Современные технологические подходы при изготовлении цилиндрических зубчатых колес в условиях мелкосерийного производства и особенности расчета и проектирования зуборезного инструмента

ОБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ РЕЗАНИЕМ

УДК 621.9.025

Современные технологические подходы при изготовлении цилиндрических зубчатых колес в условиях мелкосерийного производства и особенности расчета и проектирования зуборезного инструмента

В. П. Балков, Л. И. Каменецкий, А. С. Кирютин, Е. А. Негинский, О. С. Отт, Д. Н. Пищулин

Статья посвящена особенностям расчета и проектирования зуборезного инструмента для обработки цилиндрических зубчатых колес в условиях мелкосерийного и единичного производств. Представлен анализ основных положений методик профилирования зуборезного инструмента различного назначения. Предложены альтернативные традиционным методам зубообработки перспективные технологические подходы и конструкции инструмента для их реализации.

Ключевые слова: крупномодульные зубчатые колеса, изготовление зубчатых колес, зуботочение, специальный зуборезный инструмент.

Традиционная технология обработки резанием цилиндрических зубчатых колес основана на применении метода обкатки и метода единичного деления. В условиях крупносерийного и массового производств в подавляющем большинстве случаев используется метод обкатки с применением цельных червячных фрез (как правило, многозаходных) с оптимальными для обрабатываемого зубчатого изделия конструктивными и геометрическими параметрами. На современном станочном оборудовании такой инструмент, изготовленный из порошковых быстрорежущих сталей со специализированными покрытиями, может эксплуатироваться на скоростях резания 120 м/мин и более и удовлетворяет наиболее важному для данных условий производства критерию максимума производительности [9, 15-16]. В мелкосерийном, а в особенности единичном, производстве, характерном, как правило, при изготовлении крупномодульных зубчатых колес, достижение критерия максимальной производительности не имеет решающего значения. Для этих условий, наряду

с зубофрезерованием червячными фрезами, широко применяется метод единичного деления с использованием зуборезного инструмента дискового или пальцевого типа.

При проектировании и расчете профиля зуборезного инструмента принимается, что его режущие кромки располагаются на некоторой исходной инструментальной поверхности (ИИП), при этом, вне зависимости от метода обработки и применяемого инструмента, ИИП и обрабатываемая боковая поверхность (ОБП) изделия в точке контакта (профилирования) должны иметь общую касательную плоскость и общую нормаль [3, 5, 6, 10, 13-14]. Расчет профиля зуборезного инструмента, работающего методом обкатки, базируется на использовании двух основных способов формализации условия контакта. Первый из них [6, 12-13] предполагает равенство нулю определителя, элементами которого являются частные производные декартовых координат радиуса-вектора текущей точки ОБП по криволинейным координатам и и V этой точки и параметру огибающего движения ф:

ШШШМБОТКА

Эх dy дг

ди ди ди

дх дy дг

dv дv дv

дх д£ дг

дф дф дф

= 0.

При этом на области допустимых значений криволинейных координат и и V должно выполняться соотношение ^ х ^ Ф 0 . Необхо-

ди дv

димо отметить, что использовать уравнение (1) в большинстве случаев неудобно из-за необходимости вычисления частных производных.

Другой подход к формализации условия контакта ИИП и ОБП, впервые предложенный в работе [14], основан на так называемом кинематическом методе и заключается в равенстве нулю скалярного произведения векторов относительной скорости иотн и нормали N к ОБП в контактной точке:

nvoth =

Смысл уравнения (2) состоит в требовании равенства нулю нормальной составляющей скорости относительного перемещения ОБП и ИИП в точке контакта. Представляя условие контакта (1) в векторном виде, получим равенство нулю смешанного скалярно-вектор-ного произведения

дР ХЭ£^ЭР = 0,

du dv) дф '

Эр Эр ^ „

в котором т— х — представляет собой вектор ди дv

нормали к ОБП, а частная производная ра-

Эр Эф

вектор, коллинеарный вектору относительной скорости. Таким образом, при выборе одних и тех же параметров и, V и ф имеем

диуса-вектора по параметру движения т— —

различных зуборезных инструментов можно, рассматривая уравнение (2) совместно с зависимостями, определяющими тип ИИП. Принимая в качестве общего случая ИИП в форме винтовой поверхности, удобно воспользоваться известным соотношением [6]

y°Nx° - x°Ny° = P°Nz°'

где Хо, Уо и Nx, , — декартовые координаты текущей точки радиуса-вектора ОБП и проекции вектора нормали к ней в системе координат, связанной с инструментом; ро — винтовой параметр ИИП.

При зубофрезеровании червячными фрезами координаты профиля инструмента определяются на основе системы уравнений:

nvoth =

y°Nx° - X0Ny° = P0Nz°-

эРхэР1хэР = т - 0

Эи XЭv JXЭф--

Благодаря компактности и наглядности кинематический метод нашел широкое применение при решении задач профилирования [4, 6, 10, 11]. Формализовать условия для расчета

Уравнения системы (4) зависят от криволинейных координат u и v и параметра движения ф. При ф = const имеет место система двух уравнений с двумя неизвестными, решением которой является пара значений u и v, определяющих положение одной контактной точки в пространстве в каждый момент времени. Таким образом, при червячном зубо-фрезеровании имеет место точечный контакт ОБП и ИИП.

При решении задачи профилирования инструментов в форме поверхностей вращения (дисковых и пальцевых фрез) для обработки винтовых поверхностей методом единичного деления иотн = 0, вследствие чего Nvoth = 0. В данном случае условием существования в контактной точке общей нормали ОБП и ИИП становится пересечение этой нормали с осью инструмента. Такое условие формализуется как частный случай соотношения (3) при P0 = 0, а именно y0NXo - X0Ny0 = 0, при этом ОБП и ИИП имеют линейный контакт.

Помимо упомянутых традиционных методов изготовления цилиндрических зубчатых колес, необходимо отметить метод зу-боточения, впервые научно обоснованный во ВНИИинструмент [13]. Сущность этого метода заключается в том, что для его реализации используется специальный инструмент (обкаточный резец) типа косозубого долбяка

МЕТАЛЛООБРАБОТКА

с числом зубьев, равным числу заходов, работающий при согласованных вращениях инструмента и изделия на их скрещивающихся в пространстве осях. Особенностью методики расчета данного инструмента является отсутствие ограничений на тип ИИП, т. е. для его расчета, в отличие от червячных фрез, используется только условие Nv:отн = 0. При j = const это условие характеризует зависимость между криволинейными координатами u и v, которую геометрически можно представить как линию в пространстве. То есть при зуботочении в каждый момент времени будет иметь место линейный контакт ОБП и ИИП, при этом формы линий контакта при различных значениях j также будут различаться. Учитывая вышеизложенное, ИИП в данном случае можно представить как геометрическое место линий контакта, определенных в системе координат, жестко связанной с инструментом. Профиль обкаточного резца образуется сечением ИИП плоскостью передней поверхности. Поскольку любая точка профиля такого инструмента при определенном значении параметра j будет являться точкой контакта, огранка профиля изделия при зуботочении отсутствует.

Необходимо отметить, что метод зуботоче-ния не обладает свойством универсальности, т. е. обкаточный резец является специальным инструментом, пригодным только для обработки определенного изделия и требует точного позиционирования относительно заготовки вдоль своей оси (является инструментом определенной установки). Кроме того, возможности эффективного применения метода зуботочения в значительной степени ограничены отсутствием станочного оборудования, рассчитанного на быстрое вращение стола. Поэтому и в силу других причин данный метод не получил широкого распространения в промышленности. Исключение составляет его успешное внедрение на ряде отечественных предприятий при серийном производстве колес с внутренними зубьями при существенном (до 5 раз) повышении производительности обработки по сравнению с традиционным зубодолблением [2].

