Системный подход к проектированию и производству ортогональных червячных передач

УДК 621.833

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ И ПРОИЗВОДСТВУ ОРТОГОНАЛЬНЫХ ЧЕРВЯЧНЫХ ПЕРЕДАЧ

Г.В. Шадский, И.И. Феофилова

Приведен комплекс вопросов по совершенствованию технологии проектирования и производства ортогональных крупномодульных многозаходных червячных передач с цилиндрическим червяком. Показано, что для обеспечения заданной точности зубчатого венца необходимо рассмотрение процессов проектирования и производства как системы, основанной на моделировании рабочего и станочного зацеплений при нарезании червячного колеса и профилировании инструментов первого и второго порядков.

Ключевые слова: передача, привод, модуль, колесо, червяк, технология, зубона-резание, механизм.

Производство червячных передач, их эксплуатация и ремонт являются сложными технологическими задачами, имеющими системный характер. Понятие «технологический» целесообразно рассматривать с позиций перспективного и текущего планирования научно-исследовательских работ, проектирования технологических объектов и управления технологическими процессами. Крупномодульные и многозаходные передачи чаще всего изготовляют серийно или мелкосерийно и применяют в энергетических установках, прокатных станах и грузоподъемных механизмах. Принятие организационных и технологических решений существенно усложняется при ремонте приводов импортного производства или отечественных, изготовленных в единичном экземпляре. Трудности возникают не только с подбором необходимого технологического оборудования, но и с проектированием и изготовлением специальной технологической оснастки, металлорежущих и контрольно-измерительных инструментов, совершенствованием, доработкой, а иногда и разработкой новых вариантов методик расчета и контроля.

Червячные передачи, особенно многозаходные и крупномодульные, определяют массу и габариты механизмов машин и агрегатов. В связи с этим улучшение геометрии зацепления, совершенствование конструктивных и технологических приемов, повышающих нагрузочную способность зубчатых венцов, рационализация технологии их изготовления, а также снижение производственных и эксплуатационных затрат - актуальны для научно-производственной сферы.

Благодаря плавной работе червячные пары используют в делительных передачах как основу станочного зацепления инструмента и червячного колеса при его нарезании червячной фрезой. Основными задачами в проектировании и производстве червячных механизмов являются:

- применение кинематического подхода при проектировании производящих поверхностей формообразующих инструментов;

- реализация результатов проектирования передачи в кинематике зубообрабатывающих станков и наоборот, т. е. использование кинематики станков для определения профиля одного из звеньев передачи, а по нему и профиля второго звена;

- использование контактных точек в червячном механизме для получения технологических точек на производящих поверхностях формообразующих и контролирующих инструментов.

Так как в состав червячного механизма входят высшие кинематические пары, то проектирование самих механизмов, а также механизмов, реализующих технологию производства, ремонта и контроля связано с проектированием взаимоогибаемых поверхностей. Неидентичность винтовых поверхностей фрезы и червяка приводит к несопряженности их элементов в передаче и смещает пятно контакта к одному из торцов колеса. Для уменьшения влияния погрешностей изготовления и монтажа контакт сопрягаемых поверхностей локализуют путем модификации одной из винтовых поверхностей чаще всего червячного колеса.

Зубонарезание червячных колес осуществляется на зубофрезерных станках: 1) червячной фрезой при ее радиальной подаче вдоль межосевого перпендикуляра или осевой подаче вдоль собственной оси; 2) однозубым или многозубым летучим резцом с осевой подачей на станках с протяжным суппортом или с ЧПУ.

Фрезерование с радиальной подачей неизбежно связано с нерегулируемой огранкой боковых профилей зубьев, зависящей от числа режущих реек, числа заходов фрезы и числа нарезаемых зубьев колеса. Особенно это заметно на малозубом колесе и при числе заходов червяка два и более. В таком случае количество резов, приходящихся на боковой профиль колеса, может оказаться менее пяти и потребуется чистовая обработка колеса, наиболее эффективным способом, которой является шевингование.

Шевингование выполняется двумя способами: с радиальной подачей посредством сближения инструмента с деталью до достижения номинального межосевого расстояния и с осевой подачей на минимальном межосевом расстоянии. Осевое шевингование обеспечивает более высокое качество зубчатого венца, чем радиальное, так как исключает срезание металла у вершин зубьев колеса. При этом процесс реализуется как с принудительным, так и со свободным обкатыванием. Конструкция [1] в виде винтовой поверхности имеет на боковых сторонах витка мелкие канавки, образующие режущие кромки. Высокая трудоемкость изготовления канавок, сложность отвода стружки и реализации свободного обката, а соответственно и ведения колеса ограничивают применение такого шевера. Более технологичен инструмент [2] с режущими кромками, образованными прямолинейными стружечными канавками. Канавки пересекают прямую, касательную к основному цилиндру исходной инструментальной поверхности, и линию подъема витка на нем.

