УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ЗУБОРЕЗНАЯ ГОЛОВКА
ULTRASONIC CIRCULAR FACE-MILL CUTTER

Изобретение относится к металлообработке, а именно к зубообрабатывающим инструментам и предназначено для вибрационного ультразвукового резания эвольвентных высокоточных зубчатых шестерен и колес, преимущественно среднемодульных и крупномодульных.
Нарезание зубьев колес, шестерен является одним из самых трудоемких процессов при создании машин широкого применения. На обработку зубьев затрачивается 50-60% трудоемкости механообработки. Обработка включает зубофрезирование, зубодолбление, финишную обработку. Растут требования к качеству и точности обработки зубьев колес и шестерен, что обуславливает разработку новых способов и устройств.
Известно  устройство для чистового точения и финишной обработки поверхностей деталей ультразвуком, в котором торец излучателя выполнен в виде рабочего наконечника, а устройство снабжено резцом для чистового точения и упорным стержнем, предназначенным для демпфирования вредных колебаний, возникающих в процессе обработки деталей, при этом резец для чистового точения расположен перед излучателем ультразвука по ходу их движения вдоль обрабатываемой поверхности и закреплен в приливе на корпусе акустической системы, а упорный стержень, на торце которого, со стороны обрабатываемой поверхности, закреплен заменяемый контактный элемент, расположен за излучателем ультразвука и закреплен в приливе, предназначенном для крепления акустической системы к станку (см. патент РФ № 2238839 по кл. МПК B24B39/00, опубл. 27.10.2004).
Однако устройство предполагает отдельное крепление акустической системы к станку и не предназначено для эвольвентных высокоточных крупномодульных и среднемодульных зубчатых шестерен и колес.
Известно также устройство для ультразвуковой обработки мелкомодульных зубчатых колёс (см. автореферат диссертации на соискание учёной степени д.т.н. Агапова С.И. «Научное обоснование и реализация ультразвуковых технологий при производстве прецизионных мелкомодульных колёс» // http://www1.vstu.ru/nauka/ dissertatsionnye-sovety/avtoreferat/2015/agapov-sergei-ivanovich.html). Устройство содержит закреплённые в станке акустическую систему и режущий инструмент. Устройство обеспечивает взаимодействие режущей кромки инструмента с обрабатываемой поверхностью в условиях ультразвукового воздействия на заготовку.
Однако устройство, как и предыдущий аналог, предполагает отдельное крепление акустической системы к станку и не предусматривает использование для обработки крупномодульных и среднемодульных зубчатых шестерен и колес.
Наиболее близкой к заявляемой является зуборезная головка (см. патент РФ № 2217271 по кл. МПК B23F21/00, опубл. 27.11.2003), содержащая корпус с установленными в нем посредством резцедержателей круглыми резцами, каждый из которых имеет механизм регулировки угла наклона главной режущей кромки и механизм радиальной регулировки для определения положения режущих кромок круглых резцов, имеющий клиновой упор с наружной поверхностью в виде усеченного конуса, установленного соосно с корпусом и выполненного в виде втулки.
Однако качество (точность и чистота) и производительность резания невысоки.
Техническая проблема заключается в разработке конструкции зуборезной головки, обеспечивающей обработку среднемодульных и крупномодульных зубчатых колёс и шестерен с одновременным воздействием ультразвуком.
Технический результат заключается в повышении точности и чистоты обработки за счет обеспечения вибрационного резания, а также в повышении производительности процесса за счет исключения черновой и финишной обработки.
Поставленная техническая проблема и заявляемый результат достигаются тем, что зуборезная головка, включающая корпус с посадочными местами по окружности корпуса головки и резцы, согласно изобретению, содержит расположенную в каждом посадочном месте акустическую систему, представляющую собой пьезоэлектрический преобразователь, соединенный с концентратором, выполненным в виде волновода, верхняя часть которого с противоположной от преобразователя стороны представляет собой резец резонансной длины, выполненный заодно с концентратором или съемным, причем резцы выполнены чередующимися на право и леворежущими, при этом каждый преобразователь подключен с помощью коллекторного токосъемника к ультразвуковому генератору, длина каждого концентратора составляет от  1/4λ до 1/2λ,  где λ – длина волны ультразвуковых колебаний.
Резец может быть выполнен съемным в виде уголка или в виде вилки, одна часть которой выполняет функцию праворежущего элемента, а вторая – леворежущего, при этом режущие элементы сдвинуты относительно друг друга.
Резец может быть выполнен в виде ножевого волноводного сегмента разделенного одним или несколькими пазами на резонансные рабочие части, сдвинутые относительно друг друга по радиусу окружности, ограниченному номинальным диаметром зуборезной головки и модулем обрабатываемого колеса (шестерни), одни из которых выполняют функции праворежущих резцов, а следующие за ними – леворежущих.
Изобретение поясняется чертежами, где представлено:
- на фиг. 1 – схематичное изображение зуборезной головки, вид сверху;
- на фиг. 2 -  изображение зуборезной головки в поперечном разрезе;
- на фиг. 3, 4, 5, 6 – варианты  акустических систем с разными формами резцов;
Позициями на чертежах обозначено:
1 - корпус головки;
2 – пьезоэлектрический преобразователь акустической системы (УЗ колебательной системы);
3 – концентраторы акустической системы;
4 – резец;
5 – коллекторный токосъемник;
6 – ультразвуковой (УЗ) генератор;
7– болт крепления зуборезной головки в шпинделе станка;
8 –регулировочный винт для точной установки положения акустической системы;
9 – скоба;
10 – упор;
11 - клинья.
Каждая акустическая система состоит из ультразвукового пьезопреобразователя 2 и концентратора – волновода 3. Зуборезная головка содержит корпус 1 с посадочными местами, в которых жестко закреплены по окружности в точно отрегулированном положении с помощью винтов 8 и скоб 9 пьезопреобразователи 2 акустических систем. Концентраторы 3 акустических систем выступают над поверхностью корпуса на расстояние от 1/4λ до 1/2λ, где λ – длина волны ультразвуковых колебаний. Преобразователи 2 подключены к УЗ генератору 6 через коллекторный токосъемник 5, закрепленный на тыльной стороне головки строго осесимметрично корпуса,
Верхняя часть концентратора 3 (волновода) представляет собой резец 4, который может быть выполнен заодно с концентратором или съемным. Резцы выполнены левосторонними и правосторонними и установлены в корпусе чередующимися.  Сдвиг резцов относительно друг друга в противоположные стороны от номинального диаметра обеспечивается с помощью упоров 10 и клиньев 11.
В первом случае резец 4 может быть цельным или с пазами, разделяющими его на две или более частей. Это позволяет повысить режущую способность головки и стабилизировать режим резания. На фиг. 3 представлен концентратор, режущая часть которого выполнена в виде ножа с выполненным по оси пазом, разделяющим его на две рабочие части (два резца), одна из которых выполняет роль праворежущего резца, а вторая – леворежущего.
На фиг. 4 представлен концентратор, режущая часть которого включает три ножевых резца, образованных двумя пазами.
В случае выполнения резца съемным он может быть выполнен уголковым или вилкообразным (фиг. 5, 6). Съемная часть присоединена к концентратору жестко с помощью болта-шпильки. Такое выполнение позволяет снизить трудоемкость при изготовлении резцов, а также улучшить техническое обслуживание.
Резцы, а также их части (фиг. 3, 4, 6) смещены друг относительно друга на расстояние, определяемое конструктивными особенностями нарезаемых шестерен или колес.
Зуборезная головка работает следующим образом.
Зуборезную УЗ головку закрепляют в шпинделе станка болтом 7. На другом шпинделе закрепляют заготовку изделия (шестерни, колеса). Согласно программе контроллер включает УЗ генератор 6, исполнительные механизмы шпинделей с установленной скоростью вращения и глубиной врезания резцов. Происходит совместное действие механических сил и импульсных УЗ сил врезания режущей кромки резца в заготовку.
b
n
r
Зуборезная УЗ головка предназначена для резания зубьев шестерен или колес со средним значением модуля S~ 2-2,5мм с номинальным диаметром d головок от 160 мм до 250 мм. С увеличением номинального диаметра увеличивается количество резцов. В зависимости от величины модуля УЗ системы выбирают разной мощности от 70 Вт до 500 Вт, которые могут работать на резонансной рабочей частоте f22 кГц, 38 кГц, 44 кГц и обеспечивать амплитуду УЗ колебаний 5-19 мкм.
Известно, что в случае отдельного крепления акустической системы к станку при нарезании среднемодульных зубчатых колес необходимы УЗ устройства с повышенными генерируемыми мощностями, что требует значительных конструкторских изменений, увеличения габаритов и больших затрат.
В заявляемом изобретении эта проблема решена. С увеличением номинального  диаметра увеличивается количество резцов, увеличиваются рекомендуемые линейно-угловые размеры. Это позволяет расширить технико-технологические решения по разработке разных применяемых УЗ устройств. Появляется возможность увеличивать акустическую мощность для каждого в отдельности пьезоэлектрического преобразователя акустической системы, увеличивать резонансные размеры концентраторов-волноводов, обеспечивать необходимую величину амплитуды УЗ колебаний на концевой части концентратора-резца. Следовательно, расширяются технико-технологические возможности применения стандартных зуборезных головок с номинальным диаметром больше 250 мм (315 мм, 400 мм, 500 мм).
Пример
Зуборезная головка с номинальным диаметром 160 мм и с шестью УЗ акустическими системами имеет следующие параметры: рабочая резонансная частота 38 кГц, акустическая мощность ~100 Вт, амплитуда УЗК 7 мкм, угол резания 10°, глубина врезания 0,1 мм, число оборотов в минуту 50, выходная мощность генератора 1, 0 кВт, напряжение возбуждения 200 В. Материал волноводов - резцов: сталь Р6М5 ГОСТ 19265-73.
Производилась обработка шестерни диаметром 240 мм из стали 40Х, с модулем 2,5 мм, с шириной венца зуба 18 мм, угол спирали 35°, время подачи равно 17,6 сек на один зуб на универсальном зуборезном станке типа 5А27С4.
Предлагаемое решение позволяет изменить характер процесса резания зубьев. При стандартной технологии процесс резания имеет силовой характер. Происходит торможение слоев резания, растет сила резания и за счет этого происходит налипание стружки на режущую кромку резца. Это ведет к износу резца и снижению чистоты поверхностей зубьев.
При резании ультразвуковой головкой изменяются условия резания, значительно уменьшаются силы резания, изменяется вид стружки – она становится более удлиненной. За счет высоких скоростей резания (~ 0,8 м/сек) в каждый момент взаимодействия резца с деталью происходит мгновенное врезание и мгновенное отхождение режущей кромки резцов. В результате снижаются силы трения и усилия взаимодействия, снижаются тепловые нагрузки на резцы.
За счет кратковременного импульсного характера режима резания происходит сглаживание поверхности и повышение чистоты обработки. Отпадает необходимость черновой обработки, нет необходимости в применении дополнительного оборудования и технологической финишной обработки. Повышается стойкость инструмента, обеспечивается возможность УЗ резания в технологии зуборезания средне и крупномодульных колес на стандартном оборудовании. При этом обеспечивается возможность производить двустороннее чистовое нарезание зубьев вибрационным обкатным методом.