В настоящее время все более отчетливо проявляется необходимость разработки новых эффективных технологий зубообработки применительно к мелкосерийному и единичному производствам. В условиях отсутствия в стра-

не централизованного производства крупномодульных червячных фрез решение технологической проблемы нарезания закаленных зубчатых колес, создание альтернативных технологий на основе применения метода зубото-чения представляются перспективными направлениями. В целях развития указанных направлений в ОАО «ВНИИинструмент» был выполнен комплекс НИОКР, включающий создание прикладного программного обеспечения по расчету специального сборного зуборезного инструмента, разработку конструкций и технологии его изготовления, ориентированной на использование оборудования с ЧПУ. На рис. 1 представлена 3Б-модель инструмента, предназначенного для чистового нарезания закаленной до 50 НИС шевронного вала-шестерни с модулем т = 20 мм, числом зубьев 21 = 30 и углом наклона зубьев Р1 = 30°. Инструмент выполнен в виде однозубой фрезы-летучки определенной установки относительно оси изделия с механическим креплением фасонных режущих элементов в корпусе насадного типа. Согласование вращений инструмента и изделия аналогично зубофрезерованию однозаход-ными червячными фрезами. Положение плоскости передней поверхности рассчитывается исходя из параметров обрабатываемого изделия и параметров установки инструмента на станке с учетом создания благоприятных для обеспечения резания углов наклона режущих кромок. Необходимо отметить, что разработка 3Б-модели в данном случае представляется необходимым этапом технологической подготовки производства, поскольку существенно упрощается подготовка исходных данных для управ-

Рис. 1. ЭБ-модель сборного специального инструмента

11ЕШ1100ЬРАШКА

Рис. 2. Опытные образцы специального инструмента для чистового нарезания правого и левого венцов шевронного вала-шестерни

ляющих программ при корпусной обработке и последующий контроль профиля инструмента. Общий вид опытных образцов инструмента в правом и левом исполнениях (для правого и левого направлений венцов шевронного вала-шестерни соответственно) представлен на рис. 2. Режущие элементы с фасонным профилем изготовлены из высокопрочного твердого сплава на электроэрозионном оборудовании с ЧПУ, а корпусы обработаны на 5-координат-ном обрабатывающем центре.

Отдельного внимания заслуживает перспективное направление, связанное с использованием зуборезного инструмента с режущей частью из твердого сплава применительно к его эксплуатации на станках с ЧПУ. Преимущество этого направления заключается в возможности изготовления сложных зубчатых деталей при существенном упрощении конструкции дорогостоящего зуборезного инструмента. В наибольшей степени упрощение конструкции,

а следовательно, и существенное снижение себестоимости изготовления инструмента достигаются при расположении режущих кромок на ИИП плоской формы (торцовой поверхности инструмента). В настоящее время разработана гамма из двенадцати моделей сборных дисковых фрез, оснащенных твердосплавными неперетачиваемыми пластинами, для прецизионной обработки зубчатых колес в диапазоне модулей от 12 до 50 мм. Опытные образцы фрез (рис. 3) изготовлены на производственной базе ОАО «ВНИИинструмент». Фрезы оснащены восьмью прямоугольными твердосплавными пластинами, каждая из которых имеет две прямолинейные режущие кромки. Крепление пластин в корпусе фрезы осуществляется через отверстия винтами с конической головкой с базированием по боковой стороне пластины и опорной поверхности. Конструкция позволяет осуществлять плавную регулировку пластин посредством регулировочных винтов, установленных в резьбовых вставках корпуса фрезы.

Использование сборного инструмента, оснащенного сменными твердосплавными пластинами, позволяет повысить эффективность обработки благодаря применению прогрессивных инструментальных материалов, в частности твердых сплавов с изгибной прочностью не менее 3500 МПа и твердостью не менее 91,5 HRA [1].

Испытания инструмента проведены на специализированном исследовательском комплексе на базе прецизионного 5-координатно-го обрабатывающего центра совместной разработки ОАО «ВНИИинструмент» и Willemin Macodel (Швейцария) при чистовом нарезании прямозубых зубчатых колес m = 12 мм и z = 18 из стали 40Х.

