Некоторые аспекты определения технологических параметров процесса изготовления шевера-прикатника для обработки цилиндрических колес с круговыми зубьями в условиях инструментального производства

УДК 621.83

НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШЕВЕРА-ПРИКАТНИКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОЛЕС С КРУГОВЫМИ ЗУБЬЯМИ В УСЛОВИЯХ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

С. Л. Рахметов

В статье подробно рассмотрен поэтапный процесс формообразования венца комбинированного инструмента с круговыми зубьями с использованием технологий, характерных для современного инструментального производства. Уделено существенное внимание процедуре определения ключевых параметров инструмента второго порядка с учетом особенностей конструктивной и технологической реализации шевера-прикатника.

Ключевые слова: инструмент, шевер-прикатник, процесс, венец, круговые зубья, формообразование, расчет, технология.

Одним из направлений научных исследований, проводимых кафедрами «Инструментальные и метрологические системы» и «Технология машиностроения» Тульского государственного университета при активном участии проф. О.И. Борискина, проф., А.А. Маликова, проф., А.С. Ямникова, проф., Е.Н. Валикова и их учеников, является теоретико-экспериментальное исследование комбинированных (режуще-деформирующих) процессов зубообработки цилиндрических зубчатых колес, в том числе и с круговыми зубьями (ЦККЗ) [1 - 5]. Эти процессы является частью технологической схемы, предложенной и теоретически обоснованной проф. А. А. Маликовым. Она базируется, в частности, на обработке незакаленных колес шевингованием-прикатыванием, последующей их термообработке, и обработке, уже закаленных колес, алмазным или электроалмазным зубохонингованием [1]. Исходными заготовками здесь являются колеса, либо с оформленными малоотходными и высокопроизводительными методами пластического деформирования, например накаткой, зубьями, либо с предварительно нарезанными венцами с использованием прогрессивных способов зу-бообработки [6] зуборезными резцовыми головками (ЗРГ) различного типа, в частности: дисковыми однорядными [7], дисковыми двухрядными [8], дельтовидными [9].

Процесс шевенгования-прикатывания протекает при свободном обкате инструмента - шевера-прикатника и обрабатываемого колеса, установленных на параллельных осях [1, 2]. При этом обработка боковых поверхностей зубьев заготовки по всей их длине обеспечивается при соблюдении двух условий: во-первых, расположением режущих кромок по одно- или многозаходной спирали; во-вторых, отсутствием общих множителей чисел зубьев инструмента и обрабатываемой заготовки. Зацепление шевера-прикатника с обрабатываемым колесом выполняется внеполюсным. В ходе процесса осуществляется срезание тонких слоев стружки и выглаживание боковых поверхностей зубьев заготовки 2 боковыми поверхностями зубьев шевера-прикатника 1 за счет профильного проскальзывания (рис. 1, а) [10].

Для интенсификации скоростей скольжения по рабочей высоте боковых поверхностей зубьев пара инструмент-заготовка проектируется с внеполюсным (пред-или заполюсным) зацеплением. Обработка ведется с периодической радиальной подачей £ после каждого из 3 - 4 рабочих ходов, включающих поворот шевера-прикатника

(рис. 1, б) в прямом и обратном направлениях со скоростью Удпр и Уо об соответственно и на количество оборотов, равное числу зубьев обрабатываемого колеса, и без радиальной подачи в течение 1 - 2 ходов выхаживания при аналогичных циклах вращения [11].

Процесс шевингования-прикатывания характеризуется не только резанием, но и, благодаря большому удельному давлению и скольжению в зоне контакта зубьев инструмента и заготовки, наличием поверхностной пластической деформации и появлением некоторого наклепа на боковых поверхностях зубьев. Следовательно, процесс шевингования-прикатывания повышает не только точность основных геометрических параметров зубчатого колеса, но и увеличивает физико-механические свойства рабочих поверхностей его зубьев [10].

Рис. 1. Шевингование-прикатывание ЦККЗ: а - схема осуществления процесса; б - шевер-прикатник в зацеплении с ЦККЗ

Ключевым элементом, определяющим, во многом, показатели эффективности рассматриваемого процесса комбинированной зубообработки является инструмент -шевер-прикатник. Ввиду наличия в его конструкции венца, имеющего круговые зубья, построению маршрутного технологического процесса его изготовления должно быть уделено особенное внимание. Отметим, что с учетом специфики современного инструментального производства, арсенал процессов формообразования таких венцов, является несколько более широким, чем при серийном производстве самих ЦККЗ.

Процессы формообразования венцов цилиндрических колес, в частности имеющих круговые зубья, характеризуются преимущественно удалением слоя металла -припуска путем механической: лезвийной и абразивной обработки. Причем, процессы характерные для построения маршрута зубообработки ЦККЗ, являются во многом аналогичными и для шеверов-прикатников [12, 13], с той лишь разницей, что инструментальное производство вносит свои критерии применимости определенных технологических процессов, тем самым, несколько расширяя область вариантов построения маршрута зубообработки венца комбинированного инструмента.

Рассмотрим особенности построения процедур расчета технологических параметров при осуществлении различных стадий зубообработки в процессе формообразования зубчатого венца комбинированного инструмента - шевера-прикатника.

Предлагается два основных пути. Первый: использование одно- и двухсторонних ЗРГ на черновой и чистовой стадиях, шлифовальных кругов или твердосплавных концевых сферических инструментов в сочетании с комбинированным инструментом для электрохимикомеханической обработки на отделочной стадии после термообработки. Второй: использование твердосплавных концевых сферических фрез на черновой и чистовой стадиях, в том числе и после термообработки, а для достижения необходимых параметров качества обрабатываемых поверхностей зубьев инструмента [5] использование на отделочной стадии - электрохимикомеханической обработки.

Алгоритм расчета для первого пути осуществляется в следующей последовательности (рис. 2).

1) Ввод исходных данных (осуществляется в блоке 2);

2) работа цикла определения радиусов рабочих и нерабочих сторон шлифовальных кругов (на чистовой стадии) для раздельного формообразования выпуклых и вогнутых сторон зубьев [14] венца шевера-прикатника с учетом обеспечения условий неподрезания соседнего зуба на выходе инструмента:

Aet отд1 > 0,1m '

где Aet отд i -зазор между вогнутой стороной его зуба и стороной производящей поверхности инструмента второго порядка.

A it отд 1 > 0,1m '

где Ait отд 1 - зазор на торце шевера-прикатника между выпуклой стороной его зуба и

стороной производящей поверхности инструмента второго порядка (осуществляется в блоке 3).

Рис. 2. Блок-схема алгоритма расчета

Если условие выполняется, то осуществляется переход к блоку 5, если - нет, то осуществляется переход к блоку 4;

3) работа цикла определения радиусов рабочей и нерабочей сторон инструмента второго порядка при осуществлении комбинированной электрохимикомеханической обработки для формообразования выпуклых и вогнутых сторон зубьев венца шевера-прикатника с учетом обеспечения условий неподрезания соседнего зуба:

Аet отд 2 > 0,1m,

где А et отд 2 - зазор на торце шевера-прикатника между вогнутой стороной его зуба и стороной производящей поверхности инструмента второго порядка.

А it отд 2 > 0,1m,

где А it отд 2 - аналогичный зазор между выпуклой стороной его зуба и стороной производящей поверхности инструмента второго порядка (осуществляется в блоке 4);

4) определение параметров раздельной обработки твердосплавной концевой сферической фрезой (на чистовой стадии) выпуклых и вогнутых сторон зубьев венца шевера-прикатника. Т.к. диаметр инструмента постоянен во всех сечениях, то осуществляется ограничение его минимального значения по условию:

Sa0отд £dmin,

где Sao отд - толщина зуба на вершине отделочного инструмента (осуществляется в блоке 5);

5) блок, иллюстрирующий наличие термической обработки (блок 6);

6) работа цикла определения производящих радиусов односторонней ЗРГ (на чистовой стадии) для формообразования выпуклых и вогнутых сторон зубчатого венца шевера-прикатника с учетом обеспечения условий неподрезания соседнего зуба:

Лet ч > 0,1m,

где Л et ч - зазор на торце шевера-прикатника между вогнутой стороной его зуба и стороной зуба инструмента второго порядка.

Лitч > 0,1m,

где Dit ч - аналогичный зазор между выпуклой стороной его зуба и стороной зуба инструмента второго порядка (осуществляется в блоке 7);

7) работа цикла определения производящих радиусов двухсторонней ЗРГ (на черновой стадии) для формообразования впадины зубчатого венца шевера-прикатника с учетом обеспечения равномерного припуска на чистовую стадию:

Dix чр ex чр,

где Dix чр, Dex чр

зазоры в осевом сечении шевера-прикатника между теоретическом

вогнутой/выпуклой стороной зуба шевера-прикатника и стороной зуба инструмента второго порядка (осуществляется в блоке 8).

Ввиду того, что при малых модулях, обработка впадины на всю глубину представляется возможной не для всех случаев, необходимо дополнительно учитывать глубину ее прорезания двухсторонней ЗРГ;

8) вывод результатов расчета, выполняется после определения радиусов сторон инструментов второго порядка, задаваемых на развертке начальной окружности шеве-ра-прикатника, участвующих в формообразовании его зубчатого венца на рассматриваемых стадиях обработки. Также здесь определяются зазоры, необходимые для отсутствия подрезаний в осевой и торцовой плоскостях.

