Повышение эффективности изготовления рабочих поверхностей роторов винтовых компрессоров дисковым инструментом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Абдреев, Марат Масхутович

• Абдреев, Марат Масхутович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Абдреев, Марат Масхутович

Введение.

Глава 1. Современное состояние и тенденции развития технологии производства роторов винтовых компрессоров.

1.1. Роторы, как важнейшие элементы винтовых компрессоров.

1.2. Методы формообразования сложных винтовых поверхностей.

1.3. Методы определения профиля образующей исходной инструментальной поверхности.

1.4. Влияние погрешностей технологической системы на точность изготовления винтовой поверхности.

1.5. Цели и задачи настоящей работы.

Глава 2. Разработка метода определения координат профиля режущей поверхности дискового инструмента для формообразования винтовой поверхности ротора.

2.1. Алгоритм решения задачи определения координат профиля инструментальной поверхности дискового инструмента.

2.2. Определяющие параметры винтовых поверхностей роторов ВК.

2.3. Аналитический метод расчета профиля инструментальной поверхности.

2.3.1. Решение задачи определения координат точек профиля инструментальной поверхности.

2.3.2. Поиск решения трансцендентного уравнения.

2.3.3. Определение координат профиля инструмента.

2.4. Контрольное решение задачи определения координат точек профиля инструментальной поверхности методом общих нормалей и по предлагаемому методу.

Глава 3. Математическое моделирование процесса формообразования винтовых поверхностей роторов винтовых компрессоров дисковым инструментом с учетом возникновения подреза.

3.1. Математическое моделирование процесса формообразования винтовой поверхности детали.

3.2. Определение геометрической модели исходной инструментальной поверхности.

3.3. Аналитический метод определения координат профиля винтовой поверхности по исходным координатам точек инструментальной поверхности.

3.3.1. Определение величины угла наклона касательной к профилю в искомой точке ротора в торцевом сечении по исходным данным профиля инструмента.

3.3.2. Вывод аналитической зависимости, связывающей координаты точек инструментальной и винтовой поверхностей.

3.3.3. Поиск решения трансцендентного уравнения.

3.3.4. Определение координат профиля ротора.

3.4. Контрольное сравнение координат.

3.5. Определение возможности возникновения подреза профиля ротора и его величины.

3.5.1. Методика определения наличия подреза профиля ротора.

3.5.2. Определение глубины подреза профиля ротора.

Глава 4. Анализ на основе расчетных и экспериментальных данных влияния погрешностей технологической системы и параметров инструмента на точность изготовления винтовой поверхности роторов.

4.1. Основные параметры технологической системы, влияющие на точность изготовления винтовой поверхности ротора.

4.2. Анализ влияния величин технологических погрешностей на отклонение координат при различном числе зубьев ротора.

4.2.1. Влияние величины отклонения расстояния между осями ротора и инструмента dAi.

4.2.2. Влияние величины отклонения положения инструмента относительно базовой плоскости dZf.

4.2.3. Влияние величины отклонения угла установки инструмента

4.2.4. Влияние величины отклонения радиуса инструмента dRf.

4.2.5. Исследование влияние совокупности изменений технологических отклонений.

4.3. Анализ влияния величин технологических погрешностей на отклонение координат при обработке инструментом различного диаметра.

4.3.1. Влияние величины отклонения расстояния между ротором и инструментом dAi.

4.3.2. Влияние величины отклонения положения инструмента относительно базовой плоскости dZf.

4.3.3. Влияние величины отклонения угла установки инструмента

4.3.4. Влияние величины отклонения радиуса инструмента dRf.

4.4. Экспериментальное подтверждение теоретических исследовании.

4.4.1. Расчет профиля дисковой фрезы и моделирование процесса формообразования.

4.4.2. Апробация процесса в производственных условиях.

4.4.3. Результаты измерений и их анализ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности изготовления рабочих поверхностей роторов винтовых компрессоров дисковым инструментом»

Винтовые компрессоры (ВК), в силу целого ряда известных преимуществ (полная заводская готовность, простота конструкции, * компактность, надежность) представляют устойчивый класс машин на мировом рынке. Практически предприятия любой отрасли промышленности используют сегодня ВК, сжимающие воздух, азот, природные газы, гелий, фреон, аммиак и другие среды.

