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

Схемы резания при зубофрезеровании

Вопросы повышения стойкости червячных зуборезных фрез и производительности операций зубофрезерования непосредственно связаны с вопросами совершенствования конструкций зуборезного инструмента. Одним из путей в этом, направлении является оптимизация процесса резания на основе изучения механизма загрузки и износа червячных фрез.

Обработка зубчатых колес червячными зуборезными фрезами, имеющими профиль зубьев в нормальном или осевом сечении, соответствующей стандартному исходному производящему контуру ГОСТ 13755-81 [5], как правило, весьма неэффективна. Причиной этого является тот факт, что при обработке фрезами такого типа в процессе формирования срезаемого слоя могут одновременно участвовать одна, две или три режущие кромки зуба фрезы. Схема образования впадины зуба колеса при обработке методом центроидного огибания приведена на рис. 2.1, (а). Анализ схемы, представленной на рис. 2.1, позволяет сделать вывод о том, что впадина зуба обрабатываемого колеса геометрически представляет собой результат пересечения круга диаметра d_al и объединения I последовательных положений профиля инструментальной рейки (производящего контура), формирующих впадину зуба колеса. Тогда можно записать:



C другой стороны, образование впадины зуба колоса происходит в результате последовательного удаления и превращения в стружку слоев материала заготовки (срезаемых слоев):



На основе введенных соотношений, для случая обработки зубчатых колес червячными зуборезными фрезами, срезаемый слой на i-м шаге образования впадины может быть определен как результат пересечения круга диаметром d_a, и геометрической фигуры, которая образована текущим и предшествующими положениями профиля инструментальной рейки:



Схемы, приведенные на рис. 2.1, б-д позволяют сделать вывод о том, что в случае, когда профиль всех зубьев фрезы имеет одинаковую форму, срезаемый слой в любой момент обработки формируется двумя последовательными положениями профилей зубьев фрезы:



Способ и последовательность формирования впадины зуба колеса обычно определятся с помощью понятия «схема резания».

Под схемой резания червячной зуборезной фрезы - понимается конструктивное решение и алгоритмы назначения геометрических параметров профиля зубьев фрезы в нормальном или осевом сечении с целью обеспечения заданного порядка формирования впадины зуба нарезаемого колеса и заданной формы срезаемых слоев.

Формула (2.4) является условием обработки с использованием стандартной схемы резания. Как правило, при таком виде обработки наибольший объем материала заготовки удаляется вершинными режущими кромками червячной зуборезной фрезы, несколько меньший - боковыми режущими кромками входной стороны профиля, а самый малый объем - боковыми режущими кромками выходной стороны профиля. Толщины срезаемых слоев также различны для разных зубьев фрезы, участвующих в резании. Первые по витку зубья являются самыми загруженными, поскольку срезают слой наибольшей толщины. Режущие кромки профилирующих зубьев срезают тонкие слои. Ориентировочно можно считать, что вершинными режущими кромками зубьев червячной зуборезной фрезы удаляется около 42% материала впадины, входными кромками - около 37%, выходными кромками - около 21%.



При использовании стандартной схемы резания и одновременной работе двух, или трех режущих кромок (входной, вершинной и выходной), срезаемый слой может иметь как простую (рис. 2.1, г), так и сложную (рис. 2.1, б, в) форму. Образование стружек сложной (Г-образной и П-образной) формы в процессе обработки крайне нежелательно, так как стружка такой формы имеет высокую жесткость и изгибную прочность, что заметно увеличивает нагрузку на зубья инструмента. Несвободное резание, неравномерная загрузка зубьев и различные толщины слоен, срезаемых боковыми и периферийными режущими кромкам инструмента, являются основными причинами, порождающими интенсивный износ боковых задних поверхностей зубьев червячной зуборезной фрезы, преимущественно на выходных сторонах профиля. Схема, приведенная на рис 2.2, иллюстрирует морфологическое строение П-образной стружки, полученной в процессе червячного зубофрезерования.



Одним из путей увеличения стойкости фрезы является изменение условий скола стружки от смежных режущих кромок зубьев инструмента. Изменение условий резания заключается в разделении П-образных и Г-образных срезаемых слоен на слои более простой формы, что позволяет приблизить обработку зубофрезерованием к случаю свободного резания за счет использования рациональных схем резания.

В настоящее время в мировой практике применения червячных зуборезных фрез известно более двадцати рациональных схем резания, созданных на базе трех основных схем, разработанных исследователями ВолгГТУ. К числу основных схем резания относятся вершинонагруженная и прогрессивная схемы резания, предложенные основателем Волгоградской школы зубофрезерования профессором С.Н.Медведицковым.

Сущность вершинонагруженной схемы резания (рисч 2.3, в) заключается в том, что зубья фрезы вдоль витка через один занижены по высоте на величину е₁ в связи с чем они режут только боковыми режущими кромками. Зубья полного профиля (как у стандартной червячной зуборезной фрезы) режут всеми режущими кромками, причем вершинные режущие кромки срезают слои удвоенной толщины [3]. В этом случае направление схода стружки близко к направлению нормали к вершинной режущей кромке зуба, что характерно для условий свободного резания. Характер износа зубьев червячной зуборезной фрезы с вершинонагруженной схемой резания не отличается от характера износа зубьев стандартной червячной зуборезной фрезы, то есть более интенсивно износ протекает по задним поверхностям у боковых режущих кромок выходной стороны профиля зубьев, однако интенсивность износа значительно меньше. Следствием этого является тот факт, что стойкость червячной зуборезной фрезы с вершинонагруженной схемой резания в 1,5-2 раза выше стойкости аналогичной червячной зуборезной фрезы стандартного исполнения (рис, 2.3, б). Производство червячных зуборезных фрез с вершинонагруженной схемой резания не вызывает затруднений - они могут быть изготовлены из стандартных фрез путем перешлифовки их вершин через зуб на затыловочных станках.



Сущность прогрессивной схемы резания (рис. 2.3, г) заключается в том, что зубья фрезы по витку через один занижены по высоте на величину е₁, а зубья с полной высотой профиля заужены по толщине с каждой стороны на величину е₂ [2]. Зубья с полной высотой профиля срезают стружку только вершинными режущими кромками, в то время как зубьев с полной шириной профиля срезают стружку только боковыми режущими кромками. Такая схема резания обеспечивает наименьшую величину деформации срезаемых слоев смежными режущими кромками зубьев червячной зуборезной фрезы и позволяет избежать, образования Г-образных и П-образных срезаемых слоев.

Многочисленные сравнительные исследования стойкости быстрорежущих червячно-модульных фрез с новыми схемами резания показали, что характер износа зубьев фрез с прогрессивной схемой резания отличается от характера износа стандартных фрез. Задние поверхности зубьев у вершинных режущих кромок изнашиваются равномерно, ширина полоски износа вдоль режущей кромки одинакова по величине. Поверхности износа у боковых режущих кромок становятся шире к вершинной режущей кромке. При оптимальных значениях величин е, и ег износ зубьев обоих типов протекает с одинаковой интенсивностью. Более медленный износ зубьев червячной зуборезной фрезы с прогрессивной схемой резания по сравнению со стандартными червячными зуборезными фрезами является следствием меньшей деформации срезаемых слоев, несмотря на удвоенную их толщину. Стойкость червячной зуборезной фрезы с прогрессивной схемой резания в 2-5 раз выше стойкости червячной зуборезной фрезы стандартной конструкции.

Червячные зуборезные фрезы с прогрессивной схемой резания могут быть изготовлены путем перешлифовки стандартных фрез. Для этого зубья стандартной фрезы через один занижают по высоте ка величину е₁, а зубья с полной высотой профиля заужают с каждой боковой стороны на величину е2. Эти операции просто и технологично осуществляются на затыловочных станках с использованием специальных двухпрофильных затыловочных кулачков.

Схема резания с попеременно-нагруженными боковыми режущими кромками зубьев (рис. 2.3, д) позволяет уменьшить деформацию слоев, срезаемых боковыми режущими кромками зубьев червячной зуборезной фрезы за счет перераспределения нагрузки между двумя соседними по витку зубьями так, чтобы одни зубья работали только вершинными и правыми боковыми режущими кромками, а другие - только вершинными и левыми боковыми кромками. При такой схеме резания каждый зуб червячной зуборезной фрезы работает только двумя смежными режущими кромками, причем боковые режущие кромки срезают слои удвоенной толщины. Для реализации такой схемы резания зубья червячной зуборезной фрезы через один по витку должны быть заужены на величину е₂ поочередно с правой и левой сторон профиля. Таким образом, схема резания с попеременно-нагруженными боковыми режущими кромками позволяет избежать образования П-образных срезаемых слоев за счет увеличения доли Г-образных слоев в общем числе резцов.

К настоящему времени проведено большое число исследований по выявлению эффективности применения быстрорежущих червячных зуборезных фрез с новыми схемами резания. Анализ сравнительных стойкостных исследований показывает, что наиболее эффективны фрезы с прогрессивкой схемой резания. Многочисленные лабораторные исследования, а также опыт работы фрез модулей 0,5-6 мм на ряде предприятий страны показали, что прогрессивные фрезы имеют следующие преимущества перед стандартными:

1. 
   Стойкость прогрессивных фрез в среднем в 2-4 раза выше стойкости стандартных фрез, а при одинаковом периоде стойкости прогрессивные фрезы работают со скоростью резания в 1,3-1,7 раза выше скорости резания стандартных фрез;
   
2. 
   Силы резания при работе прогрессивными фрезами в 1,2-1,6 раза меньше, чем при работе стандартными фрезами при аналогичных режимах резания;
   
3. 
   При одинаковой нагрузке на станок фрезы с прогрессивкой схемой резания работают с подачами в 1,5-2 раза большими, чем стандартные фрезы;
   
4. 
   Процесс резания прогрессивными Фрезами, по сравнению с обработкой стандартными фрезами, протекает более равномерно;
   
5. 
   Точность зубчатых колес, полученных обработкой фрезами с прогрессивной схемой резания, по всем показателям выше точности колес, нарезанных стандартными фрезами;
   
6. 
   Использование прогрессивной схемы резания практически не изменяет показателей шероховатости боковых поверхностей зубчатых колес;
   
7. 
   Трудоемкость и стоимость изготовления червячных фрез с прогрессивной схемой резания не превышает трудоемкости и стоимости изготовления стандартных фрез.
   

Эффективность применения фрез с прогрессивной схемой резания при черновом зубофрезеровании растет с увеличением модуля, числа зубьев и подачи. Недостатком прогрессивных фрез является то, что в профилировании зубьев колеса участвует в два раза меньше режущих кромок, чем при обработке стандартной фрезой, что увеличивает огранку боковых поверхностей зубьев. Поэтому червячные зуборезные фрезы с прогрессивной схемой резания наиболее успешно применяются для зубофрезерования колес с последующим шевингованием, шлифованием или чистовым зубофрезерованием.

Среди известных в настоящее время схем резания, не относящихся к рассмотренным типам, наибольший интерес представляют схемы, приведенные на рис. 2.4.



Большая часть схем резания, представленных на рис. 2.4, разработана учеными и производственниками России, Германии и Японии.

Согласно схеме, представленной на рис. 2.4, а, б зубья червячной зуборезной фрезы через один по витку занижаются по высоте на величину е₁ а зубья с полной высотой профиля заужаются на величину е_2max с выходной или на величину е_2ax с входной стороны профиля зубьев инструмента. Возможна схема резания, при использовании которой зубья червячной зуборезной фрезы сгруппированы по витку по четыре зуба: первый зуб в каждой группе заужен с одной боковой стороны на величину е₂, второй зуб занижен на величину е₁, третий зуб заужен на величину е₂ с противоположной стороны профиля, а четвертый занижен по высоте на величину e₁.

Увеличение стойкости червячной зуборезной фрезы путем обеспечения условий свободного резания для каждой из режущих кромок зубьев можно достичь использованием инструментов, работающих по разгруженной схеме резания, разработанной в двух вариантах (рис. 2.4, в, г). Червячные зуборезные фрезы, работающие по первой схеме резания (рис. 2.4, в) имеют зубья полного профиля, которые по витку чередуются через один с заниженными модифицированными зубьями. Модифицированные зубья занижены на величину e₁ и имеют "усики" у головки, выступающие с каждой стороны за границу исходного профиля на величину e₂. Червячные зуборезные фрезы, разработанные на основе второй схемы резания (рис. 2.4, г), имеют заниженные зубья, которые по витку чередуются через один с модифицированными зубьями полной высоты. Занижение зубьев производится на величину e₁, а модификация зубьев с полной высотой состоит в образовании фасок у головки зубьев инструмента. Фаски зубьев с полной высотой открывают уголки заниженных зубьев на величину e₂. Стойкость червячной зуборезной фрезы с разгруженной схемой резания такая же, как у червячной зуборезной фрезы с прогрессивной схемой резания, но число профилирующих зубьев у первых в два раза больше. Это свойство разгруженной схемы резания особенно важно в случаях применения многозаходных фрез и нарезания зубчатого колеса с малым числом зубьев.

Повысить стойкость червячной зуборезной фрезы можно, используя предложенную в Германии (1981 г.) коррекцию зуба инструмента (рис. 2.4, д), изменяющую схему резания и исключающую возможность образования срезов П-образной формы. Для этого в зоне перехода от аршинной кромки зуба, фрезы к боковой режущей кромке выполняется корректирующая фаска под углом к оси зуба, причем на следующем по витку зубе червячной зуборезной фрезы аналогичная фаска снимается с противоположной стороны профиля. Часть материала, оставляемая во впадине зубом из-за наличия корректирующей фаски, срезает i следующим по витку зубом. Величина угла корректирующей фаски находится в пределах 40-50°. При больших значениях угла не происходит разделения стружки, а при меньших - возрастает толщина срезаемого слоя, а следовательно, и нагрузка на зуб. Оптимальным является угол величиной 45°. В результате применения этого метода деления сложной стружки на простые удается заметно снизить износ инструмента и повысить его стойкость.

Несколько схем резания червячными фрезами предложено японскими исследователями (1975 г.). Эти схемы резания (рис. 2.4, е, ж, з) во многом повторяют ранее полученные отечественные результаты. Их основное отличие сводится к тому, что они применены на червячной зуборезной фрезе с закругленными по радиусам вершинами зубьев.

Представляют интерес схемы резания со стружкоразделительными головками (Япония, 1977 г.), приведенные на рис. 2.4, и, к, л. Для осуществления схемы резания (рис. 2.4, и) на задних поверхностях зубьев червячной зуборезной фрезы у вершинных режущих кромок через один по витку по оси симметрии зуба прорезают стружкоразделительные канавки. По уголкам зубьев, без стружкоразделительных канавок выполняются фаски. Такая схема резания приводит к созданию условий свободного схода стружек от каждой из участвующих в резании кромок зубьев. На схеме (рис. 2.4, к) стружкоразделительные канавки с криволинейной образующей у следующих друг за другом по витку зубьев смещены к перекрывают одна другую. В этом случае взаимодействие потоков стружки, срезаемых вершиной и боковыми режущими кромками, исключается, так как стружка разделяется канавками на три части. Дальнейшим развитием конструкции червячной зуборезной фрезы со стружкоразделительными канавками является червячная зуборезная фреза с волнистым профилем зубьев (рис. 2.4, л). Волнистые режущие кромки, следующих по витку зубьев фрезы имеют сдвиг фаз, равный 90°, и касаются изнутри поверхности исходного червяка фрезы. Инструменты такой конструкции находят применение при предварительном нарезании зубчатых колес крупных модулей. В процессе резания стружка разделяется на узкие потоки, а каждый выступ волнистой режущей кромки снимает узкую стружку, что исключает взаимодействие между ними при сходе по передней поверхности. Аналогичные разработки выполнены и в нашей стране.

Рассмотренные модификации профиля зубьев червячной зуборезной фрезы с целью повышения их стойкости путем целенаправленного изменения схемы резания реализуются при соответствующей перешлифовке задней поверхности зубьев на заголовочном станке, что не всегда удобно и выполнимо.

Частным случаем фрез со стружкоразделительными канавками являются червячные зуборезные фрезы, разработанные немецкими исследователями (Германия, 1975 г.). Для повышения стойкости червячной зуборезной фрезы на задних поверхностях ее зубьев у вершинных режущих кромок предложено выполнять полукруглые стружкоразделительные канавки, расположенные на чередующихся зубьях в шахматном порядке. При прочих равных условиях червячные зуборезные фрезы такой конструкции имеют большую стойкость, особенно на больших скоростях резания. Стружкоразделительные канавки обеспечивают надежное и эффективное деление стружки. Такая коррекция профиля зубьев червячной зуборезной фрезы не является оптимальной для всех случаев обработки, так как острые уголки у стружкоразделительных канавок при нарезании зубчатого колеса из очень прочных материалов могут стать местом интенсивного износа. Однако в определенных условиях эксплуатации она оказывается весьма эффективной. Конструкция зуба фрезы со стружкоразделительными канавками иллюстрируется схемой, приведенной на рис. 2.5.



Эффективное деление стружки и изменение схемы резания может быть достигнуто не только изменением конструкции инструмента, но и соответствующей обработкой заготовки зубчатого колоса.

Так, исследователями из Германии (1981 г.) для увеличения стойкости инструмента путем взаимного влияния потоков стружки, предложено выполнять ленточной пилой с твердосплавными зубьями на заготовке нарезаемого зубчатого колеса специальные канавки. Канавки имеют ширину около 1 мм и глубину, равную высоте зубьев колеса. Число прорезаемых канавок равно числу зубьев обрабатываемого колеса. При обработке косозубого колеса канавки расположены под углом к оси заготовки, равном углу наклона зубьев. При последующем зубофрезеровании заготовка ориентируется относительно инструмента так, чтобы прорезанная канавка оказалась посередине впадины между зубьями колеса. В этом случае происходит эффективное деление срезаемой стружки, что обеспечивает повышение стойкости инструмента в 2-3 раза. Однако такой способ обработки зубчатого колеса сопряжен с дополнительными затратами, в связи с чем в серийном производстве не применяется. Его целесообразно использовать лишь в единичном производстве, особенно при обработке зубчатых колес большого модуля с большим числом зубьев. Применение этого метода наиболее эффективно при изготовлении зубчатых колес из труднообрабатываемых материалов.