Рис. 3. Сборная фреза с твердосплавными неперетачиваемыми пластинами

В результате выполнения комплекса НИОКР была теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность достижения 6-й степени точности по ГОСТ 1643-81 обрабатываемых зубчатых колес инструментом дискового типа при использовании станков с ЧПУ [7, 8].

Литература

1. Боровский Г. В., Григорьев С. Н., Маслов А. Р.

Справочник инструментальщика / Под общ. ред. А. Р. Мас-лова. М., 2007.

2. Волков Н. Н., Цвис Ю. В. Вопросы теории и практики конструирования, производства и эксплуатации инструмента: сб. тр. ВНИИинструмент. 1976.

3. Современные методы решения задач формообразования сложного режущего инструмента / В. А. Гречишников, П. В. Домнин, В. А. Косарев [и др.] // СТИН. 2013. № 12. С. 6-10.

4. Кирсанов Г. Н., Пищулин Д. Н. Расчет профиля инструментов, работающих методом обкатки, с применением ЭЦВМ // Станки и инструмент. 1978. № 3. С. 21-22.

5. Лашнев С. И. Формообразование зубчатых деталей реечными и червячными инструментами. М.: Машиностроение, 1971. 211 с.

6. Литвин Ф. Л. Теория зубчатых зацеплений. М.: Наука, 1968. 584 с.

7. Отт О. С. Сборные дисковые зуборезные фрезы и процесс механической обработки крупномодульных зубчатых колес на станках с ЧПУ // Изв. МГТУ МАМИ, 2011. № 1. С.174-177.

8. Пищулин Д. Н., Отт О. С. Инновационные технологические процессы обработки резанием зубчатых деталей на станках с ЧПУ: тез. докл. на Международном форуме «Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и механизмов». Москва, 26-27 мая 2009 г. С. 73-75.

9. Производство зубчатых колес: справ. / Под ред. Б. А. Тайца. М.: Машиностроение, 1975. 728 с.

10. Родин П. Р. Основы формообразования поверхностей резанием. Киев: Вища шк. 1977. 192 с.

11. Радзевич С. П. Кратко о кинематическом методе и об истории уравнения контакта в форме n V = 0 // Теория механизмов и машин. 2010. № 1, т. 8 [Электронный ресурс]. URL: http://tmm.spbstu.ru/15/ radzevich_15.pdf

12. Рашевский П. К. Курс дифференциальной геометрии. М.: Гос. изд. техн.-теорет. лит. 1956. 420 с.

13. Цвис Ю. В. Профилирование режущего обкатного инструмента. М.: Машгиз, 1961. 154 с.

14. Шишков В. А. Образование поверхностей резанием по методу обкатки. М.: Машгиз, 1951. 150 с.

15. Mickelson D. Guide to Hard Milling and High Speed Machining. N. Y.: Industrial Press Inc. 2007. 228 pages.

16. Deithard T. Einteilige Wfllzf^ser vertreiben Kosten aus der Serienfertigung // WB Werkstatt und Betrieb. 2015. N 3. Р. 30-32.

Уважаемые коллеги!

Открыта постоянная редакционная подписка на научно-производственный журнал «МЕТАЛЛООБРАБОТКА». Журнал учрежден и издается АО «Издательство «Политехника» с 2001 г.

Тематика: обработка материалов резанием, давлением, электрофизические и электрохимические методы обработки; новые технологии и материалы.

Тираж 2500 экз., объем 56 е., периодичность — 6 номеров в год, стоимость одного номера — 700 руб. Постоянным подписчикам 10 % скидка. С 2003 г. журнал включен в Перечень ВАК.

Приглашаем к сотрудничеству авторов: научные статьи, одобренные редколлегией, редактируются и печатаются бесплатно.

Для рекламодателей по запросу высылаем расценки. Подписной индекс: по каталогу «Роспечать» — № 14250.