ZWIĘKSZENIE DOKŁADNOŚCI KINEMATYCZNEJ ŚLIMACZNIC METODĄ WIÓRKOWANIA

Transkrypt

1 KOMSJA UDOWY MASZYN PAN ODDZAŁ W POZNANU Vol. 28 nr 2 Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji 2008 TADEUSZ MARCNAK, DARUSZ OSTROWSK ZWĘKSZENE DOKŁADNOŚC KNEMATYCZNEJ ŚLMACZNC METODĄ WÓRKOWANA W artykule przedstawiono wpływ procesu mikroskrawania bocznych powierzchni zębów ślimacznicy na dokładność kinematyczną przekładni ślimakowych. Opisano budowę stanowiska do wiórkowania i badań ślimacznic. Zamieszczono również doświadczalne wyniki badań wpływu procesu wiórkowania ślimacznic na dokładność kinematyczną przekładni. Słowa kluczowe: przekładnia ślimakowa, ślimacznica, wiórkowanie, dokładność 1. WPROWADZENE W wielu mechanizmach stosuje się przekładnie ślimakowe podziałowe. Do podstawowych wymagań stawianych tym przekładniom należy zaliczyć dużą dokładność kinematyczną. Parametr ten określa się za pomocą maksymalnej wartości odchyłki przełożenia w zakresie jednego obrotu ślimacznicy, a jego wartość wynika głównie z błędu podziałek obwodowych. Wielkością charakteryzującą dokładność kinematyczną będzie w tym przypadku maksymalna wartość błędu sumarycznego k podziałek, przy czym za k należy przyjąć liczbę zębów ślimacznicy z 2. Przeliczenia wartości błędu k podziałek na błąd kinematyczny δ określony w wartości kątowej można dokonać za pomocą poniższego wzoru: 1000 f δ = arctg pk, (1) ( m z 2 )/ 2 gdzie: f pk maksymalna wartość sumarycznego błędu k = z 2 podziałek obwodowych [mm], m moduł osiowy zazębienia [mm]. Stosowane są również przyrządy oparte na przetwornikach analogowo-cyfrowych, określające bezpośrednio błąd w postaci kątowej. Dr hab. inż. Mgr inż. nstytut Obrabiarek i Technologii udowy Maszyn Politechniki Łódzkiej.

2 44 T. Marciniak, D. Ostrowski Uzyskanie dużej dokładności wykonania uzwojenia ślimaka jest zabiegiem wymagającym dużej staranności, lecz jest on opanowany technologicznie w sposób zadowalający. W przypadku ślimacznicy zwiększenie dokładności wykonania wiąże się ze stosowaniem technologii wiórkowania, gdyż szlifowanie, będące w takich przypadkach zazwyczaj stosowaną technologią, jest tu praktycznie niemożliwe ze względu na kształt bocznej powierzchni zęba. Technologia wiórkowania ślimacznic znana jest od pewnego czasu [1, 2], lecz ze względu na kosztowne i bardzo trudne technologicznie do wytworzenia narzędzia nie została powszechnie wprowadzona do praktyki przemysłowej. Wstępne próby wiórkowania nowego typu prowadzone w nstytucie Obrabiarek i Technologii udowy Maszyn Politechniki Łódzkiej dają podstawę do powszechnego stosowania tej tak potrzebnej technologii. 2. CHARAKTERYSTYKA PROCESU WÓRKOWANA ŚLMACZNC Każda ślimacznica po procesie frezowania wykazuje znaczne błędy podziałki obwodowej oraz bicia, co z reguły klasyfikuje ją do siódmej lub ósmej klasy dokładności wykonania według PN-80/M Jest to w większości przypadków niewystarczająca dokładność dla przekładni podziału. Podstawową technologią poprawy wyżej wymienionych parametrów jest proces wiórkowania. Wiórkowanie polega na mikroskrawaniu bocznych powierzchni zębów ślimacznicy za pomocą specjalnego narzędzia. Na rysunku 1 przedstawiono takie narzędzie nowej konstrukcji. Rys. 1. Wiórkownik do ślimacznic nowego typu Fig. 1. Shaving tool for new type of wormwheels Narzędzie to jest odzwierciedleniem frezu ślimakowego z zerowymi kątami przyłożenia, choć nie oznacza to, że kąty robocze przyłożenia mają taką wartość. Kąty te zależą między innymi od wartości promieni krzywizn, jakie występują na powierzchni zęba ślimacznicy, oraz od kierunku poślizgu w punktach styku. Na rysunku 2 przedstawiono rozkład prędkości poślizgu w rzucie na płaszczyznę czołową ślimaka.

