CC BY
98
и любого базирования (наземного, подземного, воздушного или водного) по всем критериям их технического уровня и качества.
Список литературы
1. Сидоров П.Г., Пашин А.А., Плясов А.В. Многопоточные зубчатые трансмиссии: теория и методология проектирования / под общей ред. П.Г. Сидорова. М. : Машиностроение, 2011. 340 с.
2. Планетарные передачи: справочник. / В.И. Кудрявцев [и др.]; под общей ред. В.И. Кудрявцева и Ю.И. Кудрявцева. M.;JI.: Машиностроение, 1977. 556 с.
3. Патент RU №2402707, опубл 27.10.2010, Бюл. № 30.
4. Патент RU №2457385, опубл 27.10.2012, Бюл. № 21.
P. G. Sidorov, L. V. Savelyeva
SOME FEATURES OF FUNCTIONING OF MULTILINE GEAR TRANSMISSIONS IN STRUCTURE OF ELECTRIC DRIVES
The quasidifferential principle offunctioning of multiline indivisible lychazhno-tooth gearings is observed and possibility of construction of a parametric row of its target parameters on speed and the moment in one invariable gabarit is proved.
Key words: a toothed wheel, the carrier, the satellite, the planetary train.
Получено 3.12.12
УДК 621.678
E.B. Шалобаев, канд. техн. наук, проф., +7-921-988-00-86; [email protected] (Россия, г. СПб, НИУ ИТМО), В.М. Медунецкий, д-р техн. наук, проф., +7-965-762-50-01, [email protected] (Россия, г. СПб, НИУ ИТМО), P.P. Магдиев, канд. техн. наук, доц., +7-921-967-60-74, [email protected] (Россия, г. СПб, НИУ ИТМО),
B.Е. Старжинский, д-р техн. наук, проф.,. +3-75-297-31-51-15,
shilko [email protected] (Беларусь, г. Гомель, ИМС им. В.А. Белого НАН Б)
C.В. Шилько, канд. техн. наук, доц., +3-75-232-77-46-38; (Беларусь, г. Гомель, ИМС им. В.А. Белого НАН Б)
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЗУБЧАТЫХ КОЛЁС, ВЕНЦЫ КОТОРЫХ ВЫПОЛНЕНЫ ИЗ ПЛАСТМАСС И КОМПОЗИТОВ
Показаны пути обеспечения качественных показателей зубчатых колес, венцы которых выполнены из пластмассовых и композиционных материалов. Исследованы методы литья под давлением. Изложены технологии быстрого прототипирования.
Ключевые слова: зубчатые колеса, пластмассовых и композиционных материалов
Зубчатые венцы из термопластичных полимеров изготавливают в подавляющем большинстве случаев литьём под давлением, формованием в твёрдой фазе и реже механической обработкой. Наиболее предпочтительным вариантом изготовления пластмассовых зубчатых колёс в крупносерийном и массовом производствах является метод литья под давлением.
Литьё под давлением - это процесс изменения полимерного материала при достаточно высокой температуре до вязкотекучего состояния с последующим перемещением или впрыском под действием внешних сил расплавленного материала в охлаждаемую форму, в которой материал приобретает требуемый объёмный вид. Методом литья под давлением можно изготавливать детали достаточно сложной конфигурации с высоким классом шероховатости поверхности и высокой точностью. Именно к таким сложным деталям и относятся зубчатые колеса.
В процессе литья под давлением формовочную массу, состоящую обычно из гранулята, подают в бункер и далее в пластикационную систему, работающую по принципу червячного прунжера [1,2]. Через литниковую систему размягчённая гомогенизированная формовочная масса подается под давлением шнека в формующую полость литьевой формы. После заполнения полости расплавом полимера, его охлаждения и отверждения образуется изделие.
Если параметры литья под давлением гарантированно известны (доза и время впрыска, температура зон плавления, удельное давление, время выдержки под давлением), то процесс получения пластмассовых изделий автоматизируют. После процесса литья могут быть предусмотрены дальнейшие виды обработки, к примеру - отделение литника, механическая обработка отдельных элементов изделия.
