Примеры аналитико-экспериментальных исследований точности и стабильности операций

Исследование точности и стабильности операций зубообработки среднемодульных цилиндрических колес трансмиссий колесных машин»

ВВЕДЕНИЕ

В условиях крупносерийного производства зубчатых колес автомобильных трансмиссий при формирование оптимального технологического процесса зубообработки определяющим является точность и стабильность операций, из которых компонуется процесс.

1. ПОСТАНОВА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Различные методы формообразования впадин между зубьями колес в значительной мере определяют содержание, длительность и качественные показатели зубообрабатывающих операций. Высокая точность и качество цилиндрических среднемодульных зубчатых колес, применяемых в машиностроении, зависят от производительности, точности и стабильности протекания операций зубообработки.

В целом оптимальность технологического процесса зубообработки цилиндрических колес определяется правильным подбором операций предварительного зубонарезания и последующей отделочной обработки зубьев колес по производительности, точности и стабильности во времени с учетом явлений технологической наследственности.

Согласно ГОСТ 27.202-83 «Технологические системы. Методы оценки надежности по параметрам качества изготовляемой продукции» операцию зубообработки с позиции точности и стабильности можно представить в виде структурной схемы (рис. 1).

В целом точность зубообрабатывающей операции - это степень соответствия фактического рассеивания показателей качества заданным допускам. Для количественной оценки точности отдельной операции и возможности сравнения нескольких конкурирующих вариантов операций, выполняемых различными методами зубообработки, удобно пользоваться коэффициентом точности, определяемым отношением поля рассеивания к полю допуска.

Так как при зубообработке большая часть погрешностей изготовления зубчатого венца подчиняется законам распределения существенно-положительных величин, то для определения коэффициента точности можно пользоваться формулой:

где: су - среднее квадратическое отклонение;

8 - допуск, представляющий собой разность между наибольшим и наименьшим допустимыми значениями показателей качества.

Точность любой операции зубообработки зависит от величины как суммарных, так и составляющих погрешностей, возникающих в период настройки станка на размер и в ходе протекания самой операции. Количественная характеристика погрешностей обработки и первичные факторы, вызывающие эти погрешности в ходе операции, не остаются постоянными и подчиняются определенным законам распределения. Поэтому для определения более точной характеристики операций зубообработки их следует рассматривать как операции, протекающие во времени. Последнее обстоятельство требует соответствующего подхода и к определению основных параметров операции зубо- обработки.

Структурная схема операции зубообработки

Рис. 8.1. Структурная схема операции зубообработки

Поскольку величины некоторых из этих параметров в разные моменты времени принимают различные значения, то точностные характеристики зубообрабатывающих операций должны определяться в функции времени. Выбор схемы хода технологической операции и закона мгновенного распределения для момента времени Т, дает возможность вполне однозначно определять теоретический закон распределения для каждой партии деталей и их совокупностей.

В большинстве случаев тип закона распределения для определенной зубообрабатывающей операции не меняется на протяжении изготовления всей партии деталей, изменяются лишь параметры распределения.

Любая операция зубообработки при напряженном режиме скоростного резания или пластического деформирования протекает в условиях постепенного износа и затупления инструмента. При этом положение центра группирования изменяется в ходе процесса по определенному закону и может быть представлено в виде точечных диаграмм. Многие авторы склонны считать, что смещение центра группирования протекает по линейному закону, упрощая этим действительную картину хода технологической операции. Однако исследования, проведенные Н.А Бородачевым, А.М. Даниеляном, В.И. Гостевым, А.В. Панкиным и др., опровергают гипотезу о линейном смещении центра группирования в технологических операциях с ярко выраженным износом инструмента. Линейный закон смещения центра группирования характерен только для очень стабильных операций, выполняемых на жестких станках с простой кинематикой, при использовании высококачественного инструмента с большим периодом стойкости. Таким образом, каждая операция зубообработки имеет свои специфические особенности протекания ее во времени, а, следовательно, и свою точностную диаграмму, характеризующую точность и стабильность операции (рис. 8.2).

Точечные диаграммы хода операций зубообработки

Рис. 8.2. Точечные диаграммы хода операций зубообработки: / - кругодиагональное протягивание зубьев; 2 - фрезерование однозаходной червячной фрезой; 3 - шевингование зубьев; 4 - холодное калибрование зубьев двумя накатниками

2. ТРАКТОВКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТОЧНОСТИ И СТАБИЛЬНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ ПО ГОСТу Под стабильностью зубообрабатывающей операции подразумевается способность операции в течение определенного времени сохранять в заданных пределах положение мгновенной средней Хер и величину мгновенного рассеивания. Она характеризуется рядом показателей, которые можно представить в виде коэффициентов Км.с., Кн , Кц , Кр и Кс.

Естественно, если технологическая операция протекает с постоянной (или ограниченной определенными пределами) интенсивностью факторов, вызывающих появление производственных погрешностей, то износ инструмента, как правило, изменяющийся фактор, должен оказывать решающее влияние на изменение положения центра группирования. Возникает вопрос, по какому закону происходит смещение центра группирования и имеет ли место постоянство интенсивности смещения.

Коэффициент межнастроечной стабильности Км.с. рассчитывается как отношение средних квадратических отклонений первой и последней выборок.

Показатель уровня настройки Кн (характеризует точность настройки оборудования в начальный после настройки период обработки) определяется по первой мгновенной выборке после настройки станка по формуле:

где: Хн - заданный уровень настройки;

XI - среднее значение первой мгновенной выборки.

Коэффициент смещения центра рассеивания Кц определяется по формуле:

где: Хп - среднее значение последней перед новой настройкой мгновенной выборки.

Показатель рассеивания Кр - по выборкам, определяемый как

где: со - поле рассеивания контролируемого параметра соответствующей выборки.

Показатель стабильности рассеивания Кс берется по выборкам, взятым в разные периоды времени и характеризует изменение показателей рассеивания с течением времени.

3. ЦЕЛЬ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТОЧНОСТИ И СТАБИЛЬНОСТИ ТИПОВЫХ ЗУБООБРАБАТЫВАЮЩИХ ОПЕРАЦИЙ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ПРОИЗВОДСТВЕ ШЕСТЕРЕН

Цель экспериментального исследования - получение информации об особенностях протекания во времени основных зубообрабатывающих операций, законах смещения центров группирования погрешностей параметров точности обрабатываемых зубчатых колес, интенсивности этого смещения и изменений показателей стабильности операций в зависимости от метода формообразования зубьев (копирования или обката).

В работе обобщены результаты ранее выполненных экспериментальных исследований, проводимых на АВТО-ЗИЛе, Таганрогском комбайновом заводе (ТКЗ), ГАЗе и МАМИ в разное время и опубликованные в технической литературе.

Для оценки стабильности зубообрабатывающих операций по настройке и по точности был использован статистически-вероятностный метод исследования. Математическая обработка результатов исследований с целью определения основных показателей стабильности зубообрабатывающих процессов производилась по специально разработанной программе с использованием современной вычислительной техники.

Параметры зубчатых колес (объекта исследования) экспериментальных партий:

  • • в экспериментах использовались зубчатые колеса коробок перемены передач автомобилей, трансмиссий тракторов и комбайнов. Только процесс холодного прикатывания зубьев исследовался на шестерни коленчатого вала автомобиля ЗИЛ, близкой по параметрам зубчатого венца к трансмиссионным колесам легковых автомобилей;
  • • с целью лучшей сопоставимости результатов экспериментов опытные зубчатые колеса экспериментальных партий незначительно отличались конструктивным исполнением и размерами обрабатываемых зубьев. Все они относились к группе насадных колес и изготавливались из поковок, которые перед механической обработкой проходили нормализацию и отпуск с последующим охлаждением на воздухе.
  • • Точность заготовок полностью соответствовала требованиям технологии согласно справочным нормалям, принятым на заводах- производителях:
    • а) биение базовых торцев - 0,02 мм (для нар. Диаметра);
    • б) параллельность базовых торцев - 0,02 мм;
    • в) допуск на посадочное отверстие - 0,025 мм;
    • г) при установке по поверхности отверстия биение наружного диаметра не превышало - 0,15 мм;
    • д) перпендикулярность оси посадочного отверстия и базовых торцов была выдержана с точностью 0,03...0,05 мм.

Каждая экспериментальная партия колес подбиралась с учетом того, чтобы перепад твердости внутри каждой партии был в одинаковых пределах.

При проведении экспериментов принимались меры по обеспечению одинаковых условий эксплуатации инструмента.

Выбор экспериментальных партий зубчатых колес выполнялся согласно требованиям ГОСТ 16.467, а также заводским данным по стойкости зубообрабатывающего инструмента. Были приняты партии размером от 70 до 1260 деталей в зависимости от исследуемой технологической операции. Каждая партия была изготовлена из одной плавки стали и при одинаковых условиях обработки на ЗИЛе, ТКЗ и ГАЗе в соответствии с наименованием обрабатываемой детали.

Все измерения по каждому из параметров точности вели на одних и тех же контрольных приборах при условиях, исключающих внесение дополнительных погрешностей. В процессе измерения всех деталей партии применяли единую настройку каждого из инструментальных средств.

Точность окончательно обработанных зубчатых колес экспериментальных партий регламентировалась отраслевыми стандартами. Параметры зубчатых колес экспериментальных партий были следующими:

Модуль в нормальном сечении в пределах 2,54...4,25 мм; число зубьев в пределах 26...32 зуба; профильный угол исходного контура зубьев в нормальном сечении в пределах 14°30...20°; ширина зубчатого венца от20 до 31 мм; угол винтовой линии на делительном цилиндре относительно оси колеса в пер дел ах 23° до 39°; Материалы зубчатых колес - стали марок 35, 30Х, 18ХГТ; 25ХГТ и 25ХГМ; твердость материала заготовок перед зубообработкой была в пределах 207...240 НВ.

При технологическом контроле зубчатых колес после каждой обследуемой зубообрабатывающей операции согласно рекомендациям соответствующих Отраслевых стандартов применяли следующие контрольные комплексы:

  • • по кинематической точности - колебание измерительного межосевого расстояния за оборот колеса F>} колебание длины общей нормали Vwzi;
  • • по плавности работы - колебание измерительного межосевого расстояния на одном зубеfUz ;
  • • по возможности определяли погрешность профиля зубьев и погрешность направления зубьев.
  • 4. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТОЧНОСТИ И СТАБИЛЬНОСТИ ЗУБООБРАБАТЫВАЮЩИХ ОПЕРАЦИЙ

На основании обследования различных зубообрабатывающих операций, проведенных В.И. Гостевым, А.А. Сыроегиным, В.Д. Клепиковым и др. авторами, опубликованным данным составлена таблица 8.1., в которой даны характеристики точности и стабильности протекания технологических операций нарезания зубьев колес и их отделки.

Характеристики точности и стабильности зубообрабатывающих операций

Таблица 8.1

Зубообрабатывающая операция

Обрабатываемый

материал

Твердость материала НВ

Время резания, мин

Показатели точности и стабильности

Коэф. межнастроечной стабильности, К

Коэф. смещения центра рассеивания К,,

Показатель стабильности рассеивания Кс

Коэф. точности операции Кт

Нарезание зубьев однозаходной червячной фре-

ЗОЙ

чугун

163...229

365

1,4700

0,1968

1,4699

0,7027

сталь

187 и мен.

227

1,178

0,15

1,1782

0,7350

сталь

207 и мен.

