CC BY
78
22. Торнер Р. В. Основные процессы переработки полимеров (теория и методы расчета). М.: Химия, 1972. 456 с.
23. Шенкель Г. Шнековые прессы для пластмасс. Л.: Госхимиздат, 1982. 252 с.
24. Migauchi N., Saito N., Osada Y. Experimental study on multilayer shut coextrusion using feedblock method // JSW Techmical Review. 1990. № 14. P. 103-108.
25. Завгородний С. М. Оборудование для переработки пластмасс. М.: Машиностроение, 1976. 315 с.
26. Грузнов Г. Ф. Машины для переработки пластических масс. М.: Машиностроение, 1966. 220 с.
27. Dooley J., Dietsche L. Numerical simulation of viscoelastic polymer flow - effects of secondary Flows in multilayer coestrusion // Plastics engineering. 1995. № 4. P. 37-39.
28. Schrenk W.J., Veazely E.W. Multilayer // Enc. Polym. Sci. Eng. 1987. № 7. P. 106-127.
29. Hegel R. Coextrusion flow molding of large hollow articles // Coex. Europe. 1986. № 1. P. 385-389.
УДК 621.9.047/.048:621.833
ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТИ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС, ИЗГОТОВЛЕННЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОЭРОЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ
INVESTIGATION OF THE ACCURACY OF GEARS PRODUCED BY ELECTRICAL DISCHARGE MACHINING
А. В. Линовский, А. А. Федоров, А. В. Тигнибидин, С. В. Такаюк, С. В. Лаврентьев
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
A. V. Linovsky, A. A. Fedorov, A. V. Tignibidin, S.V. Takauk, S. V. Lavrentev
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. В статье представлены результаты исследования изготовления мелкомодульных зубчатых колес из стали 35 методом проволочно-вырезной электроэрозионной обработки на станке SODICK VZ300L. Цель работы - повышение точности изготавливаемых зубчатых колес. Задачей данной работы является исследование точности зубчатых колес, изготовленных по управляющей программе, при этом контур колеса отрисовывается из построенных с применением CAD-системы дуг с большим количеством расчетных точек. Контактным и бесконтактным методами исследованы геометрические параметры изготавливаемых зубчатых колес. Контактные измерения проведены на координатно-измерительной машине Лапик модели КИМ-750, бесконтактные - на инструментальном микроскопе Walter UHL VMM 150. Проведенное исследование позволило сделать вывод о том, что метод позволяет получать колеса высокой точности и есть тенденция к увеличению этой точности за счет увеличения числа аппроксимирующих элементов при построении контура изготавливаемого зубчатого колеса.
Ключевые слова: зубчатое колесо, электроэрозионная обработка, точность.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-1-167-174
I. Введение
Электроэрозионная проволочно-вырезная обработка в настоящее время получила широкое распространение при изготовлении деталей в различных отраслях промышленности. Возможность изготавливать детали сложной формы без специального инструмента является важным преимуществом проволочно-вырезной электроэрозионной обработки (ПЭЭО), что позволяет применять эту обработку к изготовлению зубчатых колес. Отсутствие потребности в специальном инструменте позволяет получить высокую экономическую эффективность данного метода обработки в единичном производстве, а также в производстве зубчатых колес нестандартного модуля. А отсутствие зависимости производительности обработки от механических характеристик при изготовлении зубчатых колес из труднообрабатываемых механически материалов является важным преимуществом.
Однако ПЭЭО имеет свои специфические недостатки при изготовлении зубчатых колес. Одним из них является то, что при ПЭЭО не может быть реализована кинематика обката, как на зубообрабатывающем оборудовании, поэтому профиль зуба будет аппроксимирован некоторым количеством элементов в виде отрезков или
дуг окружностей. Важным моментом в создании модели изготавливаемой детали и последующем создании по модели управляющей программы, является подбор потребного числа аппроксимирующих элементов в зависимости от требуемой точности зубчатого колеса, а также минимального перемещения приводов станка, называемого шагом интерполяции.
Множество авторов говорят о высокой эффективности применения ПЭЭО для изготовления зубчатых колес с малым модулем [1]. Но отмечают необходимость тщательного исследования процесса. Основные направления в области электроэрозионной обработки описаны в [2] и относятся, в том числе, и к производству зубчатых колес ЭЭО. Также существует ряд исследований, посвященных специфическим проблемам, возникающим при ЭЭО зубчатых колес.
