Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС ШЕВИНГОВАНИЕМ-ПРИКАТЫВАНИЕМ

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к обработке круговых и арочных зубьев цилиндрических зубчатых колес.

Известен способ обработки цилиндрических зубчатых колес шевингованием-прикатыванием, включающий свободный обкат шевера-прикатника, имеющего режущие кромки, смещенные по винтовой поверхности, и обрабатываемого колеса, установленных на параллельных осях, при этом зацепление шевера-прикатника с обрабатываемой колесом выполняют внеполосным, а обработку ведут с периодической радиальной подачей после каждого из 2-4 рабочих циклов, включающих поворот шевера-прикатника в прямом и обратном направлениях на количество оборотов, равное числу зубьев обрабатываемого колеса, и без радиальной подачи в течение1-2 циклов выхаживания, включающих поворот шевера-прикатника в прямом и обратном направлениях на количество оборотов, равное числу зубьев обрабатываемого колеса, при этом используют шевер-прикатник, число зубьев которого не имеет общих множителей с числом зубьев обрабатываемого колеса кроме единицы [патент РФ №2224624, МПК⁷ B23F 19/06, бюл. №6, 2004].

Недостатком способа является ограничение минимального числа зубьев обрабатываемой заготовки. Это объясняется тем, что при малых числах зубьев заготовки невозможно обеспечить требуемое условие внеполюсного зацепления между инструментом и заготовкой, из-за заострения зубьев инструмента.

Известен способ обработки цилиндрических зубчатых колес шевингованием-прикатыванием, включающий свободный обкат инструмента, имеющего режущие кромки, смещенные по винтовой поверхности, и обрабатываемого колеса, при этом зацепление инструмента с обрабатываемой колесом выполняют внеполосным, а обработку ведут с периодической радиальной подачей после каждого из 2-4 рабочих циклов, включающих поворот инструмента в прямом и обратном направлениях на количество оборотов, равное числу зубьев обрабатываемого колеса, и без радиальной подачи в течение 1-2 циклов выхаживания, включающих поворот инструмента в прямом и обратном направлениях на количество оборотов, равное числу зубьев обрабатываемого колеса, при этом используют инструмент, число зубьев которого не имеет общих множителей с числом зубьев обрабатываемого колеса кроме единицы, инструмент и заготовку-колесо устанавливают на пересекающихся под углом 90° осях, обработку производят инструментом, линия зубьев которого имеет круговую или арочную форму, а режущие кромки круговых или арочных зубьев инструмента расположены на плоском производящем колесе.

Недостатком способа является ухудшение геометрических параметров зубьев обрабатываемого колеса из-за органических погрешностей, присущих ортогональной смешанной конической передаче, образуемой в процессе зубообработки парой «инструмент-заготовка», таких как переменный модуль по длине зуба, асимметрия линии зуба. Это, в частности, накладывает существенные ограничения на ширину зубчатого венца обрабатываемого колеса и делает способ пригодным только для обработки узковенцовых колес, что заужает технологические возможности способа.

Другим недостатком способа является ухудшение точности и качества обработки вследствие тяжелых условий протекания процесса резания и сопровождение его значительным пластическим деформированием.

Задачи изобретения - расширение технологических возможностей способа обработки цилиндрических зубчатых колес шевингованием-прикатыванием, за счет создания возможности обработки колес с широкими венцами, уменьшения геометрических погрешностей зубьев обрабатываемых колес, таких как колебание модуля по длине зуба инструмента, асимметрии линии зуба; повышение точности и качества обработки за счет улучшения условий протекания процесса резания и уменьшения доли пластического деформирования в процессе чистовой обработки цилиндрических зубчатых колес.

Поставленные задачи решаются за счет того, что обработка осуществляется шевингованием-прикатыванием, включающим свободный обкат инструмента, имеющего режущие кромки, смещенные по винтовой поверхности, и обрабатываемого колеса, при этом зацепление инструмента с обрабатываемой колесом выполняют внеполосным, а обработку ведут с периодической радиальной подачей после каждого из 2-4 рабочих циклов, включающих поворот инструмента в прямом и обратном направлениях на количество оборотов, равное числу зубьев обрабатываемого колеса, и без радиальной подачи в течение 1-2 циклов выхаживания, включающих поворот инструмента в прямом и обратном направлениях на количество оборотов, равное числу зубьев обрабатываемого колеса, при этом используют инструмент, число зубьев которого не имеет общих множителей с числом зубьев обрабатываемого колеса кроме единицы, инструмент и заготовку-колесо устанавливают на пересекающихся под углом 90° осях, обработку производят инструментом, линия зубьев которого имеет круговую или арочную форму, а режущие кромки круговых или арочных зубьев инструмента расположены на плоском производящем колесе, причем, обработку осуществляют двумя инструментами, установленными друг напротив друга в параллельных плоскостях, центры инструментов лежат на одной линии так, что каждый из инструментов симметрично повернут на угол β относительно плоскости продольного осевого сечения обрабатываемого колеса, перпендикулярной плоскостям, в которых установлены инструменты, и расположены на равном удалении от точки P, расположенной на пересечении плоскостей симметрии обрабатываемого колеса и являющейся касательной к проекциям окружностей, лежащих в серединах ширин рабочих венцов инструментов на плоскость продольного осевого сечения обрабатываемого колеса, параллельную плоскостям, в которых установлены инструменты, а центры окружностей, определяющих форму выпуклых и вогнутых сторон круговых или арочных зубьев инструментов, лежат на линиях, находящихся в поперечной плоскости симметрии обрабатываемого колеса и имеющих для одного инструмента - левый наклон к линии, касательной к окружности, лежащей в середине ширины рабочего венца инструмента, под углом β=3…15°, при правозаходной стружечной канавке, а для другого - правый наклон под тем же углом при левозаходной стружечной канавке.

На фиг.1 изображен общий вид (в плане) схемы установки инструмента и обрабатываемой заготовки для осуществления способа обработки цилиндрических зубчатых колес шевингованием-прикатыванием. На фиг.2 - схема способа обработки цилиндрических зубчатых колес шевингованием-прикатыванием (вид слева). На фиг.3 - увеличенный фрагмент сечения зубчатого венца инструмента для осуществления способа обработки цилиндрических зубчатых колес шевингованием-прикатыванием.

Инструменты 1 и 2, выполненные в виде плоских производящих колес, устанавливают друг напротив друга в параллельных плоскостях на цилиндрические оправки и закрепляют на них. При этом центры C₁ и C₂ инструментов 1 и 2 должны лежать на одной линии так, что каждый из инструментов симметрично повернут на угол β относительно плоскости продольного осевого сечения обрабатываемого колеса 3, перпендикулярной плоскостям, в которых установлены инструменты. Центры C₁ и С₂ инструментов 1 и 2 находятся на равном удалении от точки P, расположенной на пересечении плоскостей симметрии обрабатываемого колеса 3 и являющейся касательной к проекциям окружностей O_C1 и О_С2, лежащих в серединах ширин S рабочих венцов инструментов 1 и 2 на плоскость продольного осевого сечения обрабатываемого колеса 3, параллельную плоскостям, в которых установлены инструменты 1 и 2. Инструменты 1 и 2, предназначенные для осуществления способа обработки цилиндрических зубчатых колес шевингованием-прикатыванием, представляют собой плоские производящие колеса, линиями зубьев которых являются дуги окружностей. Для каждого инструмента центры O_e и O_i этих окружностей R_0e и R_0i, определяющих форму выпуклой и вогнутой сторон их зубьев, находятся не на линиях, касательных к окружностям, лежащих в серединах ширин S рабочих венцов инструментов, как в ближайшем аналоге, а на линиях, находящихся в поперечной плоскости симметрии обрабатываемого колеса и имеющих для одного инструмента (инструмент 2) - левый наклон к линии, касательной к окружности, лежащей в середине ширины рабочего венца инструмента, под углом β=3…15°, при правозаходной стружечной канавке, а для другого (инструмент 1) - правый наклон под тем же углом при левозаходной стружечной канавке. Это необходимо для создания на передних поверхностях режущих зубьев инструментов 1 и 2 положительных передних углов γ. Которые, в свою очередь, образуются за счет разворота на углы β передних поверхностей 4 режущих зубьев 5 инструментов 1 и 2 по отношению к боковым поверхностям зубьев обрабатываемого колеса. Парное использование указанных инструментов для осуществления способа обработки цилиндрических зубчатых колес шевингованием-прикатыванием, при котором процессы формообразования противоположных (левых и правых) сторон круговых или арочных зубьев обрабатываемого колеса протекают в одинаковых условиях, позволяет расширить технологические возможности способа, за счет его использования для обработки колес с широкими венцами, добиться существенного уменьшения геометрических погрешностей зубьев обрабатываемых колес, таких как колебание модуля по длине зуба инструмента, асимметрии линии зуба.

Способ обработки цилиндрических зубчатых колес шевингованием-прикатыванием пригоден для обработки колес с предварительно формообразованными высокопроизводительными методами (литья, пластического деформирования, механической обработки и др.) зубьями. Согласно способу инструменты 1 и 2 устанавливают на цилиндрические оправки, так чтобы каждый из инструментов был симметрично повернут на угол β относительно плоскости продольного осевого сечения обрабатываемого колеса, и закрепляют на них. Это необходимо для создания на режущих зубьях инструментов 1 и 2 положительных передних углов γ и обеспечения корректной формы и симметричности линии (дуги окружности) зуба обрабатываемого колеса 3. При этом, за счет улучшения геометрических параметров режущих зубьев инструмента, происходит улучшение процесса резания, уменьшение доли пластического деформирования в процессе чистовой обработки цилиндрических зубчатых колес и, как следствие, повышение точности и качества обработки. Обрабатываемое колесо 3 устанавливают на цилиндрическую оправку и жестко закрепляют на ней, затем вводят в плотное (беззазорное по боковым сторонам) зацепление с инструментами 1 и 2.

После чего обрабатываемой заготовке 3 сообщают вращательное движение - движение обката в прямом и обратном направлениях с угловой скоростью ω. При этом инструменты 1 и 2 вращаются со скоростью ω₀. Указанное движение является рабочим потому, что при нем осуществляют срезание тонких слоев стружки и выглаживание боковых поверхностей зубьев обрабатываемого колеса 3 за счет профильного скольжения режущих кромок РК зубьев 5 инструментов 1 и 2 по боковым поверхностям зубьев заготовки-колеса 3. Обработка боковых поверхностей зубьев колеса 3 по всей их длине обеспечивается при соблюдении двух условий: во-первых, наличие режущих кромок РК, смещенных на соседних зубьях инструментов 1 и 2 друг относительно друга, образованных в результате пересечения боковых поверхностей их зубьев 5 с винтовыми поверхностями стружечной канавки СК; во-вторых, отсутствие общих множителей чисел зубьев инструментов 1 и 2 и обрабатываемого колеса 3. Формообразование боковых поверхностей зубьев обрабатываемого колеса 3 совершается за количество его оборотов, равное числу зубьев инструментов 1 и 2. Далее производят синхронное для обоих инструментов прерывистое движение подачи врезания S_вр - сближение пересекающихся под углом 90° осей инструментов 1 и 2 и обрабатываемого колеса 3, с прерывистой подачей S_пр на величину 0,03…0,05 мм. Так завершают один рабочий цикл. За полный цикл обработки, для удаления всего припуска с боковых поверхностей зубьев обрабатываемого колеса 3 необходимо осуществить от двух до четырех рабочих циклов. При достижении номинальных межосевых расстояний a_w подачи врезания S_пр прекращают. Для улучшения качества обработки, после окончания рабочих циклов, осуществляют выхаживание - вращение обрабатываемой заготовки 3, находящейся в зацеплении с инструментами 1 и 2 в прямом и обратном направлениях на номинальных межосевых расстояниях a_W и на пересекающихся под углом 90° осях.

Для обеспечения высоких параметров производительности и качества обработки числа зубьев инструментов 1 и 2 должны иметь наибольшее возможное значение, а также определяться рациональными размерами его внешнего диаметра d₀. Диаметр начальной окружности заготовки колеса выбирают таким, чтобы он находился за пределами его активного участка профиля, то есть обеспечивалось предполюсное или заполюсное зацепление. В этом случае на всем рабочем участке профиля зубьев будут отсутствовать точки, на которых скорость скольжения равна нулю.

Предлагаемый способ был реализован при обработке цилиндрического зубчатого колеса с круговыми зубьями, выполненного из стали 20Х ГОСТ 4543-71, имеющего следующие основные параметры: модуль m=2 мм, число зубьев z=11, коэффициент смещения исходного контура χ=0, номинальный радиус кривизны арки зуба R₀₁=20 мм, ширина венца b=10 мм. Предварительное формообразование зубьев заготовки-колеса осуществлялось одной резцовой головкой. Окончательная обработка велась инструментами со следующими параметрами: модуль m₀=2 мм, число зубьев z₀=51, коэффициент смещения исходного контура χ₀=1,909 мм. Режимы обработки: снимаемый припуск, определяемый по развертке начального цилиндра в среднем сечении зуба - 0,12 мм, частота вращения обрабатываемого колеса n=800 мин^-1, подача врезания 0,03 мм на рабочий цикл, количество рабочих циклов - 4, количество циклов выхаживания - 2. Колеса, обработанные по предлагаемому способу, по сравнению с колесами, обработанными по способу, описанному в ближайшем аналоге (прототипе), показали: улучшение комплексного показателя - пятна контакта с 45…50% до 65…75%, отсутствие асимметрии расположения пятна контакта вдоль линии зуба, уменьшение шума и вибраций собранной передачи, состоящей из идентичных зубьев на 4 дБ. Это свидетельствует, что при обработке заявленным способом наблюдается улучшение геометрических параметров зубьев обрабатываемого колеса, существенное уменьшение погрешностей обработки, таких как переменный модуль по длине зуба, асимметрия линии зуба, что в свою очередь снимает существенные ограничения на ширину зубчатого венца обрабатываемого колеса и делает способ пригодным для обработки широковенцовых колес, что расширяет технологические возможности способа.

Пример 1. Окончательная обработка велась по предлагаемому способу инструментами, рассчитанными на угол поворота β=2°, с режимами, описанными выше.

Установлено, что при β<3° значимого улучшения условий протекания процесса резания и уменьшения доли пластического деформирования в процессе обработки цилиндрических зубчатых колес шевингованием-прикатыванием не наблюдается. При этом улучшение точности и качества обработки не достигается.

Пример 2. Окончательная обработка велась по предлагаемому способу инструментами, рассчитанными на угол поворота β=9°, с идентичными режимами.

Установлено, что при β=3…15° наблюдается существенное улучшение условий протекания процесса резания, его стабилизация, уменьшение доли пластического деформирования в процессе чистовой обработки цилиндрических зубчатых колес. При этом достигается улучшение точности и качества обработки.

Пример 3. Окончательная обработка велась по предлагаемому способу инструментами, рассчитанными на угол поворота β=17°, с идентичными режимами.

Установлено, что при β>15° наблюдается интенсивное увеличение нагрузки на режущие кромки зубьев инструмента, что приводит к образованию сколов на них, и, как следствие, ухудшения условий протекания процесса резания и увеличения доли пластического деформирования в процессе чистовой обработки цилиндрических зубчатых колес. При этом наблюдается ухудшение точности и качества обработки.

Проведенные испытания подтвердили высокую точность и качество обработки цилиндрических колес с круговыми зубьями заявленным инструментом.

Представленные данные свидетельствуют о расширении технологических возможностей обработки цилиндрических зубчатых колес с круговой или арочной формой зуба, а также повышении точности и качества обработки при высокой производительности и исправляющей способности предлагаемого способа.