Анализ точности профиля эвольвентных червячных фрез с твердосплавными СМП

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

УДК 621.914.5.002.54

АНАЛИЗ ТОЧНОСТИ ПРОФИЛЯ ЭВОЛЬВЕНТНЫХ ЧЕРВЯЧНЫХ ФРЕЗ С ТВЕРДОСПЛАВНЫМИ СМП

О.И. Борискин, Н.Г. Стаханов, С.Я. Хлудов, A.B. Якушенков, И.В. Горынина

На основе разработанных теоретически точных зависимостей приведены результаты анализа степеней влияния их основных параметров на отклонения профиля фрез от теоретически требуемых и рекомендации по их минимизации.

Ключевые слова: червячные фрезы, твердосплавные СМП, профиль, оптимизация, отклонения.

В технологическом процессе изготовления зубчатых колес нарезание зубьев является самым трудоемким процессом. На его долю приходится примерно 50...60 % от общей трудоемкости обработки колеса.

Как правило, при отсутствии каких-либо ограничений зубонареза-ние производят червячными фрезами, которые позволяют обеспечить высокую производительность и точность. Поэтому совершенствованию червячных фрез в настоящее время уделяется особое внимание. В частности, появились конструкции червячных фрез со сменными многогранными пластинами твердого сплава (СМП), позволяющие вести обработку на более высоких скоростях резания, обрабатывать труднообрабатываемые материалы, термически обработанные заготовки. Но при этом возник ряд проблем, прежде всего связанный с точностью таких фрез. Эти проблемы условно можно разделить на 3 группы:

1 -я группа связана с решением теоретических вопросов формирования поверхностей червячных фрез и их режущих кромок;

2-я группа - с конструктивным решением;

3 группа вопросов включает приемы и способы изготовления, контроля и эксплуатации.

Ниже приведены результаты теоретических исследований точности профилирования эвольвентных червячных фрез в зависимости от метода их расчета.

Важнейшим свойством эвольвентного зацепления является то, что зубья колеса с эвольвентным профилем могут правильно зацепляться только с зубьями колеса, имеющего эвольвентный профиль, или с зубьями рейки с прямолинейным профилем. В данном случае под правильностью зацепления понимается, что при равномерном движении ведущего звена (вращательном для колеса или прямолинейном для рейки) ведомое звено будет также равномерно двигаться (вращаться колесо или двигаться поступательно рейка).

В отличие от других видов зацеплений правильность эвольвентного зацепления не нарушается при изменении расстояния между звеньями.

Поверхности зуба обрабатываемого колеса и производящая поверхность основного червяка фрезы имеют точечный контакт.

В процессе согласованных вращательных движений точка контакта на поверхности обрабатываемого зуба опишет контактную линию. В результате движения подачи такая линия смещается вдоль зуба колеса. Обработанная поверхность зуба колеса представляет собой геометрическое место всех этих линий контакта.

Таким образом, обработанная поверхность зуба колеса будет представлять собой геометрическое место всех линий контакта, образующихся в результате наличия продольной подачи.

На производящей поверхности фрезы точка контакта также образует контактную линию, которую следует рассматривать как теоретическую, не имеющую материального воплощения.

Материальными будут только точки на режущих кромках, они же профилирующие. Эти точки являются точками пересечения режущих кромок фрезы с вышеуказанной линией контакта. Вследствие такого явления профиль обработанного зуба детали получит огранку. Размеры огранки зависят от числа зубьев червячной фрезы, формирующих профиль детали. Чем больше зубьев участвует в процессе формирования профиля детали, тем меньше высота гребешков огранки по высоте обрабатываемого зуба.

В результате смещения режущих кромок фрезы, обусловленного движением продольной подачи, образуются гребешки вдоль обрабатываемого зуба. Их высота в первую очередь зависит от принятой продольной подачи и диаметра червячной фрезы.

Для уменьшения высоты гребешков возможно применять диагональные подачи, в результате которых будут смещаться профилирующие точки режущих кромок. Это приведет к более равномерной их загрузке и повышению стойкости фрезы.

Машиностроение и машиноведение

Однако для реализации такой подачи необходимы соответствующие возможности зубофрезерного станка с соответствующей его настройкой, червячная фреза должна иметь увеличенную длину, следовательно, болшее число зубьев участвует в работе. В результате будет увеличиваться накопленная погрешность осевого шага.

Согласно принципу Оливье между двумя сопряженными поверхностями может располагаться третья поверхность, имеющая с ними общий контакт. Применительно к эвольвентной винтовой паре со скрещивающимися осями «колесо - червячная фреза» такой вспомогательной поверхностью может быть поверхность прямобочной рейки. Боковые поверхности такой рейки будут иметь линейный контакт как с поверхностью обработанного колеса, так и с производящей поверхностью червячной фрезы. Эти линии будут пересекаться в общей точке контакта всех трех поверхностей.

Использование этих положений позволяет существенно упростить расчеты обкаточного инструмента. По заданному тоцовому профилю зубьев детали и выбранному радиусу начального цилиндра рассчитывается профиль вспомогательной рейки в нормальной плоскости. Затем по выбранным начальному радиусу инструмента и углу скрещивания осей рассчитывается его торцовый профиль. Для эвольвентного зацепления, при котором профиль вспомогательной рейки является прямобочным, стало возможным стандартизировать его: «исходный реечный контур» для детали и «исходный производящий контур» для инструмента.

Это позволило создать целые системы проектирования зубчатых передач и зуборезных инструментов. Однако при расчете зуборезных инструментов для сокращения времени проектирования часто используют упрощения. Например, основной червяк червячной фрезы, который должен быть эвольвентным, заменяют архимедовым, имеющим в осевом сечении прямолинейный профиль. Режущую кромку фрезы в ее передней плоскости также заменяют прямолинейной для более удобного ее контроля. Чтобы уменьшить погрешность профиля фрезы для многих червячных фрез, передний угол принимается равным нулю. В результате ухудшаются условия резания, что снижает стойкость таких фрез.

Для твердосплавных фрез требуется упрочнение режущих кромок, поэтому должны приниматься отрицательные значения передних углов. В связи с этим возникла задача выявить степень влияния основных параметров червячной фрезы на отклонения ее профиля от теоретически требуемого при замене теоретических криволинейных кромок на прямолинейные.

На основе разработанных теоретически точных зависимостей для расчета червячных фрез в различных плоскостях проведен анализ степени влияния лимитирующих параметров фрез на отклонение профиля от теоретически точного. Расчеты необходимо производить по теоретически точ-

ным зависимостям и с большим числом значащих цифр. Как показали исследования, наибольшее влияние на отклонение профиля от теоретического оказывают диаметр фрезы и передний угол (рис. 1, 2). В качестве типового примера на рис. 1 и 2 приведены графики, иллюстрирующие степень влияния этих параметров для фрезы т=4. Как видно из схемы (рис. 1, 2), с уменьшением диаметра и увеличением абсолютного значения переднего угла отклонения профиля возрастают.

На практике профиль зуба на левой и правой сторонах пластинки делают прямолинейным и с одинаковым углом, в то время как в теории эти углы должны быть различны. Это обстоятельство вносит серьезные погрешности нарезаемого зуба. Это одно из ограничительных факторов эффективного использования твердосплавных пластинок.

На основе анализа возможных путей повышения эффективности можно предложить 2 пути решения вопроса по применению двухсторонних пластинок.

ЛеЬая сторона Правая сторона

Рис. 1. Влияние диаметра на величину отклонения профиля червячной фрезы: т = 4 мм, уА = -15°, число заходов ю=1

Первый путь: применять 2 корпуса с совершенно одинаковыми параметрами, но 1 корпус должен быть правозаходный, второй левозаход-ный. В этом случае пластинки можно использовать двусторонние, одну сторону на одном корпусе, другую на втором корпусе. Это сократит расход пластинок примерно в два раза.

Второй путь является более сложным. Боковые стороны неперета-чиваемых твердосплавных пластинок следует изготавливать винтовыми. Их параметры должны быть строго рассчитаны из условия, чтобы при по-