Зуборезные инструменты, работающие по методу копирования.

К числу этих инструментов относятся: дисковые и пальцевые мо­дульные фрезы, зубодолбежные головки и протяжки. Первые два вида инструментов широко применяются в мелкосерийном и ремонтном производстве. Дисковые модульные фрезы выпускаются серийно инст­рументальными заводами. Два последних вида инструментов являются специальными и предназначены для изготовления колес определенного модуля и числа зубьев. Они используются на специальных станках в массовом производстве, очень сложны в изготовлении и имеют ограни­ченное применение.

Дисковые зуборез­ные фрезы представляют собой дисковые фрезы с фасонными режущими кромками. Применяются для нарезания прямозу­бых и реже косозубых колес (m = 0,3…26 мм) на универсально-фрезерных станках с делительным устройством.

В процессе зубонарезания фреза вращается вокруг своей оси, а дви­жение подачи задается заготовке, установленной в делительном устройстве станка, параллель­но ее оси. В начале захода фреза врезается на полную глубину впадины и далее перемещается вдоль нее. Процесс последовательной обработки впадин между зубьями нарезаемого колеса производится путем деления на один окружной шаг. Основным достоинством такого инструмента является простота переточки. Как и все инструменты с затылованными зубьями, дисковые модульные фрезы перетачиваются по передней гра­ни. Процесс зубонарезания ими прост в наладке и кинематике и не тре­бует применения специальных зуборезных станков. Однако такой спо­соб нарезания зубьев является малопроизводительным и обеспечивает низкую точность из-за погрешностей деления и установки фрезы отно­сительно заготовки. Зубья фрезы, как правило, затылованные, имеют далеко не оптимальную геометрию режущих кромок, что приводит к снижению режимов резания и стойкости инструмента.

Число зубьев у фрез с затылованным зубом из-за необходимости иметь большой припуск на переточку мало, что также отрицательно сказывается на производительности и качестве обработанной поверхно­сти. Поэтому данным инструментом нарезаются колеса самой низкой (9-й и 10-й) степени точности.

При нарезании прямозубых колес методом копирования профиль режущих кромок является копией профиля впадины между зубьями колеса, который делится на рабочую часть, выполняемую по эвольвенте, и нерабочую часть у дна впадины, находящуюся ниже основной окружно­сти радиусом r_b1.

Рассмотрим решение задачи профилирования режущих кромок дисковой модульной фрезы применительно к этим двум частям. Из сказанного выше известно, что эвольвентный профиль имеет перемен­ный радиус кривизны, зависящий от числа зубьев колеса z₁ и угла про­филя α. Модуль m определяет высоту и толщину зубьев, а в сочетании с z₁ — диаметральные размеры колеса. Все эти параметры перед профили­рованием должны быть заданы.

Расчетную схему строим так, чтобы начало координат совпало с центром колеса О, а ось Y проходила через линию симметрии впадины между зубьями (рис. 2). На схеме r₁, r_b1, r_a1, r_f1 и r_M — радиусы ок­ружностей соответственно делительной, основной, выступов, впадин и произвольной для некоторой точки М эвольвенты зуба колеса. Для по­строения профиля режущей кромки в полярной системе координат необходимо найти значение угла δ_М при заданном значении радиуса r_M.

Центральный угол δ₁ для точки 1, лежащей на делительной окруж­ности, будет равен четверти углового шага между зубьями (без учета коррекции и припуска на последующую обработку), т.е.

δ₁ = 2π / 4z₁ = π/2z₁

Для точки 2 на основной окружности, как следует из уравнения эвольвенты и рис. 2,

δ₂ = δ₁ — inv α = π/2z₁ -inv α

Для любой точки М эвольвенты, лежащей на окружности радиуса r_M, угол

δ_М = δ₂ + inv α_M = π/2z₁ — inv α — inv α_M

В этих уравнениях значения углов δ₁, δ₂ и δ_М получаются в радиа­нах. Для перевода в градусы их следует умножить на 57,29578° или вос­пользоваться справочными таблицами. В уравнении для стандартного зацепления α = 20° , а cos α_M = r_b/r_M.

