Повышение эффективности зубообработки цилиндрических колес с криволинейными зубьями шевингованием-прикатыванием

УДК 621.83

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗУБООБРАБОТКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОЛЕС С КРИВОЛИНЕЙНЫМИ ЗУБЬЯМИ ШЕВИНГОВАНИЕМ-ПРИКАТЫВАНИЕМ

А. А. Маликов, А.В. Сидоркин

Рассмотрены ряд сущностных аспектов, направленных на улучшение условий протекания процесса зубообработки цилиндрических колес с криволинейными зубьями шевингованием-прикатыванием, за счет оптимизации геометрии зубьев комбинированного инструмента. Уделено внимание вопросам инструментального обеспечения рассматриваемого процесса чистовой зубообработки.

Ключевые слова: чистовая зубообработка, цилиндрические колеса, шевингова-ние-прикатывание, инструмент, передние углы, качество, резание.

Традиции Тульской технологической научной школы, заложенные ее основателем, д-р техн. наук, проф. И.А. Когановым, всегда подразумевали такую форму проведения комплексных исследований в области зубо-обработки цилиндрических колес, при которой их конечный результат мог быть без труда внедрен в производственный процесс.

Понимание того, что научные исследования, проектирование и производство - это единый цикл позволяют и сегодня представителям Тульской школы вырабатывать такие варианты решения актуальных научных проблем, которые могут успешно конкурировать с ведущими отечественными и зарубежными разработками, ориентированными на производство цилиндрических зубчатых колес с большим объемом выпуска.

Одним из перспективных направлений исследований в данной области, проводимых в Тульском государственном университете под руководством д-р техн. наук, проф. А.А. Маликова, д-р техн. наук, проф. О.И. Бо-рискина и активнейшем участии д-р техн. наук, проф., А.С. Ямникова, д-р техн. наук, проф., Е.Н. Валикова и их учеников, является теоретико-экспериментальное исследование комбинированных (режуще-деформирующих) процессов зубообработки цилиндрических колес, в том числе и с криволинейной формой зуба [1 - 5]. Эти процессы является частью новой технологической схемы, предложенной и обоснованной в своей докторской диссертации проф. Маликовым А.А. Она базирующаяся, в частности, на обработке незакаленных колес, шевингованием-прикатыванием, последующей их термообработке, и обработке уже закаленных колес алмазным или электроалмазным зубохонингованием [1]. Данная технологическая схема нашла многократное теоретическое и экспериментальное обоснование в работах ученых ТулГУ и прошла промышленную апробацию в ОАО «АК Туламашзавод», г. Тула [1, 5].

В частности, одним из результатов выполнения рассматриваемого комплекса работ, стала разработка специального инструмента, выполненного в виде дискового шевера. Режущие кромки на боковых эвольвентных

167

винтовых поверхностях его зубьев выполнены со смещением исходного контура рейки. А режущие кромки образованы пересечением винтовых поверхностей зубьев шевера 2 с винтовыми поверхностями стружечных канавок. При этом соблюдается условие:

2С = 2 ± 1, где 2С - число стружечных канавок [6].

Недостатками рассматриваемого инструмента являются несколько узкие технологические возможности, а также, ряд органических особенностей его конструкции, накладывающие ограничения, не позволяющие использовать инструмент за пределами ограниченной области его применения - обработки цилиндрических колес с винтовыми зубьями.

Позднее, коллективном ученых ТулГУ был разработан инструмент, предназначенный для чистовой обработки зубьев цилиндрических колес. Конструктивно он представляет собой цилиндрическое зубчатое колесо, на боковых поверхностях круговых зубьев которого выполнены режущие кромки, которые, в свою очередь, образованы пересечением боковых поверхностей зубьев с винтовыми поверхностями стружечной канавки трапецеидального профиля. Режущие кромки смещены, при этом, в осевом направлении друг относительно друга на величину:

д=р, 2

где Р - шаг винтовой стружечной канавки, и наклоненные к торцам под углами ± 0 / 2. Инструмент образует с обрабатываемой заготовкой-колесом зубчатую пару внеполюсного зацепления [7].

Основным достоинством рассматриваемой конструкции инструмента является его хорошая технологичность [1, 8, 9]. Существенным же его недостатком является ухудшение точности и качества обработки, проявляющееся вследствие неравномерного протекания процессов резания и поверхностного пластического деформирования, обусловленного широким диапазоном изменения величин передних углов режущих клиньев инструмента по длине линии контакта его зубьев с зубьями обрабатываемой заготовки-колеса.

Основной задачей дальнейших исследований, направленных на совершенствование процесса комбинированной зубообработки и инструмента для его осуществления, является повышение точности и качества обработки за счет улучшения равномерности протекания процессов резания и поверхностного пластического деформирования. Это, в свою очередь, достигается за счет существенного сокращения диапазона изменения величин передних углов режущих клиньев инструмента по длине линии контакта его зубьев с зубьями обрабатываемой заготовки-колеса.

Поставленная задача решается за счет того, процесс чистовой зубо-обработки предлагается вести инструментом, конструкция которого, в целом, аналогична рассмотренной выше. Отличительной особенностью ин-

168

струмента является то, что боковые линии, очерчивающие контур каждой стружечной канавки в плоскости развертки начальной окружности инструмента, являются отрезками нормалей, ограниченными дугами окружностей, определяющих форму выпуклой и вогнутой сторон круговых зубьев инструмента, проведенных к вспомогательной окружности, радиус которой определяется как полуразность радиусов окружностей, определяющих форму выпуклой и вогнутой сторон круговых зубьев инструмента, прибавляемая к радиусу меньшей или вычитаемая из радиуса большей из них, через точки, равноудаленные от точки пересечения проекции одно- или мно-гозаходной винтовой линии, ось которой совпадает с осью вращения инструмента на плоскость развертки начального цилиндра инструмента и вспомогательной окружности.

Если руководствоваться «классическим канонами» технологии инструментального производства, такая конструкция инструмента считалась бы, в целом, не технологичной. Однако, широкая модернизация многих отечественных машиностроительных производств, проходящая в настоящее время, сопровождаемая внедрением высокоточных пятикоординатых фрезерных станков типа «обрабатывающий центр», позволяющих получать высокую геометрическую точность и хорошее качество передних поверхностей зубьев инструмента при использовании современных твердосплавных концевых, игольчатых и сферических фрез, создает активные предпосылки к достаточно широкому производству подобных инструментов.

На рис. 1 изображена развертка начальной окружности инструмента. Он представляет собой цилиндрическое зубчатое колесо, линиями зубьев которого являются дуги окружностей радиусов Я0е и Я0и определяющих форму выпуклой и вогнутой сторон зубьев. Посередине между данными окружностями расположена вспомогательная окружность, радиусом Я0в, который может быть определен по одной из следующих зависимостей:

п = % - ^0е + п .

к0в =-"-+ к0е;

Я0в = К01

2

% - К0е 2

Одно- или многозаходная винтовая линия, ось которой совпадает с осью вращения инструмента, является координирующей для семейства стружечных канавок 1, расположенных на зубьях 2 инструмента. За счет такого конструктивного решения, режущие кромки 3 смещены в осевом направлении друг относительно друга на величину А, что обеспечивает возможность обработки зубьев заготовки-колеса по всей их длине. Точка пересечения С, проекции 4 винтовой линии на плоскость развертки начального цилиндра инструмента и вспомогательной окружности является, при этом, опорной. На равном удалении от нее, на вспомогательной ок-

ружности, расположены точки С и Ся, из которых, к вспомогательной окружности проведены нормали N и Боковые линии, очерчивающие контур каждой стружечной канавки в плоскости развертки начальной окружности инструмента, являются отрезками данных нормалей, ограниченными дугами окружностей, определяющих форму выпуклой и вогнутой сторон зубьев инструмента.

Рис. 1. Развертка начальной окружности инструмента

Все эти конструктивные меры позволяют добиться такого расположения передних поверхностей всех режущих клиньев инструмента, при котором, диапазон изменения величин их передних углов у, по длине линии контакта его зубьев с зубьями обрабатываемой заготовки-колеса, по сравнению с разработанным ранее и рассмотренным выше инструментом, сокращается не менее, чем на порядок. Величина указанного диапазона определяется разностью величин радиусов Я0е и Я0Ь окружностей, определяющих форму выпуклой и вогнутой сторон зубьев инструмента, а также шириной его зубчатого венца Ь0, то есть параметрами, напрямую зависящими от конкретных конструктивных особенностей обрабатываемой детали.

Боковые поверхности зубьев инструмента являются эвольвентны-ми. А его режущие кромки образованы пересечением поверхностей стружечной канавки трапецеидального профиля и боковых поверхностей зубьев инструмента.

Процесс зубообработки осуществляется следующим образом. Заготовка-колесо, с предварительно формообразованными методом литья, пластического деформирования, механической обработки и др. зубьями, и инструмент, устанавливаются на параллельных осях. Заготовка-колесо вводится в плотное (беззазорное по боковым сторонам) зацепление с инструментом, образуя, при этом, предполюсное или заполюсное зацепление.

Обработка осуществляется способом свободного обката. Срезание припуска с боковых поверхностей обрабатываемой заготовки-колеса осуществляется за счет создания по всей высоте боковых поверхностей зубьев 2 инструмента скорости скольжения в контактных точках режущих кромок 3 и зубьев заготовки-колеса, имеющей значение больше нуля.

За счет существенного сокращения диапазона изменения величин передних углов у режущих клиньев инструмента при зубообработке, протекание процессов резания и поверхностного пластического деформирования по всей длине линии контакта его зубьев с зубьями обрабатываемой заготовки-колеса становится более равномерным. При этом достигается повышение точности и качества боковых поверхностей зубьев. Их обработка по всей длине обеспечивается при соблюдении двух условий: во-первых, наличием одно- или многозаходной винтовой линии, ось которой совпадает с осью вращения инструмента, при этом, являющейся координирующей для семейства стружечных канавок 1, расположенных на зубьях 2 инструмента; во-вторых, отсутствием общих множителей чисел зубьев инструмента и обрабатываемой заготовки-колеса. При этом обработка осуществляется без дополнительного движения подачи в осевом направлении. Это, в свою очередь, достигается за счет того, что режущие кромки инструмента конструктивно смещены в осевом направлении друг относительно друга.

