CC BY
11
ТОЧНОСТЬ И КАЧЕСТВО ОБРАБОТКИ И СБОРКИ
УДК 621.83
ОЦЕНКА ВЕРОЯТНОСТИ ПОВРЕЖДЕНИЯ ШЕВЕРА-ПРИКАТНИКА ПРИ ЕГО ВВОДЕ В ЗАЦЕПЛЕНИЕ С ОБРАБАТЫВАЕМЫМ КОЛЕСОМ
А. А. Маликов, А.В. Сидоркин
Рассмотрен ряд узловых моментов расчета вероятности повреждения инструмента и заготовки в процессе шевингования-прикатывания цилиндрических зубчатых колес. Уделено существенное внимание аспектам, связанным с прогнозированием развития аварийных ситуаций при вводе в зацепление шевера-прикатника и обрабатываемой заготовки.
Ключевые слова: вероятность, шевер-прикатник, зубообработка, зацепление, авария, поломка, инструмент.
Одним из перспективных направлений исследований, проводимых в Тульском государственном университете под руководством д-ра техн. наук, проф. А.А. Маликова, д-ра техн. наук, проф. О.И. Борискина и при активнейшем участии д-ра техн. наук, проф. А.С. Ямникова, д-ра техн. наук, проф. Е.Н. Валикова и их учеников, является проектирование, научное обоснование и экспериментальная отработка комбинированного (режуще-деформирующего) процесса зубообработки цилиндрических колес, в том числе и с криволинейной формой зуба [1 - 5].
В условиях опытно-промышленной реализации рассматриваемого процесса оптимальным является использование серийного технологического оборудования [1, 6, 7], в частности, токарных станков с ЧПУ, оснащенных многопозиционной револьверной головкой и обладающих достаточной жесткостью. Такое решение при использовании типовой технологической оснастки, задействованной при обработке мелко- и сред-немодульных зубчатых колес, обладающих небольшими ширинами венца и числами зубьев, позволяет головке играть роль своеобразного магазина-накопителя.
Однако наряду с несомненными достоинствами подобный вариант обладает и существенным недостатком: при последовательной обработке заготовок, осуществляемой в рамках замкнутого полуавтоматического цикла, возникает риск возникновения аварийных ситуаций. Таковые могут проявиться в процессе радиального сближения обрабатываемой заготовки и инструмента - шевера-прикатника - при вводе их зубьев в зацепление. С учетом того, что процесс шевингования-прикатывания является эффективным для производств с большим объемом выпуска, а стойкостной ресурс рассматриваемого инструмента исчисляется сотнями обрабатываемых колес [1, 2, 6], при этом себестоимость его изготовления достаточно высока, разработка рассматриваемой методики оценки считается авторами достаточно актуальной.
В процессе автоматического цикла работы станка по программе радиальное сближение заготовки и инструмента осуществляется без непосредственного контроля и участия со стороны оператора, следовательно, вполне вероятным становится возникновение одного из сценариев развития аварийной ситуации столкновения (по вершинам) их зубьев (рис. 1).
а
б
Рис. 1. Пример компьютерного моделирования аварийной ситуации столкновения шевера-прикатника: т=2 мм, 1=31 с заготовкой 1=11: а — менее устойчивое состояние, б — более устойчивое состояние
Если в процессе радиального сближения площадки вершин зубьев инструмента и заготовки соприкоснулись, то при дальнейшем увеличении интенсивности их силового контакта, проявляющегося из-за необходимости достижения заданного начального межосевого расстояния, это сопри-
217
косновение может привести к целому ряду негативных последствий. Рассмотрим данный ряд в порядке увеличения степени проявления их отрицательного влияния.
1. Повреждение (задир) рабочих поверхностей вершины зуба обрабатываемой заготовки (рис. 1, а) с последующим «проскальзыванием» зуба инструмента во впадину. Такое развитие ситуации становится вероятным, в первую очередь, за счет того, что само состояние соприкосновения и последующее его развитие в силовое столкновение являются крайне неустойчивым (ввиду того, что силовой контакт развивается на границе двух небольших криволинейных площадок), результатом чего является неисправимый брак заготовки.
2. Повреждение (задир) рабочих поверхностей вершины зуба обрабатываемой заготовки с последующим ее проворотом и приведением к промежуточному состоянию более устойчивого равновесия (рис. 1, б) (проявляющемуся за счет того, что силовой контакт развивается в процессе «расклинивания» на границе уже двух пар площадок) с последующим «проскальзыванием» зуба инструмента во впадину. Результатом также является неисправимый брак заготовки.
3. Повреждение (замятие) вершины зуба обрабатываемой заготовки с последующим выкрашиванием, сколом (рис. 2, а) или поломкой одного или нескольких зубьев инструмента, находящихся на одной линии. Такое развитие ситуации становится вероятным за счет того, что толщина зубьев по окружности его вершин из-за достаточно большого коэффициента смещения мала, как, впрочем, и их ширина (рис. 2, б). Это, в свою очередь, связано с конструктивными особенностями реализации стружечной канавки. Результатом аварии будет являться частичная или полная поломка одного или нескольких зубьев, приводящая во многих случаях к необходимости замены дорогостоящего инструмента и неисправимому браку заготовки.
4. Повреждение (замятие) вершины зуба обрабатываемой заготовки с последующим ее проворотом до состояния, описанного в п. 2, приводящего к выкрашиванию, сколу либо поломке одного или нескольких зубьев инструмента, находящихся на одной или двух смежных линиях. Наиболее вероятными результатами развития рассматриваемого варианта аварийной ситуации являются поломка дорогостоящего инструмента и неисправимый брак заготовки.
Одной из первостепенных задач исследования является определение (хотя бы в первом приближении) минимальной вероятности Р0-1(2) соприкосновения площадок вершин зубьев заготовки и инструмента в процессе их радиального сближения при вводе в зацепление для оценки степени интенсивности возникновения авариных ситуаций и принятия решения о внедрении в дальнейшем дополнительных мер технического характера, направленных на их предотвращение.
а
б
Рис. 2. Зубья шевера-прикатника крупным планом: а - пример скола, б - сравнительная иллюстрация ширины и толщины площадок
по вершинам
219
Воспользовавшись принципом суперпозиции, рассмотрим такую ситуацию, когда площадка вершины зуба инструмента, толщина которой £а0, соприкасается с некоторой плоскостью Е0 (рис. 3).
Рис. 3. Взаимодействие площадки зуба шевера-прикатника
с плоскостью
Вероятность такого события Р0 будет определяться соотношением длин дуг: охватывающей площадку вершины зуба £а0 к определяющей шаг зуба по окружности вершин ЬРа0. Для приближенных расчетов можно принять, что минимально допустимая толщина зуба инструмента по окружности вершин будет [5, 1] £а0 тП=0,25 т. Следует заметить, что и для зубчатых колес, используемых даже в отсчетных передачах, толщина зуба также не должна быть меньше, чем £а1(2) тП=0,25 т [8]. Тогда длину ЬРа0 можно принять равной шагу исходного контура Р=пт [8]. Для приближенных расчетов, целью которых является установление некоторой качественной оценки минимальной вероятности возникновения рассматриваемой ситуации, подобные допущения вполне приемлемы.
Таким образом, приближенно искомая вероятность будет определяться из соотношения
Р0 = ^ (1)
р
Для обрабатываемой заготовки (одного из колес будущей зубчатой пары) критерии и методы определения приближенного значения минимальной вероятности Р1(2), соприкосновения площадки вершины зуба, толщина которой £а1(2) с плоскостью Е0 будут идентичны. При этом выражение для ее нахождения будет аналогично выражению (1). Тогда минимальная вероятность Р0-1(2) может быть определена, как произведение вероятностей Р0 и Р1(2):
Р 0,0625
Р)-1(2) =-2Г~ » 0,00633.
р
220
Необходимо отметить, что указанная вероятность P0-i(2) может быть определена для каждого конкретного случая более точно. При этом процедура вычислений в достаточной степени усложняется. Между тем, для качественной оценки рассматриваемых процессов и принятия по ее результатам соответствующих решений указанной точности расчетов вполне достаточно. Путем компьютерного моделирования (см. рис. 1) и расчетов для зацепления шевера-прикатника (m=2 мм, z=31, %=1,909) с заготовкой (z=11, х=0) вероятность P0-1=0,0168, т. е. аварийная ситуация может возникать при обработке каждых шестидесяти колес.
В качестве вывода можно отметить, что рассчитанная приближенно минимальная вероятность P0-1(2) соприкосновения площадок вершин зубьев заготовки и инструмента в процессе их радиального сближения, которая, в свою очередь, может привести к столкновению и дальнейшему развитию аварийной ситуации, указывает на то, что за период стойкости инструмента, исчисляемый несколькими сотнями обработанных колес, рассматриваемые события могут произойти несколько (по предварительным оценкам до нескольких десятков) раз. Следовательно, при опытно-промышленной реализации рассматриваемого процесса зубообработки, осуществляемого на базе серийного технологического оборудования, например, токарных станков с ЧПУ, оснащенных револьверной головкой, должны быть приняты дополнительные меры и использованы технические решения, предотвращающие возникновение рассмотренных выше аварийных ситуаций.
Список литературы
1. Маликов А.А., Сидоркин А.В., Ямников А.С. Инновационные технологии обработки зубьев цилиндрических колес: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. 335 с.
2. 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.
3. Маликов А. А., Сидоркин А.В., Ямников А.С. Динамические характеристики шевингования-прикатывания цилиндрических колес с круговыми зубьями // Технология машиностроения. 2012. №2. С. 19 - 23.
4. Валиков Е.Н., Индан А.А., Попов А.Л. Экспериментальное исследование точности шевингования-прикатывания цилиндрических зубчатых колёс на токарном станке с ЧПУ // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып. 5. С. 11 - 17.
5. Борискин О.И., Валиков Е.Н., Белякова В. А. Комбинированная обработка зубьев цилиндрических зубчатых колес шевингованием - при-катыванием: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. 123 с.
6. Сидоркин А.В., Маликов А. А. Экспериментальное исследование тепловыделения в процессе шевингования-прикатывания цилиндрических зубчатых колес // СТИН, 2015, №2. С. 28 - 33.
7. Маликов А. А., Сидоркин А.В. Некоторые особенности практической реализации процесса дискретной регистрации температуры вращающихся частей технологических систем // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 8. Ч. 2. С. 78 - 86.
8. ГОСТ 16532-70. Передачи зубчатые цилиндрические эвольвент-ные внешнего зацепления. Расчет геометрии. Введ. 01.01.1972. М.: Изд-во стандартов, 1983. 45 с.
Маликов Андрей Андреевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, andrej-malikov@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Сидоркин Андрей Викторович, канд. техн. наук, доц., alan-a@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ASSESSMENT OF THE PROBABILITY OF INJURY SHA VER-ROLLING WHEN ENTERED INTO ENGAGEMENT WITH TREATING WHEEL
A.A. Malikov, A.V. Sidorkin
A number of key aspects of the calculation of the probability of damage to the inpower tool and the workpiece during the shav-rolling on the spur gears is considered. It is paying considerable attention to the essential aspects related to the prediction of accidents when entering into engagement shav-roller and workpiece.
Key words: chance, shav-roller, gear treatment, engagement, accident, breakage,
tool.
Malikov Andrey Andreevich, doctor of technical sciences, docent, professor, head of chair, andrej-malikov@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Sidorkin Andrey Victrovich, candidate of technical sciences, docent, alan-a@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
