Содержание к диссертации
Введение
1.0. Повьшение надёжности и работоспособности зубчатых цилиндрических эвольвентных передач малогабаритных механизмов 14
1.1 Обеспечение качественных показателей зубчатых колёс, зубчатые венцы которых выполнены из пластмасс и композитов 14
1.2. Условия эксплуатации, критерии качества и методы повышения качественных показателей мелкомодульных зубчатых передач 24
1.3. Повышение надёжности, работоспособности зубчатых передач путём оптимизации геометрии зацеплений с профильной модификацией 37
Выводы к главе 1 4 9
2.0. Основные теоретические положения обеспечения профильной модификации эвольвентных цилиндрических зубчатых венцов с помощью винтовых поверхностей 51
2.1. Сопоставительный анализ линейчатых винтовых поверхностей 52
2.2. Определение профильной кривой зуба венца колеса при взаимоогибании его с винтовой поверхностью 64
2.3. Метод расчёта реечного контура и торцовой кривой зуба венца на примере прямозубого цилиндрического колеса 68
2.4. Нелинейчатый геликоид в качестве основы инструмента для обеспечения профильной модификации 80
2.5. Профилирование дискового инструмента для получения винтовых инструментальных поверхностей 8 4
Выводы к главе 2 95
3.0. Технологическое обеспечение профильной модификации зубчатых венцов колёс малогабаритных передач 98
3.1. Нарезание зубчатых венцов мелкомодульными стандартными червячными фрезами 98
3.2. Профильная модификация зубчатых венцов колёс специальными червячными архимедовыми фрезами 105
3.3. Способ модификации зубчатых венцов нелинейчатыми червячными фрезами 111
3.4. Конструктивные варианты и особенности исполнения специального инструмента 114
3.5. Получение торцовой модификации на стадии шлифования и шевингования 121
3.6. Профильная модификация достигаемая зуботочением...131 Выводы к главе 3 141
4.0. Улучшение эксплутационных свойств комбинированных зубчатых колёс путём упрочнения функциональных поверхностей зубчатых венцов 14 3
4.1. Повышение надёжности и работоспособности малогабаритных зубчатых передач путём упрочнения функциональных поверхностей зубчатых венцов 14 3
4.2. Упрочнение функциональных поверхностей в процессе зубоформирования по оболочковому принципу 152
4.3. Геометрические параметры оболочкового зубчатого венца 166
4.4. Технология изготовления оболочковых формообразующих матриц из композиционных материалов .17 3
4.5. Расчёт геометрии внутренних контурных кривых формообразующих матриц 17 7
Выводы к главе 4 190
5.0. Нестандартные виды зубчатых венцов эвольвентных цилиндрических передач и особенности технологии их изготовления 191
5.1 Конусно-клиновые зубчатые венцы для цилиндрических эвольвентных передач 191
5.2 Двухвенцовые зубчатые колёса 196
5.3 Профилирование армирующих элементов для нестандартных зубчатых венцов по методу дискретного огибания 2 01
5.4 Обеспечение регулярного микрорельефа на поверхности лент-оболочек для зубчатых венцов 210
Выводы к главе 5 222
6.0. Методы контроля профильной модификации и профильных функциональных кривых малогабаритных зубчатых колёс 223
6.1. Определение глубины профильной модификации прямозубого венца методом четырёхпрофильного контроля 225
6.2. Двухпрофильный контроль глубины профильной модификации с помощью рычажного устройства 2 31
6.3. Оценка глубины профильной модификации путём
измерения хорды мелкомодульного зубчатого сектора 23 6
6.4 Обработка результатов измерений фиксируемых координатных точек профильных функциональных кривых
зубчатых венцов 242
Выводы к главе 6 253
Заключение 2 54
Литература
- Условия эксплуатации, критерии качества и методы повышения качественных показателей мелкомодульных зубчатых передач
- Метод расчёта реечного контура и торцовой кривой зуба венца на примере прямозубого цилиндрического колеса
- Профильная модификация зубчатых венцов колёс специальными червячными архимедовыми фрезами
- Упрочнение функциональных поверхностей в процессе зубоформирования по оболочковому принципу
