Повышение эффективности червячного зубофрезерования роторов промышленных перфораторов

В механизмах и машинах с жесткой кинематической связью применяются передачи, составленные из пары перекатывающихся друг по другу зубчатых звеньев, имеющих взаимоогибаемые эвольвентные, циклоидальные и другие профили. За счет фиксированного передаточного отношения передачи обеспечивают постоянство частоты вращения и момента выходного звена, плавность и равномерность работы.

Циклоидальные передачи, по сравнению с эвольвентными, обеспечивают: меньший износ профилей при недостаточности смазки, больший коэффициент перекрытия колес, меньшую скорость скольжения профилей, высокий КПД и способность передавать высокую мощность. Передачи используются в планетарных редукторах и компрессорах, горнодобывающих и подъемно-транспортных машинах, в часовых механизмах.

Внецентроидное цевочное гипоциклоидальное зацепление применяется при передаточном отношении более 1:15, высоком давлении в полости механизма, малой частоте вращения звеньев и необходимости минимизации геометрических размеров передачи, например в приводе промышленного пневматического перфоратора для бурения шпуров в горных породах. Основными рабочими элементами привода перфоратора являются ротор и статор. Ротор совершает планетарное движение внутри статора, за счет течения сжатого воздуха между камерами нагнетания и всасывания. От точности сопрягающихся поверхностей ротора и статора зависит эффективность работы привода.

Сложность геометрической формы ротора при сборной конструкции и широком зубчатом венце, наличие на венце радиальных строго ориентированных по отношению к впадинам отверстий, необходимость нарезания зубьев на заготовке с твердостью 36.42 НЯСЭ и отсутствие стандартного производящего контура создают технологические сложности для реализации операции зубофрезерования.

Использование в производстве монолитных быстрорежущих червячных фрез постоянной установки с приближенным производящим контуром, имеющим участки с малыми и даже нулевыми боковыми задними углами, при коробчатой форме срезаемых стружек, и большой протяженностью фрезерования, приводит к интенсивному изнашиванию фрезы. В результате образуется конусность ротора, увеличиваются зазоры в зацеплении его со статором, возрастают утечки рабочей среды и снижается КПД в передаче, применяемая конструкция червячной фрезы является малоэффективной, операция зубофрезерования — трудоемкой и с высокой технологической себестоимостью. Малая серийность производства пневматических промышленных перфораторов ограничивает применение на операциях зубообработки венца твердосплавных червячных фрез и червячных шлифовальных кругов из-за сложностей формообразования производящих поверхностей этих инструментов.

Таким образом, совершенствование конструкции инструмента, переход к высокотехнологичным сборным червячным фрезам, обеспечивающим повышение точности сопрягающихся поверхностей ротора и статора, минимизация радиального зазора в рабочем зацеплении и исключение заклинивания в передаче является актуальной научной задачей.

Цель работы — повышение эффективности операции зубофрезерования за счет выполнения условий взаимного огибания поверхностей в рабочем и станочном зацеплениях и совершенствования геометрических параметров червячной фрезы.

Задачи исследования:

1) анализ внецентроидного цевочного гипоциклоидального зубчатого зацепления и определение уравнений взаимоогибаемых поверхностей ротора, статора и производящей поверхности червячного инструмента;

2) определение диаметра начальной окружности ротора, исключающего интерференцию контактирующих профилей и обеспечивающего минимальные зазоры в зацеплении;

3) определение параметров эквивалентной эвольвентной винтовой производящей поверхности фрезы;

4) технико-экономическое обоснование процесса зубофрезерования роторов сборной червячной фрезой с учетом ее подналадок и передвижек;

5) установление влияния погрешностей установки фрезы на отклонения координат профиля производящей поверхности в станочном зацеплении от номинальной.

Диссертация состоит из четырех глав.

В первой главе рассмотрена конструкция, принцип работы, особенности проектирования и изготовления, основные параметры и характеристики приводов на примере промышленного пневматического перфоратора ПП80НВ, изготавливаемого в ООО «Тарпан», г. Тула. Расчету и проектированию внецентроидного цевочного эпициклоидального зацепления посвящены работы различных авторов. Однако о гипоциклоидальном зацеплении в литературе сведений недостаточно, конструкции передач с таким зацеплением рассмотрены в узком диапазоне чисел зубьев. Зубчатая поверхность ротора является неэвольвентной и наиболее часто ее обработка осуществляется по методу обкатки на зубофрезерном станке монолитными затылованными фрезами определенной установки с участками режущей части, спрофилированными по дуге окружности. Анализ конструкции привода перфоратора выявил недостатки в существующем зацеплении. Установлено, что за счет изменения исходного контура и конструкции фрезы можно влиять на характеристики привода перфоратора.

Во второй главе проанализирована геометрия гипоциклоидального зацепления. Графически построены профили ротора и статора, выведены формулы для аналитического расчета профилей. Определены оптимальные параметры профилей с точки зрения минимизации зазоров в зубчатой передаче, выведено условие проверки контакта профилей ротора и статора в каждой точке сопряжения при заданном радиальном зазоре. Рассчитаны исходный контур для гипоциклоидального зацепления и эквивалентный прямолинейный исходный контур для инструмента реечного типа.

