Пути повышения эффективности зубофрезерования червячно-модульными фрезами

УДК 621.914.6

Пути повышения эффективности зубофрезерования червячно-модульными фрезами

В. В. Демидов, Е. В. Демидова

Ключевые слова: передний угол фрезы, срезаемый слой, стойкость фрезы, схема резания, червячно-модульная фреза.

В настоящее время способ зубофрезерования колес червячно-модульными фрезами имеет широкое распространение в машиностроении благодаря своей универсальности, высокой производительности и точности, возможности автоматизации процесса. Основным направлением повышения эффективности зубофрезерования червячно-модульными фрезами является повышение стойкости фрез и производительности обработки зубчатых колес. В качестве решения указанных задач используются оптимизация схемы резания и геометрических параметров зубьев червячно-модульных фрез [1].

Оптимизация схемы резания

Известно, что износ зубьев стандартных червячно-модульных фрез происходит как по передней, так и по задней поверхности. На передней поверхности вдоль режущих кромок образуются лунки: наибольшая лунка обычно располагается вблизи вершины зуба. Износ задних поверхностей зубьев чер-вячно-модульных фрез происходит неравномерно, более значительно — на вершинной режущей кромке по уголкам зубьев. Чаще всего лимитирующим фактором работоспособности червячно-модульных фрез является износ по задним поверхностям зубьев. Повышенный износ зубьев червячно-модульных фрез на их вершинной части объясняется тем, что срезаемые стандартной фрезой слои металла заготовки имеют П-образ-ную форму, при этом происходит стесненное резание одновременно на обоих уголках вершины зуба фрезы [1]. Как известно, стесненное резание существенно снижает период стойкости режущего инструмента, поскольку из-за интенсивной деформации срезаемых слоев металла заготовки повышаются силы

резания и, следовательно, температура в зоне резания [2].

Замена стесненного резания на свободное приводит к повышению стойкости режущего инструмента. Однако при использовании известных схем резания при зубофрезеровании червячно-модульной фрезой не удается полностью отказаться от стесненного резания на вершине зуба фрезы: возможна лишь замена одновременного стесненного резания на двух уголках вершины зуба на резание только на одном уголке, что также повышает стойкость фрезы [1].

Оптимизация геометрических

параметров зубьев

Еще одним способом повышения стойкости червячно-модульных фрез из быстрорежущих сталей является оптимизация геометрических параметров зубьев, в частности применение зубьев с положительными передними углами. Так, в работе [1] рекомендуется назначать передние углы червячно-модульных фрез до 15°, что приводит к снижению сил резания на 30-40 % процентов и позволяет увеличить подачу на 40-50 %.

На основе этих положений была предложена новая конструкция червячно-модульной фрезы с положительными передними углами на вершинах зубьев, равными 10°, у которой вершинные прямолинейные режущие кромки выполнены с наклоном 15-20° к оси фрезы, причем наклон на нечетных зубьях выполнен в одну сторону, а на четных — в другую [3]. Задние углы на вершинах зубьев фрезы равны 12°. Профиль зубьев фрезы приведен на рис. 1, 2. Предлагаемая конструкция фрезы позволяет исключить образование П-образных срезаемых слоев металла заготовки, заменив их на Г-образные и линейчатые (рис. 3).

Рис. 1. Профили зубьев предлагаемой червячно-мо-дульной фрезы после обработки 300 колес

Рис. 2. Чередующиеся по винтовой линии профили зубьев предлагаемой червячно-модульной фрезы четных (а) и нечетных (б) зубьев:

1,3 — боковые прямолинейные режущие кромки зубьев; 2 — вершинная прямолинейная режущая кромка зубьев; Я2 — радиусы сопряжений режущих кромок

б)

Рис. 3. Формы срезаемых слоев металла заготовки наиболее нагруженными зубьями червячно-модульных фрез: а — стандартной фрезой; б, в — предлагаемой фрезой с нечетными (б) и четными (в) зубьями

Угол наклона вершинных прямолинейных режущих кромок, равный 15-20°, выбран с учетом следующих факторов. Уменьшение значений этого угла приводит к появлению стесненного резания одновременно на двух уголках вершины зуба фрезы, а следовательно, к уменьшению ее периода стойкости. Увеличение значений этого угла недопустимо по следующим обстоятельствам. Во-первых, возможно уменьшение длины боковой режу-

щей кромки зуба фрезы, необходимой для профилирования зубьев детали. Во-вторых, в средней части ширины дна впадины зубьев детали образуется существенный по высоте выступ, что не допускается техническими требованиями на зубчатые колеса. В-третьих, из-за уменьшения угла в плане при вершине зуба уменьшается теплоотвод из зоны резания в инструмент, это также влечет за собой сокращение периода стойкости фрезы.

Вершинные прямолинейные режущие кромки предлагаемой червячно-модульной фрезы срезают слой металла заготовки не на всю ширину дна впадины зубьев, как это происходит при использовании стандартной фрезы, а примерно на ее половину. Один из зубьев фрезы, например нечетный, удаляет слой металла заготовки, подлежащего срезанию на дне впадины зубьев, примерно на половину ширины дна впадины зубьев, а следующий за ним, четный, зуб фрезы снимает оставшийся на дне впадины зубьев слой металла заготовки. При таком расположении вершинных режущих кромок стесненное резание имеет место только на одном из уголков вершины зуба. Однако в данном случае увеличивается толщина срезаемого каждым зубом фрезы слоя металла заготовки на дне впадины зубьев нарезаемого колеса. Как известно, степень влияния ширины и толщины резания на силу резания не одинакова: ширина резания оказывает большее влияние на силу резания, чем толщина [2]. В связи с этим применение червячно-модульной фрезы новой конструкции сопровождается уменьшением сил резания, а следовательно, снижением температуры в зоне резания и повышением периода стойкости фрезы [1].

Результаты опытно-промышленных испытаний

В соответствии с описанной выше конструкцией была изготовлена двухзаходная чер-вячно-модульная фреза из быстрорежущей стали Р6М5К5 с модулем 2,5 мм, наружным диаметром 100 мм и 12 стружечными канавками. Сопряжения боковых режущих кромок с вершинной прямолинейной режущей кромкой выполнены дугами окружностей. Испытания фрезы проводили в производственных условиях, выполнялось зубофрезерование зубчатых колес из стали 20ХНМ ТУ 14-2252-90 твердостью НВ 163 с 37 зубьями при скорости резания 50,24 м/мин методом радиально-осе-вой подачи (радиальная подача — 0,40 мм/об,

Контролируемые параметры и их допуск на операции зубофрезерования колес

осевая попутная подача — 1,25 мм/об) на станке 53В30П (Витебский станкостроительный завод). Передвижка фрезы осуществлялась автоматически на величину 0,9 мм после обработки каждого колеса.

Переточку червячно-модульной фрезы осуществляли шлифовальным кругом 1300x20x76 25А 25-Н М3 8 К5 35 м/с А 1 кл. (ОАО «Волжский абразивный завод», Волжский, Волгоградская обл.) (ГОСТ 2424-83) при частоте вращения 2000 об/мин (окружная скорость круга — 31,4 м/с), с продольной подачей 5 м/мин при поперечных черновой подаче 0,015 мм/ход и чистовой подаче 0,005 мм/дв.ход (один проход на каждый ряд зубьев фрезы) с последующим выхаживанием. Величина припуска на заточку зубьев фрезы составляла 0,3 мм.

В соответствии с техническими требованиями на данной операции контролировали следующие параметры обработанных зубчатых колес, приведенные в таблице. Период стойкости червячно-модульной фрезы определяли по критерию износа ее зубьев по задней поверхности. Кроме указанных в таблице параметров также контролировали значения максимальных фазных токов, потребляемых электродвигателем привода главного движения фрезы, на холостом ходу и при фрезеровании.

В результате проведенных опытно-промышленных испытаний червячно-модульной фрезы новой конструкции установлено следующее:

• значения всех контролируемых параметров обработанных зубчатых колес остаются в пределах допуска в течение всего периода стойкости фрезы;

• разность максимальных фазных токов электродвигателя привода главного движения фрезы, потребляемых во время зубофрезерования и на холостом ходу, в среднем в два раза меньше, чем при работе стандартной фрезой, применяемой на производстве;

• по критерию износа зубьев по задней поверхности период стойкости предлагаемой фрезы больше периода стойкости стандартной фрезы в 5-6 раз (300 деталей, обработанных фрезой новой конструкции, и 50-60 деталей — стандартной фрезой, используемой на производстве).

Таким образом, экспериментально доказана эффективность применения червячно-модульных фрез с предлагаемой схемой резания и положительными передними углами при обработке заготовок из стали 20ХНМ. По нашему мнению, наблюдаемые положительные результаты при зубофрезеровании фрезой новой конструкции будут иметь место и при обработке зубчатых колес из сталей этой же группы обрабатываемости.

Литература

1. Полохин О. В., Тарапанов А. С., Харламов Г. А.

Нарезание зубчатых профилей инструментами червячного типа. М.: Машиностроение, 2007. 240 с.

2. Ящерицын П. И., Фельдштейн Е. Э., Корние-вич М. А. Теория резания: Учеб. Минск: Новое знание, 2005. 512 с.

3. Пат. 2396152 Российская Федерация. МПК В23Г 21/16. Червячная фреза для нарезания зубчатых деталей / В. В. Демидов, Д. С. Ксенафонтов, Е. В. Демидова; заявитель и патентообладатель Ульяновск. гос. техн. ун-т. № 2009116316/02; заявл. 28.04.2009; опубл. 10.08.2010. Бюл. № 22.

Параметр Допуск, мм

Колебание измерительного межосевого рас-

стояния:

за оборот зубчатого колеса 0,050

на одном зубе 0,020

Предельное отклонение измерительного меж-

осевого расстояния:

верхнее +0,120

нижнее +0,020

Радиальное биение зубчатого венца 0,036

Колебание длины общей нормали 0,022

Износ зуба ЧМФ по его задней поверхности 0,300