После совершения инструментом количества оборотов, равного или кратного числу зубьев обрабатываемой заготовки-колеса, для обеспечения одинаковых условий резания на противоположных боковых поверхностях зубьев заготовки-колеса производится реверсирование направления вращения зубчатой пары, и процесс циклически повторяется. После каждого прохода производят врезание - сближение осей инструмента и обрабатываемой заготовки-колеса вплоть до достижения номинального межосевого расстояния. Для улучшения качества обработанной поверхности, на конечном этапе цикла обработки, осуществляют выхаживание - вращение пары инструмент - заготовка-колесо в прямом и обратном направлениях при номинальном межосевом расстоянии.

Рассматриваемый инструмент был спроектирован для обработки опытной партии цилиндрических колес с круговыми зубьями с модулем т=2 мм, числом зубьев 2=11, коэффициентом смещения исходного контура Х=0, номинальным радиусом кривизны арки зуба ^01=27 мм, выполненных из стали 20Х. Ширина зубчатого венца инструмента Ь0=15 мм, заготовки-колеса - Ь1=10 мм. Предварительное формообразование зубьев заготовки-колеса осуществлялось одной резцовой головкой.

В результате компьютерного моделирования установлено, что при идентичных параметрах, конструкция инструмента, описанная в [5] дает диапазон изменения передних углов у режущих клиньев по длине линии контакта от —11 о4б' до +12°25', то есть - 24о 111, а предлагаемая конструкция

- от -291 до +°24', то есть - 531, что, примерно, в тридцать раз меньше. На рис. 2, а изображен увеличенный фрагмент развертки начального цилиндра исходного инструмента, а на рис. 2, б - увеличенный фрагмент развертки начальной цилиндра рассматриваемого инструмента.

а б

Рис. 2. Увеличенные фрагменты разверток начального цилиндра: а — исходного инструмента; б - рассматриваемого инструмента

Таким образом, открывается возможность применения предлагаемого инструмента для эффективной обработки цилиндрических зубчатых колес, при которой достигается повышение точности и качества боковых поверхностей их зубьев, что, в конечном итоге, приводит и к повышению их эксплуатационных характеристик.

Список литературы

1. Маликов A.A., Сидоркин A.B., Ямников A.C. Инновационные технологии обработки зубьев цилиндрических колес: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. 335 с.

2. Маликов A.A., Сидоркин A.B., Ямников A.C. Резание и пластическое деформирование при шевинговании-прикатывании цилиндрических колес с круговыми зубьями. СТИН. 2012. №11. С. 17-21.

3. Маликов A.A., Сидоркин A.B., Ямников A.C. Динамические характеристики шевингования-прикатывания цилиндрических колес с круговыми зубьями. // Технология машиностроения. 2012. №2. С. 19-23.

4. Валиков E.H., Индан A.A., Попов A.JI. Экспериментальное исследование точности шевингования-прикатывания цилиндрических зубчатых колёс на токарном станке с ЧПУ // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 5. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. С. 11-17.

5. Борискин О.И., Валиков E.H., Белякова В.А. Комбинированная обработка зубьев цилиндрических зубчатых колес шевингованием - при-катыванием: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. 123 с.

172

6. Маликов А.А., Сидоркин А.В. Способ обработки шевингованием-прикатыванием цилиндрических колес с круговыми зубьями // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 2. Ч. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 186-189.

7. Маликов А. А., Сидоркин А.В. Легейда В.Ю. Особенности конструкции комбинированного режуще-деформирующего инструмента для обработки цилиндрических колес с арочными зубьями // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 2. Ч. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 169-172.

8. Маликов А.А., Сидоркин А.В. Технологические особенности изготовления шевера-прикатника для обработки цилиндрических колес с круговыми зубьями // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С. 179-186.

9. Сидоркин А.В., Салимов Д.М. Технология предварительного формообразования круговых зубьев шеверов-прикатников на станках с ЧПУ // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2013. №5. С. 29-34.

Маликов Андрей Андреевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, andrej-malikov@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Сидоркин Андрей Викторович, канд. техн. наук, инженер-исследователь УНИР, alan-a@,mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

MPROVING THE EFFICIENCY GEAR TREATMENT CYLINDRICAL GEARS WITH

CURVED TEETH SHAVE-ROLLING

A.A. Malikov, A.V. Sidorkin

We consider a number of essential aspects to improve the process conditions gear treatment of cylindrical gears with curved teeth, shaving by rolling, by optimizing the geometry of the tooth-balanced, combines the tool. Paying attention to the tool support considered finishing gear treatment process.

Key words: finishing gear treatment, cylindrical wheels, shave-rolling, the front corners, quality, cutting.

Malikov Andrey Andreevich, doctor of technical science, professor, head of department, andrej-malikov@yandex. ru, Russia, Tula State University,

Sidorkin Andrey Victrovich, candidate of technical science, research engineer, alan-a@,mail.ru, Russia, Tula State University