Авторами [3] исследована целостность поверхности мелкомодульных зубчатых колес, изготовленных ПЭЭО. Авторами установлено, что комбинации режимов обработки с низкой энергией импульса дают более высокие точность и качество поверхности, микроструктуру, обеспечивающие повышение ресурса и эксплуатационных характеристик изготавливаемых колес. Результаты показывают преимущество технологии перед традиционными.
Различные исследователи рассматривали процесс получения требуемой точности, например, авторы работы [4] исследовали и оптимизировали процесс изготовления мелкомодульных цилиндрических зубчатых колес электроэрозионным способом. В частности, ими установлено, что важнейшими параметрами процесса электроэрозионной обработки, влияющими на погрешность профиля и накопленную погрешность шага, являются продолжительность импульса и паузы между импульсами, а также напряжение и скорость подачи проволоки. Взаимодействие между напряжением и паузой импульсов и временем импульса с паузой импульсов существенно влияет на отклонения обоих параметров точности. Полная погрешность профиля также существенно зависит от взаимосвязи между временем импульса и скоростью подачи. Основные причины отклонений профиля и шага колес - иррегулярность формы кратеров, создаваемых разрядами с высокой энергией и «лаг» (задержка) проволоки вследствие действия различных сил, образующихся при обработке.
В другой работе авторов [5] исследовано влияние напряжения, времени и паузы импульса, скорости подачи проволоки и скорости обработки на полную погрешность профиля и накопленную погрешность шага. Авторы рекомендуют использовать низкое напряжение и время импульса для получения точных зубчатых колес.
Авторы [6] в своей работе провели сравнение изготовления мелкомодульных зубчатых колес традиционным и ЭЭ способом. Они сделали вывод о возможности использования ЭЭО для изготовления мелкомодульных зубчатых колес.
Авторами [7] исследовано влияние параметров ЭЭО; в качестве входных параметров выбраны время и пауза импульса, скорость подачи проволоки и её натяжение, в качестве выходных скорость удаления материала и ошибка шага. Сделаны выводы, что скорость удаления материала увеличивается, и ошибка одиночного шага уменьшается с увеличением времени импульса. Также исследована поверхность, обнаружены различные дефекты на поверхности и результаты проведенного энергодисперсионного анализа показывают наличие материала электрод-инструмента в поверхности детали.
В работе [8] исследовано получение минимальной шероховатости при финишной ЭЭО. Оптимальные параметры обработки, подобранные авторами, могут использоваться в производстве, в том числе мелкомодульных зубчатых колес.
II. Постановка задачи
Опираясь на данный обзор, можно сделать вывод, что режимы обработки и их влияние на выходные параметры достаточно хорошо исследованы, однако на точность может также влиять точность самого контура, по которому генерируется управляющая программа (УП), а точность контура, в свою очередь, зависит от числа аппроксимирующих элементов, из которых составляется профиль эвольвенты.
Задачей данной работы является исследование точности зубчатых колес, изготовленных по управляющей программе, при этом контур колеса отрисовывается из построенных с применением CAD-системы дуг с большим количеством расчетных точек.
III. Теория
В работе при написании управляющей программы использовалась модель колеса, созданная в CAD-системе Компас Shaft 3D. Количество расчетных точек - 100 (50 - на рабочей поверхности и 50 - на переходной кривой). При таком количестве расчетных точек максимальное отклонение профиля при аппроксимации не превышает 0.001 мм.
Рис. 1. Сравнение зубьев, построенных с различным числом расчетных точек
На рис. 1 представлены чертежи зубьев зубчатых колес, построенных с аппроксимированием восемью элементами (максимум, реализуемый средствами системы ЧПУ станка) и 1000 элементами, построенные в CAD-системе Компас Shaft 3D, наложенные один на другой. Максимальное отклонение профилей составляет 0.004 мм. На основе представленных данных сделан вывод о низкой точности зубчатых колес, построенных в системе ЧПУ станка, и для зубчатых колес высокой степени точности такой метод построения не подходит.
IV. Результаты экспериментов В качестве предмета исследования выбраны зубчатые колеса из конструкционной стали 35 в состоянии поставки с модулем 1 и числом зубьев 25 (рис. 2), изготовленные на электроэрозионном проволочно -вырезном станке SODICK VZ300L в 4 прохода. В качестве диэлектрической жидкости использовалась дистиллированная вода. Электродом инструментом являлась жесткая латунная проволока (Cu 60%, Zn 40%). Позиция сопел - open U (полуоткрытая обработка - нижнее сопло находится на расстоянии 0.1 мм от детали, верхнее - на расстоянии более 0.1 мм от детали).
