ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ СТОЙКОСТИ ЧЕРВЯЧНЫХ ФРЕЗ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621:913:621.633

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ СТОЙКОСТИ ЧЕРВЯЧНЫХ ФРЕЗ О.И. Попова, М.И. Попова, Л.С. Печенкина Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия

Аннотация: рассмотрены пути повышения стойкости червячных фрез. Основными путями повышения износостойкости зуборезного инструмента являются создание новых конструкций высокопроизводительных червячных фрез, а также применение в конструкциях инструмента улучшенных самозакаливающихся комплексно-легированных сплавов. Предложено два пути повышения стойкости червячных фрез. Первый путь - это создание новых конструкций высокопроизводительных червячных фрез, второй - оптимальный выбор марки сплава для инструмента. В предлагаемой конструкции червячной фрезы благодаря уменьшению рабочей высоты зуба для первого, второго и третьего проходов сокращается длина основания каждого зуба, что дает возможность, не уменьшая прочности зуба, уменьшить угловой шаг зубьев в торцевом сечении и образовать на том же внешнем диаметре червячной фрезы большее количество реек. Увеличение количества реек дает большее количество профилирующих резов, что позволяет уменьшить неравномерность нарезания и динамические нагрузки. Новая конструкция фрезы позволяет значительно снизить интенсивность износа зубьев инструмента, что приводит к увеличению стойкости инструмента. Требованиям ко второму пути могут удовлетворять самозакаливающиеся комплексно-легированные сплавы на основе железа, сочетающие высокую прока-ливаемость с принципом композиционного упрочнения

Ключевые слова: червячная фреза новой конструкции, стойкость, комплексно-легированные сплавы Введение

Область применения износостойких инструментов и деталей охватывает практически все добывающие отрасли, энергетику, металлургию, строительно-дорожную технику, оборудование, где срок службы деталей определяется износом. Критериями выбора марки инструментального материала являются условия работы и интенсивность изнашивания. Следует учитывать необходимость механической обработки, условия термообработки, экономичность [1].

При анализе источников информации встал вопрос о выборе инструментального материала для фрез, с высокой продолжительностью работы и повышенной точностью обработки, в частности для червячной фрезы при нарезании червячного колеса из бронзы. При этом нужно было учесть продолжительность работы инструмента и параметры качества обработанной детали.

Износостойкость инструмента характеризуется сопротивляемостью инструмента истиранию под действием сил трения, возникающих в процессах резания, и определяется как скорость потери металла в г/(м2-ч) или мм/ч, мм/год, отдельным выходом инструмента из строя и увеличением сил резания.

Различают износ инструмента: механический, абразивный, адгезионный, химический, диффузионный, электроэрозионный и др. В

процессе резания все эти виды изнашивания могут иметь место, но в зависимости от конкретных условий один из них является доминирующим, определяющим интенсивность изнашивания и стойкость режущего инструмента.

Существующие виды износа инструмента и деталей, характерные некоторым сплавам, представлены на рис. 1.

© Попова О.И., Попова М.И., Печенкина Л.С., 2018

Рис. 1. Виды износа

Надежность работы инструмента определяется износостойкостью и является одним из важнейших параметров инструмента.

Изнашивание представляет собой процесс постепенного изменения размеров деталей вследствие работы трения, которая проявляется в отделении от поверхностей трения материала и (или) его остаточной деформации.

Постановка задачи

В результате периодических динамических и тепловых нагрузок происходит износ зубьев фрез. Износостойкость определяется механическими свойствами материала, условиями резания и геометрическими параметрами инструмента.

В условиях производства улучшают механические свойства материала, тем самым улучшая его эксплуатационные характеристики.

Этого можно достичь, управляя процессами формирования структуры и свойств метала, соотношением в них основных химических элементов, комплексным легированием, модифицированием, режимами термической обработки.

Основными путями повышения износостойкости зуборезного инструмента являются:

- создание новых конструкций высокопроизводительных червячных фрез;

- применение в конструкциях инструмента улучшенных быстрорежущих сталей и твердых сплавов.

Целью данной работы является повышение стойкости червячной фрезы за счет оптимизации конструкции и использование в качестве инструментального материала комплексно-легированных сплавов нового состава.

