УДК 621.833.2

ЧЕРВЯЧНАЯ ФРЕЗА ПОСТОЯННОЙ УСТАНОВКИ ПОВЫШЕННОЙ СТОЙКОСТИ ДЛЯ НАРЕЗАНИЯ ЗУБЬЕВ С ПОДНУТРЕННЫМ ОСНОВАНИЕМ

Водилов Андрей Валерьевич1, Черкашин Валентин Павлович2
1НИИ приборостроения им. В.В. Тихомирова, инженер-программист, соискатель
2ОАО «Объединенные машиностроительные технологии», канд. техн. наук,отдел комбайнов,главный специалист по расчетам

Аннотация
Произведен анализ совместной работы центрального, специального зуба из твердого сплава, работающего только вершинными режущими лезвиями, и зубьев со стандартным углом профиля из быстрорежущей стали, работающих только боковыми режущими лезвиями. Найдены параметры режимов резания, при которых стойкость фрезы увеличивается.

Ключевые слова: стойкость боковых и вершинных лезвий, червячная фреза


HOB PERMANENT INSTALLATION OF INCREASED RESISTANCE TO CUTTING TEETH UNDERCUT BASE

Vodilov Andrey1, Cherkashin Valentin2
1Tikhomirov Scientific Research Institute of Instrument Design, software engineer, applicant
2United Heavry Machinery Technology, candidate of Techical.Division, mainexpert on settlements

Abstract
The analysis of the joint work of the central, special-tooth carbide working only top of the cutting blades and teeth with a standard profile angle HSS-only side cutting blades. The parameters of the cutting conditions under which the resistance increases cutters.

Keywords: hob, resistance side and vertex blades


Библиографическая ссылка на статью:
Водилов А.В., Черкашин В.П. Червячная фреза постоянной установки повышенной стойкости для нарезания зубьев с поднутренным основанием // Современная техника и технологии. 2013. № 5 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2013/05/2051 (дата обращения: 27.05.2017).

Целесообразность применения червячной фрезы постоянной установки для получистового нарезания зубьев с поднутренным основанием цилиндрических колес обоснована в работах [1-4]; поднутренное основание зубьев выполняется для наиболее ответственных и тяжелонагруженных зубчатых колес трансмиссий горных комбайнов, транспортных и сельскохозяйственных машин. В этих же работах изложен принцип работы режущих зубьев фрезы постоянной установки при нарезании зубьев колес.

Обычные традиционные червячные фрезы с протуберанцами допускают осевое перемещение, поэтому при определенных условиях можно добиться, чтобы все зубья изнашивались равномерно. Но этими фрезами, что известно из существующей литературы и это также подробно отражено в работах[1- 4], невозможно нарезать с числом зубьев Z<15 без подреза активного эвольвентного профиля. Поэтому при числах зубьев Z<15 (а зубчатые колеса с такими числами зубьев достаточно широко распространены как в общем, так и в специальном машиностроении) используют червячные фрезы постоянной установки, как цельные, так и сборные. В данной статье объектом исследования является сборная червячная фреза постоянной установки. Для того случая, когда фреза имеет все зубья из быстрорежущей стали произведен анализ работы и стойкости таких фрез[1-4]. В данной статье анализу подвергается такая конструкция фрезы, в которой вместо лимитирующего по износу центрального зуба из быстрорежущей стали установлен центральный зуб из твердого

сплава; центральный зуб – это зуб профилирующий основание зубьев колес.

На рис.1 представлена червячная фреза постоянной установки для нарезания колес с поднутренным основанием; а) конструктивная схема фрезы, б) профили зубьев:

1 – центральный (специальный) зуб; 2- зубья со стандартным углом профиля; 3 – корпус фрезы; 4 – прижимные винты; α01 – угол профиля центрального (специального) зуба; α0 – угол профиля стандартных зубьев, находящихся по обе стороны от центрального; S01 –толщина вершины центрального (специального) зуба; S0 – толщина вершины зуба со стандартным углом профиля; R – радиус закругления вершины центрального зуба.


Червячная фреза постоянной установки имеет сборную конструкцию и предназначена для получистового нарезания под финишную операцию шлифования. Нарезанные зубья колеса имеют 8-ю степень точности, а при затупленных зубьях фрезы степень точности переходит в 9-ю по ГОСТ 1758-81. Кинематическая точность нарезанных зубьев определялась по прибору БВ-608К, а шероховатость поверхности определялась по эталонам шероховатости.