260

1,2105

0,3048

1,2105

0,6080

Нарезание зубьев двухзаходной червячной фрезой

сталь

156

168

1,875

0,0

1,876

0,7777

сталь

207

168

1,2143

0,0

1,2142

0,7656

Нарезание зубьев долбяком

сталь

156...207

203

1,111

0,2358

1,1113

0,6686

Фрезопротяги- вание зубьев

сталь

156...207

158

1,1430

0,0

1,14

0,9086

Круглодиагональное протягивание зубьев

сталь

187...207

160

1,0

0,0

1,0

0,8750

Шевингование

зубьев

сталь

156...207

283

1,3330

0,1980

1,1334

0,6788

сталь

187 и мен.

199

1,2300

0,1330

1,2308

0,7583

чугун

163...239

183

1,0

0,0940

1,0

0,7924

Обработка зубчатых колес экспериментальных партий осуществлялась на зубофрезерном полуавтомате завода «Комсомолец», зубопротяжном станке мод. КСЗ-2, зубошевинговальном станке мод. 5702 Витебского станкозавода и профиленакатном станке фирмы «Лоренц» на режимах резания, применяемых в действующем производстве на автозаводах России.

Измерения параметров зубчатых колес по нормам кинематической точности и плавности производились при двухпрофильном беззазорном зацеплении с эталонным колесом на межцентромере с ценой деления индикатора 0,002 мм, а отклонение общей нормали - с помощью нормалемера (точность ±0,01 мм).

По результатам измерения всех партий зубчатых колес, обработанных на различных зубообрабатывающих операциях, были построены кривые эмпирического распределения (рис. 8.3), определены величины мгновенного среднего квадратического отклонения для начала и конца операции (81 и Ап ), центры группирования отклонений Lcp, а также смещение настройки (X ср.п -Xi) за время нарезания партии колес.

Математическая обработка производилась по методике Я.И.Лукомского и в соответствии с ГОСТ 16305.

Кривые распределения погрешности для разных операций зубообработки

Рис. 8.3. Кривые распределения погрешности для разных операций зубообработки: 1 - кругодиагональное протягивание зубьев; 2 - фрезерование однозаходной червячной фрезой; 3 - шевингование зубьев; 4 - холодное калибрование зубьев

5. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО ПРОВЕДЕННОМУ ИССЛЕДОВАНИЮ

Сопоставляя представленные в таблице характеристики точности и стабильности зубообрабатывающих операций с точностными диаграммами, можно заключить, что практически на всех операциях имеет место период приработки инструмента и последующей стабилизации процесса.

Операции кругодиагонального протягивания зубьев и холодной прикатки отличаются более высокой стабильностью по сравнению с зубофрезерованием червячными фрезами и шевингованием.

В зависимости от метода зубообработки (копирования или обкатки) смещение центра рассеивания и стабильность рассеивания изменяются в широких пределах. Большинство операций в целом отличается высокой стабильностью по всем показателям точности.

Анализ коэффициентов смещения центров рассеивания Кц показывает, что для протекания зубообрабатывающих операций характерен случай равномерного износа инструмента и пренебрежительно малого смещения настройки. Из-за относительно высокой стабильности по настройке исследованных операций отпадает необходимость в выполнении подналадок технологической системы в период работы инструментом между переточками.

Анализируя значения коэффициентов межнастроечной стабильности Кмс можно заметить. Что для многих исследованных операций не характерно равномерное возрастание рассеивания, вызванного затуплением инструмента и увеличением усилия резания или пластического деформирования. Часто наблюдается обратная картина некоторого уменьшения величины рассеивания параметров точности зубчатых колес. Особенно это характерно для зубоотделочных операций и скоростного зубофрезерования твердосплавными червячными фрезами. Объясняется это явление, скорее всего. Приработкой рабочих поверхностей зубьев инструментов в ходе выполнения операций.

На основании изложенного можно сделать главный вывод, что при высокой точности изготовления автомобильных зубчатых колес основными критериями при выявлении оптимальной зубообрабатывающей операции из нескольких конкурирующих должны быть точность и стабильность. В качестве основных количественных характеристик в этом случае следует брать коэффициент точности Кт, коэффициент смещения центра рассеивания Кц и показатель стабильности рассеивания Кс.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >