Введение к работе
Актуальность темы. В современном гибкоструктурном производстве и развивающемся малом и среднем бизнесе все большее внимание уделяется выпуску мелкосерийной продукции для авиационно-космической отрасли, станкостроения и приборостроения, конкурентоспособность которой возможно обеспечить путем создания новых наукоемких изделий, конструктивными элементами которых являются зубчатые колеса. Наибольшую сложность в изготовлении таких изделий представляют мелкомодульные колеса и инструмент для их изготовления, где допустимая погрешность по кинематической точности может составлять от 3 до 10 мкм. Из опыта промышленного производства и литературных источников известно, что точные эвольвентные профили с модулем менее 2 мм экономически целесообразно изготавливать долблением. На большинстве машиностроительных предприятий имеются зуборезные участки, оснащенные долбежными станками. При этом становится обоснованным использование для производства мелкомодульных зубчатых колес долбяков, к которым предъявляются высокие требования по точности, стойкости и износоустойчивости. Как правило, такие колеса производятся малыми сериями или единично (в случае их использования для ремонта). Это приводит к многократному возрастанию стоимости производства единичного зуборезного инструмента по сравнению с его серийным выпуском. Поэтому требуется обоснование выбора метода и разработка технологии нетрадиционного способа изготовления сборных твердосплавных и закаленных стальных долбяков с возможностью получения профиля зуба универсальным (непрофилированным) инструментом. В этом случае достигается возможность быстрого изготовления качественных износостойких долбяков за счет перенесения основной трудоемкости подготовки производства на автоматизированное проектирование управляющих программ для современного (в частности электроэрозионного) оборудования, имеющегося в достаточном количестве на предприятиях оборонных отраслей машиностроения. Это ускоряет выпуск индивидуального зуборезного инструмента, сокращает сроки освоения новых конкурентоспособных изделий, снижает себестоимость продукции, что актуально в современных условиях ведения хозяйственной деятельности.
Разработанные для сборного мелкомодульного зубообрабатывающего инструмента технологии изготовления на основе параметрической взаимосвязи профиля обрабатываемого зубчатого колеса и геометрии режущей части долбяка, реализуемые за счет изготовления последнего непрофилированным электродом-инструментом, имеют хорошие перспективы по их использованию для производства зубчатых колес мелкого модуля с высокой точностью профиля. Такой способ экономически целесообразен на стадии выпуска опытных изделий, а также при изготовлении мелкосерийной и единичной продукции в процессе серийного выпуска наукоемких, сложных объектов ракетно-космической техники и в других отраслях машиностроения.
Рассматриваемое направление исследований по получению эвольвентного профиля непрофилированным электродом без его последующей финишной обработки представляет интерес для опытно-конструкторских фирм и предприятий, работающих в области производства высокоточного оборудования, поэтому тема работы является актуальной, имеющей большие перспективы использования и развития в современном машиностроении.
Работа выполнялась в соответствии с Государственной программой "Мобильный комплекс", раздел "Техническое перевооружение" (постановление правительства РФ №2164-П) и федеральной целевой программой "Научные кадры инновационной России" на 2009-2013 годы" (постановление правительства РФ №568 от 26.07.08), а также по научному направлению ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" "Наукоемкие технологии в машиностроении, авиастроении и ракетно-космической технике".
Целью работы является обоснование способа и разработка технологии процесса получения индивидуальных эвольвентных профилей малого модуля для инструментального производства с обеспечением высоких технологических и эксплуатационных показателей сборного зуборезного инструмента за счет использования непрофилированного электрода-проволоки для формообразования высококачественных поверхностей, находящихся в параметрической взаимосвязи с формируемым рабочим профилем зубчатого колеса.
Для достижения поставленных целей были сформулированы и решены следующие задачи:
1. Обоснование метода эффективного изготовления мелкомодульных долбяков из труднообрабатываемых материалов для гибкоструктурного производства.
2. Разработка путей обеспечения качества мелкосерийного инструмента при минимизации потребности в материальных ресурсах.
3. Создание метода определения рациональных технологических режимов обработки с минимальным ресурсопотреблением.
4. Разработка технологии чистовой электроэрозионной размерной обработки непрофилированным электродом-проволокой эвольвентных поверхностей зубьев мелкомодульных сборных долбяков.
5. Создание системы автоматизированного проектирования сопрягаемых поверхностей сборного зуборезного инструмента с малым модулем для применения в гибкоструктурном производстве.
6. Обоснование расширения технологических возможностей предлагаемого метода на изготовление сложнопрофильных деталей инструментального и основного гибкоструктурного производства.
Объект и предмет исследования.
Объектами исследования являются процессы электроэрозионного и комбинированного изготовления эвольвентного профиля с помощью непрофилированного инструмента-проволоки, методики проектирования и реализации технологического процесса, инструмент и оборудование для реализации чистовой обработки комбинированным методом.
Методы исследования.
В работе использованы классические закономерности электроэрозионной обработки электродом-проволокой, технологии машиностроения, анализ и статистическая обработка результатов экспериментальных исследований с применением программного обеспечения MathCad, моделирование процесса конструирования твердосплавных долбяков и электроэрозионной обработки с автоматизированной генерацией управляющих программ для станков с ЧПУ Inventor2012 и InventorCAM2011.
Научная новизна работы заключается в:
1. Раскрытии механизма получения чистовой обработкой рабочего профиля твердосплавных режущих элементов без дальнейшей размерной обработки путем параметрического автоматизированного проектирования кромок режущего инструмента с эвольвентным профилем и его коррекцией с учетом реального контура присоединительных размеров корпуса и рабочих элементов (на примере мелкомодульного сборного долбяка).
2. Моделировании процессов, протекающих в межэлектродных зазорах, с учетом динамики изменения сечения проволоки и влияния формы электрода в процессе работы на точность геометрических размеров применительно к эвольвентному профилю сборных долбяков.
3. Создании системы подбора рациональных режимов обработки эвольвентного профиля мелкомодульного твердосплавного инструмента с учетом специфики автоматизированного производства и частой сменой номенклатуры обрабатываемых деталей основного производства.
Практическая значимость работы:
1. Разработаны сборные конструкции мелкомодульных долбяков, позволяющих снизить трудоемкость изготовления эвольвентных профилей и ускорить технологическую подготовку при запуске в гибкоструктурное производство новых изделий.
2. Установлены взаимосвязи технологических режимов электроэрозионной обработки непрофилированным электродом-проволокой и геометрии рабочей части сборных долбяков, что дало возможность получить технологические показатели, обеспечивающие чистовую обработку изделий без заключительных операций размерной обработки абразивным инструментом.
3. Предложены новые способы обработки эвольвентных профилей, обеспечивающие возможность высокоточного изготовления непрофилированным электродом зубчатых и шлицевых поверхностей без использования последующих операций чистовой механической обработки.
Личный вклад соискателя заключается в:
1. Исследовании механизма протекания процесса электроэрозионной обработки твердосплавного инструмента однослойными и многослойными электродами-проволоками, позволяющей увеличить производительность процесса, расширить область использования данного метода на мелкомодульный режущий инструмент (долбяки), повысить точность инструмента за счет создания прецизионных режущих кромок без последующей механической обработки.
2. Разработке методов изготовления и комбинированного упрочнения мелкомодульного твердосплавного сборного инструмента для нарезания зубчатых колес за счет создания теории обеспечения геометрической формы режущих кромок с учетом воздействия на них высокоэнергетических электроимпульсов.
3. Предложении новых (на уровне патентов) способов обработки твердосплавного инструмента в условиях гибкоструктурного производства с учетом требований по точности и качеству зубчатых колес, выпускаемых в основном производстве.
4. Обосновании особенностей технологического процесса производства мелкомодульного твердосплавного инструмента, учитывающего характеристики современного оборудования и требования по экономической целесообразности применения автоматизированных технологических процессов единичного и мелкосерийного производства. Новый технологический процесс расширяет технологические возможности ЭЭО в части повышения точности обрабатываемых эвольвентных профилей ввиду стабилизации условий формообразования на всей поверхности режущей кромки обрабатываемого инструмента.
Реализация и внедрение результатов работы. Работа внедрена на "Воронежском механическом заводе" – филиале ФГУП "ГКНПЦ им. М.В. Хруничева", ООО ПФК "Воронежский станкозавод - Холдинг" и научно-производственном предприятии "Гидротехника" со значительным экономическим эффектом. Разделы диссертации, посвященные проектированию технологии обработки эвольвентных профилей с использованием непрофилированного электрода-проволоки, используются при чтении лекций по специальным дисциплинам в ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет".
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международной научно-технической конференции "Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии" (Липецк, 2010); III Международной научно-практической конференции "Студент, специалист, профессионал" (Воронеж, 2010); II Всероссийской научно-практической конференции "Проектирование механизмов и машин" (Воронеж, 2010); Международной научно-технической конференции "Технологические методы повышения качества продукции в машиностроении" (Воронеж, 2010); ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет" (Воронеж, 2009 - 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, из них 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, поданы 2 заявки на патент РФ, по которым принято положительное решение. Общий объем материала 5,1 печ. листов, где доля соискателя составляет 3,2 печатных листа. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1] - предложена схема и установка для определения показателей процесса обработки мелкомодульных зубчатых колес; [2] - предложен алгоритм автоматизированного проектирования мелкомодульных долбяков; [3] - даны рекомендации по назначению рациональных режимов обработки непрофилированным электродом-проволокой; [4] - предложены рациональные геометрические параметры режущей части мелкомодульного долбяка; [5] - получены расчетные зависимости для определения точности обрабатываемого профиля; [6] - предложена схема повышения износостойкости инструмента для зубообработки; [7] - обработаны экспериментальные данные по влиянию системы инструмент - деталь на точность эвольвентного профиля; [8] - разработан алгоритм исследований характера поведения инструмента при зубообработке; [9] - предложена методика определения износостойкости твердосплавного мелкомодульного режущего инструмента.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 133 наименований, 4 приложений. Основная часть работы изложена на 122 страницах, содержит 52 рисунка и 9 таблиц.
