CC BY
4
УДК 621.83
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-283-287
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ЗАГОТОВКИ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ШЕВИНГОВАНИЯ-ПРИКАТЫВАНИЯ
Ю.В. Ковалев
В статье рассматривается процедура выбора цилиндрической заготовки, имитирующей зубчатое колесо в процессе обработки шевингованием-прикатыванием. Используя методы теории упругости, проводится предварительный расчет прогиба цилиндрических заготовок, выполненных из стали и имеющих различные геометрические размеры с учетом предельной действующей силы имитатора шевера-прикатника - специального резца для заданной величины предельного прогиба. Рассматриваются 4 типа конфигурации, имеющие различную длину и диаметр. Определяются оптимальные параметры заготовки для экспериментальных исследований.
Ключевые слова: шевингование-прикатывание, имитация процесса, цилиндрическая заготовка, прогиб, режущий инструмент.
Подавляющее большинство трансмиссий крутящего момента от источника к потребителю используют зубчатые передачи. В свою очередь, качество работы зубчатой передачи зависит от точности изготовления зубчатых пар [1]. Одной из наиболее успешных комбинаций традиционных технологий зубообработки стало объединение чистовой обработки резанием незакаленных зубчатых колес и пластического деформирования, в составе процесса известного, как шевингование-прикатывание.
Для реализации процесса необходимо использование специального инструмента -шевера-прикатника. Инструмент изготовляется в условиях специализированного инструментального производства. В процессе финишной обработки цилиндрических зубчатых колес осуществляется срезание тонких слоев стружки и выглаживание боковых поверхностей зубьев заготовки за счет профильного проскальзывания зубьев инструмента и обрабатываемой заготовки [2].
Одним из перспективных направлений в исследовании процесса является его моделирование с помощью процесса точения в лабораторных условиях кафедры ТМС ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет» (ТулГУ) [3] (рис. 1). Экспериментальные работы, проводящиеся для имитации процесса, осуществляются с помощью цилиндрических заготовок, которые моделируют обработку партии цилиндрических зубчатых колес, имеющих средние параметры (рис. 2). Соотношение длины заготовки к диаметру (0\) принимается 1:10 [4]. Обработка заготовки осуществляется в 3-х кулачковом самоцентрирующем патроне с поджимом задним центром.
Рис. 1. Токарный станок с ЧПУ, используемый в эксперименте
Рис. 2. Цилиндрическая заготовка
Эксперимент заключается в упругопластическом взаимодействии режущего инструмента, имитирующего зуб шевера-прикатника с цилиндрической заготовкой. При этом максимальное радиальное усилие на заготовку от режущего инструмента приходится на участке длинной Ь\/2 (рис. 3).
Оценочная величина радиальной силы взаимодействия (Р) не должна превышать 3000 Н (в рассматриваемом диапазоне применимости процесса шевингования-прикатывания) [5]. В рамках эксперимента, для одиночного резца она принимается в пределах \000 Н.
_ Режущий 1 Самоцентрирующий инструмент| патрон
1
_1_
Ш
х
Обрабатываемая | заготовка I
5
и
Рис. 3. Иллюстрация взаимодействия заготовки и режущего инструмента
в процессе обработки
Силовое воздействие в процессе эксперимента приводит к прогибу заготовки в форме арки (5\). Согласно условиям соблюдения точности обработки, прогиб не должен превышать 0,04 мм [6]. Для предварительного определения соотношения силы взаимодействия (с учетом параметров заготовки и прогиба) проводится расчет методами теории упругости [7].
Цель настоящей работы заключается в определении оптимальных параметров заготовки для проведения экспериментов по исследованию взаимодействия имитатора шевера-прикатника с заготовкой при различных параметрах. Для реализации поставленной цели выполнялся предварительный расчет по определению прогиба заготовки при действии имитируемой силы.
Для проведения предварительного расчета положим, что заготовка установлена на станке аналогично балке, один из концов которой жестко защемлен, а другой не имеет жесткого закрепления. Используемый материал - сталь 40 [8, 9], удовлетворяющий заданным требованиям по жесткости. В частности, модуль упругости (Е\) составляет 214000 МПа.
Учитывая геометрические параметры и свойства материала цилиндрической заготовки ее прогиб - 5\ (мм) в заданном сечении определяется согласно формуле (\) [\0].
р[Л
8 =
48Ел I
1'1
(\)
где 1\ - момент инерции площади поперечного сечения, мм4. В данном случае 1\ рассчитывается для цилиндрической заготовки по формуле (2) [11].
1л
(2)
Учитывая требование соотношения между длиной и диаметром заготовки (\:Ю), выведены следующие параметры по проведению расчетов:
284
a) диапазон длин заготовок (¿1): 300-500 мм;
b) диапазон диаметров заготовок (М): 30-50 мм.
Шаг варьирования длины заготовки для расчетов - 50 мм. Используя формулы (1) и (2), определяется диапазон предельной силы взаимодействия с учетом максимального прогиба в 0,04 мм. Результаты расчетов сведены в таблицу.
Параметры цилиндрических заготовок при взаимодействии с инструментом
№ варианта заготовки Длина заготовки ¿1 (мм) Диаметр заготовки Г>1 (мм) Предельная сила взаимодействия Рмакс (Н)
1 300 30 605,07
2 350 35 705,92
3 400 40 806,76
4 450 45 907,61
5 500 50 1008,45
Основываясь на вышеизложенных ограничениях, формируется семейство графиков соотношения прогиба закрепленной заготовки под влиянием действующей силы с учетом различных габаритов заготовки (рис. 4).
