Разработка методов повышения точности изготовления зубчатых колес двигателей летательных аппаратов на основе математического моделирования процессов обработки

Во многих отраслях промышленности — автомобилестроение, станкостроение, авиадвигателестроение, приборостроение и т. д. получили широкое распространение зубчатые передачи.

Необходимость применения механических передач определяется в основном тем, что скорости исполнительных органов машин и механизмов, необходимые для выполнения технологических и других процессов, обычно не совпадают со скоростями приводных двигателей [16].

Использование зубчатых передач в различных машинах и механизмах связано с рядом достоинств, по сравнению с другими видами передач, особенно по КПД, компактности и простоте эксплуатации [33].

В индустриально развитых странах примерно десятая часть технологического процесса в машиностроении приходится на зубообработку [11,21]. Основной лимитирующей частью трудоемкости изготовления зубчатого колеса (около 80%) являются операции по формированию зуба. Большая трудоемкость обуславливается большим съемом металла (до 30−40%), сложностью изготовления и переточки режущего инструмента, около 50% стоимости производства составляют амортизационные расходы, около 25−30% машинного времени приходится на преодоление пути врезания инструмента в заготовку и на движение деления [47].

В машиностроении зубчатые передачи, в зависимости от их назначения и конструктивных особенностей, подразделяются на: цилиндрические — при параллельном расположении валовконические — при пересекающихся или перекрещивающихся валахчервячные и винтовыепри перекрещивающихся валах. По направлению зуба — на прямозубые, косозубые, шевронные и зубчатые передачи с круговым зубом. По типу зацепления — с наружным и с внутренним зацеплением. В зависимости от профиля зубьев колес, различают три основных вида зацепления: эволь-вентное — профиль зуба образован двумя эвольвентамициклоидальноециклоидными кривымизацепление Новикова — дугами окружностей.

Наибольшее распространение получили эвольвентные зубчатые передачи, предложенные Л. Эйлером в 1754 г. Это связано с простотой изготовления по методу обкатки. При этом методе одним и тем же инструментом могут быть нарезаны колеса данного модуля и угла зацепления, но с различным числом зубьев, что облегчает изготовление детали. Из этого следует, что колеса одного и того же модуля сопрягаются между собой независимо от числа зубьев, сохраняется передаточное число и нормальная работа сопряженной пары при незначительном изменении монтажного расстояния, правильное зацепление между собой колес различных диаметров [62,78].

Развитие современного машиностроения идет по пути непрерывного возрастания удельной энергонасыщенности машин, увеличения скоростей движения и передаваемых нагрузок, с одновременным ужесточением требований к виброакустическим характеристикам машин, точности изготовления и сборки комплектующих деталей и узлов [11].

Современные тенденции развития авиадвигателестроения выдвигают следующие требования к условиям работы зубчатых передач: окружная скорость до 140 м/с, удельная нагрузка до 70 МН/м2, рабочая температура до 300 °C [20]. При этом остаются требования уменьшения массы, увеличения ресурса и надежности. Для этого необходимо решать технологические задачи по повышению точности деталей, чистоты их рабочих поверхностей и обеспечения оптимального состояния поверхностного слоя.

В настоящей работе рассматриваются проблемы повышения точности изготовления и надежности зубчатых колес на имеющемся оборудовании путем компьютеризации технологической подготовки их производства с использованием графоаналитической модели обкатки. Графоаналитическая модель обкатки представляет собой соединение графического метода построения профиля зуба (применяемого ранее) с возможностями компьютерной графики и методами ее обработки.

Зубчатые колеса являются особым, частным случаем большого класса деталей, обрабатываемых методом обкатки. Этот метод применяется для получения поверхностей сложной формы, в частности для обработки зубчатых колес (деталей с эвольвентной, или иной формой зубьев). Кроме того, метод обкатки применяется для фрезерования, долбления, точения и протягивания цилиндрических и конических валиков и отверстий фасонного поперечного сечения с профилем, повторяющимся и не повторяющимся по окружностис прямыми (параллельными оси) и винтовыми образующими деталейдеталей типа тел вращения, с прямолинейными и фасонными образующими, с кольцевыми и винтовыми поверхностямидеталей типа призматических реек с профилем, повторяющимся и не повторяющимся по длине детали, постоянного и переменного профиля [72].

