автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Конструкторско-технологическое проектирование сборных червячных фрез с эвольвентной производящей поверхностью

На правах рукописи

СКРЯБИН ВИТАЛИЙ НИКОЛАЕВИЧ

КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СБОРНЫХ ЧЕРВЯЧНЫХ ФРЕЗ С ЭВОЛЬВЕНТНОЙ ПРОИЗВОДЯЩЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 МАЙ 2012

Курск 2012

005016332

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» на кафедре технологии машиностроения

Научный руководитель -

доктор технических наук, доцент Феофилов Николай Дмитриевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Степанов Юрий Сергеевич,

кандидат технических наук, доцент Яцун Елена Ивановна

Ведущая организация

ОАО «АК«Туламашзавод»

Защита состоится 28 мая 2012 г. в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.105.09 при ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет» по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50-летия Октября, 94

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет».

Автореферат разослан 27 апреля 2012 г.

Ученый секретарь совета, по защите докторских и кандидатских диссертаций

Д 212.105.09

кандидат технических наук, доцент

Куц Вадим Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Зубофрезерование является наиболее производительным способом зубообработки колес в диапазоне модулей от 0,1 до 40 мм Для цилиндрических колес оно обеспечивает точность в пределах 5-9-ой степеней по ГОСТ 1643-81 и применяется на черновых и чистовых операциях обработки венца.

При массовом изготовлении зубчатых колес, когда количество инструментов на годовую программу запуска является значительным, применение специальных червячных фрез с модифицированным профилем и удлиненных является экономически необходимым. В серийном производстве колес средних и крупных модулей с большим количеством зубьев, подвергаемых термообработке и последующему чистовому зубофрезерованию, долблению или шлифованию решение задачи обеспечения минимума трудоемкости и экономичности зубообработки требует дополнительной технологической проработки.

Так как добиться значительного улучшения характеристик быстрорежущих сталей трудно, а резервы повышения стойкости инструментов за счет применения износостойких пленочных покрытий достигли своего предела, дальнейшее повышение эффективности зубообработки обеспечивается совершенствованием конструктивных параметров и технологии изготовления фрез, а также путем расширения технологических возможностей зубофрезерных станков за счет программного управления циклом обработки.

Несмотря на значительное количество работ отечественных и зарубежных исследователей, посвященных проектированию червячных фрез и инструментальных наладок, нерешенных вопросов, особенно для сборных модифицированных инструментов, достаточно много, как в теории проектирования, профилирования, так и в рациональной эксплуатации инструментов.

В связи с этим обоснование конструкторско-технологических решений, повышающих эксплуатационные возможности червячных фрез является актуальной научной задачей.

Работа выполнена в соответствии с госбюджетными темами: № 06-05 «Прогрессивная технология механической обработки и сборки» и № 15-10 «Инновационно-перспективные технологии механической обработки и сборки».

Объект исследования. Процесс проектирования сборных червячных фрез на основе геометрической теории формирования поверхностей режущими инструментами.

Предмет исследования. Метод расчета геометрических размеров сборных червячных фрез и их наладки на станке на основе аналитического и пространственного моделирования на примере фрезы с эвольвентной производящей поверхностью.

Цель работы заключается в повышении точностных и эксплуатационных характеристик сборных червячных фрез за счет использования эвольвентной производящей поверхности, рациональных геометрических параметров фрезы и оптимального сочетания передвижек и подналадок фрезы в рабочей зоне станка.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений теории зубчатых зацеплений, геометрической теории формообразования поверхностей резанием, математической статистики. Экспериментальные исследования проведены в лабораторных и производственных условиях на действующем технологическом оборудовании и с последующей обработкой результатов на ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту:

1) аналитическое обоснование и практическую реализацию взаимного расположения левых и правых профилей производящих поверхностей инструментов на операции зубофрезерования и ее технологической подготовки, обеспечивающих единство конструкторских и технологических подсистем;

2) результаты аналитического и графического моделирования эвольвент-ных винтовых производящих и технологических поверхностей сборных червячных фрез, позволяющие учесть влияние переточек фрезы на ее геометрическую точность;

3) рациональные геометрические параметры конструкции фрезы, полученные на основе учета условий загрузки вершинных и боковых режущих кромок фрезы по толщинам срезаемых слоев в произвольном диапазоне чисел зубьев нарезаемых колес и продольных подач;

4) результаты экспериментальных исследований влияния параметров сборных червячных фрез на точность обработанных колес.

Научная новизна работы заключается в решении задачи проектирования сборной червячной фрезы с эвольвентной производящей поверхностью и инструментальной наладки на основе комплекса аналитических и графических моделей, позволяющих:

1) установить зависимость угловой ширины впадины винтовой поверхности на цилиндре произвольного радиуса от координат предельных точек эвольвенты и исключить интерференцию боковых эвольвентных поверхностей;

2) учесть влияние жесткости инструментальной оправки и зоны контакта фрезы с обрабатываемым колесом на геометрические параметры базирующих поверхностей фрезы и длину режущей части при зубофрезеровании на экономической скорости резания и при оптимальном сочетании передвижек и подна-

ладок фрезы в рабочей зоне станка;

3) определить диапазон чисел зубьев колес для фрезы с модификациеи производящего контура путем нанесения на режущие зубья чередующихся струж-коразделительных фасок или чередующегося уменьшения толщины зубьев.

Практическая ценность работы заключается:

1) в рекомендациях по проектированию инструментальных наладок и сборных червячных фрез и рациональному их использованию на зубофрезер-ных станках с электромеханической системой управления и с ЧПУ;

2) в разработке комплекса вопросов по исследованию винтовых поверхностей: производящей, технологической и рабочей - инструментальной;

3) в использовании результатов исследований при проектировании инструментальных наладок зубофрезерных станков в учебном процессе.

Область исследований. Содержание диссертации соответствует п. 4 «Создание, включая проектирование, расчеты и оптимизацию, параметров инструмента и других компонентов оборудования, обеспечивающих технически и экономически эффективные процессы обработки» паспорта специальности 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки.

Личный вклад автора заключается в постановке задач, проведении теоретических и экспериментальных исследований, в обработке результатов и формулировке выводов. Все выносимые на защиту научные результаты получены соискателем лично.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на ежегодных научно-технических конференциях професорско - преподавательского состава ТулГУ (2009-2012 гг.), ежегодных научно-технических семинарах Тульского государственного технического колледжа, на Международной научно-технической конференции «АПИР-16» (г. Тула, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 5 научно-технических статей. Из них три в изданиях, рекомендуемых перечнем ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и списка использованных источников из 83 наименований. Общий объем диссертации составляет 145 страниц, включая 50 рисунков и 16 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решенной в диссертации задачи, сформулирована цель и задачи исследования, сформулирована научная новизна, кратко раскрыто содержание глав.

