Зъбообработващи инструменти с повишени експлоатационни възможности

МашиниСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 3, 2015

Зъбообработващи инструменти с повишени експлоатационни възможности

Инструментите за обработване на цилиндрични зъбни колела с еволвентен профил са сложни и скъпи. Те са широко разпространени в машиностроителната практика. При тази група относителният дял на инструментите в общите разходи за извършване на технологичната операция зъбонарязване е най-голям.

Обект на настоящата статия са представители на групата на зъбонарезните инструменти, работещи чрез копиране и центроидно обхождане, които се характеризират с по-големи експлоатационни възможности (производителност, трайност, точност, възможност за обработване на закалени заготовки и др.).

Червячни фрези с повишени експлоатационни възможности
При работата на червячните фрези натоварването на отделните зъби и режещи ръбове е неравномерно. В различните фази на зацепването зъбът е натоварен в различна степен. Разпределението на натоварването по височина на зъбите е неравномерно: приблизително 75% от стружките се снемат от върховата една трета от зъба, 19% от средната му част и 4% от основната трета част от височината на зъба.

От трите главни режещи ръба на всеки зъб най-натоварен е върховият, следван от входящия, а най-малко натоварен е изходящият страничен режещ ръб. В различните фази на зацепването на червячната фреза с колелото стружката е права, Г-образна или П-образна, като отделянето на последните две форми по предната повърхнина предизвиква увеличено натоварване, износване и сили на рязане.

Тези особености на силовата картина, както кинематичните разновидности на процеса, конструктивните и технологични особености на високоефективните режещи материали, са използвани за реализиране на различни идеи за създаване на инструменти с повишени експлоатационни възможности в сравнение с конвенционалните червячни фрези – едноходови, монолитни, от бързорежеща стомана с радиална предна повърхнина (нулев преден ъгъл).

Червячни фрези с изменена схема на работа
Условно зъбчетата на работната част на фрезата могат да се разделят на чисто режещи и профилиращи. Дължината на профилиращия участък се определя на базата на определени параметри на заготовката.
Точността на обработката може да се увеличи, ако се увеличи броят на профилиращите зъбчета.

Облекчаване натоварването на зъбите в най-натоварената зона може да се постигне чрез въвеждане на височинна корекция или корекция по дебелина на зъбите в конкретния участък, така че зъбчетата, участващи в предварителното изрязване на междузъбията да се увеличат по височина и по брой, някои неработещи зъбчета от началото на фрезата се включват в работа и облекчават работата на останалите зъби.

При това преразпределяне на натоварването се увеличава трайността до презаточване, а при груби и получисти обработки се създават възможности за увеличаване на подаването, т. е. на производителността.
Аналогичен ефект на височинната корекция се получава при коригиране на зъбите от режещата част по дебелина.

Коригирането на зъбите на червячната фреза по височина или дебелина превръща фрезата от универсална в специална. Тя се използва за определено зъбно колело и има фиксирано базиране спрямо центъра му. При износване на зъбите инструментът не може да се пренастройва чрез осово преместване.

Възможни са различни схеми за разпределение на работата между отделните режещи ръбове на зъбчетата, при което се осигурява проста форма на стружката, по-голяма трайност и производителност на инструмента.

Пример за това са върхово натоварена или странично натоварена схема на зъби на фреза от бързорежеща стомана. Във втория случай само четните гребени имат зъби с нормална дебелина. Стружките са прави, формирането и отвеждането им е облекчено, но броят на профилиращите зъбчета е намален двойно, което прави схемата рационална само за предварителни обработки. Налични са и варианти за металокерамични фрези.

Зъбите в тези случаи работят по групова схема на изрязване на прибавката, при която броят на профилиращите зъбчета намалява два пъти. Такива инструменти са ефективни за предварителна, груба обработка, а за компенсиране на намалената точност при получисти обработки се нуждаят от специални мерки за повишаване на точността.

Червячни фрези с намален профилен ъгъл
Обикновено профилният ъгъл на червячните фрези a0 е равен на ъгъла на изходния контур на нарязваното зъбно колело a, но е възможно инструментът да има други профилни ъгли, произвеждайки колела с ъгъл a.

Намаляването на стойността на a0 увеличава дължината на профилиращия участък на фрезата, броя на профилиращите зъбчета на инструмента, точността и гладкостта на обработената повърхнина. При запазване на горните показатели може да се постигне значително увеличаване стойността на подаването, което се отразява на производителността.

Намаляването на d0 при запазване дебелината на зъба за делителната права на фрезата води до увеличаване дължината на върховия режещ ръб, който има най-благоприятна геометрия и снема основната част от стружките. По този начин се намалява натоварването на страничните режещи ръбове и се увеличава трайността на фрезата.

Намаляването на профилните ъгли на страничните режещи ръбове води до намаляване на задните им главни ъгли, което може да доведе до нужда от двустранно ъглово затиловане. В този случай инструментът става по-скъп и труден за изработка, както и непрезаточваем, ако конструкцията е монолитна.

Червячните фрези с намален профилен ъгъл се използват за частично компенсиране намалената точност на многоходовите червячни фрези, като за двуходови и триходови инструменти се използват профилни ъгли на страничните режещи ръбове, съответно 14,5° и 8°.

Основание за възможно използване на инструменти с профилен ъгъл, различен от този на заготовката, е, че за да могат да се зацепват правилно две зъбни колела или гребен и зъбно колело е необходимо основните им стъпки да са равни.

Червячни фрези с положителни и с отрицателни предни ъгли
Съществуват червячни фрези с различни предни ъгли, като най-голямо разпространение при монолитните инструменти от бързорежеща стомана има вариантът със затилован по спирала зъб с нулев преден ъгъл. В този случай профилирането е елементарно, точността - най-висока, но и трите режещи ръба на отделното зъбче влизат и излизат от зоната на рязане едновременно, с удар.

Фрезите с отрицателни предни ъгли се използват предимно при сглобяеми конструкции на червячни фрези с острозаточени металокерамични гребени или отделни зъбчета. Задните ъгли се получават чрез подходящо установяване на гребена в тялото. При работа с високи скорости през зоната на рязане първо преминават долните части на страничните режещи ръбове, а последни – върховите им ръбове.

Това осигурява на крехкия инструментален материал по-добри експлоатационни условия. Използването на комбинации от отрицателен преден ъгъл и намален профилен ъгъл е подходящо за получисто зъбонарязване.

При фрезите с положителен преден ъгъл натоварването и разтоварването започва от върховия режещ ръб и завършва в основата на страничните ръбове, което е по-благоприятно от натоварването на зъбите на фрезите с нулев преден ъгъл и по-неблагоприятно от това на фрезите с отрицателен преден ъгъл.

Многоходови червячни фрези
При определена скорост на рязане производителността на зъбофрезоването зависи от скоростта на подавателното движение на фрезата по дължината на нарязваните зъби vf, която е свързана с честотата на въртене на заготовката n1 чрез зависимостта:

n1 = zоnо/z1

Кинематичната връзка на инструмента със заготовката е такава, че първото междузъбие на колелото ще се обработва от първия ход на фрезата, второто от втория ход и т.н., което означава, че всеки зъб на колелото ще се профилира от zo пъти по-малко зъбчета, отколкото при работа с едноходова фреза.

Тази особеност определя намаляването на точността на еволвентните зъби на колелото, нарязани с многоходова червячна фреза.
Ъгълът на подема на винтовата линия на резбата m, измерван по делителния диаметър също нараства с увеличаване броя на ходовете, което води до по-голямо различие в условията на рязане за левите и десни странични режещи ръбове на зъбите. Той се определя по зависимостта:

sinm = mzо/ dmo,

където dmo е изчислителният среден диаметър на инструмента.
Намалената точност на многоходовите фрези налага те да се използват за предварителна обработка. Работата на многоходовите червячни фрези е съпроводена и със значително увеличаване на силовото натоварване в сравнение с тази на едноходовите фрези.

