CC BY
61
ТЕХНОЛОГИЯИ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ
УДК 621.91
М.В. Грязев, д-р техн. наук, проф., ректор, (4872) 35-82-00, 35-21-55, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
Ю.Н. Фёдоров, д-р техн. наук, проф., (4872) 33-23-10, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
В.Д. Артамонов, канд. техн. наук, доц., (4872) 33-23-10, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ОПТИМИЗАЦИИ ПРОЦЕССА ЗУБООБРАЗОВАНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОЛЁС
Рассмотрены основные методы зубонарезания цилиндрических зубчатых колёс: копирования я обкатывания. Приведён анализ схем формообразовання Предложен новый вид зуборезных инструментов: гребенчатые фрезы и резцовые головки. Выявлены возможности оптимизации схемы зубообразования при переменной скорости формообразования.
Ключевые слова: цилиндрические убатые колёса, зубонарезание, метод обкатывания, резцовые головки.
Возможность ускоренного развития экономического потенциала нашей страны неразрывно связана с созданием новых технологий с перспективой их давнейшего совершенствования на основе последних достижений в науке и технике. Особую значимость это имеет в производстве сложных машин и механизмов, широко использующих для передачи и преобразования движений раличные виды зубчатых передач, от точности и качества изготовления которых во многом зависит эффективность эксплуатации самих изделий.
Наибольшее распространение среди них получили цилиндрические передачи, состоящие из зубчатых колес с прямыми зубьями, которые характеризуются целым радом преимуществ, особенно в технологи ж производства. В зависимости от требований, предъявляемых к их функцио-наьному наначению, они должны быть изготовлен! с определенной
точностью и обеспечивать необходимую прочность и надежность в процессе эксплуатации.
Обеспечение этих требований возможно при условии правильного выбора технологии изготовления цилиндрических зубчатых колес в условия конкретного типа производства. Причем, основным наиболее трудоемким этапом такой технологии является формообраование зубчатого венца, точность и качество которого во многом определяют работоспособность зубчатой передачи. Поэтому при разработке технологического процесса изготовления цилиндрических зубчатых колес следует учитывать специфические особенности их конструктивного оформления и особенно условий работы.
Особое место среди цилиндрических зубчатых колес занимают малогабаритные узковенцовые колеса малого модуля т = 2... 5 мм, которые широко используются в автомобилестроении и производстве мототехники. Для формирования зубчатых поверхностей таких колес могут быть использованы раличные способы зубообраования как по методу копирования, так и по методу обкатывания.
Принцип зубообраования фасонным инструментом имеет определенные положительные моменты, к числу которых можно отнести, в первую очередь, возможность высокопроизводительной обработки зубчатых венцов за счет значительного увеличения суммарной длины режущих кромок, одновременно участвующих в процессе резания. Однако основными недостатками, характерными для метода копирования, являются сложность профилирования и изготовление фасонного инструмента. Другим существенным недостатком такого инструмента следует считать отсутствие универсальности. Отмеченные недостатки ограничивают технологические возможности использования метода копирования в производстве зубчатых колес.
Поэтому в настоящее время наибольшее распространение в машиностроении при изготовлении зубчатых колес, особенно цилиндрических, получил метод обкатывания, не имеющий укаанных недостатков. Зуборезные обкатные инструменты - гребенки, долбяки, червячные фрезы -выгодно отличаются yдивeрcльнocтью, что обеспечивает возможность их применения для зубонарезания широкого диапаона обрабатываемых зубчатых колес. Это обусловлено специфической особенностью самого метода обкатывания, связанной с формообраованием зубьев колеса.
В отличие от метода копирования, пи котором профиль зуба образуется теоретически одним движением режущего инструмента, при фор-мообраовании зубьев методом обкатывания необходимо осуществить определенное количество резов, касательных к обрабатываемому профилю. Точность профиля обрабатываемых зубьев определяется величиной огранки, которая зависит от количества формообраующих резцов, следовательно, и поизводительность процесса зубонарезания методом обкатывания
определяется количеством профилирующих резов, осуществляемых в единицу времени.
Значит эффективность любого метода формообраования зубчатых профилей как копированием, так и обкатыванием будет определяться суммарной длиной режущих кромок, срезающих припуск в единицу времени. Увеличение суммарной длины режущих кромок пи зубообработке методом обкатывания возможно за счет создания более сложных инструментов, например, гребенчатых фрез, или оснащения лх современными инструмен-таьными материлами, например, твердым сплавом, который позволяет значительно увеличить скорость резания и соответственно число резов в единицу времени.
Более перспективным следует считать то направление в производстве зубчатых колес, которое позволяет повысить эффективность процесса зубонарезания при оптимльной ее экономичности. С этой точки зрения наиболее целесообрано использование зуборезного обкатного инструмента реечного типа, имеющего профиль трапециевидной формы, что значительно упрощает его изготовление из любого инструментльного материла.
Для наиболее полного использования режущих свойств инструментального материала главное движение инструмента - движение резания -должно быть вращательным, так как именно вращательное движение обеспечивает достижение высоких скоростей резания. Поэтому необходимо рарабатывать и совершенствовать такие схемы формообраования зубчатых профилей методом обкатывания, которые позволяют применять для зубообработки наиболее простые технологичные инструменты, оснащенные современными режущими сталями и сплавами, реализующие схемы резания при скоростных режимах обработки.
Для успешного решения этой задачи целесообрано проанализ и овать раллчные схемы формообраования эвольвентных зубчатых профилей методом обкатывания. Основой анализа схем формообраования является известное положение о том, что при нарезании зубьев по методу обкатывания процесс огибания боковой поверхности зуба заготовки боковой повеехно-стью зуба инструмента определяется только характером лх относительного движения [1]. Абсолютные же движения заготовки и инструмента не оклы-вают никакого влияния на схему формообраования зубчатых поверхностей и определяются только технологическими соображениями.
Релизация принципа обкатывания возможна при зацеплении нарезаемого зубчатого колеса с инструментом по различным схемам, из которых в рамках поставленной задачи выявления потенцильных возможностей оптимизации процесса зубонарезания наибольший интерес вызывает схема с реечным зацеплением (рис. 1).
Рассмотрим возможные сочетания абсолютных движений на примере использования реечного инструмента. Если обрабатываемое зубчатое колесо имеет только вращательное движение с угловой скоростью ю (см.
рис. 1, а), то начальная прямая производящей рейки инструмента должна перемещаться по начальной окружности радиуса гь заготовки с линейной скоростью V. При этом обязательным является сохранение неизменным соотношения этих скоростей
V
ю = —.
гь
В случае, когда производящая рейка инструмента неподвижна (см. рис. 1, б), заготовка совершает сложное движение, характеризуемое скоростным треугольником РКК/7, где Р - полюс мгновенного вращения при относительном движении заготовки.
а
Рис. 1. Схемы формообразования зубчатых профилей с реечным зацеплением: а- с подвижной рейкой; б - с неподвижной рейкой
Относительное движение заготовки, необходимое для осуществления огибания, определяется соотношением угловой скорости О мгновенного вращения и скорости V мгновенного перемещения центра заготовки при качении начальной окружности радиуса гь заготовки по начальной
прямой производящей рейки. В этой схеме используется более простой реечный инструмент, имеющий прямолинейные очертания режущих кромок. Преимущество этого инструмента становится очевидным при рассмотрении его возможностей воспроизводства движения резания. При поступательном перемещении режущей рейки вдоль оси обрабатываемого зубчатого колеса формообразующее движение совершает заготовка. Причем, если число зубьев рейки равно числу зубьев г обрабатываемого колеса,
то процесс зубонарезания осуществляется за однократный обкат заготовки. При уменьшении числа зубьев рейки возникает необходимость периодического г / г о-кратного обката заготовки. Такое сочетание движений инструмента и заготовки реализуется при использовании зуборезных гребенок, совершающих возвратно-поступательное движение резани.
Эффектность использования реечного инструмента при зунааеза-нии цилиндрических зубчатых колес значительно возрастает, если, не на-
руша основного условия рассмотрения схем формообразования в плоскости, произвести с определенным допущением замену поступательного движения резания, совершаемого инструментом относительно заготовки, вращательным движением по дуге окружности большого радиуса.
Это открывает возможности создания нового вида зуборезных инструментов, позволяющих резко повысить производительность обработки зубчатых колес и успешно решить вопросы оптимизации процесса зубонарезания по метод обкатывания.
При замене возвратно-поступательного движения резани зуборезных гребенок на вращательное движение имеем новые зуборезные инструменты - гребенчатые фрезы, если число зубьев гребенки равно числу зубьев обрабатываемого колеса, и дисковые резцовые головки, если гребенки имеют один зуб.
Характерной особенностью этих инструментов является независимость движения резания - вращательного движения инструмента, от движения формообраования; движений формообраования - движения обкатывания заготовки.
Отсутствие кинематического согласования указанных движений позволяет наиболее полно использовать режущие свойства современных ин-струментаьных материаов. Так, применение твердых сплавов при нарезании цилиндрических зубчатых колес дисковыми резцовыми головками позволило повысить почти на порядок скорость резани по сравнению с процессом зубонарезания червотными фрезами из быстрорежущей стали.
Другим существенным преимуществом нового вида зуборезного инструмента - дисковых резцовых головок - является возможность управления схемами срезания припуска, благодаря чему становится реаьным решение задачи оптимизации процесса формообразования зубчатых поверхностей цилиндрических колес.
