Исследование и проектирование червячной фрезы с комбинированной передней поверхностью (стр. 3 из 13)
6. Изложить ряд требований по экологичности и безопасности процессов, рассмотренных в дипломном проекте.
7. Провести расчет экономической эффективности от внедрения в производство проектируемой фрезы.
2. Обоснование конструкции червячной фрезы с комбинированной передней поверхностью.
Как было отмечено в разделе 1.1 одной из причин повышенного износа червячных модульных фрез являются стесненные условия резания и неблагоприятная геометрия зубьев (передний угол равен 0), обусловленная требованиями точности профиля нарезаемых колес. Стойкость таких фрез можно повысить, если на передней поверхности зубьев фрезы образовать подточку глубиной а и шириной l . Подточки выполняют только вдоль вершинных режущих кромок; их шаг равен шагу винтовых стружечных канавок (см. приложение 2).
Повышение стойкости фрез с комбинированной передней поверхностью по сравнению со стойкостью стандартных фрез объясняется следующим. Как было показано в разделе 1.1, при зубофрезеровании каждый зуб червячной фрезы срезает строго определенную стружку. Одни зубья срезают стружку только боковыми или вершинными кромками (свободное резание), другие - вершиной и одной или двумя боковыми кромками (Г-образная и П-образная стружка; несвободное резание). Зубья, имеющие наибольший износ и определяющие стойкость фрезы, срезают, как правило, П-образную стружку (см. приложение 1).
У стандартной фрезы вершинные и боковые кромки зубьев образованы общей передней поверхностью и плавно соединяются между собой через радиусные участки. При резании они снимают сплошную стружку П-образной формы. Элементы стружки, срезаемые различными кромками, сходят по общей передней поверхности и наталкиваются один на другой, вследствие чего направление их схода изменяется. Это ведет к дополнительной деформации стружки, увеличению силы и работы резания (иногда на 30-40%) по сравнению со свободным резанием и, в конечном счете, к снижению стойкости фрезы.
У фрезы с комбинированной передней поверхностью вершинные и радиусные кромки образованы поверхностью подточки, а боковые - такой же, как и в предыдущем случае, передней поверхностью. Стружка, срезаемая вершинными и радиусными кромками, сходит по поверхности подточки, а стружка, срезаемая боковыми кромками, - по передней поверхности. При этом стружка разделяется и отдельные ее элементы свободно сходят не наталкиваясь друг на друга. Их деформация, а следовательно, и работа резания уменьшается, а стойкость фрезы возрастает.
Таким образом, достигается тот же эффект от разделения стружки, что и у фрез с прогрессивной схемой резания [9] (рис. 1.5). Фреза с комбинированной передней поверхностью представляет собой как бы фрезу с прогрессивной схемой резания, у которой каждая пара завышенных и заниженных зубьев совмещена в одном. Кроме того, на вершинах зубьев фрезы, удаляющих около 50% металла из впадины, благодаря подточке можно создать оптимальный положительный передний угол g, обеспечивающий повышение периода стойкости инструмента.
Глубина а и профиль подточки должны быть такими, чтобы обеспечить надежное разделение стружки и требуемый угол g на вершинах зубьев. Обычно для фрез среднего модуля (4-9мм):
а=0,5...0,7 мм - при этом значении глубины подточки передний угол равен 15-170.
Ширина l подточки (исходя из условия неизменности главного профиля нарезаемого зуба) не должна превышать высоту переходного кривой этого зуба (рис.2.1). Приравняв l к высоте переходной кривой и исходя из того, что высота переходной кривой зависит от модуля, введем коэффициент ширины подточки - l1, получим:
l=l1*m, где
m - модуль нарезаемого колеса, мм.
В свою очередь:
(1)где z - число зубьев нарезаемого колеса
ha - коэффициент высоты головки исходного контура
х - коэффициент смещения
a - угол профиля исходного производящего контура
с - коэффициент радиального зазора
Фрезой с лункой, ширина которой вычислена по приведенным формулам, можно нарезать колеса с числом зубьев, равным или меньшим z.
При заточке подточки, боковые режущие кромки зубьев фрезы на участке l получаются криволинейными и асимметричными; это обусловлено радиальным затылованием и расположением зубьев фрезы по винтовой поверхности. Из-за радиального затылования зуб фрезы по мере удаления от передней поверхности на любом рассматриваемом диаметре становится тоньше, а из-за винтового расположения он смещается по оси. Окончательный вид режущих кромок на участке l определяется сочетанием этих факторов. Например, если задний угол на боковых сторонах зуба больше угла подъема витка фрезы, то криволинейные кромки с обеих сторон вогнуты в тело зуба, а если меньше, то в тело зуба вогнута лишь одна из кромок.
На плоскость нормального сечения, в которой профиль фрезы определяет форму нарезаемого зуба, криволинейные кромки проектируются практически как симметричные, поскольку их проекции определяются в основном радиальным затылованием. При копировании криволинейной кромки на поверхность резания образовались бы неровности высотой b, но поскольку червячная фреза работает по методу огибания, эти неровности частично будут срезаться.
Используя формулы [1] для определения заднего угла на боковых сторонах зубьев фрезы, можно найти высоту неровностей:
b= a*tgaB*sina, где
aВ - задний угол на вершинах зубьев.
После вычисления ширины подточки l необходимо определить ее глубину а, на основе следующих соображений. Во-первых, подточка профилируется на заточном станке, шлифовальным кругом, поэтому для фрез с большим модулем (m>10) технологически сложно получить подточку значительной глубины. Во-вторых, увеличение ее глубины связано с увеличением переднего угла, что способствует значительному снижению сил резания с одной стороны, с другой, ведет к снижению прочности зуба при вершине, возможности появления сколов на режущей кромке из-за уменьшения угла заострения. Поэтому, целесообразно у фрез небольших модулей (m£3), выбирать геометрические параметры подточки так, чтобы передний угол составлял 15-200 (чем меньше модуль, тем больше угол). В общем случае был построен график рекомендуемого переднего угла на передней поверхности, в зависимости от модуля нарезаемого колеса (рис.2.2). Величина переднего угла, в свою очередь, будет зависеть от ширины и глубины подточки, а так как величина ширины зависит не только от модуля (1), но и от других параметров зубчатого зацепления (см. приложение 2). Поэтому необходимо глубину подточки выразить через ширину ее и передний угол. Далее, путем геометрических построений (рис.2.3) определяем передний угол g:
tgg=BC/(АD-CD) (из треугольника ABC), где
CD - зависит от радиуса скругления дна подточки, принимаем исходя из условия выхода стружки CD=1,2*а
АD=l ,
ВС=а,
Отсюда:
tgg=а/(l - 1.2*a)
Решая данное уравнение находим а:
а= l*tgg/(1+1.2*tgg)
червячная фреза комбинированная резание
Произведем расчет высоты неровностей, а также геометрических параметров подточки для червячной фрезы, аналогичной той, что применяют на ВАЗе в инструментальном производстве. Заданные условия:
z=63; x=0; ha=1; c=0.25; a=200; aB=100; m=2,5 мм.
Коэффициент ширины подточки:
Тогда ширина подточки:
l=l1*m=0.385*2,5=1,09 мм, примем 1,1 мм
Глубина подточки:
принимаем из рис.2.2 рекомендуемый передний угол g=180, тогда
а=1,1*tg180/(1,1+1.2*tg180)=0.25 мм
Высота неровностей:
b= a*tgaB*sina=0,25*tg100*sin200=0.015 мм
То есть максимальная величина неровностей на обработанной детали будет составлять 15 мкм. Во-первых, эти неровности будут на переходной кривой зуба, то есть на той части, которая непосредственно не участвует в зацеплении, а во-вторых, высота неровностей не будет превышает припуск, снимаемый на операции шеверования. Иначе говоря, переходные кривые зубьев, нарезанных стандартными фрезами и фрезами с комбинированной передней поверхностью, практически не различаются. Следовательно, влияние подточки на зубе фрезы на переходную кривую зуба колеса незначительно и вполне допустимо.
В работе [3] приведены графики зависимостей силы РZ от величины переднего угла. Из графиков следует, что при одинаковой толщине срезаемого слоя, сила РZ меньше, примерно, в 1,15 раза, при увеличении переднего угла с -150 до -5,50. В нашем случае предполагается увеличение переднего угла на 14-180, и соответственно значительное уменьшение сил резания, а значит меньше температура в зоне резания, и как следствие повышение стойкости фрез с комбинированной передней поверхностью. Данные предположения подтверждены в некоторой литературе, рассмотренной ниже.
Для определения возможности повышения стойкости червячных модульных фрез в результате образования подточки в [4] авторами были проведены сравнительные испытания стандартных фрез и фрез с комбинированной передней поверхностью (m=3 и 5 мм). Каждой фрезой нарезали одинаковую партию колес из стали 45 (z=18 и 30) при встречной подаче s=0.8 и 2 мм/об. Характер износа в обоих случаях оказался одинаковым, т.е. наблюдался износ зубьев только по задней поверхности с максимальной величиной на радиусных участках. Износ зубьев неравномерен и у наиболее нагруженных зубьев стандартных фрез больше в 1,6-2,5 раза, чем у фрез с подточкой (меньшие значения относятся к фрезам с меньшим модулем и к меньшей подаче).
В качестве примера на рис.2.4 приведены графики износа стандартной фрезы и фрезы с подточкой (m=5мм) при нарезании колес с z=18 и s=2мм/об.