CC BY
47
обработка материалов резанием
УДК 621.833
Прогрессивный режущий инструмент для зубообработки
Н. А. Чемборисов, Р. М. Хисамутдинов, В. А. Авдеев
Ключевые слова: бреющий червяк, бреющее зуботочение, эвольвентный профиль.
Сегодня всем уже ясно, что наступивший финансовый кризис не просто явление, а затяжной марафон «на выбывание», в котором до финиша доберутся только сильнейшие. Для производителей это означает, что их продукт должен иметь высокое качество и низкую себестоимость, следовательно, возникшая конкурентная схватка, прежде всего, борьба технологий.
Одним из самых трудоемких процессов в машиностроении является формирование эволь-вентных профилей зубчатых колес. Полный цикл традиционной технологии состоит из чернового и получистового зубофрезерования (зу-бодолбления) заготовки, зубошевингования, зубохонингования (зубошлифовки) и зубопри-тирки. Таким образом, получение высококачественных эвольвентных профилей требует разнообразного высокоточного оборудования и дорогостоящей оснастки.
Бреющее зуботочение
Предлагается принципиально новая технология производства цилиндрических зубчатых колес, состоящая всего из двух переходов — черновой горячей накатки (штамповки) зубьев и окончательного формирования эвольвентных профилей методом «бреющего» зуботочения.
Стан для горячей накатки зубьев был разработан и опробован во Всероссийском научно-исследовательском и проектно-конструкторском институте металлургического машиностроения им. акад. А. И. Целикова (ВНИИМЕТМАШ) еще в 1990-х гг. Время накатки колеса среднего модуля с любым числом зубьев не превышает 1 мин. Погрешность полученного профиля составляет 0,2-0,3 мм на сторону [1, 3].
Особый интерес представляет именно 2-й этап технологического процесса — бреющее зубо-точение. Сама идея существует сравнительно давно, она была запатентована параллельно группой московских [2] и челнинских [3] ученых только в 1993 году.
Суть метода состоит в обработке боковой поверхности предварительно сформированного зуба посредством «бреющего червяка» — специального инструмента червячного типа со сплошной винтовой режущей кромкой (рис. 1). Обработке могут подвергаться как сырые, так и закаленные цилиндрические зубчатые колеса.
Кинематическая схема процесса похожа на классическое червячное зацепление. Однако, в отличие от червячной фрезы, формообразование производится не зубьями, а боковой поверхностью винтового профиля (рис. 2).
Как видно на схеме, одним из ключевых вопросов является профиль боковой поверхности инструмента. Для его аналитического описания вполне достаточно рассмотреть плоскую задачу. Вид в плане на обрабатываемую заготовку представлен на рис. 3.
При расчете формы боковой стороны бреющего червяка используется несколько профилей:
• теоретически точный профиль — кривая, описываемая движением точки пересечения основной окружности с обрабатываемой
Рис. 1. Бреющий червяк
обработка материалов резанием
ШШ^БРАБОШ
Рис. 2. Схема бреющего зуботочения
боковой стороной зуба (точка A на рис. 3) относительно текущей рабочей вершины винтовой режущей кромки;
• теоретический профиль — модификация теоретически точного профиля с учетом конструктивно-технологических допущений;
• теоретически точный профиль с учетом переточек — модификация теоретически точного профиля с учетом максимально допустимого количества переточек инструмента;
• реальный профиль — модификация теоретического профиля с учетом обеспечения гарантированных зазоров при максимально допустимом количестве переточек инструмента.
Рис. 3. Графическое описание теоретически точного профиля1
1 Здесь и далее по тексту все обозначения приведены в соответствии с рекомендациями ГОСТ 16530—83 [6].
К исходным данным при математическом описании теоретически точного профиля относятся константы:
• rb2 — радиус основной окружности заготовки, мм;
• ra2 — радиус окружности вершин зубьев заготовки, мм;
• ru2 — радиус установки бреющего червяка, мм,
а также переменная ф2 — угол текущего положения точки A.
Задача: выявить зависимости x = F (Ф2), y = F (Ф2). Для анализа необходимо задать три системы координат:
• декартову систему заготовки Xp—Op—Y,, где точка Op лежит на оси заготовки, а ось Op—Xp параллельна оси бреющего червяка;
• декартову систему инструмента Xi-Oi-X], где точка O1 совпадает с текущей рабочей вершиной винтовой режущей кромки бреющего червяка, а оси параллельны системе Xp-Op-Yp;
• декартову систему инструмента X2-O2-Y2, где точка O2 совпадает с точкой Op, а ось O2-X2 проходит через точку A.
