ТехИнфо

Технологическая   информация

Современные методы эффективной обработки зубчатых колес


В настоящее время к зубчатым передачам (редукторам, коробкам передач) предъявляются существенные требования. К этим требованиям относятся:

  • снижение стоимости;
  • снижение уровня шума;
  • снижение веса;
  • снижение габаритных размеров;
  • повышение надежности;
  • увеличение передаваемого крутящего момента и увеличение мощности привода;
  • улучшение динамических характеристик;
  • повышение коэффициента полезного действия;
  • увеличение срока службы;
  • увеличение ремонтопригодности.

    Зубчатые колеса являются основным элементом любого редуктора, поэтому большая часть требований к редукторам непосредственно относится к зубчатым колесам. Эти требования можно сформулировать следующим образом:

  • точность зубчатых колес (обеспечение кинематической точности и плавности);
  • долговечность зубчатых колес;
  • надежность зубчатых колес;
  • возможность передачи больших крутящих моментов (с учетом таких факторов, как трение, высокие нагрузки, изменение направления на грузки);
  • минимальная стоимость зубчатых колес;
  • возможность реализации дополнительных функций (на пример, наличие венцов синхронизаторов).

    Часть из этих требований должна быть реализована за счет соответствующей конструкции зубчатых колес, часть - за счет технологии изготовления. Однако технология изготовления в любом случае должна обеспечивать возможность реализации конструктивных параметров с заданной конструкторской точностью.

    В результате можно определить основные требования к производству зубчатых колес:

  • постоянное высокое качество;
  • высокая производительность;
  • высокая гибкость;
  • малые инвестиции;
  • минимальные затраты на изготовление.

    В последние десятилетия в технологии обработки цилиндрических зубчатых колес произошли существенные изменения. В результате появилась возможность в несколько раз (а в некоторых случаях и в несколько десятков раз ) повысить производительность обработки зуба цилиндрических колес.

    Упомянутые выше требования к редукторам и зубчатым колесам формируют все более жесткие требования к точности зубчатых колес.

    В рамках одной статьи невозможно рассмотреть все аспекты современной технологии обработки зубчатых колес, поэтому ограничимся рассмотрением следующих вопросов:

  • эффективность применения различных методов для фрезерования зуба зубчатых колес крупного модуля;
  • эффективность применения различных современных инструментов для зубофрезерования.

    Основными методами фрезерования зуба являются метод профильного фрезерования (метод копирования с единичным делением) и метод обкатного фрезерования. В первом случае инструментом являются дисковые модульные фрезы (реже пальцевые модульные фрезы), во втором - червячные фрезы. До начала применения метода фрезерования обкатом червячными фрезами обработка зубьев производилась только методом профильного фрезерования. В этом случае инструмент - дисковая или пальцевая модульная фреза - в сечении имеет профиль, совпадающий с профилем заданной впадины зуба. Обработка зуба производится подачей вдоль оси детали на всю длину одной впадины, после чего деталь поворачивается на угол, соответствующий угловому шагу зубьев и обрабатывается следующая впадина. Этот процесс повторяется столько раз, сколько зубьев надо обработать. Необходимость поворачивать («делить») деталь на угловой шаг при обработке следующего зуба обуславливает другое название этого метода - метод единичного деления (Рис. 1).

    Метод профильного фрезерования зубьев с единичным делением

    Рис. 1. Метод профильного фрезерования зубьев с единичным делением

    При обкатном фрезеровании обеспечивается непрерывная кинематическая связь между столом станка, на котором закреплена обрабатываемая деталь, и шпинделем, на котором закреплена червячная фреза. Зуб фрезы имеет профиль прямобочной рейки. В результате эвольвентный профиль зуба детали формируется огибающими прямыми, которые образуются при различных угловых положениях профиля зуба фрезы ( Рис. 2).


    Фрезерование зубьев методом обката


    Рис. 2. Фрезерование зубьев методом обката

    На отечественных предприятиях до сегодняшнего дня применяются классические конструкции зубофрезерного инструмента. К этим конструкциям для дисковых модульных фрез относятся: цельные быстрорежущие фрезы , напайные быстрорежущие фрезы , сборные быстрорежущие фрезы , напайные (сборные) твердосплавные фрезы и сборные твердосплавные фрезы ( Рис. 3).

    Конструкции традиционных модульных дисковых фрез

    Рис. 3. Конструкции традиционных модульных дисковых фрез

    Необходимо отметить, что современная технология обработки предполагает совершенно другие конструкции фрез. Практически повсеместно в технологически развитых странах при реализации современной технологии профильного фрезерования зуба применяются фрезы со сменными многогранными пластинами.

