ЗУБЧАТЫЙ ИНСТРУМЕНТ С ОСЦИЛЛЯЦИЕЙ Российский патент 2006 года по МПК B23F21/03 

Изобретение относится к технологии машиностроения, а именно к чистовой обработке зубчатых колес.

Известен зубчатый инструмент, состоящий из ступицы, соединенной с помощью упругого элемента с зубчатым венцом, разделенным на части, размещенные перпендикулярно оси инструмента, причем каждая часть зубчатого венца представляет собой диск, установленный с возможностью изменения своего положения относительно оси инструмента и относительно соседнего диска [1].

Возможность перемещения зубчатых дисков позволяет несколько увеличить площадь контакта инструмента с заготовкой и, следовательно, увеличить производительность обработки, а также уменьшить потери рабочего слоя и время приработки инструмента.

Однако потери рабочего слоя и время приработки остаются еще достаточно велики, площадь контакта сопрягаемых профилей недостаточна, а также остается необходимость в продольном перемещении инструмента на ширину зубчатого венца обрабатываемого колеса, которое осуществляется весьма медленно от механизмов станка, и ограничение угла скрещивания осей и ширины венца инструмента, обусловленные размерами поля зацепления.

Технический результат - повышение производительности и качества обработки путем увеличения площади контакта сопрягаемых профилей инструмента и обрабатываемых зубьев, а также за счет интенсификации процесса благодаря продольной осцилляции венца инструмента и получение бочкообразных зубьев путем наклона зубчатых дисков относительно оси инструмента.

Поставленная задача достигается применением зубчатого инструмента, который содержит ступицу, соединенную посредством упругих элементов с зубчатым венцом, разделенным на части, размещенные перпендикулярно оси ступицы и представляющие собой диски, установленные с возможностью изменения своего положения относительно оси инструмента и относительно соседних дисков, причем инструмент снабжен косой втулкой, у которой оси наружной и внутренней цилиндрических поверхностей скрещены под углом α, и тормозным устройством, при этом ступица установлена на косой втулке посредством подшипников, а тормозное устройство предназначено для обеспечения работы инструмента в режиме «торможения», когда ступица и косая втулка неподвижны относительно друг друга, и в режиме «осцилляции», когда ступица и косая втулка имеют возможность свободного вращения относительно друг друга, причем зубчатый венец каждой части изготовлен из стальной упругой полосы с нанесенным алмазно-абразивным слоем, диски непосредственно являются упругими элементами, а угол α определен по формуле

α=arctg(A_O/D_B),

где А_О - амплитуда осцилляции зубчатого венца наклонного инструмента, принимаемая равной А_О=В_Д;

В_Д - высота единичного зубчатого диска, определяемая по формуле

В_Д=В_И-В_З,

В_И - общая высота инструмента;

В_З - высота обрабатываемой заготовки колеса;

D_B - наружный диаметр выступов инструмента.

На фиг.1 показан зубчатый инструмент с осцилляцией, работающий в режиме «торможения», частичный продольный разрез; на фиг.2 - общий вид инструмента, работающего в режиме «осцилляции» и находящегося в положении, повернутом на 180° относительно оси и относительно положения, показанного на фиг.1; на фиг.3 - совмещенные положения, показанные на фиг.1 и 2, при вращении осциллирующего инструмента; на фиг.4 - схема обработки предлагаемым инструментом; на фиг.5 - схема обработки предлагаемым инструментом при положении зубчатого венца в крайнем правом положении относительно обрабатываемой заготовки; на фиг.6 - схема обработки предлагаемым инструментом при положении зубчатого венца в крайнем левом положении относительно обрабатываемой заготовки; на фиг.7 - поперечный разрез А-А зуба инструмента на фиг.1.

Зубчатый инструмент (фиг.1) состоит из ступицы 1, представляющей собой цилиндрическую соосную втулку с гладкой наружной поверхностью или с кольцевыми канавками (не показаны), зубчатых дисков 2 с зубчатым венцом, изготовленным из стальной упругой полосы 3 с нанесенным алмазно-абразивным слоем 4 на боковых поверхностях зубьев.

Диски 2 непосредственно являются упругими элементами, размещены на ступице 1 перпендикулярно ее оси и благодаря упругости имеют возможность изменять свое положение относительно оси ступицы и относительно соседних дисков.

