CC BY
80
ВОПРОСЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАЛОГАБАРИТНЫХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ С НЕСТАНДАРТНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ
В.М. Медунецкий, С.А. Горбунов
Данная статья посвящена основным проблемам изготовления и оптимизации зубчатых механизмов. В статье рассматриваются нестандартные зубчатые зацепления и новые технологии изготовления малогабаритных зубчатых колес.
Введение
В настоящее время в технике наблюдается тенденция к миниатюризации механизмов и использовании различных видов современных пластических масс и композиционных материалов. В этом случае найден определенный баланс между техническими, технологическими и эксплутационными показателями механических устройств, с одной стороны, и экономическими - с другой. Широкое применение современных пластмасс стало возможным благодаря комбинации их технических свойств - низкой плотности, высокой эластичности и износостойкости, химической и коррозиционной стойкости, низким коэффициентом трения. Одно из основных достоинств таких материалов - возможность изменять технические свойства в большом диапазоне. Пластмассовые зубчатые колеса применяют при небольших нагрузках и повышенных требованиях к шуму, коррозионной стойкости, износостойкости. Кроме того, зубчатые колеса из пластмассы и композиционных материалов в 3-5 раз легче, чем зубчатые колеса из металлов и сплавов. Это позволяет использовать такие передачи в узлах современных малогабаритных роботов и в условиях, где важное место занимает масса и геометрические параметры передачи, например, в космической промышленности. Целесообразно использовать пластмассы для колес, работающих в узлах современных роботов, условиях низких давлений или в вакууме, например для летательных аппаратов и космической промышленности. Основным недостатком, вследствие использования менее прочных материалов, является уменьшение прочности изделий, в частном случае - контактной и изгибной прочности зубчатых колес.
Основная часть
В некоторых малогабаритных зубчатых механизмах назначаются различные режимы эксплуатации в различных направлениях в связи с миниатюризацией зубчатых передач. Также малогабаритные зубчатые передачи стали работать в напряженных условиях. Поэтому во многих случаях возникает необходимость повышения нагрузочной способности зубчатых передач, повышения их надежности и работоспособности. Одним из вариантов оптимизации зубчатых механизмов является использование нестандартных зубчатых колес. Используя нестандартные зубчатые зацепления, можно повысить показатели прочности зубчатой передачи без значительного увеличения габаритов. Однако изготовление нестандартных зубчатых колес очень часто затруднено сложностью геометрической формы зуба, что, в свою очередь, ведет к высоким затратам на изготовление нестандартных зубчатых звеньев либо к невозможностью изготовления зубчатых колес данного вида классическими методами. Целью работы служит предложение новых технологий для изготовления нестандартных зубчатых колес.
К нестандартным зубчатым колесам следует, в первую очередь, отнести двухвен-цовые зубчатые колеса и зубчатые колеса с несимметричным профилем.
Задачу повышения нагрузочной способности, а также плавности работы зубчатой передачи в некоторых случаях можно решить, используя двухвенцовые зубчатые колеса. Известно, что металлические двухвенцовые передачи рассматривались П.В. Миро-
новым (который проводил исследования под руководством профессора К.И. Гуляева) с точки зрения улучшения плавности работы зубчатой передачи (для улучшения условий пересопряжения в зоне зацепления). В данном случае рассматриваются двухвенцовые зубчатые колеса с укороченным по высоте зубом с целью увеличения не только плавности работы, но и изгибной прочности за счет увеличения толщины зуба, что, в свою очередь, позволяет увеличить нагрузочную способность.
Зубчатые венцы шестерни и зубчатого двухвенцового колеса состоят из двух одинаковых частей на единой основе-ободе (рис. 1), которые повернуты относительно своих осей вращения и, соответственно, друг относительно друга на 0,5 Р, где Р - шаг по делительным окружностям. Зацепление в такой передаче осуществляется попеременно (последовательные циклы зацепления). Для осуществления именно последовательного попеременного зацепления коэффициент зацепления каждой пары в отдельности теоретически должен быть равен е12= 0,5 и е21= 0,5. Суммарный номинальный коэффициент всей передачи е = е12 + е21=1,0. В этом случае имеется возможность увеличения нагрузочной способности передачи за счет увеличения толщины зубьев венца [3].
