3.8.3. Нарезание зубчатых колес методами обкатывания
Нарезание зубчатых колес по методу обкатывания производится на специальных и специализированных станках: зубодолбежных (имитируется зацепление цилиндрических прямозубых или косозубых зубчатых колес), зубофрезерных (имитируется червячное зацепление), зубострогальных (имитируется зацепление конических зубчатых колес) и др.
Нарезание зубчатых колес на зубодолбежных станках выполняется зуборезными реечными и цилиндрическими долбяками. Этим способом нарезают цилиндрические зубчатые колеса с прямым и спиральным зубом внешнего и внутреннего зацепления, а также шевронные. Наиболее распространена обработка цилиндрическими долбяками (рис. 3.234).
При обработке долбяк и заготовка совершают следующие движения:
• главное — возвратно-поступательное движение долбяка параллельно оси нарезаемого колеса; измеряется числом двойных ходов долбяка в минуту n;
• круговая подача — непрерывное вращательное движение долбяка; измеряется перемещением точек на делительной окружности за один двойной ход долбяка Sкр;
• деления — согласованное с вращательным движением долбяка вращение заготовки; необходимо, чтобы долбяк и заготовка вращались с частотами, обратно пропорциональными числу их зубьев;
• возвратно-поступательное, обеспечивающее выход долбяка; при каждом обратном ходе (вверх) для устранения трения задних поверхностей долбяка о заготовку стол с заготовкой отводится от долбяка, а на рабочем ходу возвращается в прежнее положение; частота этого движения совпадает с частотой главного;
• радиальная подача, необходимая для постепенного врезания долбяка в заготовку Sр.
Рис. 3.234. Схемы обработки на зубодолбежном станке при нарезании прямозубых (а), косозубых (б) зубчатых колес и рабочая зона зубодолбежного станка (в)
Обработка производится за один или несколько проходов в зависимости от степени точности нарезаемого колеса.
Для нарезания косозубых зубчатых колес применяют специальные долбяки, а станок оснащается направляющей, устанавливаемой на штоссель с долбяком. Она обеспечивает в процессе главного движения перемещение долбяка по винтовой линии.
Долбяки (рис. 3.235) являются универсальным зуборезным инструментом для нарезания цилиндрических колес. Ими можно сделать любое цилиндрическое колесо с наружным и внутренним зацеплением, но преимущественное применение они находят при нарезании зубьев блочных колес и колес с буртиками, которые невозможно обработать фрезерованием, колес с внутренним зацеплением, шевронных без канавки для выхода инструмента и мелкомодульных с модулем m < 1,5.
Рис. 3.235. Долбяки для обработки наружных (а) и внутренних (б) венцов зубчатых колес
Рис. 3.236. Компоновка и схема управляемых координат зубодолбежного станка с ЧПУ:
X — радиальное перемещение; Z — вертикальное перемещение; А2 — отвод инструмента для выхода долбяка; С2 — круговая подача; С' — вращение заготовки; S — частота двойных ходов; Z2 — длина двойного хода; В — наклон колонны; Y—смещение колонны
На рис. 3.236 приведена схема зубодолбежного станка с ЧПУ, имеющего электронный механизм деления обката и винтового перемещения долбяка. Устройство ЧПУ значительно упрощает настройку станка на обработку конкретного зубчатого колеса, что связано с отсутствием кинематических цепей с гитарами сменных шестерен, кулачков врезания и радиальной подачи, устройств для ручной установки положения и значения хода долбяка.
Станки оснащают измерительной системой. Они могут выполнять обработку профильным инструментом, отличным от эвольвентного долбяка.
Современные зубодолбежные станки с ЧПУ позволяют нарезать блочные и сложные зубчатые колеса, имеющие, например, внутренние и внешние венцы, за одну операцию, что существенно повышает гибкость и производительность обработки. В этом случае используют сборный или специальный инструмент, состоящий из нескольких долбяков (рис. 3.237).
Зубодолбление может выполняться также реечными долбяками. В последнем случае имитируется реечное зацепление. Для этих целей используют реечные долбяки с прямым и наклонным зубом. Эту схему целесообразно использовать, в частности, для нарезания шевронных зубчатых колес. Станки с реечными долбяками весьма громоздки и редко используются на практике.
Шевронные зубчатые колеса могут выполняться зубодолблением двумя одновременно работающими косозубыми цилиндрическими долбяками (рис. 3.238).
Рис. 3.237. Нарезание внутреннего венца зубчатого колеса
Рис. 3.238. Нарезание шевронных зубчатых колес двумя дисковыми долбяками
Зубодолблением зубья обычно получают за несколько проходов. На черновых проходах осуществляется съем основной массы металла, поэтому назначение режимов резания опирается на обеспечение производительности обработки и лимитируется мощностью станка и стойкостью инструмента. На чистовых проходах режимы обработки назначают из условий обеспечения точности и качества поверхности. При нарезании зубчатых колес с модулем до 6 мм часто используют два прохода (черновой и получистовой). Выбор режимов обработки зависит от обрабатываемости материала лезвийным инструментом и материала долбяка. Долбяки изготавливают из быстрорежущих сталей, например Р18.
Нарезание червячными модульными фрезами используется для получения прямозубых и косозубых зубчатых колес внешнего зацепления. В настоящее время это наиболее распространенная операция предварительного формирования поверхности зубьев под последующие операции химико-термической обработки и шлифования зубьев. Этим способом обрабатывают цилиндрические, червячные и конические шестерни. Инструмент для такой обработки показан на рис. 3.239. Обработка выполняется при следующих рабочих движениях:
• главное — вращение фрезы nф — определяет скорость резания;
• вращение заготовки nЗ — кинематически связано с вращением фрезы;
• осевая подача фрезы SО — используется при нарезании цилиндрических колес;
• радиальная подача фрезы SР — используется при нарезании червячных зубчатых колес;
• тангенциальная подача фрезы SК — применяется при обработке червячных колес модульными фрезами, имеющими заходную часть.
Рис. 3.239. Схема зубофрезерования цилиндрических колес червячной модульной фрезой
Вращения фрезы и заготовки должны быть связаны зависимостью
1 об. фрезы =
об. заготовки,
где k — число заходов червячной фрезы; z — число зубьев нарезаемого колеса.
Червячные фрезы (рис. 3.240) являются очень сложным и дорогостоящим инструментом (приблизительно 50 % стоимости зуборезной операции составляют расходы на инструмент), поэтому важное место занимают мероприятия, направленные на повышение его стойкости. При нарезании зубьев с радиальной подачей в работе находится небольшой участок червячной фрезы (обычно из нескольких десятков зубьев червячной фрезы изнашиваются 3-5). Для увеличения срока службы фрез на современных станках предусмотрены специальные устройства, позволяющие изменять ее положение вдоль оси. Увеличение срока службы фрезы может быть достигнуто также использованием диагонального фрезерования, когда червячной фрезе сообщают одновременно две подачи — одну параллельно оси нарезаемого колеса Sо, а другую вдоль оси фрезы Sк, в результате чего фреза перемещается по диагонали.
Рис. 3.240. Червячные фрезы разной конструкции (а) и рабочая зона зубофрезерного станка (б)
Схема зубонарезания с диагональной подачей приведена на рис. 3.241.
Рис. 3.241. Схема зубонарезания с диагональной подачей
Соотношение между подачами Sк и Sо определяется зависимостью
,
где Lp — длина рабочей части фрезы; В — ширина обрабатываемого колеса.
При наладке станка руководствуются следующими правилами:
• для нарезания прямозубого колеса ось червячной фрезы располагают относительно линии, перпендикулярной к оси заготовки, под углом а, соответствующим углу подъема винтовой линии фрезы;
• для нарезания колеса с косым зубом учитывают угол наклона его зубьев.
Червячные колеса преимущественно нарезают на зубофрезерных станках червячными фрезами с радиальной и осевой подачей (рис. 3.242).
Рис. 3.242. Обработка червячных колес с радиальной (а) и тангенциальной (6) подачами
При работе с радиальной подачей фрезе сообщают два движения: вращение вокруг оси — движение резания и радиальное перемещение к заготовке перпендикулярно ее оси Sp. Вращательное движение заготовки согласовано с вращением фрезы (деление).
При работе с осевой (тангенциальной) подачей фреза перемещается вдоль своей оси, касательной заготовке. При такой обработке нарушается условие обкатывания фрезы и нарезаемого колеса, поэтому заготовке необходимо придать добавочное вращение, соответствующее осевому перемещению фрезы. Метол тангенциальной подачи обеспечивает более высокую точность и меньшую шероховатость поверхности, поскольку устраняется подрезание, и в работе одновременно находится большее количество зубьев фрезы, что способствует уменьшению огранки профиля зубьев.
Обработка конических зубчатых колес строганием — наиболее точный и достаточно производительный метод. Она выполняется на зубострогальных станках, работающих по методу обкатывания. Принципиальная схема обработки приведена на рис. 3.243, а. Имитируется зацепление воображаемого плоского зубчатого колеса 1, называемого производящим, с нарезаемым коническим колесом 2. Обработка производится парой строгальных резцов 3.
Рис. 3.243. Схема зубострогания конического зубчатого колеса
Резцы, установленные на специальной люльке 4, попеременно перемещаясь в противоположных направлениях, как это показано на рис. 3.243, в, г, совершают возвратно-поступательные движения, обрабатывая профиль зуба. Режущие кромки резцов являются образующими профиля зуба производящего плоского колеса.
Рис. 3.244. Резцы для строгания зубьев
Каждый зуб обрабатывается отдельно (рис. 3.243, б) в течение рабочего хода (поз. 1,2,3,4). После окончания обработки одного зуба следует автоматический переход (холостой ход) к следующему (поз. 5). Резцы для строгания зубьев показаны на рис. 3.244.
Обработка конических прямозубых зубчатых колес двумя дисковыми фрезами. Способ основан на том, что вместо двух строгальных резцов с поступательным движением резания устанавливают две вращающиеся дисковые фрезы (рис. 3.245, а), причем обе они одновременно обрабатывают одну впадину. Фрезы устанавливают таким образом, чтобы резцы одной попадали в промежутки между резцами другой, не задевая друг друга при вращении (рис. 3.245, б).
Рис. 3.245. Схема нарезания прямозубых конических колес дисковыми фрезами
Рис. 3.246. Дисковые фрезы (а) и процесс зубофрезерования (б)
Поскольку фрезы при обработке не перемещаются вдоль зуба, впадины и дно зуба вогнутые (рис. 3.245, в).
Резцы имеют прямолинейные режущие кромки. Используют фрезы, в которых режущие кромки перпендикулярны оси фрезы и где они расположены под определенным углом 8 (рис. 3.245, г). В первом случае получают прямолинейные зубья, а во втором — бочкообразные.
Комплект фрез, используемых для обработки конических зубчатых колес, показан на рис. 3.246.
Фрезерование конических прямозубых колес в 3-5 раз производительнее зубострогания.
Обработка конических зубчатых колес с круговыми зубьями торцовой резцовой головкой. При обработке конических колес с круговыми зубьями в качестве производящего принимают плоское колесо, зубья которого направлены по дуге окружности. Нарезание зубьев выполняется на специальных станках резцовой головкой, профиль резцов которой соответствует профилю зубьев производящего колеса, т. е. они имитируют один зуб производящего колеса.
Для обработки колеса с круговыми зубьями необходимо осуществить следующие формообразующие движения (рис. 3.247, а, б):
• главное — вращение резцовой головки;
• обкат — согласованное вращение люльки (производящего колеса) 1 и заготовки 2;
• деление — поворот заготовки для обработки следующего зуба.
Резцовая головка (рис. 3.247, в) выполняется в виде диска с пазами, в которые перпендикулярно торцу диска вставляют и крепят резцы. Резцы делят на наружные и внутренние для обработки обеих сторон зуба.
Рис. 3.247. Обработка зубьев конических колес с круговыми зубьями резцовой головкой: 1 — производящее колесо; 2 — заготовка; 3 — резцовая головка
Рис. 3.248. Компоновка станка PHOENIC 450НС фирмы GLEASON для нарезания колес с круговыми зубьями резцовой головкой (а) и его рабочая зона (б)
В настоящее время для нарезания зубчатых колес с круговым зубом выпускают 6-координатные зуборезные станки с ЧПУ, например PHOENIX фирмы GLEASON, предназначенные для черного и чистового нарезания зубчатых колес широкого диапазона размеров. Схема расположения осей, иллюстрирующая концепцию управления станком, представлена на рис. 3.248. Следует отметить, что современные станки для обработки колес с круговыми зубьями не имеют люльки обката, механизма наклона инструментального шпинделя и модификатора обката. Их функции выполняют элементы станка, движениями которых управляет устройство ЧПУ. Вся кинематика процесса формообразования зубьев полностью соответствует кинематике универсального механического станка, что позволяет использовать весь математический аппарат для расчета параметров инструмента и наладочных установок, применяемый для механических станков. Эти наладочные данные служат исходными для создания управляющих программ обработки, формируемых компьютером станка автоматически. Для нарезания колес необходимо, чтобы все оси станка могли управляться одновременно.