CC BY
378
УДК 621.833
В.Н Скрябин, директор, (4872) 39-57-70, tcmit@tula.net (Россия, Тула, ТГТК),
А.П. Тимофеев, канд. техн. наук, директор (Россия, Тула, ОАО «Станкотехника»),
Н.Д. Феофилов, д-р техн. наук, проф., (4872) 33-23-10,
ГеоШоупё@уапёех.ги (Россия, Тула, ТулГУ),
Е.С. Янов, бакалавр, ёех aik@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
КИНЕМАТИКА ЧЕРВЯЧНОГО ЗУБОФРЕЗЕРОВАНИЯ
Рассмотрены вопросы рационального использования зубофрезерных станков с ЧПУ для обработки деталей с различным профилем зубьев. Приведены схемы реализации циклов обработки и технические характеристики наиболее распространенных в России зубофрезерных станков с ЧПУ отечественного и зарубежного производства, а также прогрессивные конструкции сборных инструментов.
Ключевые слова: зубофрезерование, обкат, цикл, подача.
Червячное зубофрезерование является наиболее распространенным способом обработки зубьев цилиндрических эвольвентных прямозубых и винтовых, червячных и храповых колес, валов с прямобочными, треугольными и эвольвентными шлицами, звездочек приводных цепей, колес с зацеплением Новикова, роторов цилиндрических и винтовых насосов, а также различных инструментов, таких, как дисковые и цилиндрические монолитные фрезы, развертки, зенкеры, спиральные сверла и др. Наиболее часто зубообрабатывающие инструменты являются монолитными затыло-ванными и реже острозаточенными.
Срезание припуска и формообразование зубчатой поверхности осуществляются по методам копирования и обкатки. Зубофрезерование копированием реализуется на горизонтально-фрезерных или вертикальнофрезерных станках с использованием делительных головок или на четырех координатных станках с ЧПУ. Зубофрезерование обкаткой реализуется как на зубофрезерных станках с ЧПУ, так и на традиционных зубофрезерных станках с электромеханической системой управления.
Малое число зубьев у таких заготовок, как шестерни масляных насосов высокого давления, развертки, зенкеры, спиральные сверла и др., не позволяют использовать в полной мере возможности инструмента и зубофрезерного станка с червячной делительной передачей из-за ограничений по скорости скольжения, влияющей на динамику процесса зубофрезерова-ния и соответственно точность обработки. Этих ограничений нет в зубофрезерных станках с ЧПУ. Цикл зубофрезерования деталей с комплексом различных зубчатых поверхностей может выполняться как обкаткой, так и копированием с периодическим делением на шаг зубьев без переустановки детали и переналадки станка.
Циклы зубофрезерования в зависимости от ширины зубчатого венца, ширины обрабатываемого пакета колес или длины нарезанной части, например для сверл или разверток, могут осуществляться по схемам: протягивания, т. е. без врезания, инструментом, установленным на полную глубину вырезаемой впадины; с радиальным врезанием; с продольной подачей, с продольной подачей при радиальном врезании; способом двух подач - диагональное фрезерование. При этом машинное время зубонареза-ния может изменяться в широких пределах, а экономичность операции зубофрезерования будет в большей степени зависеть от конструкции инструмента, его размерной и технологической стойкости, чем от технических возможностей станка. Основными параметрами инструментов являются диаметр, количество режущих зубьев, инструментальный материал и упрочняющее покрытие, кинематические параметры резания - схема срезания припуска, передние и задние углы резания. Кроме этого, важным параметром зубофрезерования является ход режущих зубьев инструмента, который по эквивалентному числу шагов или числу заходов должен быть некратным числу зубьев нарезаемой заготовки.
Выбор метода обкатки или копирования для реализации операции во многом определяется конструкцией инструментов. Если червячные фрезы являются насадными и за редким исключением для маломодульных червячных колес выполняемыми заодно с оправкой, то дисковые фрезы могут выполняться в насадном и в хвостовом вариантах. Дисковые угловые фрезы с острозаточенными зубьями при одинаковом числе зубьев по сравнению с затылованными могут иметь диаметр в два раза и более мень-тттий, что позволяет работать с более высокой частотой вращения при одинаковых скоростях резания. Кроме этого, дисковые хвостовые и насадные фрезы часто изготовляются цельными твердосплавными или с напайными, или приклеенными зубьями. Изготовление твердосплавных червячных фрез, несмотря на высокие технические характеристики инструментальных станков с ЧПУ, является весьма дорогостоящим и сложным.