Фреза постоянной установки (по сравнению с обычными червячными фрезами) имеет принципиальную особенность, состоящую в том, что перед зубонарезанием ось центрального зуба фрезы совмещается с осью основания зуба нарезаемого колеса. Это совмещение можно осуществить с помощью несложного приспособления (в единичном производстве) или с помощью электронно-оптических устройств, которые в современной

инструментальной технике находят все большее распространение. Профиль центрального зуба фрезы копирует профиль поднутренного основания зубьев колеса; величина радиуса закругления вершины центрального зуба R =0,3-0,4 m, где m- модуль нарезаемого колеса.

Червячная фреза в отличие от концевой фрезы [1-4], где реализована равная стойкость боковых и вершинных режущих лезвий, имеет более сложную схему резания. Зубья червячной фрезы (рис.1) работают следующим образом. Центральный зуб фрезы работает только вершинными режущими лезвиями в блокированных условиях резания и обрабатывает (профилирует) только основание зубьев колеса. Работа этого зуба связана с большими усилиями резания, большим выделениям тепла, что можно видеть по цветам побежалости стружки, и пониженной (примерно в 2,5 -3,0 раза) cтойкостью по сравнению с остальными зубьями фрезы, которые работают в более легких условиях резания и обрабатывают только боковые, эвольвентные стороны зубьев колеса.

Одному обороту фрезы соответствует обработка одного основания зуба колеса; остальные зубья фрезы обрабатывают боковые эвольвентные стороны зуба колеса, cопряженные с основанием. После поворота колеса на один угловой шаг центральный зуб вступает в обработку нового основания зубьев колеса. Так как центральный зуб фрезы имеет меньшую стойкость по сравнению с остальными зубьями фрезы, то его нужно перетачивать чаще. Из работы [4] следует, что стойкость центрального зуба червячной фрезы из быстрорежущей стали составляет ориентировочно 5 часов, что меньше требуемой стойкости для червячных фрез 10-12 часов[7]. Поэтому центральный зуб приходится чаще перетачивать по мере износа независимо от других зубьев[1-4].

Переточка зубьев фрезы связана с необходимостью остановки (то есть простоя) зубофрезерного станка и с дополнительной работой заточных станков, что снижает производительность и экономичность зубообработки.

Поэтому необходимо увеличить стойкость центрального зуба. Одним из путей увеличения стойкости является применение центрального зуба из твердого сплава (вместо центрального зуба из быстрорежущей стали). Это увеличит стойкость центрального зуба и фрезы в целом до переточки. Применение в центральном зубе стали повышенной твердости Р6М5К5 (вместо быстрорежущей стали и Р18) не дало существенных результатов.

Обычно при замене инструмента из быстрорежущей стали инструментом из твердого сплава увеличивают ориентировочно в три раза скорость резания и в три раза величину подачи. При этом стойкость инструмента не изменяется, но уменьшается в три раза время обработки детали, то есть увеличивается в три раза производительность.

Но в данном случае заменяется только центральный зуб из быстрорежущей стали на зуб из твердого сплава при сохранении той же геометрии углов резания в том же корпусе фрезы. Центральный зуб имеет нулевой передний угол и задние углы (на вершине и боковые) равные 7°, угол подъема винтовой линии витка фрезы 3°, угол профиля 7°.

Но совместно зубья из быстрорежущей стали и зубья из твердого сплава могут работать в определенных диапазонах режимов резания. Номинальная скорость резания зубьев из быстрорежущей стали V =30м/мин, номинальная скорость резания зубьев из твердого сплава V =100-130м/мин [ 7 ]. То есть для твердого сплава целесообразна и экономична работа на более высоких скоростях резания, с большой подачей, высокой производительность при температуре выше 750°С в режиме диффузионного износа режущих лезвий; обычно инструмент их твердого сплава работает на границе своей теплоустойчивости.

Необходимо также учитывать, что для зубьев из твердого сплава график зависимости стойкости от скорости резания Т=f(V) имеет сложный нелинейный характер с наличием точки перегиба или экстремума [8]. Такой график представлен на рис.2. На рис.2 представлена общая зависимость стойкости Т от скорости резания V для центрального зуба из твердого сплава: 1- правая ветвь кривой зависимости в области больших скоростей перегиба кривой, то есть точка экстремума; Тп – скорость, соответствующая Vп.