Введение к работе
Актуальность проблемы. Процесс создания новой техники характеризуется тенденцией к миниатюризации. В современных малогабаритных передаточных механизмах достаточно широко используют зубчатые передачи как мелкомодульного ряда, так и малые значения крупномодульного ряда (модуль m =1.5). К ним в нынешних условиях развития техники предъявляют высокие требования по уровню надёжности и работоспособности. Следует также отметить, что одной из важнейших особенностей современного периода совершенствования зубчатых малогабаритных передач является использование для изготовления зубчатых звеньев пластических масс и композиционных материалов. В этом случае найден определённый баланс между техническими, технологическими и эксплутационными показателями механических устройств с одной стороны и экономическими с другой. К примеру, широко используют неметаллы для изготовления зубчатых венцов такие зарубежные фирмы как Parvolux, ITT Heyneu, Ovoid, SF Opperman, Moss Gear Company, Siemmens. Наметилась тенденция использования в преобразователях механических устройств комбинированных зубчатых колёс. Можно обобщённо выделить такие конструктивные варианты зубчатых колёс в современных малогабаритных передаточных механизмах при серийном и мелкосерийном производстве: зубчатый венец, диск и ступицу исполняют полностью из композита и пластмассы; зубчатый венец изготовляют из неметаллов, а диск и ступицу из металлов и их сплавов; зубчатый венец - из металла, а другие элементы зубчатого колеса в различных комбинациях из пластмасс и композитов. Каждый из таких вариантов имеет конкретную направленность применения в зубчатых механизмах. Широкое применение пластических масс и композиционных материалов, из которых изготавливают детали устройств и механизмов, в целом является существенной особенностью современного развития техники. Зубчатые венцы из пластических масс и композиционных материалов получают методом литья в форму без какой-либо
последующей механической обработки поимущественно в крупносерийном
?ОС НАЦИОНАЛЬНАЯ
і БИБЛИОТЕКА
I CQmpevpr fVS
09 W»$u*OfJ
її. її -ірт*
производстве и в массовом, а для получения точных зубчатых венцов во многих вариантах при их серийном и мелкосерийном производстве подвергают зубофрезерованию и шевингованию. В этом случае необходимо тщательно выбирать и назначать режимы процесса зубофрезерования и зубошевингования в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого материала. В комбинированных зубчатых колёсах, где зубчатый венец выполнен из металла, а другие элементы зубчатого колеса из композитов или пластмасс, в теории и практике накоплен достаточно большой опыт по формированию металлических рабочих поверхностей зубьев механической обработкой. Во всех вариантах имеется объективная необходимость повышения надёжности и работоспособности звеньев передаточных механизмов, повышения их точности исполнения. Теория и практика показывает, что немаловажную роль играет упрочнение функциональных поверхностей зубчатых венцов в улучшении показателей качества передачи. Возникает комплекс проблем направленных на необходимость их разрешения.
Как уже отмечалось, современный этап развития точной механики характеризуется востребованностью разработок, связанных с использованием композиционных материалов в комбинированных зубчатых колёсах в различных сочетаниях. Поэтому, постоянное требование совершенствования передаточных механизмов вынуждает искать новые подходы к проектированию зубчатых изделий и соответствующих технологических процессов с учётом появляющихся материалов с новыми физико-механическими свойствами. Прежние (классические) взгляды и подходы к конструированию зубчатых венцов из новых композиционных материалов в большинстве случаев не являются оптимальными. Ряд конструкторских и технологических задач можно решить на достаточно высоком уровне, если использовать нетрадиционные конструктивные варианты (в частности - оболочковые).
В малогабаритных силовых передачах из комбинированных зубчатых колёс используют преимущественно эвольвентные зацепления. Однако, из современной теории . огибания (теории зубчатых зацеплений) известны эвольвентные
модифицированные зацепления, учитывающие различные виды погрешностей и деформации в зоне зацепления, которые разработаны в практике на должном уровне в основном для крупномодульных силовых передач и которые обеспечивают существенное повышение надежности и работоспособности в целом. Значительный вклад в этом направлении внесли К.И. Гуляев и его ученики. В настоящее время имеется необходимость в технологической реализации модифицированных зацеплений в современных малогабаритных зубчатых механизмах. Поэтому задача исследования производящих поверхностей и разработка рекомендаций для получения модифицированных малогабаритных преимущественно комбинированных зубчатых колес является актуальной в сочетании с упрочнением функциональных поверхностей зубчатых венцов с целью повышения качественных показателей передач при серийном и мелкосерийном производстве их производстве (соотнесбнная к себестоимости передаточного механизма) является в настоящее время актуальной.
Целью работы является решение проблемы, имеющей важное народо-хозяйственное значение, заключающейся в разработке и исследовании методов обеспечения профильной модификации зубчатых венцов из металлов и композиционных материалов комбинированных зубчатых колес, используемых в малогабаритных передачах и изготовляемых в условиях серийного и мелкосерийного производства.
Достижение указанной цели предполагает решение следующих задач: 1 .Исследование винтовых линейчатых поверхностей для оценки возможности получения профильной модификации зубчатого венца. 2. Разработку метода расчета профильных кривых зубьев колеса в процессе двухпараметрического взаимоогибания с винтовой, прежде всего, архимедовой поверхностью. 3.Исследование влияния основных параметров архимедова геликоида на профильные кривые зубьев. 4. Разработку технических решений, позволяющих обеспечить профильную модификацию в различных технологических процессах зубоформирования. 5. Исследование возможности упрочнения функциональных поверхностей зубчатых венцов, выполненных из пластических масс и
композиционных материалов. 6. Исследование и разработку методов зубоформирования модифицированных зубчатых венцов из разнородных материалов для комбинированных зубчатых колёс с улучшенными показателями качества функциональных поверхностей. 7. Разработку метода проектирования и расчёта композиционных формообразующих матриц для изготовления зубчатых венцов из пластмасс и композитов в серийном и мелкосерийном производстве. 8.Разработку. метода формообразования нестандартных зубчатых венцов из неметаллов. 9. Обеспечение контроля модифицированных зубчатых венцов в производственных условиях.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы и понятия теории огибания (теории зубчатых зацеплений), методы дифференциальной геометрии, численные методы решения систем трансцендентных уравнений, элементы теории визуального проектирования, специализированный математический пакет MathCAD, электронные таблицы MS Excel.
Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы заключается в
следующем: а) предложено использование винтовой архимедовой поверхности
для обеспечения профильной модификации зубчатых венцов для
комбинированных колёс малогабаритных передач; б) предложена и теоретически
обоснован метод синтеза профильных кривых архимедовым и
псевдоархимедовым (нелипейчатой винтовой поверхностью с архимедовым
базисом) геликоидами; в) определено влияние основных параметров архимедова
и псевдоархимедова геликоидов на степень модификации преимущественно
мелкомодульных зубчатых венцов; г) выявлено, что при использовании
псевдоархимедова геликоида в качестве производящей поверхности в процессе взаимоогибания с заготовкой зубчатого венца, можно обеспечить характер и степень профильной модификации практически сопоставимую с модификацией, которая задана кривыми второго порядка по всей высоте зуба исходного контура; д) теоретически исследованы процессы взаимоогибания производящей винтовой архимедовой поверхности с заготовкой зубчатого колеса на предмет получения
профильной модификации при фрезеровании, шевинговании и зуботочении; е) предложен метод зубоформирования композиционных зубчатых венцов с упрочнёнными функциональными поверхностями для малогабаритных зубчатых передач; ж) предложен и разработан обобщённый алгоритмический метод проектирования и расчёта внутренних контурных кривых формообразующих матриц из композиционных материалов; з) разработан метод проектирования и изготовления нестандартных конусно-клиновых зубчатых венцов из пластмасс и композитов; и) предложен метод дискретного огибания для профилирования армирующих элементов зубчатых венцов и специальных приспособлений для формообразования зубьев; к) определены дополнительные методы контроля модификации преимущественно мелкомодульных зубчатых венцов в условиях производства.