Для обеспечения высокого качества отливок необходима хорошая воспроизводимость заданных технологических параметров в течение длительного времени. Кроме этого должны быть определены оптимальные условия переработки соответствующего материала и применения литьевой формы с целью обеспечения минимальных отклонений формы и размеров детали (в данном случае зубчатого венца).
Условия переработки термопластов можно регулировать путём точного измерения температуры и давления в процессе формообразования. К примеру, давление при изготовлении полностью пластмассовых зубчатых колёс из полиоксиметилена не должно превышать 100 МПа, а для полиамида - 60 МПа. Плавно изменяя давление и время при сохранении других переменных, можно получить сравнительно небольшие допуски размеров пластмассового зубчатого колеса (8-й и 9-й степеней точности) и значительное уменьшение усадки. Время выдержки под давлением должно быть не более 60...68 с для полиамида и 60...90 с для
полиоксиметилена.
Время выдержки без давления находящегося в форме зубчатого венца выбирают с учётом продолжительности выдержки под давлением так,
о
чтобы впрыскиваемый расплав был охлаждён до температуры около 100 С
о
для полиамида и около 120 С для полиоксиметилена. Формообразующую
о
матрицу следует нагревать до температуры на 10-20 С выше средней температуры литьевой формы.
Диаметры окружностей вершин dа и впадин df со стороны литниковой системы, как правило, меньше, чем диаметры у противоположного торца пластмассового зубчатого венца (колеса). Конусность повышается с увеличением dа и df, ширины зубчатого венца и зависит главным образом от давления и времени выдержки. Конусность пластмассового зубчатого венца при dа < 100 мм достигает 0,05 мм, при dа > 100 мм - 0,1мм и более. Её можно уменьшить снижением давления впрыска, сокращением времени цикла, уменьшением поперечного сечения впускного канала, а также изменением места его расположения.
Литые пластмассовые зубчатые венцы из полиоксиметилена более чувствительны к образованию внутренних пор и раковин, чем венцы из полиамида. Устранение их требует увеличения продолжительности цикла и давления впрыска. Это усложняет технологию, поэтому в большинстве вариантов можно допустить увеличение конусности. Недопустимы поры и раковины на поверхности и в поверхностных слоях зубьев и впадин между ними. Этого можно избежать, соблюдая определённые пропорции в размерах элементов конструкции зубчатого колеса.
Работоспособность пластмассового зубчатого венца зависит от молекулярной структуры поверхностных слоёв, размеров сферолитов, соотношения кристаллической и аморфной составляющих поверхностного слоя. Тонкая сферолитная структура, близкая к поверхности зуба, предопределяет хорошие антифрикционные свойства и относительно малый износ. Аморфный поверхностный слой играет особенно большую роль при высоких нагрузках, которым подвергаются зубчатые венцы, демпфирует удары и вибрации. Следует отметить, что низкая температура расплава и формы отрицательно влияет на размеры сферолитов.
В случае изготовления прецизионных зубчатых венцов из пластмасс следует учитывать тот факт, что очень многие из термопластов не предназначены специально для точного литья, поэтому при выборе марки термопластавтомата необходимо тщательно проверять воспроизводимость технологических параметров при переработке материалов. В работах [1,2] показано, что на таких машинах можно получить относительно точные эвольвентные профили мелкомодульных зубчатых венцов из термопластичных полимеров. Однако показатель колебания длины общей нормали в ряде случаев является настолько большим, что исправить эту погрешность механической обработкой, к примеру, шевингованием
невозможно. Эта погрешность существенно зависит от технологических параметров, отклонения от заданной дозы впрыска, давления литья и температуры, выдержки под давлением, а также износа формы и может быть существенно снижена при соответствующем выборе этих параметров.