Координаты точки A в системе X2-O2-Y2 определить легко: x2A = ra2; y2A = 0. Нас интересуют координаты точки A в системе X1-O1-Y1, для чего нам и нужна система Xp-Op-Yp. Сначала мы переводим координаты точки A в систему Xp-Op-Yp, затем из системы Xp-Op-Yp переводим в искомую систему X]-O]-Y]. После преобразований координат получаются формулы для расчета теоретического профиля боковой стороны бреющего червяка в торцовом сечении:
xia = ra2 cos (Sa - Ф2) - a cos (sJ + (1)
yia = Га2 sin (Sa + Ф2) - ra2. (2)
При расчете теоретического профиля формы задней поверхности бреющего червяка руководствуемся необходимостью обеспечить следующие условия:
• оптимальный задний угол (3... 6°);
• исключение касания обрабатываемой боковой стороны зуба и рассчитываемого профиля;
• максимально возможная прочность витка с учетом воздействия на червяк значительных усилий при бреющем зуботочении;
• максимально упрощенная форма задней поверхности, исходя из технологических соображений.
Ввиду изложенного считаем рациональной форму задней поверхности, представленную на рис. 4.
Профиль состоит из двух участков — прямолинейного и дуги окружности. Прямолинейный
обработка материалов резанием
Ф2 = arcsin
( Út
ru2
ra2
- гп
Переходим к нормальному сечению: x1 = = x1^ cos Р2; y1 = y1f Учитываем боковой зазор (0,5 мм) для каждой точки: x12' = x12 - 0,5; X 3' = x 3 - 0,5. Переходим к системе координат X-1-Y:
У2' = -(2шп-Нзп); x2' = -x12'-h3„ tg а;
У3' = -(y13-h3n); x3' = -x13'-h3n tg а.
Радиус дуги окружности, проходящей через точки 1-3'-2', определяем, решая теорему синусов относительно радиуса описанной окружности:
R =
V(ú2' - Ú3')
2 1 (^2' - Х3>)2
Рис. 4. Графическое описание формы задней поверхности: I — теоретически точный профиль; II — дуга окружности
участок О1— высотой Нзп = 4 мм служит для обеспечения необходимого заднего угла. Второй участок предназначен для зазора между заготовкой и инструментом. Для расчета нам необходимо задать две системы координат инструмента:
• декартову X1-О1-У1, где точка О1 совпадает с вершиной режущего клина, а ось О1-^1 перпендикулярна винтовой режущей кромке;
• декартову Х—1—У с центром на стыке участков и направленную противоположно системе Х1-О1-У1.
Параметры участка О1-1 определяются конструктивно, поэтому единственной задачей расчета является определение радиуса дуги окружности второго участка. Идея решения этой задачи состоит в определении опорных точек, отстоящих от теоретически точного профиля на величину зазора, и круговой интерполяции через них. Для однозначного проведения дуги окружности необходимо и достаточно трех точек. Руководствуясь этой аксиомой, производим круговую интерполяцию через точки 1-3'-2'. Положение точки 1 определяется конструктивно, требуется определить координаты точек 3' и 2'. Для этого в системе используем формулы (1)
и (2), в торцевом сечении находим:
• координаты точки 2 при ф = п/2 — га;
• координаты точки 3 при = (2тп -
- ^3п)/2 + Ь,3п.
2 sin | arctg (x2¡y2') - arctg (x^ /y3>)
По сравнению с традиционной описываемая технология обладает целым рядом преимуществ:
• Упрочненность рабочей поверхности зубьев, возникающая при зубонакатке в результате поверхностно-пластической деформации. Так как снимаемый при бреющем зуботочении припуск не превышает 0,5 мм на сторону, эффект упрочненности снижается незначительно.
• При согласованном вращении инструмента и колеса вектор резания совпадает с образующей формируемой поверхности, поэтому теоретический профиль получаемой эвольвенты близок к идеальной. Таким образом, погрешности профилей зубьев зависят исключительно от жесткости технологической системы резания и точности изготовления инструмента.
• При классическом зубофрезеровании формообразование производится дискретно, зубьями фрезы. В нашем случае резание происходит непрерывно, наподобие резания саблей «с оттяжкой», от вершины зуба к его основанию, поэтому микронеровности поверхности направлены вдоль зуба и зависят только от продольной подачи.
