ОБРАБОТКА КОСОЗУБЫХ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС С ЦИКЛОИДАЛЬНОЙ ФОРМОЙ ЗУБЬЕВ РЕДУКТОРА ПРИВОДА НАВЕДЕНИЯ АНТЕННОЙ УСТАНОВКИ

ОБРАБОТКА КОСОЗУБЫХ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС С ЦИКЛОИДАЛЬНОЙ ФОРМОЙ ЗУБЬЕВ РЕДУКТОРА ПРИВОДА НАВЕДЕНИЯ АНТЕННОЙ УСТАНОВКИ

Попов Андрей Александрович

инженер – технолог 2 категории, АО "Научно-производственная корпорация "Конструкторское бюро машиностроения",

РФ, г. Коломна 

Щебланов Виктор Анатольевич

инженер – технолог 2 категории, АО "Научно-производственная корпорация "Конструкторское бюро машиностроения",

РФ, г. Коломна

Абрамов Андрей Андреевич

инженер – конструктор 2 категории, АО "Научно-производственная корпорация "Конструкторское бюро машиностроения",

РФ, г. Коломна

Шмелев Василий Сергеевич

инженер – конструктор, АО "Научно-производственная корпорация "Конструкторское бюро машиностроения",

РФ, г. Коломна

Попова Софья Павловна

студент 1 курса магистратуры Государственного социального-гуманитарного университета,

РФ, г. Коломна

PROCESSING OF SLOTTED GEAR WHEELS WITH A CYCLOIDAL SHAPE OF ANTENNA UNIT POINTING DRIVE REDUCER TOOTH

Andrey Popov

Engineer - technologist of the 2nd category joint stock company research and production corporation “KBM”,

Russia, Kolomna

Viktor Shcheblanov

Engineer - technologist of the 2nd category joint stock company research and production corporation “KBM”,

Russia, Kolomna

Andrey Abramov

Engineeer - designer of the 2nd category joint stock company research and production corporation “KBM”,

Russia, Kolomna

Vasily Shmelev

Engineer – constructor joint stock company research and production corporation “KBM”,

Russia, Kolomna

Sofia Popova

1st year student magistracy State University of Humanities and Social studies,

Russia, Kolomna

АННОТАЦИЯ

В настоящее время широкое применение новых видов циклоидальных зубчатых зацеплений при проектировании приводов наведения позволяет уменьшить масса – габаритные показатели привода и повысить его технические характеристики. Ключевой составляющей при изготовлении основных частей зацепления является обработка зубчатых колес с эпициклоидальной и гипоциклоидальной формой зубьев имеющих высокую твердость рабочих поверхностей от 55 до 63 HRC.

В настоящей работе рассматривается способ чистовой обработки закаленных косозубых циклоидальных зубчатых колес, а также практические результаты обработки косозубого циклоидального зацепления с твердостью зубьев до 60 HRC.

ABSTRACT

At present, the widespread use of new types of cycloidal gears in the design of launcher guidance drives allows one to reduce the mass and overall dimensions of the drive and increase its technical characteristics. A key component in the manufacture of the main parts of the gearing is the processing of gears with an epicycloidal and hypocycloidal shape of the teeth having high hardness of working surfaces from 55 to 63 HRC.

Ключевые слова: эпициклоидальное колесо, гипоциклоидальное колесо, циклоидальное зацепление, привод навеления, цевочный редуктор, венец, сателлит.

Keywords: epicycloidal wheel, hypocycloidal wheel, cycloidal gearing, pinion drive, pinion gear, crown, satellite.

Введение

Наведение антенных установок слежения осуществляется приводами горизонтального наведения (по азимуту) и вертикального наведения (по углу места). С целью повышения эффективности приводов наведения антенной установки рассматриваются различные виды редукторов, наиболее перспективными являются косозубые циклоидальные редуктора.

Особенности конструкции, отличающие косозубый циклоидальный от циклоидально цевочного редуктора, делают его перспективным приводом для горизонтального и вертикального канала наведения антенных установок. Плавность работы зубчатой пары «венец – сателлит» у косозубого редуктора выше, чем у цевочного, вследствие чего шумность работы меньше. При равных передаваемых моментах и одинаковом передаточном отношении косозубый редуктор по массе – габаритным параметрам на 5 – 10 % меньше цевочного, а в сравнении с цилиндрическим планетарным эвольвентным на 50 – 60 %. КПД косозубого циклоидального редуктора выше цевочного при прочих равных параметрах, так как винтовой зуб входит в зацепление по всей длине контактирующей линии с некоторым промежутком времени исключая большой динамической и составляющей сил трения, что приводит к меньшим удельным скольжениям поверхностей зубьев, а большая длина зуба позволяет перераспределить нагрузку, действующую на циклоидальное зацепление с большей эффективностью.

Нарезание косозубых зубьев эпициклоидального колеса и внутренних косозубых зубьев гипоциклоидального колеса – это мало изученная технологическая задача, требующая отдельного понимания и внимания к проблеме технологического подхода обработки таких колес, в частности к проблеме отсутствия на сегодняшний день специализированных станков предназначенных для обработки таких колес серийно.

В работе (1) дана попытка описать технологию обработки внутренних и наружных не закаленных косозубых циклоидальных колес на фрезерных обрабатывающих центрах. Указанный способ позволяет обрабатывать зубья с точностью не выше 7 квалитета и твердостью до 50 HRC, что не позволяет применять такие колеса в точных и высокоточных приводах наведения, вследствие их низкой износостойкости и низкой кинематической точности. Работы по описанию обработки закаленных до 63 HRC косозубых циклоидальных колес отсутствуют.

Известен способ обработки косозубых эвольвентных колес внутреннего и наружного зацепления методом копирования с единичным делением при перекрещивающихся осях профильного дискового режущего инструмента и обрабатываемой заготовки рис. 1.

Рисунок 1. Обработка косозубых эвольвентных колес на станке SAMPUTENSILI G 500 H

Зубчатую поверхность на всей длине заготовки формообразуют при возвратно – поступательном движении режущей поверхности шлифовального круга закрепленного в оправке и вращающегося с угловой скоростью . При этом в конце каждого одного оборота заготовки производят правку круга, перемещая его в направлении съема изношенной части с его режущей поверхности, совпадающей с направлением съема припуска при обработке, а затем производят подачу круга на врезание для съема припуска с заготовки и прекращают врезную подачу при достижении размера на заготовке. Данный способ используется и при обработке циклоидальных цевочных колес рис. 2.

Рисунок  2. Обработка сателлитов цевочного редуктора

Обработка происходит при одновременном поступательном движении вдоль оси Z приспособления для внутренней шлифовки с шлифовальным кругом В4 рис. 3. наклоном оси А согласно заданному углу наклона зубьев и поворотом оси С по управляющей программе (2).

Рисунок  3. Кинематическая схема станка SAMPUTENSILI G 500 H

При обработке указанным способом цевочных циклоидальных колес, происходит обмер профиля впадины после каждого прохода, для внесения коррекции в управляющую программу обработки и в управляющую программу правки профиля круга, в результате чего появляется несколько составляющих погрешностей, влияющих на качество обработки зубчатого колеса.

В результате обработки, получается зубчатое колесо, профиль которого рис. 4. не совпадает с теоретической эпициклоидальной кривой. Кроме того, фактический профиль   колеса представляет собой «сшитую» из отдельных кусочков эпициклоид в пределах углового шага или ширины профиля круга поверхность, которая соединяясь между собой на всей длине профиля образует дефекты поверхности.

Указанный способ целесообразно использовать в серийном и крупносерийном производстве при невысоких точностных требованиях к зубчатым циклоидальным колесам, ввиду высокой стоимости оборудования, необходимости использовать специальный инструмент для каждого диаметра цевок, необходимости использовать комплект шлифовальных кругов (получистовой, чистовой). Помимо прочего, указанный способ подходит только для нарезания колес циклоидально цевочного зацепления и не может быть использован для нарезания косозубых колес внутреннего и внешнего зацепления. При шлифовании данным способом выступы профиля зуба как показано на рис. 4. получаются на разных высотах в пределах точности позиционирования шлифовального станка, погрешности шлифовального круга, погрешности настройки системы измерения станка Δ = Δшл.ст + Δшл.кр + Δс.изм.ст, что в совокупности дает общую погрешность равную от 10 до 30 мкм.

Рисунок 4. Фактический профиль обработанного зубчатого колеса

 – эпициклоида теоретическая;

 – эпициклоида фактическая;

 – погрешность контура общая;

 – радиус расположения цевок;

 – радиус по впадине колеса фактический;

 – эксцентриситет зацепления.

Существует способ обработки цилиндрических зубчатых колес циклоидального зацепления методом контурной обработки на станках с ЧПУ при расположении оси режущего инструмента параллельно оси обрабатываемой заготовки рис. 5. Этот способ содержит приемы размерной настройки упругой технологической системы станка и позволяет совершать сложные точные формообразующие движения режущего инструмента, при этом сама заготовка остается не подвижной, что уменьшает погрешности обработки.

Рисунок  5. Формирование гипоциклоидального профиля зубчатого колеса

1 – заготовка, 2 – режущий инструмент

При использовании данного способа на чистовой операции шлифования наружного и внутреннего зуба косозубого циклоидального колеса главным движением резания является вращение шлифовальной головки, движением подачи является продольное перемещение инструмента по укороченной эпициклоиде и гипоциклоиде в зависимости от вида обрабатываемого колеса согласно базовому уравнению:

где  – координата точки кривой по оси абсцисс,  – координата точки кривой по оси ординат,  – эксцентриситет передачи,  – коэффициент укорочения эпициклоиды и гипоциклоиды,  – число зубьев теоретического цевочного колеса,  – угол в диапазоне от

Также в момент обработки помимо обкатного движения подачи вдоль укороченной эпициклоиды или гипоциклоиды режущий инструмент совершает ассоцилирующие движения вдоль оси колеса, которые позволяют повысить производительность и чистоту обрабатываемой поверхности.

Таким образом, система управления NC станка осуществляет в процессе обработки интерполяцию по трем координатам: круговую по углу поворота γ и координате z, линейную по координатам х и у. То есть, при каждом новом значении γ система NC станка вычисляет координаты х, у, z положения центра винтовой траектории перемещения режущей кромки инструмента относительно основной базы отсчета – оси вращения неподвижной закрепленной заготовки.

В соответствие с вышеизложенным был разработан и опробован технологический процесс изготовления сателлитов из материала ШХ15, состоящий из следующих основных операций: черновая обработка, термическая обработка, получистовая обработка, чистовая обработка, финишная обработка (выхаживание) с нулевым съемом. Черновая обработка производилась тремя видами грибковых фрез рис. 6. на обрабатывающем центре DMU 1035 с режимами резания, представленными в таблице №1.

Таблица 1.

1- режимы резания при фрезеровании сателлитов

Термическая обработка производилась с нагревом в камерной печи   в течении 30 – 40 мин, выдержка 60 – 90 мин, отпуск  1,5 – 2 часа, закалка на масло. Полученная твёрдость 56 – 60 HRC.

А) Сборная фреза                                Б) Цельная фреза

В) Цельная радиусная фреза

Рисунок 6. Грибковые фрезы

Шлифовка зубьев после термической обработки производилась на обрабатывающем координатно – шлифовальном центре Hauser H35 рис. 7, специальной шлифовальной головкой с напылением CBN диаметром 10 мм и шириной 5 мм, а также имеющей радиус скругления режущей части 2,5 мм. Шлифование производилось по режимам, представленным в таблице №2.

Таблица 2.

2- режимы резания при шлифовании сателлитов

Рисунок 7. Координатно – шлифовальный обрабатывающий центр Hauser H35

После обработки чистовым шлифованием и выхаживанием сателлит с косозубой формой зубьев имеет визуально достаточно чистую рабочую поверхность зубьев рис. 8., что подтверждается метрологическим измерением всех основных параметров сателлита рис. 9 и венца рис. 10.

Рисунок  8. Сателлит после шлифовки на Hauser H35

Рисунок 9. Метрологический контроль точности обработки сателлита циклоидального редуктора с косозубым зацеплением зубчатых колес

Рисунок 10. Метрологический контроль точности обработки венца циклоидального редуктора с косозубым зацеплением зубчатых колес

Произведя шлифование наружного и внутреннего профиля зубчатых косозубых циклоидальных колес с проведением последующего их измерения на координатно – измерительной машине (КИМ) Duramax рис. 9 и рис. 10 в центрально измерительной лаборатории получены значения реальных параметров, представленных в таблице №3.

Таблица 3.

3- параметры геометрии сателлитов полученные фактически

Вывод

Анализируя полученные данные становится очевидным, что метод контурного шлифования закаленных зубчатых колес, имеющих косозубую циклоидальную форму зубьев достаточно эффективен, и дает необходимые параметры, характеризующие высокие эксплуатационные параметры зацепления такие как износостойкость, плавность и малошумность работы, ресурс зацепления, высокий КПД и высокую кинематическую точность зацепления. Так, например, соблюдение шага зубьев в соответствии с конструкторской документацией дает передаче низкую накопленную погрешность и высокие значения кинематической точности до 1 угловой минуты, соответствие угла наклона зубьев делает передачу плавно работающей, а низкая шероховатость делает передачу более высокоэффективной по параметру КПД. Фактические значения параметров, представленные в таблице №3 получились в допуске, а параметр шероховатости получился более лучшим, чем заложен в КД. 

В результате обработки косозубых циклоидальных колес с наружными и внутренними зубьями методом контурной обработки, а также последующий метрологический анализ показал, что выбранная стратегия обработки позволяет получать высококачественные циклоидальные новые виды зацеплений с высокими эксплуатационными свойствами как перспективными заменителями существующих зубчатых зацеплений на основе классического зацепления зубьев, форма которых построена по эвольвенте. Таким образом становится возможно при проектировании приводов вертикального и горизонтального канала наведения антенных установок использовать зубчатые зацепления на основе косозубых циклоидальных колес как наиболее совершенные зубчатые зацепления.

Для возможного усовершенствования технологии контурной обработки можно последовательно применять мероприятия по увеличению жесткости системы СПИД, применять различные шлифовальные головки для чистовой и финишной обработки, использовать промежуточный контроль изготовляемых колес на станке контактным щупом с внесением автоматической коррекции в управляющую программу. Согласно указанных мероприятий методом контурной обработки на координатно шлифовальных станках можно достичь 5 квалитета точности внешних и внутренних зубьев косозубых циклоидальных колес и достичь кинематической точности менее 1 угловой минуты.

Список литературы:

1. Синицын Д.А., «Проблемные вопросы технологии нарезания внутренних косозубых гипоциклоиальных колес приводов антенн». Естественные и технические науки, №11-12, 2014г.;
2. Каталог фирмы «Samputensili» Серия G – H Станки для профильного зубошлифования с горизонтальной осью изделия;
3. Справочник технолога – машиностроителя. В 2 – х т. Т.2/ Под редакцией А.М. Дальского, А.Г. Суслова, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова. – 5-е изд., - М.: машиностроение – 1, 2003 г. 944 с.
4. Машиностроение. Разъемные и неразъемные соединения, режущий инструмент: Карманный справочник. / Пер. с англ. – 2-е изд., стер. – М.: Додека-XXI, 2009. – 336 с.; ил.