Рис. 1. Фрагмент двухвенцового зубчатого колеса
Передачи, составленные из зубчатых колес с несимметричными зубьями, используются тогда, когда нагрузка на зуб при вращении в прямом и обратном направлении неодинакова, либо нагрузка одинакова, но используется для одного из профилей в течение существенно более длительного периода времени. Применяя зубчатые передачи с несимметричным профилем звеньев, можно значительно повлиять на геометрические параметры зацепления: при необходимости увеличить угол зацепления, повысить коэффициент перекрытия, уменьшить удельное скольжение профилей, а между зубцами впадины вписать более пологую переходную кривую и, таким образом, спроектировать зубцы с наименьшей концентрацией напряжений у основания. Зубчатая пара, составленная из колес с несимметричными зубьями, работает в прямом и обратном направлении вращения при различных углах зацепления (рис. 2) [4].
Рис. 2. Зубчатая пара, составленная из колес с несимметричными зубьями
Таким образом, целесообразно применять нестандартные зубчатые звенья в малогабаритных механизмах и в передачах
По сравнению с другими методами (изготовление моделей из пенопласта и прочих подобных материалов или на станках с ЧПУ), существовавшими до середины 1980-х гг., появление систем быстрого изготовления прототипов было переворотом в технологии. Вместо того чтобы ждать физические модели на протяжении нескольких недель, конструкторы могут получать их через несколько дней или часов.
В настоящее время на рынке существуют различные RP-системы, производящие модели по различным технологиям и из различных материалов. Однако все существующие системы для быстрого прототипирования работают по схожему, послойному принципу построения физической модели, который заключается в следующем:
• считывание трехмерной геометрии из 3D CAD-систем в формате STL (обычно твердотельные модели, или модели с замкнутыми поверхностными контурами). Все CAD-системы твердотельного моделирования могут выдавать файлы STL;
• разбиение трехмерной модели на поперечные сечения (слои) с помощью специальной программы, поставляемой с оборудованием или используемой как приложение;
• построение сечений детали слой за слоем снизу вверх, до тех пор, пока не будет получен физический прототип модели.
Возможности RP-технологий в плане точности изготовления, а также использования различных материалов пока ограничены. В связи с этим некоторые изделия ввиду сложности конструкции, функциональных свойств и свойств материалов целесообразно изготавливать путем сочетания RP-технологий с традиционными.
Технология литья под вакуумом в силиконовые формы применяется для изготовления небольших (20-80 шт.) партий деталей из полиуретановых материалов и эпоксидных смол, имитирующих эксплуатационные свойства термопластов (ПЭ, 1111, АБС, ПММА, ПК и др.). Основными преимуществами данной технологии являются:
• быстрота изготовления оснастки;
• возможность применения полученных деталей по прямому назначению;
• получение партии деталей в течение двух-трех недель;
• изготовление деталей различных габаритов и сложности (в том числе и любого нестандартного зубчатого контура), максимально приближенных по потребительским свойствам к серийным деталям.
Мастер-модель для литья в силиконовые формы может быть изготовлен с помощью любого из методов быстрого прототипирования или другими способами.
В крупносерийном и массовом производствах пластмассовых изделий стойкость пресс-форм должна обеспечивать изготовление тысяч изделий, что предопределяет необходимость использования металлических пресс-форм из качественных сталей. Проблема усложняется тем, что для получения высококачественных изделий необходимо обеспечить строгий и равномерный режим охлаждения пластмассы в пресс-форме. Практически это означает то, что охлаждающие каналы должны максимально повторять формы изготавливаемых изделий, что невозможно сделать с помощью традиционных технологий.
В результате анализа современных возможностей технологий быстрого прототи-пирования было определено, что для вышеуказанной цели больше всего подходит идея RP-технологии с использованием листовых материалов. Суть этой технологии заключается в следующем. Изделие, в данном случае пресс-форма, проектируется на компьютере, при этом форма и размеры охлаждающих каналов соответствуют строгим теоретическим расчетам, гарантирующим высокое качество изготавливаемого изделия. По результатам компьютерного проектирования каждый слой изготавливается с помощью лазерной установки из листового материала требуемой марки. В частном случае эта операция может выполняться с помощью традиционных технологий (например, фрезе-
рованием). Изготовленные из листового металла слои пресс-формы собираются вместе и сжимаются с помощью специальных устройств, например скоб [1]. Сжатый пакет листовых слоев сваривается с помощью диффузионной сварки, приобретая монолитный характер, соответствующий по прочности цельному изделию. В случае необходимости, отдельные поверхности изделия можно подвергать традиционной механической дополнительной обработке.