Особенность технологических машин для прецизионного литья -повышенная точность дозирования расплава и высокое удельное давление литья (200...300 МПа). Вероятность получения более точных отливок повышается при максимальном соответствии объёма впрыска объёму отливки (80-90 % от объёма впрыска).
На качество деталей существенное влияние оказывает, в частности, конструкция механизма смыкания формы. В современных машинах это, как правило, механическая система с высокоточными колоннами большой жесткости, обеспечивающая надёжность смыкания половин литьевой формы. При этом предусматриваются меры по оптимизации усилия смыкания, что позволяет свести к минимуму деформации оснастки, которая при чрезмерном усилии смыкания может достигать величины, соизмеримой с допусками на размеры отливаемого зубчатого венца. Перспективным является безударное смыкание при низком давлении, которое позволяет использовать системы контроля взаимного положения полуформ. Так, машины фирмы «Nissei Plastic Industrial Co Ltd» способны обнаруживать в разъёме формы посторонние тела размером до 0,1 мм.
Одним из перспективных направлений обеспечения точности литья является использование комбинированного червячно-поршевого узла впрыска. Основу этого узла составляют неподвижный в осевом направлении червяк, вращающийся с постоянной скоростью, и перемещающийся в осевом направлении инжекционный плунжер. В фазе пластикации вращающийся червяк перемещает расплав полимера в зазор между внутренней поверхностью материального цилиндра и плунжером и собирает его перед торцом плунжера. При достижении заданной дозы плунжер перемещается вперёд и производится впрыск расплава в форму.
Фирма «Battenfeld-Austria» в машине для литья миниатюрных деталей (в том числе и зубчатых венцов) использует ускоренный шнек для предпластикации полимера и сменные поршневые агрегаты впрыска. Поршень в таких агрегатах работает в комплекте со сменными втулками, что позволяет перерабатывать полимеры даже с абразивными наполнителями. В машине предусмотрено минимальное время пребывания полимера в расплавленном состоянии, что, уменьшая вероятность термодеструкции, повышает точность литья. Для улучшения качества литья используют также системы принудительной вентиляции узла пластикации.
Повышение точности литья стало возможным в результате использования современных специальных электронных и компьютерных средств управления технологическими параметрами процесса литья,
а также систем автоматизированного контроля как режимов работы оборудования, так и качества получаемых зубчатых венцов. Для осуществления контроля разрабатываются соответствующие датчики, которые позволяют измерять температуру и давление расплава в материальном цилиндре и литьевой форме. Например, созданы малогабаритные кварцевые датчики давления Kistler диаметром 4...8 мм с диапазоном измерения 0.150 МПа при допустимой перегрузке 50 МПа.
^^ о
Предел рабочей температуры составляет 300 С. Малогабаритные датчики давления с диафрагмой диаметром 6 мм имеют диапазон измерений 0.150 МПа при допустимой перегрузке 150 % и точности измерений в пределах 1 %. В серии машин фирмы "Meziki Co Ltd" прецизионное литьё и точность воспроизведения деталей обеспечивается благодаря контролю времени загрузки материального цилиндра, времени закрытия формы и заполнения её расплавом, а также контролю позиции шнека после осуществления впрыска. При этом ход шнека выдерживается с точностью до 0.1 мм, а время впрыска - до 0,01 с.
Существенное внимание уделяется также качеству масла
в гидросистеме, его чистоте и стабильности рабочей температуры, которая
о
в некоторых случаях должна поддерживаться с точностью до 2 С.
Для получения прецизионных пластмассовых зубчатых венцов в мелкосерийном производстве целесообразно получать их путём механической обработки. Это связано с тем, что литьё под давлением, прессование и формование не позволяют во многих случаях достигать требуемой точности геометрических размеров из-за усадки материала, а также требуют дополнительного усложнения, связанного с введением технологических уклонов и усложнения в целом технологической оснастки. Поэтому в ряде случаев такие процессы без механической обработки экономически не оправданы.