0,08 0,07 ^ 0,06 £ 0,05 0,04 || 0,03 С 0,02 0,01 0
0 200 400 600 800 1000 1200
Действующая сила (Н) Длина -300 мм —Длина - 350 мм •-Длина -400 мм
Длина - 450 мм • • Длина - 500 мм .........Прогиб - 0,04 мм
Рис. 4. Изменение прогиба цилиндрической заготовки с увеличением действующей силы
режущего инструмента
Из рис. 4 следует пропорциональное увеличение прогиба заготовок при увеличении действующей силы. В связи с тем, что в рамках эксперимента сила Р не должна превышать 1000 Н, в условиях предельного прогиба цилиндрической заготовки под взаимодействием режущего инструмента может быть рекомендовано использование заготовки № 5 с габаритными размерами ¿1=500 мм, ^=50 мм. В данном случае прогиб заготовки не превышает 0,04 мм позволяя использовать параметры близкие к предельным при проведении экспериментальных работ.
Заготовки № 1-4 не позволяют использовать предельную силу взаимодействия в рамках эксперимента, так как в данном случае заготовка № 1 превышает ограничения по прогибу на 65 %, заготовка № 2 на 42 %, заготовка № 3 на 24 % и заготовка № 4 на 10 % выходя за рамки требований к эксперименту.
По результатам расчетов были определены оптимальные параметры цилиндрической заготовки, используемой для проведения экспериментальных работ по моделированию процесса шевингования-прикатывания. Рекомендуется использовать заготовку длиной 500 мм и диаметром 50 мм.
С учетом реальных возможностей, для проведения экспериментальных исследований в лабораториях ТулГУ может быть рекомендована заготовка длиной 350 мм и диаметром 40 мм. В данном случае, используя формулы (1) и (2), определено, что при действии предельной силы взаимодействия 1000 Н, максимальный прогиб заготовки составляет 0,03 мм; на 25 % меньше, чем заданный предел прогиба.
—- __. •
...................... ...................... - .гт —" .1 * *___
---—- • •• у V
--г • •
Дальнейшие работы подразумевают изготовление режущего инструмента и цилиндрической заготовки, организация и проведение экспериментальных работ с изучением поверхности заготовки, обработанной инструментом. Рекомендуется использовать прокат высокого качества. Это позволяет снизить предельные отклонения заготовки с целью минимизации эффекта предварительной ее обработки на результаты эксперимента [12].
Список литературы
1. Швычков Д.В. Состояние и возможности развития некоторых зуборезных технологий и оборудования // Известия МГТУ «МАМИ» 2012. № 2 (14). Т. 2. С. 248 - 252 с.
2. Валиков Е.Н., Борискин О.И., Белякова В.А., Ямников А.С. Шевингование-прикатывание цилиндрических зубчатых колес для повышения точности и качества обработанных поверхностей. Справочник // Инженерный журнал. 2008. № 4.
3. Сидоркин А.В. Экспериментальное исследование исправляющих способностей ше-вингования-прикатывания цилиндрических колес с круговыми зубъями // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2011. Вып. 6. Ч. 2. С. 43 - 52.
4. Маликов А.А., Сидоркин А.В. Оценка технологических ограничений при токарной обработке деталей типа тел вращения со смещенным центром масс // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 2. Ч. 2 С. 3-9.
5. Маликов А.А., Сидоркин А.В., Ямников А.С. Инновационные технологии обработки зубъев цилиндрических колес: могография. Тула: изд-во ТулГУ. 2011. 335 с.
6. Маликов А.А., Сидоркин А.В., Ямников А.С. Резание и пластическое деформирование при шевинговании-прикатывании цилиндрических колес с круговыми зубьями // СТИН. 2012. № 11. С. 17- 21.
7. Chapter 4 - Transformation of dimensions. Editor(s): Szirtes T., Rozsa P. / Applied Dimensional Analysis and Modelling (Second Edition), Butterworth-Heinemann. 2007. P. 69-94.
8. ГОСТ 1050-2013. Межгосударственный стандарт. Металлопродукция из нелегированных конструкционных качественных и специальных сталей. Общие технические условия. М., 2013. 30 с.
9. Ямников А.С., Маликов А.А., Валиков Е.Н., Сидоркин А.В. Ресурсосберегающие технологии изготовления цилиндрических зубчатых колес // Технология машиностроения. 2008. № 7. С. 7-10.
10. Chin D. The mathematics of simple beam deflection // The Royal Academy of engineering. Laing O'Rourke. Civil engineering. 5 p.
11. Moment of inertia of a circle - A detailed breakdown // SkyCiv. 2021. [Электронный ресурс] URL: https://skyciv.com/docs/tutorials/section-tutorials/moment-of-inertia-of-a-circle (дата обращения: 11.07.2022).
12. ГОСТ 2590-2006. Межгосударственный стандарт. Прокат сортовой стальной горячекатаной круглый. Сортамент. М., 2009. 8 с.
Ковалев Юрий Вячеславович, аспирант, y@,vkov. me, Россия, Тула, Тульский государственный университет
DETERMINING THE PARAMETERS OF A CYLINDRICAL SAMPLE FOR THE SIMULATION OF THE SHAVE-ROLLING PROCESS
Y.V. Kovalev
The paper discusses the procedure for selecting a cylindrical workpiece that simulates gear processing via shave-rolling. Using the methods of the theory of elasticity, a preliminary calculation of the deflection of steel cylindrical workpieces of various geometric dimensions is carried out, taking into account the maximum applied force of the shaver-roller simulator - a special cutter for a given maximum deflection. 4 types of configurations with different lengths and diameters are considered. The optimal parameters of the workpiece for experimental studies are determined.
Key words: shave-rolling, process simulation, cylindrical workpiece, deflection, cutting tool.
Kovalev Yury Vyacheslavovich, postgraduate, y@vkov. me, Russia, Tula, Tula State University
