Tula, Tula, Russian Federation
Tula, Tula, Russian Federation
Projection aspects of a combined cutting and deforming tool special design for studying the main characteristics of finish-ing gear-working of shaving-rolling cylindrical gear wheels. Large focus is given to the issues of shaping the main cutting elements of the tool and the possibility of its manufacture in the conditions of modern tool production. The necessity of using an integral tool design in the context of its operation in a manner similar to the turning process is substantiated.
shaving-rolling on, cylindrical wheels, process, tool, cutter, design, solid modeling
Ведение
В Тульском государственном университете на протяжении последних десятилетий серьезное внимание уделяется аспектам построения высокопроизводительных ресурсосберегающих процессов комбинированной (режуще-деформирующей) чистовой и отделочной зубообработки цилиндрических зубчатых колес (ЦЗК). В многочисленных работах профессоров Е.Н. Валикова, А.С. Ямникова, О.И. Борискина и их учеников, в частности [1 – 3], отмечается высокая эффективность процесса шевингования-прикатывания для чистовой стадии зубообработки при обеспечении стабильно высоких точностных и качественных параметров венцов, обрабатываемых ЦЗК.
Дальнейшее экспериментальное исследование рассматриваемого процесса подразумевает обработку партий из нескольких тысяч ЦЗК с использованием специализированного технологического оборудования, что в условиях современных реалий, в рамках чисто академического исследования (проводимого на кафедре вуза без какой-либо поддержки со стороны промышленных предприятий), представляется малоосуществимым. Следовательно, физическое моделирование процесса шевингования-прикатывания ЦЗК в процессе точения, при использовании метода аналогии в кинематике и режимах резания, позволяет с высокой степенью точности изучить ход протекания процесса комбинированной чистовой зубообработки и механизм износа зубьев режуще-деформирующего инструмента, задействованного в нем [4].
Основные принципы и граничные условия построения модели
Для реализации моделирования необходимо спроектировать специальный инструмент – резец, целиком выполняемый, по аналогии с шевером-прикатником, из быстрорежущей стали марки Р6М5 (ГОСТ 19265-73), закаляемый до твердости 60…65 HRC [3] и имитирующий один из его режущих зубьев (рис. 1).
Воспользовавшись методами курса «Начертательная геометрия» [5] и возможностями системы графического моделирования, предоставляемыми, например САПР «Компас» фирмы «АСКОН», можно составить схему для определения положения и координат точек сечений передних поверхностей резца во вспомогательных плоскостях – нижней (н.п.) и верхней (в.п.) (рис. 2). Данные плоскости, для удобства дальнейших построений, можно считать равноудаленными, соответственно, от основной плоскости резца и его плоскости прижима на расстояние ΔН (для рассматриваемого примера ΔН удобно принять равному 1,0 мм) и параллельными им.
Рабочий участок АB, профилирующий заднюю поверхность (ЗП) очерчен боковой поверхностью эвольвентного профиля зуба инструмента (см. рис. 1). Нерабочий участок BC ЗП, в свою очередь, очерчен дугой окружности, плавно сопрягаемой с эвольвентой AB. Таким образом, задняя поверхность AC ограничивается основной плоскостью резца и параллельной ей плоскостью прижима.
Исходными параметрами для моделирования инструмента, помимо координат точек, формирующих эвольвентную заднюю поверхность AB, являются:
а) высота резца Hр (для рассматриваемого примера Hр = 12 мм); ширина резца Bр (для рассматриваемого примера Bр = 12 мм);
б) угол разворота правой (ППп) и левой (ППл) передних поверхностей резца βS (для рассматриваемого примера βS = 1o30ʹ) равный углу подъема винтовой стружечной канавки на шевере-прикатнике и аналогичный углу γ для классического токарного резца;
в) толщина зуба инструмента на плоскости прижима, идентичная толщине зубьев шевера-прикатника на окружности вершин в направлении линии зуба Sa0n, которая в свою очередь зависит от шага винтовой линии стружечной канавки Pвинт, угла наклона ее боковых стенок θ [1, 3, 4] (для рассматриваемого примера при Pвинт = 6 мм; θ = 45o, Sa0n = 1,08 мм);
г) углы наклона правой РКп и левой РКл режущих кромок θ/2 инструмента (для рассматриваемого примера θ/2 = 22°30ʹ), которые по своему функционалу аналогичны углу λ для классического токарного резца.
Кроме рассмотренных выше основных конструктивных параметров существует также и ряд вспомогательных:
а) углы скосов между передними поверхностями резца и его боковыми гранями (в горизонтальной плоскости), которые назначаются из конструктивных соображений (для рассматриваемого примера принимаются равными 60°);
б) угол наклона линии скосов между передними поверхностями резца и его боковыми гранями (в вертикальной плоскости), которые назначаются из конструктивных соображений (для рассматриваемого примера принимается равным 15°).
В результате графического моделирования в САПР получены координаты точек: 1в.п…3в.п., 1н.п…3н.п.; 1в.л…3в.л., 1н.л…3н.л., задающие линии пересечения ППп, ППл и поверхностей правого и левого скосов с в.п. и н.п. Практическое значение имеют координаты точек и, соответственно, линии пересечения, построенные по ним в горизонтальной проекции эскиза. Указанные линии могут быть легко импортированы САПР «Компас-3D» (рис. 3) и использованы, наряду с линией AC, для создания твердотельной модели резца.
Особенности процедуры твердотельного моделирования инструмента
Дерево построения модели, приведенное на рис. 4, позволяет наглядно проследить процедуру построения твердотельной модели инструмента. Первоначально в заданной пространственной системе координат выполняется построение прямоугольника и выдавливание прямоугольного параллелепипеда, образующего тело цельного резца и имеющего размеры Hрх, Bрх, Lр.
Контур, очерчивающий заднюю поверхность инструмента, приводится в виде эскиза, по которому в дальнейшем происходит его вырезание из объема тела резца.
Введение дополнительных плоскостей н.п. и в.п. позволяет разместить в них линии пересечения передних поверхностей и скосов инструмента. Лини приводятся в отдельных эскизах для правой и левой сторон инструмента. Двугранные углы переменного профиля, образованные пересечением плоскостей, образующих передние поверхности и скосы резца получаются путем реализации процедур «вырезания элемента выдавливанием». Так как рассматриваемые поверхности – линейчатые, необходимым и достаточным условием для их построения в пространстве является задание их линий пересечения с двумя плоскостями – н.п. и в.п.
Результатом построения является твердотельная модель инструмента, приведенная на рис. 5. Ввиду того, что резец имеет небольшие габаритные размеры в поперечном сечении: для исследований, проводимых в лабораторных условиях достаточным можно считать габарит 12х12 мм [4, 6], его режущие элементы целесообразно получать методом электроэрозионной обработки на станке с ЧПУ, позволяющим добиться высокой точности геометрических параметров режущих элементов – ±2 мкм и низкой их шероховатости Ra = 0,32 мкм [7, 8]. Перед электроэрозионной обработкой тело резца – прямоугольный параллелепипед, предварительно обрабатывается резанием, закаливается и шлифуется по базовым поверхностям.
Основные выводы и результаты
При необходимости по твердотельной модели может быть построен стандартный двумерный графический документ (рис. 6), позволяющий произвести технологическую подготовку процесса изготовления резца в условиях инструментального производства. Графический документ содержит необходимые виды, имеет в своем составе дополнительный элемент – увеличенный профиль эвольвентной задней поверхности инструмента. Также в документе представлена таблица координат опорных точек рабочего эвольвентного участка задней поверхности. Указанные координаты позволяют осуществить сплайновую интерполяцию, удобную для подготовки управляющей программы при профильной электроэрозионной обработке задней поверхности резца.
Стоит отметить, что электроэрозионная обработка на станке с ЧПУ является, в данном случае, предпочтительной, так как при ней задействуется универсальное высокоточное оборудование, которым оснащаются современные инструментальные производства. Использование оптикошлифовальных станков на данной операции существенно повышает требования к квалификации рабочего, увеличивает трудоемкость изготовления инструмента и снижает точность и качество обработки. Применение шлифовальных станков с ЧПУ также затруднительно ввиду их дороговизны и относительно малой распространённости и доступности в инструментальном производстве.
Таким образом, в результате применения процедуры проектирования и рекомендаций по изготовлению, описанных в настоящей статье, получен специальный инструмент – резец (см. рис. 5), позволяющий произвести физическое моделирование процесса комбинированной чистовой зубообработки ЦЗК шевингованием-прикатыванием с высокой степенью подобия. При этом, форма и характер расположения зоны контактирования поверхностей обрабатываемой заготовки и инструмента не противоречат основным аспектам теории зубчатого зацепления, рассмотренным, в частности, в работах [9 – 12].
1. Boriskin O.I., Valikov E.N., Belyakova V.A. Com-bined technique for shaving-rolling cylindrical cog-wheel teeth: monograph. Tula: Izdatelstvo TulGU, 2007, 123 p. (in Russian).
2. Valikov E.N., Belyakova V.A. Cog-wheel side sur-face cutting-deforming finishing: monograph. Tula: Iz-datelstvo TulSU, 2011. 216 p. (in Russian).
3. Malikov A.A., Sidorkin A.V., Yamnikov A.S. In-novative technologies of processing of teeth of cylindrical wheels: monograph. Tula: IzdatelstvoTulSU, 2011, 335 p.
4. Malikov A.A., Sidorkin A.V., Kovalev Yu.V. Con-ceptual foundations of physical modeling for shaving-rolling cylindrical gears // STIN, 2022, no. 2, pp. 2-7.
5. Gordon V.O., Sementsov-Ogievsky M.A. Course of descriptive geometry: Textbook for universities / edited by V.O. Gordon and Yu.B. Ivanov. - 24-th ed., ster. Moscow: Higher School, 1998, 272 p.
6. Metal-cutting tools: textbook for higher education institutions on specialties «Technology of Mechanical En-gineering», «Metal-cutting machines and tools» / G.N. Sakharov, O.B. Arbuzov, Yu.L. Borovoy, et. al. Moscow: Mashinostroenie, 1989, 328 p. (in Russian).
7. Alam M.N., Siddiquee A.N., Khan Z.A. A compre-hensive review on wire EDM performance evalutation // Journal of process mechanical engineering. 2022. V. 236 (4). P. 1724-1746.
8. Joshi A. Wire cut EDM process limitations for tool and die steel // International journal of technical research and application. 2014. №2. P. 65-68.
9. Litvin F.L., Chen N.X., Hsiao C.L., Handschuh R.F. Genetation of Helical gears with new surfaces topolo-gy by application of CNC machines // Gear technology. 1994. January/February. P. 30-33.
10. Litvin F.L., De Donno M., Lian Q., Lagutin S.A. Alternative Approach for Determination of Singularities and Envelopes to a Family of Parametric Surfaces // Com-put. Methods Appl. Mech. Engrg. 1998. No 167. P. 153-165.
11. Litvin F.L., Fuentes A. Gear geometry and Applied theory. Published in the United States of America by Cam-bridge University Press, New York, 2004, 800 pp.
12. Radzevich S.P. Gear Cutting Tools: Science and Engineering, 2nd Edition, Boca Raton, Florida, 2017, 564 pp.