• Преимущества формообразования и характер микронеровностей на рабочей поверхности зуба позволяют достигнуть требуемых показателей качества зацепления без операций чистового фрезерования, шевингования, хонингования и шлифовки. Это дает колоссальный экономический эффект после внедрения данной технологии.
• При классической технологии величина модуля зуба напрямую влияет на количество
обработка материалов резанием
МЕТ^^БРД^к)!
стружки. В условиях бреющего зуботочения всегда снимается мало стружки, что положительно сказывается на экономике и экологии производства.
При освоении рассматриваемой технологии необходимо учитывать ее некоторые особенности:
• Для обеспечения выхода режущей кромки бреющего червяка нужно обеспечить подрезку основания зуба на величину снимаемого бокового припуска при проектировании оснастки для накатки зубьев.
• Для максимального использования эффективности, заложенной в методику процесса бреющего зуботочения, необходимо использовать оборудование с высокими скоростями согласованного вращения стола (>100 об/мин) [1].
• Для двухсторонней обработки эвольвен-тных профилей за один установ детали, необходимо использовать бреющий червяк с двусторонней заточкой [3-5] и станки с числовым программным управлением, обеспечивающие беззазорное согласованное реверсивное движение исполнительных органов.
• При бреющем зуботочении на поворотном столе возникает весьма значительный крутящий момент, неспецифичный для обычного зубофрезерного станка. Это требует применения специальных клиновых разжимных оправок, гарантирующих предохранение детали от проворота при обработке.
• Для получения заданного припуска под бреющее зуботочение оборудование или оснастка должны позволять независимый поворот заготовки после настройки цепи деления.
Выводы
Предлагаемая технология позволит сэкономить колоссальные средства на инвестициях в оборудование и его подготовку при создании нового зубообрабатывающего производства. В случае реорганизации действующего производства ежегодный экономический эффект будет достигнут за счет высвобождения мощностей оборудования, площадей, персонала, оснастки и снижения металлоемкости заготовки.
Апробирование данной технологии производилось на КамАЗе в 1992 году. В качестве объекта обработки использовалась шестерня привода промежуточного вала коробки переменных передач автомобиля КАМАЗ (чертежный № 14.1701056; модуль зуба т = 4,25, число зубьев г = 46). В качестве инструмента выбран бреющий червяк с двусторонней заточкой (7 заходов, направление винтовой режущей кромки правое) [3]. Результаты обработки подтвердили эффективность этой технологии.
По данным различных источников, зарубежные фирмы тоже испытывают данную технологию «на зуб», поскольку ее применение в производстве придает конечному продукту очевидное конкурентное преимущество по цене и качеству, а это именно то, что сегодня так нужно производителю.
Литература
1. Сапронов В. С. Повышение эффективности финишной зубообработки бреющим зуботочением: Автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.02.08 / Моск. гос. акад. приборостроения и информатики. М., 1995. 16 с.
2. Пат. 1378187 Российская Федерация. Способ чистовой обработки эвольвентных профилей зубьев зубчатых колес [Текст] / А. А. Михайлов, В. А. Комаров, В. И. Винокуров; заявитель и патентообладатель Всесоюз. заочн. машиностроит. ин-т; заявл. 05.03.1986; опубл. 07.03.1993. Бюл. № 9.
3. Пат. 2005013 Российская Федерация. Способ чистовой обработки зубьев эвольвентных зубчатых колес [Текст] / Н. В. Сморкалов, В. П. Скрипин, В. П. Птицин и др.; заявитель и патентообладатель Камский политехнический институт; заявл. 31.10.1990; опубл. 30.12.1993. Бюл. № 47-48.
4. Сморкалов Н. В. Численное моделирование поверхностей при обработке резанием. Набережные Челны: Изд-во Камск. политехн. ин-та, 2003. 177 с.
5. Юнусов Ф. С., Хисамутдинов Р. М. Повышение точности производящих поверхностей формообразующих элементов. Казань: Изд-во КГТУ им. А. Н. Туполева, 2008. 212 с.
6. ГОСТ 16530-83. Передачи зубчатые. Общие термины, определения и обозначения. Взамен ГОСТ 16530-70; введ. 01.01.84. М.: Изд-во стандартов, 1983. 49 с.: ил.