Ступица 1 установлена на подшипниках 5 на косой втулке 6 с помощью пружинных упорных плоских наружных 7 (ГОСТ 13940-80) и внутренних 8 (ГОСТ 13941-80) колец и распорных втулок 9. У косой втулки 6 ось O₁-O₁ наружной цилиндрической поверхности скрещивается под углом α с осью O-O внутренней цилиндрической поверхности отверстия в центре оси симметрии О_ц.

Такое подвижное соединение ступицы 1 с косой втулкой 6, с помощью которой инструмент устанавливается на инструментальном шпинделе (не показан) станка, позволяет им вращаться независимо друг от друга.

Предлагаемый инструмент при необходимости работает в двух режимах: режиме «торможения», когда ступица 1 и втулка 6 неподвижны относительно друг друга за счет включения тормозного устройства, и в режиме «осцилляции», когда ступица и втулка свободно вращаются относительно друг друга и тормозное устройство выключено. Тормозное устройство в предлагаемой конструкции инструмента представлено в виде двух винтов 10, проходящих через отверстия в ступице 1 и ввернутых в резьбовые отверстия втулки 6, изготовленные в диаметрально противоположных местах. Тормозное устройство может быть и другой известной конструкции, срабатывающее как в неподвижном состоянии шпинделя, так и без остановки его.

Угол α определяется по формуле

α=arctg(А_о/D_В),

где A_о - амплитуда осцилляции зубчатого венца наклонного инструмента, которая принимается А_о≈В_Д;

В_Д - высота единичного зубчатого диски, которая определяется по формуле

В_Д=В_И-В_З,

В_И - общая высота инструмента;

В_З - высота обрабатываемой заготовки колеса;

D_В - наружный диаметр выступов инструмента.

Инструмент работает, например, в режиме «торможения» следующим образом. Ведущим может быть как инструмент, так и заготовка.

Инструмент вводят в зацепление с обрабатываемой заготовкой 11, при этом их оси скрещиваются. За счет наличия упругих дисков 2 зубчатые венцы 3 самоустанавливаются во впадине обрабатываемой заготовки колеса.

Зубчатые венцы 3 дисков 2 перемещаются относительно друг друга в окружном и радиальном направлении и изменяют положение своих осей относительно оси инструмента. Так как общая высота инструмента больше высоты обрабатываемой заготовки колеса 11 на одну высоту диска 2, то в контакт с обрабатываемой заготовкой одновременно входят все зубчатые диски за исключением одного. Инструменту или заготовке сообщают крутящий момент, а продольное возвратно-поступательное движение вдоль оси детали на величину не более ширины одного зубчатого диска обеспечивается за счет установки дисков под углом α. При этом за счет осцилляции зубчатых венцов дисков обеспечивается контакт между зубьями колеса и всеми зубчатыми дисками инструмента одновременно и производится обработка всей длины зуба обрабатываемого колеса.

При введении в зацепление с обрабатываемым колесом инструмента, выполненного в виде, например, абразивного или алмазного зубчатого хона, каждый из зубчатых венцов дисков имеет возможность самоустанавливаться по впадине зуба колеса за счет перемещения относительно друг друга в окружном и радиальном направлениях и изменении осей каждого упругого диска относительно оси инструмента. При этом каждый зубчатый упругий диск имеет с обрабатываемым колесом свое поле зацепления и площадь контакта, соответствующую этому полю зацепления. При этом суммарная площадь контакта инструмента с обрабатываемым колесом существенно увеличивается, что повышает производительность обработки. Одновременно существенно (до 3...4 раз) снижаются потери рабочего абразивного слоя, что особенно важно при применении дорогостоящих абразивных материалов, например синтетических алмазов. Так, при износе абразивного слоя зубчатого хона, равномерно расположенного на боковых поверхностях его зубьев, значительная его часть (до 20...40%) остается неиспользованной, при этом потери тем больше, чем больше ширина зубчатого венца хона, угол скрещивания осей и меньше диаметр обрабатываемых колес. При применении предложенной конструкции инструмента эти потери резко снижаются, а также становится возможным увеличение ширины зубчатого венца инструмента и угла скрещивания осей детали и хона с целью повышения стойкости и производительности обработки.

Одним из преимуществ предложенной конструкции инструмента является отказ от продольного хода инструмента, так как каждый из зубчатых дисков за счет угла наклона и аксиально-смещенного зубчатого венца обрабатывает весь активный профиль колеса.

Расстояние между соседними зубчатыми дисками с целью исключения возможности упирания их друг в друга должно быть не менее произведения радиуса величины диска на тангенс угла поворота его оси относительно оси соседнего диска, а количество дисков в инструменте может быть 2...10 и определяется технологическими соображениями.

В данном рассматриваемом режиме «торможения» частота осцилляции зубчатых венцов постоянна и равна частоте вращения инструмента, которая равна частоте вращения заготовки.

Для более интенсивной и полной обработки инструмент целесообразно перевести в режим максимальной «осцилляции», при котором вывинчивают и удаляют винты 10, а инструментальному шпинделю (не показан), на котором с помощью косой втулки 6 закреплен инструмент, сообщают вращательное движение V_И необходимой частоты. При этом режиме ведущим является обрабатываемая заготовка колеса и ей сообщают вращающий момент, а инструмент свободно вращается на подшипниках 5. Изменяя частоту вращения инструментального шпинделя, изменяют частоту осцилляции зубчатых упругих дисков. При относительно невысоких скоростях V_З вращения ведущей заготовки появляется возможность задать высокие скорости V_ПР продольных возвратно-поступательных движений инструменту. Алмазно-абразивное зерно инструмента оставляет след на заготовке, направленный вдоль зуба.

Этот режим работы инструмента применяют для чистовой отделки зубьев закаленных цилиндрических колес как внешнего, так и внутреннего зацепления.

Предлагаемый инструмент включает вращение обрабатываемого зубчатого колеса 11, находящегося в плотном зацеплении с зубчатыми дисками, которые имеют рабочие зубчатые венцы 3 с утоненными зубьями с нанесенным на них алмазно-абразивным слоем 4 толщиной 1,5...2 мм. Зона резания в месте контакта зубчатого венца 3 диска 2 с обрабатываемой заготовкой 11 совершает возвратно-поступательные движения вдоль оси. При этом зубчатый венец инструмента совершает осевые колебательные движения за счет того, что он с возможностью независимого вращения закреплен на вращающемся инструментальном шпинделе с помощью косой втулки, у которой оси наружной и внутренней поверхностей скрещиваются под углом α.

Частота возвратно-поступательных движений зубчатого венца 3 инструмента регулируется частотой вращения инструментального шпинделя.

Чистовую обработку зубьев осуществляют на обычных станках, позволяющих принудительно вращать заготовку 11 и инструмент. Обработку можно вести на токарном станке со специальной головкой с принудительно вращающимся инструментальным шпинделем.

Алмазно-абразивные режущие поверхности 4 зуба зубчатого венца 3 при контакте с обрабатывающей заготовкой 11 устанавливаются параллельно боковым поверхностям зуба заготовки. Эта самоустановка зуба диска по зубу заготовки 11 происходит благодаря прогибу упругого диска 2, к которому принадлежит данный зуб инструмента, а также благодаря упругим свойствам зубчатого венца 3, который выполнен из упругой пружинной ленты.

Кроме того, при больших углах наклона α дисков они с разным радиальным усилием оказывают давление на заготовку (фиг.5 и 6). Так при положении зубчатого венца инструмента в крайнем правом положении (фиг.5) относительно обрабатываемой заготовки левый приторцовый диск давит на заготовку с большим радиальным усилием Р_max, по сравнению с правым диском, находящимся в зацеплении. Таким образом, выделяется зона интенсивной обработки, инструмент оказывают большее давление на обрабатываемый зуб со стороны торцов, делая его бочкообразным. Зубчатые колеса с бочкообразными зубьями, как известно, находят широкое применение в промышленности.

Изменение направления вращения инструмента (как это делается при традиционном зубохонинговании) положительно влияет на качество обработки, поэтому при работе предлагаемым инструментом используем реверс 4...6 раз за все время обработки заготовки.

Предлагаемый инструмент позволяет уменьшить параметр шероховатости поверхности в 2...2,5 раза (до Ra=0,32...0,16 мкм), удалить забоины и заусенцы размером до 0,25 мм, снизить уровень звукового давления на 2...4 дБ и повысить долговечность зубчатой передачи.

В процессе обработки погрешности в элементах зацепления устраняются незначительно при съеме металла порядка 0,01...0,03 мм на сторону зуба. Частота вращения зубчатого колеса, а следовательно, инструмента 180...200 мин^-1, частота вращения инструментального шпинделя, а следовательно, частота осцилляции 180...210 мин^-1.

Время чистовой обработки зубчатою колеса коробки передач автомобиля 30...60 с. Срок службы монокорундового инструмента при обработке этих колес 1500...3000 деталей.

Особенностью обработки предлагаемым инструментом является прерывистый контур траектории вследствие чередования находящихся в контакте с заготовкой зерен. Благодаря продольной осцилляции и локальной зоне контакта, а также смене режущих зерен круга улучшается тепловой баланс инструмента, повышается его стойкость и уменьшается засаливаемость. Свободный подвод смазочно-охлаждающей жидкости в зону обработки также повышает производительность обработки.

Рекомендуется обрабатывать зубчатые колеса с числом зубьев, не кратным числу зубьев зубчатого инструмента.

Заявляемое техническое решение позволяет

- интенсифицировать обработку за счет наложения осциллирущих продольных колебаний;

- снизить теплонапряженность процесса зубохонингования за счет переменной зоны резания и смещения температурного поля;

- упростить конструкцию оборудования для зубохонингования за счет применения нового инструмента, позволяющего возбуждать продольные колебания;

- сократить время приработки инструмента (до 5 раз);

- сократить потери алмазно-абразивного рабочего слоя (до 3...4 раз);

- увеличить производительность обработки (в 1,5...2,5 раза).

Источник информации

1. А.с. СССР 1065117, МКИ В 23 F 21/03. Зубчатый инструмент. Севостьяненко Г.Н. и др. 3489823/25-08, 07.09.82; 07.01.84. Бюл. №1 - прототип.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при производстве зубчатых колес. Инструмент состоит из ступицы, соединенной посредством упругих элементов с зубчатым венцом, разделенным на части. Последние размещены перпендикулярно оси ступицы и представляют собой диски, установленные с возможностью изменения своего положения относительно оси инструмента и относительно соседних дисков. Предусмотрены тормозное устройство и косая втулка, у которой оси наружной и внутренней цилиндрических поверхностей скрещены под углом α. Ступица установлена на косой втулке посредством подшипников. Тормозное устройство предназначено для обеспечения работы инструмента в режиме «торможения», когда ступица и косая втулка неподвижны относительно друг друга, и в режиме «осцилляции», когда ступица и косая втулка имеют возможность свободного вращения относительно друг друга. Зубчатый венец каждой части изготовлен из стальной упругой полосы с нанесенным алмазно-абразивным слоем, а диски непосредственно являются упругими элементами. Приведена расчетная формула для определения угла α. Такая конструкция повышает производительность и качество обработки за счет увеличения площади контакта сопрягаемых профилей и осцилляции венца инструмента. 7 ил.

Зубчатый инструмент, состоящий из ступицы, соединенной посредством упругих элементов с зубчатым венцом, разделенным на части, размещенные перпендикулярно оси ступицы и представляющие собой диски, установленные с возможностью изменения своего положения относительно оси инструмента и относительно соседних дисков, отличающийся тем, что он снабжен косой втулкой, у которой оси наружной и внутренней цилиндрических поверхностей скрещены под углом α, и тормозным устройством, при этом ступица установлена на косой втулке посредством подшипников, а тормозное устройство предназначено для обеспечения работы инструмента в режиме «торможения», когда ступица и косая втулка неподвижны относительно друг друга, и в режиме осцилляции, когда ступица и косая втулка имеют возможность свободного вращения относительно друг друга, причем зубчатый венец каждой части изготовлен из стальной упругой полосы с нанесенным алмазно-абразивным слоем, диски непосредственно являются упругими элементами, а угол α определен по формуле

α=arctg(A_O/D_B),

где А_О - амплитуда осцилляции зубчатого венца наклонного инструмента, принимаемая равной А_O=В_Д;

В_Д - высота единичного зубчатого диска, определяемая по формуле В_Д=В_И-В_З;

В_И - общая высота инструмента;

В_З - высота обрабатываемой заготовки колеса;

D_B - наружный диаметр выступов инструмента.