Результаты работы

Для увеличения периода стойкости исследованы изменения формы поверхности зубьев червячной фрезы (рис. 2):

1 - червячная фреза новой конструкции;

2 - зубья для первого прохода;

3 - зубья для второго прохода;

4 - головка зубьев второго прохода;

5 - ножка зубьев второго прохода;

6 - зубья для третьего прохода,

7 - головка зубьев третьего прохода;

8 - ножка зубьев третьего прохода;

9 - проточки;

10 - заборный конус;

11 - заготовка червячного колеса;

12 - профиль исходного контура; Df - диаметр впадин;

Da1 - диаметр вершин зубьев 2, Da2 - диаметр вершин зубьев 3; Da3 - диаметр вершин зубьев 6.

Рис. 2. Червячная фреза новой конструкции: а - осевое сечение червячной фрезы во время обработки червячного колеса; б - зубья для первого прохода; в - зубья для второго прохода; г - зубья для третьего прохода

Благодаря уменьшению рабочей высоты зуба для первого, второго и третьего проходов сокращается длина основания каждого зуба, что дает возможность, не уменьшая прочности зуба, уменьшить угловой шаг зубьев в торцевом сечении и образовать на том же внешнем диаметре червячной фрезы большее количество реек. Увеличение количества реек дает большее количество профилирующих резов,

что позволяет уменьшить неравномерность нарезания и динамические нагрузки [2, 3].

В процессе обработки фреза новой конструкции совершает главное вращательное движение и одновременно осевое перемещение, при этом заготовка червячного колеса совершает только вращательное движение.

На рис. 3 представлено 3D-моделирование процесса формообразования червячного колеса червячной фрезой новой конструкции.

Рис. 3. 3Б-моделирование процесса механической обработки червячных колес червячной фрезой новой конструкции

Обработка зубьями первого прохода осуществляется с момента прикосновения к обрабатываемой заготовке заборного конуса и выхода этих зубьев из контакта с заготовкой червячного колеса. При этом зубья первого прохода обрабатывают верхнюю треть от высоты зуба червячного колеса.

Обработка зубьями второго прохода осуществляется с момента прикосновения к обрабатываемой заготовке этих зубьев и выходу их из контакта с заготовкой червячного колеса. При этом головки зубьев второго прохода обрабатывают среднюю треть от высоты зуба червячного колеса, а ножки с профилем в форме трапеции участия в обработке не принимают.

Обработка зубьями третьего прохода осуществляется с момента прикосновения к обрабатываемой заготовки этих зубьев и выходу их из контакта с заготовкой червячного колеса. При этом головки зубьев третьего прохода обрабатывают нижнюю треть от высоты зуба червячного колеса, а ножки с профилем в форме трапеции участия в обработке не принимают.

Обработка прекращается после выхода зубьев для третьего прохода из станочного зацепления червячная фреза - заготовка.

Зубья фрезы новой конструкции, расположенные на ее конической части, срезают большую часть металла, оставляя небольшой припуск для обработки калибровочными зубьями. Калибровочные зубья, срезая небольшой слой металла, изнашиваются меньше, чем зубья обычной фрезы.

На стойкость фрез существенно влияет принятая схема резания, определяющая нагрузку на зубья. У стандартных фрез активно используется 15...20 % длины режущих кромок по периметру. При этом наибольший объем срезаемого металла приходится на вершинные режущие кромки, особенно тех зубьев, которые первыми вступают в резание. Эти зубья быстрее изнашиваются и оказывают определяющее влияние на период стойкости инструмента. Этот недостаток устраняется путем использования червячной фрезы новой конструкции [2, 3]. Равномерное распределение припуска для трех инструментальных реек и увеличение количества зубьев на диаметре позволяет снизить на 2/3 нагрузку на зуб и увеличить период стойкости.

Так, для этих фрез относительная доля вершинного лезвия в периметре резания на 30% больше, чем у стандартных червячных фрез и на 12% больше, чем при делении профиля по высоте на две части, что показывает существенное уменьшение удельной нагрузки, которое приходится на вершинные лезвия, и повышение стойкости.

Червячная фреза новой конструкции Периметр резания Ширина вершинного лезвия Относительная доля,%

Первый проход (2-1,0/^аш+0.6 6+ +2- 1,25^аш) т (0.66+2-1,2 5^аш) т 42,45

Второй проход (2-1,0/амаш+0.6 6+ +2-0,5^аш) т (0.66+2-0,5 т 32,48

Третий проход (2-0,75/амаш+0. 66) т 0.66 т 29,25

Где т - модуль, ат - угол профиля исходного контура.

На рис. 4 представлено нарезание червячного колеса фрезой новой конструкции из быстрорежущей стали Р6М5.

Для проверки стойкости инструмента были нарезаны червячные колеса с одинаковыми условиями резания фрезой новой конструкции, червячной фрезой с заборным конусом, червячной фрезой ГОСТ 9324-80Е.

Рис. 4. Нарезание червячного колеса фрезой новой конструкции

0.65 О.во О 55 0.50 0.45 0.40 0.35 О.ЭО 0.25 0.20 0.1Б 0.10 0.05 0.00

-4--

/ 4-/-

\

-1-

/

ч

б

Рис. 5. Радиальное биение ¥г , мкм: а - степень влияния переменных факторов; б - зависимость ¥г от N и ппр ^=12): 1 - ппр=3; 2 - Пр=2; 3 - Пр=1 прохода

В результате обработки экспериментальных данных [4] получена следующая математическая модель радиального биения колеса Рг(Уз):

у5=38, 75-6,5Х1-1.5Х2-3,25Х3,

где Х1 = 1(Х - 2); Х2 = 0,333333(Х - 9); Х3 = 1(Х - 2).

Из модели (1) следует, что наибольшее влияние на радиальное биение ¥г имеет количество частей разделения профиля по высоте инструментальной рейки червячной фрезы N (степень влияния - 58%). С повышением количества частей разделения профиля по высоте инструментальной рейки червячной фрезы уменьшается радиальное биение ¥г (рис. 5). Следовательно, количество частей разделения профиля по высоте инструментальной рейки червячной фрезы надо рассматривать как главный управляющий фактор. Влияние количества зубьев червячной фрезы - незначительно (не превышает 13%).

Установлено, что с увеличением количества проходов фрезы ппр и увеличением количества частей разделения по высоте профиля инструментальной рейки N уменьшается радиальное биение ¥г.

Также выявлено влияние количества зубьев червячной фрезы на радиальное биение ¥г обработанного червячного колеса. Установлено, что при увеличении количества зубьев червячной фрезы уменьшается ¥г. Что подтверждает повышение стойкости червячной фрезы за счет создания новой конструкции.

Другая возможность повышения износостойкости - оптимальный выбор марки сплава для инструмента. В процессе резания инструментом происходит процесс стружкообразова-ния. Поверхность инструмента в каждой точке контакта находится под действием срезающих напряжений, что приводит к разрушению металла и образованию стружки. Сам процесс стружкообразования создает механическое и абразивное воздействие на лезвие режущего инструмента. Поэтому для инструментальных материалов необходимы высокий предел выносливости, максимальная твердость, теплостойкость и стойкость к износу. Этим требованиям могут удовлетворять самозакаливающиеся комплексно-легированные сплавы, сочетающие высокую прокаливаемость с принципом композиционного упрочнения и упрочняющимся по механизмам, характерным для быстрорежущих сталей. Возможно также обеспечение экономного легирования этих сплавов дорогими и дефицитными компонентами. Основой для разработки литых твердых сплавов с необходимыми свойствами могут служить комплексно-легированные белые чугуны, обладающие высокой твердостью, износостойко-

а

шт 3

N

стью и повышенными прочностными свойствами, по существу являющиеся литыми твердыми сплавами. При дополнительном повышении их специальных свойств (термостойкости, теплостойкости, абразивной износостойкости) и технологичности могут быть существенно расширены возможности их использования.

В работе затрагивалась тема получения литого инструмента. Так как быстрорежущая сталь является в этом случае малоэффективной из-за неоднородности литой структуры стали и обусловленного этим недостаточно высокого уровня свойств, а также из-за высокой стоимости, были проведены экспериментальные работы по применению других сплавов для металлорежущего инструмента. Особенностями этих сплавов являются отсутствие в их составе дорогого и дефицитного вольфрама, хорошие литейные свойства и возможность обеспечения необходимой структуры и достаточно высоких эксплуатационных характеристик при использовании литых заготовок (без применения обработки давлением).

Заключение

Установлено, что применение червячных фрез новой конструкции позволяет увеличить число стружечных канавок в 1,5 - 1,7 раз, что позволяет увеличить число профилирующих резов, уменьшить неравномерность нарезания и динамические нагрузки, позволяет снизить интенсивность износа зубьев инструмента в 1,3-1,5 раза, что увеличивает износостойкость инструмента.

Установлен рациональный химический состав самозакаливающихся комплексно-легированных сплавов (основа - железо), включающий до 2% углерода, ванадий и хром при соотношении их содержаний 0,90-0,95% до 2% кремния при небольшом содержании молибдена (до 3%) и ограниченном содержании марганца (до 0,8%).

Оптимизация конструкции и использование в качестве инструментального материала новых комплексно-легированных сплавов приводит к уменьшению стоимости инструмента, улучшая при этом его эксплуатационные характеристики.

Литература

1. Печенкина Л.С. Влияние содержания структурообразующих компонентов на твердость малоуглеродистых белых чугунов // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2017. Т. 13. № 3. С. 134-138.

2. Попова М.1., Попова О.1. Вплив конструкцп черв'ячно! фрези iз подшеним за висотою профшем ш-струментально! рейки на геометрш черв'ячного колеса [Влияние конструкции червячной фрезы с разделенным по высоте профилем инструментальной рейки на геометрию червячного колеса] // Збiрник матерiалiв мiжнарод-но! науково-техшчно! конференцй «Машинобудування -очима молодих». Кременчук, 2013. С. 31-32.

3. Попова О.И., Кривошея А.В., Попова М.И. Усовершенствование математических моделей формообразования червячных колес с учетом равномерного припуска при обработке // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2017. Т. 13. № 2. С. 114122.

4. Радченко С.Г. Математичне моделювання техно-лопчних процесiв в машинобудуваннi. К.: ЗАТ «Укр-спецмонтажпроект», 1998. 274 с.

Поступила 19.03.2018; принята к публикации 19.07.2018 Информация об авторах

Попова Ольга Ивановна - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: olga_10_popova@mail.ru

Попова Маргарита Ивановна - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: vip.popovamargarita@mail.ru

Печенкина Лариса Степановна - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: pls-7@mail.ru

WAYS OF INCREASING THE RESISTANCE OF HOB CUTTER O.I. Popova, M.I. Popova, L.S. Pechenkina

Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia

Abstract: the ways of increasing the durability of hob cutters are considered in the article. The main ways to improve the wear resistance of gear cutting tools are the creation of new designs of high-performance hob cutters, as well as using the tool design of improved self-hardening complex alloys. Two ways of increasing the durability of hob cutters are proposed. The first

way is the creation of new designs of high-performance hob cutters; the second is the optimal choice of the alloy brand for the tool. In the proposed hob cutter design, by reducing the working height of the tooth for the first, second and third passes, the length of the base of each tooth is shortened, which makes it possible, without decreasing the strength of the tooth, to reduce the angular pitch of the teeth in the end section and form on the same outer diameter a hob cutter racks. An increase in the number of racks gives a greater number of profiling cuts, which reduces the irregularity of cutting and dynamic loads. The new design of the hob cutter significantly reduces the wear rate of the tool teeth, which leads to an increase in tool life. The requirements to the second path can be satisfied by self-hardening complex iron-based alloys that combine high hardenability with the principle of composite hardening

Key words: new hob cutter, durability, complex alloys

References

1. Pechenkina L.S. "Influence of the content of structure-forming components on the hardness of low-carbon white cast irons", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2017, vol.13, no. 3, pp.134-138.

2. Popova M.I., Popova O.I. "Influence of the design of a worm cutter with a tool-rail cut-off in height on the geometry of a worm wheel", Compilation of materials of the international scientific and technical conference "Mechanical engineering - the eyes of the young", Kremenchuk, 2013, pp. 31-32.

3. Popova O.I., Krivosheya A.V., Popova M.I. "Improvement of mathematical models of shaping of worm wheels with allowance for uniform assumption in processing", The Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudar-stvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2017, vol. 13, no. 2, pp. 114-122.

4. Radchenko S.G. "Mathematical modeling of technological processes in mechanical engineering", Ukrspetsmontazhproekt, 1998, 274 p.

Submitted 19.03.2018; revised 19.07.2018 Information about the authors

Ol'ga I Popova, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: olga_10_popova@mail.ru

Margarita I Popova, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: vip.popovamargarita@mail.ru

Larisa S. Pechenkina, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), e-mail: pls-7@mail.ru