В первой главе проведен анализ конструкций сборных червячных фрез, рассмотрены способы их профилирования инструментами, работающими по методу огибания. Установлено, что сборные червячные фрезы обладают более высокой режущей способностью по сравнению с монолитными фрезами и могут изготовляться в два и более раза длиннее по сравнению с последними за счет замены зытылованных по спирали задних поверхностей на цилиндрические винтовые поверхности. Наиболее значимыми для сборных червячных фрез являются работы Г. Г. Иноземцева.

Необходимым моментом проектирования червячных фрез является расчет производящей винтовой поверхности. Существенные научные результаты получены Борискиным О. И., Лаптевым С. И., Литвиным Ф. Л., Семенченко Д. И., Феофиловым Н. Д., Фрайфельдом И. А., Цвисом Ю. В. и другими. При этом установлена целесообразность проектирования производящих поверхностей сборных червячных фрез на основе эвольвентного производящего червяка, обеспечивающая минимум органических погрешностей фрезы.

В станочном зацеплении режущие зубья, расположенные вдоль витка червячной фрезы, в соответствии с кинематикой процесса обкатки срезают бо-

ковыми и вершинными кромками слои различной толщины. Большая часть

слоев имеет Г и П - образные формы.

Известные варианты улучшения схемы резания разработаны и применяются в отечественном машиностроении для монолитных червячных фрез в крупносерийном и массовом производствах и сводятся к изменению формы режущих кромок по отношению к исходному производящему контуру. Наиболее распространены и эффективны схемы резания с попеременно нагруженными боковыми сторонами зубьев, прогрессивная и со стружкоразделительными фасками чередующимися у четных и нечетных зубьев фрезы вдоль^винтовой линии. В отечественной зубообработке для фрез с поворотными рейками эти схемы не используются по двум причинам:

1) незначительна номенклатура сборных фрез и отсутствие их серийного

производства;

2) отсутствие технологических решений для раздельного шлифования

профилей четных и нечетных реек.

В связи с этим поставлена задача проектирования эвольвентной винтовой поверхности сборного инструмента, обеспечивающей расположение на ней необходимого количества режущих элементов с рациональными геометрическими параметрами при выполнении условий экономичности процесса зубофрезе-рования или максимума производительности станка.

Во второй главе проведен анализ производящих и технологических винтовых поверхностей сборных червячных фрез с поворотными зубчатыми рейками, а также изучены вопросы анализа срезаемых слоев в зависимости от конструкции фрезы и параметров процесса резания.

При червячном зубофрезеровании скорости вращения фрезы и заготовки кинематически связаны, а скорость продольной подачи изменяется независимо от них в диапазоне, определяемом продольной шероховатостью боковой зубчатой поверхности. В станочном зацеплении фреза и обрабатываемая зубчатая деталь образуют пару винтовых колес со скрещивающимися осями. Расположение инструмента и заготовки определяется в пяти координатных системах:-неподвижной системе станка; системе координат заготовки; промежуточной системе, повернутой на угол подъема винтовой линии на среднем диаметре фрезы; системе координат фрезы; системе координат режущего зуба.

Взаимосвязь параметров производящей поверхности, производящих контура червячной фрезы и резца, для предварительного точения винтовой технологической поверхности, а также шлифовального круга обеспечиваются исходным положением левой Ь и правой Я сторон контуров зубчатого колеса и инструментов в станочном зацеплении (рисунок 1).

Исходные данные необходимые для построения торцового сечения производящей поверхности фрезы включают: модуль т, диаметр вершин зубьев с1м5 число заходов г0, угол профиля исходного контура а = а„.

Геометрический расчет винтовой производящей поверхности сборной

червячной фрезы учитывает:

1) размещение в рабочем и технологическом корпусах комплекта реек;

2) размеры посадочного отверстия в корпусе фрезы и шпоночного паза должны соответствующие модулю фрезы и модели станка;

3) размещение шлифовального круга между рейками для переточки фрезы по передней поверхности.

Эвольвентные винтовые поверхности формируются при винтовом движении эвольвентных торцовых профилей Ь и Я по основному цилиндру с винтовым параметром, определяемом осевым ходом ргх0 за 2к (рисунок 2). Радиус основного цилиндра гьо =го^ёГт0)/1ёГьО' гДе Уто- Угол подъема витка червяка на среднем цилиндре; уьо - основной угол подъема витка. Боковые стороны винтовой канавки (рисунок 3) вдоль оси винтовой поверхности смещены на делительной окружности на угловую ширину впадины ще=2л{рх0 -8х0)1 рх0, где Бхо делительная толщина витка эвольвент-ной винтовой поверхности.

В торцовом сечении общее уравнение эвольвенты имеет вид

6) в)

Рисунок 1 - Расположение левых и правых сторон профилей элементов станочных наладок по отношению к базовой системе координат:

а - зубчатое колесо; б - червячная фреза; в -технологический червяк; г - токарный резец для винтовой технологической поверхности фрезы; д - шлифовальный круг для винтовой технологической поверхности фрезы

Рисунок 2 - Геометрическая модель Рисунок 3 - Расположение предельных винтовой поверхности точек эвольвент

Виток

Я

XRbyо = [COS(^0 + S*L ) + sin(V^0 + S*L ^о =^o[sin(v%0 +SRL)-vRLy0 cos(^0 j

где знак «-» - для точек правой эвольвенты, 'знак «+» - для точек левой эвольвенты; SRL - угол, определяющий положение предельных точек LbR и lhL.

Кроме эвольвенты для задания винтовой производящей поверхности использован отрезок образующей прямой, ограниченный точками пересечения с цилиндрами вершин и впадин. При фиксации угла vy0 и изменении переменной

и о точка винтовой поверхности перемещается по прямой линии в касательной плоскости к основному цилиндру. При изменении Уу0 и фиксации и у о, точка совершает движение по винтовой линии. Пересечение двух линий определяет произвольную точку Му между точками Мъ и Ма на винтовой поверхности.

Уравнения правой и левой сторон эвольвентной винтовой производящей поверхности имеют вид:

XRLyo = COS(^o +SRL) + uRLyO cos Гм s™(VRLy0 + SRL ) УЩ о = Pzx 0 (vRLyO +5Rl)~ uRLyO sin Г bo'

ZRLyo = rb0 sin(vky0 + SRL ) -:"KLyo cos Гьо cos(v^Q +8^).

Для торцового сечения эвольвентной винтовой поверхности, т. е. при Уо=0

Pzx о (vRLyO +3BL)-uRLyQsmybo=0,

~{vRLyO + Srl), ryQ = f~iy0 -\Jl ~~ (vrlyo +SRl)2 ■

(2)

uRLyO ~

y cos rb0

^Q-tgC^Q-^)

Уравнения осевого профиля получены из уравнения (2) при гх0 - 0. То гда для правой винтовой поверхности:

для левой винтовой поверхности

Винтовая технологическая поверхность определяется в последовательности:

1) задание переднего угла уа0 на диаметре цилиндра вершин зубьев;

2) задание количества расчетных точек на правой и левой сторонах осевого профиля производящей винтовой поверхности;

3) выбор конструкции фрезы: с единым технологическим и рабочим корпусом (рисунок 4, а) или с раздельными корпусами (рисунок 4, б);

4) пересчет координаты точек осевого профиля производящей винтовой поверхности в координаты точек профиля в передней плоскости режущего зуба;

5) определение профиля зуба в передней плоскости в системе координат технологической винтовой поверхности;

6) перемещение профиля передней поверхности с винтовым параметром производящей винтовой поверхности в системе координат технологической поверхности.

Положение реек в корпусе фрезы зависит от смещений ах и а, осей О0у0 и Оту7 производящей и технологической винтовых поверхностей, т. е. от расположения координатных систем O0X0y0Z0 и 0TxTyTzT.

Для фрез с единым технологическим и рабочим корпусом (см. рисунок 4, а)

ах = -2с • sin /л, az = -2с - cos ¡л,

(3)

где с - смещение оси рассчитывается численно из уравнения „-„^ 2с • cos{arcsin[(¿>0 +c-0,5boc)lrM-aa1$-ra0-smaa =0 ; b0 - ширина головки рейки; Ьос - ширина основания рейки.

Из (3) следует, что с увеличением заднего угла аа0 на радиусе вершин

зубьев производящей поверхности увеличивается и смещение с оси паза с оси корпуса.

Для фрез с раздельными корпусами (см. рисунок 4, б) ах = raO~raT cosaa0> az = raT SÍn»a0> Где Гш = Гм /(COS «a0 + tg Д. S¡n ССа0) - расСЧИтывается по методике Иноземцева Г. Г из условия наименьшего искажения профиля при переточках; ¡Зт определяется углом стачивания рейки Vей ~ Ьа (Уем + ') I ra0; Ьа - величина стачивания задней поверхности за одну переточку, превышающая величину износа этой поверхности; jCM - количество смен инструмента на переточки.

Влияние переточек на точность фрезы рассмотрено на технологической винтовой поверхности, но в системе координат производящего червяка.

б)

Рисунок 4 - Конструкции фрез: а - с единым технологическим и рабочим корпусом; б - с раздельными корпусами

Координаты точек производящей поверхности с учетом переднего угла в системе координат фрезы

х0 = хуу0 cos £zyrQ sin <уг + ах cos ^ + ау cos ^ - ах; у0 =ууго±0>5РхоСут/7Г\

zo:

куу 0 '

sin ^ + Zyr0 cos ^ - ах sin Су, + az cos Q^ - az.

При сечении ЭТОЙ поверхности ПЛОСКОСТЬЮ 20=Х01ёУа0+Га0,£'>'а0> в которой перемещается шлифовальный круг с угловым шагом Дт0у рассчитаны погрешности профиля /„ винтовой поверхности червячной фрезы с учетом переднего угла уа0 после) переточек как расстояние, измеренное по нормалям к участкам исходного профиля.

Вершинная режущая кромка

Выходная левая режущая кромка

Входная правая режущая кромка

А

АА

AAA

AAA

АА

А

В

Порядковый номер ТОЧКИ ¡у

Рисунок 5 - Влияние переточек червячной фрезы с т = 4 мм, ап0 = 20 на точность профиля режущих зубьев при профилировании фрезы в технологическом корпусе

Выведенные зависимости использованы для анализа погрешностей осевого профиля фрезы (рисунок 5) с параметрами: радиус вершин зубьев га0 =57 мм, модуль тя=4лш, число заходов г0=1...4, передний угол Та0=5°> исходная ширина рейки Ь0=22мм. Суммарная величина стачивания ЬаЪ=\2мм, количество переточек ]сч =12, припуск на одну переточку Д ЪаХ =1,2 мм.

Расчеты показали, что фрезы, профилирование которых производится в специальном технологическом корпусе, более чем в пять раз точнее фрез, профилирование которых производится в рабочем корпусе, но в технологическом положении. На рисунке приведена шкала

соответствия переточенной фрезы классу точности по ГОСТ 9324-80Е.

Повышение стойкости червячных фрез между переточками в многономенклатурном мелкосерийном производстве зубчатых колес, а иногда и обеспечение стойкости фрезы для обработки одного многозубого широковенцового колеса предлагается обеспечить за счет сочетания улучшения схемы срезания стружек и рационального использования фрезы в зоне резания путем ее передвижек и подналадок.

Исходными данными для определения эффективной конструкции режущей части фрезы являются:

1) номенклатура зубчатых колес по модулям, числам зубьев и размерам запускаемой в производство партии;

2) максимальная толщина срезаемого слоя вершинной и боковыми режущими кромками в выбранном диапазоне чисел зубьев колес и продольных подач.

Толщина срезаемого слоя - длина нормали к поверхности резания, которая проведена через рассматриваемую точку режущей кромки и ограничена сечением срезаемого слоя.

В процессе зубофрезерования на вершинные режущие кромки инструмента приходится наибольшая нагрузка, определяющая назначение основных параметров этой технологической операции.

Расчет толщины срезаемого слоя проводился по методике Феофило-ва Н. Д. в системе координат заготовки 01х1у1г1 (рисунок 6). При этом использована зависимость

-П ¿¿К™0.? ^-0,48 (опо , п У3-56 .-0,2 0,91-0,93.* °>27 „ 0,49

^шах 0,445/72 г1 \90 + рх) с!а0' г0' г10' йуо ^ .

Из рисунка 6 видно, что максимальная толщина срезаемого слоя образуется вначале вырезания последней впадины зубчатого колеса. Затем процесс резания стабилизируется по параметрам срезаемого слоя. Червячная фреза в серийном производстве используется для колес с различным числом зубьев на различных продольных подачах. Установлено, что максимальная толщина среза наблюдается у колес с меньшим числом зубьев из диапазона чисел зубьев на которое проектируется фреза при фрезеровании с максимально возможными из условия экономической стойкости подачами. Если схема резания спроектирована с возможностью разделения срезаемого слоя на части для минимального г1 и максимальной то при нарезании колес с большим числом зубьев на меньших подачах деление срезаемого слоя на части будет обеспечено.

Расчеты и построения (см. рисунок 6, г), необходимые для модификации профиля производящего контура в зависимости от параметров операции зубофрезерования, выполняются в последовательности:

1) рассчитать величины <рм, 1ал, <ри, а', атах, атах(;

2) провести линию / — 7 (см. рисунок 2.16, в), взять на ней точку Оь . провести через нее отрезок 0ьА1з = яшах/ перпендикулярный / - 7;

3) через точку провести ЛИНИЮ ?! — /[ ПОД углом <Рц к линии (—(;

4) получить точку 0,'?+|;

5) рассчитать торцовый угол профиля, толщину производящего контора на окружности вершин зубьев по формуле 5о0 = 0,5т[л: - 4(/г* + с*) tg а0 ] и построить два последовательно работающих режущих контура;

6) провести сопряжение боковых режущих кромок с вершинной режущей кромкой радиусом ра0 =0,38т;

7) определить расположение касательных к округленным участкам производящего контура (см. рисунок 6, г).