Этот процесс создания изделий от возникновения идеи до запуска в производство схематически изображен на рис. 3.
Рис. 3. Схема создания пресс-форм из листовых материалов
В том случае, когда требуются 20-100 прототипов зубчатых колес (т. е. для мелкосерийного производства) и необходимо, чтобы они были отлиты под давлением из промышленной пластмассы, эластичная оснастка не подходит. В то же время при изготовлении нескольких сотен или нескольких тысяч деталей, невозможно окупить затраты на стальную серийную оснастку. Эту задачу можно решить с помощью так называемой «промежуточной оснастки», которая используется в тех случаях, когда применение серийной оснастки экономически нецелесообразно, а эластичная оснастка не позволяет изготавливать детали, которые по характеристикам аналогичны деталям, изготавливаемым литьем пластмасс под давлением.
Один из наиболее эффективных способов - литье под давлением в формы, построенные непосредственно из стереолитографического полимера.
При изготовлении зубчатых колес с несимметричным профилем следует обратить внимание на некоторые особенности. Важно выдержать время цикла при работе с оснасткой. Очень важно не пытаться слишком быстро разнимать форму. Опыт показал, что разрушение форм, изготовленных из полимера, происходит не в процессе литья, а возникают как раз во время извлечения отливки из пресс-формы. Поэтому более длительный цикл позволяет обеспечить лучшее остывание залитой пластмассы, уменьшая прилипание отливки к полимерной вставке.
Другим моментом, представляющим интерес, является использование антиадге-зивов для пресс-форм. Антиадгезив необходимо наносить на формообразующие поверхности перед каждым циклом впрыск/извлечение. Без этого отливка будет прилипать к формообразующей поверхности, и при ее извлечении на форме могут появиться трещины и сколы. В дальнейшем при отливке изделий на их поверхности будут воспроизведены эти дефекты.
Основное преимущество такого способа изготовления формы состоит в том, что формообразующие пуансона и матрицы изготавливаются непосредственно на установ-
ке стереолитографии. Следовательно, никакие вспомогательные процессы, за исключением очистки стереолитографической детали, удаления элементов поддержки, пескоструйной обработки и полировки, не требуются. Однако существуют и недостатки.
Удельная теплопроводность отвержденных стереолитографических полимеров приблизительно в 300 раз ниже, чем у стандартной инструментальной стали, что значительно снижает скорость передачи тепла от пластмассовой детали к оснастке [1]. Поэтому рекомендуемый цикл составляет 4-5 мин., в отличие от стандартного цикла (5-15 с) для литья под давлением с использованием стальной оснастки.
Стереолитографические формы имеют невысокую механическую прочность, особенно при высоких температурах литья под давлением. Как указывалось ранее, повреждение оснастки часто возникает при извлечении отливки, особенно если сокращено время цикла.
Заключение
Таким образом, в малогабаритных механизмах целесообразно использовать нестандартные зубчатые звенья, способные работать в экстремальных условиях.
В результате анализа современных технологий были выделены технологии, позволяющие изготовить практически любой нестандартный зубчатый профиль в условиях единичного, мелкосерийного и массового производства.
Литература
1. Валетов В. А., Бобцова С.В. Новые технологии в приборостроении - СПб:СПБГУ ИТМО, 2004
2. Валетов В.А., Мурашко В.А. Основы технологии приборостроения / Учебное пособие. - СПб: СПБГУ ИТМО, 2006
3. Медунецкий В.М. Обеспечение качественных показателей комбинированных цилиндрических передач - СПб: Политехника, 2002. - 160 с.
4. Тимофеев Б.П., Фролов Д.А. Расчет геометрических параметров цилиндрических эвольвентных передач с несимметричными зубьями // Теория механизмов и машин. Вып. 2 (6). Т. 3. СПб: СПбГПУ, 2005 - С. 15-29.