Анаиз обычной схемы зубообразования цилиндрических колес по методу обкатывания (рис. 2) покаывает, что зуб производящей рейки в относительном движении, формирующем профиль зубьев, перемещается с переменной скоростью Уф - максимаьной в начае вырезания впадины
зубчатого колеса и минимаьной до нулевого значения в момент окончания профилирования одной стороны зуба. При выходе из впадины зуба производящей рейки и профилировании другой стороны смежного зуба скорость изменяется от 0 до максимального значения.
В связи с этим возникает задача обеспечения постоянной скорости укаанного формообразующего относительного движения Уф = const с целью срезания слоев метала равной толщены в процессе зубонарезания цилиндрических колес. Это позволит уменьшить число резов при вырезании впадины зубчатого колеса и выровнить огранку профиля формируемых боковых поверхностей зубьев. Уменьшение числа резов обеспечит
повышение производительности процесса зубонарезания, а выравнивание огранки профиля зубьев окажет положительное влияние на плавность работ зубчатой передачи.
Основным условием успешного решения поставленной задачи является необходимость осуществления в процессе зубонарезания раздельного последовательного формообразования впадин зубчатых колес.
Широко распространенные традиционные способы нарезания цилиндрических зубчатых колес червячными фрезами и долбяками не позволяют решить эту задачу, так как в процессе зубообработки одновременно формируется несколько боковых поверхностей зубьев на разных стадия формообразования.
Рис. 2. Классическая схема зубообразоеания по методу обкатывания
И только способы зубонарезания цилиндрических колес резцовыми головками большого диаметра по методу г-кратного обката заготовки позволяют реализовать сформулированное выше основное условие, обеспечивающее возможность оптимизации кинематики процесса зубообраова-ния по метод обкатывания.
Для практического осуществления такой оптимизации необходимо обкат заготовки производить с переменной скоростью в соответствии с закономерностью изменения скорости Уф = уаг в неоптимизированном процессе зубонарезания (рис. 3). Однако, известные конструкции обкатноделительных устройств, которые были использованы при зубообработки цилиндрических колес резцовыми головками, существенно ограничивают возможности оптимизации, так как управление скоростью обката заготовки в них осуществляется с помощью кулачковых механизмов. Поэтому актуальной является разработка новых конструкций обкатных устройств, снимающих это ограничение в реализации оптимизированного процесса зубонарезания цилиндрических колёс.
Рис. 3. Оптимизированная схема вырезания впадины зубчатого колеса
Интенсивный поиск приемлемого решения этой задачи позволил создать новый вариант обкатно-делительного устройства, в значительной мере устраняющий отмеченные ограничения и тем самым способствующий дальнейшему совершенствованию процесса зубообработки цилинд-
рических колес резцовыми головками большого диаметра. Таким образом, успешное решение всех поставленных задач открывает перспективы наиболее полного использования скрытых резервов повышения эффективности обработки зубчатых колес, заложенных в самом процессе зубообразо-вания по методу обкатывания.
Работа подготовлена по результатам исследований, проведенных при финансовой поддержке гранта РФФИ 09-08-99005
Список литературы
1. Артамонов В.Д., Фёдоров Ю.Н. Анализ эффективности процессов зубонарезания цилиндрических колес: монография. Тула : Изд-во Тул-ГУ, 2008. 356 с.
M. Gryazev, Y. Fedorov, V. Artamonov
Potential opportunities of optimization ofprocess gear cutting of spur gears.
In article the basic methods of gear cutting cylindrical spur gears are considered: copying and rolling. The analysis of circuits formative is resulted. The new kind gear cutting tools is offered: edge mills and tools heads. Opportunities of optimization of the circuit gear cutting are revealed at variable formative speed.
Получено 19.01.09
УДК 621.833.002
Ю.Н. Фёдоров, д-р техн. наук, проф., (4872) 33-23-10, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
С.С. Бондарчук, асп., (4872) 33-23-10, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЕ ЗУБОНАРЕЗАНИЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОЛЁС ДИСКОВЫМИ РЕЗЦОВЫМИ ГОЛОВКАМИ
Приведена схема и рассмотрен цикл процесса зубонарезания дисковыми резцовыми головками. Обоснованы преимущества использования дисковых резцовых головок, оснащенных взаимозаменяемыми резцами с твердосплавными режущими пластинами. Описан модернизированный горизонтально-фреарный станок модели 6М82Г.
Ключевые слова: цилиндрические зубчатые колеса, зубонарезание по методу обката, дисковые резцовые головки.
Выявленные в процессе промышленной апробации в производственных условиях Тульского машиностроительного завода недостатки процесса зубонарезания гребенчатыми фрезами [1] не позволили осуществить широкое внедрение данного метода, несмотря на его высокую производительность, поэтому на кафедре ТМС были продолжены работы по созда-
