Содержание к диссертации
Введение
Глава I Состояние вопроса 12
1.1 Виды зубчатых колес и режущих инструментов для их нарезания 12
1.2 Арочные колеса и проблемы их нарезания и использования 16
1.3 Обзор публикаций по тематике арочных колес 19
Глава II Разработка режущего инструмента с нулевым углом профиля для зубонарезания арочных колес и способа его применения 24
2.1 Конструкция режущего инструмента 24
2.2 Особенности зубонарезания многозубым режущим инструментом с нулевым углом профиля 30
2.3 Математические зависимости кинематических перемещений режущего инструмента от параметров колеса 33
2.3.1 Конструкторско-технологическая подготовка зубонарезания 34
2.3.2 Исходные конструктивные данные 37
2.3.3 Расчетные конструктивные параметры 38
2.3.4 Математическая зависимость величины радиуса инструмента от параметров нарезаемого колеса 39
2.3.5 Взаимозависимость радиуса инструмента и радиуса арки 41
2.3.6 Зависимость ширины режущих пластин от параметров нарезаемого колеса 41
2.4 Настройка станка на обработку 42
2.4.1 Координатная система программы обработки 42
2.4.2 Привязка режущего инструмента к координатной системе программы. 43
2.5 Режимы обработки 44
2.6 Черновое прорезание материала между зубьями 47
2.6.1 Выполнение первого реза 50
2.6.2 Выполнение второго реза 52
2.6.3 Выполнение третьего реза 54
2.7 Профилирование вогнутой и выпуклой сторон зубьев 56
2.7.1 Нарезание эвольвентной части вогнутой стороны зубьев 58
2.7.2 Нарезание эвольвентной части выпуклой стороны зубьев 60
2.8 Сравнение технологических особенностей зубонарезания многозубым режущим инструментом с нулевым углом профиля и традиционного зубофрезерования 62
2.9 Экономические составляющие изготовления арочных зубчатых передач..67
2.10 Основные достоинства зубонарезания многозубым режущим инструментом с нулевым углом профиля 68
2.11 Конструкторско-технологическая подготовка производства 71
2.12 Производительность зубонарезания 72
2.13 Характеристики материальных элементов зубонарезания многозубым инструментом с нулевым углом профиля 76
2.13.1 Станки с ЧПУ для нарезания зубьев 76
2.13.2 Крепежная оснастка 86
2.14 Качество нарезания арочных колес и передач многозубой инструментальной головкой с нулевым углом профиля 89
2.14.1 Нормирование параметров точности арочных колес 89
2.14.2 Зависимость точности профиля от положения профилирующей точки резцов 91
2.14.3 Получение точности шагов колеса 92
2.14.4 Получение эффекта бочкообразности зубьев 95
2.14.5 Влияние систематических погрешностей станков на точность обработки 96
2.14.6 Влияние режущего инструмента на точность обработки 100
2.14.7 Влияние жесткости технологической системы 101
2.14.8 Влияние факторов, вызывающих случайные погрешности 103
2.14.9 Контакт зубьев в передаче 104
2.14.10 Шероховатость поверхности зубьев 104
2.-1-5 Обработка закаленных зубьев 108
2.15.1 Зубошлифование арочных колес 108
2.15.2 Финишное зубофрезерование 111
Глава III Экспериментальная часть работы 120
3.1 Экспериментальный комплект режущего инструмента 120
3.2 Совершенствование режущего инструмента 126
Основные выводы 131
Список литературы 136
Список работ, опубликованных автором по теме диссертации 147
Приложение А Результаты проверки качества зубонарезания 151
Приложение Б Разработка САПР технологического перехода кольцевого сверления 153
Приложение В Алгоритм проектирования инструментальной головки для зубонарезания арочных колес 157
Приложение Г Протоколы проверки точности 159
Приложение Д Конструкторский чертеж корпуса резцовой головки 164
Приложение Ж Акты внедрения 165
- Виды зубчатых колес и режущих инструментов для их нарезания
- Сравнение технологических особенностей зубонарезания многозубым режущим инструментом с нулевым углом профиля и традиционного зубофрезерования
- Станки с ЧПУ для нарезания зубьев
- Экспериментальный комплект режущего инструмента
Введение к работе
Актуальность темы
В работе исследуются возможности изготовления одного из видов эвольвентных колес, а именно арочных зубчатых колес, эвольвентный профиль которых имеет постоянный угол зацепления по всей ширине венца. Только режущим инструментом с нулевым углом профиля можно, используя движение обката, выполнить зубонарезание таких колес с достаточно высокой производительностью и точностью на многокоординатных станках с ЧПУ.
Рисунок 1 – Арочная передача
Арочные передачи (рис. 1) по эксплуатационным показателям – несущей способности, передаваемому крутящему моменту, износостойкости, плавности работы и массогабаритным характеристикам превзойдут в редукторах многих машин и механизмов другие виды передач, такие как прямозубые, косозубые и шевронные. Арка – наиболее жесткая конструкция из всех известных в технике. Именно арочное расположение зубьев повышает прочность и жесткость зубьев, способствуя улучшению плавности работы, снижению уровня шума передач, увеличению долговечности их работы.
Опыт прошедшего времени показал, что зубонарезание этих колес натолкнулось на определенные трудности, связанные с попытками использовать традиционные способы и инструменты зубонарезания. Возникла потребность выполнить исследование, направленное на создание и изучение перспективного с точки зрения точности и производительности режущего инструмента для зубонарезания.
Цель работы
Повышение производительности и точности зубонарезания арочных колес использованием многорезцовых инструментальных головок с нулевым углом профиля.
Для достижения указанной цели в работе необходимо решить следующие задачи:
-
Определить условия формообразования эвольвентных поверхностей зубчатого венца арочных колес с углом зацепления, одинаковым по всей ширине венца вращающимся инструментом с нулевым углом профиля за счет параметров установки и размеров режущего инструмента в результате движения обката рабочих органов станка с ЧПУ.
-
Предложить рациональное конструктивное исполнение зуборезного инструмента с нулевым углом профиля. Выявить возможность программированием обработки на многокоординатных станках с ЧПУ нарезания одним инструментом колес с различным числом зубьев и модулями, включая дробные, с профилем зубьев, отличающимся от стандартного исходного контура.
-
Установить пространственное положение профилирующих точек инструмента, обеспечивающих создание в результате движения обката эвольвентного профиля зуба с заданным углом зацепления.
-
Установить математические зависимости кинематических перемещений режущего инструмента от параметров колеса.
-
Установить взаимозависимость радиуса инструмента и радиуса арки нарезаемого колеса.
-
Установить математические зависимости величины радиуса инструмента от диаметра нарезаемого колеса и ширины режущих пластин от параметров нарезаемого колеса.
-
Предложить схему эксплуатации режущих пластин, обеспечивающую рациональное расходование инструмента.
-
Разработать математическую и компьютерную модель зубонарезания и САПР для получения управляющей программы обработки на станках с ЧПУ.
-
Выявить закономерности достижения точности, шероховатости и производительности зубонарезания колес с материалами улучшенного и закаленного исполнения.
-
Изучить возможность достижения высокой производительности при выполнении кольцевого сверления и профилирования эвольвентных участков профиля.
-
Определить возможность для арочных колес использования метрологического обеспечения, применяемого при контроле цилиндрических зубчатых колес в соответствии с требованиями ГОСТ 1643-81 «Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи зубчатые цилиндрические. Допуски».
Научная новизна работы состоит:
- в теоретическом обосновании условий формообразования эвольвентных профилей зубьев арочных колес вращающимися многорезцовыми инструментальными головками с нулевым углом профиля, обусловленных размерами инструмента и параметрами его установки в координатной системе многокоординатных станков с ЧПУ;
- во взаимосвязи параметров режущего инструмента (радиуса инструмента, ширины режущей пластины, радиусов при вершине пластин) и параметров колеса (радиуса арки, числа зубьев и ширины венца);
- во взаимосвязи станочных параметров установки режущего инструмента и заготовки (координатные расположения и перемещения рабочих органов станка) с параметрами нарезаемого арочного зубчатого колеса (модулем, числом зубьев, углом зацепления, радиусом арки, шириной венца, коэффициентами смещения исходного контура);
- в математической модели формообразования движением обката режущего инструмента и заготовки эвольвентных поверхностей с заданным углом профиля, включающей определение положения осей инструмента и заготовки в зависимости от параметров нарезаемого колеса (модуля, числа зубьев, коэффициентов коррекции, ширины венца).
Практическая ценность работы состоит:
- в разработке конструкции многорезцовых инструментальных головок с нулевым углом профиля для высокопроизводительного зубонарезания арочных колес с обеспечением по всей ширине венца одинакового угла профиля и равной толщины зубьев;
- в рекомендации по использованию комплекта, состоящего из трех инструментов для зубонарезания колес с твердостью до НВ 300 в три технологических перехода и состоящего из пяти инструментов для зубонарезания закаленных колес с твердостью зубьев до HRC 60 в пять переходов, обеспечивающих производительность зубонарезания, соизмеримую с традиционным зубофрезерованием;
- в обеспечении одинаковых углов зацепления по всей ширине зубьев в каждом сечении колеса, перпендикулярном его оси, за счет нулевого угла профиля режущего инструмента;
- в разработке схемы рационального использования режущих пластин путем определенной последовательности их переустановки в инструментах комплекта, которая обеспечивает увеличение суммарной стойкости каждой пластины;
- в рекомендации по определению параметров инструментальных головок (радиуса инструмента и точности его настройки, ширины режущих пластин) в зависимости от размеров и характеристик нарезаемых колес, обеспечивающих заданные показатели точности в пределах пятой-шестой степени по ГОСТ 1643-81 с производительностью, превосходящей обработку с использованием зубошлифования;
- в рекомендациях по использованию в инструментальных головках токарных резцов для прорезки канавок на торцах заготовок, оснащенные быстросменными многогранными неперетачиваемыми пластинами со сверхтвердыми покрытиями;
- в рекомендациях по назначению величин припусков между технологическими переходами, режимов резания и скорости перемещения режущего инструмента по линейной составляющей обката.
- в предложенном алгоритме проектирования многорезцовой инструментальной головки с нулевым углом профиля для зубонарезания арочных колес, обеспечивающей постоянный угол зацепления по всей ширине венца.
Методы исследования
Для решения поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследования, в частности теория получения эвольвентных поверхностей нулевым способом, а также компьютерное моделирование, пакеты программ MathCAD, T-FlexCAD и др.
Результаты исследований подтверждены экспериментами в лабораторных и производственных условиях, а также промышленным внедрением. Поставленные в работе задачи достигнуты использованием режущего инструмента с нулевым углом профиля на различных станках с ЧПУ, в том числе мод.17С40, ГФ5171Ф4, ЛР395, MCV-2418. Достоверность научных выводов обеспечена согласованием расчетных и экспериментальных данных.
Реализация работы
Результаты работы внедрены:
– на металлургическом заводе «Северсталь» г. Череповец, в редукторе листоупаковочной машины и при изготовлении арочных колес редуктора для листоправильного стана;
– при изготовлении арочных колес многошпиндельных агрегатных головок сверлильного станка в ООО «Тяжпрессмаш» г. Рязань; редуктора транспортера предприятия «ТехноНИКОЛЬ»; редукторов нефтедобывающих станков-качалок;
– в ОАО «Рязанский станкостроительный завод» в конструкции главных приводов токарного станка с ЧПУ мод. 16Р35Ф3, в конструкции главного привода зубофрезерного станка с ЧПУ мод. 53Р32Ф6;
– при изучении дисциплины «Технология машиностроения» в РИ(ф)МГОУ.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы доложены и получили одобрение:
– на семи межвузовских Научно-технических конференциях студентов, молодых ученых и специалистов, Рязань, 2007 – 2013 г.г.;
– на II Всероссийской научно-технической конференции, Чита, 2009 г.;
– на Международной научно-практической конференции, Брянск, 2009 г.;
– на Национальной научно-технической конференции по итогам конкурса Союза инженеров России на лучшую работу в области техники, Москва, МГТУ им. Баумана, 2011 г.
Публикации
По теме диссертации опубликованы 23 работы, в том числе две учебно-методические; имеется 5 патентов на изобретения; свидетельство, зарегистрированное в Отраслевом фонде алгоритмов и программ; две работы опубликованы и одна принята к публикации в журналах из перечня ВАК РФ.
Структура работы
Диссертация состоит из введения, трех глав, общих выводов и списка литературы. Работа изложена на 161 странице машинописного текста, содержит 56 рисунков, 16 таблиц, список литературы включает 93 наименования использованных источников.
Виды зубчатых колес и режущих инструментов для их нарезания
Машиностроение неразрывно связано с использованием редукторов, назначение которых состоит в увеличении на рабочих органах крутящих моментов. Редукторостроение на первых этапах своего развития целиком основывалось на использовании эвольвентных зубчатых передач. Существующую проблему повышения плавности работы зацеплений, снижение вибрации и шума общепринято решать за счет повышения качества зацепления. Например, у зубчатых колес главного привода металлорежущих станков нормы плавности должны быть в пределах пятой степени точности по ГОСТ 1643-81 [32], а разница в расположении профилей у колес одной передачи не должна превышать нескольких микрометров. Изготовление зубчатых колес высокой точности для достижения малошумности передач является камнем преткновения для многих изготовителей колес. Во всяком случае, решение этой проблемы требует высокой квалификации исполнителей и значительных трудовых затрат.
Зубообработку большинства точных цилиндрических зубчатых колес получают зубофрезерованием с последующим после закалки зубошлифованием. К этим традиционным способам достижения требуемых результатов по точности при приемлемых трудозатратах настолько привыкли, что иное считается просто немыслимым.
По характеру профиля зубьев используемые в настоящее время колеса можно разделить на эвольвентные и прочие, в основном, появившиеся в современной технике позднее эвольвентных.
Колеса с эвольвентным профилем имеют ряд конструктивных и технологических положительных качеств, из числа которых выделим следующие:
- зуборезным инструментом определенного модуля, работающим по принципу обката (червячными фрезами и долбяками), можно нарезать колеса с любым числом зубьев;
- профиль зубьев режущих инструментов может быть как прямолинейным, удобным для изготовления и контроля, так и эвольвентным;
- зацепление допускает значительные отклонения межосевых расстояний и в некоторой степени терпимо к перекосам осей.
Из этого перечня очевидна роль режущего инструмента для успешного осуществления зуббнарезания.
Эвольвентное зацепление за более чем двухсотлетнюю историю своего существования и развития стало наиболее изученным и технологически оснащенным. Несмотря на все попытки потеснить его, предпринимаемые во все годы его существования, оно, в силу своих положительных качеств, продолжает занимать ведущее место среди всех видов зубчатых передач.
В качестве недостатка зубчатых передач с эвольвентным профилем можно отметить повышенные контактные напряжения, возникающие по линии контакта двух выпуклых сторон парных эвольвентных профилей. Это обстоятельство ограничивает несущую способность передач.
При нарезании зубьев колес в основном используют современный режущий инструмент, совпадающий по модулю и углу профиля исходного контура с нарезаемым зубчатым колесом.
В данной работе будет уделено внимание созданию режущего инструмента с нулевым углом профиля для зубонарезания арочных колес, эвольвентный профиль которых имеет постоянный угол зацепления во всех сечениях по ширине венца, перпендикулярных оси. Именно благодаря созданию инструмента с нулевым углом профиля появляется возможность дальнейшего совершенствования эвольвентных зацеплений. Поставлена задача создать возможность нарезания одним режущим инструментом колес любого модуля.
Можно констатировать, что многочисленные попытки найти решение повышения работоспособности передач с отказом от эвольвентного зацепления до настоящего времени не увенчались успехом.
Например, в циклоидных и эпициклоидных передачах увеличение площади контакта достигают приданием профилям зубьев двух совершенно различных геометрических поверхностей. Каждое из двух зацепляющихся колес нарезают своим, отличным от другого, зуборезным инструментом. Дополнительные затраты на инструмент в сочетании с потребностью работы в условиях идеального сопряжения парных колес ограничили масштабы использования этих видов зацепления.
В дальнейшем, передачи Новикова были усовершенствованы, за счет придания каждому зубу колеса выпукло-вогнутого профиля (рисунок 1.2). В ней зубья обоих колес имеют вогнутые ножки и выпуклые головки. Но это, в свою очередь, еще больше усложнило конструкцию червячных фрез. [13].
Однако опыт многолетней эксплуатации передач Новикова выявил их явные недостатки:
более сложную технологию изготовления, за счет использования зуборезного инструмента с профилями зубьев криволинейной конфигурации;
наличие значительных осевых нагрузок на подшипники из-за использования винтовых зубьев с большими углами подъема винтовой линии.
Исследователи, занимающиеся много лет изучением и практическим внедрением передач Новикова в производство [23], считают, что главная причина, сдерживающая более широкое внедрение этого зацепления, состоит в относительно невысоком технологическом уровне производства, которое в последние годы не только не совершенствовалось, но, учитывая износ оборудования, откатилось назад. Ключевым моментом считают недостаточную точность основного зуборезного инструмента - червячных фрез.
Долю точности зуборезного инструмента при нарезании колес Новикова в общем балансе точности готового изделия можно определить, как близкую к 70 процентам, т.е. точность режущего инструмента в достижении качества колес выступает наиболее существенным фактором. Червячные фрезы для нарезания колес Новикова, в отличие от традиционных червячных, имеют сложный криволинейный, а не прямолинейный профиль, поэтому они всегда будут менее технологичными и более дорогими. Технология изготовления колес Новикова предусматривает приработку колес на первичном этапе их эксплуатации. По сути приработка - это просто более активный износ на первичном этапе, который со временем несколько уменьшится, но будет продолжаться. Точные эвольвентные передачи никакой приработки не требуют.
Возможно, потенциал использования колес Новикова пока не исчерпан. Но современное редукторостроение активно возвращается к эвольвентным передачам.
Указанные вопросы ставят на повестку дня необходимость работ по продолжению совершенствования эвольвентного зацепления, как наиболее перспективного.
Использование косозубых эвольвентных передач взамен прямозубых создает некоторые технологические и конструктивные трудности. Перечислим их.
1. В передаче одно из колес правое, а другое - левое. Каждое из колес нарезают при своей настройке зубообрабатывающего оборудования. В конечном счете, при погрешностях наклона зубьев возникает разница в углах зацепления у колес пары, что вызывает негативные последствия по плавности и шуму.
2. В косозубой передаче имеются осевые составляющие нагрузки, что требует иных конструкций опор с более дорогостоящими подшипниками.
3. Затруднен контроль угла наклона зуба, так как на самом деле - это угол подъема винтовой линии расположения зубьев на делительном цилиндре.
Стремление увеличить нагрузочную способность зубчатых передач привело к созданию шевронных.
Шевронное колесо - это два рядом расположенных косозубых колеса с правым и левым направлением зубьев. Зачастую на практике их изготавливают отдельно и складывают при сборке. Нарезать оба венца шевронного колеса без канавки для выхода инструмента весьма затруднительно. Такая канавка перерезает зубья на две части, уменьшая жесткость зубьев.
При использовании шевронных колес удваивается несущая способность передачи. К положительным сторонам следует отнести отсутствие осевых нагрузок на валы и опоры. Одновременно сохраняются все технологические трудности, присущие изготовлению косозубых колес. К ним прибавляется некоторая особенность сборки. Шевронные колеса одной пары невозможно ввести в зацепление осевым смещением одного колеса относительно другого. Они сопрягаются только при радиальном смещении. Легче всего собирать редукторы с разъемом корпуса и крышки по осям передач.
Сравнение технологических особенностей зубонарезания многозубым режущим инструментом с нулевым углом профиля и традиционного зубофрезерования
Зубонарезание, предложенным в работе инструментом, имеет несомненные достоинства перед зубообработкой цилиндрических колес внешнего зацепления всеми известными способами и инструментами. Эти достоинства в дополнение к преимуществам арочных колес и режущего инструмента, заложенным в их конструкции, явятся основой уникального и перспективного направления совершенствования зубчатых передач в машинах различного назначения.
Предложенное зубонарезание арочных колес является, в сравнении с традиционным способом зубофрезерования цилиндрических колес, принципиально иным способом формообразования зубьев [7], [88]. При зубофрезеровании зубья фрезы имеют вид рейки, которая образует зуб движением обката инструмента по делительной окружности заготовки. При профилировании зубьев арочного колеса предложено использовать движение обката режущего инструмента по основной окружности, что позволяет за счет нулевого угла профиля получить теоретически правильную эвольвенту.
Имеется единственный вид финишной зубообработки - зубошлифование на станках швейцарской фирмы Мааг, при котором некоторые стороны обработки, такие как нулевой способ нарезания, единичное деление, обработка обеих сторон зуба двумя кругами и точное расположение профилирующей точки относительно основного цилиндра, в какой-то степени схожи с предлагаемым способом нарезания арочных колес.
Оставив в стороне преимущества, которые возникают при переходе к арочным колесам (высокая жесткость зубьев, увеличение коэффициента перекрытия), имеет смысл рассмотреть характерные черты каждого из способов, выявив их достоинства и недостатки.
Совпадения и отличия предложенного формообразования и традиционного зубофрезерования отражены в таблице 4.
При превышении верхней границы толщины стружки (0,3 мм) возникает опасность выкрашивания кромок фрезы.
При предварительном зубофрезеровании величина следа от подачи несущественно влияет на окончательное качество поверхности зуба. Объективная трудность возникает при финишном зубофрезеровании червячной фрезой, так как избавиться полностью от следа подачи практически невозможно, что было изучено в экспериментальной части работы. В отличие от традиционного зубофрезерования, рассматриваемый способ нарезания арочных колес переводит след подачи из волнистости в шероховатость.
Перенос большинства параметров точности червячной фрезы (расположение шагов, угол профиля зуба, радиальное и торцовое биение зубьев) на точность обработанного колеса является существенным недостатком зубофрезерования, поскольку не все потребители используют червячные фрезы высокой точности классов А, АА и AAA.
Перспективность зубонарезания режущим инструментом с нулевым углом профиля продемонстрировала в 2012 году фирма Sandvik, предложив метод InvoMilling для прямозубых и косозубых колес - «революционно новый метод обработки зубчатых колес с эвольвентным профилем на многоцелевых станках» (рисунок 2.22) [17]. По существу этот метод повторяет данную разработку, но только для колес с прямолинейным расположением зубьев. Режущим инструментом является трехсторонняя дисковая фреза со сменными неперетачиваемыми пластинами твердого сплава со сверхтвердыми покрытиями. Одной фрезой можно нарезать колеса нескольких модулей с любым углом наклона зуба широкого диапазона профилей (не только эвольвентного).
В таблице 5 приведено сравнение двух способов зубонарезания, реализованных на многокоординатных станках с ЧПУ.
Анализ отличающих черт показывает, что предложенный в работе способ выигрывает у InvoMilling исключением необходимости выполнения нескольких резов по ширине зубьев. В свою очередь, InvoMilling использует для полной обработки один, а не несколько режущих инструментов.
В примере рисунка 2.22 выполняется обработка заготовки m=2,5 z=32 из стали 45 с твердостью НВ180 фрезой диаметром 125 мм с 12 зубьями. Скорость резания 250 м/мин, частота вращения инструмента 637 об/мин, подача 0,286 мм/зуб. Общее время нарезания 22 минуты. Цикл нарезания арочного колеса будет несколько меньшим.
Станки с ЧПУ для нарезания зубьев
Станки с ЧПУ для нарезания зубьев арочного колеса многозубым инструментом с нулевым углом профиля должны обладать четырьмя управляемыми координатами, из которых одна должна быть круговой, связанной возможностью интерполяции с одной из линейных. По этим двум координатам реализовано движение обката. Такими возможностями обладают многие современные станки с ЧПУ: вертикально-фрезерные, горизонтально-расточные, токарные обрабатывающие центры.
Существенное значение для достижения при обработке высокой производительности имеют силовые характеристики главного привода станка, на котором выполняют зубонарезание. Наибольшая нагрузка на шпинделе возникает в технологическом переходе кольцевого сверления основного материала впадины.
Для выполнения анализа нагрузок подготовлена нормативная база данных по материалам колес и твердым сплавам для зубонарезания.
Марки сталей, из которых возможно изготовление арочных колес, сведены в группы по параметру обрабатываемости. Каждой группе приданы коэффициенты обрабатываемости kyj и мощности kN, которые участвуют в расчетах скорости и мощности резания путем умножения на них базовых величин скорости и мощности (Таблица 6).
Данные таблиц 6 и 7 получены путем анализа математического обеспечения специализированного компьютера TRIM шведской инструментальной фирмы «Sandvik Coromant» и адаптированы к отечественным маркам сталей.
В таблице 7 приведен коэффициент kV2, учитывающий при расчете скорости резания режущие способности материалов пластин. Этот коэффициента отражает зависимость скорости резания от групп и подгрупп применения материалов режущих инструментов. Для зубонарезания арочных колес могут использоваться твердые сплавы из групп Р, М и К с числовыми значениями подгрупп применения.
Для выполнения кольцевого сверления назначают вполне определенные режимы резания (подачу, глубину и скорость резания), которые определяются возможностями режущего инструмента.
Подача по рекомендациям фирм-изготовителей должна находиться при протачивании кольцевых канавок на торцах заготовок в достаточно узком диапазоне 0,04 - 0,07 мм/зуб. Большие подачи могут привести к поломкам пластин, а уменьшение подачи ниже значения 0,02 мм/зуб приводит к вибрациям, так как величина подачи становится соизмеримой с радиусом округления режущей кромки. Кольцевое сверление используемым многозубым инструментом по характеру нагрузок на режущую пластину подобно протачиванию канавок на торцах заготовок. Имеются также различия в пользу многозубого инструмента при зубонарезании:
- резцы работают с выходом из материала колеса;
- «разведение» резцов в головке создает условия полуоткрытого резания»
- «косое резание» обеспечивает появление участков значительной протяженности с открытым резанием.
Конструкция инструментальной головки, в которой использованы 8, 12 и 16 резцов с высотой державки 20 и 25 мм, определяет довольно большой шаг между зубьями. В дополнение к схеме прорезания впадины зуба это является гарантией отсутствия опасности заполнения стружкой пространства между зубьями.
Имеем потенциальные резервы увеличения производительности зубонарезания.
При кольцевом сверлении глубина резания t равна ширине реза, т.е. ширине пластины Ъ. В нашем случае 3 и 4 мм.
Особенно важное значение при назначении скорости резания имеет выбор периода стойкости Т - времени сохранения режущим инструментом работоспособного состояния. Показатель степени г при работе твердосплавными и быстрорежущими инструментами равен 0,26. Это означает, что при увеличении скорости всего на 25% расход инструмента удваивается. Такое соотношение между скоростью и стойкостью переводит задачу выбора оптимальной скорости резания в экономическую плоскость. При нарезании зубьев арочных колес рентабельность обработки можно обеспечить довольно продолжительным сроком службы твердосплавных режущих пластин. Из соображений экономного использования пластин предложено ограничить скорость резания 165 м/мин, в то время как фирма Sandvik в способе InvoMilling использует скорость резания 250 м/мин.
Во время нарезания арочных колес выполняли наблюдение за затратами мощности, визуализируемыми в виде процентов от мощности на шпинделе на данном режиме обработки (рисунок 2.28). Значения мощности снимались с монитора устройства ЧПУ (рисунок
Мощность резания не зависит от диаметра резцовой головки. Результат экспериментов выявил значение т = 0,84 показателя степени скорости резания, что близко к отечественным источникам 0,85. В компьютере TRIM этот параметр имеет
Приведем для стали 40Х расчет мощности, приходящейся на один резец инструментальной головки, при скорости резания 160 м/мин и подаче 0,05 мм/зуб: -для пластины шириной 3 мм Ршп = 0,061-3-160 -0,05 =1,375 кВт; -для пластины шириной 4 мм Ршп = 0,061-3 160 84-0,05 75 — 1,833 кВт.
Проанализируем соответствие силовых характеристик современных станков с ЧПУ условиям выполнения кольцевого сверления при нарезании арочных колес.
Расчеты, подтвержденные экспериментальной проверкой, показывают, что для выполнения прорезания впадины между зубьями резцом шириной 3 мм в улучшенной до твердости НВ180 стальной заготовке из стали 40Х одним резцом при скоростях резания соответственно 150, 175 и 200 м/мин требуются затраты мощности примерно 1,5; 1,68; 1,86 кВт (Таблица 8). Таким образом, нагрузка будет зависеть от числа резцов инструментальной головки, одновременно участвующих в резании. Обычно это четвертая часть от общего числа резцов в головке. При больших значениях диаметра головки и ширины нарезаемого венца в работе могут участвовать до 5 резцов.
Экспериментальный комплект режущего инструмента
На первом этапе исследований была поставлена задача спроектировать и изготовить комплект инструментальных головок для экспериментальной проверки возможности зубонарезания арочных колес. Изготавливали головки для конкретной задачи нарезания арочных колес с модулем 4 мм для завода «Северсталь».
Комплект состоял из четырех режущих головок с восемью резцами в каждой. Головки имели единый по конструкции корпус, но различались конструкцией резцов. Две предназначались для нарезания эвольвентных частей профиля: одна - для вогнутой и вторая для выпуклой сторон зубьев, третья и четвертая - для прорезки нерабочих частей впадин зубьев, прилежащих к боковым сторонам.
Резцы имели рабочую сторону с нулевым углом профиля, а нерабочую для повышения прочности и жесткости - с углом 16 градусов (рисунок 3.1). Потребовались четыре различные конструкции резцов. Профилирующие резцы отличались расположением режущей части. Резцы для прорезки впадин между зубьями сходны с профилирующими, но имели меньшую ширину, позволившую вписаться в узкую впадину в основании зубьев. Положение резцов на требуемом радиусе инструмента Rj = 47,6 мм обеспечивалось точным расположением поверхностей пазов инструментальных головок относительно оси вращения.
Для ускорения этапа технологической подготовки было решено изготовить резцы целиком из быстрорежущей стали марки Р6М5К5.
При первой экспериментальной проверке режущего инструмента было выполнено изготовление девяти колес для трех комплектов передач редуктора листоупаковочной машины завода «Северсталь». Колеса из стали 40Х в улучшенном состоянии до твердости НВ260: одно колесо z=18 и два сопрягаемых с ним колеса z=32 m=4 мм.
Скорость резания была принята 24 м/мин, подача резцовой головки 0,05 мм/зуб.
Зубонарезание выполнялось на высокоточном шестикоординатном токарном обрабатывающем центре мод. 17С40 производства Рязанского станкозавода (рисунок 3.2). Станок имеет два шпинделя: один несет заготовку, второй, инструментальный, - режущий инструмент. Головки устанавливали отверстиями диаметром 32 мм на стандартные оправки для торцовых фрез с конусом HSK.
Полная обработка осуществлялась в четыре технологических перехода: двумя переходами профилировали эвольвенты выпуклой и вогнутой сторон зубьев, третьим и четвертым переходами формировали впадину в основании зубьев. Первые два перехода реализовывали обкат от основной окружности, а два последних - от делительной. Все четыре обката выполнялись в одном направлении при движении головки справа налево и повороте заготовки против часовой стрелки.
Чтобы не возникла широкая стружка, вызывающая вибрации, обкат двух первых переходов выполняли в четыре рабочих хода, разделив эвольвентную часть зуба на три примерно равных участка. На последний рабочий ход оставлен припуск 0,15 мм, при его выполнении профилирующие точки резцов двигались по касательной к основному цилиндру.
Нарезанные колеса соответствовали по всем показателям 7 степени точности по ГОСТ 1643-81. Шаги, накопленная ошибка шага, профиль зуба, радиальное биение проконтролированы на измерительном приборе PFS-62 немецкой фирмы Klingelnberg теми же методами, которые используют при проверке прямозубых колес.
Увеличение диаграммы 50, 100, 200, 500, 1000 и 2000 крат
Вычислительная машина ВЕ-3090 производит математическую обработку и регистрацию измеренных значений следующих параметров:
- погрешность шага fp;
- разность соседних шагов fu;
- накопленная погрешность шага Fp;
- накопленная погрешность к шагов Fpz/8;
- радиальное биение Fr;
- профиль зуба ff.
Все проверенные показатели отображаются в протоколе, а профиль зуба - в виде графика.
Установлено, что профиль зубьев одинаков в пределах 4,5 мкм во всех осевых сечениях колеса.
Никакой потребности в приработке и притирке колес зубчатой передачи, которые описаны во многих работах, не понадобилось.
Уровень шума проверили на итальянской шумоконтрольной машине ДЕММ-320 (рисунок 3.3), он составил 68 дБ. Такой низкий уровень шума свидетельствует о высоком качестве зубчатых колес, в частности, норм плавности.
На осциллоскопе измерительной машины отображаются вибрации осей двумя линиями, которые характеризуют показатели плавности работы передачи. Наиболее интересным было то, что при увеличении нагрузки и частоты вращения до 3000 об/мин уровень шума и уровень колебаний изменялись во много раз меньше, чем при проверке прямозубых цилиндрических колес такой же точности. Это подтвердило высокую жесткость арочных зубьев, так как именно деформации зубьев от нагрузки являются причиной возрастания шума. Отпадает необходимость решения проблемы шума сложными конструктивно-технологическими приемами [46].
Трудоемкость зубонарезания инструментальной головкой с быстрорежущими резцами колеса z=18 составила 2,5 часа, a z=32 - 4 часа. Поскольку нарезание пальцевой фрезой диаметром 4 мм тех же самых колес в экспериментальной части диссертации А.Н. Паршина выполнялось на том же станке, можно сравнить трудоемкости двух способов. Нарезание пальцевой фрезой занимало примерно в 10 раз больше времени и, кроме того, потребовало примерно 10-ти часовой притирки каждой пары колес.
Выявлены положительные стороны экспериментального режущего инструмента.
1. Резцовые головки с нулевым углом профиля позволяют нарезать арочные колеса с постоянным углом профиля и постоянной толщиной зубьев по всей ширине колеса.
2. Резцовая головка с нулевым углом профиля позволяет нарезать арочные колеса любого числа зубьев, широкого диапазона модулей.
3. Производительность зубонарезания на порядок выше, чем при нарезании пальцевой фрезой.
4. Точность нарезания высокая, определяется в большей степени точностью станка, а не точностью зуборезного инструмента.
5. Шероховатость поверхности зубьев достигнута в пределах Ra 1,2 мкм.
Одновременно можно отметить ряд недостатков экспериментальных головок с быстрорежущими резцами.
1. Каждая инструментальная головка имеет свой типоразмер резцов.
2. Профилирующие точки резцов, образующих эвольвентную поверхность зуба, и резцов, обрабатывающих впадину, должны быть расположены строго на одинаковом радиусе, иначе на поверхности зуба образуется уступ или зарез. Отрицательную роль в достижении точного сопряжения поверхностей эвольвенты и впадины играет также обкат каждого из видов резцов от различных окружностей, основной и делительной.
3. Резцы при износе должны подвергаться переточке по передней грани, так как заточка по задней грани изменит радиус инструмента.
4. Производительность зубонарезания арочных колес значительно уступает зубофрезерованию прямозубых и косозубых колес червячными фрезами.
5. Невозможно выполнять зубонарезание заготовок высокой твердости.