Как следует из рис. 2, координаты точки М удобнее задавать в декартовой системе координат:

При расчете профиля шаблона начало координат переносят из точки О в точку О1, лежащую на окружности впадин. При этом пересчитыва­ют значения ординат Y_ш точек шаблона:

Y_ш = Y_M — r_ƒ

Значения абсцисс остаются без изменения, т.е. Х_ш = Х_M.

Обычно для построения профиля берут 5…10 точек на профиле плюс три точки выше окружности выступов. Чем больше точек, тем выше точность построения профиля.

У чистовых фрез, предназначенных для нарезания корригированных колес, с учетом величины смещения профиля х₁т и утонения зуба коле­са на делительной окружности ΔS₁ (для создания бокового зазора) вели­чину δ₁ можно определить по уравнению

где e‘₁ — ширина впадины по делительной окружности для корригиро­ванных зубьев колеса; х₁ — коэффициент смещения профиля (задается чертежом колеса); ΔS₁ — утонение зуба (берется из справочника в зави­симости от модуля).

При построении профиля вершины зуба фрезы, обрабатывающей нерабочий участок зуба колеса, исходят из следующих требований:

1. Необходимо обеспечить радиальный зазор сопрягаемых колес, который должен быть равен не менее 0,25m.
2. Нельзя допускать интерференцию (наложение) профилей сопря­гаемых колес z₁ и z₂. В этом случае наибольшую опасность представляет сопряжение колеса с рейкой.

Первое требование выполняется путем оформления впадины у ос­нования зуба колеса и, соответственно, вершины зуба фрезы по окруж­ности радиуса (рис. 3, а):

r’ = кm

где к — коэффициент, зависящий от числа зубьев колеса (к = 0,25.. .0,52, причем наибольшее значение коэффициента берется для z₁ = 12, а наи­меньшее — для z₁ = 134. Абсцисса центра окружности x₁ / 2 находится путем построения профиля, а ордината y₁ = r‘).

Второе требование обусловлено тем, что интерференция профилей сопряженных колес может привести к заклиниванию передачи, что не­допустимо. Поэтому нерабочий участок профиля впадины зуба колеса z₁ должен быть построен по касательной к траектории вершины зуба со­прягаемого колеса z₂ или рейки. Для колеса это удлиненная эпициклои­да, для рейки — удлиненная эвольвента.

Учитывая невысокую точность колес, нарезаемых дисковыми фре­зами, построение профиля нерабочего участка упрощают. При этом возможны два варианта, в зависимости от положения основной окруж­ности относительно окружности впадин:

1. Основная окружность лежит ниже окружности впадин. т.е. r_b1 < r_f1 (рис. 3, а). Для некорригированных колес это имеет место при z₁ > 34. В этом случае весь профиль до окружности впадин будет теорети­чески эвольвентным, ибо эвольвента начинается от основной окружно­сти. Для построения профиля нерабочего участка ниже точки К прово­дят касательную к окружности впадин колеса и строят сопряжение дуги окружности радиуса r‘ с этой касательной и эвольвентой.
2. Основная окружность лежит выше окружности впадин, т.е. r_b1 > r_f1 (рис. 3, б). В этом случае нерабочий участок имеет наибольшую протяженность — от основной окружности до окружности впадин. Уча­сток от точки К на основной окружности до точки В в месте сопряжения с окружностью радиуса r’ строят по прямой под углом 5^о к линии симмет­рии впадины. Для некорригированных колес это имеет место при z₁ < 34. Для z₁ = 12…16 участок СД = 0, т.е. центр окружности r’ лежит на линии симметрии впадины колеса.

Как показывает анализ, наиболее существенное изменение профиля зубьев колес имеет место в диапазоне z₁ = 12…135. Поэтому для точно­го нарезания зубьев колес одного значения модуля необходимо иметь число фрез n = 135-12 = 123 шт. Такое большое число фрез иметь не­рентабельно, учитывая, что многие из них могут быть невостребованы и, кроме того, изменения профиля у двух соседних чисел зубьев весьма незначительны, особенно при больших их значениях.