Известно компенсиране на намалената точност се постига при увеличаване на външния диаметър Dа и броя на гребените zо, както и при намаляване профилния ъгъл на инструмента a0.

При избиране броя на ходовете на многоходовите червячни фрези zo е необходимо да се спазва правилото той да не е делител на броя зъби на заготовката. В този случай всеки от зъбите и се обработва с участието на всички зъбчета на инструмента и се получават по-равномерни резултати като точност и грапавост.

Поради увеличеното силово натоварване се спазва правилото при по-големи модули да се използва по-малък брой на ходовете на инструмента, примерно за m = 2,75 се използват фрези с zo = 2,3,4; за m= 5 - zo = 2,3; за m= 10 - zo = 2. Известно намаляване на силовото натоварване се постига при използване на фрези с положителен преден ъгъл.

В заключение може да се обобщи, че многоходовите червячни фрези се изработват с по-голям външен диаметър, по-голям брой режещи гребени, намален профилен ъгъл и положителен преден ъгъл. Те се използват като предшевинговални или предшлифовални и когато са от бързорежеща стомана работят със скорости на рязане до 70-90 m/min и подаване до 3 mm/tr.

Червячни фрези от метало- и минералокерамика
Използването на металокерамични режещи части от Р30, К30 и др. дава възможност да се увеличи 2-3 пъти производителността за сметка на увеличаване скоростта на рязане до 80-150 m/min при едновременно увеличаване на трайността до 10 пъти и възможност за чисто зъбонарязване на закалени заготовки с твърдост до 55 HRC.

За малки модули се използват монолитни металокерамични конструкции, а за модули от 2 до 10 mm инструментите са сглобяеми конструкции, включващи цели режещи гребени или отделни зъбчета. Поради голямото свиване, съпровождащо спичането на металокерамиката при големи модули се използват гребени, образувани от отделни механично закрепени зъбчета с острозаточени задни повърхнини или такива с радиусна форма.

Най-често тези фрези са с по-голям външен диаметър относно монолитните. Съществуват червячни фрези, чиито гребени са с острозаточени зъби и отрицателен преден ъгъл, осигуряващ по-плавно натоварване. Подобни са и конструкциите на фрези с минералокерамични режещи елементи.

При тях се използват само конструкции с гребени, формирани от механично закрепени острозаточени режещи зъбчета с уякчаващи фаски между предната и задна повърхнини. За обработване на зъбни колела с малка якост (текстолит, пластмаси) се използва оксидна, а за метални колела – карбидно-оксидна режеща керамика.

Червячни фрези от свръхтвърди материали
Червячните фрези от свръхтвърди материали се използват за чисто нарязване на закалени зъбни колела с твърдост до 60 HRC. Понякога тези фрези могат да заменят ниско производителния процес на зъбошлифоване на колела с модули до 12 mm. За стоманени и чугунени колела като режещ материал се използва кубичен борен нитрид, а за цветни метали и неметали – технически диамант.

Често фрезите са двукорпусни, установени на общ дорник с дистанционна втулка между двете части, разстоянието между които формира дебелината на зъбите на колелото. Върху двете фрези, обработващи съответните (ляв и десен) полупрофили на детайла има оформени полупрофили с параметрите на модулна резба (стъпка, профилен ъгъл). Поликристалите от свръхтвърди материали оформят режещ ръб с нулев полупрофилен ъгъл, работещ по генераторна схема на изрязване на прибавката.

Зъбодълбачни колела с особена конструкция
Поради ударния характер на процеса на рязане зъбодълбачните колела имат много по-малки възможности за значително увеличаване на експлоатационните свойства. Известен ефект имат съставните конструкции, използването на металокерамични режещи материали и нетрадиционни кинематични схеми.

Съставни и сглобяеми зъбодълбачни колела
При големи размери на зъбодълбачните колела от инструментална стомана структурата на материала е с незадоволителна равномерност и зърненост, а термообработката - затруднена. Съставният инструмент съдържа работен венец, запресован върху тяло от конструкционна стомана. Преди пресоването в канала на тялото се поставя припой, който при закаляването се разтопява и допълнително подсигурява пресовото съединение.

Сглобяемият инструмент има режещи зъби от бързорежеща стомана или металокерамика, тяло, гайка, конусна шайба и сепаратор. Зъбите се нареждат в сепаратора, който е осигурен срещу превъртане относно тялото чрез непоказана шпонка и се затяга чрез гайката и шайбата. Окончателното заточване и шлифоване на инструмента се извършва в сглобено състояние.

Конструкцията позволява единична смяна на счупени или силно износени зъби. Отделните зъби от бързорежеща стомана са с много добра карбидна еднородност и облекчена термообработка. Конструкцията се прилага за модули над 6 mm.

Зъбодълбачните колела с цилиндрични задни повърхнини имат форма на цилиндрично зъбно колело. Задният му ъгъл се получава чрез наклонено установяване оста на вретеното с инструмента относно оста на колелото и движението на рязане. Предимство е простата конструкция – липсва характерната за традиционните зъбодълбачни колела промяна на коефициента на корекция след всяко презаточване и свързаните с това отрицателни явления – промяна на преходните криви, интерференция, срязване на върховете или подрязване основата на зъбите.

Ширината на инструмента е по-голяма и се допуска по-голям брой на презаточванията. Този инструмент изисква специална машина, чието инструментално вретено извършва възвратно постъпателни движения под наклон спрямо оста.

Зъбодълбачни колела с металокерамични режещи части
Тези инструменти могат да нарязват колела с твърдост до 45 HRC. За модули до 3 mm се използват монолитни конструкции, за модули над 2 mm – споени или механично закрепени зъбни венци, а за големи модули – механично закрепване на единични или двойки зъби.
При скорости на рязане до 20 m/min инструментите нямат съществени предимства пред тези от бързорежеща стомана. Тези инструменти са ефективни при скорости до 50 m/min, когато реализират и 2-4 пъти по-голяма трайност.

Центроидни ножове за зъбоструговане
Принципът им на работа е подобен на шевинговането, но цялото зъбонарязване се извършва при едно преминаване на инструмента с подавателно движение по дължината на зъбите на заготовката. Зъбната двойка е с кръстосани оси на въртене, двете принудителни въртеливи движения са съгласувани по начин, осигуряващ центроидното обхождане.

Инструментът - нож за центроидно зъбоструговане, има конструкцията на зъбодълбачно колело с наклонени зъби. Неговият модул и ъгъл на изходния контур съответстват на тези на колелото. Предната повърхнина има обща част – конус с ос оста на инструмента и отделни предни повърхнини за всеки зъб, оформени нормално на направлението му. Той извършва подавателно движение по дължината на зъбите на обработваното колело.

При съгласуваното въртеливо движение на зъбната двойка съответните точки от инструмента и заготовката получават относително изместване по дължина на зъбите, при което се отделят тънки и дълги стружки, подобно на шевинговането. Производителността на зъбоструговането е 3-5 пъти по-висока от тази на другите инструменти, работещи чрез центроидно обхождане. Получава се равномерно износване на режещите ръбове, високи трайност и гладкост на нарязаните зъби.

Влизането и излизането им от зоната на рязане е с много по-слабо изразени удари отколкото при зъбодълбането и зъбофрезоването.
Ножовете и машините са специални и скъпи, което ги прави приложими за едросерийно и масово производство. Универсалните зъбофрезови машини са подходящи за обработване на зъбни колела по този метод при голям брой на зъбите – над 80 поради ограничения на кинематичните вериги.

Статията е разработена със съдействието на доц. д-р инж. Кирил Петров Киров

ЕКСКЛУЗИВНО

Top