Шеверы, работающие при свободном обкатывании [3], могут иметь одну или несколько стружечных канавок: винтовых, гипоциклоидальных или систему радиальных отверстий. Коническая заходная и цилиндрические рабочая и калибрующая части шевера обеспечивают требуемые профили зубчатых поверхностей венца и исключают их огранку.

Снижение времени приработки червячной пары, особенно быстроходной с многозаходным червяком малого диаметра, связано с необходимостью изготовления червяка со шлифованной винтовой поверхностью. При этом шлифование инструмента и червяка желательно осуществлять на одном и том же оборудовании. Достижение геометрической точности червячных колес на основе рационального сочетания операций зубофрезеро-вания и шевингования зубьев с сопряженными поверхностями обрабатываемых деталей и обрабатывающих их инструментов обеспечивается:

1) анализом основных способов нарезания червячного колеса на основе учета кинематических зависимостей, характеризующих образование сопряженных профилей при черновой и чистовой обработке;

2) моделированием рабочего и станочного зацеплений при нарезании червячного колеса и профилировании инструментов первого и второго порядков;

3) исследованием фрезерования однозаходных и многозаходных червячных колес летучей, одношаговой или червячной фрезой с поворотными режущими рейками;

4) разработкой конструкций червячных шеверов со стружкоотво-дящими цилиндрическими отверстиями и технологии локализации пятна контакта при принудительном и свободном обкатах;

5) экспериментальным исследованием процесса стружкообразова-ния при фрезеровании и шевинговании с определением влияния количества и расположения стружкоотводящих отверстий на силовые характеристики зубообработки процессов фрезерования и шевингования.

В решении приведенных задач стружкообразование, силовые и стойкостные характеристики зубофрезерования и шевингования червячных колес инструментами с винтовой производящей поверхностью являются первостепенными. Операцию зубообработки следует рассматривать как систему, представляющую множество взаимосвязанных элементов, выступающих единым целым со всеми присущими этой системе внутренними и внешними связями и свойствами. Методологические основы при анализе этой системы включают:

- взаимосвязь положений, свойственных различным научным дисциплинам, таким, как технология машиностроения, машиноведение, технология и оборудование механической и физико-технической обработки;

- абстрактность исследований для сбора, анализа и использования эмпирического материала, позволяющцю получать теоретические выводы, с одной стороны, и переходить от абстрактных теоретических схем к получению требуемых практических результатов, с другой стороны.

В связи с этим можно выделить три важные стороны исследования:

- определение необходимых теоретических основ системного подхода к технологическим задачам;

- построение адекватного технологическому исследованию теоретического и экспериментального аппарата, формально решающего теоретические задачи;

- практическое применение системного подхода к конструкторско-технологическому проектированию и исследованию технологии получения крупномодульной ортогональной червячной передачи.

Рассматривая проектно-конструкторский, технологический, исследовательский и производственный процессы как взаимосвязанные элементы единого комплекса, следует учитывать, что:

- не все элементы в равной степени влияют на достижение конкретного результата;

- не всегда первостепенным является взаимодействие элементов, часто бывает более важно их взаимосодействие для достижения поставленной цели [4]; взаимодействующие элементы могут приводить к взаимным конфликтам, что снижает эффективность действий в получении желаемого результата.

Большая масса крупномодульных червячных колес является естественным ограничением межоперационного транспортирования и требует эффективного сочетания чернового и чистового зубонарезания в одной операции, а следовательно, и специальной многофункциональной оснастки. Для осуществления зубонарезания часто сложно подобрать инструмент, сопряженный с деталями червячной пары - червяка и колеса. При этом одну из деталей, например червяк, не заменяют, а продолжают эксплуатировать, поэтому необходимо проектирование и изготовление нового специального инструмента, а если это фреза, то технологически сложного и крупногабаритного.

Специфика системного исследования позволяет выдвинуть новый подход к технологии зубообработки червячной передачи. В самом общем виде этот подход выражается в стремлении построить целостную картину технологии (рисунок) и характеризуется следующими положениями:

- при исследовании технологического процесса как системы описание ее операций не носит самодовлеющего характера, поскольку каждый элемент ее рассматривается с учетом его места в целом;

- один и тот же элемент технологического процесса выступает в системном исследовании как обладающий одновременно разными характеристиками, параметрами, функциями и даже принципами строения. Одним из проявлений этого является иерархичность строения системы;

- исследование системы неотделимо от исследования условий ее функционирования;

- специфической системного подхода является проблема порождения свойств целого из свойств элементов и, наоборот, порождения свойств элементов из характеристик целого;

- источник преобразования системы или ее функций лежит в самой системе, поскольку это связано с целесообразным характером функционирования системы.

Структура системы зубообработки и сборки червячной передачи

Существенная черта ряда системных объектов состоит в том, что они являются не просто системами, а самоорганизующимися системами. С этим связана и другая особенность, присущая системным исследованиям: наличие у системы некоторого множества индивидуальных характеристик.

