Расширение технических возможностей кинематической структуры станка с механическими связями для обработки червяков чашечным резцом

УДК 621.992.4

РАСШИРЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ СТАНКА С МЕХАНИЧЕСКИМИ СВЯЗЯМИ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЧЕРВЯКОВ ЧАШЕЧНЫМ РЕЗЦОМ

канд. техн. наук, проф. А.И. ГОЛЕМБИЕВСКИЙ

Рассматривается конструктивная особенность двухшагового червяка, сопрягающегося с одно-шаговым червячным колесом. Разношаговость такого червяка по противоположным сторонам профиля обеспечивается расположением его витка на конической начальной поверхности. Обосновывается целесообразность расширения технических возможностей кинематической структуры станка для обработки одношаговых червяков чашечным резцом посредством возможности нарезания двухшаговых червяков с конической начальной поверхностью. Рассматриваются условия математического сложения двух движений на одном исполнительном органе, и на этой основе предлагается бездифференциальный вариант модернизации кинематической структуры станка с общим электродвигателем для нарезания одношаговых червяков. Разрабатывается вариант модернизации структурной схемы станка с раздельными электродвигателями для групп формообразующих движений. Рассматривается методика настройки обеих структурных схем.

Введение. В конце 50-х годов прошлого столетия была разработана двухшаговая червячная передача (дуплекс-пара), позволяющая регулировать боковой зазор посредством осевого смещения червяка. Такие передачи используют в червячных парах, от которых требуется высокая кинематическая точность, например, в реверсируемых, отсчетных и делительных механизмах металлорежущих станков. В дуплекс-паре двухшаговый червяк с цилиндрической начальной поверхностью его витков находится в зацеплении с двухшаговым червячным колесом. В [1] предложена менее трудоемкая и более технологичная червячная передача, состоящая из двухшагового червяка и взаимодействующего с ним традиционного од-ношагового червячного колеса. Разношаговость червяка [2] данной передачи обусловлена заменой цилиндрической начальной поверхности его витков конической. Шаг витка такого червяка по противоположным сторонам его профиля зависит от угла расположения образующей начальной конической поверхности [3].

Постановка задачи. В единичном производстве нарезать двухшаговый червяк с начальной конической поверхностью можно на токарно-винторезном станке с конусной линейкой. На этом станке настройка на шаг витка червяка осуществляется поворотом линейки на угол наклона образующей начальной поверхности. Существенный недостаток такого вида обработки - низкая производительность, так как процесс нарезания червяка осуществляется при значительном количестве проходов не менее чем тремя последовательно используемыми резцами.

В серийном производстве обработку традиционных одношаговых червяков осуществляют чашечным резцом в виде зубчатого колеса с профилем зуба, форма которого является сопряженной при обкате с профилем резьбы нарезаемого червяка. Для этого используют специализированные станки с механическими связями [4]. Формообразующая часть таких станков содержит только структуру для нарезания одношаговых червяков, выполненную по дифференциальной схеме. Представляется целесообразным расширение технических возможностей станков данного типа посредством модернизации их кинематической структуры для обеспечения возможности обработки также и двухшаговых червяков с конической начальной поверхностью его витков.

Модернизация кинематической структуры станка для нарезания червяков. В основу методики модернизации положен принцип кинематического воспроизведения траектории движения чашечного резца по начальной конической поверхности червяка при его обработке. На рисунке 1 приведен бездифференциальный вариант модернизации структурной схемы специализированного станка для нарезания червяков чашечным резцом, обеспечивающий возможность обработки двухшаговых червяков.

Кинематическая структура станка включает двухэлементарную группу обката ФУ(В1В2) и трехэле-ментарную винторезную группу Ф(В3П4П5), связанные между собой электродвигателем. В кинематической структуре станка не предусмотрен планетарный дифференциал для физического сложения элементарных движений В2 и В3 на шпинделе заготовки, входящем в обе формообразующие группы. Слагаемые движения имеют одинаковую скоростную характеристику, продолжительность их одинакова и создаются они одним электродвигателем. Названные условия обеспечивают математическое сложение указанных движений на общем исполнительном органе - шпинделе заготовки. В этом случае исполнительные движения можно преобразовать к виду Ф„(В1В2 + В3) и Ф^(П4П5).

Группа ФГ(В1В2 + В3) воспроизводит зацепление червячной передачи. Ее внутренняя связь: В1 ^ шпиндель 1 чашечного резца ^ 2 ^ реверс Я1 ^ ¿х ^ 3 ^ 4^ 5 ^ шпиндель 6 заготовки ^ В2 + В3. Внешняя связь:

Мх ^ 7 ^ ^ 3 (звено соединения с внутренней связью).

7

Яз

11

м1

А

10 2

13

г. Я

Я2 9

П4

В3 В2

Рис. 1. Бездифференциальная структурная схема станка с механическими связями для нарезания червяков

Группа настраивается на траекторию и скорость (резания) органами настройки ¿х и соответственно на направление реверсом Я1.

Группа Ф/П4П5) осуществляет перемещение траектории движении чашечного резца по начальной конической поверхности витков червяка. Ее внутренняя связь:

П4 ^ продольный суппорт 8 ^ тяговый вал ТВ1 ^ муфта 9 ^ Я2 ^ 10 ^ Я3 ^ муфта 11 ^ ¿У ^ 12 ^

^ тяговый вал ТВ2 ^ поперечный суппорт 13 ^ П5.

Внешняя связь:

М1 ^ 7 ^ ^ 3 ^4 ^ ¿з ^ 10 (звено соединения с внутренней связью).

Группа настраивается на траекторию и скорость (подачу) органами настройки ¿у и соответственно на направление реверсами Я1 и Я2, на путь и исходное положение путевыми упорами электромеханической системы управления.

В структуре станка предусмотрена вспомогательная группа с отдельным электродвигателем для ускоренного перемещения суппортов. Ее внутренняя связь совпадает с внутренней связью группы Фя а внешняя связь имеет вид:

М2 ^ 14 ^15 ^ТВ2.

Ручное установочное перемещение перемещения суппортов осуществляется посредством моховиков, установленных на тяговых валах.

В специализированных станках для обработки червяков с механическими связями органы настройки на траекторию обоих формообразующих движений и органы настройки на скорости резания и

V

У

3

4

5

подачи, как правило, выполняют в виде гитар сменных зубчатых колес. Нормируемыми параметрами при обработке являются скорость резания, задаваемая по круговой частоте заготовки (движение В2), и продольная подача инструмента (движение П4).

Орган настройки ix. При нарезании червяка за один оборот заготовки (движение В2) чашечный резец совершает k/z оборотов (движение В1) и перемешается на величину s, мм (движение П4). Для получения винтовой линии червяка при перемещении чашечного резца на величину s заготовка должна дополнительно повернуться на s/T оборота (движение В3), что соответствует дополнительному повороту чашечного резца на величину +(k/z) • (s/T). Следовательно, расчетные перемещения (РП) для расчетной цепи, совпадающей с внутренней связью группы обката ФГ(В1В2 +В3):

1 оборот шпинделя заготовки (В2 + В3) ^ k/z (1 + s/T) оборота чашечного резца (В1),

где k - число заходов нарезаемого червяка; z - число зубьев чашечного резца; s - подача; T - шаг винтовой линии нарезаемого червяка.

Уравнение кинематической цепи (УКЦ) станочного зацепления:

k/z(1 + s/T) = 1 • c1 • ix,

где c1 - произведение передаточных отношений механических передач кинематической цепи. Формула настройки (ФН):

ix = c1 -z/к (1 + s/T).

Орган настройки iy. Расчетные перемещения для расчетной цепи, совпадающей с внутренней связью группы подачи Ф(П4Д5), составят

S„p перемещение резца в движении П4 ^ 8поп перемещение резца в движении П5,

где Sпр - нормируемая продольная подача; Sпоп = S^-tge (е - угол наклона образующей начальной поверхности червяка).

Уравнение кинематической цепи станочного зацепления имеет следующий вид:

*^поп Sпр •С •1/РТВ1 • iy 'РТВ2.

Формула настройки:

iy = (Sпоп/Sпр) • (РТВ1/с •РТВ2) = с2 'tge.

