CC BY
91
УДК 621.924.093.048
СИНТЕЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС НА БАЗЕ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО ПОДХОДА
А.Н. Михайлов, А.М Лахин, В.А. Соосар
В работе рассмотрены основные положения производства зубчатых колес на базе функционально-ориентированных технологий. Представлена классификация зубчатых колес и их элементов по функциональному назначению. Представлены схемы технологического воздействия для рабочих поверхностных слоев зубчатых колес, а также способы реализации данных схем на основе нанесения вакуумных ионноплазменных покрытий. Предложены устройства для обеспечения ориентации и движения заготовок в процессе нанесения покрытий.
Ключевые слова: зубчатое колесо, вакуумные ионно-плазменные покрытия, классификация.
Производство зубчатых колес является одной из приоритетных задач современного машиностроения, поскольку данный вид передач получил наибольшее распространение в приводных механизмах ввиду их преимуществ по сравнению с остальными видами силовых передач. При этом требования к точности геометрии зубчатых колес, качеству работы в жестких условиях эксплуатации, непрерывно возрастают, требуя использования для повышения качества зубчатых колес на основе: как известных методов основанных на механической обработке лезвийным или абразивным инструментом, так и новых нетрадиционных методов с использованием физических и электрохимических процессов.
В настоящее время развитию технологии изготовления и повышения качества зубчатых колес посвящено множество работ [3] анализ которых показал, что развитие данного вопроса осуществляется в следующих основных направлениях:
- снижение объема механической обработки за счет формирования зубчатого венца на стадии получения заготовки;
- повышение производительности обработки зубчатых колес на основе применения методов комбинированной обработки зубчатого венца, много инструментальных наладок, одновременной обработки нескольких зубчатых венцов.
- повышение качества путем использования методов поверхностного упрочнения рабочих элементов зубчатых колес.
Данные направления ставят в основу получение изделия заданного качества, и основной задачей ставят снижение себестоимости изготовления зубчатых колес. При этом не принимается во внимание функциональное назначение отдельных элементов зубчатых колес, которые в различной
степени принимают участие в процессе работы зубчатой передачи. Свойства, достигаемые тем или иным методов, как правило, распространяются на прилегающие участки и зоны изделия, где они не требуются или требуются в меньшей степени. Таким образом, в недостаточной степени решается задача управления свойствами отдельных элементов зубчатых колес.
Цель работы - повышение качества и эффективности производства зубчатых колес на основе использования принципов функциональноориентированных технологий. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: выполнить классификацию зубчатых колес и их элементов на основе структуры функций каждого элемента в процессе эксплуатации; предложить схемы технологических воздействий и варианты реализации разработанных схем; оценить целесообразность применения функционально-ориентированного подхода. Зубчатые колеса по назначению можно разделить на две основные группы: кинематические и силовые.
Основное требование к кинематическим колесам - обеспечение точного взаимного перемещения ведущего (зубчатая шестерня) и ведомого (колесо) звеньев, то есть требование кинематической точности. Данные колеса имеют относительно малый боковой зазор, высокую степень точности и малую шероховатости рабочих поверхностей. Данные передачи обычно применяются в измерительных приборах, коробках скоростей и подач металлорежущих станков, делительных механизмах и пр.
Силовые колеса должны обладать высокой нагрузочной способностью. Основные требования к данным передачам высокая изгибная и контактная прочность зубьев, достаточных размер пятна контакта, возможность удержания смазочного материала в зоне зацепления.
Зубчатые колеса, независимо от группы, разделяются на следующие элементы по функциональному назначению: исполнительные рабочие элементы, исполнительные базирующие элементы, связующие элементы, вспомогательные и дополнительные элементы. Пример деления дискового колеса на группы элементов представлен на рис. 1.
Исполнительные рабочие элементы зубчатых колес - элементы, непосредственно выполняющие функции по назначению зубчатых колес, а именно, передача крутящего момента от ведомого вала к ведущему посредством перекатывания профилей зубьев ведущего зубчатого колеса, по зубьям ведущего. Ими являются эвольвентные поверхности от вершины до впадины зубьев, поверхностные слои, воспринимающие нагрузку в зоне зацепления, вершины и впадины зубьев, а также торцы зубьев переключаемых зубчатых колес и зубчатых блоков.
Базирующие исполнительные элементы используются для определения взаимного положения зубчатых колес относительно сопряженных с ним деталей и относительно базовой детали. Для зубчатых колес данными элементами являются шейки вала, осевые гладкие или шлицевые отвер-
стия, шпоночные пазы и базовые торцы.
Связующие элементы зубчатых колес являются объемные участки, соединяющие между собой исполнительные и дополнительные элементы, и представляющие собой каркас детали. Для зубчатых колес связующими элементами являются объемные участки под шейками вала-шестерни и зубчатыми венцами, ступица, диск, обод зубчатого колеса; торцы, не являющиеся базовыми.
Рис. 1. Классификация элементов зубчатых колес
Дополнительные элементы - это элементы, не принимающие непосредственного участия в процессе работы зубчатых колес, служащие для размещения зубчатых колес в машине или для присоединения к ним других деталей или узлов (маховиков, крышек, дисков и пр.). К ним относятся резьбовые шейки валов, цилиндрические и резьбовые отверстия в торцах, осевые отверстия полых валов.
Вспомогательные элементы - это элементы, не принимающие участия в работе зубчатой передачи, но используемые при монтаже и некоторых технологических операциях механической обработки и сборки. К ним относятся центровые отверстия, канавки для выхода шлифовального инструмента, отверстия в диске зубчатого колеса, фаски, скругления и пр. Поскольку в работе зубчатой передачи наибольшее функциональное значение принимают исполнительные рабочие элементы, рассмотрим управление их свойствами на основе схем технологических воздействий.
Любой функциональный элемент изделия можно разделить на элементарные части, имеющие простую геометрическую форму, при этом в каждом элементе выделяют: точки, линии, поверхности, поверхностные слои и объемные зоны. Линии и точки могут быть рассмотренными как принадлежащие к поверхностному участку или объемной зоне изделия, поэтому их рассматривают как поверхностные и объемные. Схемы технологического воздействия для обеспечения свойств в зависимости от особенностей эксплуатации, подробно рассмотрены в работах [1, 2]. Рассмотрим схемы формирования свойств поверхностных слоев рабочих элементов зубчатых колес (рис. 2).
Схемы технологического воздействия для поверхностных слоев имеют следующий вид:
- для обеспечения прерывистых свойств поверхностного слоя в двух направлениях £ и t на глубине dlv:
ПС Р k
тв1 ^ V V{<>5,,,V,/,V,ч/,Vх^хdlv)};
t=15=1
- для обеспечения непрерывных свойств поверхностного слоя в двух направлениях 5 и t на глубине dlv:
ПС ГО ГО
ТВ2 ^ А А {(т5 ^, е5, /, V, Ь, Г, V х ^ х ^)};
t=15=1
- для обеспечения единовременных свойств поверхностного слоя в двух направлениях 5 и t на глубине dlv:
ГО ГО
ПС
ТВ3 ^ {(т5, /, V , /, V , ^ /, V ),( А ^ Х А ^ х ^)};
5=1 t=1
- для обеспечения непрерывно-прерывистых свойств поверхностного слоя (непрерывные - в направлении 5, и прерывистые - в направлении t на глубине dlv):
ПС р ГО
ТВ 4 ^ V А {( т5 , ,, V , ^ , /, V , 13 , /, V X (х dlt х dlV )} ;
t = 1 5 = 1
- для обеспечения единовременно-прерывистых свойств поверхностного слоя (единовременные - в направлении 5, и прерывистые - в направлении t на глубине dlv):
р ГО
ПС
ТВ5 ^ {(т5, I, V , ^ I, V , Ч, /, V ), V ( А ^х ^х dlV)};
t=1 5=1
- для обеспечения единовременно-непрерывных свойств поверхностного слоя (единовременные - в направлении 5 и непрерывные - в направлении t на глубине dlv):
ГОГО
ПС
ТВ6 ^ {(т5,/,V, /,V, Ч/,V ), А ( А ^ х ^ х dlv)},
t=1 5=1
где т, е, I - потоки технологических воздействий материального,
энергетического и информационного характеров.
