Особенности зубонарезания цилиндрических колес резцовыми головками червячного типа Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Key words: worm, CNC lathes, Computer-aided manufacturing.

Kuznetsov Evgeny Yuryevich, candidate of technical sciences, assistant, ke200 7@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Yamnikov Alexander Sergeyevich, doctor of technical sciences, professor, yamniko vasamail. ru, Russia, Tula, Tula state university

УДК 621.833.002

ОСОБЕННОСТИ ЗУБОНАРЕЗАНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОЛЕС РЕЗЦОВЫМИ ГОЛОВКАМИ ЧЕРВЯЧНОГО ТИПА

Ю.Н. Федоров, В.Д. Артамонов, О.Л. Золотухина

Рассматриваются особенности перспективного способа зубонарезания цилиндрических колес резцовыми головками червячного типа. Устанавливаются рациональные соотношения параметров зуборезных резцовых головок и обрабатываемых зубчатых колес. Обосновывается целесообразность нарезания цилиндрических зубчатых колес резцовыми головками червячного типа с радиальной подачей заготовки.

Ключевые слова: цилиндрические зубчатые колеса, резцовые головки, метод обката, радиальная подача заготовки.

Повышение производительности зубонарезания зубчатых колес может быть достигнуто различными путями, каждый из которых обладает характерными преимуществами и недостатками. Умелое использование положительных особенностей того или иного пути позволяет наиболее эффективно осуществить его реализацию в производстве определенного вида зубчатых колес. Так, возможность повышения производительности зубонарезания за счет уменьшения количества кинематических подач целесообразно использовать при изготовлении узковенцовых зубчатых колес, характерных для автомобилестроения и мотопроизводства.

Реализация этого направления связана с внедрением нового типа зуборезного инструмента - резцовых головок дискового и червячного типа. Дисковые резцовые головки целесообразно применять для зубообра-ботки цилиндрических зубчатых колес при скоростных режимах резания, так как они позволяют наиболее полно использовать режущие свойства таких инструментальных материалов, как твердые сплавы. Однако существенные затраты времени, связанные с необходимостью периодического поворота заготовки для деления на зуб после каждого цикла зубонареза-ния, ограничивают возможность достижения максимальной производи-

95

тельности при формообразовании зубчатых поверхностей цилиндрических колес по методу ¿-кратного обкатывания.

Стремление повысить производительность процесса зубонарезания по этому методу привело к созданию способа обкатывающего зубопротя-гивания одновитковыми резцовыми головками червячного типа, который позволяет осуществлять обработку зубчатых поверхностей зубчатого колеса при непрерывных кинематически согласованных вращательных движениях инструмента и заготовки. Это достигается за счет размещения режущих кромок резцов вдоль винтовой линии в пределах неполного витка (рис. 1), причем количество резцов устанавливается исходя из допустимой нагрузки на их режущие кромки в процессе зубонарезания.

Рис. 1. Схема установки инструмента и заготовки

За один оборот одновитковой резцовой головки осуществляется формообразование по методу обката только одной впадины обрабатываемого зубчатого колеса.

При вращении такого инструмента режущие кромки резцов занимают определенные последовательные положения вдоль его образующей, кинематически согласованные с угловыми перемещениями заготовки. При этом расстояние между первым и последним положениями зубьев инструмента должно быть не меньше длины обката, необходимой для формообразования зубчатых поверхностей при вырезании впадин колеса. Следовательно, относительное перемещение резцов вдоль образующей резцовой головки в пределах расчетной длины обката /пр за каждый ее оборот обеспечивает возможность последовательного независимого вырезания впадин колеса без затрат времени на z-кратное деление, характерных для процесса зубонарезания резцовыми головками дискового типа.

В рассматриваемом процессе формообразования зубьев цилиндрических колес главное движение резания - вращение резцовой головки - кинематически согласовано с движениями обката соотношением:

1 оборот инструмента ~ у2 оборотов заготовки,

где к - основной параметр процесса обкатывающего зубопротягивания, определяемый соотношением шага Ро винтовой линии расположения резцов инструмента к шагу нарезаемого зубчатого колеса £ в виде целого числа, не имеющего общего кратного с числом зубьев г.

В соответствии с условием обеспечения непрерывной обработки всех зубьев колеса определяется длина шага Ро:

Ро = к -п- т, (1)

где т - модуль обрабатываемого зубчатого колеса.

При этом обязательно соблюдение соотношения

Р > I

Р о — 1пр •

Резцовые головки червячного типа допускают два варианта зубона-резания: при отсутствии подач заготовки и с радиальной ее подачей.

В первом случае заготовку устанавливают в свободном от резцов секторе одновитковой резцовой головки, выдерживая необходимое межо-севое расстояние, обеспечивающее полное профилирование впадин зубчатого колеса в соответствии с расчетной схемой резания. Угол свободного

Р -1

Г\ Ро 1пр

от резцов сектора инструмента определяется соотношением 0 =------------—

Ро _ 0 = 2про 1пр)

Так как tg X= -—^-, то 0 =------------ ----—, или с учетом форму-

лы (1) получаем

2п-Ко Ро

0 = 2п- 21пр. (2)

кт

Выразив 1пр через параметры обрабатываемого зубчатого колеса в формуле (2), получим

\zjtg аа - tg а) + зУї - 2,5 tgа + п_

0 = 2п

к

Следовательно, угол 0 зависит в основном от параметра к , принятого для конкретного процесса зубонарезания.

Возможность зубонарезания с радиальной подачей заготовки без увеличения расчетной нагрузки на режущие кромки инструмента, лимитирующей силовой режим при вырезании впадины колеса, основывается на функциональном разделении режущих элементов одновитковой резцовой головки [1]. Оно предусматривает последовательное формообразование входной стороны впадины зубчатого колеса резцами заходной части витка головки и противоположной стороны - резцами выходной части витка, ко-

гда вершинные режущие кромки резцов оказываются незагруженными. Очевидно, радиальное перемещение заготовки необходимо производить в период, когда резцы выходной части витка инструмента в соответствии со спецификой формообразования по методу обкатывания выкатываются из обрабатываемой впадины колеса, причем закономерность осуществления радиальной подачи должна устанавливаться с учетом скорости относительного движения зуба производящей рейки при выходе из впадины обрабатываемого зубчатого колеса с соблюдением основного условия

Бр < а, (3)

где Бр - значение радиальной подачи заготовки, соответствующее

элементарному повороту инструмента на каждый режущий зуб выходной части витка; а - расстояние между последовательными положениями кромки зуба производящей рейки в процессе зубообработки.

В этом случае при радиальном сближении резцовой головки и заготовки будет обеспечено обратное вкатывание зубьев выходной части витка инструмента в обработанную впадину с закономерностью, характерной для принятой схемы формообразования по методу обката.

Основным недостатком указанного способа зубонарезания цилиндрических колес является непостоянство силового режима в процессе осуществления радиальной подачи заготовки. Оптимизировать силовой режим в период осуществления радиальной подачи можно путем осуществления радиальной подачи в пределах каждого этапа ее реализации с переменной, монотонно возрастающей скоростью [2], изменяющейся от нулевого значения до Б} = 0,124Бтах в пределах первого этапа, от Б} до Б2 = 0,594Бтах в пределах второго этапа и от Б2 до Бтах = Бопт в пределах третьего этапа. При этом обеспечивается оптимальное протекание процесса окончательного формообразования зубчатого венца нарезаемого колеса.

На рис. 2 показаны последовательные положения заготовки относительно инструмента при зубонарезании с радиальной подачей.

Установка для реализации предлагаемого способа зубонарезания цилиндрических колес (см. рис. 1) состоит из приспособления, установленного на столе станка и обеспечивающего вращательное движение заготовки, которое кинематически согласовано с вращением закрепленной на шпинделе станка одновитковой резцовой головки, и ее подачу врезания в радиальном направлении. Для осуществления поэтапной радиальной подачи врезания на полную высоту зуба установлен плоский копир.

Поэтапную радиальную подачу заготовки на полную глубину зуба обрабатываемого колеса осуществляют с переменной, монотонно возрастающей скоростью от нулевого до максимального значения после включения вращательных движений заготовки и одновитковой резцовой головки с помощью, например, плоского копира.

Рис. 2. Схема поэтапного осуществления радиальной подачи

Оптимальная скорость радиальной подачи врезания определяется параметрами нарезаемых цилиндрических зубчатых колес, оптимальными значениями режимов резания и конструктивными параметрами одновитко-вой резцовой головки.

Максимальное значение радиальной подачи на последнем (третьем) этапе, обеспечивающее оптимальное протекание процесса окончательного формообразования зубчатого венца нарезаемого колеса, определяется по формуле, полученной на основе известной зависимости:

£

Lвр з = —— (мм/мин), %

тах

где £вр.з - длина пути врезания на третьем этапе, определяется как соответствующая доля от высоты зуба нарезаемого колеса к = 2,25т (см. рис. 3); т - модуль зубьев нарезаемого колеса; *0 - время прохождения сектора 0, свободного от резцов (см. рис. 1).

% = *1

0

360е

(мин),

0

где ^ - время одного оборота резцовой головки, ^ = — = ,

п0 1000'КОпт

п0 - частота вращения резцовой головки; D0 - диаметр резцовой головки, мм (см. рис. 1); Копт - оптимальное значение скорости резания, м/мин, назначается по нормативам режимов резания для технологических операций зубонарезания, и для зуборезных головок, оснащенных резцами из быстрорежущей стали Р6М5 по справочнику [3] составляет Копт = 40 м/мин.

Диаметр резцовой головки D0 выбирается конструктивно в зависимости от количества резцов в головке z0. Оптимальное количество резцов в

головке определяется схемой формообразования зубьев цилиндрических колес, и в данном случае (для нарезания колес m = 2,5 мм) одновитковой резцовой головкой диаметром D^^ = 205 мм составляет -0опт = 37.

Количество оборотов, в течение которых завершится радиальное врезание заготовки на полную высоту h зуба нарезаемого колеса, составляет 4...5 оборота инструмента. При определении производительности процесса обкатывающего зубопротягивания одновитковыми головками червячного типа с радиальной подачей заготовки нужно учитывать время, затрачиваемое на дополнительные обороты инструмента, в течение которого осуществляется его врезание на полную высоту зуба нарезаемого колеса:

z + -вр

*0 =-------,

п0

где -вр - число предварительно обработанных впадин в заготовке за цикл

радиального врезания инструмента; по - частота вращения резцовой головки.

Целесообразность использования предлагаемого способа основана на возможности оптимизации силового режима зубонарезания с радиальным врезанием заготовки, при котором скорость радиальной подачи монотонно возрастает от нулевого значения до оптимального в пределах трех этапов в соответствии с результатами компьютерного моделирования первоначальной стадии формообразования зубчатого венца в период радиального врезания.

Такая оптимизация позволяет повысить эффективность процесса зубонарезания, в частности, существенно увеличить период стойкости такого сложного зуборезного инструмента за счет стабилизации загруженности режущих кромок, в результате чего появляется возможность существенного сокращения количества переточек взаимозаменяемых резцов и, соответственно, средств и времени на их реализацию.

Список литературы

1. Коганов И.А., Федоров Ю.Н., Валиков Е.Н. Прогрессивные методы изготовления цилиндрических зубчатых колес. М.: Машиностроение, 1981. 136 с.

2. Патент РФ 2442677, МПК7 B23F5/26. Способ зубонарезания цилиндрических колес / М.В. Грязев, Ю.Н. Федоров, В.Д. Артамонов, О.Л. Золотухина. Опубл. 20.02.2012. Бюл. №5.

3. Общемашиностроительные нормативы режимов резания: справочник. Т. 2. / А.Д. Локтев [и др.]. М.: Машиностроение, 1991. 304 с.

Фёдоров Юрий Николаевич, д-р техн. наук, проф., Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Артамонов Валерий Дмитриевич, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Золотухина Ольга Леонидовна, канд. техн. наук, доц., apostrof@,pochta.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

FEATURES GEAR CUTTING CYLINDRICAL GEARS TOOL HEAD SCREW-TYPE Y.N. Fedorov, V.D. Artamonov, O.L. Zolotukhina

The features of a promising method of cylindrical gear cutting wheel worm gear cutter heads. Set of rational relations hold gear cutting parameters cutting heads and processed ribbed-mentioned wheels. The expediency of cutting cylindrical gears cutter heads with screw-type radial feed of the workpiece.

Keywords: spur gears, cutting heads, rolling, radial feed of the workpiece.

Fedorov Yuri Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, Russia, Tula, Tula State University,

Artamonov Valery Dmitrievich, doctor of technical sciences, professor, v. d. art@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Zolotoukhina Olga Leonidovna, candidate of technical science, associate professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University