Практическая ценность. Разработанные методы модифицированного зубоформирования позволяют использовать типовые технологические процессы и универсальное оборудование для повышения качественных показателей зубчатых зацеплений и передачи в целом. Разработанные виды зубчатых венцов и технология их изготовления обеспечивают требуемый уровень технических и экономических показателей малогабаритных цилиндрических комбинированных зубчатых передач, выполняемых в условиях серийного и мелкосерийного производства с последующим их контролем.
Достоверность результатов, представленных в диссертационной работе, научных рекомендаций и выводов основывается на положениях высшей и прикладной математике, теоретической механики, сопротивления материалов, на методах моделирования, на экспериментах и опытной эксплуатации разработок.
Реализация в промышленности. Предложенные в работе рекомендации нашли практическое применение в научно-исследовательских работах и при проведении опытно-конструкторских работ на производстве - "Завод Измерон", "Техприбор", "Завод Ладога", "Институт электорокаплеструйных технологий"(г. Санкт-Петербург), "Арзамасский приборостроительный завод", "Завод им. В.А.Дегтярёва" (г. Ковров), "ФООС и "Пимпуш" (г. Новосибирск).
Также материалы диссертации используются в учебном процессе в Арзамасском филиале НГТУ, в Ковровской ГТА, в СПбГИТМО (ТУ).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 1. Всесоюзной научно-технической конференции - Проблемы качества механических передач и редукторов. Точность и контроль зубчатых колёс и передач. 1991г.; 2. Всероссийских ежегодных научно-технических конференциях в ЦНИИ РТК в 1997-2002гт. (в 1997- 98гг. и 2002г. - по одному докладу, в 2000г. - 2 доклада, в 2001г. - 3 доклада) в секции Компоненты робототехники (всего - 8 докладов); 3. Международной научно-практической конференции "Зубчатые передачи - 99" в БТУ "Военмех"; 4. Научно-технической конференции "Проектирование и эксплуатация зубчатых передач и механизмов" в г.Уфа в 1997г. 5. Всеросийской научно-технической конференции "Наука - производству: современные задачи управления, экономики, технологии и экологии в машино- и приборостроении" в г.Арзамас в 1998г. 6. Международной научно-технической конференции "Управление в технических системах - XXI век" в г. Ковров в 2000г. 7. Научно-методической конференции, посвященной 50-ю кафедры Мехатроники С-Петербургского государственного института точной механики и оптики в 2001 г. 8. Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы машиностоения" в г. Владимир в 2001 и 2002гг. в секциях "Высокоэффективные технологии машиностроительного производства" и "Мехатроника и робототехника". 9. Международных конференциях "Современные фундаментальные проблемы и прикладные задачи теории точности и качества машин, приборов и систем" в СПб 2000 и 2002гг (всего - 3 доклада); 10. Всеросийской научно-практической конференции с международным участием "Редукторостроение России: состояние, проблемы, перспективы" в Санкт-Петербурге в 2002г. (2 доклада); 11. Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГИТМО(ТУ) в 1989 , 1995, 2000 (3 доклада), 2002гг. в секциях : теория механизмов и деталей приборов, САПР приборостроения, технология приборостроения (всего - 6 докладов). 12. Всероссийской научно-технической
конференции "Новые материалы и технологии " в г. Москва в 2002г. 13. Всероссийской научно-технической конференции "Прогрессивные технологии в машино - и приборостроении" в г.Арзамас в 2002 г. 14. Научно-практической конференции и семинарах, организованных Международным центром экономики, науки и техники, г. Санкт-Петербург в 2001 и 2002 гг. 15. Научно-практической конференции и семинарах для работников промышленности регионов РФ в Центре научно-технической информации "Прогресс", г. Санкт-Петербург в 2002 г. 16. Кафедре Технология машиностроения Ковровской государственной технологической академии, г.Ковров, 2002г.
Всего соискателем сделано по теме диссертации 33 доклада.
Публикаиии. По теме диссертации опубликовано более 50-ти печатных работ, из них - 8 авторских свидетельств и 3 патента.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 разделов, заключения, списка использованной литературы, включающего 255 наименований, и приложений. Диссертация содержит в целом 386 страниц, из них основного текста - 251 страница, включая 71 иллюстрацию (графики, рисунки и таблицы).
На защиту выносится: а) технологический синтез профильной модификации зубчатых венцов для цилиндрических комбинированных колёс винтовыми производящими поверхностями, б) зависимости глубины и характера профильной модификации от основных параметров винтовых производящих поверхностей, в) методы получения профильной модификации инструментами, в основу которых положены архимедов и псевдоархимедов геликоиды, г)структурные схемы и алгоритмы реализации методов формирования профильной модификации зубчатых венцов винтовыми поверхностями, д)методология зубоформирования оболочковых модифицированных цилиндрических венцов с упрочнёнными функциональными поверхностями, е)обобщённый алгоритмический метод формообразования эвольвентно-модифицированных зубчатых венцов из композитов и пластмасс, ж) метод проектирования и расчёта конструкций оболочковых конусно-клиновых
цилиндрических зацеплений и двухвенцовых комбинированных зубчатых колёс, з) методы контроля профильной модификации и конструктивные схемы технологических приспособлений для их осуществления с последующей методикой обработки данных измерений.
Условия эксплуатации, критерии качества и методы повышения качественных показателей мелкомодульных зубчатых передач
В современной промышленности стали достаточно широко использовать мелкомодульные комбинированные зубчатые передачи и, прежде всего, зубчатые венцы которых выполнены из металлов и их сплавов, а остальные элементы - из пластических масс и композиционных материалов. Опыт изготовления обычных металлических зубчатых колёс и опыт эксплуатации таких зубчатых передач следует учитывать при проектировании, расчёте и изготовлении комбинированных зубчатых колёс. В технической литературе дается достаточно обширный список областей применения малогабаритных передач [3,13-17,57,58,86,92,94,104,105,116,121,127и др.]. В зависимости от того, в каких узлах механизма они применяются и какие выполняют функции, мелкомодульные передачи могут отличаться значительно. Большое многообразие их применения привело к необходимости их классификации по следующим признакам: по источнику энергии, по передаточному механизму, по типу конструктивного исполнения, по выходным характеристикам, по функциональному назначению [16,17] и так далее. Особо следует отметить признак, определяющий функциональное назначение в особенности мелкомодульной зубчатой передачи. С общих позиций выделяют в практике три группы мелкомодульных передач: передачи силовые, отсчетные и кинематические. Зубчатые механизмы, которые относят к группе силовых предназначены в основном для передачи достаточно больших по величине вращающих моментов. К зубчатым колесам таких мелкомодульных передач предъявляют, прежде всего, требования по прочности зубьев. Зубчатые передачи в механизмах, относящихся к группе отсчетных механизмов, предназначены для согласования сигналов в различных видах следящих систем. К таким передачам предъявляют высокие требования к точности выходных параметров. Зубчатые механизмы, которые относят к группе кинематических предназначены для изменения скоростей вращения. Они должны иметь высокую плавность вращения, высокий коэффициент полезного действия и минимальные величины моментов сопротивления. Относить зубчатый механизм к той или иной группе требуется с той целью, чтобы достаточно объективно назначать конструктивные параметры зубчатых звеньев, технологию их изготовления, режимы испытаний и соответствующее испытательное оборудование и так далее. Однако в практике часто встречаются варианты зубчатых механизмов, которые достаточно трудно конкретно и однозначно отнести к той или иной группе. В этом случае, прежде всего учитывают те признаки зубчатого механизма, которые в нем преобладают [15].