В процессе зубофрезерования в рабочем пространстве зубофрезерного станка с помощью приводов [1] совершается множество простых и сложных движений (рис. 1). Простые движения осуществляются: прямолинейным перемещением в направлении осей х - радиальное (фрезерная стойка), у - осевое (фрезерная головка), г - продольное (инструментальный суппорт); вращением вокруг осей х и у соответственно - А (поворот фрезерной головки) и В (вращение фрезы).
Более сложный состав движений стол с заготовкой совершает при диагональном зубофрезеровании винтовых колес, которые определяются вращением инструмента и его осевым смещением, а также продольным перемещением инструментального суппорта. Комплексное движение стола составляет движение обкатки. На точность движений обкатки и их дина-
59
мику накладываются жесткие ограничения. Они реализуются числовым управлением, электронной системой управления и контроля.
Рис. 1. Конструкция и приводы зубофрезерного станка с ЧПУ:
1 - станина; 2 - фрезерная стойка; 3 - инструментальный суппорт;
4 - фрезерная головка; 5 - стол; 6 - задняя стойка;
7 - тормозной червяк; 8 - червяк привода стола; 9 - инструмент;
А, В, С - координаты и соответствующие приводы вращательных движений; х, у, г - координаты и соответствующие приводы поступательных движений
Отдельные приводы повышают скорость срабатывания узлов станка за счет устранения внутренних передаточных механизмов. Позиционирование инструмента, подсистем и элементов станка перед началом процесса резания обеспечивается в ходе их ускоренных перемещений с последующим замедлением. Скорость перемещения варьируется в диапазоне от максимального значения до нуля. В отличие от станков с традиционным управлением, с позиционированием по шкалам или лимбам, в станках с ЧПУ точность позиционирования определяется электронной системой контроля с помощью датчиков линейных и угловых перемещений. Благодаря чему влияние величины скорости перемещения на точность проходимых отрезков пути незначительно. Техническая характеристика распространенных в России зубофрезерных станков с ЧПУ приведена в табл. 1.
Для операции зубофрезерования важна технологическая гибкость, заключающаяся в способности станка производить заданное множество деталей разными способами, т. е. возможность выполнения в одном или последовательных циклах зубофрезерования различных переходов обкаткой и копированием, фрезерованием и долблением, изменения порядка выполнения переходов в одном цикле.
Таблица 1
Техническая характеристика зубофрезерных станков с ЧПУ
Модель Наибольший Наибольший диаметр Наибольший диаметр
станка модуль, мм нарезаемого колеса, мм фрезы, мм
Россия
53С50Ф4 10 500 200
53Д50Ф4 10 500 200
53С80Ф4 10 800 200
53С11Ф4 16 1250 225
5А342ПФ2 20 2000 250
5В342ПФ4 25 3150 360
5В345ПФ2 40 5000 400
Беларусь
53А33Ф4 6 320 160
ВСН-332СШ 6 320 160
ВСН-332СКС2 6 320 160
5А352ПФ2 8 500 160
ВСН-350СШ 10 500 200
Литва
53Б08ВФ4 1,5 80 63
5Б310ВФ2 4 200 125
53А20Ф4 6 200 180
ФРГ
«Либхер»
Ь 200 8 250 186
Ь 402 10 400 192
ЬС 152 5 150 132
ЬС 300 7 300 140
ЬС 600 12 600 192
ЬС 502 10 500 192
ЬС 1002-Е 18 1000 300
«Лоренц»
ЬБ 151 СКС 4 150 125
ЬБ 221 СКС 5 220 135
«Пфаутер»
РЕ 150 СКС 3 150 130
РЕ 300 СКС 6 300 163
РЕ 750 СКС 12 750 210
РЕ 1000 СКС 14 1000 210
Технологическая подготовка операции фрезерования на станке с ЧПУ отличается от подготовки операции на станке с традиционным элек-
тромеханическим управлением. Использование ЧПУ существенно сокращается время на наладку станка, которая состоит во введении с пульта управления в диалоговом режиме команд в систему управления станка. Управляющая программа может быть введена также по кабелю с центрального пульта управления и с помощью переносной съемной памяти.
