ДВУХПРОХОДНАЯ КОМБИНИРОВАННАЯ СБОРНАЯ ЧЕРВЯЧНАЯ ФРЕЗА С УПРОЧНЕНИЕМ
HARDENED COMPOSITE HOB

Изобретение относится к машиностроению, к обработке металлов резанием, в частности к конструкциям червячных сборных фрез, и может быть использовано для обработки зубофрезерованием с упрочнением зубьев колес методом обкатывания.
Известна конструкция фрезы, которая включает корпус, режущие и опорные зубчатые рейки и крышки. В корпусе фрезы выполнены продольные пазы со ступенчатым основанием для размещения реек, при этом ступень, предназначенная для размещения опорной зубчатой рейки, по глубине превышает ступень для размещения режущей зубчатой рейки на величину А, выбираемую из соотношения А=(0,3…0,8)m, где А - величина смещения ступеней, мм; m - модуль фрезы [1].
Недостатками известной фрезы являются узкие технологические возможности, высокая трудоемкость изготовления фрез и низкая шероховатость обработанной зубчатой поверхности, невысокая стойкость и виброустойчивость инструмента, ведущие к пониженной работоспособности и производительности.
Задачей изобретения является расширение технологических возможностей, повышение производительности, режущих свойств и качества зубообработки, снижение величины шероховатости обработанной поверхности и повышение износостойкости, виброустойчивости и работоспособности инструмента путем введения двухпроходной комбинированной зубообработки с возможностью черновой и чистовой обработки и упрочнения рабочих поверхностей нарезаемых зубьев, а также снижение себестоимости процесса обработки.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемой комбинированной сборной червячной фрезы для нарезания зубьев колес методом обкатывания, в продольных пазах корпуса которой закреплены режущие и опорные зубчатые рейки, причем она выполнена увеличенной длины и зубья режущей и опорной реек по профилю, высоте и толщине зубьев выполнены одинаковыми, при этом на одной половине длины реек, находящихся на стороне входа фрезы в обрабатываемую заготовку, зубья изготовлены режущими, используемые для чернового прохода, на второй половине длины реек зубья изготовлены игольчатыми, используемые для чистового прохода, набранными из пучков ворса, радиально расположенных прутков металлической проволоки, причем делительная толщина игольчатого зуба больше делительной толщины режущего зуба на величину двойного натяга, кроме того, прутки металлической проволоки, из которых состоит игольчатый зуб, имеют Г-образную форму и радиальное расположение ножки прутка, а отогнутая часть прутка выходит и формирует боковую рабочую часть игольчатого зуба и своим торцом воздействует на боковую поверхность зубьев обрабатываемой заготовки, срезая микронеровности и упрочняя ее, при этом режущие зубья опорных и режущих реек расположены на одном делительном диаметре, диаметре вершин и диаметре впадин таким образом, что зуб фрезы состоит из двух режущих профильных кромок.
Особенности конструкции и работы предлагаемой двухпроходной комбинированной сборной червячной фрезы с упрочнением поясняются чертежами.
На фиг.1 представлена конструкция двухпроходной комбинированной сборной упрочняющей червячной фрезы для нарезания зубьев колес зацепления Новикова и схема двухпроходного зубоиглофрезерования методом обкатывания, частичный продольный разрез; на фиг.2 - комбинированная сборная червячная фреза с упрочнением, общий вид; на фиг.3 - комбинированная сборная червячная фреза с упрочнением, вид с торца, частичное поперечное сечение; на фиг.4 - режущая и она же опорная зубчатая рейка, общий вид спереди; на фиг.5 - режущая и она же опорная зубчатая рейка, вид с торца А, со стороны режущих зубьев; на фиг.6 - режущая и она же опорная зубчатая рейка, вид с торца Б, со стороны игольчатых зубьев; на фиг.7 - комбинированная сборная червячная фреза с упрочнением, вид с торца В на фиг.1, со стороны режущих зубьев, крышка условно снята; на фиг.8 - схема расчетного микропрофиля обработанной поверхности зуба заготовки при зубофрезеровании режущими зубьями предлагаемой комбинированной сборной червячной фрезы; на фиг.9 - комбинированная сборная червячная фреза с упрочнением, вид с торца Г на фиг.1, со стороны игольчатых зубьев, крышка условно снята; на фиг.10 - поперечное сечение рейки по Д-Д на фиг.4 по игольчатому зубу; на фиг.11 - вид на игольчатые зубья со стороны передней поверхности по Е на фиг.10; на фиг.12 - вид на боковую поверхность игольчатых зубьев по Ж на фиг.11; на фиг.13 - пакеты пучков проволочного ворса из П-образных прутков, смонтированных в пазу рейки, операционный эскиз сборки; на фиг.14 - операционный эскиз прорезания впадины игольчатой части рейки профильным шлифовальным кругом.
Предлагаемая двухпроходная комбинированная сборная упрочняющая червячная фреза предназначена для зубообработки в два прохода: первый проход - черновое зубофрезерование, второй проход - чистовое иглофрезерование микронеровностей с одновременным упрочнением рабочих поверхностей в основном крупномодульных прямозубых цилиндрических эвольвентных колес, зубьев косозубых колес, прямозубых конических колес, зубчатых реек, шлицевых валов, а также колес зацепления Новикова методом обкатывания. Между переходами производится автоматическое перемещение фрезы вдоль оси, поэтому предлагаемая фреза выполнена удлиненной, что значительно и эффективно повышает ее режущие свойства.
Особенности устройства и работы предлагаемого зубоиглофрезерного инструмента рассмотрим на примере крупномодульной фрезы для обработки колес зацепления Новикова.
Круговинтовые передачи Новикова применяют в тяжелых машинах и профили зубьев колес очерчиваются дугами окружностей, см. ГОСТ 15023-76 [2]. Начальное касание (без нагрузки) происходит в точке, которая перемещается не по высоте зубьев, а только в осевом направлении, т.о. линия зацепления параллельна осям колес, при этом зубчатые колеса косозубые с углом наклона линии зуба β. К достоинствам таких зубчатых передач относятся: пониженные контактные напряжения, благоприятные условия для образования масляного клина, возможность применения колес с малым числом зубьев и, следовательно, большие передаточные числа. Несущая способность передач Новикова по критерию контактной прочности существенно выше, чем эвольвентных. Поэтому проблемы повышения производительности, качества, износостойкости зубчатых колес зацепления Новикова весьма актуальны.
Предлагаемая комбинированная сборная червячная фреза состоит из корпуса 1, выполненного увеличенной длины в виде втулки с центральным отверстием для установки фрезы на оправке шпинделя зубофрезерного станка, в продольных пазах которого закреплены режущие 2 и опорные 3 зубчатые рейки. Зубья режущей и опорной реек по профилю, высоте и толщине зубьев выполнены одинаковыми (см. фиг.1-3), при этом рейки с торцов закреплены крышками 4 с помощью винтов. В корпусе имеются продольные пазы со ступенчатым или гладким основанием. На одну из ступеней устанавливается режущая рейка 2, а на другую ступень - опорная зубчатая рейка 3. Если основание паза гладкое, то установка реек осуществляется по прокладкам различной толщины (не показаны). Боковые стороны каждого паза могут быть выполнены как параллельными, так и непараллельными между собой в зависимости от выполнения зубчатых реек.
На стороне входа фрезы в обрабатываемую заготовку 5 на одной половине длины реек зубья изготовлены с режущими профильными кромками (РПК) 6, используемые для чернового прохода (см. фиг.4) на первом установе. На второй половине длины реек зубья изготовлены игольчатыми 7, используемые для чистового прохода на втором установе.
И
P
Игольчатые зубья набраны из пучков ворса, радиально расположенных прутков 8 металлической проволоки, причем делительная толщина игольчатого зуба S больше делительной толщины режущего зуба S на величину двойного натяга i, предусмотренного при иглофрезеровании [5]. Прутки металлической проволоки 8, из которых состоит игольчатый зуб, имеют Г-образную форму и радиальное расположение ножки прутка, а отогнутая часть 9 прутка выходит и формирует боковую рабочую часть игольчатого зуба и своим торцом воздействует на боковую поверхность зубьев обрабатываемой заготовки, срезая микронеровности и упрочняя ее.
Игольчатые зубья 7, набранные из пучков ворса, радиально расположенных прутков 8 металлической проволоки, смонтированы в пазу 10 реек 2 и 3. Крепление проволочного ворса к металлическим рейкам осуществляется известными способами [5]. На фиг.10 показано крепление проволочного ворса в пазу рейки путем запрессовки с последующим паянием или точечной сваркой.
С целью увеличения жесткости игольчатых зубьев металлические проволочные прутки 8 могут быть соединены друг с другом упругой массой 11, например, из полиуретана СКУ-7Л или резины, которая при вулканизации прочно соединяет прутки металлической проволоки между собой, делая игольчатые зубья 7 монолитными.
Для получения игольчатых зубьев составляют пакеты пучков проволочного ворса из П-образных прутков и монтируют пакеты в пазах режущих и опорных реек, см. операционный эскиз сборки, показанный на фиг.13, таким образом, что в один зуб входят половинки двух соседних пакетов.
Зубья с РПК режущих и опорных реек выполнены одинаковыми и расположены на одном делительном диаметре, диаметре вершин и диаметре впадин таким образом, что зуб фрезы состоит из двух РПК (фиг.7). При работе фрезы на первом установе режущая профильная кромка режущей рейки срезает основную массу металла, а вслед идущая режущая профильная кромка опорной рейки зачищает микронеровности, оставленные от предыдущей кромки.
И
При изготовлении фрезы перед сборкой шлифование профиля режущих зубьев реек осуществляют в технологическом корпусе на резьбошлифовальном станке без затылования, аналогично шлифованию винта большим шлифовальным кругом с высокой производительностью и точностью. Задние углы режущих кромок образуются соответствующей установкой реек в рабочем корпусе. Благодаря двойной режущей кромке зуба фрезы, имеются в виду режущие кромки зубьев режущей и опорной реек, срок их службы в 3…5 раз выше, чем у стандартных фрез, и работают они на повышенных режимах резания (V=60…80 м/мин; S=3…6 мм/об; для фрез с зубьями из быстрорежущей стали по ГОСТ 19265-73, твердостью - HRC 62…65). У зубьев опорных реек передний угол равен нулю [4].
Качество обработанной поверхности определяется шероховатостью поверхности и состоянием материала поверхностного слоя [6].
Z
При зубофрезеровании известными стандартными модульными фрезами высоту расчетных неровностей R (фиг.8) можно определить положением точки пересечения двух окружностей, отстоящих друг от друга на расстоянии, равном подаче на зуб фрезы, по методике источника [6].
ZK
ZK
ZK
Определим высоту расчетных неровностей R при зубофрезеровании предлагаемой комбинированной фрезой, имеющей зубья с двумя РПК (фиг.8) и наружный диаметр D. Высота расчетных неровностей R определяется положением точки К пересечения двух окружностей, из которых одна окружность траектории движения РПК зуба опорной рейки первого зуба фрезы, а вторая окружность траектории движения РПК зуба режущей рейки второго зуба фрезы, отстоящих друг от друга на расстоянии, равном подаче S на зуб фрезы минус расстояние Х между режущими кромками одного зуба фрезы, взятой по окружности головок зубьев:
2
2
2
ZK
ZK
D/4=(D/2-R)+[(S-Х)/2].
Упрощаем полученное выражение. Так как
2
2
2
2
ZK
ZK
ZK
D/4-2(D/2)(R)+(R)+(S-X)/4-D/4=0,
ZK
ZK
ZK
ZK
ZK
2
2
2
(S-X)/4=DR-(R) и (R)<<DR,
ZK
2
то, пренебрегая членом (R), получим
ZK
ZK
2
R≈(S-X)/4D.
При фрезеровании предлагаемыми комбинированными фрезами, имеющими комбинированные зубья, состоящие из двух РПК, расположенных на расстоянии «X» мм друг от друга, высота расчетных неровностей уменьшается при уменьшении подачи на зуб, при увеличении диаметра D фрезы, а также при увеличении расстояния между РПК зубьев фрезы.
Кроме того, высота расчетных неровностей при фрезеровании предлагаемыми комбинированными фрезами меньше высоты расчетных неровностей, образованных стандартными фрезами в
раз.
Опорная зубчатая рейка помимо выполнения основной функции зубофрезерования и иглофрезерования микронеровностей и упрочнения зубчатой поверхности служит для создания дополнительной площади контакта режущей зубчатой рейке, что способствует повышению жесткости фрезы в целом, увеличению количества переточек. Режущая и опорная зубчатые рейки изготовляются комплектами для каждой фрезы разных размеров по толщине, высоте и профилю зубьев, поэтому они устанавливаются на различные ступени основания, если последнее выполнено ступенчатым (не показано), или на прокладки, если основание паза выполнено гладким.
Режущая и опорная зубчатые рейки запрессовываются попарно в пазы корпуса с подогревом последнего. Посадка с натягом реек в пазах гарантирует высокую жесткость против осевого смещения. Дополнительно рейки удерживаются закрепленными с обоих торцов корпуса крышками 4 и клеем. Крышки на торцах имеют буртики, которыми одеваются на выступающие концы реек, и крепятся к корпусу винтами. Клей соединяет воедино корпус и рейки, создавая необходимую монолитную конструкцию, что особенно важно для крупномодульных конструкций фрез.
Преимуществом двухпроходной сборной упрочняющей червячной фрезы предлагаемой конструкции является снижение трудоемкости ее изготовления по сравнению с известными конструкциями. Корпус предлагаемой фрезы выбирается увеличенной длины и значительно меньших по наружному диаметру размеров, так как на нем не требуется производить прорезку резьбового профиля под будущие опорные рейки. Это способствует значительной экономии стали. Поэтому после токарной обработки корпуса только фрезеруются продольные пазы дисковыми фрезами.
Одновременно изготавливается необходимый комплект режущих и опорных зубчатых реек в виде заготовок прямоугольного сечения. В дальнейшем в технологическом корпусе производится совместная обработка основного профиля зубьев режущих и опорных реек на токарном или резьбофрезерном станке. Профилирование игольчатых зубьев реек производится на резьбошлифовальном станке (фиг.14, где ШК - обозначен профильный шлифовальный круг). После термической обработки всех деталей конструкции осуществляется их очистка и нанесение клея на соединяемые поверхности пазов корпуса и реек и сборка конструкции. Отверждение клеевого соединения производится в печах или на воздухе при заданной температуре. В дальнейшем операции механической обработки предлагаемой червячной фрезы ничем не отличаются от операций финишной обработки известных сборных червячных фрез [3, 4].
После общей сборки перед началом эксплуатации фрезы необходимо шлифовать по профилю игольчатые зубья с учетом натяга i.
Одной из особенностей предлагаемой фрезы является возможность зубообработки за два прохода: чернового прохода зубьями, имеющими две режущие профильные кромки на первом установе, и чистового прохода игольчатыми зубьями на втором установе (фиг.1). Современные зуборезные станки позволяют автоматическое перемещение фрезы вдоль оси при переходе с чернового прохода на чистовой [3]. Первоначальное положение фрезы на стороне входа - расстояние от торца рейки до оси колеса
1
П
l=πh+πm,
П
где h - высота головки зуба фрезы, мм; m - нормальный модуль, мм.
Положение фрезы на втором установе при чистовой обработки иглофрезерованием, положение на стороне выхода
2
1
П
l=l=πh+πm.
Минимальная длина осевого перемещения фрезы
1
1
2
П
b=l+l=2(πh+πm).
Длина рейки фрезы
2
1
1
2
П
b=b+l+l=4(πh+πm).
Комбинированная зубообработка сокращает количество операций и число рабочих мест, а также уменьшает расходы на приобретение и использование большого количества оборудования, задействованного в технологическом процессе изготовления комбинированного инструмента.
/
//
+0,05
-0,1
1
Пример. На зубофрезерном станке мод. 53А80 нарезали зубья на зубчатом колесе зацепления Новикова: модуль - 9 мм, число зубьев - 34, угол наклона зуба - β=17°00, направление линии зуба - левое, нормальный исходный контур - по ГОСТ 15023-76, зацепление Новикова; коэффициент смещения - 0,063; степень точности - 9-С; длина общей нормали - 200,6  мм; число зубьев при измерении общей нормали - 8; диаметр окружности выступов - 335,1 мм; делительный диаметр - 320 мм; диаметр окружности впадин - 299,96 мм; высота зуба (глубина врезания) - 17,57 мм; коэффициент врезания - 0,934; осевой коэффициент перекрытия - 1,2; передаточное число ступени - 2,43; материал колеса - Сталь 18ХГТ ГОСТ 4543-71; цементировать h=1,5…2,0 мм; HRC 54…58. Обработку проводили предлагаемой двухпроходной сборной упрочняющей червячной зубчатой фрезой с иглоупрочняющими зубьями, оснащенной режущими и опорными вставными зубчатыми рейками из быстрорежущей стали по ГОСТ 19265-73. Твердость рабочей части режущей и опорной рейки HRC 62…65. Основные размеры фрезы: модуль - 9 мм; диаметр окружности выступов - 200 мм; длина реек фрезы - 200 мм; длина реек с режущими зубьями - 100 мм, длина реек с игольчатыми зубьями - 100 мм, диаметр отверстия под шпиндель - 60 мм; число пазов - 10. Зубообработку вели в два прохода. Черновое зубофрезерование проводили при установке оси колеса на расстоянии l=50 мм от торца рейки фрезы. Передний угол: зубьев режущей рейки - 8…10°, зубьев опорной рейки - 0°; задний угол зубьев режущей и опорной реек - 10…15°. Минутная подача - 90 мм/мин, скорость резания - 60 м/мин, количество оборотов фрезы - 136 об/мин, подача на оборот фрезы - 0,66 мм/об, подача на один комбинированный зуб - 0,066 мм/зуб.
1
После окончания чернового прохода производилось автоматическое перемещение фрезы вдоль оси на расстояние b=100 мм. Чистовой проход осуществляли игольчатыми зубьями фрезы.
п
Зубообработку упрочнением вели с подачей 0,09…0,15 мм/об стола, скорость обработки 12…18 м/мин. В качестве ворса применяли стальную пружинную проволоку диаметром 1,0…2,0 мм из стали 65Г. Для осуществления упрочняющей обработки необходимо, чтобы твердость и предел прочности при растяжении материала проволочных элементов ворса были выше этих параметров материала обрабатываемой заготовки в 1,5…2 раза, соотношение h/I, где h - высота пучка проволочного ворса, равная высоте впадины нарезаемого колеса; I - наименьший радиус инерции поперечного сечения проволочных элементов, находилось в пределах 50…100, а коэффициент К плотности проволочного ворса в пределах 0,7…0,9; при этом натяг составлял - i=0,7…1,5 мм.
В процессе обработки впадины заготовки колеса пучки ворса входят в распор между зубьями и прижимаются к обрабатываемой поверхности заготовки с натягом. Мгновенный вход во впадину и прижим проволочных элементов к обрабатываемой поверхности способствует срезанию микронеровностей и сопровождается ударом. Благодаря тому что пучки ворса имеют Г-образную форму и своим торцом обращены к обрабатываемой поверхности, игольчатый зуб фрезы удаляет микронеровности и оказывает силовое воздействие на обрабатываемые боковые поверхности зубьев, упрочняя их.
