«Эволюция» китайской технологии сверхточных зубчатых передач

После торговых разногласий между Китаем и США «застрявшая» микросхема стала темой, обсуждаемой в стране, обществе и научных кругах, а проблема точности в производственной сфере является важной частью «застрявшей шейки».

Прорыв в области сверхточных передач первого уровня точности в Китае является типичным примером решения этой проблемы точности, а также типичным случаем независимого освоения моей страной ключевых технологий.Развитые страны Запада ввели технологическую блокаду Китая.Чтобы самостоятельно освоить основные технологии, Ван Лидинг, академик Китайской академии наук, потратил более 40 лет и руководил своей командой для успешной разработки сверхточных стандартных зубчатых передач с уровнем точности 1 в международном стандарте для зубчатых колес с 1999 года. .

В этой статье рассматривается процесс «эволюции» сверхточных зубчатых передач от уровня 4 до уровня 2 и от уровня 2 до уровня 1, обогащаются исторические данные о развитии технологии сверхточных зубчатых передач в Китае и демонстрируется инновационный дух. старшего поколения ученых, которые достаточно смелы, чтобы подняться на вершину и осмелиться быть первыми.

Зубчатые передачи широко используются в трансмиссиях механического оборудования.

Среди уровней точности зубчатых передач 6–8 относятся к средним уровням точности, которые можно применять к промышленному оборудованию, такому как станки и автомобили;3–5 — это уровни высокой точности, которые в основном используются в сверхточных станках, приборах, кораблях, радарах, аэрокосмических двигателях и т. д., которые предъявляют требования к высокоскоростной и плавной передаче;Уровни точности 1–2 — это уровни сверхточности, которые в основном используются в качестве национальных или международных калибровок приборов для измерения зубчатых передач и эталонов объектов передачи точности.

В 1960-е годы для быстрого создания основ социалистической индустриализации и удовлетворения потребностей масштабного оборонного машиностроения страны постепенно стали производить зубчатые передачи серийно, а требования к точности зубчатых передач становились все выше и выше.

Чтобы выполнить задачи по производству высокоточного оборонного оборудования и ответить на проблемы блокады сверхточных технологий, Ван Лидинг, китайский эксперт по точному машиностроению и микронанотехнике, академик Китайской академии наук, возглавил команда на протяжении более 40 лет постепенно повышает точность передачи с 7 уровней до 1 уровня (этап точности передачи с 4 уровня точности на 2 уровня сверхточности и со 2 до 1 уровня сверхточности является наиболее критическим периодом от формирование до совершенствования технологии сверхточных зубчатых передач), что позволит Китаю перейти от отсталой позиции в технологии сверхточных зубчатых передач к мировому лидеру.

Сверхточная зубчатая технология

Эволюция с уровня 4 на уровень 2

Фон

В 1960 году департамент Министерства национальной обороны заказал Чанчуньскому институту оптики и точных приборов (ныне Чанчуньский институт оптики, точной механики и физики Китайской академии наук, именуемый в дальнейшем Чангуанский институт) разработать фотоэлектрический теодолит для слежения за нашими и вражескими самолетами и ракетами.

Этот крупномасштабный инструмент и оборудование содержит большое количество зубчатых передач, требующих, чтобы точность зубчатых передач достигала уровня 6 или выше, но в то время точность зубчатых передач, обработанных внутри страны, в основном составляла 7 уровень. Ван Лидинг, стажер-исследователь в Институте Чангуан , участвовал в этом проекте.Он использовал зубошлифовальный станок с коническим шлифовальным кругом Y7131 для шлифования и оптимизации зубчатых колес, успешно выполнив задачу национальной обороны, а затем разработал стандартную шестерню 4-го уровня на зубошлифовальном станке Y7431.

Действующие стандарты зубчатых передач соответствуют классам точности.

ISO1328-1:1995, ISO1328-2:1997 — международные стандарты;DIN3962-1~3:1978 — национальные стандарты Германии;JISB1702-1:1998, JISB1702-2:1998 — национальные стандарты Японии;ANSI/AGMA2015-1A01, ANSI/AGMA2015-2 A06 — американские национальные стандарты;GB/T10095.1-2008, GB/T10095.2-2008 — национальные стандарты Китая.

В 1965 году страна захотела разработать новый тип радара прецизионного измерения, для которого Институт Чанггуана разработал коробку передач для передачи данных с кодированием угла вала, используемую в системе измерения угла азимута радара.

Институт Чангуан создал специальную группу исследований и разработок, которая будет отвечать за проектирование, обработку и измерение коробки передач.Исследовательскому коллективу пришлось самостоятельно завершить разработку коробки передач.Ван Лидинг был стажером-исследователем группы.

Проблемы и решения

Весь процесс сверхточной зубообработки можно свести к установке исходной зубошлифовальной заготовки на зубошлифовальный станок, подбору и настройке параметров станка по параметрам шлифоваемой шестерни, совмещению процесса зубошлифования с ручными техническими операциями. и, наконец, измерение с помощью измерительного прибора, точность должна достигать уровня международного стандарта зубчатых передач 3 или выше.

Зубошлифовальный станок является основным элементом сверхточной зубчатой ​​техники.В то время исследовательская группа располагала двумя зубошлифовальными станками — червячным зубошлифовальным станком, импортированным из Великобритании, и отечественным станком Y7431.Поскольку последний может обрабатывать шестерни большего диаметра, Ван Лидинг выбрал именно этот станок для модификации и доработки.

В 1963 году Ван Лидинг впервые заменил шпиндель обработки трением скольжения Y7431 на систему валов с плотным валиком, обладающую высокой точностью и малым моментом трения, что заложило важную техническую основу для последующего развития кодирующих механизмов в прецизионных радарах, а также стало основным инновационная мера по совершенствованию станков.

После первой Национальной ежегодной конференции по механическим трансмиссиям Ван Лидинг последовал за своими коллегами на Шанхайский станкостроительный завод, чтобы изучить технологию индексации в аккумуляторном оборудовании.Он обнаружил, что система поворотных осей магнитного диска в разработанной ими машине магнитной записи состоит из множества высокоточных стальных шариков, что напрямую гарантировало точность диска магнитной записи.

Эта технология вдохновила Ван Лидинга на решение проблемы проектирования конструкции шпинделя станка.Он добавил в шпиндель станка 400 стальных шариков, что значительно улучшило жесткость шпинделя, гарантировало, что подшипник будет нелегко сгибать, а также способствовало эффекту усреднения ошибок.Точность шпинделя была снижена с исходной погрешности в 2 мкм до 0,5 мкм, что выше уровня отечественного производства.

Зубошлифовальные станки можно разделить на три технических модуля в зависимости от их функциональности: система шлифовальных кругов, система разработки и система индексации.

Ван Лидинг считает, что точность индексации станков является ключом к повышению точности передачи, а индексный диск является основным компонентом системы индексации, и его точность определяет точность индексации шестерни.

Конструкция большого шлифовального станка с плоскими зубьями

Ван Лидинг установил высокоточный многогранник в положение шестерни зубошлифовального станка, а индексирующую пластину установили за индексирующей пластиной.Точность многогранника была передана на индексирующую пластину с помощью точной системы валов, тем самым увеличивая точность индексирующей пластины до 10–20 угловых секунд, но точность все еще нуждается в дальнейшем повышении.

Ван Лидинг нарисовал математическую модель ошибки индексной пластины, которая показана в виде синусоидальной кривой.Он предположил, что эта синусоидальная кривая представляет собой синусоидальную ошибку, вызванную эксцентриситетом установки, и нарисовал обратную синусоидальную кривую в противоположном направлении, тем самым компенсируя фактический синус, чтобы уменьшить ошибку ординаты.Регулировка индексной пластины в соответствии с обратной и синусоидальной кривыми значительно улучшила точность индексной пластины.Это «метод вычитания синуса», созданный Ван Лидингом.

После этого Ван Лидинг поочередно шлифовал зубья индексирующей пластины небольшим напильником.После двух недель шлифования днем ​​и ночью точность индексирующей пластины достигла требований обработки.

Однако сверхточную обработку зубчатых колес необходимо проводить в экспериментальной среде с постоянной температурой, пыленепроницаемостью и ударопрочностью.Отечественное лабораторное оборудование для сверхточных зубчатых колес простое и не может удовлетворить требования сверхточной обработки зубчатых колес.

Ван Лидинг попросил своего помощника выполнять получистовые работы в течение дня, а суперфинишную обработку он выполнял в относительно тихой обстановке ночью.Он открывал дверь лаборатории каждый день около 5 утра, чтобы позволить механизмам быстро остыть, чтобы сотрудники лаборатории могли проводить измерения после работы в течение дня.

Год спустя Ван Лидинг и другие завершили задачу по разработке оборудования для кодирования, как и планировалось.После этого Ван Лидинг участвовал в разработке пяти партий радиолокационных кодирующих устройств, которые были последовательно загружены на самые точные радары Китая, и до сих пор никаких проблем не возникло.

Однако Ван Лидинг не был удовлетворен имеющимися достижениями научных исследований.Чтобы изменить пассивную ситуацию в области применения сверхточных зубчатых передач в Китае, он решительно решил продолжать изучать и преодолевать технические трудности сверхточных зубчатых передач, пока не разработает сверхточные шестерни 1-го уровня, так что Китай технология сверхточной передачи позволит не только идти в ногу с темпами развитых стран, но и опережать международный уровень.

Чтобы система индексации станков полностью отвечала требованиям разработки прецизионных зубчатых передач 2-го уровня, Ван Лидинг полностью модифицировал механизм индексации, добавил механизм автоматической индексации концевого зуба и оснастил автоматическим механизмом индексации концевого зуба на станках, особенно прецизионных. станки для зубошлифования.Это первый отечественный продукт.

В 1977 году Ван Лидинг модифицировал механизм индексации концевой шестерни на станке Y7413.Модифицированный станок может стабильно шлифовать «стандартные маломодульные шестерни» с точностью 2 класса в соответствии с западногерманским стандартом зубчатых колес DIN3962-1977.

Разработанная им «маломодульная стандартная передача» с точностью 3 и 2 класса получила Премию за выдающиеся научные и технологические достижения Китайской академии наук и премию Национальной научной конференции в 1978 году.

Кроме того, с 1976 по 1978 год Ван Лидинг разработал «механизм автоматической индексации концевой шестерни», чтобы заменить индексирующую пластину на традиционных зубошлифовальных станках.

Он также проводил исследования различных зубчатых колес, среди которых «эталонное стандартное зубчатое колесо со средним модулем» получило первую премию Китайской академии наук за научно-технический прогресс, а Китайский институт метрологии использовал его в качестве национального показателя точности зубчатых передач. физический ориентир.

Сверхточная зубчатая технология

«Эволюция» от 2 класса к 1 классу

Фон

В 1985 году Китай официально начал реформу системы науки и технологий.На первом этапе оно восприняло развитие рынков технологий как прорыв, направило научно-техническую работу на экономическое строительство и способствовало тесной интеграции науки и техники с экономикой.

Национальный фонд естественных наук был основан в 1986 году для содействия развитию фундаментальных исследований в области естественных наук.

На этом фоне Ван Лидинг подал заявку на участие в проекте Национального фонда естественных наук на тему «Исследование закона формирования эвольвентной ошибки и оптимальной схемы формования» для разработки стандартного прецизионного зубчатого колеса 1 класса.«В научных исследованиях мы должны сравниваться с миром и вносить вклад в научное дело Китая».

Инновации

Распространенные профили зубьев шестерен включают циклоиду, дугу, эвольвенту и другие кривые.Эвольвентные передачи обладают преимуществами плавной передачи, низкой вибрации, постоянной выходной скорости и отсутствия колебаний.Это наиболее широко используемые шестерни в современных механических устройствах.

Сверхточные шестерни имеют эвольвентный профиль зубьев.Ключом к уменьшению ошибок профиля зубьев шестерен является повышение точности эвольвентных кулачков станков.

В 1993 году Ван Лидинг не только разработал двухвалковое эвольвентное шлифовальное устройство, но также спроектировал и изготовил эвольвентное измерительное устройство, поставив калибровочные инструменты для Китайского института метрологии.

