Рациональные конструкции зуборезных резцовых головок для обработки цилиндрических колес

УДК 621.91.02

РАЦИОНАЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ЗУБОРЕЗНЫХ РЕЗЦОВЫХ ГОЛОВОК ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОЛЕС

В. Д. Артамонов, Г.В. Малахов, А.В. Михайлов

На основе анализа традиционных зуборезных инструментов с точки зрения технологичности их конструкции показана целесообразность создания новых более технологичных конструкций зуборезных инструментов, таких, как резцовые головки большого диаметра. Выявлены два основных типа резцовых зуборезных головок - дисковые и червячные, приведены конструкции резцовых головок дискового и червячного типов с взаимозаменяемыми резцами.

Ключевые слова: зубонарезание, резцовые головки, технологичность, обкатные инструменты.

Нарезание зубьев является одним из самых трудоёмких технологических процессов. На него затрачивается около 50...60 % общей трудоёмкости механической обработки зубчатых колес. Традиционно принята следующая последовательность технологического процесса обработки зубьев: зубофрезерование или зубодолбление с последующей чистовой или отделочной обработкой.

Для нарезания зубьев цилиндрических колес среднего модуля применяются в основном обкатные инструменты, такие, как червячные фрезы и дисковые долбяки. Изготовление инструментов с прямолинейным профилем проще, чем профилирование криволинейных режущих кромок у фасонного зуборезного инструмента. Простота изготовления инструмента является одним из основных критериев его технологичности. Но не менее важным показателем технологичности следует считать удобство эксплуатации инструмента, включая в это понятие все мероприятия, связанные с обеспечением качества его работы, надежности, долговечности и т. п.

С этих точек зрения червячные фрезы имеют определенные преимущества перед дисковыми долбяками, а если учитывать наметившуюся тенденцию перехода к сборным конструкциям червячных фрез, то их технологичность становится еще более высокой.

Но, несмотря на это, остается нерешенной весьма существенная проблема создания зуборезных инструментов, обладающих возможностью обеспечивать в процессе их эксплуатации неизменность первоначальных параметров независимо от количества переточек или случайных поломок режущих элементов инструмента.

Для решения этой проблемы необходим поиск новых конструкций зуборезного инструмента, который по своим показателям не только не уступает сборным червячным фрезам, но и значительно их превосходит. К числу таких показателей следует отнести возможность повышения произ-

водительности зубообработки с обеспечением требуемой точности основных параметров нарезаемых зубчатых венцов, а также достижение высокого уровня технологичности на всех стадиях создания и эксплуатации инструмента. Последнее требование может быть выполнено при условии эффективного использования в конструкции инструмента принципа взаимозаменяемости режущих элементов.

Попытки использовать в какой-то мере этот принцип были осуществлены при создании сборных червячных фрез со вставными рейками (конструкция ВНИИ), состоявшими из отдельных элементов с напайными режущими пластинами. Однако эти элементы после переточек теряли свои первоначальные размеры, что ограничивало возможность использования принципа взаимозаменяемости в процессе эксплуатации таких червячных фрез. Поэтому последующие конструкции сборных червячных фрез предусматривали использование цельных реек, что в определенной мере способствовало упрощению их эксплуатации.

Дальнейшее совершенствование производства цилиндрических зубчатых колес осуществлялось по различным направлениям, одно из которых основывалось на применении нового вида зуборезного инструмента - резцовых головок большого диаметра.

К числу характерных особенностей этого вида зуборезного инструмента можно отнести следующее:

- формообразование зубчатых поверхностей осуществляется по методу 7-кратного обката (7 - число зубьев нарезаемого колеса);

- наличие прямолинейных режущих кромок у резцовых головок различных типов;

- возможность осуществления как процесса зубонарезания при жестком кинематическом согласовании движений формообразования и резания, так и при отсутствии жесткого согласования этих движений;

- применение сборно-разборных конструкций резцовых головок при эффективном использовании принципа взаимозаменяемости;

возможность использования современных инструментальных материалов в зависимости от принятой схемы формообразования.

Для зубонарезания цилиндрических колес по методу 7-кратного обката могут применяться резцовые головки дискового и червячного типов.

В первом случае взаимозаменяемые резцы в головке располагаются в одной плоскости, образуя круговой ряд. Зубонарезание осуществляется при 7-кратном обкатывании заготовки относительно вращающегося инструмента с периодическим ее делением на зуб. При этом согласованные движения обкатывания кинематически не зависят от движения резания, что позволяет эффективно использовать в качестве инструментального материала твердые сплавы при высоких скоростях резания.

Во втором случае зубообработка протекает при жестком кинематическом согласовании движений формообразования и резания, а периодическое деление на один зуб осуществляется при непрерывном вращении за-

готовки и резцовой головки, в которой режущие кромки расположены вдоль винтовой линии с образованием свободного от резцов сектора для установки заготовки на полную высоту зуба колеса. Это позволяет исключить радиальную подачу сближения заготовки и инструмента при нарезании зубчатого венца и тем самым повысить производительность процесса. При зубонарезании цилиндрических колес резцовыми головками червячного типа целесообразно в качестве инструментального материала использовать современные быстрорежущие стали.

На рис. 1 представлена конструкция резцовой головки дискового типа диаметром П = 215 мм с 18 взаимозаменяемыми твердосплавными резцами [1] для обработки цилиндрических зубчатых колес т = 2,5 мм из стали 12ХН3А. Центрирование головки и передача крутящего момента обеспечиваются специальной оправкой 1, которая закрепляется на шпинделе горизонтально-фрезерного станка. В торцовые радиально расположенные пазы плоского корпуса 2 устанавливают взаимозаменяемые резцы 3. Резцы закрепляют винтами 4 через соединенную с корпусом крышку 5. Одинаковость вылета резцов достигается за счет контакта их сферических баз с базовым кольцом 6 корпуса. Крепление головки осуществляется сфе-

о о п и Г" о

рической гайкой 7 через коническую шайбу 8.

Рис. 1. Резцовая головка дискового типа для зубонарезания

цилиндрических колес

Реализация 7-кратного обкатывающего зубопротягивания возможна на серийных горизонтально-фрезерных станках с установленным на столе станка специальным обкатно-делительным механизмом [2]. Это позволяет использовать резцовые головки большого диаметра (до 350.. .400 мм).

При проектировании дисковых резцовых головок для обкатывающего зубопротягивания целесообразно максимально применять конструктивные решения, которые использовались и оправдали себя при создании головок других типов, прежде всего, дисковых однорядных.

141

Вылет резцов резцовой головки должен быть минимальным с целью обеспечения высокой жесткости инструмента и определяется величиной модуля обрабатываемого колеса. Минимальный вылет должен быть больше высоты зуба колеса. Такое значение обеспечит необходимую жесткость резцовых блоков. Тогда при расчетном наружном диаметре резцовой головки da0 = 350 мм корпус инструмента будет иметь диаметр

^корпуса = da0 - 2 х 5Ь = 350 - 2 х 7,5 = 335 мм.

Взаимозаменяемые резцы различной конструкции, предназначенные для дисковых зуборезных головок, имеют унифицированные установочные размеры. Длина резцов составляет Ь=65 мм, а поперечное сечение ВхН= 15х15 мм, что обеспечивает компактное размещение необходимого числа резцов в головке. С другой стороны, выбранные размеры резцов позволяют не беспокоиться за жесткость конструкции инструмента.

Конструкция взаимозаменяемых резцов предусматривает возможность регулирования их вылета, для того чтобы осуществлять настройку резцов вне станка после переточек. С этой целью в заднем торце каждого резца ввернут разрезной регулировочный винт М6. В сборе регулировочные винты опираются на базовое закаленное кольцо корпуса головки. Диаметр опорного кольца в головках для обкатывающего зубопротягива-ния составляет

dколbца = da0 - 2 х Ь = 350 - 2 х 65 = 220 мм.

Расчетами подтверждена возможность свободного размещения в корпусе головки необходимого количества призматических взаимозаменяемых резцов любой конструкции и устройств для их закрепления [3]. Крепление резцов в радиальных пазах головки может осуществляться различными способами. Наиболее целесообразно для этого использовать винтовой зажим с прихватом либо клиновой прижим, обеспечивающие достаточно большое усилие зажима и минимальные габариты инструмента. Причем направление усилия зажима клина должно быть направлено по силе резания.

Ограниченные габаритные размеры инструмента при большом количестве резцов обуславливают достаточно жесткие требования к размерам зажимных устройств. Их целесообразно располагать на максимально возможном диаметре тела корпуса головки 0280 ... 300 мм. При этом обеспечивается минимально допустимая толщина стенок между зажимными элементами и резцами и наружным диаметром корпуса - 5 ... 6 мм. Дальнейшее уменьшение может привести к снижению жесткости самого зажимного устройства.

На рис. 2 показана конструкция дисковой резцовой головки с установкой на торце шпинделя и с креплением взаимозаменяемых резцов самоустанавливающимися двустронними прихватами.

5Е№

Рис. 2. Конструкция дисковой резцовой головки для обкатывающего зубопротягивания с установкой на торец шпинделя и с креплением взаимозаменяемых резцов двусторонними прихватами

Центрирование и необходимый вылет инструмента обеспечивается переходной оправкой 1, закрепленной четырьмя винтами на торце шпинделя горизонтально-фрезерного станка. Базовые поверхности оправки обрабатываются непосредственно на станке после закрепления оправки с тем, чтобы обеспечить минимальное их биение.

Резцовая головка состоит из корпуса 2 в форме диска диаметром 335 мм, на торце которого имеется 30 точных шлифованных радиальных пазов, расположенных с равномерным шагом 10°. В пазы по посадке 15Н6^5 устанавливаются предварительно настроенные на определенную длину взаимозаменяемые резцы 3.

Резцы армированы режущими пластинами из быстрорежущей стали. К этому же торцу присоединяются винтами 4 двухсторонние самоустанавливающиеся прихваты 5 с прижимными пятами, обеспечивающими минимальную деформацию державок резцов.

Одинаковый вылет резцов обеспечивается упором сферической базы в кольцо 6, установленное на цилиндрический поясок корпуса, закрепленное винтами и обработанное в сборе в целях устранения биения.

Противоположный торец корпуса и посадочное отверстие 050 мм являются базами при установке собранной головки на оправку. Крутящий момент с оправки на резцовую головку передается с помощью двух торцовых шпонок 7. Закрепление головки осуществляется сферической гайкой 8 через коническую шайбу 9.

Резцовая головка может устанавливаться либо непосредственно на торец шпинделя, либо на цилиндрическую двухопорную оправку фрезерного станка. Для обеспечения необходимой жесткости конструкции переходные оправки резцовых головок должны иметь массивные ступицы

[4].

Конструкция резцовой головки червячного типа диаметром 315 мм, оснащенной 37 взаимозаменяемыми острозаточенными резцами, представлена на рис. 3. Инструмент предназначен также для обработки зубчатых колес т = 2,5 мм из стали 12ХН3А. Обработка осуществляется при эксплуатации модернизированной установки на базе горизонтально-фрезерного станка модели 6М83Г.

Инструмент состоит из специальной оправки 1 для установки головки и передачи крутящего момента от шпинделя станка. В радиально расположенные торцовые пазы корпуса 2 по точной посадке вставлены взаимозаменяемые резцы 3 до упора в установочное кольцо 6. Крепление резцов осуществляется винтами 5, ввернутыми в крышку 4. Для крепления головки используют сферическую гайку 7.

Рис. 3. Резцовая головка червячного типа для зубонарезания

цилиндрических колес

Использование унифицированных сборных взаимозаменяемых резцов в конструкциях резцовых головок дискового и червячного типов обеспечивает реализацию принципа их взаимозаменяемости, что значительно повышает уровень технологичности зуборезного инструмента и в итоге способствует дальнейшему росту эффективности производства цилиндрических зубчатых колес.

_Известия ТулГУ. Технические науки. 2017. Вып. 8. Ч. 2_

Список литературы

1. Артамонов В.Д., Малахов Г.В., Михайлов А.В. Направление модернизации взаимозаменяемых резцов сборных резцовых головок // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 8. Ч. I. С. 297 - 304.

2. Федоров Ю.Н., Артамонов В.Д., Золотухина О.Л. Обкатывающее зубопротягивание цилиндрических колес // СТИН. 2005. № 5. С. 24 - 26.

3. Артамонов В. Д. Технологические основы повышения эффективности зубонарезания цилиндрических колес с продольной модификацией зубьев: дис. ... д-ра техн. наук. Тула, 2011. 456 с.

4. Федоров Ю.Н., Артамонов В.Д., Золотухина О.Л. Резцовые головки для обкатывающего зубопротягивания цилиндрических колес // СТИН. 2005. № 6. С. 15 - 17.

Артамонов Валерий Дмитриевич, д-р. техн. наук, проф., tms a t.su.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Малахов Геннадий Викторович, канд. техн. наук, доц., tmsa tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Михайлов Александр Владимирович, канд. техн. наук, доц., tmsa tsu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

THE RATIONAL DESIGN OF THE GEAR CUTTING HEADS FOR THE PROCESSING

OF CYLINDRICAL GEARS

V.D. Artamonov, G. V. Malakhov, A. V. Mikhailov

On the basis of analysis of traditional gear cutting instruments from the point of view of technologicalness of their construction expediency of creation of new more technological constructions of gear cutting instruments is shown, such as chisel heads large diameter. Two basic types of chisel gear-shaping cutter heads are educed - disk and worm, constructions over of chisel heads are brought disk and worm types with interchangeable chisels.

Key words: cutting, cutting heads, manufacturability, working tools.

Artamonov Valery Dmitrievich, doctor of technical sciences, professor, tmsa tsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Malakhov Gennady Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, tmsa tsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Mihailov Aleksandr Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, tmsa tsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University