Алгоритм расчета для второго пути осуществляется в следующей последовательности (рис. 3).

1) Ввод исходных данных (осуществляется в блоке 2);

2) работа цикла определения радиусов рабочих и нерабочих сторон инструментов при осуществлении комбинированной электрохимикомеханической обработки. По аналогии с п. 3 первого пути (осуществляется в блоке 4);

Рис. 3. Блок-схема алгоритма расчета

3) определение параметров раздельной обработки твердосплавной концевой сферической фрезой (на чистовой стадии) выпуклых и вогнутых сторон зубьев венца шевера-прикатника. Для диаметра концевого инструмента вводится ограничение его минимального значения по условию:

Sa0 отд £ dmin

(осуществляется в блоке 4);

4) блок, иллюстрирующий наличие термической обработки (блок 5);

5) расчет параметров раздельной обработки твердосплавной концевой сферической фрезой (на получистовой стадии) выпуклых и вогнутых сторон зубьев венца шевера-прикатника (осуществляется в блоке 6);

6) расчет параметров раздельной обработки твердосплавной концевой сферической фрезой (на черновой стадии) выпуклых и вогнутых сторон зубьев венца шевера-прикатника (осуществляется в блоке 7);

7) вывод результатов расчета, выполняется после определения радиусов рабочей и нерабочей сторон отделочного инструмента второго порядка, задаваемых на развертке начальной окружности шевера-прикатника, а также рекомендуемого минимального диаметра концевого твердосплавного сферического инструмента. Также здесь определяются зазоры, необходимые для осуществления процессов формообразования при отсутствии подрезаний в осевой и торцовой плоскостях.

Входными параметрами для расчета минимального фактического припуска на различных стадиях формообразования зубчатого венца режуще-деформирующего инструмента с круговым зубом являются: модуль m, ширина шевера-прикатника Öq , угол

исходного контура - a q, угол a q э нерабочей стороны инструментов второго порядка - ЗРГ, радиус кривизны выпуклой стороны зуба комбинированного инструмента rQe, радиус кривизны вогнутой стороны - rQ¡, номинальный припуск на отделочную ротд и чистовую - рч стадии обработки. Ограничивающими параметрами для инструментов второго порядка, обрабатывающих впадины зубчатого венца шевера-прикатника являются, в частности: толщина вершины инструмента для отделочной стадии обработки -SaQ отд, для чистовой - SaQ ч, для черновой - SaQ черн.

Для обеспечения полноты линии контакта зубчатой пары инструмент - заготовка, по всей длине зуба обрабатываемого колеса, не допускается появления отводов, иными словами, торцовый зазор Л должен быть равен нулю. Это обеспечивается тем, что выпуклая и вогнутая поверхности зуба инструмента должны быть конгруэнтны (взаимно дополнять друг друга) вогнутой и выпуклой поверхностями зуба заготовки [1].

Отвод Л в рабочем зацеплении двух ЦККЗ рекомендуется задавать в соответствии со по следующей зависимостью [1, 2]:

Л = Q,QQ6Vm

Если радиусы кривизны арок выпуклой и выгнутой сторон кругового зуба колеса Гц и rie конструктивно заданы, то радиусы кривизны боковых сторон зубьев шевера-прикатника rQe и ^ определяются с учетом конгруэнтности. Если стоит задача обеспечения минимально возможного радиуса кривизны арки зуба, то, с учетом геометрических ограничений, определяется минимально возможный радиус кривизны арки выпуклой стороны зуба шевера-прикатника rQe min, а затем, с учетом отвода Л -радиус кривизны арки вогнутой стороны зуба шевера-прикатника ^ н оперделяется по зависимости (рис. 4):

(Q,5Öq)2

rQe н - rQi нв + Л +-0--

„ _r0e н - rQi нв +Л

rQi н =-2-,

где rQi нв - радиус вспомогательной окружности, определяемый по следующей зависимости:

I 2 2"

rQi нв =V rQeн - (Q,5bQ) .

Радиус окружности выпуклой стороны зубьев rQeн, определяется в соответствии с зависимостью:

r0e н = r0e в min - Н3 g(a Qe ), где a Qe - угол профиля рабочей стороны инструмента второго порядка при обработке

выпуклой стороны; Нз - расстояние от вершины зуба до делительной прямой, определяется по следующей зависимости [15]:

h3 = h fm,

*

где hf = 1,25 - коэффициент высоты зуба.

Рис. 4. Схема к определению отвода D : а - осевое сечение производящей поверхности при зубофрезеровании венца шевера-прикатника; б - развертка начальной окружности шевера-прикатника

При раздельной обработке зубьев шевера-прикатника, для вогнутой стороны используется инструмент меньшего производящего диаметра, чем для выпуклой. В результате чего повышается риск подрезания соседних зубьев обрабатываемого инструмента нерабочими сторонами режущих зубьев инструмента второго порядка. Поэтому рекомендуется сначала обрабатывать выпуклую, а затем вогнутую стороны, в целях уменьшения вероятности подрезания последней. Тем самым достигается расширение диапазона возможных радиусов кривизны арки кругового зуба.

Список литературы

1. Маликов А. А., Сидоркин А.В., Ямников А.С. Инновационные технологии обработки зубьев цилиндрических колес: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. 335 с.

2. Борискин О.И., Валиков Е.Н., Белякова В.А. Комбинированная обработка зубьев цилиндрических зубчатых колес шевингованием - прикатыванием: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. 123 с.

3. Маликов А. А., Сидоркин А.В., Ямников А.С. Резание и пластическое деформирование при шевинговании-прикатывании цилиндрических колес с круговыми зубьями. // СТИН, 2012. №11. С. 17 - 21.

4. Маликов А.А., Сидоркин А.В., Ямников А.С. Динамические характеристики шевингования-прикатывания цилиндрических колес с круговыми зубьями // Технология машиностроения, 2012. № 2. С. 19 - 23.

5. Валиков Е.Н., Индан А.А., Попов А.Л. Экспериментальное исследование точности шевингования-прикатывания цилиндрических зубчатых колёс на токарном станке с ЧПУ // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2014. Вып. 5. С. 11-17.

6. Malikov A.A., Sidorkin A.V., Yamnikov A.S. Cutting and plastic deformation in the shaving and rolling of cylindrical gears with round teeth // Russian Engineering Research, 2013. Volume 33. Issue 6. P. 363-366.

7. Fedorov Yu.N., Artamonov V.D., Zolotukhina O.L. Paired cutting of cylindrical gears with longitudinally modified teeth // Russian Engineering Research, 2009. Volume 29. Issue 6. P. 625-627.

8. Gryazev M.V., Fedorov Yu.N., Artamonov V.D., Zolotukhina O.L. Optimal machining of teeth in stamped tooth crowns by cutter heads // Russian Engineering Research, 2010. Volume 30. Issue 8. P. 827-829.

9. Fedorov Yu.N., Artamonov V.D., Zolotukhina O.L. Paired tooth cutting of cylindrical gears // Russian Engineering Research, 2009. Volume 29. Issue 3. P. 319-321.

10. Маликов А.А., Сидоркин А.В. Шевингование-прикатывание цилиндрических колес с круговыми зубьями // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2008. Вып. 2. С. 69-76.

11. Ямников А.С., Маликов А. А., Валиков Е.Н., Сидоркин А.В. Ресурсосберегающие технологии изготовления цилиндрических зубчатых колес // Технология машиностроения, 2008. № 7. С. 7-10.

12. Маликов А. А., Сидоркин А.В., Рахметов С.Л. Определение степени влияния основных параметров стружечной канавки шевера-прикатника на его ширину // Наукоемкие технологии в машиностроении, 2018. №11. С. 9-14.

13. Маликов А.А., Сидоркин А.В., Ямников А.С. Технология обработки круговых зубьев шеверов-прикатников на станках с ЧПУ // Наукоемкие технологии в машиностроении, 2011. №6. С. 15-20.

14. Yamnikov A.S., Sheinin G.M., Bobkov M.N. Grinding circular cylindrical-gear teeth of with planetary motion of the wheel axis // Russian Engineering Research, 2008. Volume 28. Issue 5. P. 485-488.

15. ГОСТ 13755-81. Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи зубчатые цилиндрические эвольвентные. Исходный контур. Введ. 30.06.1981. М.: Изд-во стандартов, 1981. 5 с.

Рахметов Станислав Львович, аспирант, rakhmetov_s@,mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

SOME ASPECTS OF THE TECHNOLOGICAL DEFINITION PARAMETERS OF THE MANUFACTURING PROCESS OF THE SHA V-ROLLER FOR MACHINING OF CYLINDRICAL GEARS WITH ARC TEETH IN TOOL PRODUCTION TERMS

S.L. Rakhmetov

The article describes in detail the step-by-step process of forming the crown of a combined tool with circular teeth using technologies characteristic of modern tool production. Paid substantial attention to the procedure for determining key parameters of a second order instrument with the features of constructive and technological realization shav-roller.

Key words: tool, shav-roller, process, crown, arc teeth, formation, calculation, technology.

Rakhmetov Stanislav Lvovich, postgraduate, rakhmetov_s@,mail. ru, Russia, Tula State University