    Принцип применения модульных фрез подразумевает, что профиль фрезы полностью соответствует профилю зуба обрабатываемой детали. Однако, если применяются раздельно фрезы для черновой и чистовой обработки, то профиль черновых фрез не обязательно должен полностью соответствовать профилю зуба детали с соответствующим припуском. Черновые фрезы могут прорезать предварительный прямобочный (неэвольвентный) профиль, могут формировать фаску на головке зуба, могут приближенно формировать эвольвентный профиль и могут формировать зуб с подрезанием (фреза с протуберанцем) для исключения обработки дна впадины при последующей чистовой обработке.

    Для больших модулей боковая поверхность зуба фрезы формируется несколькими режущими пластинами (Рис. 4)

    Типовая конструкция черновой дисковой фрезы

    Рис. 4. Типовая конструкция черновой дисковой фрезы

    Твердосплавная пластина чистовой фрезы имеет эвольвентный профиль, полностью соответствующий профилю обрабатываемого зуба. При необходимости чистовая фреза также может формировать фаску на головке зуба детали (Рис. 5).

    Чистовая дисковая модульная фреза с пластинами для снятия фаски

    Рис. 5. Чистовая дисковая модульная фреза с пластинами для снятия фаски

    Фрезы со сменными пластинами имеют более высокую экономическую эффективность по сравнению с фрезами с напайными пластинами благодаря следующим факторам:

  • нет необходимости перетачивать ножи с напайными пластинами, в результате исключаются затраты на переточку;
  • в конструкции фрезы отсутствуют ножи, поэтому конструкция становится проще и дешевле;
  • сменные пластины крепятся механическим способом, поэтому отсутствует необходимость пайки пластин и последующей перепайки по окончании периода стойкости.

    Сменные пластины могут иметь износостойкое покрытие, что позволяет существенно увеличить скорость резания при обработке и повысить производительность при одновременном повышении стойкости. Возможности нанесения покрытия на напайные пластины ограничены из-за напайного соединения, свойства которого могут измениться при нагревании до температуры нанесения покрытия.

    Хотя метод профильного фрезерования является достаточно производительным, можно увеличить эффективность применения инструмента за счет одновременной обработки двух или трех впадин зубьев. Для этого применяются дуплексные (тандемные) и триплексные дисковые модульные фрезы. Дуплексные фрезы позволяют обрабатывать одновременно две впадины зубьев, триплексные фрезы обрабатывают одновременно три впадины (Рис. 6).


    Принцип работы дуплексных и триплексных дисковых фрез


    Рис. 6. Принцип работы дуплексных и триплексных дисковых фрез

    Дисковые модульные фрезы со сменные твердосплавными пластинами работают на скоростях резания до 170 м/мин (в зависимости от модуля и прочности материала обрабатываемой детали) и подачах до 0,7 мм/зуб.

    Основным инструментом применяемым для зубообработки в отечественном машиностроении является быстрорежущая червячная фреза из обычной быстрорежущей стали (типа Р6М5), как правило, без износостойкого покрытия (Рис. 7 а). Применяются также сборные фрезы, состоящие из корпуса, выполненного из конструкционной стали, и поворотных быстрорежущих реек (Рис. 7 б).

    Конструкции традиционных червячных фрез

    Рис. 7. Конструкции традиционных червячных фрез

    Современная технология, соответствующая мировому уровню, также подразумевает в качестве основного инструмента цельную червячную фрезу, но изготовленную из порошковой быстрорежущей стали и, обязательно, с современным износостойким покрытием.

    Порошковая быстрорежущая сталь обладает более высокой твердостью и, одновременно, более высокой вязкостью, чем обычная быстрорежущая сталь. Это объясняется самой структурой материала - порошковая быстрорежущая сталь состоит из мелких равномерно распределенных карбидов, поэтому не имеет карбидной неоднородности и, практически, свободна от примесей и включений. В результате, червячная фреза из порошковой быстрорежущей стали с соответствующим износостойким покрытием может обрабатывать зубчатые колеса на скорости резания до 180 м/мин. Это обеспечивает как минимум двукратный рост производительности. За счет более высокой прочности порошковой быстрорежущей стали возможно также существенное увеличение подачи. Таким образом, применение современных инструментальных материалов позволяет реализовать принципиально новую технологию фрезерования зубчатых колес методом обката.

