.с. № 183.91.25 СССР. Станок для шлифования зубчатых изделий / В.К.Ермолаев, И.И. Давыдов, В.М.Макаров, В.И.Сутормин. 1990 г. 17. Макаров В.М. Основные направления совершенствования прецизионных зубообрабатывающих станков / В.М.Макаров // Конструкторско-технологическая информатика: сб. трудов 5-го Междунар. конгресса «КТИ-2005». М.: МГТУ «Станкин», 2005. С.123-127. 18. Макаров В.М. Двустороннее шлифование шлицевых валов/ В.М.Макаров // Сб. трудов II Междунар. науч.-техн. конф. Тюмень: Изд-во ТПУ, 2005. С.123-124. 19. Макаров В.М. Геометрическое моделирование зубчатых поверхностей /В.М.Макаров // Сб. трудов II Междунар. науч.-техн. конф. Тюмень: Изд-во ТПУ, 2005. С.125-126. 20. Макаров В.М. Направленное формирование структуры зубообрабатывающей системы по критерию эффективности / В.М.Макаров // Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии: сб. науч. трудов Междунар. науч.-техн. конф. Ч. 1. Липецк: ЛГТУ, 2006. С. 158-161. 21. Макаров В.М. Моделирование формообразования сложных поверхностей абразивным инструментом / В.М.Макаров // Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии: сб. науч. трудов Междунар. науч.-техн. конф. Ч. 1. Липецк: ЛГТУ, 2006. С. 162-164. 35 22. Макаров В.М. Компактность станочных конструкций / В.М. Макаров // Сб. докладов X науч. конф. МГТУ «Станкин» и Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «Станкин» - ИММ РАН по математическому моделированию и информатике. М.: Янус-К, ИЦ ГОУ МГТУ «Станкин», 2007. С.212-214. 23. Макаров В.М. Автоматизация профилирования дискового круга при шлифовании винтовых зубьев / В.М.Макаров А.С.Костерин // Инструментальные системы машиностроительных производств: сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф. Тула: ТулГУ, 2008. С.94-96. 24. Макаров В.М. Идентификация инструментальной поверхности/ А.С.Костерин, В.М.Макаров // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, № 2008.615.662. 2008 г. 25. Макаров В.М. Повышение эффективности абразивной обработки винтовых зубьев / В.М.Макаров // Инструментальные системы машиностроительных производств: сб. докл. Междунар. науч.-техн. конф. Тула: ТулГУ, 2008. С.92-93. 26. Макаров В.М. РЕ-метод «проектировщик-система» / В.М.Макаров // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ Роспатента № 2009.611. 962. ОБПБТ , № 3 (68), 2009. 27. Макаров В.М. Эллипсоид погрешности формообразования / В.М.Макаров // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ Роспатента № 2009.611.963. ОБПБТ, № 3 (68), 2009. 28. Макаров В.М. Структурный синтез средств механообработки / В.М. Макаров // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ Роспатента № 2009.611.964. ОБПБТ, № 3 (68), 2009. 29. Макаров В.М. Имитационное моделирование зубообразующего формообразования цилиндрических колес абразивным инструментом / В.М.Макаров, А.С.Костерин // Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе: сб. докл. 7-й Всерос. науч.-практ. конф. Новосибирск, 2009. С.26-28. 30. Макаров В.М. Повышение эффективности абразивной зубообработки на основе профильной технологии и решение проблемы ее внедрения / В.М. Макаров // Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе: сб. докл. 7-й Всерос. науч.-практ. конф. Новосибирск, 2009. С. 60-63. МАКАРОВ Владимир Михайлович ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ПРОФИЛЬНОГО ШЛИФОВАНИЯ ВИНТОВЫХ ЗУБЬЕВ КРУПНОМОДУЛЬНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОЛЕС НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Автореферат Корректор О.А.Панина Подписано в печать 26.01.10 Бум.офсет. Тираж 100 экз. Усл.печ.л. 2,0 Заказ Формат 6084 1/16 Уч.-изд.л. 2,0 Бесплатно Саратовский государственный технический университет 410054, г.Саратов, ул.Политехническая, 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ, 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77. 36