а) б)
Рис. 2. а) фотография изготовленного зубчатого колеса; б) контур изготавливаемого зубчатого колеса, в CAD-системе Компас 3D
Параметры изготавливаемых зубчатых колес приведены в табл. 1
ТАБЛИЦА 1 ПАРАМЕТРЫ ЗУБЧАТОГО КОЛЕСА
Наименование параметра Значение параметра
Число зубьев 25
Модуль, мм 1
Угол наклона зубьев 0°0'0"
Угол профиля исходного контура 20°00'00"
Коэффициент высоты головки зуба 1
Коэффициент радиального зазора 0.25
Коэффициент радиуса кривизны переходной кривой 0.38
Ширина зубчатого венца, мм 10
Коэффициент смещения исходного контура 0
Степень точности 7-C
Делительный диаметр, мм 25
Диаметр вершин зубьев Da, мм 27
Диаметр впадин зубьев Df, мм 22.5
Диаметр начальной окружности Dw, мм 25
Угол зацепления 20°00'00"
Постоянная хорда, мм 1.38705
Высота до постоянной хорды, мм 0.74758
Радиус кривизны профиля Ros, мм 5.01328
Радиус кривизны активного профиля зуба 1.68524
в нижней точке, мм
Число зубьев в длине общей нормали 3
Длина общей нормали, мм 7.73047 -0.055 -0.125
Контроль геометрических характеристик шестерни выполнен контактным и бесконтактным методами измерения. При контактном измерении использовалась гексоподная координатно-измерительная машина фирмы «Лапик» со сканирующей измерительной головкой Renishaw. При оценке точности изготовления шестерни бесконтактным методом измерения использовался инструментальный микроскоп Walter UHL VMM 150. Результаты контроля базовых поверхностей показаны в табл. 2.
ТАБЛИЦА2
РЕЗУЛЬТАТЫ КОНТРОЛЯ ЗУБЧАТОГО КОЛЕСА - БАЗОВЫЕ ПОВЕРХНОСТИ
Базовый цилиндр (цапфа)
Диаметр 15.572
Среднеквадратичное отклонение 0.007
Цилиндричность 0.032
Базовая плоскость (верхний торец)
Среднеквадратичное отклонение 0.002
Плоскостность 0.005
Параметры толщины зуба по хорде, колебания длины общей нормали, радиальное биение Fr, которое составило 0.187, отклонение шага и другие параметры показаны на рис. 3 и в табл. 3 и 4.
а)
б)
ж)
Накопленная по грецн ость шага
щ и и[ пг и
V 2- 3 4 5 в" 7 8 Э ' 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1Э 20 21 '22 23 24 ¿5' Номер шага
Рис. 3. Измеренные параметры: а) толщина зуба по хорде; б) колебание длины общей нормали; в) радиальное биение; г) отклонение шага левых профилей; д) накопленная погрешность шага левых профилей; е) отклонение шага правых профилей; ж) накопленная погрешность шага правых профилей
ТАБЛИЦА 3
РЕЗУЛЬТАТЫ КОНТРОЛЯ ЗУБЧАТОГО КОЛЕСА - ПАРАМЕТРЫ ЗУБЬЕВ И ДЛИНЫ ОБЩЕЙ НОРМАЛИ
Параметр Величина
Высота до хорды, ^ 0.748
Толщина зуба по постоянной хорде, Sc 1.387
Средняя толщина зуба, Scm 1.411
Отклонение толщины зуба, Ecr 0.024
Колебание толщины зуба, Fsc 0.155
Максимальная толщина зуба, Scmax 1.546
Минимальная толщина зуба, Scmin 1.391
Номинальная длина общей нормали, Ж 7.730
Число зубьев, охватываемых общей нормалью, ш 3
Средняя длина общей нормали, Жт 7.752
Отклонение средней длины общей нормали, Ем>т 0.022
Колебание длины общей нормали, 0.081
Максимальная длина общей нормали, Жтах 7.818
Минимальная длина общей нормали, Жтт 7.737
ТАБЛИЦА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ КОНТРОЛЯ ЗУБЧАТОГО КОЛЕСА - ШАГОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРАВЫХ И ЛЕВЫХ ПРОФИЛЕЙ
Параметр Величина
Погрешность шага левых профилей
Номинальный шаг, pt 3.142
Верхнее предельное отклонение шага, 0.054
Нижнее предельное отклонение шага, -fpt -0.064
Разность шагов, Jvpt 0.118
Номинальный шаг зацепления, рЬ 2.952
Верхнее предельное отклонение шага зацепления, +/рЬ 0.051
Динамика систем, механизмов и машин. 2018. Том 6, № 1
ОКОНЧАНИЕ ТАБЛИЦЫ 4
Нижнее предельное отклонение шага зацепления, -/рЬ -0.061
Разность шагов зацепления, ^Ь 0.111
Накопленная погрешность шага по зубчатому колесу, Fp 0.099
Накопленная погрешность шагов, Fpz/8 -0.003
Погрешность шага правых профилей
Номинальный шаг, pt 3.142
Верхнее предельное отклонение шага, +fpt 0.060
Нижнее предельное отклонение шага, -Гр1 -0.068
Разность шагов, 0.129
Номинальный шаг зацепления, рЬ 2.952
Верхнее предельное отклонение шага зацепления, +фЬ 0.057
Нижнее предельное отклонение шага зацепления, -фЬ -0.064
Разность шагов зацепления, 1\рЬ 0.121
Накопленная погрешность шага по зубчатому колесу, Fp 0.068
Накопленная погрешность шагов, Fpz/8 -0.008
Полученное на микроскопе Walter UHL VMM 150 облако точек преобразовано в кривую линию и наложено на расчетную модель контура шестерни согласно требуемым стандартам (рис. 4а).
