Современные механизмы и машины трудно представить без зубчатых колес. В то же время до сих пор никто не знает, кем и когда было изобретено зубчатое колесо
Введение
Современные механизмы и машины трудно представить без зубчатых колес. В то же время до сих пор никто не знает, кем и когда было изобретено зубчатое колесо. Применение зубчатых колес началось в глубокой древности: они изоталвлялись грубой формы, вместо зубьев применялись деревянные пальцы, закрепленные по периферии деревянного обода.
Наука о зубчатых колесах, математическое и графическое обоснование профилей зубьев появилось одновременно с развитием геометрии, механики и кинематики в 17 веке.
Эпициклоидальная форма зубьев была создана еще в 18 веке французским ученым М. Камусом и применялась до 20 века.
Эвольвентная форма зубьев создана профессором Петербургской академии Леоиардом Эйлером (примерно в 1765 году). Им подробно были исследованы теоретические основы и возможности эвольвентного зацепления.
С расширением области применения зубчатых колес установлено, что для изготовления одного и того же коплекта зубчатых колес эпициклоидального профиля режущего инструмента требуется в 2-3 раза больше, чем эвольвентного. Это была одна из причин постепенной замены эпициклоидального профиля эвольвентным. В настоящее время почти все зубчатые колеса изготавливают эвольвентным формой зубьев.
Зубчатые колеса являются самыми распространненными деталями в современном машиностроении, в особенности в автостроении, станкостроении, тяжелом машиностроении. Процесс их производства весьма сложен, трудоемок, малопроизводителен и во многом зависит от эксплуатационных свойств зуборезного инструмента, в частности, червячных зуборезных фрез.
Червяные зуборезные фрезы ялвяются на сегодня наиболее универсальными, производительными и точными зуборезными инструментами. Основная задача при проектировании червячных зуборезных фрез (техническое задание на проектирование) формулируется так: определить конструктивные и геометрические параметры инструмента, которые обеспечивают требуемую толщину и высоту зубьев и перекрытие обработкой активной части профиля зубьев нарезаемого колеса. Наиболее сложными и интересным вопросом при этом ялвяется разработка методов расчета инструментов для обработки корригированных эвольвентных зубчатых колес, удельный весь которых становится преобладающим, а также зубчатых колес с произвольным профилем зубьев. Эти методы должны влкдючать в сбея учет чрезвычайно большого числа факторов технического и экономического порядка. Вопросы разработки таких методов представляют значительную сложность, так как для их решения затруднительно исколькозовать известные ручные методы расчета.
С челью увеличения производительности процесса зубонарезация, снижения трудоемкости и стоимости изготовления зубчатых колес, повышения их надежности за последние 30 лет в мире проведено большое число исследований по теории зацепления зубчатых передач, теории резания металлов и точности средств обработки колес, результаты которых опубликованы в трудах А. М. Адама, Г. Зульцера, Г. Г. Иноземцева, Н. А. Калашникова, В. Д. Клепикова, И. А. Коганова, Т. Н. Лоладзе, В. М. Матюшина, М. З. Мильштейна, Н. Н. Маркова, С. Н. Медведицкова, Г. Г. Овумяна, С. С. Петрухина, Д. Н. Решетова, П. Р. Родина, С. И. Лашнева, Г. Н. Сахарова, И. И. Семенченко, М. И. Юликова и других авторов. Одним из ведущих научно-исследовательских центров, решающих вопросы усовершенствования конструкций зуборезных инструментов, на протяжении последних трех десятков лет является Волгоградский государственный технологический университет.
Назначение и области применения червячных зуборезных фрез.
Червячные фрезы применяют для черновой, получистовой и чистовой обработки прямозубых, косозубых и шевронных цилиндрических колес в диапазоне модулей 0.1 – 10 мм, а так же для нарезания зубьев червячных колес с различными видами зацепления. Способ нарезания цилиндрический зубчатых колес червячными фрезами имеет наибольшее распространение в машиностроении. Причиной этого является универсальность червячного зубофрезерования (допускается нарезание прямозубых и косозубых колес с различным числом зубьев одним и тем же инструментальном), высокая точность и производительность процесса обработки. Общее представление о назначении и способе работы червячных зуборезных фрез может быть получено из следующего определения, построенного на основе ГОСТ 25751-83.
Фреза – лезвийный инструмент для обработки с вращательным движением резания инструмента без изменения радиуса траектории этого движения и хотя бы с одним движением подачи, направление которого не совпадает с осью вращения.
Невозможность изменения радиуса траектории главного движения резания лезвий инстурмента, согласно ГОСТ 25751-83, ялвяется отличительным признаком фрезы.
Червячная зуборезная фреза – фреза предназначенная для обработки профилей зубчатых деталей методом центроидного огибания.
