Шевингование прикатывание цилиндрических колес с круговыми зубьями

УДК 621.83

A.A. Маликов, A.B. Сидоркин

ШЕВИНГОВАНИЕ - ПРИКАТЫВАНИЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОЛЕС С КРУГОВЫМИ ЗУБЬЯМИ

Рассмотрены основные аспекты комбинированного метода чистовой обработки цилиндрических колес с круговыми зубьями шевингованием - прикатыванием.

Статья написана в результате исследования, проведенного при финансовой поддержке гранта РФФИ № 08-08-99006 «Современная концепция создания технологических основ эффективного зубонарезания цилиндрических зубчатых колес».

Способ шевингования - прикатывания для чистовой обработки незакаленных прямозубых и косозубых цилиндрических колес, разработанный в ТулГУ, показал хорошие показатели по улучшению кинематической точности зубьев колеса и плавности зацепления [1]. Экспериментальные исследования шевингования - прикатывания цилиндрических зубчатых колес подтвердили его высокую технико-экономическую эффективность. Производительность процесса достигает 2-4 с/зуб, точность исходной заготовки по нормам кинематической точности, плавности и полноте контакта повышается на 2 - 4 степени ГОСТ 1643-81, шероховатость обработанной поверхности Яа=0,63 мкм, коэффициент использования материала

0,85-0,90 [2].

Опираясь на результаты исследований, обобщенных в монографии [3], предлагается расширить область применения способа шевингования -прикатывания за счет его использования для обработки цилиндрических колес с круговыми зубьями (ЦККЗ). Для решения этой проблемы предложена комплексная методика расчета и проектирования режущих инструментов - шеверов-прикатников для обработки ЦККЗ. Это перспективное направление разработок неотъемлемо связано с широким внедрением зубчатых колес с круговыми (арочными) зубьями наружного зацепления. Их применение как альтернатива прямозубым и косозубым передачам является эффективным направлением повышения нагрузочной способности, долговечности и снижения уровня шума при работе зубчатых передач.

Рабочая поверхность арочного зуба представляет собой поверхность, описываемую эвольвентой, расположенной в плоскости, перпендикулярной оси колеса, которая перемещается вдоль этой оси и поворачивается относительно нее. Параметры линии смещения исходного контура арочного зуба (рис. 1) определяются параметрами исходной кривой на развертке делительного цилиндра зубчатого колеса. В качестве такой кривой используется дуга окружности радиуса Ra с центром, расположенным на центральной продольной оси развертки делительного цилиндра. Условие непрерывности взаимодействия зубьев состоит в том, что вторая пара взаимодействующих зубьев должна войти в зацепление прежде, чем вый-

дет из зацепления первая пара. Для непрерывности зацепления необходимо, чтобы угол перекрытия был больше углового шага.

Рис. 1. Схема формирования линии смещения исходного контура

кругового (арочного) зуба

Уже на данном этапе рассмотрения задачи о применении рассматриваемого способа для обработки ЦККЗ необходимо выработать решение проблемы расчета и проектирования режущих инструментов - шеверов-прикатников, а также рассмотреть особенности их изготовления.

Комплексная методика проектирования процесса шевингования -прикатывания ЦККЗ, основанная на концепции, изложенной в [3], дополнена анализом ряда конструктивных и технологических особенностей ЦККЗ, имеющих существенное влияние на геометрические параметры инструмента. Она включает в себя моделирование процесса профилирования и конструирование режущего (шеверов-прикатников) и вспомогательного (резцовые головки и шлифовальные круги, а для средних и крупных модулей возможно применение пальцевых фрез) инструмента, изучение формообразующих возможностей технологического оборудования, позволяет классифицировать задачи, решаемые при проектировании режущих инструментов, разрешить в полной мере большинство противоречий, связанных с реализацией инструментом двух его основных функций:

1) профилирования, формирования им обрабатываемой поверхности кругового зуба;

2) резания, удаления припуска с исходной заготовки.

Развертка делительного

длительный

Множества обрабатываемых и производящих поверхностей совместно с множествами относительных движений и условий профилирования позволяют рассматривать профилирование шевером-прикатником как часть обработки давлением. Это определяет возможные схемы контакта поверхностей: по поверхности, линии и точке.

Множества режущих кромок, производящей поверхности и поверхности стружечной канавки совместно с условиями пересечения поверхностей описывают конструкцию режущей части шевера-прикатника. Профилирующие режущие кромки обязательно должны принадлежать производящей поверхности.

Множества режущих кромок и их движений относительно поверхности детали образуют множество поверхностей резания. Семейство поверхностей резания по числу режущих кромок позволяет рассматривать задачу профилирования с точки зрения кинематики процесса формообразования, а использование вместо режущих кромок режущего клина - объединить задачи профилирования и резания. В результате формируется множество условий резания, накладываемых на форму поверхностей инструмента, а также учитываются физические факторы, влияющие на процесс профилирования.