Выбор конструктивных параметров преимущественно мелкомодульной зубчатой передачи (назначение модуля, число зубьев, передаточного отношения зубчатой пары, ширины зубчатого венца) имеет свои особенности, которые освещены в целом в работе [16]. В этой же работе рассмотрено влияние изменения конструктивных параметров на геометрию зацепления, рекомендуется производить прочностные расчеты мелкомодульных передач на стадии проектирования более тщательно, учитывать особенности конкретного зубчатого механизма, искать новые методики оптимизации проектирования.
Во многих работах отмечается[169, 170, 221, 240, 241, 254 ] , что одной из важнейших характеристик мелкомодульной зубчатой передачи является ее работоспособность. Работоспособность мелкомодульной зубчатой передачи характеризуется точностными (функциональными) и прочностными критериями, которые взаимно связаны между собой и оба зависят от ряда параметров. Они зависят от суммы первичных ошибок и взаимосвязаны с технологией изготовления зубьев, нагрузки и скорости в зоне контакта, отдельных контактных процессов поверхностей зубьев. Уделяется внимание выбору конструктивных параметров при использовании высокоскоростных мелкомодульных зубчатых передач, кинематических и тяжелонагруженных. Отмечаются некоторые противоречия по их назначению, по выбору основных характеристик и критериев для оценки, к примеру, долговечности передачи. При проектировании мелкомодульных механизмов большое значение уделяют назначаемым критериям минимизации массы звеньев передачи, габаритов, приведенного момента инерции.
Метод расчёта реечного контура и торцовой кривой зуба венца на примере прямозубого цилиндрического колеса
В данном параграфе предлагается вариант методики определения реечного контура и профильной кривой в торцовом сечении зуба венца колеса с учётом вышеизложенного в предыдущем параграфе 2.2 данной работы.
Рассмотрим ее подробно на примере двухпараметрического огибания архимедовой винтовой поверхности с прямозубым венцом. Пусть винтовая архимедова поверхность представлена в виде цилиндрического червяка с постоянным шагом винтовых линий, то есть в виде геликоида. Преобразуем систему (8), которая выражает винтовую поверхность [125,126,154], в следующий вид:
Угол подъема винтовой линии на каком-либо цилиндре ГІ можно в третьей формуле этой системы представить так: tgA,i=plri. Как было отмечено ранее, осевое сечение архимедова червяка наиболее просто выразить - это прямая линия с углом наклона аи. Также достаточно просто (в сопоставлении, к примеру, с нормальным сечением) выразить сечения, параллельные начальному (исходному) осевому. Под начальным (исходным) сечением будем понимать осевое сечение винтовой поверхности (геликоида), которое проходит через кратчайшее расстояние между осью геликоида и осью прямозубого колеса-изделия. Кроме того, это сечение в процессе взаимоогибания звеньев постоянно образует угол с торцовой плоскостью прямозубого колеса численно равный углу подъема винтовой линии на делительном цилиндре геликоида. Все параллельные сечения можно получить при помощи следующей последовательности достаточно простых формул:
Уи = aj = $І = arcsin(fly /г,) = хи = rt cos 3, z,. = rt \&rplr- tga„) . (15) Задавая 3j (j = 1,2,..., n) и ГІ (І = 1,2,..., к) при заданных постоянных параметрах р и 0СИ, получаем совокупность сечений, которые параллельны начальному (исходному) осевому сечению. Диапазон aj определяется из следующих соображений. Максимальное углубление червяка (как видно из рис.2.8 и 2.9 равно: &r-ra rf) Рис.2.8 выполнен с упрощением - не отражен поворот фрезы (червяка) относительно торца колеса. Из рис.2.8 также видно, что значение aj должно быть в пределах от -W до +W , где
Далее, указанную совокупность сечений спроецируем на плоскость а (рис.2.9), повернутую по отношению к плоскости начального сечения на угол г и перпендикулярную винтовой линии на делительном цилиндре. Угол у равен углу подъема винтовой линии Xd на делительном цилиндре. Проецирование какого-либо рассматриваемого фрагмента данного цилиндрического червяка полностью эквивалентно "следу" на этой плоскости от поступательного движения червяка (его витка) через плоскость под углом у к его торцу и вдоль по направлению витка. Полученная кривая на плоскости т является приведенной кривой совокупности сечений, параллельных начальному осевому сечению архимедова червяка, параметра движения \\f в плоской системе координат xz. Таким образом, на этом этапе определен контур рейки.
После определения контура рейки необходимо рассматривать второй параметр движения tyi - движение огибания (обкатки) , которое сводится к рассмотрению плоского огибания рейки, профиль которого очерчен приведенной кривой, с заготовкой изготовляемого колеса.
Профильная модификация зубчатых венцов колёс специальными червячными архимедовыми фрезами
Предлагается специальный червячный и косозубый инструмент для отделки мелкомодульных прямозубых металлических венцов комбинированных колёс (преимущественно с модулем 0,2 - 0,6 мм), которым можно обеспечить профильную модификацию зубьев по всей высоте зуба.
Учитывая малые геометрические размеры зубьев мелкомодульного ряда, можно рекомендовать инструмент, рабочая поверхность которого имеет микроуглубления, выполненные с помощью лазерной установки. Эти микроуглубления заполнены мелкозернистым абразивом и зафиксированы полимерной массой. В основу предлагаемого инструмента также положена винтовая архимедова или нелинейчатая (псевдоархимедова) поверхность.
В настоящее время лазерные установки широко и успешно применяются в приборостроении, в точной механике и подобных областях техники [36,37,78,98,141,146]. К примеру, с помощью лазерного луча с импульсного лазера на С02 выполняют особо точные отверстия малых диаметров 0,005 - 0,4 мм на глубину до 1 мм в деталях из тугоплавкого материала при одноимпульсном режиме [32]. Энергия импульса излучения, при этом, до 8 дж с частотой 0,1 - 1 гц. Основные преимущества выполнения отверстий с помощью лазерной установки: высокая скорость, независимость от твердости обрабатываемого материала (включая твердые и тугоплавкие) , возможность получения отверстий малого диаметра, в том числе и некруглой формы. Для выполнения отверстий определенной конфигурации используют соответствующие диафрагмы.
Как известно, принцип работы лазерной установки заключается в импульсной генерации мощного светового излучения. Оптическая система фиксирует лазерный луч необходимого диаметра и направляет его на обрабатываемую деталь. Сфокусированная световая энергия производит оплавление и испарение материала. Обрабатываемое место поверхности характеризуется высокой локальностью нагрева и минимальной деформацией. Достаточно широко используют различные типы лазерных установок для сварки (точечной и непрерывной), для скрайбирования, для гравировки, для перфорации и так далее.
Известно также применение лазерных установок в зубообработке инструмента, к примеру - [98]. Их используют преимущественно для упрочнения режущих кромок.
Лазерные установки, например, импульсного типа, позволяют создавать на термообработанных поверхностях из инструментальной стали микроуглубления (микролунки) с повышенной микротвердостью на их краях вместо режущих кромок. Для этой цели подходят, к примеру лазерные технологические установки Квант 15, Квант 60, которые в настоящее время выпускаются предприятием в г.Ульяновске.
В нашем случае целесообразно образовывать микроуглубления (риски) с достаточно небольшим углублением, что позволит использовать относительно небольшие импульсы излучения. Инструмент, в основу которого положен, например, архимедов геликоид, должен иметь достаточно большое число зубьев с целью повышения его износостойкости. Поэтому луч лазера падает на инструментальную поверхность под углом к нормали (рис.3.8). В этом случае лунка будет иметь овальность с увеличенным оплавлением в верхней части (в направлении к вершине зуба). Величина оплавления лунки зависит от твердости материала инструмента. Чем выше степень твердости материала, тем величина оплавления меньше. Размер 3 Ъ (незначительно) - см. развертку боковой поверхности зуба на рис.3.8.
Упрочнение функциональных поверхностей в процессе зубоформирования по оболочковому принципу
Современный этап развития точной механики, как уже было отмечено во введении, характеризуется востребованностью теоретических и практических разработок, связанных с использованием композиционных материалов при изготовлении деталей механических устройств.
Постоянное требование совершенствования механизмов и приборов вынуждает искать новые подходы к проектированию и конструированию механических узлов и деталей с учетом появляющихся материалов с новыми свойствами и технологиями их получения. Прежние взгляды и подходы к конструированию механизмов, содержащих детали выполненные по традиционным типовым схемам, но из новых композиционных материалов, в большинстве . случаев не являются оптимальными. Ряд конструкторско-технологических задач можно решить на достаточно высоком уровне, если использовать в механизмах так называемые оболочковые конструкции деталей. Особенностью таких деталей является то, что внешняя их поверхность представлена в виде, к примеру, тонкой металлической оболочки. В таком варианте можно тело детали задавать из композиционного материала по требуемым физико-механическим параметрам, обеспечивающим прочность детали как таковой, а внешнею часть - в виде оболочки с той поверхностью, которая позволяет получить желаемый функциональный результат при сопряжении с другой поверхностью другой детали. Таким образом, внешняя оболочка служит для того, чтобы обеспечить внешние формы детали с достаточной геометрической точностью исполнения. Развертка оболочки (прежде всего в виде тонкой плоской заготовки) обеспечивает возможность нанесения на ее поверхность (плоскость) антифрикционного покрытия или соответствующего микрорельефа. Фиксация заданной формы оболочки осуществляется наполнением внутренней полости композиционным материалом. Такие конструкции оболочковых деталей можно выполнять с армирующими элементами, которые также целесообразно использовать и для первоначальной фиксации внешней оболочки в процессе изготовления детали. При проектировании, расчете и изготовлении типовых деталей, представленных в начальной стадии в виде оболочек следует применять известные методы моделирования и элементы организации группового производства.
В данном случае уместно вновь обратиться к рис.4.1, где тоже по сути оболочка, которая сформирована на теле детали. В том варианте, когда деталь формируется из композиционного материала, целесообразно первоначально формировать оболочку, а потом тело самого изделия (детали).
Технологический синтез зубчатого венца по оболочковому варианту имеет ряд преимуществ. Прежде всего - это возможность обеспечить очень качественную боковую рабочую поверхность каждого зуба (и впадины), получать эвольвентные, эвольвентно-модифицированные и несимметричные профили с относительно низкой по отношению к аналогам трудоемкостью на универсальном оборудовании без применения процессов резания (традиционных в этой области) и дополнительных отделочных операций.
Теоретический интерес представляет формирование зуба венца в следующем варианте: форму зуба выполняют, к примеру, из тонкой металлической ленты (рис. 4.3а и 4.3Ь), которая представляет собой развёртку внешних поверхностей зубьев. Участок ленты - А, который является разверткой боковой рабочей поверхности зуба имеет переменную толщину с внутренней стороны. Минимальная толщина ленты из металлических сплавов, обладающих упругими свойствами (пружинные материалы) рекомендуется 0,05 - 0,1m . Шероховатость внешней поверхности целесообразно задать 0,2 - 0,4 мкм по параметру Ra . Из такой ленты формируют первоначально П-образную ленту 1 (рис.4.3Ь) и фиксируют, к примеру, на армирующем элементе в виде кольца 2 микрозаклёпочным соединением 3 (рис.4.3с). Далее эту первоначальную форму зуба обжимают (изгибают) путём приложения усилия F к вершине формируемого зуба (рис.4.4а).