С целью снижения числа типоразмеров фрез их целесообразно изго­тавливать комплектами из ограниченного количества фрез, каждая из которых предназначается для изготовления колес с числом зубьев в оп­ределенном диапазоне.

Стандартные дисковые фрезы изготавливают комплектами из 8 штук (номеров) для модулей m < 8 мм и из 15, а иногда из 26 номеров для колес m > 8 мм.

В основу комплектования фрез положено равенство отрезков по дуге окружности выступов колес. Для этого вычерчивают в увеличен­ном масштабе профиль рейки и про­фили зубьев колес от z = 12 и более. Разницу профилей по наружному диаметру делят на 8 примерно рав­ных отрезков и определяют, какому числу зубьев соответствуют номера профилей от 1 до 8 (рис. 4). Ка­ждая фреза из комплекта, таким об­разом, предназначена для нарезания определенного диапазона чисел зубьев. В табл. 1 приведены дан­ные об этих диапазонах для номеров фрез в наборе из 8 и 15 фрез.

Из таблицы видно, что чем больше номер фрезы, тем шире диа­пазон чисел нарезаемых зубьев, а фрезой №8 можно нарезать колеса с z = 135 до ∞, т.е. включая рейку.

С увеличением модуля увеличивается высота зубьев, а разница в кривизне профилей становится большей. Поэтому предусматриваются более узкие диапазоны чисел нарезаемых зубьев и большее число фрез в комплекте. Промежуточные номера при этом обозначаются дробными числами, например 3¹/2 (для комплекта из 15 фрез) или 5¹/4 (для ком­плекта из 26 фрез). Следует иметь в виду, что фреза каждого номера профилируется по наименьшему числу зубьев диапазона. В этом случае уменьшается опасность защемления зубьев сопряженных колес, так как радиус кривизны профиля будет тем меньше, а соответственно, ширина прорезаемой впадины тем больше, чем меньше число зубьев нарезаемо­го колеса.

Особенности конструкции и геометрические параметры диско­вых зуборезных фрез.

Основные размеры фрез выбираются так же, как и для обычных дисковых фасонных фрез. Для стандартных фрез наруж­ный d_aO и посадочный d_отв диаметры определяют по эмпирическим урав­нениям:

d_aO = 43,5m^0,5;           d_отв = 1,06 d_a^0,72

Для упрощения изготовления и переточки зубья фрез затылуют по архимедовой спирали. Величина падения затылка по вершине зуба оп­ределяется по известному уравнению

где r_a0 — радиус наружной окружности фрезы; z₀ — число зубьев фрезы; α_в — задний угол на вершине зуба.

Задние углы на боковых режущих зубьях в нормальном сечении (рис. 5):

где r_i — радиус любой i-й точки режущей кромки; φ_i — угол между каса­тельной к профилю и перпендикуляром к оси фрезы (φ_i = 10…16^о).

Из уравнения и рис. 5 следует, что величина α_Ni пере­менная. Она уменьшается в точках боковых режущих кромок около вершины до 1^о30′ даже при α_в = 12…15^о.

Передний угол у стандартных фрез равен нулю, что ухудшает усло­вия резания, но упрощает изготовление, переточку и контроль профиля зубьев фрез.

При нарезании колес крупных модулей удаление больших объемов металла из впадин занимает много времени. С целью повышения произ­водительности для предварительного (чернового) фрезерования исполь­зуют фрезы со вставными ножами, часто оснащенными напайными твердосплавными пластинами. В этом случае профиль зубьев можно брать упрощенный — прямобочный или трапециевидный.

Зубья лучше выполнять не затылованными, а остроконечными с за­точкой по передней и задней граням. Это дает возможность увеличить значения задних углов до оптимальных величин, увеличить число зубь­ев, а следовательно, повысить стойкость и производительность фрез. Передние углы берут положительными (до γ = 10…15^о), что облегчает процесс резания.

С этой же целью используют наборы из 2…4 фрез, насаживаемых на одну оправку (рис. 6).

В этом случае каждая фреза удаляет определенную часть металла из впадины между зубьями колеса. После прохода набора фрез колесо по­ворачивается на один зуб с помощью делительного устройства. Таким образом, предварительное нарезание зубьев производится методом бесцентроидного огибания с делением припуска между фрезами в наборе. Окончательно профиль впадины формируется чистовой фрезой, при­пуск на которую благодаря такой схеме резания снижается. Это способ­ствует повышению точности нарезаемых колес и стойкости фрез.

Пальцевые зуборезные фрезы.

Это концевые фрезы с фасонным профилем режущих кромок. Применяются в тяжелом машиностроении для нарезания крупномодульных колес (m = 10…100 мм) с прямыми, косыми и шевронными зубьями.

В отличие от дисковых фрез, пальцевые фрезы (рис. 7) крепятся консольно с помощью резьбы, с базированием по точно выполненному цилиндрическому пояску на посадочной части шпинделя станка.

В процессе работы ось фрезы, совпадающая с осью шпинделя, со­вмещена с линией симметрии впадины между зубьями нарезаемого ко­леса. Фреза, вращаясь, перемещается вдоль зуба колеса. При этом дви­жение подачи задается либо фрезе, либо заготовке.

По сравнению с дисковыми фрезами, пальцевые фрезы имеют зна­чительно меньшие габаритные размеры. Диаметральные размеры их рабочей части определяются размерами впадины между зубьями колеса. Обычно фрезы изготавливаются диаметром от 40 до 220 мм с четным числом зубьев от 2 до 8.

Чаще всего зубья затылуют. Причем из трех возможных способов затылования: радиального, осевого и наклонного — наилучшие результа­ты дает наклонное затылование под углом 10…15° к оси фрезы. При этом задний угол по длине режущих кромок примерно постоянный и, что наиболее важно, изменение диаметра при переточке по передней поверхности зубьев весьма незначительно, а следовательно, мало и ис­кажение профиля нарезаемых впадин колеса после переточки фрезы.

Передние углы у чистовых пальцевых фрез принимаются равными нулю для упрощения изготовления, переточки и контроля профиля.

У черновых фрез с целью снижения сил резания затачивают поло­жительный передний угол (до 8°). Профиль режущих кромок делают прямолинейным, а для деления стружки по ширине выполняют струж­коделительные канавки, расположенные на соседних зубьях в шахмат­ном порядке. С целью экономии инструментальных материалов зубья у фрез с m > 50 мм делают с приваренными сваркой режущими пластина­ми. Для получения оптимальных задних углов зубья фрез изготавлива­ются остроконечными, а не затылованными.

У чистовых пальцевых фрез для нарезания прямозубых колес мето­дом копирования профиль режущих кромок определяется по той же методике, что и для дисковых фрез, т.е. он совпадает с профилем впа­дины между зубьями колеса. При нарезании же косозубых колес такого совпадения нет ни в одной из плоскостей сечения. Точки контакта зубь­ев фрезы с заготовкой лежат на боковых винтовых поверхностях зубьев в разных плоскостях. При этом профиль нарезаемого зуба получается как огибающая различных положений профиля фрезы. Задача профили­рования режущих кромок в этом случае решается путем сложных гра­фоаналитических вычислений.

Существенными недостатками пальцевых фрез являются низкая производительность и малая точность нарезаемых колес.

Низкая производительность обусловлена самим способом нареза­ния: малым числом зубьев, нежестким консольным креплением, боль­шими усилиями резания из-за большой ширины срезаемого слоя и большого угла контакта с заготовкой, вследствие чего приходится сни­жать подачу и скорость резания.

Низкая точность нарезаемых колес определяется погрешностями профиля фрезы при переточке, погрешностями установки во впадине и погрешностями механизма деления.

Достоинством пальцевых фрез является возможность использования их на универсальных фрезерных станках при нарезании колес очень больших модулей, а в случае нарезания шевронных колес без канавки для выхода инструмента в месте изменения наклона зубьев, они явля­ются единственно возможным зуборезным инструментом.

Пальцевые фрезы являются специальным инструментом и серийно не изготавливаются.