Множество относительных движений поверхностей определяет формообразующие возможности технологического оборудования (станков).

Все рассматриваемые объекты взаимосвязаны, изменение любого из них приводит к изменению остальных. Все многообразие решаемых при проектировании задач является следствием этих связей, а поиск оптимальных и рациональных решений приводит к многократным расчетам с последующей проверкой различных условий: профилирования, резания, пересечения, и использованию различных геометрических, кинематических, физических моделей режущего инструмента [4].

На рис. 2 представлена концептуальная схема проектирования процесса шевингования - прикатывания ЦККЗ. В схеме приведена последовательность проектирования технологического процесса шевингования -прикатывания и режущего инструмента. Укрупненно она состоит из нескольких этапов.

На первом этапе в соответствии с эксплуатационными характеристиками передачи задаются номинальным радиусом кривизны зуба, получаемого при чистовой обработке одного из колёс, например, при обработке выпуклых сторон зубьев шестерни, и величиной приведённого торцевого зазора А, так называемого отвода, находящегося в пределах 0,008 - 0,015 мм. Наличие отводов необходимо для обеспечения гарантии отсутствия кромочного контакта по торцам зубьев, который, в свою очередь, может образоваться в результате неизбежных погрешностей сборки зубчатых колес передачи, а также наличия упругих деформаций несущих валов пере-

дачи. Отводы также позволяют добиться локализации пятна контакта зубьев пары в области ее среднего сечения и его симметричности.

[Проектирование процесса шевингования - прикатывания ЦККЗ

І

Йсходные данные: геометрические параметры зубчатой пары ___________________с круговым зубом_______________________

Ї

Расчет радиусов кривизны зубчатой пары определение торцевого зазора

і

| Геометрические параметры инструмента

Рспомогательные параметры инструмента! [Кинематические параметры проц^ Условия зацепления!

предполюсного|

Конструкторско-технологическое обеспечение условия комплементарности _________поверхностей зуба инструмента и обрабатываемой детали_______

¡Ограничивающие факторы|

Производящая поверхность! {Поверхность стружечных канавок)

I

Система режущих кромок |

Г

Кинематические углы режущего лезвия

------------ПГ------------------

[Конструирование режуще-де( юрмирующего инструмента

Ї

Режимы обработки

Рис. 2. Концептуальная схема проектирования процесса шевингования - прикатывания ЦККЗ

Далее приближённо определяют номинальный радиус кривизны зуба, получаемого при чистовой обработке вогнутых сторон зубьев сопряжённого колеса. Как правило, величина радиуса выпуклой стороны зуба принимается меньше, чем вогнутой. Затем переходят к его уточнённому расчёту. При этом, задаваясь фазой зацепления, находят координаты точек торцового профиля зуба шестерни. Аналогичным образом находят координаты точек торцового профиля зуба сопряжённого колеса. Вычисляют расстояния между различными точками торцовых профилей зубьев сопряжённых колёс и определяют кратчайшее из них, равное действительному значению торцового приведённого зазора. Изменяя фазовый угол, оценивают изменение приведённого зазора в процессе зацепления. При необходимости корректируют величину приведённого зазора, внося поправку в значение радиуса кривизны зуба, и вновь определяют зазор. Эту операцию повторяют до тех пор, пока приведённый зазор не будет равен заданной величине.

На втором этапе, основываясь на геометрических и кинематических параметрах пары заготовка - инструмент, определяются параметры пред-полюсного или заполюсного зацепления, обеспечивающие выполнение ограничивающих факторов по заострению зубьев инструмента, обеспечению коэффициента перекрытия, отсутствие интерференции профилей и др.

На третьем этапе определяются параметры производящей поверхности и параметры стружечных канавок. Система режущих кромок рассчитывается как результат пересечения производящей поверхности с поверхностями стружечных канавок.

Отдельным вопросом, решаемым на данном этапе, является проектирование производящей поверхности круговых зубьев инструмента - ше-вера-прикатника. Для обеспечения линии контакта зубчатой пары инструмент - заготовка по всей длине зуба обрабатываемого колеса не допускается наличие отводов, иными словами, торцовый зазор А должен быть равен нулю. Это обеспечивается тем, что выпуклая и вогнутая поверхности зуба инструмента должны быть комплементарны (взаимно дополнять друг друга) вогнутой и выпуклой поверхностью зуба заготовки.

Остановимся на данном вопросе подробнее. Условие комплемен-тарности поверхностей зуба шевера-прикатника и обрабатываемого колеса подразумевает то, что радиус выпуклой стороны зуба инструмента будет всегда больше радиуса его вогнутой стороны. В некоторых случаях это может привести к невозможности изготовления инструмента из-за существенного заужения вершин зубьев торцевых зуборезных головок (ЗРГ), используемых при профилировании зубьев шеверов-прикатников. Это за-ужение может достигать критических значений £^<(0,35...0,4)т [5]. Данное явление рассматривалось ранее в работе [6] для случая нарезания ЦККЗ зуборезной головкой. Однако для рассматриваемого случая, когда радиус выпуклой стороны зуба шевера-прикатника меньше радиуса его во-

гнутой стороны, исследование возможности подрезания торцов зубьев ше-вера-прикатника при их нарезании ЗРГ либо необходимость существенного заужения зубьев ЗРГ по вершинам, вплоть до неприемлемых величин, носит определяющий характер.

Рассмотрим данное явление на конкретном примере. При разработке шевера-прикатника для чистовой обработки ведущей шестерни масляного насоса, имеющей следующие основные параметры: модуль т=2 мм, число зубьев 2=11, коэффициент смещения исходного контура д^О, номинальный радиус кривизны арки выпуклой стороны зуба Я01=20 мм и ширина венца ¿>=10 мм, расчетным путем установлено, что для обеспечения возможности чистовой обработки вогнутой стороны зуба шевера-прикатника, имеющей номинальный радиус /?0е=20 мм, при номинальном радиусе выпуклой стороны зуба Д0/=20,63 мм и ширине обрабатываемого зубчатого венца инструмента ¿=15 мм необходимо использовать ЗРГ с зауженным зубом. Причем, ширина зуба ЗРГ на ее вершине будет 8а=0,7\ мм, что приближается к границе минимально возможной по условию прочности. Таким образом, дальнейшее заужение зубьев головки невозможно.

При необходимости же изготовления шевера-прикатника, имеющего большую ширину венца, при неизменных величинах радиусов кривизны выпуклой и вогнутой сторон его зубьев возникает следующая проблема. При достижении значения критической ширины венца Ькр, при обработке вогнутой стороны зуба неминуемо будет происходить подрезание выпуклой стороны соседнего зуба. Это же происходит и при обработке противоположной стороны зуба. Из данной ситуации возможны два выхода: во-первых, дальнейшее заужение зуба ЗРГ, но, как видно из предыдущего абзаца, эта мера является в данном случае практически неприемлемой; во-вторых, изменение величины номинального радиуса кривизны зуба ЦККЗ с неминуемой коррекцией всех ранее произведенных расчетов. Это является изменением, вносимым уже в конструкцию зубчатой пары, что также является не всегда возможным.

На четвертом этапе рассчитываются кинематические углы режущего лезвия, назначаются конструктивные параметры, режимы обработки.

На пятом этапе производится многокритериальная оценка процесса шевингования - прикатывания по трудоемкости, производительности, себестоимости и др. критериям.

На заключительном этапе производятся разработка конструкторской документации - рабочих чертежей инструмента и, по мере необходимости, построение его трехмерной модели. Пример построения трехмерной модели шевера-прикатника для обработки ведущей шестерни масляного насоса приведен на рис. 3.

Рис. 3. Трехмерная модель шевера-прикатника для обработки ЦККЗ

Трехмерное моделирование инструмента применяется для более наглядного понимания его конструкции, а также более эффективного проектирования станочной оснастки и наладки на обработку рассматриваемой детали.

Библиографический список

1. Пат. 2314183 РФ, МПК7 В 23F 19/06. Способ финишной обработки цилиндрических зубчатых колес / Валиков Е.Н., Борискин О.И., Белякова В.А., Ямников A.C., Маликов A.A.; заявитель и патентообладатель ТулГУ-№2006119873/02; заявл. 06.06.2006; опубл. 10.01.2008, Бюл. №1 -4 с.: 3 ил.

2. Валиков Е.Н. Исправляющие способности шевингования-прикатывания цилиндрических зубчатых колес / Е.Н. Валиков, В.А. Белякова // Изв. ТулГУ. Сер. Технология машиностроения. - 2004. - Вып. 1. -С.115-117.

3. Валиков Е.Н. Комбинированная обработка зубьев цилиндрических зубчатых колес шевингованием-прикатыванием: монография/

Е.Н. Валиков, О.И. Борискин, В.А. Белякова. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. -123 с.

4. Илюхин С.Ю. Теория моделирования формообразования поверхностей деталей машин с использованием каркасно-кинематического метода: монография / С.Ю. Илюхин. - Тула: ГУИПП «Тульский полиграфист», 2002. - 176 с.

5. Болотовский И.А. Справочник по геометрическому расчету звольвентных зубчатых передач: справочник / под общ. ред. И.А. Болотовского - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. - 448 с.

6. Васин В.А. Обработка арочных зубьев цилиндрических колес/

В.А. Васин, М.Н. Бобков, Г.М. Шейнин // СТИН. - 2005. - № 4. - С. 26-29.

Получено 23.04.08