CC BY
102
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013
62
удк 621.914.6 Е. В. АРТАМОНОВ
В. В. КИРЕЕВ
Тюменский государственный нефтегазовый университет
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ СМЕННЫХ РЕЖУЩИХ ПЛАСТИН ЧЕРВЯЧНОЙ ФРЕЗЫ
В работе приведены результаты исследования напряженно-деформированного состояния зуба червячной фрезы во время зубофрезерования посредством имитационного моделирования, используя программное обеспечение Компас-3D и ANSYS.
Ключевые слова: зубофрезерование, инструмент, твердый сплав.
В работе машиностроительных предприятий большую роль играет инструментальная оснастка. Одним из важнейших элементов инструментальной оснастки является режущий инструмент. Замена инструмента из быстрорежущий стали на сборный инструмент с использованием сменных многогранных пластин из твердого сплава даёт повышение производительности и в целом эффективность обработки.
Для анализа процесса фрезерования червячной фрезой было графически промоделировано движение заготовки и червячной фрезы в системе Ком-пас-3D.
За образец для сравнения была взята обычная полнопрофильная червячная фреза (число зубьев на рейке 7, число реек 8). Параметры нарезаемой шестерни: модуль 5, число зубьев 30, делительный диаметр 150 мм. Подача фрезы осуществляется вертикально с последующим постепенным врезанием зубьев в заготовку (рис. 1).
Метод графического имитационного моделирования процесса зубофрезерования заключается в наглядном изображении фрезы в процессе её работы. Это дает нам проследить маршрут обработки колеса фрезой. В результате этого можно получить пятна контакта. Величина площади пятен контакта покажет нам какие пластины нагружаются больше других. Для того, чтобы графически смоделировать процесс зубофрезерования, необходимо правильно расположить в пространстве (на чертеже) нарезаемое колесо и фрезу.
Необходимо найти угловой шаг поворота колеса Sк. Эта величина характеризует поворот колеса на какой-то угол при врезании в корпус следующей по счету пластины.
=
N п — 1
(1)
где z — число зубьев колеса;
N — число витков фрезы; п — число пластин в витке. В данном случае:
Эк =
360 30 1 8-1
= 12”
(12)
с _5Ф
— г
где Sф — подача на зуб, мм/об; Zф — число зубьев на витке.
(3)
Подача на зуб рассчитывается по формуле:
8К = = 0,3125мм/зуб.
В процессе обкатки измерялись площади пятен контакта передней поверхности каждого зуба, т.к. максимальные нагрузки подобные зубья испытывают при врезании в заготовку. Силы резания при зу-бофрезеровании зависят от площади данных пятен. По результатам полученных данных о площадях пятен контакта были построены графики в зависимости величины площадей срезаемых слоёв от номера подачи (рис. 3).
На рис. 2 показаны фрагменты имитационного моделирования для полнопрофильной фрезы. Видно, что зуб работает одновременно и верхней, и боковыми кромками. В результате образуется сложная трёхэлементная стружка, форма которой затрудняет её благоприятный сход.
На рис. 3 показан график в зависимости площадей срезаемых слоёв от вертикального перемещения инструмента. Из графика видно, что наиболее нагружены зубья № 3 и № 4. Максимальная площадь пятна контакта составляет 2,8 мм2 (зуб № 4). Нагрузка зуба № 4 достигает максимума в середине зубо-нарезания (подачи №№ 80 — 90). Зуб № 3 нагружен более равномерно, максимальная площадь пятна контакта=1,5 мм2. Зубья № 2 и № 5 менее нагружены, максимальные площади равны соответственно 1 и 1,2 мм2.
Второе имитационное моделирование было проведено для фрезы с прогрессивной схемы резания (рис. 4).
На рис. 5 представлены фрагменты площадей пятен контакта для прогрессивной фрезы. Имитационное моделирование подтверждает, что прогрессивные зубья работают разными частями — один зуб врезается верхней кромкой, другой — боковыми. В результате происходит разделение стружки на части, что облегчает её сход, уменьшает нагрузку на кромку зуба и, как следствие, силы резания.
Площади на передней поверхности режущей пластины сборной чевячной фрезы с полнопрофильной схемой резания
Верикальное перемещение инструмента (цена деления=0,3125 мм) Рис. 3. График загрузки зубьев полнопрофильной фрезы
----Зуб №2
....Зуб №3
----Зуб №4
- - Зуб №5
Рассчитаем геометрию реек прогрессивной фрезы. Прогрессивные зубья отличаются от полнопрофильных на соответствующие величины завышения е1 и заужения е2 (рис. 6). Размеры е1 и е2 выбираются в зависимости от модуля, числа зубьев нарезаемого колеса и числа заходов фрезы. Номинальное завышение е1 для однозаходной фрезы с модулем 5 составляет 0,2 мм, номинальное заужение е2 для этой же рейки равно 0,15 мм. Значения е1 и е2 получены на основе теоретических и экспериментальных исследований при зубофрезеровании колёс моду-
ля 2...2,5 фрезами с числом зубьев z0=12 и модуля 2,5...10 мм с z0=10. При числе зубьев, отличном от этих значений, табличные величины е1 и е2 необходимо умножать на поправочный коэффициент К', который считается по формуле (для фрез с модулем 2,5.10 мм):
где z0 — число зубьев на витке фрезы.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
63
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013
64
в)
г)
Рис. 4. Имитационное моделирование зубофрезерования с прогрессивной схемой резания: а, б) имитационная модель для завышенного и зауженного исходного контура инструментальной рейки; в, г) имитационная модель для заниженного и широкого исходного контура инструментальной рейки
Рис. 5. Фрагменты площадей пятен контакта зубьев полнопрофильной фрезы
Рис. 6. Величины завышения е! и заужения е2
Рис. 7. Геометрия исходных инструментальных реек спроектированной фрезы с прогрессивной схемой резания
Площади на передней поверхности завышенной и зауженной режущей пластины исходной инструментальной рейки сборной червячной фрезы с прогрессивной схемой резания
S. мм2
--------Зуб №2
.......Зуб №3
--------Зуб №4
--------Зуб №5
Верикальное перемещение инструмента (цена деления=0,3125 мм)
а)
Площади на передней поверхности заниженной и широкой режущей пластины исходной инструментальной рейки сборной червячной фрезы с прогрессивной схемой резания
Sr мм2
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
од
о
тг
а
тг
ПИШШШЯНИШШ!
МИШ 11ИI3! и 1Я1Я ШI
т ши д-1 Р.П11111 пн т ? и кипим
КШШИИI и: 1^ I 1IV! I 1:1;'111111IIIIII11№11
МПЛИПП.ППИЛМ^М^ПИШШГПИППШМ!
гмгмгпгп«з-ч-1пт^и>г^гн.ООСОа^<лоо»-1»ч
и и и и
--------Зуб №2
*«•••••• Зуб №3
Зуб №4 - - -Зуб №5
Верикальное перемещение инструмента (цена деления=0,3125мм) б)
Рис. 8. График загруженности зубьев исходной инструментальной рейки прогрессивной червячной фрезы: а) площади на передней поверхности завышенной и зауженной исходной инструментальной рейки сборной червячной фрезы с прогрессивной схемой резания б) площади на передней поверхности заниженной и широкой исходной инструментальной рейки сборной червячной фрезы с прогрессивной схемой резания
В данном случае: Высота зауженных зубьев принимается в соот-
ветствии с ГОСТ «Фрезы червячные однозаходные» К = — = 1,25. и будет равна для модуля 5 равной 12,5 мм.
8 Высота заниженных зубьев будет равна:
В соответствии с поправочным коэффициентом значения е1 и е2 будут равны: 11 = 11 — е (5)
е. = 0,20-1,25 = 0,25 (мм) е2 = 0,15-1,25 = 0,1875» (мм) 11 = 12,5-0,25=12,25 (мм)
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
Ш £Ql=S ошшшш оншии
Ширина заниженного зуба принимается по стандарту (ГОСТ «Фрезы червячные однозаходные»). Для модуля 5 ширина зуба $п[| = 8,02 мм.
Ширина завышенных зубьев по делительной окружности будет равна (рис. 7):
5ь=5п-2е2 (6)
Бь = 8,02 - 2 ■ 0,1875 = 8,02 - 0,375 = 7,645(мм)
По результатам графика нагруженности зубьев (рис. 8 а,б) видны изменения прогрессивного фрезерования в сравнении с полнопрофильным. Нагрузка на зубья снижена, зубья нагружены более равномерно. Максимальная нагрузка на зуб № 4 смещается ближе к началу фрезерования (площадь пятна контакта составляет 1,9 мм2). Максимальная площадь пятна контакта зуба № 3 составляет 1,4 мм2. Зубья № 2 и № 5 задействованы меньше, чем в полнопрофильной схеме резания, площади пятен контакта срезаемых слоёв для этих зубьев не превышают
0,4 мм2.
По результатам сравнения двух графиков площадей пятен контакта для полнопрофильной и прогрессивной схемы фрезерования можно сделать следующие выводы:
1. Изменяется характер резания. Если в случае полнопрофильного фрезерования площадь срезаемых слоёв постепенно увеличивается к середине времени нарезания и после этого начинает постепенно уменьшаться, то при прогрессивном резании максимальные площади срезаемых слоёв находятся в самом начале резания. При этом нагрузка на прогрессивные зубья более равномерна, что более благоприятно для конструкции инструмента.
2. При прогрессивном резании уменьшается площадь пятен контакта в сравнении с полнопрофильным резанием. Максимальная площадь пятна контакта у полнопрофильной фрезы составляет 2,85 мм2, у прогрессивной фрезы — 1,9 мм2. Уменьшение площади пятна (а соответственно, и нагрузки на зубья) также способствует уменьшению износа режущих кромок зубьев.
3. В прогрессивной схеме резания больше задействованы зубья № 3 и № 4, зубья № 2 и № 5 почти не нагружены, в сравнении с полнопрофильной схемой. Таким образом, можно заключить, что при прогрессивном резании нагрузка на зубья будет меньше, чем при полнопрофильном, благодаря разделению стружки и попеременной работе зубьев. Меньшая нагрузка снижает силы резания, тем самым повышая эффективность режущего инструмента.
Так как во время моделирования процесса зу-бофрезерования, поэтому полученных контуров режущей пластины фрезы на заготовке очень много. Ниже представлено НДС пластины самого начала зубофрезерования, то есть показаны первые 5 пятен контакта зуба червячной фрезы с заготовкой. Для получения картин НДС режущей пластины в систему ANSYS импортировалась 3-мерная модель с пятном контакта по передней поверхности зуба фрезы. При исследовании влияния какого-либо параметра СМП на их напряженно-деформированное состояние [1, 2] сравнивались величины и характер распределения главных напряжений о1, полученные при расчете конечно-элементных моделей СМП. Граничные силовые характеристики определялись по методике профессора Ю. А. Розенберга.
Результаты исследования НДС пластины:
1. Первое положение зуба фрезы в теле заготовки (рис. 9), на рис. 10 распределение главного напряжения а1 на передней поверхности зуба червячной фрезы .
2. Второе положение зуба фрезы в теле заготовки (рис. 11), на рис. 12 распределение главного напряжения а1 на передней поверхности зуба червячной фрезы.
В данном положении зуба фрезы наблюдается увеличение пятна контакта зуба с заготовкой, это обусловлено увеличением силовой нагрузки по передней поверхности зуба фрезы и соответственно рост опасных напряжений растяжения о1.
3. Третье положение зуба фрезы (рис. 13), на рис. 14 распределение главного напряжения а1 на передней поверхности зуба червячной фрезы .
Так же как и во втором случае, растет главное напряжение о1.
4. Четвертое положение зуба фрезы (рис. 15), на рис. 16 распределение главного напряжения а1 на передней поверхности зуба червячной фрезы.
В данном положении зуба фрезы в заготовки пятно контакта уменьшается, но напряжение растяжения а1 растет. Это связано с тем, что рассеивание пятна контакта по передней поверхности больше, чем в предыдущем случае и, как следствие, увеличивается силовая нагрузка по передней поверхности
и, соответственно, изгибающий момент режущего клина инструмента.
5. Пятое положение зуба фрезы (рис. 17), на рис. 18 распределение главного напряжения а1 на передней поверхности зуба червячной фрезы.
В данном положении зуба фрезы в заготовке пятно контакта уменьшается и соответственно растяжения о1. Это связано с тем что рассеивание пятна контакта по передней поверхности больше, чем в предыдущим случае, потому что зуб фрезы все больше и больше внедряется в заготовку. То есть изменяется в сторону уменьшения изгибающий момент.
Выводы
1. Разработана методика определения НДС пластин в зависимости от пятна контакта по передней поверхности зуба сборной фрезы для обработки.
2. Установлена эффективность прогрессивной схемы резания перед полнопрофильной схемой.
3. Получен график загрузки режущих зубьев на всём этапе процесса формирования впадины полнопрофильной схемы резания, показывающий неравномерность загрузки режущих зубьев режущей пластины.
4. Получены графики прогрессивной схемы резания, которые показывают минимальную неравномерность загрузки режущих зубьев инструмента.
5. Установлено, что возможно применить прогрессивную схему зубофрезерования для сборных червячных фрез с СМП.
Библиографический список
1. Артамонов, Е. В. Прочность и работоспособность сменных твердосплавных пластин сборных режущих инструментов / Е. В. Артамонов. — Тюмень : ТюмГНГУ, 2003. — 192 с.
2. Артамонов, Е. В. Расчет и проектирование сменных режущих пластин и сборных инструментов / Е. В. Артамонов, Т. Е. Помигалова, М. Х. Утешев ; под общ. ред. М. Х. Утеше-ва. — Тюмень : ТюмГНГУ, 2011. — 152 с.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013
АРТАМОНОВ Евгений Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Станки и инструменты».
Адрес для переписки: EvgArt2014@mail.ru
КИРЕЕВ Виталий Владимирович, ассистент кафедры «Станки и инструменты».
Адрес для переписки: cleantitan@rambler.ru
Статья поступила в редакцию 03.06.2013 г.
© Е. В. Артамонов, В. В. Киреев
уДК 621.752.3 ю. А. БУРЬЯН
С. Н. ПОЛЯКОВ Ю. П. КОМАРОВ
Омский государственный технический университет
Научно-производственное предприятие «Прогресс», г. Омск
РЕЗИНОКОРДНАЯ ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКАЯ ОПОРА С ИНЕРЦИОННЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ДВИЖЕНИЯ__________________________________________
В статье рассмотрены принцип построения и математическая модель низкочастотной виброизоляционной опоры, в которой в одном конструктиве параллельно установлены резинокордный пневматический амортизатор и гидравлический инерционный преобразователь движения на базе резинокордной оболочки, заполненной жидкостью. В работе показано, что согласованием характеристик пневматической опоры и гидравлического инерционного преобразователя движения можно получить высокоэффективные низкочастотные виброизоляторы для вывешивания силовых агрегатов в различных отраслях промышленности.
Ключевые слова: виброизоляция, резинокордная оболочка, амортизатор, преобразователь движения, гидроопора.
В работе рассмотрен принцип построения и математическая модель низкочастотной виброизоля-ционной опоры, состоящей из резинокордных пневмоэлемента и гидравлического инерционного преобразователя движения.
Пневматические упругие элементы на базе резинокордных оболочек (РКО) давно и с успехом применяются в качестве виброизоляционных опор в различных отраслях промышленности. Их широкое применение обусловлено тем, что они обладают рядом уникальных положительных качеств:
— низкие частоты собственных колебаний;
— возможность регулирования характеристик (жёсткость, нагрузочная способность);
— надёжность и длительность эксплуатации и т.д.
Характеристики пневмоамортизатора с РКО
могут быть значительно улучшены при использовании в одной опоре параллельно с пневмоэлементом гидравлического инерционного трансформатора (ГИТ) на базе РКО, заполненной жидкостью. В этом случае имеется возможность варьирования в широких пределах характеристиками инерционных трубок вследствие достаточно большого объёма РКО с жидкостью, и при этом сохраняются достоинства освоенных промышленностью, надёжных и долговечных РКО. Методы расчёта и результаты экспери-
ментальных работ по гидроопорам с ГИТ достаточно полно изложены в работах института машиноведения им. Благонравова [1, 2].
Принципиальная схема опоры на базе РКО модели Н-48 и И-09 показана на рис. 1.
Необходимо отметить, что большая номенклатура РКО, разрабатываемых и изготавливаемых в ФГУП «НПП «Прогресс», позволяет создавать пнев-могидравлические опоры с ГИТ для различных объектов промышленности и транспорта.
Принцип действия пневмогидравлической опоры с ГИТ заключается в том, что при действии на опору периодического усилия от виброактивного силового агрегата жидкость в ГИТ и, следовательно, в инерционных трубках будет совершать возвратно-поступательное движение. Мембрана 3 служит для компенсации объёма вытесняемой жидкости при перемещении опорной поверхности 5 по отношению к основанию 6. Масса жидкости в инерционных трубках будет иметь скорость большую, чем скорость опорной поверхности на величину, равную отношению площади условного поршня, перемещающего жидкость (в первом приближении площадь эквивалентного сечения РКО) к площади сечения инерционной трубки. Вследствие этого на силовой агрегат и основание будет действовать дополнитель-