а)
Рис. 4. а) наложение облака точек; б) контур зубьев 22-23
V. Обсуждение результатов
В процессе измерения зубья с 22 по 25 имели значительные отклонения от общей картины измерения контура (рис. 4б). Это связано с базированием зубчатого колеса на станке при обработке. Так как зубчатое колесо с внешним зацеплением невозможно обработать более чем в один проход при проволочной электроэрозионной обработке за один установ без применения специальных поворотных приспособлений, был обработан контур, за исключением названных 3 -х зубьев в четыре прохода, а затем в один проход завершена обработка. В связи с этим получены большие величины отклонений на 3-х зубьях. Применение специальных поворотных приспособлений позволит избежать данных погрешностей.
Изготовленные зубчатые колеса соответствуют седьмой степени точности по ГОСТ 9178-81, за исключением ряда параметров зубьев 22-25. Необходимо применение другой схемы базирования изготавливаемых зубчатых колес или проведение финишной обработки. Финишная обработка также позволит удалить дефекты поверхности, полученные электроэрозионной обработкой и повысить точность. Предлагается применение электрохимической обработки на базе статико-гидродинамического электролиза.
VI. Выводы и заключение
В данном исследовании были изучены зубчатые колеса, изготовленные электроэрозионной обработкой. Основные результаты сформулировали следующим образом:
- стандартное программирование на станке содержит мало аппроксимирующих элементов, требуется применение CAD систем, позволяющих использовать большее число аппроксимирующих элементов;.
- по результатам проведенных замеров изготовленные колеса соответствует седьмой степени точности;
- необходимо изменение схемы базирования и применения специальных поворотных приспособлений для повышения точности.
Список литературы
1. Gupta K., Jain N. K., Laubscher R. F. Spark erosion machining of miniature gears: a critical review //The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015. № 80 (9-12). P. 1863-1877. https://doi.org/10.1007/s0017.
2. Ho K. H., Newman S. T. State of the art electrical discharge machining (EDM) // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2003. 43(13). P. 1287-1300. https://doi.org/10.1016/S0890-6955(03)00162-7.
3. Gupta K., Jain N. K. On surface integrity of miniature spur gears manufactured by wire electrical discharge machining // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2014. № 72(9-12). P. 1735-1745. https://doi.org/10.1007/s00170-014-5772-0.
4. Gupta K., Jain N. K. Analysis and optimization of micro-geometry of miniature spur gears manufactured by wire electric discharge machining // Precision Engineering. 2014. № 38 (4). P. 728-737. https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2014.03.009.
5. Gupta K., Jain N. K. On micro-geometry of miniature gears manufactured by wire electrical discharge machining // Materials and Manufacturing Processes. 2013. № 28 (10). P. 1153-1159. https://doi.org/10.1080/10426914.2013.792422.
6. Ali M. Y. et al. Comparative study of conventional and micro WEDM based on machining of meso/micro sized spur gear // International Journal of Precision Engineering and Manufacturing. - 2010. - 11 (5). - P. 779-784. https://doi.org/10.1007/s12541-010-0092-2
7. Mohapatra, K. Das, & Sahoo, S. K. Optimization of Single Pitch Error and MRR in a WEDM Gear Cutting Process // Precision Product-Process Design and Optimization. 2018. P. 285-312. http://doi.org/10.1007/978-981-10-8767-7.
8. Liao Y. S., Huang J. T., Chen Y. H. A study to achieve a fine surface finish in Wire-EDM // Journal of Materials Processing Technology. 2004. № 149 (1-3). P. 165-171. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2003.10.034.