В зависимости от количества одновременно управляемых координат и конструкции инструментов, необходимых для формообразования зубчатых деталей, возможны различные постоянные циклы реализации операции зубофрезерования, которые устанавливаются переключателями без специального программирования (табл. 2).
Таблица 2
Циклы зубофрезерования
С продольной подачей
Попутное в один рабочий ход
Попутное в два рабочих хода
Попутное на черновом и встречное на чистовом ходе
Попутное с радиальным врезанием
С закономерно изменяющимися подачами
Переменной продольной или радиальной при врезании
Результирующей при фрезеровании конического и описанного по дуге окружности венцов
Диагональное
фрезерование
Продолжение таблицы
С радиальной подачей
С осевой (тангенциальной) подачей
Червячных колес или уз-ковенцовых колес фрезой большого диаметра
Червячных колес
Зубофрезерование с продольной подачей широковенцовых или стопки узковенцовых цилиндрических прямозубых или косозубых колес может выполняться с попутным или встречным направлением подачи.
Однопроходное чистовое и предварительное фрезерование осуществляется до модуля 4 мм. При модуле свыше 4 мм фрезерование осуществляется в два прохода. Предварительное зубофрезерование под последующее шевингование или шлифование следует стремиться выполнять в один проход на полную глубину и при модуле более 4 мм, так как неравномерность процесса фрезерования на втором проходе намного больше чем на первом. Динамика однопроходного зубофрезерования лучше влияет на эксплуатацию станка и точность зубообработки.
Процесс резания при попутном фрезеровании протекает спокойнее, чем при встречном, поэтому двухпроходное попутное фрезерование обеспечивает более высокие точностные показатели зубчатых колес. Возврат инструмента на второй рабочий ход увеличивает машинное время зубообработки. Минимум машинного времени обеспечивается при радиальном врезании на второй проход и фрезеровании с встречной подачей.
Зубофрезерование с продольной попутной или встречной подачей при радиальном врезании одно- и многовенцовых колес с различными геометрическими параметрами: модулем, числом, направлением и профилем зубьев эффективно для блочных колес, когда обработка на проход не возможна. Радиальное врезание вместо продольного у открытого венца уменьшает путь резания, а соответственно и машинное время обработки. Установка на инструментальной оправке двух и более инструментов сокращает количество переналадок станка, что не только сокращает цикл зу-бофрезерования, но и повышает точность зубчатых венцов.
Зубофрезерование с переменной продольной или радиальной подачей при врезании позволяет существенно сократить машинное время за счет интенсификации режима резания в период от момента касания инструментом заготовки до его внедрения на полную глубину впадины. Наиболее просто это реализовывается изменением скорости продольной или радиальной подачи в зависимости от стабилизации параметров процесса
резания, например суммарной силы резания или крутящего момента за оборот фрезы; суммарного объема вырезанного металла за оборот колеса; суммарной длины режущих кромок рейки, участвующих в резании за оборот фрезы. При этом следует учитывать, что управление подачей по максимальной или средней толщине срезаемого слоя срезаемого вершинной режущей кромкой, как при продольном, так и радиальном врезании недопустимо из-за того, что величина этого параметра достигает своего максимального значения на первом резе вначале вырезания первой впадины в конце первого оборота заготовки. Затем толщина срезаемого слоя стабилизируется [2].
Зубофрезерование с закономерно изменяющейся результирующей подачей применяется для получения: конических поверхностей с небольшими величинами конусности при постоянном шаге зубьев и уменьшающейся толщиной зубьев к вершине конуса; эвольвентных выпуклых или вогнутых зубчатых венцов, описанных чаще всего дугой окружности.
Фрезерование конических поверхностей по методу обкатки целесообразно при изготовлении эвольвентных и треугольных шлицев. Оно осуществляется при перемещении с постоянными скоростями подач: продольной ^ на длине пути резания 12 и радиальной sx на длине пути врезания 1Х.