Ветви 1 и 2 на графике рис.2 несимметричные, хотя и имеется внешнее сходство. Для каждой одной величины стойкости имеется две величины скорости резания. В правой ветви скорость больше, что более благоприятно для твердого сплава, но там не могут работать из за большой скорости резания зубья из быстрорежущей стали. Поэтому необходимо определить стойкость зубьев из твердого сплава в левой ветви при скорости резания примерно равной V = 30м/мин, номинальной для зубьев из быстрорежущей стали, и проанализировать работу твердого сплава при этой скорости резания. Но эта скорость резания находится (как будет показано ниже) на ветви 2 (на левой ветви), то есть в области низких скоростей резания.

Подчеркнем, что в данном случае имеет место практически востребованный случай исследования совместной работы зуба из твердого сплава и находящихся с ним в одном корпусе зубьев из быстрорежущей стали.

Цель данной работы состоит в установлении возможности совместной работы при требуемой стойкости Т =10-12 часов [7] зубьев из быстрорежущей стали Р18 и зуба из твердого сплава ВК10-ОМ.

Исследование работы твердого сплава при низких скоростях резания в научных изданиях практически нет. Имеющиеся в литературных источниках формулы для расчета параметров червячных фрез [7], в том числе скоростей резания и подачи, относятся к ветви 1 (рис. 2), то есть области высоких скоростей резания, где с увеличением скорости резания скорость инструмента уменьшается (а ветви 2 наоборот).

Заметим, что режимы резания (в том числе скорость резания и подача) одинаковые для центрального зуба из твердого сплава ВК10-ОМ и для зубьев из быстрорежущей стали Р18, так как все зубья находятся в одном корпусе фрезы (риc.1).

Работа по анализу параметров стойкости зубьев червячной фрезы производилась в производственных условиях механического цеха. Нарезались колеса с числом зубьев Z=10-15, модулем m=8мм и m=10мм. Материал колес сталь 20Х2Н4А ГОСТ 1050-80 твердостью 240-280 НВ. Получистовое зубонарезание осуществлялось за один проход на зубофрезерном станке 5К328А. Скорость резания V=20-55м/мин, подача 1-3 мм/об, припуск под обработку 1-4 мм, резцы среднезатупленные. Обработка велась с применением СОЖ типа сульфофрезол и для зубьев из быстрорежущей стали и для центрального зуба из твердого сплава. Критерием затупления резцов являлся износ по задней поверхности на величину 0,3мм; величина износа контролировалась и измерялась с помощью лупы Бринелля.

Анализировалась не только величина фаски износа, но и тенденция развития величины фаски износа. Сначало, в начальный период износ идет равномерный по всему периметру находящегося в работе резания зуба. Этот износ по внешнему виду напоминает небольшую фаску или узкую ленточку. C увеличением времени работы наблюдается уже неравномерное развитие износа. Наиболее интенсивный износ у центрального зуба происходит в зоне сопряжения радиусом R (рис.1) бокового и вершинного режущих лезвий. В дальнейшем, когда фреза вырабатывает свой ресурс до переточки (требуемые10-12часов) в этой зоне сопряжения имеет место предельный допускаемый износ (0,3мм) или выкрашивание режущих лезвий. После полного износа все зубья фрезы (центральный зуб из твердого сплава и зубья из быстрорежущей стали, число которых равно 25) перетачиваются в комплекте по передним граням вне корпуса фрезы в специальном приспособлении алмазными кругами.

Центральный зуб из твердого сплава разделяет все зубья из быстрорежущей стали, участвующие в работе резания, на входные и выходные. Наиболее нагружены входные зубья,

износ этих зубьев, примыкающих к центральному зубу, сопоставим с износом центрального зуба, выходные зубья нагружены меньше. При переточке перетачиваются и центральный зуб и твердого сплава и все остальные (входные и выходные) зубья фрезы из быстрорежущей стали, хотя износ этих зубьев (относительно друг друга) неравномерен.

Установлено, что при S = 2мм/об при величине скорости резания Vп= 48м/мин имеет место точка перегиба между ветвями 1 и 2 (точка экстремума), рис3. Cтойкость центрального зуба в точке экстремума роавно 42,5 часа. Заметим, что в ветви 1 при увеличении скорости резания стойкость увеличивается.

При скорости резания V < 20 м/мин стойкость зуба из твердого сплава начинает резко падать и эксплуатация этого зуба становится нецелесообразным.

Произведенные стойкостные испытания в производственных условиях позволили получить набор экспериментальных точек, статистически обработанных по методике[9] и

cведенных в таблицу 1.

Таблица 1. Параметры стойкости центрального зуба

Т (час)

6,7

15.8

29,0

42,5

24,0

12,4

V(м/мин)

20

30

40

48

30

30

S (мм/об)

2

2

2

2

1

3

.