По рисунку следует сделать пояснения на основе ГОСТ 27.004-85.

- технологическая система - функционально взаимосвязанные средства технологического оснащения, предметы производства и исполнители, выполняющие в регламентированных условиях производства заданные технологические процессы или операции;

- предметы производства - материал, заготовки, полуфабрикаты и изделия. Они находятся в соответствии с выполняемым технологическим процессом в стадиях хранения, транспортирования, формообразования, обработки, сборки, ремонта, контроля и испытаний;

- подсистема технологической системы - технологическая система, выделяемая по функциональному или структурному признаку из технологической системы более высокого уровня;

- технологический комплекс - совокупность функционально взаимосвязанных средств технологического оснащения для выполнения в регламентированных условиях производства заданных технологических процессов или операций;

- элемент технологической системы - ее часть, условно принимаемая неделимой на данной стадии ее анализа. Неделимость элемента рассматривается как нецелесообразность учета в пределах модели данной системы его внутреннего строения.

Обратная связь. В рассматриваемом примере это - комплекс контроля. При использовании понятия «обратная связь» не следует ограничиваться только фиксацией рассогласования между полученным, требуемым (номинальным с допусками) и фактическим значениями регулируемого параметра. Необходимо замкнуть контур обратной связи, выработав в блоке обратной связи соответствующие управляющие воздействия, которые скорректируют алгоритм или закон управления;

Обратная связь является основой саморегулирования, развития систем, приспособления их к изменяющимся условиям существования. При разработке моделей функционирования сложных саморегулирующихся и самоорганизующихся систем, как правило, одновременно присутствуют и отрицательные, и положительные обратные связи. На использовании этих понятий базируется, в частности, имитационное динамическое моделирование. Единственное назначение подсистем обратной связи - изменение идущего процесса. Обратная связь может быть: а) объектом отдельного процесса подсистемы; б) объектом интегрированного процесса подсистемы; в) распределенным по времени объектом, возвращающим выход подсистемы с высшим приоритетом (более поздний по времени) для сравнения с критерием подсистемы низшего приоритета (более раннего по времени). В отечественных зубообрабатывающих системах при автоматизации цикла управления практически отсутствуют системы автоматизации контроля, т.е. обратная связь является разомкнутой и исключается саморегулирование процесса. Регулирующее воздействие в виде подналадки станка в этом случае осуществляет оператор.

Алгоритм управления - программа, закон, зависимость, по которым осуществляется выработка управляющего воздействия.

Изготовленные колеса и червяки поступают на склад, где их комплектуют в пару, а затем направляют на сборку.

В соответствии с ГОСТ 19036-94 у ортогональных червячных пар осуществляются контроль плавности работы и контроль кинематической точности. У передач, собранных в рабочем корпусе после обкатки, осуществляется контроль бокового зазора, а после разборки - пятна контакта и в случае необходимости доработка одного из элементов передачи. Наиболее технологичным в этом отношении является червяк, поэтому его направляют на дополнительное шлифование винтовой поверхности.

Алгоритм управления на операциях зубонарезания основан на зависимостях, связывающих изменение толщины зуба и длины общей нормали с изменением межосевого расстояния в станочном зацеплении обрабатываемого зубчатого элемента с обрабатывающим инструментом, например, червячной фрезой, шевером или шлифовальным кругом.

Аналогично приведенной системе в условиях предприятия организуют систему инструментообеспечения, включая проектирование, изготовление и обслуживание.

Список литературы

1. Мильштейн М.З. Нарезание зубчатых колес. М.: Высшая школа, 1972. 272 с.

2. А. с. 1683913 СССР, МКИ В 23 F 21/28. Способ обработки зубчатых колес/С.П. Радзевич 1989.

3. Скрябин В.Н., Феофилова И.И., Рахметов С.Л. Инструментальные наладки при изготовлении червячных колес // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып. 1. Ч. 1. С. 150 - 155.

4. Анохин П.К. Философские аспекты теории функциональной системы: Избранные труды. М.: Наука, 1978.400 с.

Шадский Геннадий Викторович, д-р техн. наук, проф., chiefgennadiischadscky@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Феофилова Инна Ивановна, ассистент, feof'ilovndayandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

A SYSTEMATIC APPROACH TO THE DESIGN AND PRODUCTION OF ORTHOGONAL

WORM GEAR

G. V. Shadskij, I.I. Feofilova

Considered a range of issues aimed at improving production technology of orthogonal coarse-grained multistart worm gear with cylindrical spiral. It is shown that the provision of the required accuracy of the ring gear requires consideration of design and manufacturing processes as a system based on workflow modeling and machining catching when cutting a worm wheel and profiling tools first and second order.

Key words: transmission, drive module, wheel, worms, technology, gear-cutting machinery.

Shadskij Gennadiy Victorovich, doctor of technical sciences, professor, chiefgenna-diischadscky@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Feofilova Inna Ivanovna, assistant, feofilovnd@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University