Основное силовое воздействие на обрабатываемую поверхность осуществляют пучки проволочного ворса, расположенные ближе к ножке игольчатого зуба фрезы. Прутки проволоки, формирующие вершину игольчатого зуба фрезы, имеют наибольшую свободную длину и прогиб, однако, попадая во впадину между зубьями обрабатываемого колеса, упруго поджимаются друг к другу, несколько увеличивая сосредоточенное суммарное воздействие на обрабатываемые поверхности.
Испытания предлагаемой комбинированной червячной фрезы показали, что усилие прижатия пучка к обрабатываемой поверхности заготовки составляет 200…600 Н на 10 мм ширины рабочей поверхности инструмента, а тангенциальная составляющая силы резания равна 150…550 Н.
в
в
Для обработки предлагаемым инструментом необходимо соблюдать условие: p/σ=1,5…2,0, где p - давление при иглоупрочнении, МПа; σ - предел прочности материала обрабатываемой заготовки, МПа.
Выбор соответствующего давления p зависит от физико-механических свойств материала проволочного ворса, от жесткости и плотности последнего, а также от натяга i [5].
Предлагаемая червячная комбинированная фреза расширяет технологические возможности зубообработки, повышает производительность за счет совмещения операций зубофрезерования быстрорежущими рейками и иглоупрочнения пучками проволочного ворса, сокращает количество операций и число рабочих мест, а также улучшает качество и точность зубообработки, снижает величину шероховатости обработанной поверхности и повышает износостойкость рабочих поверхностей нарезаемых зубьев.
По сравнению с зубофрезерованием стандартной червячной фрезой обработка предлагаемой комбинированной червячной фрезой с упрочнением позволила увеличить производительность в 2,5…3,0 раза, уменьшить параметр шероховатости обработанной поверхности зубьев до Ra=2,5 мкм, снизить уровень звукового давления на 2-3 дБ, повысить стабильность размеров зубчатого зацепления и качество. Стойкость фрезы повысилась в 2,2 раза. Зубья колес, обработанные комбинированной фрезой, во время термической обработки вследствие более однородной структуры поверхностных слоев деформировались меньше, чем стандартной червячной фрезой.
Предлагаемая комбинированная червячная фреза с упрочнением повышает производительность обработки за счет совмещения операций черновой, чистовой и упрочняющей обработки, сокращает количество операций и число рабочих мест, улучшает качество и точность зубообработки введением игольчатых зубьев, расположенных вслед за черновыми зубьями с двойной режущей профильной кромкой, повышает период стойкости, виброустойчивость инструмента, его работоспособность, снижает параметры шероховатости и дает возможность регулирования шероховатости поверхности, а также снижает себестоимость процесса зубофрезерования.
Источники информации
1. А.С. SU №1276449, МКП В23F 21/16. Сборная червячная фреза. А.Н.Шевченко. Заявка №3945200/25-08, 27.06.85; 15.12.86; Бюл. №46.
2. Передачи Новикова цилиндрические с двумя линиями зацеплениями. Исходный контур. ГОСТ 15023-76. Москва. Изд. стандартов, 1976.
3. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.1. Под ред. А.Г.Косиловой и Р.К.Мещерякова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение. 1986. С.342-372.
4. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т.2. Под ред. А.Г.Косиловой и Р.К.Мещерякова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение. 1985. С.190-197, рис.23.
5. Гавриленко И.Г. Способ совмещения предварительной и окончательной иглофрезерной зачистки цилиндрических деталей // Автоматизация и современные технологии. - 1992. - №9. - С.27-30.
6. Бобров В.Ф. Основы теории резания. М., Машиностроение, 1975, С. 136…141.