СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЗУБЬЕВ КОНИЧЕСКИХ КОЛЕС НА СТАНКЕ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОЛЕС МЕТОДОМ ОБКАТКИ Российский патент 1997 года по МПК B23F5/20 B23F9/00 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при производстве конических зубчатых колес на станке ЧПУ, предназначенном для обработки цилиндрических зубчатых колес методом обкатки.

Традиционные способы профилирования зубьев конических зубчатых колес можно осуществить с необходимым качеством на станках, предназначенных только для обработки конических зубчатых колес. При этом для каждого типа колес с прямыми или с криволинейными зубьями требуется станок определенной кинематики и конструкции. Таковым является, например способ профилирования зубьев конических зубчатых колес обкаткой производящим колесом, которое представлено люлькой станка для зубообработки конических колес.

По этому способу изделие, вращаясь вокруг своей оси, находится в зацепление с производящим колесом, один зуб которого образован инструментом, например, вращающейся зуборезной головкой. Ось инструмента в процессе профилирования поворачивается вместе с производящим колесом вокруг его оси. Кроме того, в общем случае в процессе профилирования изделие или инструмент получает поступательное движение вдоль оси производящего колеса, а при обработке криволинейных зубьев методом непрерывного деления вращение инструмента согласовывают с вращением изделия.

В известных работах рассматриваются способы обработки криволинейных зубьев конических зубчатых колес, когда изделие, вращаясь вокруг своей оси, находится в зацепление с производящим колесом, один зуб которого образован резцовой головкой, которая перемещается относительно изделия по трем взаимно ортогональным осям, направления которых не меняются в процессе обкатки. Кроме того в процессе обработки ось изделия получает дополнительный поворот. Данный способ нарезания также можно осуществить только на станках для обработки конических колес. Эти станки не предназначены для обработки зубьев цилиндрических или червячных колес, и их конструкция не позволяет обрабатывать указанные зубья.

Таким образом, использование известных способов, не дает возможности иметь многоцелевой станок, на котором можно было бы обрабатывать все основные виды зубчатых колес: цилиндрические, червячные, конические с криволинейными и прямыми зубьями.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ профилирования прямых зубьев конических зубчатых колес на зубофрезерном станке для нарезания цилиндрических колес червячной фрезой [5]
По этому способу в процессе профилирования изделию придают вращение вокруг своей оси, инструменту, вращающемуся вокруг своей оси, образующей угол с осью изделия, придают согласованное с изделием поступательное движение вдоль оси изделия, а изделию согласованное со своим вращением поступательное движение вдоль оси, перпендикулярной осям инструмента и изделия. Очевидно, что сущность способа не изменится, если поступательное движение вдоль оси, перпендикулярной осям изделия и инструмента, передать инструменту.

Недостатком этого способа является низкое качество обрабатываемых зубчатых колес, так как при реальных соотношениях скоростей движений инструмента и изделия поверхность зубьев получается волнистой. При контакте поверхностей зубьев шестерни и колеса волнистость их поверхностей приводит к нарушению условий жидкостного трения и к увеличению контактных напряжений. Способ не обеспечивает правильное зацепление нарезанных конических колес с коническими колесами, обработанными способом обкатки производящим колесом на традиционных зубообрабатывающих станках для конических колес. Кроме того данный способ служит только для обработки прямых зубьев конических колес и не позволяет обрабатывать криволинейные зубья.

Целью изобретения является улучшение качества при обработке прямых зубьев и расширение технологических возможностей способа, позволяющих использовать для профилирования прямых и криволинейных зубьев конических колес оборудование для обработки цилиндрических колес методом обкатки, причем так, чтобы воспроизвести то же движение инструмента относительно заготовки, которое имеет место в процессе обработки зубьев конических колес обкаткой производящим колесом на традиционных станках для обработки зубьев конических колес.

