Дерябин Проектирование сложнопрофилныкх зуборезныкх инструментов 2015

Министерство образования и науки Российской Федерации

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

Трехгорный технологический институт

И.П. Дерябин, И.Н. Миронова

ПРОЕКТИРОВАНИЕ

СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ЗУБОРЕЗНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ

Рекомендовано к изданию УМО "Ядерные физика и технологии"

Москва 2015

ляет первый этап расчета зуборезного инструмента. Для решения этой задачи используется аналитический аппарат теории огибающих. Второй этап расчета зуборезных инструментов заключается в том, чтобы правильно назначить параметры конструктивных элементов инструмента: диаметр, число зубьев и т.д.

Проектирование зуборезных инструментов связано с выполнением большого объема расчетов. В связи с этим в последнее время большое внимание уделяется разработке систем автоматизированного проектирования таких инструментов. В учебном пособии описан алгоритм расчета для таких систем, а также приведены методы расчета и проектирования инструментов для обработки зубчатых колес с эвольвентным профилем зубьев внешнего зацепления и шлицевых валов с эвольвентным и прямолинейным профилем зубьев. Наибольшую производительность и точность обработки такого типа изделий обеспечивают червячные зуборезные инструменты.

Материалы данного учебного пособия необходимы для формирования у студентов следующих компетенций:

–способности собирать и анализировать исходные информационные данные для проектирования технологических процессов изготовления машиностроительной продукции, средств технологического оснащения, автоматизации и управления (ПК-5);

–способности принимать участие в разработке средств технологического оснащения машиностроительных производств (ПК-9);

–способности разрабатывать проектную и рабочую техническую документацию машиностроительных производств, оформлять законченные проектно-конструкторских работы (ПК-14);

–способности участвовать в организации выбора технологий, средств технологического оснащения, вычислительной техники для реализации процессов проектирования, изготовления, технологического диагностирования и программных испытаний изделий машиностроительных производств (ПК-39).

4

1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЗУБОРЕЗНЫХ ЧЕРВЯЧНЫХ ФРЕЗ

Червячные фрезы применяют для обработки прямозубых, косозубых и шевронных цилиндрических колёс, а также для нарезания зубьев червячных колёс с различными видами зацепления. Червячная фреза как инструмент получается из червяка путём прорезания канавок, образующих переднюю поверхность зубьев и пространство для размещения стружки, и затылования зубьев для создания задних углов по всему контуру.

По конструктивному исполнению червячные фрезы бывают цельные, насадные и сборные. По виду обработки они подразделяются на черновые (многозаходные), чистовые и прецизионные. По виду исходного червяка, положенного в основу червячной фрезы, они бывают эвольвентные, архимедовы, конволютные для нарезания колёс с эвольвентным зацеплением.

Для нарезания зубчатых колёс с циклоидальным зацеплением и с зацеплением Новикова применяют фрезы, в основу которых положены соответствующие червяки.

Червячные фрезы работают на специальных зубофрезерных станках моделей 5К301, 5К320, 5К32 и др., а также на тяжёлых станках моделей 5342, 5345, 5364. В процессе нарезания фреза и заготовка вращаются относительно своих осей. За один оборот фрезы заготовка повернётся на 1/z1 при однозаходной фрезе и на z0/z1, если фреза многозаходная (здесь z1 – число зубьев нарезаемого колеса, z0 – число заходов фрезы). Кроме того, на станке выполняются движение врезания инструмента в радиальном направлении к заготовке и движение суппорта для подачи. Подачу инструмента осуществляют вдоль оси заготовки при обработке цилиндрических колёс; в радиальном направлении – при обработке червячных колёс или цилиндрических колёс с узким ободом и в тангенциальном направлении к заготовке – при нарезании червячных колёс [4–6].

Метод зубофрезерования червячными фрезами является высокопроизводительным и универсальным и получил широкое распространение во всех видах производств для обработки цилиндрических и червячных колёс. Обработка ведется непрерывно по методу обката. Одна червячная фреза может обрабатывать колёса с любым числом зубьев данного модуля. Недостатком метода зубофрезеро-

5

вания при осевой и радиальной подачах является ограниченность числа резцов, огибающих профиль зубьев обрабатываемого колеса; вследствие этого шероховатость обработанной поверхности зубьев в ряде случаев высокая.

Число резов, профилирующих каждую боковую сторону зуба изделия,

где nпроф = l/P0 – число витков фрезы, участвующих в профилировании (зацеплении); l – активная длина линии профилирования (зацепления); Р0 – шаг между зубьями фрезы в направлении линии профилирования, т.е. основной шаг; z – число зубьев фрезы.

где ra и r0 –радиусы соответственно наружной и основной окружностей нарезаемого колеса. Чем больше число зубьев фрезы z и число зубьев колеса z1 и чем меньше угол профиля зубьев фрезы, тем больше огибающих резов.

При проектировании зуборезных червячных фрез должны быть заданы некоторые параметры зубчатого колеса: модуль m, угол давления на делительном диаметре, т.е. угол зацепления α, высота зуба h1 и высота головки зуба ha. Передний угол γ принимают для вершины режущих кромок и задний угол δa по наружному диаметру. Для стандартных фрез γ = 0, δa = 10…12°.

В зависимости от вида и точности обработки колеса выбирают также число заходов фрезы и класса её точности. Для чистовой обработки применяют однозаходные фрезы, для черновой, предварительной – многозаходные (рис. 1.1).

Основными конструктивными параметрами червячной фрезы являются наружный диаметр da0, длина L, диаметр отверстия под оправку dотв, число зубьев z, угол наклона ω0 и направление канавок, размеры профиля зубьев. Наружный диаметр фрезы da0 принимается по нормалям и стандартам с учётом паспортных данных зубофрезерного станка, или же задаются углом подъёма витков исходного червяка γ0 и определяют делительный d0, а затем наружный диаметр фрезы. При определении диаметра надо учитывать следующие противоречивые обстоятельства: с одной стороны, чем больше диаметр фрезы, тем выше точность и производительность

6

обработки; с другой стороны, с увеличением диаметра фрезы она становится дороже, увеличиваются крутящий момент и длина врезания в заготовку. Для чистовых фрез рекомендуется принимать диаметр больше, чем для черновых, а для прецизионных ещё больше, чем для чистовых. ГОСТ 9324-80 установил диаметр фрез общего назначения для m = 1–25 мм от 71 до 305 мм.

Рис. 1.1. Конструктивные параметры червячной фрезы

При определении диаметра расчётным способом сначала задают угол подъёма витков γ0. Для чистовых фрез γ0 = 3…5°, для прецизионных его принимают равным до 3°.

При равенстве ω0 = γ0

отсюда делительный диаметр

Наружный и внутренний диаметры

dа0= d0 + 2 ha0; df0= d0 – 2 hf0, (1.5)

где ha0, hf0 – высота головки и ножки зубьев фрезы, обычно равны

1,25…1,3m.

7

По мере переточки зубьев по передней поверхности диаметры фрезы уменьшаются вследствие наличия заднего угла. При этом будет увеличиваться угол подъёма винтовой линии γ0 и уменьшаться угол наклона канавки ω0 на делительном диаметре фрезы. Всё это изменяет теоретический необходимый профиль зубьев. Действительный же профиль не меняется и остаётся постоянным при затыловании резцом, когда образующими затылованных поверхностей являются режущие кромки зубьев фрезы. При шлифовании затылованных поверхностей действительный профиль зубьев по мере переточки будет изменяться. В результате возникает погрешность профиля. Чтобы уменьшилась эта погрешность, у червячных фрез (рис. 1.2) расчётное сечение 0–0 не должно совпадать с начальным сечением 1–0 для новой фрезы. Это несовпадение со-

ставляет (0,15…0,25)Рz или (0,15…0,25)θ, где Рz и θ – соответст-

венно окружной и угловой шаг между зубьями (канавками) фрезы:

Pz = πdza0 , θ = 2zπ = 360z ° , (1.6)

где z – число зубьев фрезы.

В конечном сечении 2–0, соответствующим окончательно сточенной фрезе (примерно на 2/3 толщины зуба) d2, da2 и df2 по сравнению с расчетными уменьшаются на 0,5k. Величина затылования для однозаходных фрез

Диаметр отверстия под оправку можно рассчитать из условия прочности и жёсткости, затем расчётное значение скорректировать по нормальному ряду диаметров оправок по ГОСТ 9472-90. Ориентировочно диаметр посадочного отверстия dотв = (0,20…0,45)da0. Для повышения жёсткости диаметр отверстия надо принимать по возможности большим. После этого необходимо проверить, чтобы

8

расстояние между дном стружечной канавки и шпоночным пазом, т.е. толщина стенки фрезы t ≥ (0,25…0,3) d.

Длина режущей части фрезы

где ra0, rf0 – радиус наружной и внутренней окружности колеса; Рх0

– осевой шаг между зубьями фрезы.

Ширина буртиков принимается lб = 3…5 мм. Они служат для контроля биения фрезы при изготовлении и установке её на оправку шпинделя зубофрезерного станка. Таким образом, общая длина фрезы L = lф + 2lб. Диаметр буртиков D = (1,5…1,7)dотв. Их делают на 1…2 мм ниже дна стружечной канавки.

Из уравнения (1.9) видно, что чем больше модуль и диаметр нарезаемого колеса, тем больше длина фрезы. Например, для колеса m = 5 мм, диаметром 500 мм длина фрезы должна быть около 300 мм. Длину фрезы можно уменьшить, если её сделать с заборным конусом (рис. 1.3). В этом случае не только изменяются размеры фрезы, (фреза становится короче), но и происходит перераспределение нагрузки на режущие зубья. При зубофрезеровании наибольшую площадь срезают зубья, входящие в работу. Делая заборный конус, мы более равномерно распределяем работу резания на другие зубья вдоль оси фрезы. Вследствие этого происходит более равномерное изнашивание инструмента. Длина заборного конуса lк делается 1,5…2 шага, а его угол φк = 18…30°.

Рис. 1.3. Фреза с заборным конусом

Число зубьев z должно быть по возможности наибольшим. С увеличением z увеличивается число резцов, уменьшается шероховатость поверхности, уменьшается толщина срезаемого слоя. Число

9

зубьев насадных цельных фрез ограничивается условиями затылования, а сборных – условиями крепления зубьев. Для червячных фрез обычной точности z = 12–9, для прецизионных z = 16–12, для сборных затылованных z = 10–8.

Канавки, образующие переднюю поверхность зубьев и пространство для размещения стружки, могут быть винтовыми, перпендикулярными виткам зубьев фрезы на делительном диаметре в расчётном сечении, и прямыми, проходящими через ось, если передний угол γ = 0, или параллельными оси, если γ0 ≠ 0.

Стандартные фрезы изготовляют с канаками первого типа. Шаг винтовой канавки Р = πd0·ctgω0. Передние углы для левой и правой режущих кромок у таких фрез получаются одинаковыми.

Фрезы с прямыми канавками проще в заточке и изготовленные на основе архимедова червяка имеют меньшее теоретическое изменение профиля при переточках. Однако передние углы γ для левой и правой режущей кромок у них разные: с одной стороны в осевом направлении γ = + γ0, с другой стороны γ = –γ0. Поэтому фрезы с прямыми канавками делают с небольшими углами подъёма витков

γ0 = 3…5°.

Глубина канавки для фрез с одним затылованием

Н = h0 + k1+ r. (1.10)

При двойном затыловании

затылования шлифованной и нешлифованной части зуба, k2 =

=(1,25…1,6)k1; r – радиус закругления дна канавки, обычно r =

=1…3 мм.

Для фрез, имеющих модуль более 5 мм, как правило, делается двойное затылование, так как из-за опасности срезания кругом режущей кромки следующего зуба при одинарном затыловании значительная часть зуба получается незатылованной. Поэтому сначала до термообработки фрезы делают резцом второй затылок на величину k1, а затем первый затылок на величину k – шлифовальным кругом после термообработки. Считается нормальным, если длина шлифованного затылка равна 0,5Р, т.е. доходит до сечения фрезы 2–0 (см. рис. 1.2). Угол канавки ε = 20…30°. Стандартные червячные фрезы имеют передний угол γ = 0 и задний угол по наружному

10