Получение зубчатых венцов механической обработкой пластмассовых дисков отличается от обработки венцов из металла, т.к. полимерные материалы имеют другие физико-механические свойства и свои особенности химического строения [1,2]. В связи с их низкой теплопроводностью при механической обработке примерно четверть выделяемого тепла распределяется в инструмент, более половины -в стружку и пятая часть - в заготовку. В связи с тем, что достаточно большая часть тепла переходит в инструмент, возможны случаи повышения температуры режущих кромок до тех значений, которые превышают температуру теплостойкости материала изготовляемого зубчатого венца. Это является ограничением для назначения режимов нарезания данных деталей и ограничивает возможности прецизионной механической обработки, а также снижает производительность.
На практике механическую обработку зубчатых венцов осуществляют нарезанием после получения их литьём под давлением
с целью повышения точности изготовления. Нарезание осуществляют путём фрезерования по методу огибания (обкатки) червячными фрезами. Учитывая то обстоятельство, что пластмассовые заготовки имеют низкий модуль упругости и меньшую по сравнению с металлическими теплопроводность и чувствительность к высоким температурам, следует более тщательно определять режимы резания и назначать параметры червячного инструмента. Уменьшить отрицательный эффект выделяемого тепла в процессе резания частично возможно путём дополнительного охлаждения и применения хорошо заточенного инструмента. Из работы [3] известно, что наиболее благоприятным является диапазон подач S=1,5...3,5 мм/ч. При S = 1 мм/ч возрастает колебание измерительного межосевого расстояния за оборот венцов из полиамида, при S = 0,73 мм/ч образуются заусеницы или наплывы на кромках головки зуба. Также в работах [1,2,4] рекомендуется попутное фрезерование зубчатых венцов, так как выявлено, что обрабатываемые поверхности имеют лучшее качество, чем при встречном зубофрезеровании. При этом упрощается обработка зубчатого колеса при двухпрофильном зацеплении, при обработке зубчатых процесс удаления стружки.
После зубофрезерования для повышения точности изготовления пластмассовых зубчатых колёс используют шевингование, особенностью которого является определённая ограниченность числа проходов инструмента (шевера) для обеспечения качества рабочих боковых поверхностей зуба. Следует отметить, что при шевинговании также снимают (удаляют) заусенцы (которые сопутствуют зубофрезерованию). В работе [2] отмечено, что для получения качественной рабочей поверхности зубьев при шевинговании рекомендуется использовать специальные шевера, которые перекрывают обрабатываемую заготовку по ширине. При шевинговании улучшаются показатели точности, но с различной степенью. Исправляются погрешности, характеризующие кинематическую точность (радиальное биение, накопленная погрешность шага и т.д.) и плавность работы (погрешности профиля, шага зацепления). Повышение точности, прежде всего, зависит от коэффициента перекрытия зацепления инструмента и изготовляемого пластмассового зубчатого венца. В частности, в работах профессоров В.Е. Старжинского, В. Краузе [2], А.А.Степанова [4], А.Кобаяши [5] отмечается, что после шевингования шероховатость обработанной поверхности может достигать по Rz 0,63.0,8 мкм. Радиальная подача при шевинговании не вызывает характерного для металлических зубчатых венцов существенного увеличения нагрузки, которое в свою очередь приводит к износу режущих кромок шевера. Радиальная подача при шевинговании рекомендуется в диапазоне 0,05.0,08 мм/ход, число калибровочных проходов для 8.9 степеней точности пластмассового зубчатого колеса составляет 2 - 3. При достижении заданной шероховатости рабочих поверхностей зубьев следует
учитывать, что тангенциальная подача при шевинговании обратно пропорциональна величине шероховатости и радиальная подача при этом должна быть относительно небольшой.
Из практики шевингования следует отметить, что проблема износа и прочности шевера при обработке зубчатых венцов из ненаполненных пластических масс практически отсутствует. В случае изготовления и отделке шевингованием венцов из стеклонаполненных матералов износ режущих кромок шевера достигает 0,01.0,05 мм по толщине зуба при обработке всего 100 зубчатых колёс с модулем т = 2 мм и числом зубьев z = 26.
Главная проблема при использовании литья под давлением — высокая стоимость формы, что экономически выгодно лишь при массовом и крупносерийном производствах. Реалии сегодняшней жизни требуют обеспечивать производство средними и малыми сериями. В таких случаях на помощь пришли технологии быстрого прототипирования (ТБП), которая позволяет существенно снизить стоимость производства литьевой формы [6]. Достигается это за счет послойного формирования трехмерных объектов по их компьютерным образам. ТБП представляют новые возможности для развития современного производства разного масштаба. В основе ТБП лежит литье в вакууме в эластичные формы, что дает получение опытных образцов и небольших партий пластмассовых деталей любой сложности и габаритов без изготовления стандартной оснастки. Указанный принцип изготовления заключается в абсолютно точном копировании модели. Форма изготавливается заливкой
полимеризующегося силикона вокруг модели. Модель удаляется из полученной таким образом формы после ее разреза по разделительной плоскости. Далее в силиконовую форму заливают двухкомпонентную полиуретановую смолу. Литьевые смолы имеют разные твердость и термостойкость, их комбинация позволяет имитировать большинство пластмасс и других материалов (резин, стекол). Смолы смешивают в вакуумной камере установки и автоматически заливаются в силиконовую форму. Рассматриваемая технология позволяет проверить собираемость и работоспособность конструкции; отработать дизайн изделия; изготовить партию опытных образцов в течение нескольких часов после изготовления силиконовой формы.
Недостатками ТБП являются сложность конфигурации копии, ограничение числа деталей (менее 20 в день). Для получения полиуретановой копии требуется больше времени, чем для силиконовой формы (порядка 6 часов). Если требуется изготовить большее число деталей, то используют метод с «промежуточной оснасткой».
Ознакомление с указанной выше технологией привело к мысли об использовании ТБП для производства пластмассовых колес разной сложности конфигурации (например, блока колес с модулем 0,45 мм).
Наиболее подробно проблемы расчета и проектирования зубчатых колес из пластмасс и композитов изложены в работах авторов [1,2,7].
Список литературы
1. Точные пластмассовые детали и технологии их получения / В.Е Старжинский [и др.]. Минск: Наука и техника, 1992. 307 с.
2. Пластмассовые зубчатые колёса в передачах точного приборостроения / В.Е. Старжинский [и др.]. Минск: Наука и техника, 1993. 359 с.
3. Серов К.С. Способ модификации эвольвентных прямозубых цилиндрических передач // Вопросы исследования надежности и динамики элементов транспортных машин и подвижного состава железнодорожного транспорта. Тула, 1977.
4. Кобаяши А. Обработка пластмасс резанием: пер. с анг. М.: Машиностроение, 1974. 172 с.
5. Степанов А.А. Обработка резанием высокопрочных композиционных полимерных материалов. Л.: 1974. 176 с.
6. Старжинский В.Е., Шалобаев Е.В. Проектирование прессформ для точных пластмассовых колес с использованием технологии быстрого прототипирования // Прогрессивные технологии в машино-и приборостроении. Нижний Новгород;Арзамас: НГТУ-АПИ, 2005. С. 28-29.
7. Пластмассовые зубчатые колеса механизмов приборов // под ред. В.Е. Старжинского, Е.В. Шалобаева. СПб.;Гомель: ИММС НАН Б, 1998. 536с.
E.V. Shalobaev, V.M. Medunetsky, R.R. Magdiev, V.E. Starzhinsky,S.V. Shilko,
MAINTENANCE OF QUALITY INDICATORS THE COGWHEELS WHICH WREATHS ARE EXECUTED FROM PLASTIC AND COMPOSITES
In article ways of maintenance of quality indicators of the cogwheels which wreaths are executed from plastic and composite materials are shown. Molding methods under pressure are investigated. The technology is stated of fast prototyping.
Key words: gear wheels, plastic and composite materials.
Получено 3.12.12
