Глава XIII

ЗУБОНАРЕЗАНИЕ

§ 1. Общие сведения

В приборостроении применяются различные зубчатые колеса: цилиндрические, конические, червячные, внутреннего зацепления, зубчатые рейки, некруглые колеса. Наиболее распространены цилиндрические зубчатые колеса внешнего зацепления, которые, можно разделить на следующие типы: колеса, валики, колеса, втулки, колеса-диски, колеса-блоки, колеса-сектора.

Степени точности изготовления зубчатых колес. Для оценки точности изготовления цилиндрических зубчатых колес, имеющих 1 модули от 1 до 50 мм и диаметры делительных окружностей до 5000 мм, ГОСТ 1643—56 устанавливает 12 степеней точности, обозначаемых в порядке убывания точности цифрами 1, 2, . . ., 12.

Для каждой степени точности устанавливаются: нормы кинематической точности, нормы плавности работы колеса, нормы контакта зубьев. На чертеже зубчатого колеса для обозначения заданной точности его изготовления указывается первой цифрой степень кинематической точности, второй — степень плавности,, третьей — степень контакта. В том случае, если колесо по всем нормам должно быть выполнено по одной степени точности, проставляется одна цифра.

Независимо от степени точности зубчатого колеса и передачи, устанавливается вид сопряжения, т. е. величина наименьшего i гарантированного бокового зазора и нормы точности бокового зазора.

Обозначения для сопряжения:

с нормальным боковым зазором X

» нулевым » » С

» пониженным » » Д

» повышенным » » Ш

Примеры обозначения точности:

Ст. 8-7-7-Ш ГОСТ 1643—56

Ст. 7-Х ГОСТ 1643—56

Нормы точности устанавливают величины допустимых откло­нений и допусков или для размеров зубчатого колеса, или для какого-либо комплексного показателя точности, получаемого; путем определенного, устанавливаемого стандартом, способа измерения.

Нормы кинематической точности служат для ограничения отклонений мгновенного передаточного отношения от номиналь­ного и ограничивают погрешности соответствующих показателей, определяемых в пределах одного оборота колеса.

Нормы плавности служат также для ограничения отклонений мгновенного передаточного отношения от номинального, но от­носятся к показателям, определяемым в пределах поворота колеса на один зуб.

Нормы контакта служат для ограничения неполноты приле­гания зубьев двух сопрягаемых колес по линии контакта, т. е. по прилегающим образующим боковых поверхностей зубьев. ГОСТ 1643—56 устанавливает соответствующие показатели для каждой из этих норм.

§ 2. Способы изготовления цилиндрических зубчатых колес

Технологические процессы изготовления зубчатых колес раз­личных типов можно разделить на две группы. К первой группе относятся процессы, основанные на применении обработки без снятия стружки, при которых получение зубчатого венца неот­делимо от процесса получения зубчатых колес в целом (например, литье под давлением). Ко второй группе относятся процессы, при которых получение зубчатого венца выделяется в самостоя­тельную операцию. В отдельных случаях могут применяться комбинированные технологические процессы: зубчатое колесо изготовляется с помощью какого-либо из вариантов, отнесенных к первой группе, но в целях повышения точности зубчатый венец подвергается дополнительной обработке.

Нарезание зубьев в большинстве случаев производится мето­дом обката. Метод копирования применяется при обработке зуб­чатых колес неэвольвентного профиля (например, в часовой про­мышленности), а также в практике работы ремонтных и инстру­ментальных цехов.

Сущность метода обката заключается в том, что в про­цессе нарезания зубьев заготовке (нарезаемому колесу) и инстру­менту принудительно сообщаются движения, воспроизводящие собой движения готового зубчатого колеса и находящихся с ним в зацеплении зубчатого колеса, рейки или червяка (в зависимости от того, что является инструментом: долбяк, гребенка или червяч­ная фреза).

Принцип автоматического образования эвольвентного профиля при нарезании зубчатых колес по методу обката (огибания) изобра­жен на рис. 262, на котором показано, как в результате согласо­ванных перемещений зуборезного инструмента и заготовки ко­леса постепенно формируется практически точный профиль впадины.

Предварительная (часто она же бывает окончательной) обра­ботка зубчатого венца по методу обката производится червячными фрезами (рис. 263, а), зуборезными долбяками (рис. 263, б, в). Сущность метода копирования заключается в том, что профиль инструмента соответствует профилю впадины (рис. 263, 2, д) (канавки) зубчатого колеса, причем каждая канавка нарезается индивидуально, после чего при помощи делительных механизмов заготовка поворачивается на угловой шаг.

Зубья колеса

б)

Нарезаемое зубчатое колесо

6)

Рис.262 Рис.263

Рис. 262. Образование эвольвентного профиля: а—червячной фрезой; б—зубо­резным долбяком

Рис. 263. Нарезание зубчатых колес: а, б, в —по методу обката; г, д — по методу копи­рования

Обработка зубчатого венца по методу копирования выполняется модульными дисковыми (рис. 263, г) и пальцевыми (рис. 263, д) фрезами, многорезцовыми головками (рис. 264), фасонными про­тяжками и т. д.

Накатывание зубчатых колес производится накатниками (рис. 283) по методу обката. В этом случае процесс зубообразования осуществляется без снятия стружки путем пластической де­формации заготовки.

Фрезерование зубьев червячными фрезами. Этот способ наре­зания зубчатого венца по методу обката наиболее распространен в приборостроении. Известно, что профиль зуба в эвольвентном зацеплении (рис. 265) описывается любой точкой прямой ли­нии АВ, перекатываемой по основной окружности без сколь­жения.

Одним из свойств эвольвенты является то, что при безгра­ничном увеличении радиуса основной окружности г₀ эвольвента постепенно теряет кривизну. При г₀ = ∞ эвольвента вырождается в прямую линию. Такой предельный вид зубчатого колеса назы­вается зубчатой рейкой (ЗР на рис. 265). При эвольвентном за­цеплении профиль зуба рейки, который принимается за основу при построении профиля режущего инструмента, — прямолинеен.

Рис. 264. Зубодолбежная го­ловка для нарезания прямо­зубых цилиндрических колес по методу копирования: 1 — резцы; 2 — заготовка наре­заемого колеса; пик- ско­рости рабочего и холостого хо­дов заготовки при ее возвратно-поступательном движении; s — движение подачи

Таким образом, рейкой (или червяч­ной фрезой) данного модуля и угла за­цепления можно нарезать цилиндриче­ские эвольвентные зубчатые колеса того же модуля и угла зацеп-ления с различным числом зубьев.

Однако при нарезании колес с не-. большим числом зубьев может произой­ти подрезание ножек последних. Под­резание ножек зубьев происходит в том случае, если в станочном зацеплении линия CD, определяющая конец эвольвентной (для рейки и червячной фрезы — прямолинейной) части зуба (линия на­чала скругления — линия галтели) ис­ходного контура инструмента, заходит за предельную точку N линии зацепления АВ.

Вместо правильного контура зуба (контура 1—2—3), который образуется, если точка пересечения линий АВ и CD будет нахо­диться между полюсом зацепления Р и предельной точкой N

Рис. 265. Подрезание зуба

(или в крайнем случае в N), по­лучается подрезанный зуб (кон­тур 1'— 2'— 3').

Значительное подрезание зу­ба недопустимо, так как оно уменьшает его прочность и при­водит к удалению части эволь­венты, прилежащей к основной окружности. Для нормального (некорригированного) эвольвентного зацепления подрезание ножки зуба при фрезеровании

червячной фрезой будет происходить у колес с числом зубьев меньше 17 (такие колеса называются трибами).

В приборостроении считается допустимым небольшое подрезание, наблюдаемое при нарезании трибов с числом зубьев 14 <= z <=17.

В целях устранения слишком бол ьшого подрезания при обра­ботке трибов с числом зубьев меньше 14 нужно применять корри­гированное зацепление.

Сущность высотного корригирования заключается в том, что при нарезании двух сопряженных колес инструмент получает одинаковое по величине смещение относительно осей заготовок без изменения настройки станков. Для малого колеса (триба) это смещение положительно, т. е. направлено от оси заготовки, а для большого колеса — отрицательно, т. е. направлено к оси заго­товки. Инструмент смещают на величину (14-z)/т.

При этом радиус заготовки R триба увеличивают, а колеса уменьшают для получения преж­ней стандартной высоты зуба.

Рис. 266. Схема образования цик­лоидального профиля

Сдвиг инструмента приводит к изменению пределов использования одной и той же эвольвенты и в то же время позволяет отвести линию CD у триба за предельную точку N (или уменьшить величину отрезка \т до практически допус­тимых пределов), что необходимо и достаточно для предотвращения подрезания.

Таким образом, если применяется нормальное зацепление, а число зубьев обрабатываемого триба меньше 14, то его зубья нельзя нарезать методом обката при помощи червячной фрезы.

Зубофрезерование методом обката нельзя применять также при обкатке блочных (двух- и многовенцовых) зубчатых колес, не име­ющих достаточного пространства для выхода фрезы (сказанное в равной мере относится к фрезерованию методом копирования при помощи дисковой фрезы). Такие зубчатые колеса так же, как и зубчатые колеса с внутренним зацеплением, нарезаются методом зубодолбления.

Во всех остальных случаях для нарезания зубьев цилиндри­ческих эвольвентных колес может быть использовано фрезерова­ние методом обката. Этим методом могут быть получены профили зубьев колес и в неэвольвентных зацеплениях: циклоидальных, часовых и др. Но в этом случае необходимо учитывать следующее.

Профиль зуба в циклоидальном зацеплении (рис. 266) является сложным, состоящим из двух кривых, описываемых любыми точками двух производящих окружностей 2 и 3, перекатываемых по начальной окружности 1 без скольжения соответственно снаружи и внутри ее. Точка производящей окружности 2, перекатывающейся снаружи начальной окружности У, описывает эпициклоидальный профиль М_±М₂ головки зуба, а точка другой производящей ок­ружности 3,перекатывающейся внутри начальной окружности /, описывает гипоциклоидальный профиль М_гМ₃ ножки зуба колеса (2' и 3' — конечное положение производящих окружностей).

Известно, что каждому колесу в циклоидальном зацеплении должен соответствовать вполне определенный триб (малое колесо), поскольку головка зуба колеса образовывается производящей окружностью, служащей для получения ножки зуба триба, а го­ловка триба образовывается производящей окружностью, служа­щей для получения ножки зуба колеса. И, наоборот, каждому трибу соответствует одно вполне определенное колесо.

Диаметры производящих окружностей зависят от диаметров .начальных окружностей (т. е. от числа зубьев) триба и колеса. В частности, для часового зацепления, в котором профиль ножки зуба представляет собой радиальную прямую, диаметры произ­водящих окружностей берутся равными радиусам начальных окружностей триба и колеса.

При радиусе начальной окружности г = ∞ производящие окружности будут катиться без скольжения по прямой линии и любая их точка будет описывать циклоиду. Таким образом, про­филь циклоидальной рейки, принимаемый за основу при построе­нии профиля режущего инструмента, состоит из двух циклоид.

Из вышеизложенного следует, что для нарезания зубьев ци­клоидального профиля для каждого числа зубьев необходима своя червячная фреза.

Получение зубчатого венца. На схеме для зубофрезерования (рис. 263, а) вращательное движение червячной модульной фрезы v является движением скорости резания, а поступательное движе­ние s — движением вертикальной подачи фрезы. Вращательное движение заготовки колеса v_3i согласованное кинематически с вращением фрезы, осуществляет делительное движение, послед­нее автоматически делит заготовку на требующееся число угловых частей (нарезаемых зубьев). Эта схема резания обеспечивает непрерывное нарезание всех зубьев колеса. Нарезание произво­дится на зубофрезерных станках. Фрезы применяются преимуще­ственно однозаходные.

Обычно при применении однозаходных шлифованных фрез и при тщательной выверке фрезы и заготовки, а также при надле­жащем состоянии оборудования можно обеспечить 6-ю степень (а иногда и 5-ю степень) точности. При применении однозаходных нешлифованных фрез точность обработки зуба обычно не выше 7-й степени. Шероховатость фрезерованного зуба в пределах 5—7-го классов чистоты.

Основное (машинное) время обработки зубчатого венца опреде­ляется формулой

где L — длина прохода фрезы;

s_MUH — минутная подача;

s₀ — подача на 1 оборот детали;

т_ф — число оборотов фрезы в минуту;

k — число заходов червячной фрезы;

г — число зубьев нарезаемого колеса.

Длина L слагается из ширины венца В, пути врезания у₁₉ перебега у₂ и добавки на подход фрезы у₃:

Путь врезания может быть определен из формулы

где β — угол наклона фрезы;

t — глубина резания (высота фрезеруемого зуба);

d_ф.н — наружный диаметр фрезы;

т — модуль нарезаемого колеса.

Перебег у₂ и добавка на подход фрезы у₃ также зависят от угла наклона фрезы, ее диаметра и глубины фрезерования. Для прямо­зубых колес с т ≤1 обычно принимают у₂ = 2 мм; у₉ = 0,2-0,5 мм.

Зубодолбление. Этот способ обработки применяют как для прямозубых, так и для косозубых колес. Подобно фрезерованию червячными фрезами одним долбяком можно обработать зубчатые колеса с различными числами зубьев. На схемах для зубодолбления (рис. 263, б, в) поступательно-возвратное движение зуборез­ного долбяка, обозначенное v_p и v_x, будет так же движением скорости резания; вращательное движение долбяка —движе­нием круговой подачи, поступательное s_p — движением подачи при врезании на глубину впадины зубьев колеса. Вращательное движение заготовки колеса v₃, согласованное с вращательным движением зуборезного долбяка, осуществляет делительное дви­жение. Оно так же, как и при зубофрезеровании, автоматически делит заготовку на заданное число зубьев. Кроме того, долбяку (или заготовке колеса) придается возвратно-поступательное дви­жение Δ на очень малую величину для того, чтобы отвести долбяк (или заготовку) в самом начале холостого хода долбяка и подвести его (или ее) в начале рабочего хода. Зубчатые колеса малых модулей (т < 0,5 мм) чаще всего обрабатывают за один переход. Для больших модулей применяют два, а иногда и три перехода. Шероховатость поверхности зубчатого венца, обработанного долбяком, находится в пределах 6—8-го классов чистоты.

Машинное время зубодолбления складывается из двух слагае­мых: времени формообразования зуба T_o1 и времени врезания Т₀₂, T _o1 определяется из соотношения

где m — модуль колеса;

z — число его зубьев;

п — число двойных ходов долбяка в минуту;

s_K — круговая подача в мм/дв. ход долбяка;

а — число переходов;

Т₀2 определяется из соотношения

где h — суммарная величина врезания (глубина зуба плюс добавка на плавность врезания 0,2—0,3 мм);

s_p — радиальная подача в мм/дв. ход долбяка.

Радиальная подача может быть выражена формулой

где i_M — передаточное отношение от кулачка радиальной подачи до заготовки;

а° — угол кулачка радиальной подачи, в пределах которого

происходит врезание.

Подставляя значение радиальной подачи и суммируя To1 и То2, получаем

Фрезерование зубьев дисковыми модульными зуборезными фрезами. Фрезерование дисковыми зуборезными фрезами огра­ничивается изготовлением: единичных зубчатых колес на фрезер­ных станках, снабженных делительными головками; нормальных (некорригированных) зубчатых колес с малым числом зубьев; зуб­чатых колес циклоидального профиля, когда вследствие недоста­точного количества деталей изготовление соответствующей червяч­ной фрезы было бы нецелесообразным.

Зубофрезерование ведется по методу копирования. Модульная дисковая фреза (рис. 263, г) только вращается, заготовке сооб­щают продольную подачу s. После прохода фрезой каждой канавки стол станка возвращают обратно, заготовку поворачивают на — и начинают повторный цикл работы для фрезерования следующей канавки и т. д. Для каждого модуля и угла зацепления, а также для каждого числа зубьев колеса теоретически необходимо иметь специальную фрезу. Учитывая, однако, что при небольшом изме­нении числа зубьев колеса профиль эвольвенты меняется незначи­тельно, допускается применение комплекта фрез для каждого модуля и угла зацепления. Каждая фреза в комплекте предназна­чается для нарезания определенного диапазона чисел зубьев. Существуют комплекты, состоящие из 8, 15 и 26 фрез. Каждой фрезе в наборе присваивается свой номер и указывается интервал чисел зубьев, которые можно нарезать данной фрезой. Наибольшее распространение получили комплекты, состоящие из 8 и 15 фрез. Дисковые зуборезные фрезы для косозубых колес выбирают по нормальному модулю. Номер фрезы из комплекта определяется по фиктивному числу зубьев /:

где z— число зубьев колеса;

φ_д — угол наклона зуба на делительном цилиндре. Дисковые зуборезные фрезы профилируют по наименьшему числу зубьев обслуживаемого ими диапазона. Точность фрезерова­ния дисковыми зуборезными фрезами обычно находится в пределах 8—9-й степеней. Даже при применении точно спрофилированных фрез по данному числу зубьев точность не превосходит 8-ю степень. Шероховатость поверхности находится в пределах Ra =5-0,63 мкм.

Основное (машинное) время обработки определяют по формуле

где z — число зубьев колеса;

п — число одновременно обрабатываемых заготовок;

а — число переходов;

L — длина прохода фрезы;

s_M. p — минутная подача рабочего хода;

m. х — минутная подача обратного холостого хода;

Т_д — время деления на 1 зуб.

Протягивание фасонными протяжками. Протягивание (по методу копирования) обеспечивает высокую производительность, но сравнительно небольшую точность. Этот метод применяется только для колес внутреннего зацепления и имеет весьма ограни­ченное применение.

Зубодолбление многорезцовыми головками дает возможность одновременно нарезать все зубья у прямозубых и косозубых ци­линдрических колес по методу копирования.

Принципиальная схема нарезания зубьев на колесах этим способом показана на рис. 264. Недостатком способа является сложность изготовления резцовой головки. В приборостроении зубодолбление многорезцовыми головками не применяется.