Решение поставленных задач с учетом современных мировых стандартов на время освоения новых образцов техники, делают необходимым внедрение компьютеров на стадиях:

— конструкторской разработки новых изделий,.

— технологической подготовки производства,.

— собственно производства этих изделий.

— контроля точности изготовления изделия и выполнения технических требований к ним.

Внедрение нового оборудования и новых технологий невозможно без применения компьютеров. Компьютерные технологии позволяют более эффективно использовать уже имеющееся оборудование. Внедрение математического обеспечения, включающего в себя оптимизационные, итерационные и вероятностные методики, в сочетании с широким использованием баз данных, позволяет исключить случайные ошибки, существенно сократить время необходимое для технологической подготовки производства, оптимизировать полученные результаты, применить системный подход к разрабатываемому техпроцессу.

Вопросам автоматизации технологической подготовки производства в машиностроении сейчас уделяется много внимания. Создано несколько пакетов программ для технологической подготовки производства, как отечественных «Арбат», «Компас», «Крона», «Собор», так и зарубежных, «ЗоИёХУЪгкз», «РолуегМПХ» и т. д. Они позволяют успешно решать задачи технологической подготовки производства многих видов деталей. Для специфических деталей, какими являются зубчатые колеса, при проектировании таких операций, как зубофрезерование, зубодолб-ление, зубошлифование и т. п., решить все проблемы с помощью этих пакетов не удается. Существующие пакеты конструкторских программ для расчета зубчатых передач [12,37,50,52,56,71], программ по расчету режущего инструмента и расчету наладок [18,46,85,91,93], не разрешают в полном объеме технологические проблемы производства зубчатых передач. Производство зубчатых колес включает в себя специфические операции по формообразованию зуба, для технологической подготовки которых необходимо сочетание в едином пакете программ расчета геометрических параметров зубчатой передачи (конструкторский пакет программ) и составления маршрута обработки, подбора инструмента, выбор режимов обработки и т. д. (технологический пакет программ).

Целью данной работы является повышение надежности зубчатых колес путем повышения точности изготовления на имеющимся оборудовании зубчатого венца, исключения появления скрытых технологических дефектов, снижение трудоемкости производства за счет оптимизации режимов обработки и исключения ручных операций. Сокращение трудоемкости и сроков технологической подготовки производства зубчатых колес за счет автоматизации технологической подготовки производства.

Для достижения поставленной цели проводилось комплексное изучение методов проектирования и технологические процессы изготовления зубчатых колес. При разработке пакета программ для технологической подготовки зубофрезерных, зубодолбежных, зубозакругляющих, зубошлифовальных операций использовались математический анализ, аналитическая геометрия, компьютерное моделирование процесса обкатки, методы оптимизации получаемых результатов.

Впервые получены следующие основные результаты, которые выносятся на защиту:

— алгоритм расчета основных геометрических параметров зубчатого колеса по заданным расчетным параметрам на этапе черновой обработки,.

— графоаналитическая модель обкатки детали режущим инструментом с последующим компьютерным анализом полученного изображения,.

— методика расчета схемы снятия припусков, обеспечивающая равенство максимальных температур на профиле зуба при зубошлифова-нии,.

— методика расчета спирального профиля кулачков модификации для механизма профильной модификации шлифовального станка,.

— математическая модель пространственной оптимизации положения профиля зуба в зоне обработки при снятии фаски по торцу зуба конических зубчатых колес,.

— алгоритм расчета траектории движения фрезы для выполнения операции «снятия фаски по торцу зуба» на вертикально-фрезерном станке с ЧПУ.

