Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
“Харківський політехнічний інститут”
УДК 621.9.042
УДОСКОНАЛЮВАННЯ 3D МОДЕЛЕЙ ФОРМОУТВОРЕННЯ РІЗАННЯМ
СПЕЦІАЛЬНИХ КОНІЧНИХ ЗУБЧАСТИХ КОЛЕС
ДЛЯ ДВОПАРАМЕТРИЧНИХ ПЕРЕДАЧ
Спеціальність 05.03.01 - процеси механічної
обробки, верстати й інструменти
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків - 2004
Дисертацією є рукопис
Роботу виконано на кафедрі "Різання матеріалів та різальні інструменти" Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України.
|
Науковий керівник: |
доктор технічних наук, професор Перепелиця Борис Олексійович, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", професор кафедри "Різання матеріалів та різальні інструменти". |
|
Офіційні опоненти: |
доктор технічних наук, професор Дерев'янченко Олександр Георгійович, Одеський національний політехнічний університет, завідувач кафедри “Технологія конструкційних матеріалів і матеріалознавство”. |
|
кандидат технічних наук, доцент Тарасюк Анатолій Петрович , Українська інженерно - педагогічна академія (м. Харків), перший проректор. |
|
|
Провідна установа: |
Донбаська державна машинобудівна академія Міністерства освіти і науки України, м. Краматорськ. |
Захист відбудеться 27 січня 2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.12 у Національному технічному університеті "Харківський політехнічний інститут" за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут".
Автореферат розісланий 24 грудня 2004 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Пермяков О.А.
Актуальність теми. Сучасне машинобудування вимагає створення спеціальних передаточних механізмів чи окремих зубчатих зачеплень з розширеними функціональними можливостями. Розвиток зубчастих зачеплень в даний час характеризується двома напрямами: вдосконалення традиційних і створення нових типів і видів передач.
На основі існуючих традиційних зубчастих передач не завжди вдається синтезувати прості і надійні регульовані приводи, оскільки по своїй геометричній природі вони є однопараметричними і не мають змоги здійснювати регулювання за декількома параметрами. Тому виникла проблема створення нових двопараметричних зубчастих зачеплень, які могли б не тільки здійснювати безперервну передачу зусилля, але і одночасно змінювати інші параметри, наприклад, міжцентрову відстань, кути схрещування, передаточне відношення.
Основою двопараметричних передач є зубчасті колеса з постійним нормальним кроком і еквідістантними лініями зубів на різних початкових поверхнях обертання. Робочі поверхні таких колес мають ускладнену структуру, і їх формоутворення вивчено недостатньо. Це стримує створення і впровадження нових двопараметричних зубчастих механізмів.
Тому теоретичне дослідження, моделювання та алгоритмізація відомих і можливих процесів формоутворення колес з еквідістантними зуб'ями в комплексі з їх геометричним конструюванням є актуальною науковою задачею, що має важливе практичне значення.
Дану дисертаційну роботу спрямовано на вирішення цієї актуальної задачі стосовно конічних колес з еквідістантними зуб'ями.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження дисертаційної роботи було пов'язано з виконанням держбюджетною науковою тематики кафедри "Різання матеріалів та різальні інструменти" Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут" за темами: ДР №0100U001083 "Розробка теорії тривимірного (3D) геометричного моделювання ріжучих інструментів і процесів формоутворення поверхонь на основі багатопараметричних відображень афінного простору" (1999-2001 р. р.); ДР №0102U000976 "Створення теорії і методики моделювання процесів різання в тривимірному (3D) просторі на основі багатопараметричних афінних відображень"(2002-2004 р. р.). Автор дисертації був виконавцем окремих розділів держбюджетних тем.
Мета і задачі дослідження.
Мета дослідження - удосконалити процеси формоутворення конічних зубчастих колес з постійним нормальним кроком для спеціальних двопараметричних зачеплень.
Задачі дослідження:
Об'єкт дослідження - спеціальні конічні зубчасті колеса з еквідістантнимі лініями зубів.
Предмет дослідження - формоутворення поверхонь зубів вказаних зубчастих колес при обробці різанням.
Методи дослідження - наукові положення теорії зубчастих зачеплень, теорії формоутворення різанням, апарат багатопараметричних відображень простору, узагальнена структура відображень для робочих і верстатних зубчастих зачеплень, теоретичні принципи геометричного 3D моделювання. Перевірка одержаних результатів та їх подальший аналіз виконувався із застосуванням сучасних програмних засобів і тривимірної візуалізації.
Наукова новизна одержаних результатів:
Практичне значення одержаних результатів.
Результати і рекомендації дисертації впроваджено в Інституті машин і систем НАН України і Мінпромполітики та на Харківському заводі верстатобудування ОАО "ХАРВЕСТ" із загальним економічним ефектом 55 тис. грн. Матеріали дисертації використовуються в учбовому процесі при вивченні курсів "Основи 3D моделювання в теорії обробки різанням", "Основи CAD/CAM/CIM"
Особистий внесок здобувача.
Основні результати роботи здобуто особисто автором. Серед них:
Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертації докладалися на міжнародних науково-технічних конференціях "Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я" (м. Харків, 1995, 1997, 2002, 2003 р.р.), "Нові технології в машинобудуванні" (м. Харків Рибальське, 2001р.), на міжнародних науково-технічних семінарах "Високі технології в машинобудуванні" (м. Харків, 1996, 1997 р.р.), "Interpartner 99", " Interpartner 2002" (м. Алушта). У повному обсязі дисертаційна робота докладалася на розширеному засіданні наукового семінару кафедри "Різання матеріалів і різальні інструменти" Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут".
Публікації. Основні результати дисертації викладено у 8 статтях, опублікованих у фахових наукових виданнях, затверджених ВАК України, а також у 6 тезах доповідей на конференціях. Всього 14 публікацій.
Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота містить вступ, 5 розділів основної частини, загальні висновки, список використаної літератури і додатки. Повний обсяг дисертації складає 152 сторінки, з них 39 ілюстрацій по тексту, 7 таблиць по тексту, 3 додатки на 5 сторінках, 122 використаних літературних джерел на 13 сторінках.
Вступ. Обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі досліджень.
Перший розділ містить огляд літератури. Аналіз літератури і патентної інформації свідчить про необхідність створення регульованих зубчастих зачеплень, які могли б не тільки здійснювати безперервну передачу моменту, але і одночасно змінювати міжцентрову відстань, кути схрещування і передаточне відношення. Автором зубчастих колес з постійним нормальним кроком є В. Р. Ковалюх. У його роботах доведено можливість регулювання параметрів у вищій кінематичній парі завдяки використанню нового класу двопараметричних зачеплень, заснованих на колесах з постійним нормальним кроком. Дослідження і конструкторські розробки В. Р. Ковалюх, Р. В. Ковалюха, Н. Э. Тернюка, Д. О. Волонцевіча, А. В. Устіненко, Н. А. Ткачука, В. І. Лавінського, С. С. Зубатого, Е. Б. Кондусової та ін. показали переваги і перспективи вказаних нових двопараметричних зачеплень для створення нових механізмів.
Разом з тим, вивчення літератури показало, що конструювання зубчастих колес з постійним нормальним кроком і заснованих на них нових зачеплень та зубчастих механізмів в своєму розвитку випереджає технологію їх формоутворення. Відставання технології стримує подальший розвиток механізмів з поліпшеними експлуатаційними властивостями. У найбільшій мірі процеси формоутворення різанням вивчено для сферичних колес. Формоутворення зубів конічних колес з постійним нормальним кроком досліджено недостатньо.
У літературі відсутня систематизація можливих способів формоутворення конічних колес з постійним нормальним кроком. Потрібна розробка сукупності взаємозв'язаних 3D моделей формоутворення поверхонь зубів вказаних колес з повним набором математичних описів. Потрібно вивчити загальні і часткові ознаки вказаних 3D моделей і на їх базі скласти класифікацію схем формоутворення.
Різні питання формоутворення слід досліджувати на єдиній сучасній математичній базі багатопараметричних відображень простору. Доцільно використати розроблені в останні роки узагальнену структуру відображень для верстатних зубчастих зачеплень і узагальнені 3D моделі формоутворення і зняття припуску при різанні.
У другому розділі виконано аналіз геометричних особливостей конічних колес з постійним нормальним кроком. Для аналітичного опису ліній зубів використано умову еквідістантності, сформульовану В.Р. Ковалюхом. Відмінність полягає в застосуванні до неї апарату багатопараметричних відображень простору як загальної методичної бази, що об'єднує всі розділи дисертації і полегшує формалізацію й уніфікацію рішень. Лінію зуба розглянуто як траєкторію заданої початкової точки в її складному русі на початковому конусі. Відповідно до методики багатопараметричних відображень лінія зуба має наступні структурні, матричні і параметричні описи:
де і радіус-вектор и початкової точки (прообразу) і точок лінії зуба (образу),
оператори паралельного перенесення і обертання, координатний оператор.
u і параметри операторів , R і радіус основи і кут початкового конуса.
Умова еквідістантності ліній зубів, сформульована В. Р. Ковалюхом, в параметрах відображень включає зв'язок між параметрами
і формулу для поточного кута між дотичною до лінії зуба і твірною початкового конусу:
де uі прирости параметрів лінії зуба,
початковий кут між дотичною до лінії зуба і твірною початкового конусу,
Ri поточний радіус початкового конусу.
Умова еквідістантності обмежує можливі інтервали значень конструктивних параметрів конусу, які визначають область існування колеса й особливості двопараметричного зачеплення. У другому розділі визначено і вивчено вказані інтервали
Рис. 1. Лінія зуба на початковому конусі
а) для початкового конусу: б) для зуба:
За допомогою обчислюваних експериментів виконано дослідження допустимих діапазонів параметрів. Обчислювальні експерименти проведено в три етапи. На кожному етапі два з трьох основних конструктивних параметрів , , R фіксувалися, і будувалися лінії зубів при зміні третього параметру. За допомогою експериментів встановлено взаємозв'язок параметрів лінії зуба з шириною вінця конусу В. При більших значеннях початкового кута при незмінних R і подовжуються лінії зубів, збільшується інтервал значень і зменшується ширина вінця. При збільшенні радіусу основи конуса R при незмінних і лінія зуба стає протяжнішою. Так, при =const=45 і =const=5010' зміна радіусу R від 30 до 150 мм приводить до збільшення ширини вінця конуса В, відповідній довжині конкретної лінії зуба, від 11.31 до 54.45 мм. При зміні кута конуса лінія зуба витягується або звужується, і, відповідно, змінюється ширина вінця. Наприклад, при R=const=75 мм. і =const=5010' при збільшенні кута конуса значення В змінюються з 4.86мм до 153.63 мм. Обчислювані експерименти виявили також ступінь впливу параметрів , , R на найбільші значення довжини лінії зуба Lmax і ширини вінця Bmax. На рис. 2 показано лінії різних довжин і різні ширини вінця для фіксованого значення R=100 мм. Аналіз графіків показав, що одну і ту ж довжину Lmax (а значить, і ширину Bmax) можна одержати різними поєднаннями параметрів , .
Рис. 2. Лінії зубів і ширина вінця конічного колеса при R=const; =const
Максимально можливу ширину зубчастого вінця Bmax можна виразити через максимальне значення незалежного параметра лінії зуба u:
Математичний опис і аналіз ліній зубів дали можливість розробити засновану на них 3D модель попереднього формоутворення западин між зубами фасонними різцями за методом копіювання. У цій моделі формоутворювальним елементом (прообразом) є лінія різальна кромка фасонного різця, яка рухається уздовж лінії зуба оброблюваного колеса. Бічна поверхня зуба (образ) утворюється як траєкторія фасонної різальної кромки.
Заготовка конічного колеса рівномірно обертається з параметром (кутом повороту) , а фасонний різець нерівномірно прямолінійно переміщується уздовж твірної конуса з параметром u (довжина переміщення) і додатково повертається навколо нормалі до початкового конуса на кут дод. Параметри , u, дод пов'язано умовою постійності нормального кроку. Рух фасонного різця відносно заготовки описується структурним рівнянням
де і радіус-вектори точок оброблюваного колеса і інструменту,
і координатні оператори (для призматичного різця );
оператори початкового положення, дод оператори рухів.
Матричне рівняння містить уніфіковані матриці радіус-векторів і операторів:
Приклади матриць:
Передня поверхня різця проводиться через початкову точку лінії зуба під вибраним переднім кутом. Фасонна різальна кромка в даній задачі визначається як проекція заданого профілю западини між зубами на передню площину. Етап знаходження профілю відрізняється від традиційного, тому що кінематична формоутворювана поверхня не припускає ковзання по собі. Для попередньої обробки западини можна також застосувати копіюючу протяжку, калібруюча частину якої є сукупність фасонних різців.
У третьому розділі розроблено 3D моделі формоутворення западин між зубами дисковими і пальцевими фрезами або фасонними шліфувальними кругами (рис. 3). Ці інструменти засновано на інструментальній поверхні обертання з фасонним профілем, що має миттєвий лінійний дотик з формоутворюваною поверхнею западини. В цьому випадку поверхня западини знаходиться як однопараметрична огинаюча сімейства інструментальних поверхонь при відносному русі. Значить, при обробці не враховується двопараметричний характер майбутнього робочого зачеплення оброблюваного конічного колеса. Обробка впадини здійснюється послідовно, із застосуванням поділу. При моделюванні розв'язується зворотна задача формоутворення, при якій визначається не інструментальна, а формоутворювана поверхня зуба при заданому відносному русі інструменту. Під час обробки інструмент обертається навколо своєї осі для здійснення процесу різання (це ковзання інструментальної поверхні по собі на формоутворення не впливає) і рухається уздовж лінії зуба. Рух подачі інструменту повинен включати прямолінійне переміщення уздовж твірної з параметром u і обертання навколо осі початкового конуса з параметром . В процесі подачі дискового інструменту уздовж лінії зуба - початкове значення кутової координати повинне залишатися незмінним тільки в осьовій площині початкового конуса (воно визначається значенням кута ). У площині, перпендикулярній до нормалі початкового конуса, що містить вісь інструменту, необхідно здійснювати його безперервний додатковий доворот для відстежування змінного кута нахилу лінії зуба . Дійсно, вектор сумарної швидкості подачі інструменту уздовж лінії зуба в поточній точці дотику його середнього кола з початковою поверхнею повинен співпадати по напряму з вектором дотичної до лінії зуба, тобто складати з поточною твірною початкового конусу кут . Вісь інструменту у будь-який момент часу повинна бути перпендикулярна дотичною до лінії зуба, тобто складати з поточною утворюючою поточний кут . Тим часом, без примусового довороту цей кут уздовж лінії зуба залишається постійним і рівним початковому значенню , що порушує вказану вище умову. Значить, для забезпечення еквідістантності траєкторії центру дискового інструменту і лінії зуба кінематика формоутворення повинна ще включати безперервний доворот інструменту при його подачі на кут , рівний різниці початкового і поточного значень кута нахилу лінії зуба.
Рис. 3. Формоутворення при однопараметричному обгинанні
Оператор доворота задано матрицею
Структура складного руху інструменту щодо умовно нерухомої заготовки містить ті ж оператори, що і при обробці фасонним різцем. Воно описується рівнянням з поточними параметрами :
Обернутий рух оброблюваного колеса щодо інструменту в структурному, матричному і параметричному запису має вигляд:
(тут значок "Т" означає транспонування).
Сукупність рівнянь однопараметричного руху інструментальної поверхні дискового інструменту і рівнянь самої цієї поверхні задає в просторі сімейство цих поверхонь, одержаних у фіксовані моменти часу. У кожен такий момент інструментальна і формоутворюча поверхні дотикаються по лінії (характеристиці огинаючої), множина яких і представляє шукану однопараметричну огинаючу поверхню зуба конічного колеса. В усіх точках ліній миттєвого дотику (характеристик огинаючої) повинна виконуватися умова дотику:
або у вигляді визначника:
де - нормаль до інструментальної поверхні;
- вектор швидкості обернутого руху.
Змінні, що входять до визначника, одержано диференціюванням рівнянь інструментальної поверхні і обернутого руху, наприклад,
Таким чином, 3D модель поверхні зуба, одержаної обгинанням інструментальної поверхні дискової модульної фрези або фасонного шліфувального круга, представлено сукупністю рівнянь інструментальної поверхні, рівнянь прямого руху і умови дотику.
Достовірність запропонованої 3D моделі була перевірена обчислювальними експериментами. Перевірялися математичні описи прямого і обернутого рухів, швидкості і точок дотику інструментальної і формоутвореної поверхонь, одержаних розрахунками. Масиви числової інформації з ілюстраціями наведено в тексті дисертації.
У третьому розділі викладено також один з варіантів геометричної моделі знімання припуску при обробці западин інструментами, заснованими на інструментальних поверхнях обертання при однопараметричному обгинанні. Перетин формованої інструментом області і суцільного тіла конічної заготівки як двох множин точок простору є шаром, що знімається при обробці зубчастого колеса. Ця множина точок западини між зубами, одержаної при обробці.
У четвертому розділі розроблено 3D моделі формоутворення обкатувальними інструментами, засновані на двопараметричному обгинанні. Кінематика двохпараметричного зачеплення конічного і циліндричного колес містить ті ж рухи, що і при однопараметричному обгинанні плюс обкатувальні обертання ланок навколо своїх осей з параметрами , зв'язаними передаточним відношенням . Використаний в даній роботі теоретичний підхід М. Л. Еріхова до синтезу зачеплень з точковим контактом містить рівняння відносних рухів (прямого і обернутого). За допомогою багатопараметричних відображень простору в дисертації одержано математичні описи цих рухів.
Структура прямого руху включає наступні однопараметричні рухи (рис. 4):
Рис. 4. Верстатне зачеплення при обкатувальному формоутворенні
1. Обертання циліндричного колеса разом з його репером 2 навколо осі у репері ; перехід від репера до реперу.
2. Обертання циліндричного колеса разом з його репером 2 в репері навколо осі щодо нерухомого репера ; паралельне перенесення циліндричного колеса разом з його репером 2 щодо нерухомого репера (в репері ) уздовж ; перехід від репера до реперу .
3. Перехід від репера до реперу 1.
. Обертання циліндричного колеса в репері 1 навколо осі .
5. Обертання циліндричного колеса разом з репером 1 в репері навколо .
Послідовність дій операторів в багатопараметричному відображенні:
Перетворюючими параметрами є тут поточні кути поворотів , , , а координатними параметрами - кути , u, і радіуси R і R. Відповідно, структурне, матричне і параметричне рівняння прямого руху циліндричного твірного колеса відносно конічного оброблюваного колеса мають вигляд (рис. 5):
За методикою перетворень відображень за допомогою транспонованих матриць одержано також описи обернутого руху:
Рис. 5. Початкове положення і кінематика при двопараметричному обгинанні
При обкатувальній обробці колес застосовані циліндричні колеса з аркоподібними або бочкоподібними зубами. Це знаходиться у відповідності з відомими рекомендаціями, що забезпечують відсутність інтерференції при точковому контакті.
Формоутворювана поверхня зуба конічного колеса утворюється як огинаюча двопараметричного сімейства поверхонь. Термін "двопараметричне" обґрунтовано тим, що на зачеплення накладається вимога одночасного виконання двох умов торкань, відповідних двом відносно незалежним параметрам рухів. У нашому випадку одним з таких параметрів (для обкатки) є поточний кутовий поворот , (=f ()), а іншим (для руху уздовж лінії зуба) поточна довжина уздовж твірної конуса u (=f(u), дод= f2(u)). Відомо, що умовою дотику є умова перпендикулярності вектора поточної швидкості і вектора нормалі до інструментальної поверхні, що рухається.
Отже в нашій задачі сумісне виконання двох умов дотику вимагає, щоб вектори обох швидкостей в точці дотику потрапили в одну і ту саму площину, перпендикулярну вектору нормалі у цій точці.
Слід додати, що сумарна швидкість , відповідна абсолютно незалежному параметру t (часу), також розташована у вказаній площині.
Умови дотику можна записати з використанням визначників:
; , (21)
де x і параметри інструментальної поверхні, і u незалежні параметри рухів.
Використаний в дисертації апарат багатопараметричних відображень простору має уніфікуючі можливості. При необхідності можна використовувати уніфіковані оператори, структури відображень і функціональні зв'язки між параметрами. Наприклад, в даній задачі для умов дотику можна використати уніфікований запис
де матриці похідних по параметрах інструментальної поверхні;
матриці похідних по параметрах рухів.
У роботах Р. В. Ковалюха, В. І. Лавінського, Н. А. Ткачука, Д. О. Волонцевіча, А. В. Устіненко запропоновано і реалізовано методику й алгоритм розрахунку та аналізу зв'язаних поверхонь ланок двопараметричних передач з використанням числових методів, зокрема, ітераційного методу. Результати вказаних робіт охоплюють різні двохпараметричні передачі, зокрема цилиндро-конічну. Вони застосовані для подальших розрахунків міцності, жорсткості і кінечноелементного аналізу ланок передачі. Числовий метод зводиться до рішення системи нелінійних рівнянь, що описують умови точкового сполучення поверхонь зубів.
Одержані в даній дисертації математичні описи по суті є системою нелінійних рівнянь. Вони конкретизують загальні положення теорії зубчастих зачеплень і можуть бути використані при формоутворенні поверхонь зубів конічного колеса з постійним нормальним кроком при двопараметричному обгинанні. Нижче наведено послідовність обчислень при реалізації числового методу з використанням одержаних в даній дисертації математичних описів:
Після виконання всіх циклів одержуємо масив координат точок дотику, який визначає шукану поверхню як впорядковану множину таких точок. Ця множина є два сімейства точкових ліній як функцій незалежних параметрів і u.
У п'ятому розділі описано практичне використання теоретичних результатів дисертації. Найважливішими і визначними для технології результатами вважаємо параметризацію формоутворення, зв'язки між параметрами, математичні описи і рекомендації по кінематиці і початковому положенню ланок верстатного зачеплення, алгоритми і методику розрахунку інструментальних та формоутворюваних поверхонь в поєднанні з геометричними умовами формоутворення. Ці теоретичні результати можуть служити основою для призначення маршруту формоутворення, вибору інструментів і верстатів з системами CNC (ЧПУ), складання управляючих програм. Стає можливим розрахунок числової інформації про поверхні, що сполучаються як огинаючі, про їх профілі, про траєкторію точки дотику. На основі аналізу і узагальнення розроблено класифікацію рекомендованих схем формоутворення для обробки конічних зубчастих колес з постійним нормальним кроком. (табл. 1).
Таблиця 1
Класифікація схем формоутворення
Спільність розглянутих в дисертації способів формоутворення є наслідком особливостей геометрії формоутворюємих поверхонь зубів конічних колес з постійним нормальним кроком. Еквідістантні лінії зубів на конічній початковій поверхні утворюються як результат двох одночасних рухів (прямолінійного і обертального), функціонально пов'язаних між собою. Це значить, що для будь-якого способу формоутворення обов'язковим елементом кінематики повинна бути подача інструменту уздовж лінії оброблюваного зуба, тобто два рухи з параметрами Відмінність вказаних способів формоутворення полягає в характері твірної поверхні і параметрів початкового положення. Проте найістотнішими є відмітні ознаки кінематики формоутворення. Так, кінематика обробки западин між зубами кінцевою фасонною фрезою містить лише відносний рух фрези уздовж лінії оброблюваного зуба з параметрами Перехід до дискових інструментів супроводжується включенням в рівняння руху додаткового довороту навколо безперервно міняючої своє положення осі на кут .
Найскладнішою кінематикою відрізняються способи обкатувального формоутворення, оскільки до перерахованих рухів додаються обкатувальні обертання оброблюваного і виробляючого колес з параметрами обертанняя, пов'язані один з одним через передаточне відношення i. Способи формоутворення і можливі принципові кінематичні схеми верстатів діляться на три групи, які відрізняються кількістю забезпечуваних рухів. Кінематична схема на рис. 6а реалізує першу групу способів формоутворення. Інструментом є кінцева фасонна фреза, яка встановлюється в початковому положенні на необхідну глибину фрезерування так, щоб вісь фрези перетинала вісь початкового конуса на його більшому радіусі. Кінематика містить обертання і паралельне перенесення з параметрами руху уздовж лінії зуба Другій групі способів формоутворення відповідає, наприклад, схема на рис. 6б. При визначенні початкового положення дискового інструменту враховується його кутове розташування щодо заготівки. Схеми другої групи повинні забезпечувати три параметри руху ( і параметр додаткового доворота інструменту ), щоб вісь інструменту під час обробки схрещувалася з дотичною до лінії зуба під прямим кутом. Обкатувальним способам формоутворення відповідає схема на рис. 5в, яка відмінна від схем двох інших груп початковим положенням інструменту, а також наявністю обкатувальних обертань з параметрамии.
Рис. 5. Приклади схем формоутворення: а) копіюючими інструментами; б) дисковими інструментами; в) обкатувальними інструментами
В дисертації одержано структурні рівняння абсолютних рухів для різних кінематичних схем формоутворення. Розроблені схеми формоутворення можуть бути практично використані при виборі або модернізації верстатів з ЧПУ (CNC), а також при проектуванні спеціальних верстатів для обробки зубчастих колес з постійним нормальним кроком.
Для інструментального оснащення технології на операціях попереднього формоутворення рекомендуються фасонні різці, фасонні фрези, фасонні шліфувальні круги. Для остаточного формоутворення слід використовувати відомі різальні і поверхнево-деформуючі інструменти, які застосовуються для обробки інших типів зубчатих коліс з еквідістантнимі лініями зубів, наприклад, сферичних колес. Це, наприклад, шевери, зубчасті хони і поверхнево-деформуючі обкатники. Розроблені в дисертації 3D моделі можуть бути практично застосовані в сучасній інтегрованій технології нарощування RPTM, тобто в технологях прискореного виготовлення прототипів Rapid Prototyping, інструментального забезпечення Rapid Tooling і виробництва виробів Rapid Manufacturing. При конструюванні конічних колес і двопараметричних передач можна використовувати інформацію про діапазони і швидкість зміни параметрів взаємного положення ланок, рекомендації конструктору щодо вибору ліній зубів, ширини вінця та ін.
Можливо також застосування результатів дисертації в математичному й алгоритмічному забезпеченні спеціальних компактних CAD-систем, або пакетів прикладних програм вузького призначення, що враховують специфіку двопараметричних зачеплень і призначені для їх проектування, виготовлення і дослідження.
ВИСНОВКИ
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
Здобувач виконав аналіз властивостей, що розрізняють різні способи формоутворення спеціальних зубчастих колес з робочими поверхнями гвинтової структури.
Здобувач виконав аналіз особливостей кінематики формоутворення зубчатих колес, заснованих на різних початкових поверхнях, що враховує геометричні особливості таких колес.
Здобувач застосував теоретичний принцип проектування інструментів, заснований на однопараметричному обгинанні.
Здобувач розробив 3D модель зняття припуску при обробці спеціальних конічних зубчастих колес дисковими інструментами.
Здобувач описав зуборізні інструменти як сукупність фасонних різців.
Здобувач застосував теоретичний принцип проектування інструментів, заснований на двопараметричному обгинанні.
Здобувач склав модель огинаючого руху при двопараметричному обгинанні.
Здобувач сформулював умови формоутворення конічних колес щодо відсутності підрізування.
Здобувачем розроблено алгоритм моделювання інструментів для обробки зубчастих колес.
Здобувачем визначено особливості формоутворення щодо конічних колес з постійним нормальним кроком.
Здобувач виконав аналіз конструкцій робочих елементів.
Здобувач виконав аналітичний опос бокових поверхонь зуба при обробці фасонними різцями.
Здобувачем визначено кінематику формоутворення.
Здобувачем виконано аналіз впливу кута схрещування осей та міжцентрової відстані на взаємне розташування оброблюваного і виробляючого колес.
АНОТАЦІЇ
Мироненко О. Л. Удосконалювання 3D моделей формоутворення різанням спеціальних конічних зубчастих колес для двопараметричних передач - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01 - процеси механічної обробки, верстати й інструменти. -Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2004.
У дисертації виконано теоретичне дослідження формоутворення різанням поверхонь зубів спеціальних конічних зубчастих колес з постійним нормальним кроком. Вказані колеса на початковому конусі мають подовжені лінії зубів гвинтової структури із змінним параметром гвинта.
На основі загальних положень теорії формоутворення з урахуванням специфіки вказаних колес в дисертації розроблено тривимірні (3D) геометричні моделі формоутворення для попередньої і остаточної обробки зубів. Моделі містять повний математичний опис формоутворюючого елементу, формоутворюючих рухів і умов формоутворення в операторному, матричному і параметричному записі. Забезпечено можливість структурного рішення задач без виведення конкретних параметричних рівнянь і формул.
Для попередньої обробки передбачаються засновані на копіюванні та однопараметричному обгинанні способи формоутворення западин між зубами фасонними різцями, шліфувальними кругами або фасонними фрезами.
Для остаточного формоутворення рекомендуються 3D моделі двопараметричної обробки обкатувальними різальними або поверхнево-деформуючими інструментами з точковим дотиком інструментальних і формоутворюваних поверхонь.
Завдяки узагальненню кінематики розроблено класифікацію схем формоутворення конічних коліс з постійним нормальним кроком.
Результати дисертації можна використати як теоретичне забезпечення технології обробки конічних коліс з постійним нормальним кроком, зокрема для вибору сучасних верстатів з CNC і розробки керуючих програм. Це сприятиме подальшому вдосконаленню і впровадженню в машинобудуванні нових ефективних зубчатих механізмів. Доцільно сумісне проектування і виготовлення конічних зубчатих коліс з постійним нормальним кроком в єдиній системі. Для цього визначено і рекомендовано області існування вказаних колес, обмежені одержаними в дисертації граничними зв'язками між параметрами і їх числовими значеннями.
Ключові слова: зубчасте колесо, різальний інструмент, формоутворення, 3D моделювання, параметр, верстатне зачеплення, багатопараметричне відображення простору, огинання поверхонь, обкатка.
Мироненко А.Л. Совершенствование 3D моделей формообразования резанием специальных конических зубчатых колёс для двухпараметрических передач - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01 - процессы механической обработки, станки и инструменты. -Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт", Харьков, 2004.
В диссертации выполнено теоретическое исследование формообразования резанием поверхностей зубьев специальных конических зубчатых колёс с постоянным нормальным шагом. На начальном конусе колесо имеет удлинённые линии зубьев винтовой структуры с переменными углом наклона и параметром винта. Связь между текущими параметрами линиями зубьев регламентирована условием их эквидистантности. Определены возможные интервалы значений конструктивных параметров начального конуса и линий зубьев определяющих особенности двухпараметрического зацепления.
На основе общих положений теории формообразования с учётом специфики указанных колёс в диссертации разработаны новые геометрические 3D модели формообразования для предварительной и окончательной обработки зубьев. Модели содержат полное математическое описание формообразующего элемента, формообразующих движений и условий формообразования в операторной, матричной и параметрической записи. Обеспечена возможность структурного решения задач без вывода конкретных параметрических уравнений и формул.
Для предварительной обработки предлагаются основанные на копировании или однопараметрическом огибании способы формообразование впадин между зубьями фасонными резцами, шлифовальными кругами и фасонными фрезами.
При фрезеровании или вышлифовании впадин 3D модель формообразования включает инструментальную поверхность вращения, имеющую мгновенное линейное касание с формообразуемой поверхностью впадины. Поверхность впадины находится как однопараметрическая огибающая семейства производящей поверхности при относительном движении. Во всех точках линий мгновенного касания (характеристик огибающей) должно выполняться включенное в модель условие касания. Доказана необходимость дополнительного доворота инструмента вокруг нормали к линии зуба на начальном конусе. Разработан пример 3D модели съёма припуска при обработке впадины между зубьями при однопараметрическом огибании.
Для окончательного формообразования рекомендуются 3D модели двухпараметрической обработки обкаточными режущими или поверхностно-деформирующими инструментами с точечным касанием инструментальных и формообразуемых поверхностей. В этом случае поверхности зубьев получены как двухпараметрические семейства производящих поверхностей. Один из параметров представляет обкатку, второй движение вдоль линии зуба. Соответственно кинематика дополнена обкаточными вращениями. В точках мгновенного контакта одновременно должны выполняться два условия касания. Рабочее зацепление в передаче является двухпараметрическим с точечным касанием. Поэтому только двухпараметрическое формообразование обеспечивает совпадение рабочего и станочного зацеплений и может использоваться как окончательное.
Благодаря обобщению кинематики разработана классификация схем формообразования конических колёс с постоянным нормальным шагом. Результаты диссертации могут быть использованы как теоретическое обеспечение технологии обработки, в том числе для выбора современных станков с CNC и разработки управляющих программ. Это будет способствовать дальнейшему совершенствованию и внедрению новых эффективных зубчатых механизмов в машиностроении. Целесообразно совместное проектирование и изготовление в единой системе. Для этого определены и рекомендуются области существования указанных колёс, ограниченные полученными в диссертации граничными связями между параметрами и их числовыми значениями.
Ключевые слова: зубчатое колесо, режущий инструмент, формообразование, 3D моделирование, параметр, станочное зацепление, многопараметрическое отображение пространства, огибающая поверхность.
Mironenko A. L. Improvement of 3D models of shape - forming with cutting of special bevel wheels for using in the two - parameters gears.
Thesis for the Degree of Candidate of Technical Sciences on specialty 05.03.01 - Machining processes, machine tools and tools. - National Technical University "Kharkov Polytechnic Institute", Kharkov, 2004.
The theoretical research of shape-forming with cutting of the teeth surfaces of special bevel wheels with the constant normal pitch is made in the dissertation. The mentioned wheels on the pitch cone have the oblong lines of teeth of screw structure with the variable parameter of screw.
Based on the general statements of the shape-forming theory taking into account the special features of the above wheels, the 3D geometrical models of shape-forming are developed in the thesis for preliminary and final teeth treatment.
Models contain the complete mathematical description of shape-forming element, shape-forming movements and shape-forming conditions in the operator, matrix and parametric record. Provision is made for the possibility of structural solving of the problems without derivation of the concrete parametric equations and formulas.
For preliminary processing there is suggested the hollows forming between teeth by means of form milling cutters, grinding wheel etc.
For final shape-forming there are recommended the 3D models of two-parameter treatment by means of spinning tools or surface-deforming tools with a spot touch of tools and shape-formed surfaces.
Owing to kinematics generalization the classification of bevel wheel shape-forming schemes with constant standard pitch.
Thesis conclusions may be used as the theoretical provision of the treatment technology of bevel-wheels with constant standard pitch, including for the selection of up-dated machines with СТС and control systems elaboration. This will promote the further joint upgrading and implementation of new efficient gear units in machinery construction. It is expedient to design and make the bevel wheels with constant standard pitch in a uniform system. For this purpose these theses determine and recommend the domains of existence of specified wheels limited by limit connections among the parameters and their numerical values that are obtained in this thesis.
Key words: cutter, shape-forming, bevel wheel, machine-tool gearing, multiparametric mapping of space, envelope, spinning.
Підписано до друку 24.12.2004 р. Формат 145x215.
Формат паперу 60x84 1/16. Папір ксероксний 80 г/м. Друк - різографія.
Обсяг 0,9 авт. арк. Наклад 100 прим. Замовлення № 9178
Віддруковано в типографії ТОВ "Курсор"
61057, м. Харків, пр. Театральний 11/13
т. (057) 714-38-74, 706-31-73