Заготовка Фреза

Рисунок 6 - Схема к определению взаимного расположения последовательно работающих зубьев и формы срезаемого слоя

Установлено, что для колес с малым числом зубьев увеличение подачи уменьшает угол наклона фаски, которая начинает пересекать ось симметрии режущего контура и срезает вершинную режущую кромку, необходимую для базирования рейки при шлифовании ее основания после шлифования винтовой поверхности технологического червяка. Основным условием модификации профиля является расположение фаски в пределах радиального зазора с.

Число зубьев, при котором сохраняется минимальная величина вершинной режущей кромки 5а0 = 0,31 мм у левой и правой сторон профиля, = 21

при модуле равном 2,5 мм., а углы фасок соответственно = 31°51', афК = 36°23'. Эти величины и определяют параметры модификации профиля с

помощью фасок с числа зубьев нарезаемых колес более 21.

Использование зубьев с уменьшенной толщиной, т. е. зауженных возможно с 15-ти зубьев у колеса, при величине заужения Ах0 =0,237 мм поочередно у четных и нечетных зубьев фрезы.

В третьей главе исследованы вопросы влияния параметров режима резания и жесткости инструментальной наладки на основные конструктивные параметры инструмента. Рассмотрено влияние числа зубьев колеса и параметров фрезы на ее исходное положение относительно средней плоскости зубофрезер-ного станка.

Основными параметрами, определяющими конструкцию инструментальной наладки являются: диаметр и длина червячной фрезы, диаметр посадочного отверстия в корпусе фрезы и суммарный путь передвижек. Они являются исходными данными для назначения режима резания.

Для диаметра оправки выведена зависимость

аопр = ^¡Рх: (Ь - /0 )3 /(0,0006£Я,т), (4)

где Ь - расстояние между опорами инструментальной оправки.

Зависимость получена при условии, что максимальная величина прогиба для валов и шпинделей металлорежущих станков /тах < [/] = 0,00021.

С учетом возможного увеличения длины фрезы при анализе двух фрез различной длины /01 и /02 и сохранении жесткости инструментальной оправки, диаметр оправки более длинной фрезы рассчитается по формуле

¿0иР1 = ¿опР1 [(¿о2 - /02 ) /(101 - /„, )]0-75, (5)

где ¿01 и ¿02 - расстояние между опорами оправки

Эта зависимость выведена при условии приравнивания двух прогибов оправок с одинаковой жесткостью, но при разных длинах установленных фрез, применяемых в инструментальной наладке.

Из формулы (4) видно, что при увеличении длины фрезы уменьшается диаметр оправки, а следовательно, и наружный диаметр фрезы, при исходной жесткости системы. Это позволяет снизить машинное время обработки.

Использование длинных фрез допускает большое количество передвижек и оказывает влияние на производительность станка и экономичность операции зубофрезерования. При этом длина фрезы определяется количеством передвижек у'„ и величиной единичной передвижки /у„, шириной буртиков /б, исходным расстоянием 1иу и зоной передвижки (рисунок 7).

На основе справочной информации и производственных данных выведена зависимость для расчета величины единичной передвижки в диапазоне нарезаемых зубьев 17-100, модулей 2-6 мм и продольной подаче до 4 мм/об. определяемая по зависимости

Средняя

плоскость

станка

Рисунок 7 - Зоны эксплуатации фрезы:

I - зона передвижки; II - зона профилирования; Ш - зона активной длины режущей части

Ьп =

О,424?и0'88г10'49/г*0'37^о'29

АП ' (6)

соз(гто - А)

где /г* < 2,25 - коэффициент глубины резания; ут0 и Д, - углы подъема винтовых линий для инструмента и колеса подставляются со знаками «+» - для правого направления винтовых линий, «-» - для левого направления винтовых линий.

Установка фрезы в исходное положение осуществляется перемещением инструментального суппорта с учетом конструктивных и программных особенности зубофрезерных станков, на которых эксплуатируется фреза.

Исходное расстояние фрезы относительно средней плоскости станка определяется по зависимости

^иу

0>5*іоСУпр+/пр) + яот ^оСобО^О+Л)

где 5пр - толщина производящего контура, соответствующая точке профилирования на окружности вершин зубьев колеса; /пр - длина профилирования боковой стороны зуба; - доля нормального шага зацепления отнесенная к окружному шагу реек, определяющая дополнительное перекрытие активной части линии зацепления, компенсирующая возможные погрешности базирования фрезы и колеса, изменение диаметра фрезы при переточках, а также колебания в пределах допуска на ширину буртика.

Использование аналитических зависимостей, полученных в третьей главе позволяет при проектировании фрез на конкретную номенклатуру колес с одной стороны рассчитать минимальную длину фрезы при работе без передвижек, а с другой стороны определить длину фрезы при ее удлиненной конструкции с учетом жесткости инструментальной оправки.

В четвертой главе показано применение методики проектирования инструментальной наладки для конкретных конструкций червячных фрез. При этом исследовано влияние режима резания на стойкость сборных червячных фрез при предварительном зубофрезеровании под последующее зубошлифование и осуществлена оценка точности зубчатых колес после зубофрезерования. Также показана

/а,

эффективность рационального сочетания передвижек и подналадок фрезы на производительность станка и стоимость операции зубофрезерования.

При зубофрезеровании цикл подналадок и передвижек фрезы реализуется в двух вариантах:

а) фреза, установленная на станок, проходит все подналадки до достижения допустимого износа задних поверхностей, а затем производится передвижка на не изношенный участок рабочей поверхности и так до смены фрезы (рисунок 8, а);

б) после износа участка фрезы, находящегося в работе, в пределах, соответствующих допуску на контролируемый параметр зубчатого венца, производят передвижку фрезы на новый ее участок и повторяют передвижки вдоль всей длины рабочей части фрезы. Затем осуществляется под-наладка и очередная серия передвижек. Такой цикл передвижек и подналадок производится до достижения фрезой допустимого износа (см. рисунок 8, б);

Скорость резания V, оптимальная с точки зрения получения минимума штучно-калькуляционного времени, зависящего от режима резания для вариантов зубофрезерования.

р 4. . . Г 1

□ • • • а

□ • • • б

□ • • • а

□ • • • б

0 . . . 0

а)

0<СН[]<П<П<^]

сАпГ Оп+Г

м/мин,

б)

ч=

САЧ',0п+1У

Щ

м/мин.

Рисунок 8 - Варианты зубофрезерования:

а - серия подналадок фрезы с ее По оптимальной скорости резания можно последующей передвижкой; б - се-рассчитать машинное время, время обслуживания Рия передвижек фрезы с ее после-инструмента и станка и долю штучно- ДУЮЩейподналадкой калькуляционного времени, которые зависят от режима резания.

Скорость резания уэ , оптимальная с точки зрения минимума себестоимости операции

Г ~]т1

СМ(УП+ 1)С/см+1)т,

_(Гоб,рСм + Си )(1 — т1 )кь где Го6с р в зависимости от выбранного варианта зубофрезерования.

Из приведенных зависимостей видно, что производительность станка и стоимость выполнения операции зубофрезерования непосредственно связаны с конструкцией инструмента, его наладкой на станке и режимом эксплуатации.

Расчеты проведены при скорости резания оптимальной как с точки зрения производительности станка, так и себестоимости выполнения операции.

Исходные данные: модуль нарезаемых колес - 2 мм и 4 лш; число зубьев для каждого модуля - 20 и 50; направление линии зубьев - прямое; угол профиля исходного контура - 20 град.; материал колес - сталь 12ХНЗА с НВ 217; ширина зубчатых венцов - 30 мм.

Параметры червячных фрез соответственно для модулей 2 мм и 4 мм: диаметр вершин зубьев - 92 мм и 120 мм; длина фрез - 220 мм; длина буртиков

- 12 мм; длина зоны передвижек - 170 мм; число заходов - 3; материал режущей части - Р6М5К5; направление стружечных канавок - прямолинейное; на правление винтовой линии - правое; упрочняющее покрытие - нитрид титана; фреза с модификацией профиля зубьев за счет попеременно чередующихся фасок на уголках зубьев, переточенная. Экономические параметры: затраты предприятия, связанные с работой станка и станочника, за вычетом затрат на эксплуатацию режущего инструмента См =3,5 руб/мин; стоимость червячных фрез с модулем 2 мм и 4 мм соответственно - 14000 руб. и 16000 руб.; затраты на одну переточку - 360 руб.; стоимость изношенной фрезы - 150руб. Коэффициент случайной убыли инструментов - 1,05.

Технологические параметры операции: количество зубчатых колес в стопке - 2; число рабочих ходов фрез - 1; подача - попутная - 3 мм/об.; стойкость фрезы до переточки - 480 мин; обработка - черновая под шлифование; глубина резания - 2,25m ; вспомогательное время на операцию - 0,64 мин; время обслуживания, не зависящее от режима резания - 0,17 мин; подготовительно

- заключительное время на партию - 42,5 мин; время на одну подналадку - 0,167 мин; время на смену фрезы - 14 мин; скорость передвижки 12 мм/мин; размер партии - 200 штук; зубофрезерный станок модели LC 502 (Либхер, ФРГ).

Для скорости резания при обработке стали 12ХНЗА сборными червячными фрезами с поворотными рейками получена зависимость

361 kv

Т0'41 s0/m0'1 z°0-2'

где kv = klk2k3k4 ; kx - учитывает марку быстрорежущей стали; к2 - учитывает модификацию производящего контура; к3 - учитывает применение упрочняющего покрытия режущей части рейки; к4 - учитывает радиальное биение режущих реек после заточки (таблица 1).

Расчеты показали, что высокопроизводительная обработка - неэффективна, так как технологическая стоимость детали возрастает в четыре раза из-за резко увеличивающихся затрат на инструмент, объясняющихся его низкой размерной стойкостью при высокой скорости резания. Это приводит к необходимости сокращения времени работы станка между подналадками и съему фрезы на переточки. Больший эффект достигается при обработке колес с большим мо-

дулем и большим числом зубьев. Это объясняется более равномерным изнашиванием фрезы на деталях с большим количеством зубьев, большей зоной контакта фрезы и нарезаемого колеса, чем у малозубых колес.

Таблица 1

Поправочные коэффициенты на скорость резания в зависимости от:

а) марки быстрорежущей стали - к\

Р18 Р6М5 Р6М5К5 Р9М4К8

1,1 1,0 1,2 1,3

б) модификации производящего контура -кг (см. рисунок 1.18)

стандартный б а и

1,0 1,2 1,3 1,3

в) упрочняющего покрытия (нитрида титана) - къ

без покрытия с покрытием - новая с покрытием - переточенная по передней поверхности

1 1,4 1,2

г) радиального биения режущих реек после заточки — = г -0,05 ■'га0

В ходе внедрения фрез обработана и проверена партия зубчатых колес в количестве 250 штук коробки привода масляного насоса дизельного двигателя. Фрезерование осуществлялось однозаходной фрезой (рисунок 9) с диаметром 92 мм, длиной 125 мм с двенадцатью режущими рейками из быстрорежущей стали Р6М5К5 на станке модели 53А30 на попутной продольной подаче 2,5 мм/об. заготовки со скоростью резания 48 м/мин и охлаждением маслом «ин-дустриальное-20». Точность фрезы соответствовала классу А. Пакет заготовок состоял из трех штук.

Цель исследования состояла в изучении влияния параметров фрезы на точность обработанных колес, а также в определении границ применения фрез.

Комплекс контроля включал:

а) по нормам кинематической точности - колебание измерительного межосевого расстояния за оборот зубчатого колеса Р"г и колебание длины общей нормали ¥тг;

б) по норме плавности - колебание измерительного межосевого расстояния на одном зубе /¡г и погрешность профиля /д. .

Контроль указанных норм точности производился после зубофрезерова-ния, а затем после шлифования. Шлифование осуществлялось червячным абразивным кругом.

Рисунок 9 - Сборная червячная фреза

Выявление теоретического закона распределения определило вероятность получения значений исследуемых параметров за границами полей допусков этих параметров. В таблице 2 приведены максимальные значения величин Ртт, Р"г. /"г и ffr после зубофрезерования червячной фрезой с поворотными рейками и после шлифования, найденные из принятых условий, а также вероятность получения годных деталей Р(5Х )-100% по каждому из исследуемых параметров точности. Под величиной Р(5Х) понимается вероятность получения параметра точности меньшего, чем верхняя граница допуска.

Таблица 2

Результаты статистического исследования точности зубчатых колес

Параметры Зубофрезерование Шлифование

точности .р А УИт И" 1 1Г С У 1г Г1г 1 УИТ Р" Я

Максимальные

значения, мкм 33,4 69,1 37,9 17,1 23,5 54,5 20,1 10,4

Допуск на параметр, мкм

6 степень 16 36 14 8 16 36 14 8

7 степень 22 50 20 11 22 50 20 11

8 степень 28 63 28 14 28 63 28 14

Процент годных колес Р(ЪХ. )-100%

6 степень 8,3 2,3 16 0 65,5 61 86,1 87,6

7 степень 48,7 54,7 20 0 99,5 99,4 100 100

8 степень 94,4 98,7 81,1 64 100 100 100 100

Результаты статистической обработки показали, что применение сборных червячных фрез с последующим зубошлифованием обеспечивает получение более 99% зубчатых колес в пределах 7-ой степени точности. На операции зубофрезерования наиболее существенной погрешностью является погрешность профиля, которая определяется качеством сборки червячной фрезы и правильностью ее переточки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе решена задача конструкторско-технологического проектирования сборной червячной фрезы с эвольвентной производящей для реализации операции зубофрезерования цилиндрических зубчатых колес при рациональном сочетании уровней производительности станка и стоимости выполнения операции.

1. Анализ литературных данных и производственного опыта червячного зубофрезерования цилиндрических зубчатых колес показал, что основной зубо-обработки является разработка высокоэффективных инструментов и наладок, способных к быстрому переналаживанию. К таким инструментам предъявля-

ются повышенные требования, как по продолжительности периода стойкости между переточками, сроку службы до утилизации, так и по технологичности конструкции, в особенности для сборного инструмента. Таким образом, задача обоснования конструкторско-технологических решений, повышающих эксплуатационные возможности червячных фрез является актуальной.

2. Разработанный вариант проектирования винтовой эвольвентной производящей поверхности позволил уточнить геометрические модели для 3-0 моделирования, как по торцовому, так и осевому сечениям и установить зависимость угловой ширины впадины винтовой поверхности на цилиндре произвольного радиуса от координат предельных точек эвольвенты, исключающие интерференцию боковых эвольвентных поверхностей.

3. На основе теории взаимоогибаемых поверхностей по профилю подлежащей обработке зубчатой поверхности и кинематике ее движения в станочном зацеплении определена производящая поверхность и профиль режущих зубьев эвольвентной червячной фрезы, а также максимальные толщины слоев, срезаемых вершинными и боковыми режущими кромками, для диапазонов чисел зубьев колес и продольных подач, на которые проектируется фреза. Это явилось основой модификации профиля режущих зубьев за счет попеременно чередующихся фасок и уменьшения осевой толщины производящего зуба.

4. Для сборных фрез с поворотными зубчатыми рейками на основе прочностных расчетов инструментальных оправок получено уравнение для корректирования диаметра посадочного отверстия в ступице фрезы в зависимости от длины фрезы. Установлена возможность применения инструментальных оправок меньше на один размерный уровень при увеличении длины фрезы в 1,5-2 раза. Выведены зависимости и составлены таблицы для выбора диаметров инструментальных оправок из условия обеспечения их жесткости, соответствующей заданным точностным требованиям обрабатываемой детали.

5. В результате исследования условий перетачивания фрез установлено, что фрезы, профилирование которых осуществляется в специальных технологических корпусах более чем в пять раз точнее фрез, профилируемых в рабочем корпусе, но в технологическом положении реек. Так при анализе фрез для зубчатых колес с т = 4 мм, уа = 5° и числом режущих реек равным 12, фрезы со специальным технологическим корпусом при стачивании задней поверхности на 12 мм не выходят из класса точности В при исходном классе точности А. Такой запас ширины шлифованной задней поверхности рейки на переточки почти в два раза превышает аналогичный параметр у монолитных червячных фрез.

6. Разработанный комплекс аналитических зависимостей позволил синтезировать геометрический образ конструкции сборной фрезы, а также получить зависимости для расчета режима резания при зубофрезеровании и оценки технико-экономической эффективности операции. Показано, что на часовую производительность станка и стоимость выполнения операции оказывают влияние не только параметры режима резания и конструкции инструмента, но и его подналадки, передвижки и смены на переточки. Зависимости для расчета оптимальных скоростей

резания, как с точки зрения производительности станка, так и экономичности обработки, позволяют определить область рациональной эксплуатации инструмента по стойкости. Зубофрезерование на скоростях резания, обеспечивающих максимум производительности станка, в пять и более, раз удорожает выполнение операции, чем на экономически выгодных скоростях резания.

7. Проведенные точностные расчеты инструментов и наладки в целом, а также стойкостные испытания как лабораторные, так и производственные подтвердили правильность разработанных теоретических методик и позволили осуществить внедрение полученных результатов в производство. Статистический анализ партии цилиндрических зубчатых колес в размере 250 штук выявил, что по основным параметрам они соответствуют 7 - 8-й степеням точности, а опыт изготовления фрез показал возможность достижения их точности в пределах классов от АА до В.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Научные работы, опубликованные в рецензируемых научных журналах и изданиях

1. Кинематика червячного зубофрезерования. Скрябин В. Н., Тимофеев А. П., Феофилов Н. Д., Янов Е. С. // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 4: в 2 ч. Тула: ТулГУ, 2010.4.1. - С. 58-68.

2. Феофилов Н. Д., Скрябин В. П., Мацкевич А. В. Технико-экономические аспекты процесса зубофрезерования цилиндрических колес// Вестник машиностроения. - 2011. - №5. - С. 82-88.

3. Феофилов Н.Д., Скрябин В. Н., Мацкевич А. В. Влияние подналадок и передвижек фрезы на показатели процесса зубофрезерования // Вестник машиностроения. -2011. - №6. С. 80-84.

Научные работы в других изданиях

4. Феофилов Н. Д., Скрябин В. Н. Червячное зубофрезерование деталей с прямолинейными боковыми профилями // Вестник Тульского госуниверситета. Автоматизация: проблемы, идеи, решения: Материалы Междунар НТК «АПИР -16», Ч.2.Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. - С. 76-81.

5. Скрябин В. Н., Феофилов Н. Д. Сборная червячная фреза для деталей с прямолинейными боковыми профилями // Вестник Тульского госуниверситета. Автоматизация: проблемы, идеи, решения: Материалы Междунар НТК «АПИР -16», Ч.2.Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. - С. 43-48.

Изд. лиц. ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 23 апреля 2012 г. Формат бумаги 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,2. Уч.-изд.л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 032 Юго-Западный государственный университет 305040, Курск, ул.50 лет Октября, 94. Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, Тула, просп. Ленина, 95.

ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

61 12-5/2960

На правах рукописи

СКРЯБИН ВИТАЛИИ НИКОЛАЕВИЧ

КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СБОРНЫХ ЧЕРВЯЧНЫХ ФРЕЗ С ЭВОЛЬВЕНТНОЙ ПРОИЗВОДЯЩЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

докт. техн. наук, доцент Феофилов Н. Д.

Тула 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 7

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 12

1.1 Анализ конструкций сборных червячных фрез, технологии изготовления и эксплуатации..............................12

1.2 Проектирование сборных червячных фрез........................23

1.2.1 Основные конструктивные параметры сборных фрез 24

1.2.2 Параметры производящих и технологических поверхностей..................................................................29

1.2.3 Конструкторско-технологические параметры про- 34 филирования фрез...........................

2 КИНЕМАТИКА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ И РЕЖУЩАЯ ГЕОМЕТРИЯ ПРИ ЗУБОФРЕЗЕРОВАНИИ......................................43

2.1 Координатная система станка..............................................44

2.2 Винтовые поверхности........................................................46

2.2.1 Винтовая производящая поверхность........................54

2.2.2 Винтовая технологическая поверхность....................62

2.3 Влияние величины стачивания передней поверхности на погрешность профиля..........................................................68

2.4 Влияние кинематических параметров процесса зубофре-зерования на параметры срезаемого слоя..........................74

2.5 Модификация производящего контура..............................81

2.6 Выводы..................................................................................83

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ НАЛАДКИ......................................................................................85

3.1 Влияние жесткости инструментальной оправки на диаметр отверстия в корпусе фрезы........................................85

3.2 Расчет суммарного пути передвижек фрезы............89

3.3 Конструкция ступиц и контрольных буртиков..................95

3.4 Выводы ......................................... 97

4 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СБОРНЫХ ЧЕРВЯЧНЫХ ФРЕЗ . ............... 99

4.1 Обеспечение производительности оборудования при зу-бофрезеровании . ................................ 99

4.1.1 Влияние составляющей штучно-калькуляционного времени, зависящей от режима резания, на производительность станка..............................101

4.1.2 Влияние составляющей штучно-калькуляционного времени, не зависящей от режима резания, на производительность станка...................... 107

4.2 Обеспечение минимальной себестоимости зубофрезеро-вания................................................108

4.3. Влияние передвижек и подналадок фрезы на показатели

зубофрезерования..................................................112

4.4 Статистическое исследование точности зубофрезерования червячными фрезами с поворотными зубчатыми рейками.....................................................123

4.5 Выводы....................................................128

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................... 130

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............... 133

ПРИЛОЖЕНИЯ 142

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

В основе обозначений и терминов использованы данные ГОСТ 16530-70, ГОСТ 16531-70 и ГОСТ 13755-68 на зубчатые передачи, а также справочников по нормированию операций механической обработки.

Конструктивные элементы зубчатых деталей

а - делительное межосевое расстояние цилиндрической зубчатой передачи, мм; ам> - межосевое расстояние зубчатой передачи, мм;

аЦ1 о - межосевое расстояние в станочном зацеплении зубчатой детали с инструментом, мм; Ъ - ширина зубчатого венца зубчатой детали, мм; с - радиальный зазор зубчатой передачи, мм; с* - коэффициент радиального зазора;

й, аъ - диаметры делительной и основной окружностей детали, мм; - диаметры окружностей вершин и впадин зубьев детали, мм; (Л^ - начальный диаметр, мм; е - ширина впадины, мм; к*а, 1г , к* " коэффициенты высоты головки, высоты модификации и граничной высоты исходного контура; /, и - передаточное отношение и число зубчатой передачи; т\а - эвольвентный угол профиля; тп, т(,тх - модуль нормальный, торцовый, осевой, мм; рп,р(,рх - шаг зубьев нормальный, торцовый и осевой, мм; р2 - ход зуба, мм;

г - радиус зубчатой детали, мм; рК - винтовой параметр

, - толщина зуба нормальная, торцовая и осевая, мм;

V - окружная скорость зубчатой детали, м/с; Ж - длина общей нормали зубчатого колеса, мм; х,хЕ,ха - коэффициенты смещения исходного контура, суммы и разности смещений; ^ - число зубьев зубчатой детали; а - угол профиля зуба и зуба рейки, град; аи, - угол зацепления, град;

¡3 - угол наклона линии зуба колеса или зуба рейки, град; Да,Д/ - глубина модификации профиля у головки и ножки зуба, мкм;

£а,8р,£у - коэффициенты торцового, осевого и перекрытия;

Л - половина угловой ширины впадины зубчатого колеса, град; р,р^,рк - радиус кривизны профиля зуба, переходной кривой зуба и линии притупления продольной кромки зуба; у - угол развернутости эвольвенты зуба, град; т - угловой шаг зубьев, град; (р - фаза зацепления, град; у/ - угловАЯ толщины зуба, град; 7т0 ~ Угол подъема винтовой линии ни среднем цилиндре

Подстрочные индексы, общие для большинства расчетов

О, 1,2- зуборезный инструмент; шестерня; колесо; п, ?, х - нормальный; торцовый; осевой; Я, Ь - правого направления; левого направления; У - произвольная или характерная точка профиля: Ь, а, / - поверхность основная; вершин зубьев; ножек зубьев;

§ - начало модификации у вершины зуба; у - начало среза у вершины зуба; к - начало притупления у вершины зуба; / - граничная точка; Р - нижняя точка активного профиля;

и - верхняя граничная точка однопарного зацепления;

V - нижняя граничная точка однопарного зацепления; п' - начальная поверхность.

Элементы, необходимые для нормирования операции

дчс - часовая производительность станка, шт/час;

- норма штучно-калькуляционного времени на операцию, мин; 1щт - штучное время на операцию, мин; Тпз - подготовительно-заключительное время на операцию, мин; Q - объем партии деталей, шт; tв - вспомогательное время на операцию, мин; *обе ~ вРемя обслуживания рабочего места, мин; 1отд - время перерывов на отдых, мин; tм, t0- машинное и основное время при выполнении операции,мин; 1в, 1п- путь врезания и перебега фрезы, мм;

V - скорость резания, мм/мин;

, зу, - радиальная, осевая, продольная подачи фрезы на оборот зубчатого колеса, мм/об; у'о - число рабочих ходов инструмента;

Т - период стойкости фрезы до передвижки, мин; Рх,Ру,Р2 - составляющие силы резания, Н;

У - передний угол, град;

п - частота вращения инструментального шпинделя, об/мин;

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Зубофрезерование является наиболее производительным и точным способом обработки зубчатых колес в диапазоне модулей от 0,1 до 40 мм, обеспечивающим точность зубчатых колес в пределах 5-9-ой степеней точности по ГОСТ 1643-81. Оно применяется как на черновых, так и чистовых операциях обработки зубчатого венца.

При массовом изготовлении зубчатых колес, когда количество инструментов на годовую программу запуска является значительным, применение специальных червячных фрез с модифицированным профилем и удлиненных является экономически необходимым. При серийном производстве колес средних и крупных модулей с большим количеством зубьев, подвергаемых термообработке и последующему чистовому зу-бофрезерованию, долблению или шлифованию задачи обеспечения минимума трудоемкости и экономичности зубообработки требуют специального решения.

В ближайшем будущем добиться значительного улучшения характеристик быстрорежущей стали весьма трудно. Также достигли своего предела и резервы повышения стойкости инструментов за счет применения износостойких пленочных упрочняющих покрытий. Поэтому дальнейшее повышение эффективности зубообработки обеспечивается совершенствованием конструктивных параметров и технологии изготовления фрез, а также путем расширения технологических возможностей зу-бофрезерных станков за счет числового программного управления циклом обработки.

Несмотря на значительное количество работ отечественных и зарубежных исследователей, посвященных проектированию червячных фрез и инструментальных наладок, нерешенных вопросов, особенно для сборных модифицированных инструментов, достаточно много, как в теории проектирования, профилирования, так и рациональной эксплуатации инструментов.

В связи с этим обоснование конструкторско-технологических решений, повышающих эксплуатационные возможности червячных фрез является актуальной научной задачей.

Работа выполнена в соответствии с госбюджетными темами :№ 0605 «Прогрессивная технология механической обработки и сборки» и № 15-10 «Инновационно-перспективные технологии механической обработки и сборки».

Цель работы заключается в повышении точностных и эксплуатационных характеристик сборных червячных фрез за счет использования эвольвентной производящей поверхности, рациональных геометрических параметров фрезы и оптимального сочетания передвижек и подна-ладок фрезы в рабочей зоне станка.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений теории зубчатых зацеплений, геометрической теории формообразования поверхностей резанием, математической статистики. Экспериментальные исследования проведены в лабораторных и производственных условиях на действующем технологическом оборудовании и с последующей обработкой результатов на ЭВМ.

Автор защищает:

1) аналитическое обоснование и практическую реализацию взаимного расположения левых и правых профилей производящих поверхностей инструментов на операции зубофрезерования и ее технологической подготовки, обеспечивающих единство конструкторских и технологических подсистем;

2) результаты аналитического и графического моделирования эвольвентных винтовых производящих и технологических поверхностей сборных червячных фрез, позволяющие учесть влияние переточек фрезы на ее геометрическую точность;

3) рациональные геометрические параметры конструкции фрезы, полученные на основе учета условий загрузки вершинных и боковых

режущих кромок фрезы по толщинам срезаемых слоев в произвольном диапазоне чисел зубьев нарезаемых колес и продольных подач;

4) результаты экспериментальных исследований влияния параметров сборных червячных фрез на точность обработанных колес.

Научная новизна работы заключается в решении задачи проектирования сборной червячной фрезы с эвольвентной производящей поверхностью и инструментальной наладки на основе комплекса аналитических и графических моделей, позволяющих:

1) установить зависимость угловой ширины впадины винтовой поверхности на цилиндре произвольного радиуса от координат предельных точек эвольвенты и исключить интерференцию боковых эвольвентных поверхностей;

2) учесть влияние жесткости инструментальной оправки и зоны контакта фрезы с обрабатываемым колесом на геометрические параметры базирующих поверхностей фрезы и длину режущей части при зубо-фрезеровании на экономической скорости резания и при оптимальном сочетании передвижек и подналадок фрезы в рабочей зоне станка;

3) определить диапазон чисел зубьев колес для фрезы с модификацией производящего контура путем нанесения на режущие зубья чередующихся стружкоразделительных фасок или чередующегося уменьшения толщины зубьев.

Практическая ценность работы заключается:

1) в рекомендациях по проектированию инструментальных наладок и сборных червячных фрез и рациональному их использованию на зубофрезерных станках с электромеханической системой управления и с ЧПУ;

2) в разработке комплекса вопросов по исследованию винтовых поверхностей: производящей, технологической и рабочей - инструментальной;

3) в системном проектировании инструментальных зубофрезерных наладок в учебном процессе.

Диссертация состоит из четырех глав.

В первой главе проведен анализ конструкций сборных червячных фрез, рассмотрены способы их профилирования инструментами, работающими по методу огибания, сформулирована цель и задачи исследования. Установлено, что сборные червячные фрезы обладают более высокой режущей способностью по сравнению с монолитными фрезами и могут изготовляться в два и более раза длиннее по сравнению с последними из-за замены зытылованных по спирали задних поверхностей на цилиндрические винтовые поверхности. Рассмотрение различных теорий проектирования производящих поверхностей червячных фрез показало целесообразность проектирования сборных фрез на основе эволь-вентного производящего червяка.

Во второй главе проведен анализ кинематики станочного зацепления нарезаемых деталей с инструментами реечного типа, рассмотрены вопросы аналитического и графического моделирования зацепления на основе эвольвентного производящего червяка. Показана необходимость проектирования операции зубофрезерования, конструкции фрезы и процесса формообразования производящей и технологической винтовых поверхностей в единой системе координат зубофрезерного станка.

Аналитическое описание торцового профиля эвольвентного зубчатого колеса и эвольвентного червяка позволило аналитически спроектировать и графически смоделировать взаимоогибаемую передачу, состоящую из производящей винтовой поверхности и обрабатываемой зубчатой поверхности. При этом получена зависимость для расчета угловой ширины впадины эвольвентной винтовой поверхности на цилиндре произвольного радиуса с учетом заходности винтовой поверхности.

Анализ станочного зацепления фрезы с обрабатываемым колесом позволил вывести зависимости для расчета и исследования параметров

срезаемых слоев, а также построения схем резания, как основы модифицирования профиля производящего контура с целью разделения Г и П -образных слоев на части и повышения стойкости инструмента между переточками. Определены величины заужения режущего контура, а также углы фасок у окружности вершин режущих зубьев.

В третьей главе исследованы вопросы влияния параметров режима резания и жесткости инструментальной наладки на основные конструктивные параметры инструмента. Рассмотрено влияние числа зубьев и коэффициента смещения исходного контура на исходное положение фрезы относительно средней плоскости зубофрезерного станка.

В четвертой главе показано применение методики проектирования инструментальной наладки для конкретных конструкций червячных фрез, осуществлена оценка точности зубчатых колес после зубофрезеро-вания. Также показана эффективность рационального сочетания передвижек и подналадок фрезы на производительность станка и технологическую себестоимость выполнения операции.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Изменение технической оснащенности инструментального производства предъявляет повышенные требования к проектированию и технологии изготовления зубообрабатывающих инструментов. При этом метод обкатки, получивший наибольшее распространение при нарезании эвольвентных зубчатых колес, является основой и при проектировании зуборезных инструментов. В данном случае червячных фрез.

Червячные фрезы применяются для чернового и чистового зубона-резания, как со стандартным профилем зубьев, так и модифицированным. Профиль черновых фрез модифицируют как для оставления припуска на последующую обработку, так и для исключения из процесса резания вершинных режущих кромок чистовых фрез, периферии шеверов и шлифовальных кругов, что повышает стойкость чистовых инструментов, снижает крутящий момент резания, а соответственно повышает точность обработанного зубчатого венца. Чистовые фрезы имеют, как правило, стандартный профиль а -20° и реже уменьшенный для уменьшения величины профильной огранки зубьев нарезанных колес. Для сборных червячных фрез важным является определение рациональной длины режущей части и стремление к минимизации диаметра фрезы, что в совокупности обеспечивает максимум эффективности эксплуатации фрезы. Основными параметрами, определяющими операцию зу-бофрезерования, являются: число режущих зубьев участвующих в вырезании впадины; толщина слоев, срезаемых режущими кромками; продольная подача. В совокупности эти параметры определяют стойкость фрезы между переточками.

1.1 Анализ конструкций сборных червячных фрез, технологии изготовления и эксплуатации

Червячные фрезы изготовляются монолитными (рисунок 1.1), составными (рисунок 1.2) и сборными классов точности ААА, АА, А, В, С

и Б. Точность фрез обеспечивается применением разнообразных специальных инструментов, контрольно-измерительных приборов и высокоточного технологического оборудования. Составные червячные фрезы являются промежуточными между монолитными и сборными. Их режущие элементы соединяются с корпусом путем приклеивания, приваривания, припаивания или механически с помощью клиньев, крышек, винтов и гаек. У монолитных и составных фрез необходимые задние углы и точностные параметры обеспечиваются затылованием, в то время как у сборн