Фрезерование венцов, описанных по дуге окружности, применяется для червячных колес с локализованным пятном контакта и цилиндрических прямозубых и косозубых колес с продольной модификацией. В процессе зубофрезерования продольная подача остается постоянной, а радиальная подача закономерно изменяется в зависимости от формы образующей боковой поверхности зубчатого венца. При изготовлении крупномодульных колес с небольшим радиусом кривизны образующей и двухпроходном фрезеровании на первом проходе фрезерование может осуществляться без радиальной подачи на форсированных режимах резания, а на втором проходе по циклу с изменяющейся радиальной подачей. В итоге сокращается машинное временя и повышается качество зубчатого колеса.
Геометрическое сложение продольной и радиальной подач обеспечивает требуемую для заданной формы зубчатого венца закономерно изменяющуюся результирующую подачу.
Диагональное фрезерование осуществляется при сообщении червячной фрезе одновременно двух подач: первой - параллельной оси нарезаемого колеса, т. е. продольной, и второй вдоль оси фрезы - осевой. Этот цикл зубофрезерования обеспечивает наиболее равномерное изнашивание зубьев фрезы, способствует повышению ее стойкости, повышает точность нарезаемых зубьев. В табл. 2 показана схема, когда при нарезании каждого колеса или стопки колес используется вся рабочая длина режущей рейки
фрезы. Осевая и продольная подачи связаны соотношением Sy = sz (1у /1г), где I и 1г продольный и осевой пути инструмента в период формообразования профиля зубьев колеса. При этом 12 = Ь\ - ширина, зубчатого венца
или стопки колес.
Возможны три варианта диагонального фрезерования: если Ь\ > 1у,
то Sy < sz; если Ь\ = 1у, то Sy = sz; если Ь\ < 1у, то Sy > sz.
Зубофрезерование с радиальной подачей применяется при производстве червячных колес, а также малогабаритных узковенцовых колес с модулем до 3 мм под последующее шевингование или прикатывание [3]. Фреза относительно заготовки устанавливается таким образом, чтобы ме-жосевой перпендикуляр инструментальной оправки и оправки изделия располагался в плоскости, проходящей через середину зубчатого венца. Отсутствие продольной подачи при фрезеровании узковенцовых колес приводит к образованию вогнутости на боковых сторонах зубьев, которая не должна превышать величину припуска на последующую чистовую зу-бообработку.
Диаметр фрезы должен быть больше рассчитанного по зависимости
^а0 =( Ь\l4fб ) sin«o,
где /б - допустимая величина припуска по профилю зуба колеса на последующую чистовую обработку.
Зубофрезерование с осевой подачей фрезы или тангенциальное фрезерование применяется при нарезании червячных колес. Инструменты -червячные фрезы с заборным конусом и резцы-летучки, которые устанавливаются на межосевом расстоянии по отношению к оси заготовки. Длина рабочей части фрезы определяется длиной заборного конуса и длиной цилиндрической части фрезы, которая должна быть не менее проекции активной части линии зацепления на ось фрезы.
Особенностью зубофрезерного станка с ЧПУ является то, что в его рабочем пространстве осуществляется разнообразный комплекс движений и при переходе на обработку других деталей чаще всего не следует применять специальных наладок.
Эффективное использование зубофрезерных станков с ЧПУ возможно при применении инструментов с высокой размерной стойкостью, обеспечивающих большое количество передвижек и подналадок, имеющих одинаковые конструктивные особенности и технологию изготовления.
Авторами статьи разработана, спроектирована, изготовлена и внедрена в производство в различные периоды гамма сборных зубообрабатывающих инструментов с поворотными зубчатыми рейками (рис. 2).
Преимущества сборных конструкций фрез [4] по сравнению со стандартными монолитными по ГОСТ 9324-80Е, тип 2 рассмотрим на
примере червячной зуборезной фрезы с модулем 4,25мм (см. рис. 2, а) для нарезания цилиндрических колес масляного насоса высокого давления дизельного двигателя ЯМЗ 236.
В продольных пазах корпуса 1 (рис. 3) рейки 2 установлены с натягом и закреплены двумя коническими крышками 3 с помощью винтов 4. Крышки фиксируют рейки в осевом и радиальном положениях. Рейки изготовляются из быстрорежущих сталей марок Р6М5 или Р6М5К5 с защитным покрытием из ТІК. Профилирование реек производится на резьбошлифовальном станке в технологическом положении, когда их задние поверхности располагаются на цилиндрической винтовой поверхности.
а б в г
Рис. 2. Сборные червячные фрезы и обработанные ими детали: а - для цилиндрических колес; б - для звездочек приводных цепей; в - для храповых колес; г - для деталей с цилиндрической зубчатой
поверхностью
12 3 4
175
а б в
Рис. 3. Конструкция сборной червячной фрезы: а - технологическое положение реек; б, в - рабочее положение реек; 1 - корпус; 2 - комплект реек; 3 - крышка; 4 - винт
Основными эксплуатационными параметрами монолитных и сборных фрез, определяющими их стойкость между переточками, являются: задний и передний углы на цилиндре вершин зубьев, длина режущей части реек, задние кинематические углы резания, запас ширины рейки на переточки.
При одинаковых задних углах на цилиндре вершин зубьев равных 12о, монолитные фрезы имеют нулевой передний угол, а сборные - угол
5о или угол 10о с соответствующей корректировкой профиля.
Длина режущей части сборных фрез в полтора раза больше длины монолитных фрез, также в два раза больше и шлифованный участок задней поверхности реек. Соотношение кинематических задних углов резания, являющихся функцией заднего угла на цилиндре вершин зубьев, показано на графиках (рис. 4). Графики построены при взгляде на режущую рейку со стороны задней поверхности, т е в направлении ее вращения.
Рис. 4. Кинематические задние углы резания у монолитных и сборных фрез
Анализ графиков показывает, что сборные фрезы имеют более благоприятное и равномерное распределение величин углов резания, что способствует равномерному изнашиванию режущих кромок. Малые задние углы у выходящих из резания режущих кромок монолитных фрез снижают их стойкость почти в два раза.
Многолетняя производственная эксплуатация сборных фрез подтвердила их высокую эффективность как с точки зрения производительности, так и экономичности. При одинаковом режиме резания стойкость сборных фрез за полный период эксплуатации в два - четыре раза выше стойкости монолитных фрез.
Список литературы
1. Week M., Becker R., Ye G. «Elektrisch-Elektronische Realisierung Ungleichmassiger, Periodischer Bewegungen» // Special VDI- Zeitschrift An-triebstechnik (1987) VDI Verlag. S. 32 - 44.
2. Федоров Ю. Н., Феофилов Н. Д. Расчет параметров процесса зу-бонарезания червячными фрезами // Исследования в области технологии механической обработки и сборки машин. 1977. С. 9 - 16.
3. Феофилов Н. Д. Червячная фреза с взаимозаменяемыми твердосплавными резцовыми блоками // Резание и инструмент. 1980. С. 95-97.
4. Феофилов Н.Д. Червячные фрезы с поворотными зубчатыми рейками // Вестник машиностроения. 2001. № 6. С. 44-46.
V. Skryabin, A. Timofeev, N. Feofilov, E. Yanov
Kinematics of the worm hobbing
The problems of rational use of gear hobbing machines for machining parts with different tooth profile are considered. The schemes of the realization of the processing cycles and specifications are most common in Russia, CNC gear hobbing domestic and foreign, as well as the progressive construction of prefabricated tools are considered.
Key words: hobbing, rolling action, cycle, feed.
Получено 28.12.10 г.
УДК 621.919.2
М.И. Корнева асп., 910-700-47-85, когшап£@шаП .ги (Россия, Тула, ТулГУ)
РАСЧЕТ НАТЯГА ПРИ ОТДЕЛОЧНОЙ ОБРАБОТКЕ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЛАТУНИ КОМБИНИРОВАННЫМ ФАСОННЫМ ИНСТРУМЕНТОМ
Представлен расчет натяга, возникающего между размерами шестигранника латунной гайки и шестигранника первой, буферной, обжимающей матрицы комбинированного фасонного инструмента при отделочной обработке детали.
Ключевые слова: натяг в системе матрица - деталь, осевые и тангенциальные напряжения, закон Гука, относительное удлинение элемента.
При производстве изделий водоразборной арматуры на предприятии ООО «Аркон» возникла необходимость в отыскании принципиально новых технических решений по отделочной обработке деталей, требующих полировочной операции и имеющих большой объем выпуска, в частности, детали «Гайка соединительная», которая представлена на рис. 1. Наружный шестигранник данной гайки является базой для обра-