Реализация данных схем осуществляется на основе принципов ориентации технологических воздействий и свойств [1].
Рассмотрим реализацию схем данных технологических воздействий для конкретных зубчатых колес в типичных условиях работы - передача крутящего момента с возможностью переключения скоростей за счет перемещения колес вдоль их осей, на основе нанесения вакуумных ионноплазменных покрытий.
Ф Э с ЕЕ свойствами и ТВ
ФЭсНП свойствами и ТВ ФЭсЕП свойствамииТВ
8=(х>-1=1,2,..., р; \’=с!1у; а; 5=ос; 1=1.2,..., р; г=сПг я-оо; '1-щ V сН^ Ъ1
Рис. 2. Схемы технологического воздействия для обеспечения свойств, требуемых по условиям эксплуатации (поверхностный слой)
Для данных колес условия эксплуатации представляют собой наличие изгибных и контактных (усталостных) напряжений в поверхностных слоях объемах зубьев, трение сопрягаемых поверхностей зубьев, кромочный контакт в зацеплении, возникающий как с вершинными, так и с боковыми кромками зубьев [2].
Процесс нанесение покрытий на рабочие элементы требует различной направленности потока наносимого покрытия для обеспечения требуемого доступа к данным поверхностям. Вместе с тем, существует необходимость предохранения поверхностей, для которых не требуются свойства обеспечиваемые покрытием.
При нанесении вакуумных ионно-плазменных покрытий на рабочие (зубчатые) поверхности, для обеспечения наиболее эффективного прилегания и стабильной толщины покрытия, зубья и их торцы должны быть обращены к потоку наносимого покрытия. При этом заготовкам зубчатых
колес требуется сообщать равномерное вращательное движение, которое обеспечит равномерный доступ потока наносимого покрытия, исходящего от катодов, ко всем участкам зубчатого венца. Требуемый состав формируемого покрытия образуется при металлизации от 4 различных катодов, поэтому к каждому колесу должен быть обеспечен доступ потока, излучаемого каждым катодом. Возможные схемы движения заготовок при этом будет иметь следующий вид (рис. 3). Угол наклона оси заготовки ф, определяется в зависимости от положения заготовки относительно боковых катодов и варьируется в процессе нанесения покрытий.
Поток напыления
Рис. 3. Варианты движений зубчатого колеса при нанесении покрытия на рабочие элементы: а - вращение вокруг горизонтальной оси; б-вращение вокруг наклонной оси; в - вращение вокруг качающейся оси, г - вращение вокруг двух качающихся осей
Для повышения эффективности и качества нанесения покрытий, в пределах зоны действия потока наносимого покрытия, целесообразна установка максимально возможного количества заготовок зубчатых колес в камеру. При этом возникает необходимость обеспечения кинематики движения данных заготовок.
Поэтому в камеру вместе с заготовками требуется установка специального устройства, обеспечивающего вращение заготовок. При установке нескольких изделий в камеру повышается производительность за счет реализации принципа концентрации рабочих позиций, а конструкция устройства обеспечит требуемую кинематику движения зубчатых колес для последовательного доступа всех частей зубчатых венцов к потоку наносимого покрытия для равномерного нанесения покрытий.
На рис. 4. представлены возможные устройства для обеспечения требуемой ориентации рабочих поверхностей зубчатых колес к потоку наносимого покрытия. В первом случае заготовки зубчатых колес приводятся
33
во вращение от цилиндрической зубчатой передачи, а оправки, на которых устанавливаются заготовки, соединены гибкими валами 7 с сателлитами цилиндрического редуктора. При этом заготовки на гибких валах связаны с дисковым кулачком 8, по которому обкатываются ролики, прикрепленные к каждой оправке с зубчатым колесом. Это дает возможность менять угол наклона оси заготовок в процессе нанесения покрытий в пределах ±ю. Во втором случае заготовки приводятся во вращение от червячного редуктора. Для данной схемы также возможно варьирование угла наклона зубчатых колес в пределах ±ю в процессе нанесения покрытий, только в данной конструкции кулачок 8 является торцовым, а оси обкатываемых по нему роликов 5 совпадают с осями оправок с обрабатываемыми колесами.
Рис. 4. Устройства для ориентации и вращения заготовок зубчатых колес в процессе нанесения покрытий
Нанесение вакуумных ионно-плазменных покрытий осуществлялось для зубчатого венца, и торцов зубьев. Остальные поверхности предохранялись от нанесения покрытий различными способами (с использованием защитных масок, а также сажи наносимой на поверхности, не подвергающиеся нанесению покрытий). Производилось нанесение двух видов покрытий: однослойное покрытие на основе нитрида титана с использованием одного катода, и 12 слойное покрытие с использованием 3 катодов, изготовленных из титана ОТ4-1 и ВТ1. После нанесения покрытия было произведено измерение микротвердости, результат которого в сравнении с пневмоабразивной обработкой и исходным состоянием приведен на рис. 5.
Покрытие ОТ4-1+ВТ1
Покрытие TiN
Пневмоабразивная обработка 30 с.
Пневмоабразивная обработкаЮ с.
Пневмоабразивная обработка 5 с.
Исходное состояние
О 0,5 1 1,5 2
■ Микротвердость, ГПа
Рис. 5. Значения микротвердости рабочих поверхностей зубчатых колес после различных видов обработки
Таким образом, в работе представлен анализ и классификация зубчатых колес и их элементов по функциональному назначению, на основании которого производится определение вида и возможного варианта технологического воздействия для каждого элемента в соответствии с его функциональным назначением. Рассмотрен способ управления свойствами рабочих поверхностных слоев зубчатых колес на основе нанесения вакуумных ионно-плазменных покрытий, с обеспечением требуемой ориентации и кинематики движений в процессе нанесения покрытий. При этом предложены устройства для равномерного доступа рабочих исполнительных элементов зубчатых колес к потоку наносимого покрытия.
Список литературы
1. Михайлов А.Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий машиностроения. Донецк.: ДонНТУ, 2008. 346 с.
2. Лахин А.М., Михайлов А.Н. Технологические основы повышения эксплуатационных свойств рабочих элментов зубчатых колес на базе функционально-ориентированного подхода // Практика и перспективы развития партнерства в сфере высшей школы: научно-практический семинар. 2011. С. 121-125.
3. Попов В. А. Критерий, определяющий повышенные эксплуатационные свойства передач зацеплением // Вестник машиностроения. 2010. N 9. С. 37-39.
Михайлов Александр Николаевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, Украина, Донецк, ДонНТУ,
Лахин Алексей Михайлович, асс., Украина, Донецк, ДонНТУ,
Соосар Владимир Александрович, студент, lelax@mail.ru. Украина, Донецк, ДонНТУ
SYNTHESIS TECHNOLOGICAL SUPPORT OF GEARS MANUFACTURING BASED ON FUNCTIONAL-ORIENTED APPROACH
A.N. Mikhailov, A.M. Lahin, V.A.Soosar
In work the main features of gears production on the basis offunction-oriented technologies are considerate. There are classification of gears and their elements based on their functions. Schemes technological actions for the work surface layers of gears, and using these schemes based on vacuum ion-plasma coatings are shown. The device for orientation workpieces and motion of gears in coating is proposed.
Key words: Gears, vacuum ion-plasma coatings, classification.
Mikhaylov Alexander Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, Ukraine, Donetsk, DONNTU,
Lakhin Alexey Mikhaylovich, assistant, Ukraine, Donetsk, DONNTU,
Soosar Vladimir Aleksandrovich, student, lelax@mail.ru, Ukraine, Donetsk, DONNTU