Исходя из таблицы 1 видно, что более целесообразно было бы работать со скоростью резания V=48м/мин, тогда стойкость была бы Т= 42,5 часа. Но при этой скорости резания не могут работать зубья из быстрорежущей стали, имеющие стандартный угол профиля и требуемую номинальную стойкость 10-12 часов. Увеличение скорости резания с 30 до 35м/мин уменьшает стойкость этих резцов в 1,7 раза, а увеличение скорости резания до 35м/мин уменьшает стойкость в 2,5 раза.

Работа по определению стойкости Т(час),V(м/мин), S(мм/об) центрального зуба из твердого сплава позволило определить численные значения коэффициентов и показателей cтепени, в результате чего получили эмпирическое уравнение стойкости в виде

Т=С· Vх / Sy (1)

где: Т – стойкость центрального зуба; C= 19· 10 – независимое переменное, определяемое условиями работы фрезы; х = 2,1 – показатель степени для скорости резания V; y = 0,6 –показатель степени для величины подачи S.

Равнопрочность центрального зуба из твердого сплава и зубьев из быстрорежущей стали, имеющих стандартный угол профиля (имеются в виду наиболее нагруженные входные зубья), может нарушаться при изменении режимов резания, марки и твердости обрабатываемого материала колеса, марки твердого сплава и марки быстрорежущей стали.

Величину стойкости центрального зуба можно изменять путем изменения высоты этого зуба при переточке (то есть путем изменения объема работы резания этого зуба). Но это целесообразно делать в условиях устоявшегося технологического процесса.


На рис.3 представлены, построены на основании таблицы 1 и формулы 1 график стойкости: S –величина подачи; Тп, Sп – скорость резания и стойкость, соответственно, соответствующие экстремуму. Фреза предназначена для получистового нарезания зубьев колес, то есть при S=2мм/об. Кривая на левой стороне графика на рис.3 показана для S=2мм/об и пунктиром показана соответствующая ей кривая в правой стороне графика. Заметим, что при S=1мм/об осуществляется чистовое нарезание, а при S=3мм/об осуществляется черновое нарезание.

ВЫВОДЫ

Зубья из быстрорежущей стали с углом профиля α0, работают только боковыми режущими лезвиями, имеют стойкость 10-12 часов. Центральный зуб из быстрорежущей стали, работающий только вершинными режущими лезвиями, имеет стойкость 5 часов, поэтому его приходится перетачивать чаще, независимо от других зубьев (это связано с простоями станка). Центральный зуб из твердого сплава, работающий только вершинными режущими лезвиями, в определенных условиях при V=30 м/мин, Т=15,8 часа имеет стойкость сопоставимую со стойкостью зубьев из быстрорежущей стали с углом профиля α0, работающие только боковыми режущими лезвиями, поэтому все зубья фрезы после затупления перетачиваются одновременно.


Библиографический список
  1. Черкашин В.П. Зуборезный инструмент для изготовления тяжелонагруженных зубчатых колес угледобывающих комбайнов// Горные машины и автоматика.-2002.- №3.-C.8-11.
  2. Горманюк Н.А., Черкашин В.П. Червячная фреза постоянной установки с раздельной схемой обработки для нарезания зубьев колес с поднутренным основанием// Вестник машиностроения.-2002.- №3.- C.55-58.
  3. Черкашин В.П. , Фрадкин Е.И. Специальные червячные фрезы для изготовления зубчатых колес с поднутренным основанием зубьев// СТИН.-2005.- №7.- C.17-18.
  4. Черкашин В.П. , Фрадкин Е.И. Исследование стойкости червячных фрез постоянной установки с протуберанцами// СТИН.-2005.- №1.- C.22-24.
  5. Патент на полезную модель 125502 РФ МПК7 В23В 27/16 Концевая фреза повышенной стойкости/Черкашин В.П., Водилов А.В. Опубликовано в бюллетене №7 2013.
  6. Черкашин В.П., Водилов А.В. Анализ неравномерности фрезерования концевой фрезой с равной стойкостью боковых и торцовых режущих лезвий с помощью компьютерного моделирования. Электронный журнал Современная техника и технологии.Июнь, 2012.
  7. Адам Я.И., Овумян Г.Г. Справочник зубореза.-М.-Машиностроение, 1964.-192 c.
  8. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов.-М.-Высшая школа, 1985.-304 c.
  9. Яковлев К.П. Математическая обработка результатов измерений.-М.-Л. Госуд. Издательство научно-технической литературы.1950. 388 c.


Все статьи автора «Водилов Андрей Валерьевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: