CC BY
13
УДК 621.833
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-10-14
АНАЛИЗ НАПРАВЛЕНИЙ РАЗВИТИЯ ЗУБОНАРЕЗАНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОЛЁС
МЕТОДОМ ОБКАТА
Г.В. Малахов, К.А. Судьина, В.Д. Артамонов
Проведен анализ способов предварительного зубонарезания и чистовой зубообработки цилиндрических зубчатых колес. Рассмотрены преимущества червячного зубофрезерования. Приведено описание конструкций современных червячных фрез. Проанализирована возможность осуществления операции зубонарезания цилиндрических колес на токарно-фрезерных обрабатывающих центрах. Рассмотрены способ зубодолбления методом обката и способ вихревого фрезерования. Обоснована область их эффективного применения. Рассмотрены особенности зубообработки способом зуботочения. Приведены конструкции чашечных обкатных резцов компании HORN для реализации зубообработки способом зуботочения.
Ключевые слова: цилиндрическое зубчатое колесо, метод обката, червячное зубофрезерова-ние, зубодолбление, зуботочение, сменная твердосплавная пластина.
Сложившаяся практика предварительного зубонарезания, а также чистовой обработки крупномодульных зубчатых колес, в подавляющем большинстве случаев, предполагает использование инструмента с режущей частью из обычной быстрорежущей стали (типа Р6М5), как правило, без износостойкого покрытия, работающего методом копирования (затылованными модульными фрезами с фасонным профилем) или методом обката (червячными фрезами) [1]. Применяются также сборные фрезы, состоящие из корпуса, выполненного из конструкционной стали, и поворотных быстрорежущих реек.
Зубонарезание происходит преимущественно на металлообрабатывающем оборудовании с ручным управлением. При этом наилучшие результаты по точности и производительности обработки достигают чаще всего методом обката при зубофрезеровании червячными фрезами. Применение метода копирования для чистовой обработки ограничено невысокой точностью делительных механизмов станка.
Геометрические параметры для зуборезного инструмента, как правило, назначаются из расчета минимальных искажений профиля инструмента при переточках, а не исходя из свойств обрабатываемого материала, что характерно для большинства других видов металлорежущего инструмента. Поэтому традиционные виды зуборезного инструмента обладают несовершенной геометрией, что существенно ограничивает их стойкость.
Использование твердого сплава в качестве инструментального материала затруднено из-за низкого диапазона скоростей используемого оборудования и трудоемкости изготовления твердосплавных фасонных инструментов [2].
Современное металлообрабатывающее оборудование, оснащенное многофункциональными системами ЧПУ, обладает широкими технологическими возможностями, которые не всегда могут быть использованы в полной мере из-за характеристик существующего режущего инструмента. Поэтому переход кинематических связей станка к электронным вызвал появление новых подходов к зубообработке на современном оборудовании новым высокопроизводительным инструментом.
Современная технология, соответствующая мировому уровню, также подразумевает в качестве основного инструмента червячную фрезу, благодаря следующим преимуществам червячного зубофрезе-рования:
1) червячной фрезой одного модуля могут быть обработаны колеса практически с любым числом зубьев;
2) отсутствие необходимости точного позиционирования фрезы в осевом направлении;
3) фрезы со сменными пластинами имеют большее число режущих кромок, чем у дисковых фрез, что повышает стойкость инструмента;
4) плавность фрезерования, т.к. в резании одновременно находится больше режущих кромок, чем при применении дисковой фрезы.
При этом современные червячные фрезы должны изготавливаться из порошковой быстрорежущей стали и, обязательно, с современным износостойким покрытием.
Порошковая быстрорежущая сталь обладает более высокой твердостью и, одновременно, более высокой вязкостью, т.к. она состоит из мелких равномерно распределенных карбидов и, практически, свободна от примесей и включений. Такая фреза с соответствующим износостойким покрытием может работать на скорости резания до 180 м/мин. За счет более высокой прочности порошковой быстрорежущей стали возможно также увеличение подачи. Это обеспечивает существенный рост производительности.
Одновременно меняется и конструкция современных червячных фрез. Для сокращения основного времени применяются фрезы с наименьшим возможным наружным диаметром. Высокая прочность позволяет существенно увеличить число стружечных канавок, что повышает производительность. Современная технология изготовления червячных фрез обеспечивает очень высокую их точность, что поз-
воляет применять многозаходные фрезы без потери точности обработки. Современные зубофрезерные станки с ЧПУ имеют широкие возможности по реализации осевой передвижки фрезы в процессе обработки. Поэтому современные фрезы имеют увеличенную по сравнению с традиционными фрезами длину рабочей части, увеличению периода стойкости фрезы.
Для обработки зубчатых колес большого модуля используют фрезы с прогрессивной схемой резания и червячные фрезы со сменными многогранными пластинами (рис. 1) [3].
Рис. 1. Червячная фреза со сменными многогранными пластинами
Компания Okuma предлагает серию токарно-фрезерных обрабатывающих центров Multus c опцией Hobbing Cutting для нарезания зубчатых венцов и шлицев червячными фрезами (рис. 2) [4].
Осевая подача
Череячно-модульнаяфреза
Заготовка
а б
Рис. 2. Схема (а) и вид (б) нарезания зубьев на токарно-фрезерном обрабатывающем центре Multus
На обрабатывающих центрах серии Multus данный метод реализован благодаря кинематике с пятью управляемыми осями (наклонная ось «В», управляемая ось «С», линейные оси X, Y и Z c широким диапазоном перемещений) и системе ЧПУ, обеспечивающей согласованные вращения фрезы и заготовки [4].
Данный метод обработки может быть реализован не только на токарно-фрезерных центрах серии Multus, но и на токарных станках револьверного типа с приводным инструментом [4]. В револьверную голову устанавливается специальная приводная головка (рис. 3), которая обеспечивает надежное и жесткое двуопорное закрепление фрезы.
Такой подход позволяет провести точную обработку сложных заготовок за один установ, включая токарную, фрезерную и зубообработку с использованием возможностей поддержки задним центром или обработки в противошпинделе. Также отпадает необходимость в специальном оборудовании для зубообработки.
Следующий по размерам использования метод зубонарезания обкатом - это зубодолбление методом обката. Широко применяется для наружного и внутреннего нарезания зубьев.
Так, например, компания HORN предлагает высокоточные полностью твердосплавные долбяки и инструменты с неперетачиваемыми режущими пластинами (рис. 4) для наружного и внутреннего нарезания зубьев [5]. Диапазон нарезаемых колес с модуля от 0,2 мм до 5 мм.
При этом могут использоваться инструменты для эвольвентных и прямобочных шлицев, а также специальных профилей.
Условно к методам обработки обкатом зубчатых профилей можно отнести вихревое фрезерование.
Вихревое фрезерование - процесс металлообработки, при котором заготовка и инструмент вращаются с определенным соотношением частот вращения [5]. При этом инструмент устанавливают под определенным углом к заготовке (рис. 5). Необходимо, чтобы шпиндель заготовки и инструмент были синхронизированы.
Помимо изготовления торцевых и цилиндрических зубчатых колес, этот процесс можно использовать для эффективного производства эвольвентных или шлицевых зубчатых соединений.
К преимуществам этого процесса относится уменьшение передвижений инструмента, так как все впадины вырезаются за один проход. Этот процесс может быть реализован практически на любых токарно-фрезерных центрах и потому очень универсален.
Рис. 3. Нарезание зубьев на токарно-револьверном станке червячной фрезой в приводной головке
Рис. 4. Зуборезный долбяк с неперетачиваемыми режущими пластинами
Рис. 5. Схема вихревого фрезерования
Одной из тенденций развития зубонарезания благодаря задействованию станков с ЧПУ является зубообработка способом зуботочения или, как его еще называют, методом скайвинга.
Рис. 6. Схема зубонарезания зуботочением (методом скайвинг)
Рис. 7. Обработка зуботочением на обрабатывающем центре Multus U4000
Данный способ обработки зубчатых колес был разработан в начале ХХ века и запатентован в 1910 году Вильгельмом фон Питтлером. В его основе лежит использование специального многозубого инструмента в форме чашки, перекрещивание под углом в пространстве осей детали и инструмента (рис. 6) [4] и синхронное вращение детали и заготовки на большой скорости.
Таким образом, согласованное вращение и угловое расположение заготовки и инструмента обеспечивает относительное движение инструмента и заготовки, которое формирует впадину между зубьями детали, и в дополнении с направлением осевой подачи заготовки формируется зубчатый венец.
Данный метод, разработанный в начале прошлого века, «ждал» оборудования, способного реализовать и раскрыть его потенциал.
Компания Okuma предлагает такое оборудование - это обрабатывающий центр Okuma Multus U4000 [4], фрагмент обработки на котором представлен на рис. 7.
Использование метода в комплексе с токарной и фрезерной обработкой на многоцелевом станке дает ряд преимуществ как технического, так и экономического характера.
Компания HORN разработала и выпускает целую гамму инструментов - чашечных обкатных резцов для реализации обработки методом скайвинг (зуботочения) зубчатых колес с модулем от 0,2 мм до 8 мм (рис. 8) [5].
Инструменты для зубообработки методом скайвинг могут изготавливаться также и для специальных профилей, в частности, накаток.
Современный инструмент для зуботочения оснащен сменными твердосплавными пластинами и способен работать на скоростях до 300 м/мин, обеспечивая увеличение производительности до восьми раз по сравнению с зубодолблением благодаря более эффективному процессу стружкообразования.