В последнее время потребность в ВК резко возросла в связи с ростом цен на электроэнергию, металл и площади для размещения компрессоров. Повышенный интерес в приобретении ВК проявляют фирмы малого и среднего бизнеса. В силу повышения эффективности ВК расширяется их поле параметров по производительности У=0.02ч-2.5 м3/с и давлениям р=0.3-0.9 МПа

Производство ВК освоено практически во всех развитых странах мира.

Лидерами в этой области за рубежом являются: SRM (Швеция), Compare и Howden compressors (Великобритания), Atlas-Copco ( Швеция), GHH (Германия), Ingersoll-Rand, Denver Gardner, York, Trane и Carrier (США), Mycom, Hitachi, Kobe-Steel (Япония) и др.

Казанский компрессорный завод (ОАО «Казанькомпрессормаш») уже в течение 35 лет занимает устойчивое положение среди отечественных и зарубежных производителей винтовых компрессоров. Освоенный выпуск воздушных, газовых, холодильных компрессоров в сухом и маслозаполненном исполнении для химической, нефтегазовой, металлургической и других отраслей промышленности позволяет достойно представлять свою продукцию и конкурировать на рынке ВК. ^ В тоже время, в России и странах СНГ существует ряд заводов, также освоивших в последнее время производство ВК. К ним относятся ОАО «Пензакомпрессормаш» (г.Пенза), Челябинский компрессорный завод (г.Челябинск), «Арсенал» (г.Санкт-Петербург), «Борец» (г.Москва),

Читинский машиностроительный завод (г.Чита), СНПО им. Фрунзе (г.Сумы Украина). В связи с этим конкуренция даже на отечественном рынке ВК резко возросла. Наукоемкое и высокотехнологичное производство винтовых компрессоров требует совершенствования подходов в создании конкурентоспособных машин.

Главной конструктивной особенностью винтового компрессора является пара роторов, у которых на средней утолщенной части нарезаны винтовые поверхности, называемые рабочими поверхностями.

Одним из основных направлений совершенствования ВК является поиск наиболее удачных форм винтовых поверхностей пар роторов, которые определяются профилями в торцевом сечении. Винтовые или рабочие поверхности зубьев ротора это наиболее сложные и точные элементы конструкции винтового компрессора, от качественного проектирования и изготовления которых зависят энергетические показатели и эксплуатационные характеристики всей машины.

С момента создания первого винтового компрессора профили роторов, существенно влияющие на показатели ВК, претерпели значительные изменения и в настоящее время, в связи с появлением ЭВМ, постоянно совершенствуются фирмами-разработчиками. Как правило, профилирование роторов происходит с помощью отдельных участков различных кривых, описываемых параметрическими уравнениями. Для получения спрофилированных роторов в производственных условиях необходимо правильно спроектировать профиль обрабатывающего инструмента и оценить влияние различных технологических параметров (межосевого расстояния, угла установки инструмента, фактического диаметра фрезы, положения базовой плоскости и др.) на формируемую винтовую поверхность ротора.

До недавнего времени исходными данными для определения инструментальной поверхности дискового инструмента являлись параметрические уравнения участков кривых, формирующих профиль ротора в торцевом сечении, что ставило решение задачи в зависимость от этих параметрических уравнений. При таком подходе для определения профиля инструментальной поверхности (режущего зуба фрезы), соответствующей конкретному профилю ротора, необходимо иметь отдельную расчетную

• А программу. А корректировка этой программы для расчета инструментальной поверхности при изменении профиля ротора требует трудоемких математических преобразований с использованием сложных исходных параметрических уравнений и дорогостоящей переработки расчетной программы в целом.

Альтернативой такому "негибкому" расчету инструментальной поверхности может быть методика расчета профиля режущего зуба фрезы, исходя из массива координат профиля винтовой поверхности ротора, без привязки к его конкретным параметрическим уравнениям.

Это позволит:

- упростить математические операции,

- снизить время и затраты на расчет дискового инструмента,

- производить расчет для любого профиля винтовой поверхности ротора,

- легко корректировать режущий инструмент (при изменении профиля ротора) на станках с ЧПУ.

Кроме того, после расчета инструментальной поверхности необходимо выполнить моделирование формообразующей операции, которая позволила бы учесть погрешности расчета инструментальной поверхности и технологической системы, с целью оценки соответствия получаемой винтовой поверхности исходным требованиям в рабочих чертежах роторов.

На основе методики моделирования формообразующей операции можно выявить влияние погрешностей, возникающих при изготовлении Ф профиля режущего зуба в процессе заточки, погрешностей установки фрезы и ротора (межцентровое расстояние, угол установки фрезы, положения шпинделя) в процессе нарезки, проанализировать процесс нарезки винтовой части ротора, правильно выбрать допуски на изготовление и избежать длительной и дорогостоящей операции доводки на этапе подготовки промышленного освоения новых профилей роторов ВК.

Настоящая работа выполнена в соответствии с потребностями практики, планами НИОКР ЗАО НТК, федеральной приоритетной программой "Энергосбережение России" от 24.01.98 №80, а также в соответствии с решениями Vll-r-XIII Международных конференций по компрессоростроению.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Абдреев, Марат Масхутович

Выводы и рекомендации

1. Для образования винтовой поверхности, заданной координатами точек профиля в торцевом сечении разработаны метод и программа расчета

I определения координат инструментальной поверхности дискового инструмента, отличающаяся применением при расчете только координат точек, без использования параметрических уравнений участков кривых формирующих профиль ротора. Разработанный метод и программа расчета позволяют при помощи одной программы рассчитать инструментальную поверхность для любого профиля ротора, будь то ведущий или ведомый ротор, либо профиль ротор, сформированный неизвестными кривыми или сочетаниями кривых. Это существенно сокращает сроки подготовки и внедрения изделия в производство.

2. Проведено теоретическое сравнение предлагаемого метода расчета инструментальной поверхности с общеизвестным, широко применяемым

I методом общих нормалей, исходными данными для которого являются параметрические уравнения участков кривых, формирующих профиль винтовой поверхности. Результаты анализа подтверждают высокую точность разработанного метода.

3. Разработана математическая модель процесса формообразования винтовой поверхности дисковым инструментом, которая позволяет ф аналитически получить торцевой профиль винта ротора ВК на основе координат точек профиля инструментальной поверхности с учетом различных погрешностей технологической системы. Разработанная методика лишена недостатков известных графоаналитических методов, решаемых численными методами, поскольку выведена аналитическая зависимость. С другой стороны, она дополняет некоторые аналитические

Щ1 методы, т.к. позволяет графически отобразить процесс формообразования.

4. Создана методика определения возможности возникновения явления подреза образуемой винтовой поверхности дисковым инструментом на основе аналитически выраженных винтовых проекций дуг окружностей исходной инструментальной поверхности на торцевую плоскость детали с возможным графическим отображением.

5. Разработана методика определения глубины подреза винтовой поверхности дисковым инструментом в торцевом сечении с целью крейтериальной оценки влияния данного процесса на получаемую винтовую поверхность.

6. Проведенные исследования основных технологических погрешностей, возникающих в процессе нарезки роторов (погрешности расстояния между осями инструмента и ротора dAi, радиуса фрезы dRf, угла установки инструмента dp, отклонения базовых плоскостей фрезерования dZf), определяют предельные значения этих отклонений для роторов с различным профилем и числом зубьев и обработанных инструментом различного диаметра. Данные исследования рекомендуются к применению технологами для повышения точности изготовления винтовых поверхностей роторов ВК.

6.1. Величина влияния погрешности межосевого расстояния на профиль ротора неизменна для роторов с различным числом зубьев будь то ведущий или ведомый ротор. Характер изменения величины погрешности профиля прямопропорционален изменению величины погрешности межосевого расстояния. Поскольку допуск на погрешность профиля ротора Delta=0.01 мм [18], то погрешность межосевого расстояния должна быть не более dAi=0.0lMM (см. рис. 4.1).

6.2. Величина влияния погрешности положения инструмента относительно базовой плоскости на профиль неизменна для роторов с различным числом зубьев и лишь меняет знак при изменении направления нарезки винтовой поверхности. Если погрешность положения инструмента постоянна и находится в пределах dZf=[-0.1 -г-0.1], то погрешностью профиля ротора можно пренебречь, поскольку она распределяется компенсируется) при изготовлении всех зубьев ротора равномерно по окружности. Если же имеет место биение инструмента по торцу, то для получения, профиля ротора в пределах допуска (Delta=0.01 мм), оно не должно превышать (в рассмотренном случае) dZf=0.007 мм (см. рис.

4.4).

6.3. Величина влияния погрешности угла установки на профиль ротора различна при различных числах зубьев ведущего ротора, а для ведомого ротора одинакова для всех, кроме восьмизубого варианта ротора. При проектировании профиля и задании допусков, необходимо учитывать, что определяющее значение имеет угол подъема крутого участка профиля. Чем он больше, тем выше и погрешность изготовления. В данном случае для достижения заданных пределов точности профиля (худший случай для трехзубого ротора) необходимая точность угла установки dp=0.008 град.

6.4. Величина влияния отклонения радиуса инструмента от расчетного значения на профиль ротора так же различна для роторов с различными числами зубьев как для ведущего, так и для ведомого профиля. Но влияние этого параметра на профиль ведомого ротора значительно ниже, чем для ведущего. Поскольку эта погрешность зависит от угла разворота профиля, то наиболее технологичным для профиля ведущего ротора представляется винт с большим числом зубьев. В рассмотренном случае для попадания в заданные пределы точности профиля трехзубого ротора (худший вариант), радиус фрезы должен иметь отклонения в пределах dRf= [-0.330.33] мм.

6.5. Выявленное явление уменьшения погрешности изготовления профиля ротора при заданном фиксированном отклонении радиуса инструмента путем изменения угла его установки позволит в 3 раза повысить точность изготовления винтовых поверхностей заданным дисковым инструментом и увеличить производительность фасонных фрез за счет большого количества переточек без выдвижения режущих зубьев ножей). По приведенным графикам зависимости видно (рис. 4.19), что наилучшие показатели демонстрируют профиля пятизубого и шестизубого роторов, что и рекомендуется для производства ВК.

6.6. Полученные результаты могут быть использованы для геометрически подобных роторов ВК. При отклонениях от этого условия необходимы исследования для конкретных случаев исполнения роторов ВК и дисковых фрез, что позволяет осуществить разработанная методика.

6.7. Величина влияния погрешности межосевого расстояния на профиль ротора неизменна при обработке инструментом различного диаметра, будь то ведущий или ведомый ротор. Характер изменения величины погрешности профиля прямо пропорционален изменению величины погрешности межосевого расстояния и полностью совпадают с подобным графиком для различных чисел зубьев.

6.8. Величина влияния погрешности положения инструмента относительно базовой плоскости на профиль неизменна при обработке роторов инструментом различного диаметра и лишь меняет знак при изменении направления нарезки винтовой поверхности. Здесь применимы те же рекомендации, что и п. 6.2.

6.9. Величина влияния погрешности угла установки на профиль ротора неизменна при обработке ведомого ротора инструментом различного диаметра и различна при обработке ведущего ротора. Необходимо отметить, что с ростом радиуса обрабатывающего инструмента влияние упомянутой погрешности на профиль ведущего ротора незначительно уменьшается.

6.10. С увеличением диаметра обрабатывающего инструмента величина влияния отклонения радиуса инструмента от расчетного значения на профиль ротора уменьшается. Причем степень влияния для ведущего ротора значительно выше, чем для ведомого. Кроме того, необходимо отметить, что при значении Rf >200 мм графики зависимости представленные на рисунках 4.27 и 4.29 принимают стабильные значения и характеризуют автомодельную зону по величине Rf.

7. Сравнение профилей роторов ВК полученных в производственных условиях с выполнением среза торцевой поверхности и при помощи моделирования процесса формообразования подтвердило достоверность разработанных методов и позволило выявить вероятные значения отклонений технологической системы, влияющие на точность изготовления винтовых поверхностей роторов, с целью исключения этих отклонений при изготовлении.