Процесс обработки зубьев конических колес обкаткой производящим колесом на традиционном станке для обработки зубьев конических далее называем исходным.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе обработке зубьев конических колес на станке для обработки цилиндрических колес методом обкатки, при котором изделия придают вращение вокруг своей оси, инструменту, вращающемуся вокруг своей оси, образующей угол с осью изделия, сообщают вращение и согласованные с вращением изделия поступательные перемещения относительно изделия вдоль оси изделия и вдоль оси, перпендикулярной осям изделия и инструмента, согласно изобретению в качестве инструмента при обработке криволинейных и прямых зубьев используют соответственно торцовую зуборезные головки и инструменту придают относительно изделия согласованное с вращением изделия поступательное перемещение У вдоль своей оси по выражению:

Кроме того для обработки прямых зубьев и в некоторых случаях криволинейных зубьев конических колес, А угол между осью инструмента и осью изделия изменяется согласовано с вращением изделия по соотношению:

При обработке криволинейных зубьев конических колес, которые в исходном процессе (процессе обработки на традиционном станке) обрабатываются без наклона инструментального шпинделя, угол между осью инструмента и осью изделия определяется соотношением:
А p(r 90^o) (3)
Обработку прямых зубьев производят одновременно по обеим сторонам впадины (двухсторонний способ обработки) или вначале обрабатывают одну сторону впадин, затем производится автоматическая переналадка станка, после чего обрабатывают тем же инструментом другую сторону впадин (односторонний способ обработки). При обработке криволинейных зубьев методом непрерывного деления вращение инструмента согласовывают с вращением изделия. В приведенных формулах использованы обозначения:
А_ши расстояние от торца шпинделя инструмента до центра инструмента;

ΔA осевое смещение заготовки в исходном процессе;
Г угол установки бабки изделия в исходном процессе;
L_m(Φ) оператор пересчета векторов в новую систему координат, полученную из старой поворотом на угол Φ относительно ее m-ой оси; m 1,2,3 [6]
единичные базисные вектора, соответствующей системы координат;
;
U радиальная установка в исходном процессе для криволинейных зубьев;
q текущий угол обкатки в исходном процессе;
B_s смещение стола в исходном процессе;
E гипоидное смещение;

R_s радиальная установка в исходном процессе для прямых зубьев;
γ_s угол развода суппортов в исходном процессе;
r₀ радиус инструмента;
α_i угол между осями инструментального шпинделя и плоскостью вращения люльки в исходном процессе;
;
;
i, μ_л соответственно угол наклона и установка направления плоскости наклона инструментального шпинделя в исходном процессе;
центр инструмента точка оси инструмента в плоскости вершин резцов;
положительным направлением оси Y принято движение шпинделя вперед;
начало отсчета угла A выбрано так, что при A 0 направление вдоль оси инструмента от его центра к шпинделю инструмента совпадает с направлением по оси изделия от торца изделия к вершине делительного конуса изделия, а положительный поворот A осуществляется по часовой стрелки, если смотреть со стороны изделия.

Предложенный способ обработки позволяет на одном оборудовании наряду с обработкой зубьев цилиндрических, червячных колес обрабатывать прямые и криволинейные зубья конических зубчатых колес, т.е. существенно расширяются технологические возможности способа, что позволяет создать многоцелевой станок для обработки зубьев зубчатых колес. При этом качество обрабатываемых конических колес с прямыми углами выше чем у технического решения, взятого за прототип, а качество криволинейных зубьев не хуже чем у колес, обработанных по способам [2 4]
Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены, что позволило сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Между отличительными признаками и целью изобретения существует следующая причинно-следственная связь.

Использование поступательного перемещения У вдоль оси инструмента установки угла A между осями изделия и инструмента, рассчитанных по соотношениям (1) (3), а также согласование вращения инструмента с вращением изделия позволяет воспроизвести на зубофрезерном станке для обработки цилиндрических колес то же относительное движение по отношению к изделию, что и в исходных процессах обработки криволинейных зубьев с наклоном или без наклона инструментального шпинделя, обрабатываемых методом единичного или непрерывного деления. Так как при этом сохраняется и инструмент, то не меняется производящая поверхность и ее движение относительно изделия.