На основе результатов, проведенных исследований, создано программное обеспечение системы технологической подготовки производства зубчатых колес. Созданы программы автоматизированного расчета управляющих программ для операции «снятие фаски по торцу зуба» конических и цилиндрических зубчатых колес.

Внедрение в производство созданной системы позволило:

— существенно сократить время расчета геометрических параметров, проводить несколько альтернативных расчетов одной зубчатой пары,.

— сократить трудоемкость подготовки управляющих программ для операции «снятие фаски по торцу зуба» в 15−20 раз, по сравнению с составлением программы вручную, при существенном повышении качества выполнения операции, во-первых, за счет получения стабильной фаски, как по эвольвентной части профиля, так и по переходным кривым во впадине зуба, во-вторых, за счет исключения ручной операции по доводке фаски,.

— проверить на стадии технологической подготовки соответствие расчетного профиля, профилю нарезаемому выбранным режущим инструментом.

Научные и практические результаты по различным разделам диссертации докладывались на «XXI научных чтениях по космонавтике, посвященных памяти С. П. Королева и других выдающихся отечественных.

11 ученых-пионеров освоения космического пространства" г. Москва, 1997 г., «Факультет повышения квалификации преподавателей МАИ» (г. Москва 1997 г.).

По теме диссертации опубликованы три печатные работы.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

В диссертации рассмотрены задачи по повышению точности изготовления зубчатых колес и качества поверхностного слоя профиля зуба, а, следовательно, и надежности передачи в целом. Для этого использовалось моделирование процесса обработки профиля зуба методом обкатки, что позволило получить координаты всего профиля зуба, включая впадину зуба и прилегающую к ней часть профиля, образованного переходными кривыми.

Нерешенными проблемами, стоящими на пути повышения надежности зубчатых колес, являются проблемы повышения точности предварительных и окончательных операций по обработке зубчатого венца, исключение возможности появления прижогов и шлифовочных трещин при шлифовании зуба, а также проблема получения стабильной фаски по торцу зуба.

Повышение точности предварительных операций является насущной проблемой, так как, во-первых, на этом этапе необходимо сформировать равномерный припуск под последующую обработку, во-вторых, окончательно обрабатывается впадина зуба.

Решение этих задач с использованием математической модели процесса обработки профиля зуба методом обкатки на ЭВМ позволило также существенно сократить трудоемкость и сроки технологической подготовки производства зубчатых колес.

В данной работе получены следующие основные результаты по решению этих задач:

1. Предложен метод расчета основных геометрических параметров зубчатого колеса при заданном «расчетном параметре». Применение метода позволило повысить точность расчета основных геометрических параметров зубчатого колеса на этапе предварительной обработки.

2. Разработана графо-аналитическая модель обкатки для контроля операции «зубофрезерование» и «зубодолбление» на стадии технологической подготовки операций.

3. Разработана методика расчета спирального профиля кулачка модификации, позволяющая шлифовать методом обкатки профиль зуба с модификацией, заданной по произвольному закону при любых параметрах модификации.

4. Разработана методика расчета полей температур по высоте зуба с учетом параметров обкатки, дающая возможность прогнозировать зоны с повышенной вероятностью появления прижогов и шлифовочных трещин.

5. Разработана методика расчета оптимальной траектории движения режущего инструмента для снятия фаски по торцу зуба цилиндрических прямозубых зубчатых колес.

6. Создана математическая модель оптимизации пространственного положения детали в зоне обработки для конических зубчатых колес со спиральным зубом. Разработанная модель позволила рассчитать наладку станка, обеспечивающую получение, стабильной по размеру и оптимальной по углу, фаски по всему профилю впадины зуба.

7. Разработан комплекс программ для ЭВМ, позволяющий автоматизировать подготовку операций предварительного и окончательного нарезания зубчатого венца, а также операции «снятие фаски по торцу зуба» .

— значительно сократить время технологической подготовки операций по обработке зубчатого венца,.

— расширить технологические возможности имеющегося оборудования,.

— повысить точность обработки и качество поверхностного слоя рабочих поверхностей зуба.