CC BY
31
УДК 621.833
ИСХОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ЗУБООБРАБОТКИ ДВУХРЯДНЫМИ РЕЗЦОВЫМИ ГОЛОВКАМИ
Г.В. Малахов, А.В. Михайлов, И. А. Савичев
Установлены необходимые технологические исходные параметры (режимы) зубообработки резцовыми головками для чистового зубонарезания, общие для трех возможных схем реализации способа. В основе их определения — условия обеспечения качества, работоспособности процесса и минимальных затрат времени на цикл обработки одного зуба колеса.
Ключевые слова: зубообработка, прогрессивная схема, двухрядные резцовые головки, профильная огранка, подача обката, подача врезания.
К числу одних из распространенных и весьма ответственных деталей, от качества которых зависят важнейшие эксплуатационные характеристики машин, относятся зубчатые колеса. Не смотря на то, что технологические процессы изготовления этих деталей в разных отраслях машиностроения непрерывно совершенствуются, трудоемкость основных операций, связанных в основном с образованием зубьев, остается все еще высокой - примерно 50...60 % от общей трудоемкости механической обработки.
В рамках традиционной технологической схемы изготовления цилиндрических зубчатых колес эти операции осуществляются на основе таких методов как фрезерование модульными дисковыми и концевыми фрезами, червячным зубофрезерованием, зубодолблением, зубостроганием и отделочных способов - шевингование и обкатка.
Совершенствование этой технологии должно быть направлено на решение двух задач.
Первая задача - уменьшение металлоотходности решается при использовании заготовок с максимальным приближением к готовой детали, т.е. с предварительно оформленными зубьями. Изготовление заготовок с зубьями является достаточно сложной технологической задачей. Для ее решения могут быть использованы методы объемного формообразования -литье и различные процессы пластического деформирования, например, порошковая металлургия, холодная и горячая штамповка, горячее и холодное накатывание и различные их комбинации. В то же время многочисленные исследования показывают, что существующие процессы изготовления заготовок зубчатых колес на основе пластического формообразования не обеспечивают требуемую достаточно высокую (7.8-ю) степень точности изделий без последующей механической обработки резанием.
Вторая задача - сокращение длительности цикла зубообработки решается при концентрации зубообработки в пределах одной операции для проведения однопроходного чистового зубонарезания предварительно
117
оформленных зубьев. Такая обработка может успешно осуществляться двухрядными резцовыми головками с нулевым углом профиля или высокопроизводительным охватывающим контурным зубопротягиванием [1].
Эффективность работы по такой прогрессивной технологической схеме в значительной мере определяется конструкцией и размерами зубчатой заготовки, формой и размерами впадины зубчатого венца, наличием и распределением припуска на отдельных ее участках.
Чистовое зубонарезание, осуществляемое двухрядными резцовыми головками, возможно по трем различным схемам (рисунок), которые отличаются условиями врезания. Значительные затраты времени на холостые ходы, присущие первой схеме (рисунок, а), обусловили разработку еще двух возможных схем реализации процесса чистового зубонарезания -схем с радиальным врезанием. При их использовании обработка может осуществляться как при двустороннем (рисунок, б), так и одностороннем обкате (рисунок, в).
а
б
Чистовое зубонарезание двухрядными резцовыми головками: а - с тангенциальным врезанием и двусторонним обкатом; б - с радиальным врезанием и двусторонним обкатом; в - с радиальным врезанием и односторонним обкатом
Естественно, возникает вопрос, какой из этих схем следует отдать предпочтение? Для того, чтобы по возможности объективно ответить на этот вопрос, следует дать оценку каждой схеме по основным критериям: качеству, производительности, себестоимости обработки. В настоящее время мы не имеем возможности оценить схемы по критерию себестоимости ввиду отсутствия значительного количества экономических показателей. Что же касается производительности и качества, то параметры, их ха-
в
растеризующие, можно определить на основе кинематического анализа каждой схемы. Поэтому, анализ трёх схем реализации чистового зубонаре-зания резцовыми головками должен производиться на основе сравнения производительности и качества обработки.
Различие рассматриваемых схем заключается в неодинаковых величинах и количествах перемещений обрабатываемого колеса относительно режущих кромок инструмента в процессе нарезания одного зуба. Следовательно, сравнение времен циклов обработки одного зуба должно производиться на основе учёта длин рабочих и холостых перемещений, их количества, необходимого для обработки одного зуба, возможности перекрытия времен отдельных этапов цикла, а также на основе учёта скоростей, с которыми осуществляются эти перемещения.
Для расчета затрат времени на цикл обработки одного зуба для каждой технологической схемы реализации зубообработки необходимо установить численные значения следующих исходных параметров [2, 3]:
допустимое значение профильной огранки;
значение допустимой подачи на зуб инструмента при движении обката;
подачи на зуб при радиальном врезании;
число профилирующих кромок и общее количество режущих кромок в каждом ряду инструмента;
скорость резания.
При определении допустимого значения профильной огранки следует, прежде всего, выяснить, к каким отклонениям от номинальной поверхности следует ее относить. В принципе можно считать, что профильная огранка представляет собою одно из трех отклонений: либо шероховатость поверхности, либо волнистость, либо она является отклонением формы поверхности, т.е. проявляется как погрешность профиля.
При рассмотрении огранки, как шероховатости поверхности, значение огранки, имеющее наибольшую величину на окружности выступов, соответствует такой характеристике шероховатости поверхности, как максимальная высота неровностей Rmax. Так как практически всегда на чертежах зубчатых колес по боковым поверхностям зубьев задается Ra -среднее арифметическое отклонение профиля микронеровностей, то необходим переход от значения Ra к Rmax.
В работе [4] на основании исследования большого количества экспериментальных данных, предлагается следующая зависимость между
Rmax и Ra
lgRmax = 0,79 + 0,981gRa .
Если принять Ra =1 мкм, то в соответствии с приведенной зависимостью максимальное значение огранки должно находиться в пределах
^тж =6 мкм. При такой величине огранки шаг по вершинам профиля в районе окружности уступов составит 0.8 мм. То есть на базовой длине I, равной 0.8 мм при ла =1 мкм, на которой по стандарту определяется шероховатость поверхности, располагается только одна вершина реального бокового профиля зуба. Поэтому, говорить о том, что огранка является шероховатостью поверхности, не корректно. Полученное соотношение между значениями базовой длины и шага огранки дает основание считать, что в общепринятых параметрах для оценки микрорельефа поверхности ближе всего к огранке подходит волнистость. Однако, волнистость поверхности государственными стандартами не нормируется, поэтому регламентировать огранку параметрами волнистости практически не имеет смысла. В тоже время регулярный микрорельеф в виде огранки характеризует отклонения реального профиля от номинального, и это дает основание рассматривать огранку как погрешность профиля зуба. Отмечено, что систематические отклонения, например, в виде огранки по высоте зуба, характеризуют точность поверхности [5]. Следует, однако, учитывать, что на отклонения профиля зуба влияет, кроме огранки, еще множество других факторов, поэтому предлагается оценивать допустимую величину огранки в долях допуска на погрешность профиля зуба. Так, нами принято, что допустимой может быть величина огранки, равная допуску на погрешность профиля зуба для степени точности на две выше, чем требуемая. Например для среднемодульного колеса (т=2.5 мм; г=18) допуск на профиль, задаваемый по 8-й степени составит 15 мкм и, следовательно, допустимую величину огранки /! следует принять равной 8 мкм, что соответствует допуску на погрешность профиля зуба по 6-й степени точности по ГОСТ 1643—81.
Подача на зуб при обработке двухрядными резцовыми головками может быть определена как расстояние между двумя смежными положениями профилирующей точки режущего контура. При зубообработке с постоянной скоростью обката подача уменьшается по мере перемещения режущего контура вдоль обрабатываемого эвольвентного профиля от головки к ножке и имеет своё наибольшее значение на вершине зуба. Поэтому, именно на окружности выступов величина подачи не должна превышать своего допустимого по прочности режущих лезвий значения. В работе [6] отмечается, что обработка зубчатых колёс дисковыми резцовыми головками (с двадцатиградусным углом профиля) производилась с подачей =0,48 мм/зуб, величина которой была получена, исходя из требуемого
числа резов, необходимого для обеспечения выбранной величины огранки. Оформление боковой эвольвентной стороны зуба может осуществляться за десять резов, количество которых, было установлено на основе допустимой огранки [7]. Величина подачи, соответствующая этому числу резов, = 0,85 мм/зуб.
Для рассматриваемого процесса нет каких-либо справочных данных по выбору значений подач, поэтому можно для ориентировочной оценки воспользоваться рекомендациями, которые по условиям работы инструмента ближе всего подходят к рассматриваемому процессу. Такой обработкой, на наш взгляд, является торцовое фрезерование стали твердосплавным инструментом, для которого при глубине резания до 2 мм и твёрдости заготовки Я8<287 рекомендуется подача ОД 5 мм/зуб. Таким образом, значения подач, получающиеся на основе данных в работах по исследованию процесса зубонарезания дисковыми резцовыми головками являются завышенными, и допустимым следует считать значение =
0,15 мм/зуб.
Величина подачи при радиальном врезании $2р также может быть
принята равной 0,15 мм/зуб, поскольку условия работы инструмента на этом участке сходны с условиями работы при обработке стороны зуба с тангенциальным врезанием.
Большинство известных процессов зубообработки осуществляется инструментами с определенным количеством зубьев, имеющих режущие кромки, расположенные на номинальной производящей поверхности без каких либо запрограммированных смещений с неё. При этом, у ряда инструментов, например червячных фрез, часть зубьев, являющихся профилирующими, выполняет функцию срезания припуска и формообразования поверхности, а другая часть выполняет только функцию удаления металла, облегчая работу профилирующих зубьев, и не влияет на формообразование. Это объясняется тем, что количества профилирующих зубьев, достаточного для формообразования поверхности требуемого качества, не хватает для обеспечения допустимой нагрузки на зуб при одних и тех же режимах обработки. Для некоторых же процессов такое разделение носит условный характер, так как каждый режущий зуб используемого инструмента может рассматриваться выполняющим обе функции [8].
Выделение в этом случае профилирующих кромок означает, что если допустимая нагрузка на зуб обеспечивается всеми режущими кромками N при некоторых режимах резания, то для обеспечения нужного качества поверхности (профильной огранки) требуется только определенная часть их д/'я при тех же самых режимах резания. Это условие определяет рациональное соотношение между количеством профилирующих кромок и общим числом резцов в инструменте.
При обработке двухрядными резцовыми головками соотношение между N и Nц определяется зависимостью
где N — общее число режущих кромок в каждом ряду инструмента; ffу — допустимое значение профильной огранки, мм; 1а — радиус кривизны эвольвенты на окружности выступов, мм; ¡$2 — допустимая подача на зуб инструмента, мм/зуб; N п — число профилирующих кромок в каждом ряду головки.
Если при использовании зависимости (1) окажется, что N < Nп то это будет означать, что нагрузка на профилирующие кромки не превышает допустимую и нет необходимости в дополнительных кромках. В этом случае у реального инструмента общее количестве кромок совпадает с количеством профилирующих кромок, т.е. все кромки должны быть профилирующими.
При удовлетворении N и Nп условию (1), ограничение скорости
обката (линейной скорости оси заготовки) происходит одновременно и по подаче (по нагрузке), и по огранке.
Если будет увеличено общее количество режущих кромок без увеличения Nп , то ограничение скорости обката произойдет только по огранке, а расчетная нагрузка будет меньше допустимой.
Если увеличить количество профилирующих кромок, а общее их число оставить без изменений, то ограничение произойдет только по нагрузке , а расчётное значение огранки при этом окажется меньше допустимого значения.
Оба случая, приводящие к нарушению условия, определяющего соотношение общего числа кромок и количества профилирующих кромок нежелательны, так как образуются недогруженные лишние кромки. Таким образом, устанавливается рациональная связь между общим количеством режущих кромок и числом профилирующих лезвий Nп . Увеличение количества профилирующих кромок в принципе должно приводить к ускорению процесса формообразования и обработки в целом. Однако, известно, что при формообразовании боковых поверхностей зубьев несколькими профилирующими режущими кромками существенное влияние на точность обработанных поверхностей оказывает точность взаимного расположения профилирующих лезвий. Это объясняется тем обстоятельством, что всякие случайные отклонения в расположении профилирующих кромок являются фактически смещением с теоретической производящей поверхности, приводящим к ее искажению и появлению погрешностей обработки. В рассматриваемом процессе на точность эвольвентной поверхности зубьев оказывает влияние торцовое биение боковых режущих кромок инструмента. При наличии торцового биения возрастает профильная огранка. Её значение, которое при этом зависит от числа профилирующих кромок, распределения между ними торцового биения и его величины, может превышать допустимое значение огранки уу. Это превышение не-
допустимо, особенно учитывая чистовой характер зубообработки двухрядными резцовыми головками. Для того, чтобы торцовое биение не оказывало заметного влияния на обрабатываемый профиль, его величина должна быть в несколько раз меньше, чем допустимое значение профильной огранки. Если принять /у =8 мкм, то торцовое биение должно находиться в
пределах не более 2...3 мкм. Таким образом, появляется необходимость установления очень жестких требований к взаимному расположению боковых профилирующих кромок инструмента. В реальных многозубых инструментах без специальных технологических мероприятий, значительно усложняющих их изготовление и эксплуатацию, практически трудно добиться стабильного «биения» в указанных пределах даже между двумя определенными кромками. Следовательно, исключить нежелательное влияние биения лезвий ужесточением допуска на их случайные смещения друг относительно друга практически не представляется возможным. Обработка двухрядной резцовой головкой, у которой формообразование осуществляется одним режущим лезвием, позволяет исключить недостатки, присущие профилированию несколькими режущими кромками, и обеспечивает следующие преимущества:
1) точность обработки профилей зубьев зависит только от кинематической пары станка, задающей движение обката, и не зависит от расположения других лезвий;
2) требования к точности взаимного расположения всех лезвий могут быть снижены, что упрощает конструирование, изготовление и эксплуатацию инструмента.
Поэтому, принимая N п = 1, получаем по зависимости (1) при выбранных значениях /у и ¡$2 общее количество резцов в каждом ряду головки N = 6.
Выбор скорости резания следует производить с учётом имеющихся рекомендаций по режимам зубонарезания твердосплавными инструментами. Скорость резания принимают на основе выбранных подач, марки твёрдого сплава, механических характеристик материала детали, необходимой стойкости инструмента, допустимого износа. При зубофрезеровании твердосплавными червячными фрезами, оснащенными сплавом Т15К6, скорость резания находится в пределах 171.223 м/мин в зависимости от выбранной подачи, модули обрабатываемого колеса, числа зубьев и диаметра фрезы. Однако, на скорость резания при червячном зубонарезании накладывают ограничения динамические возможности делительных механизмов зубофрезерных станков. Опыт зубонарезания дисковыми однорядными резцовыми головками показал, что при разобщенных движениях резания и формообразования обработка может весьма эффективно осуществляться на скоростях резания порядка 350.450 м/мин. Имеются сведения [9], что зубонарезания твердосплавными многозубыми инструментами по методу
Тангир проходит на скорости резания 400 м/мин. Наконец, исследования чистового зубонарезания, проведенные в диапазоне скоростей 251...652 м/мин, так же подтвердили целесообразность использования высокоскоростных режимов обработки (примерно 400 м/мин). Учитывая изложенное, можно принять для процесса зубонарезания двухрядными резцовыми головками скорость резания 400 м/мин.
Приведенные значения параметров могут быть положены в основу расчета времени цикла обработки одного зуба колеса для каждой из схем реализации процесса чистового зубонарезания двухрядными резцовыми головками, что позволит судить как о соотношении производительностей трех схем реализации процесса, так и о скоростных возможностях данного способа зубообработки в целом.
Список литературы
1. Маликов А. А., Ямников А.С. Прогрессивные способы чистовой обработки эвольвентной поверхности цилиндрических колес // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 8. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 37 - 48.
2. Федоров Ю.Н., Малахов Г.В. Анализ производительности чистовой зубообработки двухрядными резцовыми головками // Исследования в области технологии механической обработки и сборки. Тула: Изд-во политехнического института, 1980. С. 8 - 15.
3. Малахов Г.В., Птицын В.В., Горохов А.В. Оценка сочетаний параметров зубчатых колес из заготовок с предварительно оформленными зубьями // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 8. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 297 - 303.
4. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Наука, 1970. 228 с.
5. Овумян Г.Г., Езерский Е.В., Хухрий С. А. Повышение производительности и качества чистового зубонарезания. М.: Машиностроение, 1979. 64 с.
6. Коганов И. А. Прогрессивная обработка зубчатых профилей и фасонных поверхностей. Тула: Приокское кн. изд-во, 1970. 184 с.
7. Федоров Ю.Н., Артамонов В.Д., Золотухина О.Л. Методика параметрической стабилизации процесса зубообразования по методу обката // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 8. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 102 - 109.
8. Малахов Г.В., Горохов А.В. Моделирование коэффициента впадины зубчатых колес из заготовок с предварительно оформленными зубьями // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 8. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С.303 - 312.
9. Повышение технического уровня механосборочного производства в СССР и за рубежом. Механосборочное производство. Обзорная информация. М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1975. 58 с.
Малахов Геннадий Викторович, канд. техн. наук, доц., tms a t.su.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Михайлов Александр Владимирович, канд. техн. наук, доц., tmsa tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Савичев Иван Александрович, магистрант, tmsa tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
INITIAL PROCESS PARAMETERS GEAR TREATMENT DOUBLE-ROW CUTTER HEADS
G. V. Malakhov, A. V. Mihailov, I.A. Savitchev
Necessary technological original settings ( modes ) gear treatment cutter heads for finishing gear cutting, common to the three possible schemes of the method. The basis of their definitions — conditions of quality, process efficiency and minimal time spent on processing cycle of one gear tooth.
Key words: gear treatment, a progressive scheme, double row cutting units, profile cutting, running- feed, feed insertion.
Malakhov Gennady Viktorovich, candidate of technical science, docent, tmsa tsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Mihailov Aleksandr Vladimirovich, candidate of technical science, docent, tms@tsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Savitchev Ivan Aleksandrovich, magister, tms@tsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University