Высокоточный эвольвентный шаблон, разработанный Ван Лидингом, может не только использоваться в станках для шлифования прецизионных форм зубчатых колес первого уровня, но также служить эталоном эвольвентной прецизионной передачи Китайского института метрологии.Это достижение получило третью премию Национальной премии за прогресс в области науки и технологий в 1999 году.

Благодаря применению инновационных технологий, таких как система прокатки вала с плотным валиком, «метод вычитания синуса», механизм индексации концевых зубьев и устройство для шлифования и измерения эвольвентного шаблона, точность зубошлифовального станка соответствует требованиям, предъявляемым к шлифованию в первую очередь. Уровень точности сверхточных шестерен, но шлифование сверхточных шестерен по-прежнему требует инноваций в технологии обработки.

Ван Лидинг имитировал закон ошибок индексной пластины, повернул шестерню на 180°, а затем отшлифовал половину шестерни, прекратил шлифование оставшейся части шестерни и увеличил точность шестерни с исходных 60 дюймов до 45 дюймов.Он назвал этот процесс шлифования шестерен «методом транспозиции».

Ван Лидинг считал, что ключом к изобретению «метода транспозиции» было обращение особого внимания на экспериментальные явления.Он разместил стол рядом со станком, чтобы облегчить анализ и запись во время обработки шестерен.Он также слушал звук скрежета шестерен, чтобы оценить степень обработки шестерен.

Только уделяя особое внимание различным явлениям и решая проблемы в рабочей практике одну за другой, мы можем осуществлять технологические инновации и добиваться постоянного прогресса.

Кроме того, в сочетании с новым процессом Ван Лидин возглавил команду для успешной разработки 5 типов стандартных одноуровневых прецизионных зубчатых передач, сформулированных Международной организацией по стандартизации (стандарт ISO), и провел оценку научных и технологических достижений в 2016 году. , с выводом, что «индекс точности достиг международного уровня».

Значение

Китай является первой страной, освоившей базовую технологию стандартных зубчатых передач с одноуровневой точностью, поэтому его успешные исследования и разработки имеют важное научное значение и перспективы применения.

С точки зрения научного значения

Зубошлифовальный станок Y7125 и его процесс шлифования зубчатых колес, разработанный Ван Лидингом, заполняют пробел в процессе производства прецизионных зубчатых колес 1 класса в стране и за рубежом, устанавливают лидирующие позиции Китая в области сверхточных зубчатых колес в мире, прорываются вперед трудности с качеством производства сверхточных зубчатых передач, повышение технического уровня китайской промышленности по производству зубчатых колес и закладывание прочной основы для превращения Китая в ведущую державу по производству шестерен;

Сверхточные шестерни класса 1 используются Китайским институтом метрологии и предприятиями в качестве эталонов точности зубчатых передач для идентификации обычных прецизионных зубчатых передач или инструментов для измерения зубчатых колес, повышения эффективности обнаружения зубчатых колес и подходят для крупномасштабного производства;

Технология сверхточных зубчатых передач играет ключевую роль во многих важных областях, таких как промышленное производство, аэрокосмическая и военная техника, и занимает важное стратегическое положение.

С точки зрения перспектив применения

Высокоточный эвольвентный шаблон, разработанный Ван Лидингом в 1990-х годах, в основном используется для доводки эвольвентных кулачков для шлифования шестерен, в то время как шаблон эвольвенты эталонного уровня и шаблон спирали зубчатого колеса специально относятся к шаблонам эвольвентных и спиральных шестерен с точностью 1 и выше. , которые используются в качестве эталонов передачи эвольвентной передачи и значения винтовой линии на национальном уровне.

Кроме того, как представитель высокотехнологичного интеллектуального производства, промышленные роботы имеют значительный рост производственного спроса, но китайские редукторы начали работу поздно и в основном полагаются на импорт, что значительно ограничивает развитие промышленных роботов в Китае.

Поскольку редукторы содержат большое количество зубчатых передач, к прецизионным редукторам предъявляются чрезвычайно высокие требования к точности зубчатых передач.Поэтому ускорение локализации прецизионных редукторов стало основной темой будущей стратегии развития промышленных роботов Китая и основным направлением исследований в области технологий сверхточных зубчатых передач.