где с2 = (РТВ1/с•РТВ2) - константа модели станка; с - произведение передаточных отношений постоянных механических передач расчетной цепи.

Угол е наклона образующей начальной поверхности червяка определяется по формуле [3]:

е = arc tg (А/2 tg а0),

где А = акш//р - коэффициент приращения шага; а - коэффициент допустимого износа; 1р - дополнительная длина червяка; а0 - угол зацепления.

Коэффициент допустимого износа зависит от знаменателя стандартного ряда модулей. При знаменателе ряда, равном 1,06, коэффициент а = 0,03. Дополнительная длина 1р является конструктивным признаком двухшаговых червяков. Для станочных делительных передач 1р = 10.. .15 мм.

Орган настройки iv. Расчетная цепь связывает электродвигатель М1 со шпинделем 6 заготовки. Поэтому РП имеют вид:

пм1, мин-1, круговая частота электродвигателя ^ пшп, мин-1, круговая частота шпинделя 6.

Уравнение кинематической цепи:

пшп пм1 с3 1у.

Формула настройки:

iv пшп/пм1 с3,

где с3 - произведение передаточных отношений постоянных передач расчетной цепи.

Орган настройки is. Расчетная цепь связывает шпиндель 6 заготовки с ТВ1 продольного суппорта 8. Поэтому РП имеют вид:

1 оборот шпинделя заготовки ^ s мм перемещения продольного суппорта 8.

Уравнение кинематической цепи:

5 = 1^C4^¿S^tтВ1,

где с4 - произведение передаточных отношений постоянных передач расчетной цепи.

Формула настройки:

¿5 = з/с4^ТВ1.

Станок работает следующим образом. После наладки органов настройки и установки обрабатываемой заготовки по линии центров станка по циклу обработки включается электродвигатель М1. Движение от электродвигателя по внешней связи группы скорости резания через звено соединения связей 3 сообщается во внутреннюю связь этой группы. В итоге шпиндель чашечного резца получает вращательное движение В1, а шпиндель заготовки - движение В2 + В3. Согласованные движения шпинделей воспроизводят профиль червяка. Одновременно при включенных муфтах 9 и 11 движение от электродвигателя по внешней связи группы подачи через звено соединения связей 10 сообщается во внутреннюю связь этой группы. В итоге продольный суппорт 8 и поперечный суппорт 13, несущие шпиндель червячного резца, получают движения П4 и П5 соответственно. Функциональная связь этих движений обеспечивает перемещение траектории движении чашечного резца по начальной конической поверхности витков червяка. В итоге шаг витка червяка по противоположным сторонам его профиля будет соответствовать выражению:

Рб, м = п-да-со5ао/со5(а0 ± £),

где Рб, м - соответственно больший и меньший шаги витка; а0 - угол зацепления; £ - угол наклона образующей начальной поверхности; знаки «+» и «-» относятся соответственно к большему и меньшему шагу.

На станке можно обрабатывать также одношаговые червяки и глобоидные червяки. При обработке одношагового червяка посредством муфты 11 отсоединяется от привода подачи тяговый вал ТВ2 поперечного суппорта 13. В итоге двухэлементарная формообразующая группа подачи Ф(П4П5) преобразуется в одноэлементарную Ф5(П4). Вывод ФН для органа настройки ¿5 этой группы аналогичен рассмотренному выше. При нарезании глобоидного червяка посредством муфты 9 отсоединяется от привода подачи тяговый вал ТВ1. В итоге формообразующая группа скорости резания (обката) преобразуется к виду Ф^ВВ), а двухэлементарная группа подачи преобразуется в группу врезания Ф/П5). Вывод ФН для органа настройки этой группы осуществляется на основе следующих РП:

1 оборот шпинделя заготовки ^ 5 мм перемещения поперечного суппорта.

Современная тенденция при проектировании металлорежущих станков с механическими связями -оснащение формообразующих кинематических групп индивидуальными управляемыми, например, асинхронными или синхронными электродвигателями с использованием частотных преобразователей.

На рисунке 2 приведен вариант модернизации структурной схемы станка для нарезания червяков чашечным резцом с раздельным приводом формообразующих групп.

Кинематическая структура станка включает двухэлементарную группу обката Ф}(В1В2) и трехэле-ментарную винторезную группу Фц(В3П4П5). Внутренние связи кинематических групп соединены планетарным суммирующим механизмом (планетарным дифференциалом) 5 для физического сложения двух вращательных движений на шпинделе заготовки, являющимся исполнительным органом обеих групп.

Группа Ф^ВВ2) воспроизводит зацепление червячной передачи. Ее внутренняя связь:

В1 ^ шпиндель 1 чашечного резца ^ 2 ^ реверс Я1 ^ 3 ^ 4 ^ 5 ^ 6 ^ ¿х ^ 7 ^

^ шпиндель 8 заготовки ^В2.

Внешняя связь:

М1 ^ 9 ^ 3 (звено соединения с внутренней связью).

Группа настраивается на траекторию органом настройки ¿х; на скорость (резания) - частотным преобразователем, управляющим электродвигателем М1; на направление - реверсом Я1.

Группа Ф5(В3П4П5) осуществляет перемещение траектории движении чашечного резца по начальной конической поверхности витков червяка. Ее внутренняя связь содержит две структурные цепи.

Первая цепь:

В3 ^ шпиндель 8 заготовки ^ 7 ^ ¿х ^ 6 ^ 5 ^ 10 ^ ¿У ^ 11 ^ Я2 ^ 12 ^ ТВ1 ^

^ продольный суппорт 13 ^ П4.

Вторая цепь:

П4 ^ продольный суппорт 13 ^ ТВ1 ^ 12 ^ Я2^ 11 ^ 14 ^ 15 ^ ¿2 ^ 16 ^ ТВ2 ^

^ поперечный суппорт 17 ^ П5.

Внешняя связь:

М2 ^ 18 ^ 14 (звено соединения связей для второй цепи) ^ 11 (звено соединения связей для первой цепи).

Группа настраивается на траекторию органами настройки (гитары сменных зубчатых колес) ¡у и /г; на скорость - частотным преобразователем, управляющим электродвигателем М2; на путь и исходное положение - по упорам системы управления.

Рис. 2. Структурная схема станка с раздельным приводом формообразующих групп для нарезания червяков

Формулы настройки для 1Х, ¡у, ¡г на траектории обоих формообразующих движений выводятся на основе следующих расчетных перемещений соответственно:

1 оборот шпинделя заготовки (В2) ^ оборота чашечного резца (В1);

Т мм перемещения чашечного резца (П4) ^ 1 дополнительному обороту шпинделя заготовки (В3);

Ь мм перемещения чашечного резца (П4) ^ I мм перемещения чашечного резца (П5),

где Ь - параметр путь (произвольное число); I = Ьtgz; £ - угол наклона образующей начальной поверхности двухшагового червяка.

Последнее значение расчетных перемещений можно также выразить через значения продольной и поперечной подачи:

8пр перемещение чашечного резца (П4) ^ 8поп перемещение чашечного резца (П5),

где Бпр - нормируемая продольная подача; 8поп = 8пр^£.

При обработке двухшагового червяка станок работает следующим образом. По циклу обработки последовательно включаются электродвигатели М1 и М2. Движение от электродвигателя М1 по внешней связи группы скорости резания через звено соединения связей 3 сообщается во внутреннюю связь этой группы. В итоге шпиндель чашечного резца получает вращательное движение В1, а шпиндель заготовки через вход 4-выход 6 суммирующего механизма 5 - движение В2. Согласованные движения шпинделей воспроизводят профиль червяка. Одновременно при включенных муфтах 12 и 15 движение от электродвигателя М2 по внешней связи группы подачи через звенья соединения связей 11 и 14 сообщается в обе цепи внутренней связи этой группы. В итоге продольный суппорт 13 и поперечный суппорт 17, несущие шпиндель червячного резца, получают движения П4 и П5 соответственно, а шпиндель заготовки через вход 10-выход 6 суммирующего механизма 5 - движение В3. Функциональная связь движений В3, П4, П5 обеспечивает перемещение траектории движения чашечного резца по начальной конической поверхности витков червяка. При этом посредством суммирующего механизма 5 на шпинделе заготовки физически складываются движения В2 и В3.

При обработке одношагового червяка посредством муфты 15 отсоединяется от привода подачи тяговый вал ТВ2 поперечного суппорта 17. В итоге трехэлементарная группа подачи ФЛВ3П4П5) преобразуется в двухэлементарную Ф(В3П4). При нарезании глобоидного червяка посредством муфты 12 отсоединяется от привода подачи тяговый вал ТВ1. В итоге двухэлементарная группа подачи преобразуется в группу врезания Ф(П5). Данная модификация кинематической структуры станка для обработки червяков создает предпосылки оснащения ее простейшей системой ЧПУ с использованием программируемого контроллера. При этом настройка на траекторию обоих формообразующих движений, как и в схеме с механическими связями, будет осуществляться гитарами сменных зубчатых колес. Такой вариант станка рационален в серийном производстве с установившейся номенклатурой обрабатываемых червяков. При уменьшении серийности при одновременном увеличении номенклатуры обрабатываемых деталей возрастают трудозатраты на переналадку механических органов настройки (гитар сменных зубчатых колес) на траекторию, что ведет к снижению коэффициента мобильности станка. Поэтому для достижения высокого коэффициента мобильности в единичном и мелкосерийном производстве с неустановившейся номенклатурой необходима более сложная система ЧПУ, включающая отслеживающую двухстороннюю систему синхронизации, при которой механические органы настройки на траекторию в обеих формообразующих группах заменяются электронными связями между исполнительными органами. Обязательным условием при этом является использование на каждом исполнительном органе отдельного регулируемого электродвигателя.

Выводы. Преобразование двухэлементарной группы воспроизведения винтовой линии витков традиционного одношагового червяка в способе обработки таких червяков чашечным резом, известном по библиографическому источнику, в трехэлементарную группу обеспечивает возможность обработки двух-шагового червяка с винтовой линией витков на конической начальной поверхности.

При проектировании специализированного станка для обработки червяков с общим электродвигателем для формообразующих групп целесообразно использование бездифференциальной кинематической структуры. В этом случае обработка традиционного одношагового червяка с цилиндрической начальной поверхностью и двухшагового червяка с конической начальной поверхностью будет различаться только на уровне настройки формообразующих групп, обеспечивающих воспроизведение профиля и винтовой линии витков червяка, на траекторию.

При проектировании станка с индивидуальными электродвигателями в формообразующих группах необходимо использовать дифференциальную кинематическую структуру. Причем при использовании управляемых электродвигателей целесообразно оснащение станка программируемым контроллером.

ЛИТЕРАТУРА

1. Червячная передача: пат. 2044194 (РФ), F16H 1/16 / А.И. Голембиевский, В.А. Петров: заявитель Полоц. гос. ун-т; опубл. 1995 // Бюл. Изобретений. - 1995. - № 26.

2. Двухшаговый червяк: пат. 2020326 (РФ), F16H 1/16 / А.И. Голембиевский, В.А. Петров: заявитель Полоц. гос. ун-т; опубл. 1994 // Бюл. Изобретений. - 1994. - № 18.

3. Голембиевский, А.И. Новая двухшаговая передача / А.И. Голембиевский, В.А. Петров // Машиностроитель. - М., 1997. - № 5. - С. 26.

4. Федотенок, А. А. Кинематическая структура металлорежущих станков /А. А. Федотенок. - М.: Машиностроение, 1970.

Поступила 20.06.2014

ADVANCEL TECHNICAL CINEMATIC STRUCTURE OF MACHINES WITH MECHANICAL COUPLING TREATMENT CHERVYAKOV CALYX INCISORS

A. GOLEMBIEVSKY

We consider a two-step design feature of the worm, one-step mating worm wheel. Different-stepper this worm on opposite sides of the profile provided by its location on the conical coil initial surface. The feasibility of expanding the technical capabilities of the kinematic structure of the machine for the treatment of single-step worm cup-cutter cutting through the possibility of two-step worms with conical initial surface. The conditions of the mathematical addition of the two movements in one executive agency, and on this basis the option of upgrading non-differential kinematic structure of the machine with a common one-step motor for cutting worms. Developed version of the modernization of the block diagram of the machine with separate motors for groups shaping movements. The technique of setting both structural schemes.