В третьей главе рассчитаны производящая и технологическая винтовые поверхности червячной фрезы. На основе теории взаимоогибаемых поверхностей решена задача профилирования режущего инструмента для гипоциклоидального зацепления в пространственном зацеплении. Определены производящая и осевая поверхности дискового шлифовального круга, формирующего технологическую винтовую поверхность. Рассчитана конструкция сборной червячной фрезы с поворотными рейками с единым рабочим и технологическим корпусом, позволяющая высокоэффективно осуществлять процессы черновой и чистовой обработки деталей для гипо-циклоидального зацепления.

В четвертой главе рассчитаны технико-экономические параметры процесса зубофрезерования роторов. Определено влияние передвижек и подналадок на параметры процесса зубофрезерования деталей с гипоцик-лоидальными профилями. Рассчитаны величины погрешностей зацепления при червячном зубофрезеровании от конструктивных и технологических параметров червячной фрезы. Определены влияния погрешностей изготовления и установки фрезы на профиль ротора. Проведена конструкторско-технологическая подготовка, включающая полный комплект документов для изготовления сборной червячной фрезы с поворотными рейками с единым корпусом в качестве рабочего и технологического, и комплект технологической оснастки.

Автор защищает:

1) графоаналитическую модель производящей поверхности инструмента и ее взаимосвязь с начальной поверхностью обрабатываемой детали, обеспечивающие выполнение условия образования минимального радиального зазора в рабочем зацеплении;

2) вариант проектирования производящей и технологической поверхностей сборной червячной фрезы для гипоциклоидального профиля детали на основе эквивалентной эвольвентной винтовой поверхности;

3) результаты технико-экономического анализа процесса зубофрезе-рования на основе учета комплекса движений инструмента и детали в станочном зацеплении;

4) результаты оценки влияния погрешностей установки фрезы на точность зубчатого венца ротора.

Научная новизна заключается в решении задачи проектирования производящей и технологической винтовых поверхностей сборной червячной фрезы для роторов гипоциклоидального зацепления на основе взаимосвязи параметров рабочего и станочного зацеплений, которая позволила: обеспечить минимальный радиальный зазор в рабочем зацеплении, устранить интерференцию производящей поверхности фрезы с обработанной зубчатой поверхностью в станочном зацеплении, обеспечить положительные задние углы резания вдоль режущей кромки.

4. 4 Выводы.

1. Технико-экономический анализ зубофрезерования показал, что разработанная конструкция фрезы позволяет выполнять 3 подналадки и 10 передвижек в отличие от 5-ти передвижек без подналадок для используемой на заводе фрезы. Сборная фреза исключает интенсивное изнашивание инструмента по боковым режущим кромкам вследствие увеличения задних углов и в целом повышает стойкость фрезы до 6-ти раз.

2. Оценка влияния погрешностей установки фрезы на профиль производящей поверхности показала, что величина погрешностей прямо пропорциональна биению контрольных буртиков и диаметру червячной фрезы и обратно пропорциональна длине фрезы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе решена актуальная научная задача повышения эффективности червячного зубофрезерования роторов промышленных перфораторов, за счет совершенствования конструкции инструмента, перехода к высокотехнологичным сборным червячным фрезам, обеспечивающим повышение точности сопрягающихся поверхностей ротора и статора, минимизации радиального зазора в рабочем зацеплении и исключении заклинивания в передаче. При этом получены следующие основные результаты и сделаны выводы:

1) разработанная на основе рабочего и станочного зацепления графоаналитическая модель производящей поверхности червячной фрезы позволила установить геометрическую взаимосвязь между параметрами взаимоогибае-мых контуров ротора, статора и исходного производящего контура и уменьшить радиальный зазор в рабочем зацеплении от 0,3 мм до 0,07 мм;

2) установлено, что переход от фрезы определенной установки к фрезе, обеспечивающей получение профиля огибанием, устраняет подрезание цевки у основания, искажение ее профиля и обеспечивает плавное сопряжение головок смежных цевок;

3) проектирование производящей поверхности сборной червячной фрезы для гипоциклоидального профиля детали на основе эквивалентной эволь-вентной винтовой поверхности позволило определить вид производящей поверхности в соответствие с видом направляющей спирали и исключить погрешности, свойственные профилированию по осевому фасонному профилю исходной рейки. Переход к эквивалентному контуру осуществлен по методу наименьших квадратов, при этом отклонения между профилями откладывались в плоскостях касательных к основному цилиндру для правой и левой сторон зуба фрезы;

4) с помощью семейства секущих плоскостей графоаналитически определена контактная линия технологического червяка с производящей поверхностью дискового шлифовального круга, а также определено осевое сечение шлифовального круга;

5) технико-экономический анализ зубофрезерования показал, что разработанная конструкция фрезы позволяет выполнять 3 подналадки и 10 передвижек в отличие от 5-ти передвижек без подналадок для используемой на заводе фрезы. Сборная фреза исключает интенсивное изнашивание инструмента по боковым режущим кромкам вследствие увеличения задних углов и в целом повышает стойкость фрезы до 6-ти раз;

6) оценка влияния погрешностей установки фрезы на профиль производящей поверхности показала, что величина погрешностей прямо пропорциональна биению контрольных буртиков и диаметру червячной фрезы и обратно пропорциональна длине фрезы.