Таким образом не вносится методических погрешностей и качество обработанных колес с криволинейными зубьями будет аналогичным колесам, обработанным по способам, рассматриваемых в работах [2 4]
Использование тех же движений У, A, вычисленных по выражениям (1), (2), в двухстороннем и одностороннем способах обработки прямых зубьев позволяет воспроизвести на зубофрезерном станке для обработки цилиндрических колес методом обкатки исходный процесс обработки прямых зубьев конических колес. В этом случае также получим то же относительное движение производящей поверхности и изделия, что и в исходном процессе.

Таким образом нет методических причин снижения качества прямозубых колес по сравнению с колесами, обработанными традиционными способами: способом [7] и способом обработки двумя дисковыми спаренными фрезами, описанными в справочнике [8]
Таким образом, отличительные признаки позволяют улучшить качество при обработке зубьев и расширить технологические возможности способа, позволяющие использовать оборудование для обработки цилиндрических колес методом обкатки для профилирования прямых и криволинейных зубьев конических колес.

Совокупность существенных признаков, характеризующих изобретение и их влияние на получаемый технический результат (новое свойство объекта) не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень".

Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, может быть многократно использовано на зубофрезерных станках для обработки цилиндрических колес, на гибких производственных модулях с получением технического результата, заключающегося в улучшении качества при обработке прямых зубьев конических колес и в возможности обрабатывать на них все виды зубчатых колес, что обуславливает обеспечение достижения поставленной цели расширение технологических возможностей способа и улучшение качества зубчатых колес.

Это позволяет использовать оборудование для обработки цилиндрических колес методом обкатки для профилирования конических зубчатых колес с прямыми и криволинейными зубьями. Это доказывает правомерность вывода о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема движений инструмента и изделия по предлагаемому способу; на фиг. 2 а, б схема обработки прямых зубьев односторонним способом.

В процессе обработки (фиг. 1) изделие, находящееся на столе 1, совершает вращательное движение С вокруг своей оси 2, инструмент 3 (торцовая или дисковая зуборезные головки) совершает вращательное движение В вокруг своей оси 4, образующей угол с осью изделия, а также поступательные перемещения X, Z, У. Причем У рассчитывается по выражению (1).

При обработке криволинейных зубьев с наклоном инструментального шпинделя в исходном процессе и прямых зубьев конических колес угол A между осью инструмента и изделия изменяется согласовано с вращением изделия по соотношению (2).

При обработке криволинейных зубьев с исходным процессом без наклона инструментального шпинделя угол A определяется выражением (3).

По двухстороннему способу обработки в качестве инструмента используется специальная двухсторонняя фреза [7] которая обрабатывает зубья одновременно по обеим сторонам впадины в один проход. То есть на зубофрезерном станке воспроизводится исходный процесс обработки прямых зубьев по [7]
При одностороннем способе обработки на зубофрезерном станке воспроизводится исходный процесс обработки прямых зубьев двумя дисковыми спаренными фрезами [8] при этом используется одна дисковая фреза [8] (фиг. 2 а), имеющая режущий контур ab -cd, которая вначале обрабатывает одну сторону впадин. При этом профилируется верхняя сторона зуба (режущая кромка ab совпадает с кромкой ef фрезы 1, вращающейся вокруг оси 3 фиг.2 б) и удаляется основная часть металла из впадины, для чего предусмотрена дополнительная кромка cd (фиг.2 а).

Затем производится автоматическая переналадка станка с учетом соотношений (1) (10), после чего обрабатывают тем же инструментом другую сторону впадин. В этом случае профилируется нижняя сторона зуба (режущая кромка ab совпадает с кромкой gh фрезы 2, вращающейся вокруг оси 4 (фиг 2 б).

Возможна обработка в два прохода, во время которых вначале обрабатывают одну сторону всех впадин, затем производится автоматическая переналадка станка, после чего обрабатывают тем же инструментом другую сторону всех впадин; либо вначале обрабатывают одну сторону впадины, затем производится автоматическая переналадка станка, после чего обрабатывают тем же инструментом другую сторону впадины, после чего переходят к обработке следующего зуба с той же последовательностью действий.

При обработке криволинейных зубьев методом непрерывного деления вращение инструмента B согласуется с вращением изделия C. Причем при обработке криволинейных зубьев на зубофрезерном станке воспроизводится соответствующий исходный процесс обработки.

Таким образом, ввиду того что на зубофрезерном станке, предназначенном для обработки цилиндрических колес, воспроизводятся исходные процессы: обработки криволинейных зубьев с наклоном, без наклона инструментального шпинделя, обрабатываемых по способу непрерывного деления (Эрликон) [3] прямых зубьев обрабатываемых по [7] либо обрабатываемых двумя спаренными дисковыми фрезами [8] то на зубофрезерном станке можно обрабатывать прямые и криволинейные зубья конических колес.

Пример реализации предлагаемого способа профилирования зубьев конических колес.

Обработка круговых зубьев конических колес, которые на традиционном станке в исходном процессе обрабатываются без наклона инструментального шпинделя производится такой же торцевой зуборезной головкой, как и в исходном процессе.

Параметры шестерни:
число зубьев z 24;
угол делительного конуса δ 26,565^o;
угол конуса впадин d_f 24,563;
средний нормальный модуль m_n 2;
конусное среднее расстояние R 59,213 мм;
коэффициент x₁ 0,23;
направление линии зуба левое;
средний угол наклона зуба β_n 25^o;
номинальный диаметр зуборезной головки d_c= 88,9 мм
число зубьев производящего колеса Z_S 53,633.

Заготовку шестерни устанавливают на горизонтальный стол зуборезного станка с ЧПУ модели МА84Ф4, а зуборезную головку устанавливают в его инструментальном шпинделе. Движения исполнительных органов станка X, Y, Z, C программируют. При этом угол A между осями изделия и инструмента устанавливают равным:
А 90- r 65,437^o
Поворот изделия равен:
C z_s(q q₀)/z
где q текущий угол поворота производящего колеса, находящегося в зацеплении с нарезаемым колесом;
q₀ угловая установка в середине обкатки.

Значения угла поворота C, а также поступательных координат X, Y, Z для начала, середины и конца обкатки даны в табл. 1
При этом в качестве нулевого положения по координатам X, Y, Z выбрано положение, при котором центр инструмента совпадает с вершиной делительного конуса изделия.

Обработка прямых зубьев конических колес двухсторонней фрезой по предлагаемому способу производится следующим образом.

Параметры колеса:
число зубьев z 30, δ 45, d_f 39,761,
R 55,28 мм, внешний модуль m_e 3.

Фреза имеет углы профиля α_o 20^o, диаметр d₀ 150 мм. Углы α_i= 0^°, γ_s= 0^°, k_н 1.

Заготовку колеса устанавливают на горизонтальный стол зубофрезерного станка с ЧПУ модели МА84Ф4, а двухстороннюю фрезу устанавливают в его инструментальном шпинделе. Движения исполнительных органов станка A, X, Y, Z, C программируют. Их значения для начала, середины и конца обкатки даны в табл. 2.

Реализации предлагаемого способа профилирования криволинейных зубьев конических колес с наклоном инструментального шпинделя в исходном процессе производится аналогично. При этом расчет координат исполнительных органов станка МA84Ф4 A,Y выполняется по формулам (1 -11) с учетом значения углов i μ_л задающий наклон инструментального шпинделя в исходном процессе.

При обработке криволинейных зубьев методом непрерывного деления вращение инструмента рассчитывается в зависимости от вращения изделия как в исходном процессе. При реализации предлагаемого способа профилирования прямых зубьев конических колес односторонним способом расчет координат станка МА84Ф4 A, Y также выполняется по формулам (1), (2), (4) (11): для верхней стороны зуба при k_н= -1.

Технико-экономическая эффективность способа по сравнению с прототипом определяется повышением качества обрабатываемых зубчатых колес вследствие устранения волнистости поверхности зуба, свойственной колесам, обрабатываемым по способу-прототипу.

По заявляемому способу можно обрабатывать конические колеса не только с прямыми, но и с криволинейными зубьями, причем все эти колеса правильно зацепляются с колесами обрабатываемыми на традиционных зуборезных или зубофрезерных станках для конических колес.

Заявляемый способ создает возможность на одном и том же зуборезном станке с ЧПУ профилировать все основные виды зубчатых колес: не только цилиндрические, прямозубые и конические колеса и колеса червячных передач, но и конические колеса с прямыми, криволинейными и циклоидальными зубьями. Возможность изготовлять на одном станке все основные виды зубчатых колес особенно важна для зубообрабатывающих многоцелевых гибких производственных модулей, с автоматической сменой инструмента, заготовок и с автоматической переналадкой на другое изделие. Создаваемая способом универсальность таких гибких производственных модулей является предпосылкой их широкого использования при мелкосерийном производстве различных зубчатых колес в условиях малолюдной технологии.

Заявляемое решение не оказывает отрицательного воздействия на состояние окружающей среды так как не содержит новых химических веществ по сравнению с известными способами обработки зубчатых колес, не вызывает дополнительных вибраций, шума или других отрицательных эффектов.

Использование: изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при производстве конических зубчатых колес на станке с ЧПУ, предназначенным для обработки цилиндрических зубчатых колес методом обката. Сущность изобретения: на место червячной фрезы на зубофрезерный станок устанавливается торцовая или дисковая зуборезная головка. При этом на станке с ЧПУ воспроизводят то же движение инструмента относительно заготовки, которое имеет место в процессе обработки зубьев конических колес обкаткой производящим колесом на традиционных станках для обработки зубьев конических колес. 5 з.п. ф-лы. 2 ил., 2 табл.

1. Способ обработки зубьев конических колес на станке для обработки цилиндрических колес методом обкатки, при котором изделию придают вращение вокруг своей оси, инструменту сообщают вращение вокруг своей оси, образующей угол с осью изделия, и согласованные с вращением изделия поступательные перемещения относительно изделия вдоль оси изделия и вдоль оси, перпендикулярной осям изделия и инструмента, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества и расширения технологических возможностей способа, в качестве инструмента при обработке криволинейных и прямых зубьев используют соответственно торцевую и дисковую зуборезные головки и инструменту придают относительно изделия согласованное с вращением изделия поступательное перемещение вдоль своей оси по закону

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для обработки прямых зубьев конических колес и криволинейных зубьев конических колес, которые в исходном процессе обрабатываются с наклоном инструментального шпинделя, угол между осью инструмента и осью изделия изменяют согласованно с вращением изделия по закону

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для обработки криволинейных зубьев конических колес, которые в исходном процессе обрабатываются без наклона инструментального шпинделя, угол между осями инструмента и изделия, определяют из соотношения A p(r 90^o). 4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что обработку прямых зубьев производят одновременно по обеим сторонам впадины двусторонней фрезой. 5. Способ по п. 2, отличающийся тем, что при обработке прямых зубьев вначале обрабатывают одну сторону впадин, затем производят автоматическую переналадку станка, после чего обрабатывают тем же инструментом другую сторону впадин. 6. Способ по пп. 2 и 3, отличающийся тем, что обработку криволинейных зубьев производят методом непрерывного деления, при котором вращение инструмента согласуют с вращением изделия, где в приведенных формулах использованы обозначения
A_ш и расстояние от торца шпинделя инструмента до центра инструмента:

ΔA - осевое смещение заготовки в исходном процессе;
Г угол установки бабки изделия в исходном процессе;
L_m(Φ) - оператор пересчета векторов в новую систему координат, полученную из старой поворотом на угол Φ относительно ее m-й оси; m 1, 2, 3;
единичные базисные вектора соответствующей системы координат


U радиальная установка в исходном процессе для криволинейных зубьев;
q текущий угол обкатки в исходном процессе;
B_s смещение стола в исходном процессе;
Е гипоидное смешение в исходном процессе;

R_s радиальная установка в исходном процессе для прямых зубьев;
γ_s - угол развода суппортов в исходном процессе;
r₀ радиус инструмента;
α_i - угол между осями инструментального шпинделя и плоскостью вращения люльки в исходном процессе;






i, μ_л - соответственно угол наклона и установка направления наклона инструментального шпинделя в исходном процессе;
исходный процесс процесс обработки конических зубчатых колес на традиционном для их обработки станке обкаткой производящим колесом;
центр инструмента точка оси инструмента в плоскости вершин резцов.