Зуботочение также обеспечивает возможность обработки внутреннего зубчатого венца и малые величины врезания и перебега, которые в случае использования червячно-модульной фрезы могут быть соизмеримы с диаметром фрезы.
1. Артюхин, Л. Л. Создание высокоэффективного специального инструментадля обработки крупномодульных зубчатых колёс [Текст]/ Л. Л. Артюхин, Н. А. Ветрова, О. С. Отт, М. А. Надольский// Наука и образование. 2012. С. 61-67.
2. Боровский Г.В. Инструментальное производство в России. М.: ВНИИИНСТРУМЕНТ, 2008.
160 с.
3. Геер Антон. Современные методы и технологические решения эффективной обработки зубчатых колёс крупного модуля/ Антон Геер // Журнал Стружка // Technopolice [Электронный ресурс]. URL: https://technopolice.ru/obrabotka-zubchatyh-koles-krupnogo-modulva (дата обращения:10.04.2022).
4. Шмальц Антон. Решения Okuma в области зубообработки / Антон Шмальц// Пумори инжиниринг инвест [Электронный ресурс] URL: https://pumori-invest.ru/o-kompanii/articles/Nashi-prodvkti/resheniva-okuma-v-oblasti-zuboobrabotki (дата обращения:11.04.2022).
5. Horn: GEAR MACHINING. Expanded tool range for the economical production of gears: Каталог. 63С.
Малахов Геннадий Викторович, канд. техн. наук, доцент, malahovgv_tms@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Рис. 8. Инструмент для зуботочения компании HORN
Список литературы
Артамонов Валерий Дмитриевич, д-р техн. наук, профессор, v.d.art@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ANALYSIS OF THE DEVELOPMENT DIRECTIONS OF GEAR CUTTING OF CYLINDRICAL GEARS BY THE
RUN-IN METHOD
G.V. Malahov, K.A. Sudina, V.D. Artamonov
The analysis of methods ofpreliminary gear cutting and finishing gearing of cylindrical gears is carried out. The advantages of worm gear milling are considered. The description of the designs of modern worm cutters is given. The possibility of performing the operation of gear cutting of cylindrical gears on turning-milling machining centers is analyzed. The method of gear chiseling by the run-in method and the method of whirl milling are considered. The area of their effective application is substantiated. Peculiarities of gear cutting by gear grinding are considered. The designs of HORN cup-shaped rolling cutters for the implementation of gear cutting by the gear turning method are presented.
Key words: spur gear, run-in method, worm gear milling, gear chiselling, gear turning, indexable carbide plate.
Malahov Gennadiy Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, malahovgv_tms@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Sudina Kristinay Alekseevna, student, tppizi@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Artamonov Valeriy Dmitrievich, doctor of technical sciences, professor, v.d.art@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 669.14: 621.746
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-14-17
ВЛИЯНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ РАЗЛИВКИ НА ФОРМИРОВАНИЕ СТАЛЬНОГО СЛИТКА
А.И. Вальтер
Приводится описание движения струи расплавленного металла при его заполнении изложницы. Показаны особенности турбулентного движения жидкого расплава с образованием каверн и их влияния на процесс кристаллизации, что динамические характеристики струи зависят от типа насадки и величины и характера возмущений, действующих на свободную поверхность струи на участке от торца насадки до поверхности жидкости в изложнице
Ключевые слова: расплав стали, изложница, движение жидкой струи, кавитация, динамические характеристики струи, форма разливочной насадки.
В связи с развитием новой техники непрерывно повышаются требования, предъявляемые к объему и качеству стальных слитков. Результаты исследования условий формирования литой структуры позволили создать ряд рациональных режимов литья, однако не всегда они обеспечивают получение требуемых свойств. Это связано с тем, что необходимо дополнительно исследовать микрометаллургические процессы, развивающиеся у самого фронта затвердевания. Кроме того, недостаточно изучены вопросы распределения теплоты кристаллизации и тепла перегрева на границе затвердевания и в зоне двухфазного состояния, влияния динамики этого распределения на перераспределение включений и растворимых примесей в процессе конвективного перемещения жидкого расплава и кристаллизации стали.
Поле скоростей и количество захватываемого струей и переносимого в изложницу воздуха зависит от динамических характеристик струи, которые в свою очередь зависят от типа насадки и величины и характера возмущений, действующих на свободную поверхность струи на участке от торца насадки до поверхности жидкости в изложнице. Поэтому при изучении полей скоростей необходимо фиксировать и динамические характеристики струи.
Результаты моделирования условий распространения затопленных струй показали, что в зависимости от формы стакана образуются струи, способствующие захвату воздуха, и струи без захвата воздуха. При этом они создают и разные по характеру поля скоростей в изложнице.