3 Zwiększenie dokładności kinematycznej ślimacznic metodą wiórkowania 45 linia styku v 1 x V N V T ω 1 O y Rys. 2. Rozkład prędkości poślizgu w rzucie na płaszczyznę czołową ślimaka Fig. 2. The slide velocity distribution in the projection on the front wormwheel surface U u 1 v 1 γ U Podczas współpracy wiórkownika ze ślimacznicą, podobnie jak podczas współpracy ślimaka ze ślimacznicą, występują dwie składowe prędkości poślizgu: jedna to prędkość obtaczania V N, a druga to prędkość obwodowa u 1. Wypadkowa tych prędkości V T w każdym punkcie powierzchni bocznej zęba ślimacznicy jest prędkością skrawania. iorąc pod uwagę konstrukcję wiórkownika, w którym krawędzie skrawające usytuowane są promieniowo do jego osi, większe znaczenie dla procesu skrawania ma składowa prędkości obwodowej. Ze względu na zerowe kąty przyłożenia narzędzia intensywność mikroskrawania uzależniona będzie od odchyłek wykonawczych, to jest od odchyłki bicia uzębienia i odchyłek podziałek obwodowych. W rezultacie wiórkownik, choć działa podobnie jak frez, skrawa do pewnego stanu powierzchnię zębów ślimacznicy, co potwierdziły badania doświadczalne. 3. PROCES WÓRKOWANA Wiórkowanie wykonano na frezarce obwiedniowej firmy Stahehely przy zatrzymanym stole frezarki z wykorzystaniem specjalnego przyrządu przedstawionego na rys. 3. W suporcie narzędziowym zamocowano dokładnie w pozycji poziomej wiórkownik (1), a ślimacznicę (2) umieszczono w specjalnym przyrządzie zamocowanym na stole obrabiarki. Podczas wiórkowania stół frezarki pozostawał nieruchomy, a obrotowi podlegała ślimacznica wraz z górną częścią przyrządu (3). Obrót tego podzespołu wywoływany był ruchem obrotowym wiórkownika, podobnie jak w zazębieniu ślimak ślimacznica. Sprężyna (4) ma wywoływać opór obrotu, dzięki czemu powstaje siła hamowania.

4 46 T. Marciniak, D. Ostrowski Rys. 3. Specjalny przyrząd do wiórkowania Fig. 3. Special tool for the shaving W tym układzie wiórkowaniu podlega tylko jedna strona zębów ślimacznicy. Aby wiórkować drugą stronę, należy zmienić kierunek obrotu wiórkownika na przeciwny. Cały zabieg prowadzony jest przy takiej odległości osi, jaka ma być w przekładni. Próby wiórkowania przeprowadzono na ślimacznicy wykonanej z brązu. Jej charakterystyczne wielkości przedstawiono w tablicy 1. Wielkości charakterystyczne przekładni Worm gear characteristic quantities Tablica 1 Ślimacznica Liczba zębów Moduł osiowy Szerokość wieńca Współczynnik korekcji Zarys ślimaka Kierunek pochylenia linii zęba Kąt zarysu Kąt linii śrubowej zwojów Odległość osi Materiał z 2 m b 2 x α γ a w 29 5 mm 40,6 mm +0,7 stożkopochodny prawy mm brąz Liczba zwojów Średnica rdzenia Współpracujący ślimak z 1 d f mm Ślimacznicę wycentrowano po zamocowaniu jej na przyrządzie. Dosunięto wiórkownik do ślimacznicy i rozpoczęto mikroskrawanie. Proces przerwano po stwierdzeniu zaprzestania powstawania wiórów.

5 Zwiększenie dokładności kinematycznej ślimacznic metodą wiórkowania WYNK ADAŃ Na podstawie pomiarów wykonanych na klasycznym przyrządzie do pomiaru kół zębatych i ślimacznic firmy Klingenberg sporządzono wykres sąsiednich podziałek, sumarycznego błędu k podziałek oraz bicia promieniowego uzębienia ślimacznicy. Na rysunku 4 przedstawiono wykres błędu sumarycznego podziałki obwodowej przed wiórkowaniem i. Rys. 4. Wykres błędu sumarycznego podziałki obwodowej przed wiórkowaniem i Fig. 4. Summary error chart of circumferential pitch before and after shaving łąd sumaryczny fpk [um] Nr zęba W wyniku wiórkowania nastąpiło zmniejszenie maksymalnego błędu sumarycznego podziałki o 21 μm. Otrzymano w ten sposób zmianę dokładności kinematycznej obliczonej na podstawie wzoru (1) z wartości 1 51 do 51. Jest to znacząca jej poprawa, uzasadniająca dalsze doskonalenie tej metody. Ponieważ należy się spodziewać, że duży wpływ na dokładność kinematyczną będzie miało występujące bicie uzębienia, na rys. 5 przedstawiono wyniki pomiarów bicia i. Wpływ bicia uzębienia, podobnie jak wpływ błędów sąsiednich podziałek, na dokładność kinematyczną przekładni będzie można oszacować na podstawie analizy harmonicznej większej liczby prób. Rys. 5. Wykres bicia promieniowego uzębienia ślimacznicy Fig. 5. Radial whipping chart of gear teeth icie promieniowe fr [ µm ] Nr zęba W celu potwierdzenia uzyskanych wyników wykonano dodatkowo jeszcze cztery próby wiórkowania. W każdym z tych przypadków nastąpiło zmniejszenie wartości błędów wykonania, co potwierdza skuteczność zastosowanej meto-

6 48 T. Marciniak, D. Ostrowski dy. Jedynie w próbie oznaczonej numerem 4, w której zbyt mała była siła na sprężynie przyrządu (nastąpiło jej poluzowanie), wynik był odwrotny. Na rysunku 6 przedstawiono wyniki wszystkich badań w formie wykresów słupkowych. a) b) odchyłka [fpk] numer próby odchyłka [fr] numer próby Rys. 6. Wyniki badań dodatkowych wiórkowania próby 1 5: a) błąd podziałki sumarycznej, b) błąd bicia uzębienia Fig. 6. Additional results of shaving tests trial 1 5: a) summary pitch error, b) teeth whipping error W piątej próbie różnica wartości błędu sumarycznego podziałki i znacząco odbiega od pozostałych. Można to tłumaczyć tym, że wiórkowanie doskonale poprawia nawet znacznej wartości błędy podziałki powstałe. Nie poprawia jednak w takim stopniu błędów bicia (rys. 6b). Wykorzystując wzór (1), przeliczono maksymalny błąd sumarycznej podziałki ślimacznicy na odchyłkę przełożenia przekładni ślimakowej. Wyniki zawarto w tablicy 2. Dokładność kinematyczna uzyskana w badaniach Kinematic accuracy obtained in tests Nr próby Po frezowaniu Po wiórkowaniu f pk [μm] δ f pk [μm] δ Tablica 2 5. WNOSK Przeprowadzone próby wiórkowania wykazały, że proces mikroskrawania bocznych powierzchni zębów ślimacznicy za pomocą wiórkownika nowego typu

7 Zwiększenie dokładności kinematycznej ślimacznic metodą wiórkowania 49 wpływa na znaczne zmniejszenie odchyłek sąsiednich podziałek sumarycznej podziałki oraz bicia uzębienia. Należy tu podkreślić, że opracowana konstrukcja wiórkownika pozwala na jego szerokie stosowanie ze względu na prostotę technologiczną. Zauważono również, że proces wiórkowania ślimacznicy niemal ustaje po osiągnięciu określonego śladu współpracy na ślimacznicy (stwierdzono tu zależność od siły hamowania obrotu ślimacznicy). Dalsze jego prowadzenie wręcz pogarsza wcześniej uzyskane wyniki. Mniejsze wartości błędów czy to podziałki, czy to bicia przenoszą się bezpośrednio na wyniki. W związku z tym dla osiągnięcia dalszej poprawy dokładności kinematycznej przekładni ślimakowych proponuje się następujące działania: frezowanie ślimacznic metodą promieniową z użyciem frezu z minimalną fazą o zerowym kącie przyłożenia, prowadzenie wiórkowania uzębienia metodą tak zwanego hodowania. Metoda ta ma polegać na wiórkowaniu ślimacznicy złożonej z dwóch połówek i po ustaniu procesu skrawania przestawianiu kątowym kolejno o kąty 180, 90 i tak dalej aż do braku poprawy wyników. Proces ten jest w fazie przygotowań do wdrożenia. LTERATURA [1] Cegielski., adania nad zmniejszeniem błędów podziałki kół ślimakowych drogą wiórkowania, praca doktorska, Poznań [2] Kornberger Z., Przekładnie ślimakowe, Warszawa, WNT [3] Marciniak T., Przekładnie ślimakowe walcowe, Warszawa, PWN [4] Ochęduszko K., Koła zębate, t. 2, Warszawa, WNT [5] Staniek R., Poprawa dokładności i dynamiki pozycjonowania stołów obrotowych sterownych numerycznie, Mechanik, 2002, nr 2. [6] Wieczorek., Przekładnie zębate szybkobieżne dużych mocy, Warszawa, PWT Praca wpłynęła do Redakcji Recenzent: prof. dr hab. inż. Wojciech Kacalak NCREASE OF WORMWHEEL KNEMATC ACCURACY Y THE SHAVNG METHOD S u m m a r y The article presents the influence of lateral teeth surface micromachining process on the worm gear reducers kinematic accuracy. The experimental labour station for shaving and testing of worm gears has been presented. There has been also presented the experimental results of investigations of worm wheels shaving process influence with kinematic accuracy of worm gear reducers. Key words: worm, gear, wheel, shaving, accuracy