Помимо червячных зуборезных фрез, по методу центроидного огибания работают многие другие зуборезные инструменты – прямозубые зуборезные гребенки, зуборезные долбяки, шеверы и т. д. При использовании метода огибания профиль инструмента не совпадает с профилем обрабатываемой впадины зуба нарезаемого колеса.
Метод центроидального огибания – метод обработки зубчатых колес, при котором центроиды инструмента и нарезаемого колеса является друг по другу без скольжения. Профиль нарезаемых зубьев получается в процессе зубонарезания как огибающая различных последовательных положений режущих кромок инструмента.
Червячные фрезы относятся к группе обкатных многолезвийных инструментов с конструктивным движением обката. В общем случае режущие кромки зубьев червячных зуборезных фрез расположены на винотовой поверхности основного червяка. При работе оси фрезы нарезаемого колеса перекрещиваются (рис. 1.1).
Рис. 1.1 Схема работы червяной зуборезной фрезы
При главном вращательном движении фрезы Dr режущие кромки вступают в контакт с заготовкой в последовательно сещенных положениях, что в сочетании с вращательным движением заготовки Dw образует движение обката в процессе обработки.
Помимо главного движения резания Dr и вращательного движения заготовки Dw в процессе обработки зубчатых деталей могут принимать участие от одного до трех движений подачи. Основным движением подачи является относительное перемещение фрезы и заготовки, вектор которого параллелен оси вращения заготовки (движение Dso0' осевая подача заготовки). В зависимости от направления подачи Dso0 различают операции попутного или встречного зубофрезерования. Зубофрезерование считается встречным в случае, если угол φ между векторами главного движения зуба фрезы V и поступательного движения заготовки в результате осевой подачи Vso0 превышает 90°. В противном случае зубофрезерование считается попытным. Схема к определению вида фрезерования приведена на рис. 1.2.
Схема операции зубофрезерования со встречной осевой подачей заготовки
Схема операции зубофрезерования с попутной осевой подачей заготовки
В случае если помимо осевой подачи заготовки Dso0 используется осевая подача фрезы Dso1 (см. Рис. 1.1), говорят о диагональной подаче. Радиальная подача Dso2 используется для врезания инструмента в заготовку при обработке с попутной подачей. Кроме того диальная подача может использоваться при обработке червячных колес или колес с узким зубчатым венцом.
Для осуществления обработки червячная фреза должна предоставлять собой червяк с продольными винтовыми прямыми стружечными канавками для образования передних поверхностей зубьев и затылованными задними поверхностями зубьев для образования задних углов. Пересечение передних поверхностей стружечных канавок и затылованных задних поверхностей образуют режущие кромки. Схема образования передних и задних поверхностей червячных зуборезных фрез приведена на рис. 1.3.
Схема образования передней и задней поверхности затылованных зубьев червячной зуборезной фрезы
К основным конструкционным элементам червячных фрез относятся: диаметр и длина фрезы, диаметр посадночного отверстия (для насадных фрез), число и форма зубьев, направление стружечных канавок, геометрические параметры, размеры и форма режущих кромок и т. д. Основные конструктивные параметры червячных зуборезных фрез приведены на рис. 1.4.
По конструкции червячных зуборезные фрезы бывают цельные, составные и сборные. По направлению витков фрезы подразделяются на правозаходные и левозаходные. Рекомендуется нарезание косозубных колес производить червячными фрезами, имеющими одноименное направление витков фрезы с линиями зубьев изготовляемых колес, то есть кособые колеса с правм направлением линии зубьев должны нарезаться правозаходными фрезами, а колеса с левым направлением зубьев – левозаходными.
По количеству заходов фрезы подразделяются на однозаходные и многозаходные. Многозаходные фрезы, как правило используются в качестве черновых фрез и проектируются на основе многозаходных червяков. На рис. 1.5. приведены схемы двухзаходного и трехзаходного и правых червяков.
По способу соединения инструмента со станком фрезы могут быть насадными и концевыми. Преимущественное распространение получили насадные червячные зуборезные фрезы.
Косозубые зубчатые колеса с углом наклона зубьев более 20°следует нарезать червячными фрезами, снабженными конусной заборной частью. Положение заборного конуса для правых и левых фрез изображено на рис. 1.6.
Рис. 1.6 Положение заборного конуса правых (а) и левых (б) червячных фрез
Червячные фрезы для нарезания зубчатых колес под шевингование или зубошлифование проектируются на определнную деталь. Конструктивные элементы профилей расчитываются для каждого числа зубьев или узкого диапазона чисел зубьев обрабатываемых колес.
Конструкции стандартных зуборезных фрез регламентируются ГОСТ 10331-80 (фрезы модуля менее 1 мм), ГОСТ 18692-73 (сборные фрезы для обработки зубчатых колес с зацеплением Новикова), ГОСТ 9324-80. Стандартные червячные зуборезные фрезы согласно ГОСТ 9324-80 изготавливаются шести классов точности: AAA, AA, A, B, C и D. Прецизионными фрезами классов AAA и AA нарезаются зубчатые колеса шестой и седьмой степени точности по ГОСТ 1643-81. Фрезы общего назначения класса A – обеспечивают обработку колес восьмой степени точности, класса B – девятой, класса C – десятой и класса D - одиннацатой степени точности. ГОСТ 9324-80 устанавливает три типа фрез: тип 1 – цельные фрезы повышенной точности класса AAA, тип 2 – цельные фрезы общего назначения классов точности AA, A, B, C и D нормальной и увеличенной длины, тип 3 – сборной конструкции классов точности AA, A, B, C и D нормальных и уменьшенных габаритных размеров. В соответствии с техническими требованиями червячные фрезы должны изготавливаться из быстрорежущей стали (ГОСТ 19265-73) с твердостью рабочей части 63-66 HRC.
Форма профиля зубьев фрезы зависит от формы профиля зубьев нарезаемых колес – эвольвентной, циклоидальной и т. д., которая при проектировании должна задаваться профилем исходного контура зубчатой рейки.
Червячно-модульные зуборезные фрезы традиционной конструкции, изготовленные из быстрорежущей стали, как правило, используются на операциях зубофрезерования со скоростями резания до 35 м/мин и осевой подачей заготовки, не превыщающей 1.5-2.5 мм/об.
Червячные фрезы работают на специальные зубофрезерных станках моделей 5К301, 5К320, 5К32 и других, а также на тяжелых станках моделей 5342, 5345, 5364.
Типы основных червяков
Теоретические параметры зубчатого колеса, которое получается в результате обработки, полностью определяются геометрическими характеристиками зуборезного инструмента, в частности – формой производящей поверхности.
Производящей поверхностью инструмента называется поверхность, которая в процессе формообразования детали сопрягается с номинальной поверхностью детали.
Реечные инструмента (плоские плашки для накатки зубчатых деталей, зуборезные гребенки и т. д.) имеют производящую поверхность, которую принято называть инутрсментальной рейкой. Червячные инструменты (червычные фрезы, абразивные червяки, червячные шеверы и т.д.) имеют винтовую производящую поверхность. Винтовую провизводящую поверхность называют основным червяком.
Всякая винтовая поверхность образуется винтовым движением некоторой линии, называемой профилем. Основой для проектировани червяков, предназначенных для изготовления зубореных фрез, как правило, являются, линейчатые винтовые поверхности, то есть поверхности, образованные винтовым движением прямой линии. Линейчатые поверхности, применяемые при создании основных червяков зуборезных фрез, рездаляются на два основных класса: закрытые(архимедовы) винтовые поверхности и открытые (конволютные) винтовые поверхности.
Закрытой (архимедовой) винтовой поверхностью называется поверхность, образуемая винтовым движением прямой, пересекающей осью винтового движения.
Общий вид архмедовой винтовой поверхности представлен на рис. 1.7 (а). Частным случаем архимедовой винтовой поверхности, является прямой гиликоид, который образуется в том случае, когда образующая прямая пересекает ось винтового движения под прямым углом (см. Рис. 1.7, б). Архимедова винтовая поверхность не развертывается на плоскость и потому не может быть обработана плоскостью или какой-либо другой поверхностью. Она может быть обработана только линией (режущей кромкой).
Открытой (конволютной) винтовой поверхностью называется поверхность, образуемая винтовым движением прямой, не пересекающей ось винтового движения и расположенной к ней под некоторым углом β1.
При образовании конволютной поверхности (рис. 1.7, в) прямая линия в своем движении касается некотрого цилиндра, который называют направляющим. В общем случае конволютная поверхность, так же, как и архимедова, не может быть развернута на плосткость, и, следовательно, не может быть обработана плоскостью. Единственным исключением ялвяется эвольвентная винтовая поверхность, которая является частным случаем конволютной поверхности.
Эвольвентная винтовая поверхность – чатный случай открытой (конволютной) винтовой поверхности, которая образуется в случае, когда угол наклона образующего прямой β1 равен углу наклона винтовой линии направляющем цилиндре β2.
При образовании эвольвентной винтовой поверхности образующая прямая в каждый момент времени является касательной не только к направляющему цилиндру, но и к винтовой линии на направляющем цилиндре.
Основные червяки зуборезных фрез могут изготавляться с использованием любой из линейчатых винтовых поверхностей. Какие именно поверхности должны быть использованы при профилировании различных типов червячных фрех определяется требованиями, предъявляемыми к точности проектируемых фрез, а также технологическими возможностями изготовления различных типов червяков.
В табл. 1.1 приводятся данные, позволяющие оценить технологическую возможность изготовления червяков на основе различных винтовых поверхностей.
Основные виды сечений линейчатых винтовых поверхностей различных типов.
Свойства винтовых поверхностей, приведенные в табл. 1.1, определяют технологические приемы изготовления различных видов червяков. На рис. 1.8 приведены схемы, иллюстрирующие изготовление различных видов червяков с помощью инструмента, имеющего прямолинейный профиль режущей кромки.
Наиболее простым в изготовлении являются конволютные червяки, имеющие прямолинейный профиль в нормальном сечении по витку (рис. 1.8, б, сечение Б-Б) или впадине (рис. 1.8, б, сечение А-А). Архимедовы червяки, в отличии от конволюьных имеют прямолинейный профиль в осевом сечении червяка и сложный криволинейный профиль в нормальном сечении. Изготовление архимедовых червяков технологически несколько более сложно, чем изготовление конволютных червяков. Наиболее сложны в изгтовлении эвольветные червяки. Сложность изготовления и контроля является одной из причин того, что эвольвентные червяки крайне редко используются при профилировании червячных зуборезных фрез.
Процесс формирования профиля зубьев колеса при обработке червячной фрезой кинематически идентичен процессу зацепления нарезаемого колеса с основным червяком фрезы. Основной червяк инструмента может расстриваться как косозубое колеса с малым числом зубьев (число зубьев равно числа заходов червяка) и большим углом наклона зубьев. Эвольвентные зубчатые колеса, для обработки которых наболее часто используются червячные зуборезные фрезы, имеют эвольвентный профиль зуба в торцевом сечении, следствием этого является тот факт, что кинематически точное зацепление эвольвентного зубчатого колеса возможно лишь с червяком, который также имеет эвольвентный профиль зуба в торцевом сечении, то есть с эвольветным червяком (см. Рис. 1.9). Однако сложность изготовления и контроля эвольветных червяков приводит к тому, что пдавляющем большинстве случаев используется приближенные методы профилирования зуборезных фрез на основе архимедовых и конволютных червяков.
Эвольвентные червяки используются лишь в тех случаях, когда требование к отсутствия ограническиз погрешностей зацепления “фреза-заготовка” является критичным, то есть когда повышенные требования предъявляются к точности обрабатываемого зубчатого колеса. На основе эвольвентных червяков спроектированы и изготаливаются червячные фрезы модулей 1-10 мм класса точности ААА. Кроме того, согласно ГОСТ 9324-80, на основе эвольвентных червяков могут быть изготовлены червячные фрезы модулей 1-20 мм класса точности АА.
Червячные фрезы, спроектированные на базе архимедова червяка, имеют наиболшее приближение к эвольвентному профилю и характеризуются прямолинейным профилем зубьев в осевом сечении. Типичными представителями фрез, спроектированных на основе архимедова червяка, являются фрезы, имеющие осевы стружечные канавки. При профилировании фрез на основе архиметода червяка углы профиля зубьев фрезы в осевом сечении принимаются отличными от угла профиля исходного производящего контура согласно ГОСТ 13755-81. Кроме того, при определнии углов профиля для правой и левой стороны зубьев вводится поправка, обусловленная затылованием боковых задних поверхностей инструмента. В общем случае углы профиля зубьев фрезы в осевом сечении для правой и левой стороны зубьев не равны между собой и, кроме того, отличаются от угла профиля производящего контура. Как правило, на основе архимедовых червяков проектиются прецизионные и чистовые фрезы для обработки эвольвентных зубчатых колес.
Наибольшее распространение получили фрезы, спрофилированные на основе конволютного червяка. Конволютные фрезы имеют прямолинейный профиль в нормальном сечении по витку или по впадине. Угол профиля зуба фрезы в данном случае принимается равным углу профиля исходного производящего контура, хотя возможно и профилирование конволютных червячных фрез с углом профиля, отличным от угла профиля исходного контура. На основе конволютного червяка, как правило, проектируются черновые фрезы (то есть фрезы для обработки колес под шевингование, шлифование, чистовое фрезерование), а так же чистовые фрезы классов точности А, В, С и Д для обработки зубчатых колес не выше восьмой степени точности. Как правило, чистовые червячные фрезы имеют передний угол, равный нулю, что способствует повышению точности обрабатываемых колес. Фрезы с нулевым передним углом и винтовыми стружечными канавками имеют винтовую переднюю поверхность, которая представляет собой прямой геликоид (см. Рис. 1.7, б).
Типовые конструкции и методы повышения производительности и стойкости червячных зуборезных фрез
Современный уровень производства зубчатых колес базируется на научных достижениях, полученных исследовательскими организациями и ведущими машиностроительными предприятиями в нашей стране и за рубежом. Исследованию метода зубонарезания червячными фрезами посвящено множество работ, в которых предложены различные способы повышения стойкости инструмента и производительности обработки. На основании результатов этих исследований можно выделить следующие пути повышения качества и производительности зуборезного инструмента:
Оптимизация геометрических параметров инструмента;
Создание новых конструкций высокопроизводительных червячных фрез;
Применение в конструкциях инструмента улучшенных быстрорежущих сталей и твердых сплавов;
Изыскание более совершенных технологических приемов обработки зубчатых колес.
В отличие от большинства металлорежущих инструментов, стандартные червячные фрезы имеют очень неблагоприятную геометрию режущих кромок. Как правило, передний угол равен 0° для всех обрабатываемых материалов и при всех видах и условиях обработки. Задний угол на вершине обычно принимается равным 10-12°, что обеспечивает получение минимально необходимых задних углов на боковых сторонах профиля зуба порядка 3-4°. Такая геометрия не обеспечивает высокой стойкости. Схема, иллюстрирующая изменение задних углов и углов профиля по высоте зуба фрезы, приведена на рис. 1.10.
Червячные фрезы с передним углом Yo>0 и винтовыми стружечными канавками, независимо от типа основного червяка, имеют криволинейные режущие кромки, что значительно усложняет технологию их изготовления и контроля. Кроме того, в процессе эксплуатации неизбежные погрешности, имеющие место при переточке фрез, приводят к существенному искажению профиля зубьев нарезаемых зубчатых колес.
При прочих равных условиях величина искажения увеличивается с увеличением переднего угла. Поэтому в настоящее время червячные фрезы с положительными передними углами рассчитываются приближенными методами профилирования и применяются исключительно для черновой и получистовой обработки зубьев колес под шевингование или окончательную обработку чистовыми червячными фрезами. Кроме того, у фрез с положительными передними углами снижается прочность зубьев и количество переточек.
Увеличение задних боковых углов приводит к увеличению стойкости фрез, но увеличение заднего угла на боковых режущих кромках возможно только за счет увеличения заднего угла на вершинном лезвии (см. рис. 1.10). В результате этого резко уменьшается прочность наиболее нагруженных периферийных (вершинных) кромок, что приводит к их выкрашиванию и поломке зубьев фрезы. Увеличение заднего бокового угла ограничено также требованием сохранения первоначальной точности червячных фрез в течение всего времени ее эксплуатации. Попытки обеспечить оптимальный задний угол на боковых сторонах профиля зуба за счет осевого затьшования приводят к значительному усложнению конструкции и технологии изготовления фрезы, а также к увеличению расходов на переналадку, необходимую после каждой переточки. Кроме того, точность инструмента в ходе переналадок неизбежно снижается.
Решение проблемы рациональной геометрии может быть найдено на основе применения червячных фрез с острозаточенными зубьями, стойкость которых в 5-6 раз выше стойкости стандартных червячных фрез. Но такие фрезы имеют невысокую точность, сложны в изготовлении и эксплуатации. Переточка их зубьев производится по всему профилю, для чего необходимы специальная оснастка и оборудование. Высокая стоимость изготовления и заточки привела к ограниченному применению таких фрез на практике.
Значительное повышение стойкости зуборезных фрез может быть также результатом увеличения используемой длины инструмента, что на современных зубофрезерных станках возможно за счет шагового (обычно автоматического) или непрерывного (при диагональном зубофрезеровании) перемещения фрезы на заданную величину. В результате этого выравнивается износ зубьев фрезы и увеличивается время ее работы между переточками. Зубонарезание методом двух подач повышает в 2-3 раза стойкость при использовании червячных фрез, удлиненных в 1,5-2 раза по сравнению со стандартными. Вследствие этого в последнее время наблюдается тенденция расширения области внедрения удлиненных червячных фрез.
Результаты прикладных исследований и опыт работы промышленности показывают, что использование высоколегированной быстрорежущей стали наиболее эффективно в конструкциях сборных червячных фрез. При изготовлении сборных червячных фрез легче обеспечить высокое качество режущих зубьев (лучшие условия для термообработки, низкий балл карбидной неоднородности). В странах Западной Европы и США сборные червячные фрезы составляют более 80% общего количества червячных фрез. Номенклатура сборных червячных фрез средних и крупных модулей, отличающихся друг от друга методом крепления и базирования зубчатых реек, очень велика. При этом стремятся разрабатывать такие конструкции, которые бы обеспечивали высокую точность и производительность зубонарезания, повышали срок службы инструмента и уменьшали расход дорогостоящей быстрорежущей стали. Сборные червячные фрезы наиболее эффективны при нарезании крупномодульных зубчатых колес m=8-20 мм и более.
На рис. 1.11 представлена конструкция сборной червячной фрезы согласно ГОСТ 9324-80.
Для нарезания зубчатых изделий различного профиля (зубчатых колес с обычным и модифицированным профилем, профилем под шевингование; шлицевых валов; звездочек и т.д.) широко применяются сборные фрезы с поворотными рейками. Основными изготовителями червячных фрез с поворотными рейками в диапазоне модулей 1-14 мм являются фирмы Klingelnberg, Fette, Saazor (Германия), Samputensile (Италия), Deltal (Франция). В США широкого распространения эти фрезы не получили. В нашей стране фрезами с поворотными рейками работают автомобилестроительные заводы - АвтоВАЗ, КамАЗ и другие предприятия. Опыт эксплуатации фрез этой конструкции показывает, что, по сравнению с затылованными фрезами, число допустимых переточек сборных фрез увеличивается в 2-2,5 раза, а производительность обработки - на 20-25%.
Для нарезания зубчатых колес модулей 4-30 мм за рубежом все шире применяются составные многосекционные червячных фрезы с разнонаправленными зубьями, имеющие оптимальную геометрию, повышенную стойкость и производительность. Эти фрезы состоят из отдельных частей в виде шайб, смещенных одна относительно другой так, что зубья, принадлежащие по заточке к одной стружечной канавке, вступают в работу не одновременно, а с некоторым запаздыванием. В результате снижаются силы резания, достигается большая равномерность загрузки инструмента. Разнонаправленные винтовые канавки образуют разнонаправленные зубья, у которых режущие кромки с положительными передними углами имеются только с одной стороны и участвуют в резании через зуб. В этом случае объем стружки, снимаемый каждым зубом, увеличивается, чем достигается более благоприятная схема резания, снижающая интенсивность износа и замедляющая затупление зубьев. Составные многосекционные червячные фрезы изготавливаются из трех или четырех частей без заборного конуса или с заборным конусом.
Сборные червячные фрезы всех конструкций Оолее трудоемки в изготовлении, чем цельные, стоимость их высока. Поэтому вопросы технической и экономической целесообразности их применения необходимо увязывать с конкретным условием технологической операции зубонарезания.
Значительные возможности увеличения производительности предоставляет применение многозаходмых червячных зуборезных фрез, особенно фрез увеличенной рабочей длины и фрез увеличенного диаметра. Эффективность использования многозаходных червячных фрез определяется многократным снижением машинного времени обработки по сравнению с однозаходными червячными фрезами. Но это преимущество многозаходных фрез может быть реализовано только при нарезании зубчатых колес с большим числом зубьев на зуборезных станках, имеющих высокую допустимую скорость вращения стола.
Одной из важнейших особенностей многозаходных фрез является уменьшение, пропорционально числу заходов фрезы, числа резов, формирующих профиль зуба колеса. При прочих равных условиях (одинаковом диаметре и числе зубьев однозаходной фрезы) это влечет за собой увеличение сечения срезов, высоты микронеровностей обрабатываемой поверхности и погрешности профиля зубьев. Другой важной особенностью многозаходных фрез, оказывающей влияние на качество нарезаемых колес, является изменение характера и увеличение степени переноса погрешностей червячных фрез на нарезаемое колесо. Поэтому при выборе числа заходов необходимо правильно определить минимальное число зубьев колеса, приходящееся на один заход. В ряде исследований принимается zmin=7. При выборе числа зубьев (стружечных канавок) многозаходных фрез желательно увеличить это число по сравнению с числом зубьев однозаходной фрезы до 15 или 17. Кроме того, число зубьеп фрезы не должно быть кратным числу заходов фрезы и числу зубьев нарезаемого колеса.
В конце 70-х годов специалистами фирмы Klingelnberg (Германия) создана оригинальная конструкция обдирочно-чистовой многозаходной фрезы для нарезания колес модулей 6-20 мм. Эти фрезы изготавливаются с одним или несколькими эатыловаиными черновыми заходами и имеют, как минимум, один чистовой заход с окончательным профилем зуОа. Зубья отдельных черновых заходов выполняются различной толщины и высоты головки зубьев, могут снабжаться стружкоразделительными канавками по высоте зуба с оптимальной геометрией режущей части. Такое конструктивное решение обеспечивает значительное снижение сил резания, благоприятное разделение потоков стружки и спокойную работу станки. Утоненные зубья черновых заходов фрезы обрабатывают зубья колеса начерно, окончательное же их профилирование осуществляют зубья чистовых заходов фрезы. Для этих Фрез требование некратности числа заходов фрезы числу зубьев обрабатываемого колеса является обязательным. В целом все конструкции многозаходных зуборезных фрез с точки зрения производительности следует признать рентабельными и перспективными, но вышеотмеченные ограничения сдержиьают их широкое применение в Машиностроении.
Стойкость червячных фрез в значительной степени зависит от направления подачи. Ряд исследователей отмечают, что попутное фрезерование значительно снижает износ задних граней зубьев фрезы. При одинаковой стойкости инструмента скорость резания в этом случае можно увеличить на 25% по сравнению со встречным фрезерованием. Кроме того при попутном фрезеровании повышается точность колес и улучшается чистота поверхности. Более благоприятные условия фрезерования с попутной подачей объясняются иным характером распределения нагрузок на зубья фрезы. При попутном фрезеровании режущие кромки зубьев срезает более тонкие, но длинные слои, чем при встречном. Меньшие толщины и площади срезаемых слоев приводят к менее интенсивному износу, снижению силы резания и уменьшению наростообразования.
Производительность при зубофрезеровании можно значительно повысить, применив радиальное врезание вместо осевого. Путь фрезы в этом случае короче, загрузка зубьев более полная. Поэтому при равной производительности износ фрез, работающих с радиальным врезанием в 1,5-2 раза меньше, чем с осевым. Наибольшая эффективность применения радиального метода врезания достигается при обраоботке колес с малой длиной зуба (шириной зубчатого венца), где в ряде случаев вертикальная подача может и не потребоваться. Однако радиальный метод врезания применим на станках, имеющих механизм переключения радиальной подачи на вертикальную при точно фиксированном межосевом расстоянии. Этот факт препятствует широкому распространению технологических операций зубофрезерования с радиальной подачей.
Значительный резерв повышения производительности процесса зубофрезерования связан с использованием немонотонного (волнообразного) характера зависимости стойкости фрезы от скорости резания, которая при зубофрезеровании зубчатых колес из хромоникелевых сталей имеет несколько минимумов. Установлено, что зубофрезерование целесообразно выполнять при скорости резания 80-84 м/мин, соответствующей второму максимуму суммарного периодна стойкости (рис. 1.12).
Производительность процесса при этом возрастает в 2-2,5 раза, повышается точность нарезаемых зубчатых колес. Однако для широкого практического применения описанного способа повышения стойкости в конкретных условиях, необходимы предварительные стойкостные испытания, так как многоэкстремальный характер зависимости T=f(V) наблюдается не всегда.
Следует особо отметить появившуюся недавно новую конструкцию червячной фрезы, называемую по аналогии с методом обработки скайвинг-фрезой (рис. 1.13). Конструктивной особенностью скайвинг-фрез является выполнение передней поверхности зубьев под значительным отрицательным передним углом (от -15° до -60°) . Подобное выполнение передней поверхности способствует достижению значительных углов наклона режущих кромок, что оказываем заметное влияние на процесс резания (форму стружки, направление ее схода, величину и направление действия сил резания). Наибольшее распространение скайвинг-фрезы получили при чистовой обработке закаленных заготовок зубчатых колес модулей более 4 мм (4 5-64 НИСэ). В этом случае они оснащаются твердосплавными пластинами, которые соединяются с рабочим корпусом методом пайки. Скайвинг-фрезы могут оснащаться пластинами из быстрорежущей стали. В этом случае возможно применение скайвинг-фрез как при чистовой, так и при черновой обработке незакаленных зубчатых колес.
Все перечисленные методы повышения производительности зубофрезерования не изменяют схемы резания. Между тем схема резания стандартных червячных фрез несовершенна. Одним из ее недостатков является неравномерная загрузка зубьев вдоль витка. Зуб, наиболее удаленный от межосевого перпендикуляра «фреза-заготовка», срезает стружку наибольшей толщины. По мере приближения к межосевому перпендикуляру, зубья срезают более тонкие слои. С увеличением подачи в резание вступают более удаленные зубья, которые срезают самые толстые стружки. Считается, что величина подачи лимитируется прочностью крайнего, наиболее нагруженного зуба и что если все зубья загрузить равномерно, то есть часть нагрузки с крайних зубьев переложить на зубья, расположенные ближе к центральному зубу, то фреза способна работать с подачами, во много раз превышающими обычно принятые. Слои наибольшей толщины и сечения обычно срезают вершинные кромки, поэтому перераспределение нагрузки делают на вершинах зубьев за счет изменения их высоты. Различные авторы предлагают конструкции фрез, разработанных на основе различных критериев качества инструмента: из условия равной толщины зубьев, условия равного объема срезаемых слоев и т.д. Наружные поверхности таких фрез ограничиваются кривыми второго порядка - параболой, эллипсом.
К числу фрез данного типа относятся:
Одновитковые улиточные фрезы, которые могут применяться только при большом числе зубьев нарезаемого колеса, когда профиль зуба стремится к прямой;
Конические червячные фрезы для чернового нарезания цилиндрических зубчатых колес;
Червячные фрезы с конусом на выходе конструкции Г. И. Когана и другие.
Проведенные исследования показали, что фрезы с перераспределяемой нагрузкой работают с подачами до 20 мм/об, в результате чего сокращается машинное время обработки в б раз и расход мощности в 1,5-2 раза по сравнению с работой стандартных фрез. На рис. 1.14 приведена конструкция червячной зуборезной фрезы с криволинейной образующей, методы расчета которой излагаются в работе.
Наряду с заметными преимуществами (высокой производительностью и повышенной стойкостью), фрезы с перераспределяемой нагрузкой обладают следующими серьезными недостатками:
Профиль фрез зависит не только от модуля, но и от числа зубьев нарезаемого колеса и подачи, что существенно усложняет проектирование фрез и приводит к увеличению их номенклатуры.
Образующая начального цилиндра является криволинейной, что усложняет технологию изготовления фрез. Для затылования зубьев каждой Фрезы необходимо иметь свой копир, конструктивные параметры которого зависят от осевой подачи, модуля и числа зубьев нарезаемого колеса.
При работе на больших подачах фрезы с перераспределяемой нагрузкой остекляют на обработанной поверхности значительные гребешки и волнистость, а главное, не обеспечивают эвольвентного «профиля зуба по всей его высоте. Поэтому их нельзя использовать при зубофрезеровании колес под шевингование или шлифование. Их можно применять только для черновой обработки колес с последующим получистовым зубофрезерованием.
Фрезы с перераспределяемой нагрузкой не допускают осевых передвижек, что снижает их эффективность и усложняет эксплуатацию.
Общим недостатком как стандартных червячных фрез, так и червячных фрез с перераспределяемой нагрузкой, является одновременное участие а резании трех ревущих кромок зубьев Фрезы. В результате этого создаются условия, вызывающие появление интенсивного локального износа по уголкам зубьев, лимитирующего стойкость инструмента (рис. 1.15).
Из-за указанных недостатков фрезы с перераспределяемой нагрузкой не применяются для обработки колес средних модулей, а лишь для чернового зубонареэания крупномодульных колес с большим числом зубьев. При черновом эубофрезеровании колес крупных (б-30 мм) модулей фирма Fette (Германия) широко применяет высокопроизводительные червячные фрезы с 20-ю и 1б-ю зубьев червячной фрезы стружечными канавками. Основной особенностью таких фрез является разделение всех зубьев на группы, в каждой из которых имеется, в свою очередь, по четыре или два зуба (для z0=lб) с различной высотой профиля: один зуб имеет полную высоту, второй - промежуточную, а два остальных неполную (минимальную). Режущие кромки всех зубьев расположены на одной винтовой поверхности. Все зубья производят удаление металла из впадин обрабатываемого колеса, однако на долю зубьев, работающих вершинами, приходится около 56% удаляемого металла, на зубья промежуточной высоты - 19%, а на зубья неполной высоты 25%. Наличие зубьев с уменьшенной высотой позволило при сравнительно небольших диаметрах фрез довести общее число зубьев, работающих вершинами, до 20. Это
приводит к увеличению числа одновременно находящихся в работе зубьев, способствует более спокойной работе станка и инструмента при форсированных режимах резания. Для улучшения разделения стружки в процессе зубофрезероаания на вершинах зубьев по уголкам через зуб выполняются фаски. Все зубья фрезы имеют положительный передний угол, а их заточка производится на обычных заточных станках поочередно в зависимости от глубины стружечной канавки. Специальные червячные фрезы аналогичной конструкции, которые изготавливаются фирмой Barber-Colman (США), рекомендуются для черновой и получистовой обработки под шевингование или шлифование, но могут применяться и для чистовой обработки колес с невысокой степенью точности.
Анализ работ по созданию новых конструкций высокопроизводительных червячных фрез позволяет выделить наиболее перспективное направление, связанное с совершенствованием схем резания за счет перераспределения нагрузки между соседними по витку зубьями червячных фрез и созданием условий, облегчающих стружкообразование при одновременной работе трех сопряженных режущих кромок. В основу работ и исследований этого направления положена теория С. И. Медведицкова, объясняющая причины возникновения износа по уголкам зубьев зуборезных инструментов, работающих методом центроидного огибания (см. рис. 1.15). На основе указанной теории, созданы новые конструкции фрез - фрезы с вершинонагруженной и прогрессивной схемами резания, а также Фрезы с попеременно нагруженными боковыми сторонами зубьев, применение измененных схем резания позволяет значительно снизить интенсивность износ зубьев инструмента, что приводит к увеличению стойкости и производительности червячных и дисковых зуборезных фрез.
страница 1страница 2
скачать
Другие похожие работы: