3.8. Станки для обработки конических зубчатых колес

Конические зубчатые колеса используют для передачи вращательного движения между пересекающимися и скрещивающимися осями. Форма зубьев конических колес по длине может быть прямолинейной или криволинейной, наклоненной к образующей начального конуса под некоторым углом. Из криволинейных зубьев чаще всего применяют круговой, так как его проще нарезать, кроме того, круговой зуб с углом наклона на малом диаметре колеса β=0 воспринимает меньшее осевое давление. Станки для обработки конических колес, как правило, содержат две частных кинематических структуры, одна из которых реализует метод формообразования зубчатой поверхности копирование + след, а другая – след + обкат.

О бработка зубьев конических колес при профилировании обкатом основана на представлении о производящем колесе, т.е. воображаемом плоском или плосковершинным коническом колесе, с которым обкатывается в процессе обработки заготовка. Рассмотрим понятие о производящем колесе на примере обработки прямозубого колеса. Характерным для плоского колеса является угол при вершине начального конуса 2φ₀ = 180⁰ (рис.3.73, а), благодоря чему

Рис. 3.73. Производящее колесо: Рис. 3.74. Схема образования

а – плоское; в – плосковершинное зубьев конического колеса

дополнительный конус превращается в цилиндр с осью ZZ и образующей ab. При развертке цилиндра на плоскость зубья колеса образуют прямобочную зубчатую рейку. Процесс формообразования зубьев на заготовке можно представить следующим образом. Предположим, что заготовка выполнена из идеального пластичного материала. Если ее перекатывать без скольжения по стальному плоскому коническому производящему колесу, то его зубья на поверхности заготовки будут формировать впадины. После одного оборота заготовки вокруг своей оси образуется зубчатый венец, зубья которого будут очерчены по октоидальному профилю. Он мало отличается от принятого эвольвентного и вполне удовлетворяет практическим требованиям. То же самое произойдет и в случае, если, перекатывая заготовку, вместе с ней вращать производящее колесо. Вращение заготовки и производящего колеса должны быть кинематически согласованы и, происходить без скольжения по начальным конусам. В рассматриваемом случае, имея в виду плоское коническое колесо (2φ₀ = 180⁰), начальный конус нарезаемого колеса должен катиться по начальной плоскости xx.

Оставим на производящем колесе 1 только два зуба (рис.3.74). Сообщим заготовке 2 и производящему колесу 1 вращение в направлении стрелок. После того как заготовка перекатится через два зуба, реверсируем вращение и возвращаем оба колеса в исходное положение. В результате этих перемещений два зуба производящего колеса образуют на заготовке две впадины: зуб 5 – впадину 4, а зуб 6 – впадину 3. Таким образом, будет получен первый зуб на заготовке.

Повернем заготовку в исходное положение вокруг своей оси против часовой стрелки на угол, соответствующий шагу зацепления, и повторим весь цикл предыдущих движений. Тогда зуб 5 образует на заготовке новую впадину, а зуб 6 будет входить в контакт с уже имеющейся впадиной 4. В итоге второго цикла движений получим второй зуб на заготовке и так далее, до тех пор, пока не будут образованы все зубья. Таким образом, процесс формообразования профиля зубьев совершается в результате ряда чередующихся циклов движений. Каждый же цикл состоит из:

- обкатного движения производящего колеса и заготовки, в процессе которого зубья колеса внедряются в материал заготовки, образуя впадины;

- реверсирования движения обката в обратном направлении;

- движения деления в конце обратного хода, когда заготовка поворачивается на один зуб.

Зубья 5 и 6 производящего колеса заменяют двумя резцами 7 и 8. Резцы попеременно совершают прямолинейное поступательно-возвратное движение в радиальном направлении. Режущие кромки аb и а₁b₁ в своем поступательном движении в плоскостях abcd и a₁d₁c₁d₁ образуют впадину производящего колеса. Поэтому, если наряду с прямолинейным перемещением сообщить резцам вращение вместе с производящим колесом вокруг точки О, то в обкатном движении резцы, врезаясь в заготовку, выстрагивают в ней впадины. Режущие кромки ab и a₁b₁ в своем относительном движении огибают боковые поверхности зуба нарезаемого колеса. Так как толщина резцов меньше толщины зуба производящего колеса, то впадины 3 и 4 при первом контакте с резцами не будут иметь полной ширины.

Таким образом, при формообразовании зубьев конических колес необходимо осуществлять следующие движения:

- движение скорости резания – прямолинейное поступательно-возвратное движение резцов при обработке прямозубого колеса или вращательное движение резцовой головки при обработке колеса с дуговым зубом;

- движение обката (круговой подачи), состоящее из согласованных вращательных движений заготовки и производящего колеса;

- движение деления – поворот заготовки в конце обратного хода.

При обработке впадины необходимо вершины резцов перемещать вдоль образующей yy дна впадины нарезаемого колеса, т. е. под углом к плоскости перпендикулярной к оси вращения производящего колеса (см. рис. 3.73, а). Этот угол различен для разных колес. Следовательно, траекторию движения резцов необходимо настраивать по этому углу, что усложняет конструкцию резцового узла и снижает его жесткость.

В практике в целях упрощения конструкции резцового узла допускают отступление: образующую yy дна впадины совмещают с плоскостью xx, перпендикулярной к оси вращения производящего колеса, и вершины резцов перемещают в этой плоскости (рис. 3.73, в). В связи с этим величина угла 2φ₀ будет меньше 180⁰. Из схемы следует,

2φ₀ = 180⁰ - 2γ,

где γ – угол ножки нарезаемого колеса.

Полученное таким образом производящее колесо, называется плосковершинным.

Число зубьев производящего колеса определяется на основании известных зависимостей для конических колес. Можно написать

где z – число зубьев нарезаемого колеса; z_п – число зубьев производящего колеса.

Откуда, число зубьев плосковершинного производящего колеса

У плоского колеса угол γ = 0, следовательно, cosγ =1. Тогда, число зубьев плоского производящего колеса

Конструктивно производящее колесо с приводом резцов или резцовой головки выполняется в виде узла, называемого люлькой.

Нарезание прямозубых конических колес осуществляется преимущественно посредством двух зубострогальных резцов, а нарезание колес с дуговым зубом – резцовыми головками, режущие зубья которых расположены на окружности. Кинематическая структура этих станков однотипна. Она содержит простую группу скорости резания Ф_v(П₁) или Ф_v(В₁), обеспечивающую движение резцов или резцовой головки для получения линии зубьев по длине, сложную группу подачи Ф_s(В₂В₃), обеспечивающую обкатное движение заготовки и производящего колеса, для воспроизведения профиля зубьев и группу деления Д(В₄). Шпиндель заготовки является общим исполнительным органом групп Ф_s и Д. Поэтому эти группы должны иметь между собой кинематическую связь. Для этого применяют один из трех способов соединения кинематических групп: параллельный, последовательный и смешанный (параллельно-последовательный). В зависимости от способа соединения групп Ф_s и Д видоизменяются кинематическая структура станков и их настройка. Рассмотрим типовую структуру зуборезных станков (рис. 3.75).

Структура групп Ф_v(П₁) и Ф_v(В₁) простая. Внутренняя связь или поступательная пара

направляющие люльки → ползуны резцов (П₁),

или вращательная пара

подшипниковые опоры на люльке → шпиндель резцовой головки (В₁).

Внешняя связь: кинематическая цепь

М → 1 → 2 → i_v → 3,

соединяющая электродвигатель М или с ползунами резцов (П₁), или со шпинделем резцовой головки (В₂).

Группа Ф_v(П₁) настраивается по четырем параметрам: на траекторию - изменением угла между направлениями поступательно-возвратного движения резцов; на скорость – органом настройки i_v; на путь и исходную точку – изменением плеч механизма, преобразующего вращательное движение в поступательно-возвратное резцов.

Рис. 3.75. Кинематическая структура зуборезного станка для нарезания

конических колес: а – при параллельном соединении групп Ф_s и Д;

б – при смешанном соединении групп Ф_s и Д

Группа Ф_v(В₁) настраивается только по одному параметру: на скорость – органом настройки i_v.

Группа Ф_s(В₂В₃) сложная. Ее внутренняя связь - кинематическая цепь

В₃ → 5 → 6 → i_проф→ ∑→ i_дел → В₂,

называемая цепью обката или профилирования.

Внешняя связь - кинематическая цепь

М → 1→ 2 → i_s → Р → i_кл → 6,

передающая энергию движения от электродвигателя во внутреннюю связь через звено соединения связей 6.

Группа настраивается на траекторию – органом настройки i_проф; на скорость – органом настройки i_s; на путь – угол качания Ө⁰ люльки, необходимый для полного профилирования одного зуба нарезаемого колеса, после чего люлька должна возвратиться в исходное положение для профилирования следующего зуба - органом настройки i_кл.

Группа деления Д(В₄) простая. Ее внутренняя связь вращательная пара

делительная бабка → шпиндель заготовки.

Внешняя связь при параллельном соединении групп Ф_s и Д (рис. 3.75,а): М → 1 → 2 → i_s → 8 → 10 → ДД → 11 →∑ → i_дел → 7 → В₄ .

Внешняя связь при смешанном соединении (рис. 3.75,б):

М → 1 → 2 → 10 → 11 → 12 → 8 → 6 → i_дел → 7 → В₄..

Группа настраивается на путь – органом настройки i_дел. Управление делением – периодическое включение и отключение его – осуществляется распределительным валом Б-А.

Рассмотрим общие принципы настройки станков анализируемого класса и выведем ФН для их органов настройки, которые выполняют, как правило, в виде гитар сменных зубчатых колес.

Орган настройки i_v. РП при обработке конических прямозубых колес:

п_М мин^-1 → п_Р дв. ходов/мин резцов.

УКЦ:

п_Р = п_М i₀₁ i_v.

ФН:

i_v = n_р/(п_М i₀₁),

где i₀₁ – произведение передаточных отношений постоянных передач расчетной цепи.

Выразим п_Р через скорость резания v:

п_Р = 1000v/(2L),

где L –ход резцов в движении П₁, состоящий из длины линии зуба колеса и величин перебегов резца на входе и выходе из зоны резания.

После замены п_р, окончательно получим

i _v = c₁ v L,

где с₁ – константа конкретной модели станка, равная 1000/(2п_Мi₀₁L).

РП при обработке конических колес с дуговым зубом:

п_М мин^-1 → п_РГ мин^-1

УКЦ:

п_РГ = п_М i₀₁ i_v.

ФН:

i_v = n_РГ/(n_М i₀₁) = п_РГ/с₂,

где с₂ – константа, равная п_М i₀₂.

Орган настройки i_проф. Расчетная цепь совпадает с внутренней связью группы обката Ф_S. РП: