Дипломная работа: Исследование и проектирование червячной фрезы с комбинированной передней поверхностью
I. Инструменты, работающие методом копирования, при котором профиль зуба инструмента или проекция этого профиля представляет собой копию профиля впадины между зубьями нарезаемого колеса.
II. Инструменты, работающие методом центройдного огибания, при котором центройды инструмента и нарезаемого колеса катятся друг по другу без скольжения. Профиль нарезаемых зубьев получается при этом как огибающая различных положений режущих кромок инструмента.
III. Инструменты, работающие методом бесцентройдного огибания, при котором профиль нарезаемых зубьев также получается как огибающая различных положений режущих кромок инструмента, но в процессе работы центройды на инструменте и нарезаемом колесе отсутствуют.
При методе огибания, профиль инструмента не совпадает с обрабатываемым профилем впадины нарезаемого колеса.
В условиях современного производства инструменты работающие методом копирования и бесцентройдного огибания работают с высокой точностью и производительностью. В тоже время, такие эти инструменты (на примере протяжек и зуборезных головок) могут нарезать только колеса с определенными параметрами, для которых они были спроектированы. Такие инструменты как червячные фрезы и долбяки хоть и проигрывают в точности и производительности в несколько раз, являются более универсальными, что делает их более привлекательными для условий мелкосерийного производства, какое можно встретить на многих автомобилестроительных заводах. Если же сравнивать между собой зуборезный долбяк и червячную фрезу, то видно, что профиль нарезаемого колеса при обработке доляком получается точнее. Однако, профиль самого долбяка получить на порядок сложнее, при его производстве стоит целый ряд проблем по формообразованию и шлифованию криволинейных участков зуба. Стоит также заметить, что на длительность и скоростные характеристики работы зубчатых колес, наибольшее влияние оказывает величина шероховатости на участках зацепления. В обоих случаях нарезания колес не избежать огранки, а неточности, получаемые при зубофрезеровании можно исправить при дальнейшей обработки по уменьшению шероховатости на зубьях колес (шевингование и шлифование). Отсюда, следует сделать вывод, что в условиях мелкосерийного производства (например, ИП ВАЗа) является наиболее экономически выгодным применение зуборезных червячных фрез.
Диаграмма износа обычной цилиндрической фрезы показывает, что размер ленточек износа различен для разных зубьев (рис.1.1), что связано с различной длительностью их зацепления и нагрузкой. Каждый зуб червячной фрезы срезает вполне определенный слой. В процессе работы зубья нормальных червячных загружены неравномерно. В резании участвуют только 1/5 часть длины режущих кромок фрезы. Длина и толщина срезаемого слоя различна у всех режущих кромок. Их величины зависят от глубины резания и подачи, модуля, наружного диаметра, числа и размеров зубьев нарезаемого колеса, числа канавок и угла подъема витков фрезы. Загрузка зубьев фрезы и толщина слоя, снимаемого каждым зубом фрезы, увеличивается с увеличением расстояния от полюса профилирования. Крайние зубья, предварительно срезающие металл из впадины, нагружены значительно больше центральных профилирующих и поэтому из загрузка лимитирует возможность увеличения продольной подачи. Наибольшее сечение снимаемого слоя приходится на вершинную режущую кромку (около 50%). Боковые режущие кромки загружены также неодинаково: большие сечение снимает входящая кромка. Для повторного использования такой фрезы на той же установке ее приходится затачивать на величину наибольшей ленточки износа, сокращая тем самым срок службы инструмента. Поэтому пользуются обычно при нарезании небольших зубчатых колес периодической передвижкой фрезы в осевом направлении. Эти передвижки позволяют вводить каждый раз в зацепление новые зубья, так что в конце периода стойкости все режущие кромки имеют примерно одинаковый износ. Такой же эффект достигается методом диагонального зубофрезерования; в этом случае инструменту сообщается непрерывная тангенциальная подача (вдоль оси фрезы) наряду с подачей вдоль оси нарезаемой заготовки. Однако эти методы зубофрезерования могут применяться только для небольших зубчатых колес, при фрезеровании колес больших модулей и с большим числом зубьев применение этих методов ограничено или вовсе невозможно. При нарезании таких колес червячные фрезы обычной длины либо допускают очень небольшую передвижку, либо вовсе ее не допускают. Поэтому в практике зубофрезерования этих колес используют другие методы повышения производительности процесса и повышение стойкости фрез.
Например, чтобы не расходовать без нужды дорогостоящие чистовые фрезы, часто нарезание больших зубчатых колес производят предварительно менее точными черновыми фрезами. Однако и эти фрезы не лишены недостатка неравномерного износа отдельных зубьев. При применении осевых передвижек фрезы или диагонального фрезерования можно добиться более или менее равномерного износа зубьев.
Также существует следующий метод избежать перегрузки отдельных зубьев фрезы, это создание у фрез заборного конуса, как например, на фрезе Bestcut, изготовитель HermannLeimbach, ФРГ [6]. При конструировании данной фрезы стремятся придать такую геометрическую форму по всей ее длине, чтобы достичь равномерного износа зубьев. Для этого должны быть приняты в расчет различное пространственное положение огибающих всех кромок, а также различие в длительности зацепления, толщине и ширине среза для отдельных зубьев. Таким образом, при конструировании заборных частей фрезы для каждого отдельного зуба определяется определенное сечение среза, чтобы в условиях различной длительности зацепления, различных скоростей резания и задних углов добиться равного износа на всех зубьях.
На рис.1.2 представлена форма фрезы Bestcut. Кривая заборной части фрезы выполнена таким образом, что уже первый ее зуб на входе колеса выбирает впадину достаточно глубоко. При работе червячной фрезы Bestcut имеет место уже не пересечение двух цилиндрических тел, а пересечение цилиндрического колеса с глобоидообразной червячной фрезой. Кривая пересечения в этом случае искажается и удлиняется в направлении входной стороны колеса. Таким образом, у фрез Bestcut участвуют в работе, особенно при предварительном нарезании впадин, существенно больше зубьев, чем у стандартной фрезы. Лучшему распределению нагрузки способствует существенное сокращение средней длительности зацепления.
К недостаткам данной фрезы можно отнести достаточно сложный техпроцесс изготовления и, в частности, заточки таких фрез. Как видно из рис.1.2 каждый зуб имеет свою форму и, соответственно, при затыловании каждого такого зуба необходимо использовать специально заточенный круг. К тому же получается, что при формообразовании впадины колеса по всей глубине участвует меньше зубьев, чем при работе обычной фрезы, а это означает, что необходимо увеличить длину фрезы и расход дорогостоящей быстрорежущей стали.
Для возможности увеличения продольной подачи следует уменьшить нагрузку максимально загруженных режущих кромок за счет перераспределения ее на неработающие или малонагруженные кромки. Нагрузку, приходящуюся на крайние зубья, распределяют на зубья а, лежащие за крайним работающим зубом, дальше от полюса профилирования Р, путем увеличения высоты головки этих зубьев (рис.1.3). Этот способ аналогичен выше изложенному (фреза Bestcut), но в данном случае фреза имеет обратную конусность. Причем форма наружной поверхности зубьев фрезы определяется размерами изделия (диаметром, числом и размерами зубьев) и принятыми за основу условиями резания и распределения нагрузки. Разные авторы проектируют фрезы исходя из разных условий распределения работы между отдельными зубьями. Сложные кривые, получающиеся на основе теоретических расчетов, для упрощения изготовления фрез обычно заменяют дугой окружности. Иногда для выравнивания загрузки боковых режущих кромок по длине фрезы изменяют не только высоту, но и толщину зубьев.
Во всех конструкциях фрез изменяются только размеры зубьев, производящих предварительную обработку впадины колеса. Зубья фрезы на участке профилирования имеют обычные размеры. В работе такие фрезы должны занимать определенное положение по отношению к оси нарезаемого колеса. Передвижение их по длине недопустимо. Эти фрезы имеют те же недостатки, что и фрезы Bestcut, поэтому выгодность их применения существует только при снятии больших сечений стружки, когда силы резания значительны. Поэтому, эти фрезы применяют только для черновой предварительной обработке зубчатых колес больших модулей – свыше m=6 мм, с большим числом зубьев, больших диаметров и при большой подаче.
Для правильного зацепления зубчатых колес, в том числе рейки и колеса, необходимо равенство основных шагов профилей их зубьев t01 =t02 . Основной шаг измеряется по нормали к профилю. Профиль зубьев колеса может быть образован не только рейкой с углом профиля aд , равным углу профиля исходного контура, но и рейкой с другим углом профиля, например, a`, меньшим, чем угол aд профлия исходного контура, при условии, что основной шаг зубьев рейки по нормали к ее профилю будет равен основному шагу зубьев нарезаемого колеса, т.е.
t0И = p*dд1 *cosaд = t01 (1)
где t0И – основной шаг зубьев рейки по нормали
aд – угол профиля нарезаемого колеса
dд1 – диаметр делительной окружности нарезаемого колеса
Уменьшение угла профиля фрезы способствует улучшению чистоты нарезаемого профиля зубьев колеса. При уменьшении угла профиля фрезы длина активного участка линии профилирования увеличивается, а следовательно, увеличивается число режущих кромок фрезы, производящих профилирование.
Из формул [1], определяющих величины гребешков после обработки f по высоте и fб по длине зуба (2), видно, что с уменьшением угла профиля фрезы aи – высота гребешков как в продольном, так и в поперечном направлениях уменьшается. Уменьшение гребешков по длине зуба – волнистости – позволяет при сохранении той же чистоты обработки увеличить продольную подачу фрезерования и тем самым повысить производительность обработки.
; 
(2)
где z0 – число заходов фрезы
zи – число зубьев фрезы
z1 – число зубьев нарезаемого колеса
S0 – величина продольной подачи на один оборот заготовки в мм.
Deu – наружный диаметр фрезы
b - угол наклона зубьев фрезы (для прямозубых колес b=0).