8. Результаты диссертационной работы позволяют сократить технологическую подготовку производства при создании новых, современных винтовых компрессоров, снизить их себестоимость при изготовлении, и, тем самым, увеличить их конкурентоспособность на рынке.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Абдреев, Марат Масхутович, 2005 год

1. Абдреев М.М. Методика расчета дисковых фрез для нарезки роторов винтовых компрессоров. // Тезисы докладов VI НТК молодых специалистов "Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин", Казань, Сентябрь 24-25, 2002, с. 44-45.

2. Абдреев М.М., Налимов В.Н. Методика расчета дисковых фрез для нарезки роторов винтовых компрессоров. // Компрессорная техника и пневматика №12, 2002, с. 16-17.

3. Амосов П.Е., Бобриков Н.И., Шварц А.И., Верный A.JI. Винтовые компрессорные машины. Справочник. JL: "Машиностроение", 1977. -256 с.

4. Андреев П.А. Винтовые компрессорные машины. JL, Судпромгиз, 1961. -251 с.

5. Андреев П.А. Шварц А.И., Хисамеев И.Г. Теоретическое исследование влияния профилей зубьев роторов на энергетические показатели винтового компрессора. Труды ЦКТИ, вып.127, 1975, с.8-15.

6. Андреев П.А., Шварц А.И. Выбор профиля зубьев роторов для машин типоразмерного ряда винтовых компрессоров сухого сжатия. -"Химическое и нефтяное машиностроение", 1973, №11, с. 9-10.

7. Андреев П.А., Шварц А.И. Основные геометрические характеристики профилей роторов винтового компрессора. В сб.: "Компрессорные и дутьевые машины". JL, 1970, вып.102, с.133-141.

8. Анишина Р.Т., Верный A.JL, Налимов В.Н., Шварц А.И. Зацепление винтовой машины с ассиметричными профилями зубьев ведущего и ведомого роторов. Патент РФ №1733696, 1993.

9. Борисов А.Н. Общая задача теории формообразования поверхностей. Материалы международного семинара "Современные технологические и информационные процессы в машиностроении". Орел: ОрелГПИ, 1993, с. 96-105.

10. Верный A.Jl., Налимов В.Н., Шварц А.И. Зубчатое зацепление винтовой машины. Патент РФ №1401158, 1993.

11. Винты винтовых компрессоров. Основные размеры. ГОСТ 23005-78. Издание официальное. Госкомитет стандартов Совета Министров СССР. М., 1978, 5 с.

12. Винты винтовых компрессоров. Допуски. ГОСТ 23005-78. Издание официальное. Госкомитет стандартов Совета Министров СССР. М., 1978, 8 с.

13. Воробьев В.М. Профилирование фрез для изделий с винтовыми канавками. Автореферат дис. канд. тех. наук, М.: Мосстанкин, 1950. -20с.

14. Выгордский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: Гос. изд. физико-математической литературы, 1959. 784с.

15. Выгордский М.Я. Справочник по элементарной математике. М.: Гос. изд. технико-теоретической литературы, 1949. 280с.

16. Гавриленко В.А. Геометрическая теория эвольвентных зубчатых передач. М., Машгиз, 1949.

17. Гречишников В.А. Профилирование инструмента для обработки винтовых поверхностей деталей по методу совмещенных сечений. М.: Мосстанкин, 1979. -27 с.

18. Гречишников В.А., Кирсанов Г.Н. Проектирование дискового инструмента для обработки винтовых поверхностей // Машиностроитель, №10, 1978, с. 16-17.

19. Гречишников В.А., Юнусов Ю.С., Чемборисов Н.А. Формирование информационно-поисковай системы инструментального обеспечения автоматизированного производства и проектирования САПР РИ. М.: Машиностроение, 2000. 223 с.

20. Гринпресс Б.Л. Винтовые компрессоры. Научно-технический реферативный сборник. Вып. 1. М., 1964 (ЦИНТИАМ).27.