    Одновременно с изменением инструментального материала и применением износостойкого покрытия меняется и конструкция современных червячных фрез. Для сокращения основного времени применяются фрезы с наименьшим возможным наружным диаметром. Применение инструментальных материалов высокой прочности позволяет существенно увеличить число стружечных канавок, что, в свою очередь, повышает производительность. Современная технология изготовления червячных фрез обеспечивает очень высокую их точность, что позволяет применять многозаходные фрезы без опасения потери точности обработки.

    Более высокой точности обработки можно добиться применением червячных фрез с хвостовиками вместо фрез с посадочным отверстием. Современные зубофрезерные станки с ЧПУ имеют широкие возможности по реализации осевой передвижки фрезы в процессе обработки. Это приводит к значительному увеличению периода стойкости фрезы. Для полноценной реализации этой возможности современные фрезы имеют увеличенную по сравнению с традиционными фрезами длину рабочей части.

    В последнее время активно внедряются новые конструкции червячных фрез для обработки зубчатых колес большого модуля. К этим фрезам относятся: фрезы с прогрессивной схемой обработки и червячные фрезы со сменными многогранными пластинами (Рис. 8).

    Современные червячные фрезы для обработки колес с крупным модулем

    Рис. 8. Современные червячные фрезы для обработки колес с крупным модулем

    Рассмотрим вопрос выбора оптимальной технологии обработки зуба деталей с зубчатым венцом крупного модуля. Принимая во внимание имеющие место вопросы точности обработки модульными фрезами, область их применения в общем виде определяется следующим образом:

  • для предварительного фрезерования деталей с большим шагом (модулем), которые потом окончательно обрабатываются методом обката червячными фрезами;
  • для обработки деталей с очень большим шагом (модулем) в тех случаях, когда возможности станка ( по рабочей зоне или силовым характеристикам) не позволяют применить фрезерование обкатом и если допуски на обработанную деталь не слишком узкие;
  • для обработки червяков с малым числом зубьев и малым углом подъёма;
  • для обработки профилей, которые не образуются движением обката;
  • для обработки колес с широкими допусками, когда требуется обработать небольшое количество деталей и нет подходящей червячной фрезы, и если заказывать её слишком дорого или долго.

    К преимуществам червячных фрез надо отнести:

  • отсутствие необходимости точного позиционирования фрезы относительно детали - червячная фреза формирует эвольвенту при любом межосевом расстоянии (с учетом коэффициента смещения), боковое смещение фрезы не влияет на точность обработки;
  • одной червячной фрезой определенного модуля могут быть обработаны детали данного профиля практически с любым числом зубьев (для дисковых фрез профиль чистовой фрезы определяется под конкретную деталь);
  • червячная фреза нагревает заготовку по всей периферии равномерно, местный нагрев и связанные с ним деформации отсутствуют
  • при применении фрезы со сменными пластинами число режущих кромок существенно больше, чем у дисковых фрез, что повышает стойкость инструмента;
  • поскольку при применении червячной фрезы в резании одновременно находится больше режущих кромок, динамическая нагрузка на деталь меньше, чем при применении дисковой фрезы.

    К недостаткам применения червячных фрез при обработке зубчатых колес крупного модуля относятся:

  • при обработке деталей с небольшим числом зубьев время обработки червячной фрезой больше, чем время обработки дисковой фрезой;
  • червячными фрезами можно обработать только такие профили, которые можно получить методом обката;
  • червячные фрезы практически не применяются для обработки внутренних зубьев (исключительно специальные фрезы, отсутствие возможности передвижки);
  • червячные фрезы практически не могут быть применены для обработки зубчатых колес большого диаметра (примерно свыше 4000 мм), поскольку для обеспечения необходимой длины контакта требуется червячная фреза с рабочей длиной, превышающей возможности установки на станок (более 600 мм).

    Основным критерием выбора того или иного метода обработки является экономическая эффективность. В данном случае (как впрочем, практически всегда при оценке эффективности обработки резанием) она определяется временем обработки (и связанной с ним стоимостью) и стоимостью инструмента.

    Сравним время обработки одной и той же детали методами профильного и обкатного шлифования.

    В качестве примера возьмем деталь горного комбайна УКД. Шестерня с наружным диаметром 225 мм имеет прямозубый зубчатый венец модулем 12 мм с 16 зубьями. Расчет времени обработки четырьмя различными методами представлен на Рис. 9.


    Время обработки шестерни m12 z16


    Рис. 9. Время обработки шестерни m12 z16

    Как видно из расчета, минимальное время обработки обеспечивается при применении дисковой модульной фрезы с твердосплавными пластинами. Метод обкатного фрезерования в этом случае проигрывает по производительности. Из трех вариантов инструмента для обкатного фрезерования наиболее «быстрой » является быстрорежущая фреза с прогрессивной схемой резания. В данном случае это объясняется возможностью увеличения подачи за счет большего числа стружечных канавок, что уменьшает эффект от увеличения скорости резания при применении червячных фрез с пластинами из твердого сплава.

    Рассчитаем для данного примера стоимость обработки. Составляющая стоимости обработки, определяемая временем обработки, определяется как время обработки (см. Рис. 10), умноженное на стоимость станкочаса (для данного случая принято 50 евро/час).

    Стоимость инструмента на деталь для инструмента со сменными пластинами состоит из стоимости пластин и стоимости корпуса инструмента, отнесенных к одной детали. Исходными данными для расчета являются период стойкости пластин и период стойкости корпуса. Исходя из заданного периода стойкости кромки пластины (обычно определяется длиной резания в метрах) и, рассчитав длину резания при обработке детали, можно определить период стойкости кромки в деталях. Разделив стоимость пластины на число кромок и на период стойкости кромки в деталях, получаем стоимость одной пластины на деталь. Умножив полученную величину на количество установленных на фрезе пластин, получаем суммарную стоимость пластин на деталь. Зная эту величину и зная расчетный период стойкости корпуса (задаваемый как число переустановок пластин) можно определить период стойкости корпуса в деталях. Разделив стоимость корпуса на эту величину, получаем стоимость корпуса на одну деталь. Для цельных быстрорежущих фрез стоимость инструмента на деталь определяется периодом стойкости фрезы между переточками, возможным количеством переточек (определяется конструкцией фрезы и зависит от полезной длины зуба фрезы) и стоимостью восстановления фрезы после окончания каждого периода стойкости (восстановление включает в себя, как правило, переточку и нанесение нового износостойкого покрытия).

    Зная период стойкости в деталях и число периодов стойкости фрезы можно рассчитать полный период стойкости фрезы, выраженный в количестве обработанных деталей. Для определения суммарной стоимости восстановления умножаем стоимость одного восстановления (эти данные предоставляет специализированное подразделение, выполняющее эти работы) на количество восстановлений (число периодов стойкости минус один). Разделив стоимость фрезы с восстановлением на количество деталей, обработанных за полный период стойкости, получаем стоимость фрезы на одну деталь.

    Полученные для рассматриваемого примера результаты представлены на Рис. 10.


    Стоимость обработки шестерни m12 z16


    Рис. 10. Стоимость обработки шестерни m12 z16

    Как видно из приведенных диаграмм, общая картина не изменилась. Самым эффективным методом обработки является профильное фрезерование дисковой модульной фрезой со сменными многогранными пластинами.

    Такая картина получается практически всегда при обработке зубчатых венцов с малым количеством зубьев. В этом случае действует два фактора:
    1. При профильном фрезерование доля вспомогательного времени на позиционирование фрезы и деление на следующий зуб не оказывает существенного влияния на оперативное время.
    2. При фрезеровании обкатом из-за малого числа зубьев детали необходимо уменьшать подачу на оборот детали для обеспечения допустимой нагрузки на зуб фрезы (толщины стружки на головке зуба).

    При увеличении числа зубьев картина меняется. Рассмотрим в качестве примера зубчатое колесо такого же модуля 12 мм, но с 190 зубьями. Результаты по времени и стоимости обработки представлены на Рис. 11 и 12.


    Время обработки шестерни m12 z190


    Рис. 11. Время обработки шестерни m12 z190


    Стоимость обработки шестерни m12 z190


    Рис. 12. Стоимость обработки шестерни m12 z190

    Как видно из приведенных результатов, профильное фрезерование больше не является самым производительным и самым эффективным методом обработки. Наибольшую производительность обеспечивает червячная фреза со сменными многогранными твердосплавными пластинами. По стоимости обработки наиболее выигрышным является применение быстрорежущей фрезы с прогрессивной схемой резания. При определенной оптимизации фрезы и твердого сплава возможно повышение стойкости твердосплавных пластин и тогда этот метод может быть и самым экономичным.

    Приведенные примеры показывают, что дисковые модульные фрезы со сменными твердосплавными пластинами являются более эффективными при обработке деталей с малым числом зубьев.

    Большинство изготовителей данного инструмента определяют границу эффективного применения этого метода относительно червячных фрез в районе 35 .. .40 зубьев детали. При обработке зубчатых колес с числом зубьев больше указанного начинает существенно сказываться доля вспомогательного времени при профильном фрезеровании, в то время как становится возможным увеличение подачи на оборот детали при обкатном фрезеровании.

    Необходимо отметить, что данная граница достаточна условна и при выборе метода обработки в каждом конкретном случае необходимо провести детальный расчет.