Мастера, технологи и фрезеровщики механообрабатывающих цехов, в станочных парках которых есть зубофрезерные станки, регулярно сталкиваются при изготовлении косозубых цилиндрических зубчатых колес с вопросом максимально точного подбора шестеренок гитары дифференциала.

Если не вдаваться в подробности работы кинематической схемы зубофрезерного станка и технологического процесса нарезания зубьев червячной фрезой, то данная задача заключается в сборке двухступенчатого цилиндрического зубчатого редуктора с заданным передаточным отношением (u ) из имеющегося комплекта сменных колес. Этот редуктор и есть гитара дифференциала. В комплект (приложение к станку) входит, как правило, 29 зубчатых колес (иногда более 50) с одинаковым модулем и диаметром посадочного отверстия, но с разным количеством зубьев. В наборе могут присутствовать по две-три шестерни с одинаковым количеством зубьев.

Схема гитары дифференциала изображена ниже на рисунке.

Настройка гитары дифференциала начинается с определения расчетного передаточного отношения (u ) по формуле:

u =p *sin (β )/(m *k )

p – параметр конкретной модели станка (число с четырьмя-пятью знаками после запятой).

Значение параметра (p ) индивидуально для каждой модели, приводится в паспорте на оборудование и зависит от кинематической схемы привода конкретного зубофрезерного станка.

β – угол наклона зубьев нарезаемого колеса.

m – нормальный модуль нарезаемого колеса.

k – число заходов червячной фрезы, выбранной для работы.

После этого необходимо выбрать из набора такие четыре шестерни с числами зубьев Z 1 , Z 2 , Z 3 и Z 4 , чтобы, установленные в гитару дифференциала, они образовали редуктор с передаточным отношением (u’ ) максимально близким к рассчитанному значению (u ).

(Z 1 /Z 2 )*(Z 3 /Z 4 )=u’ ≈u

Как это сделать?

Подбор чисел зубьев шестеренок, обеспечивающий максимальную точность, можно выполнить четырьмя способами (по крайней мере, известными мне).

Рассмотрим кратко все варианты на примере зубчатого колеса с модулем m =6 и углом наклона зубьев β =8°00’00’’ . Параметр станка p =7,95775 . Червячная фреза – однозаходная k =1 .

Для исключения ошибок при многократных расчетах составим простую программу в Excel, состоящую из одной формулы, для расчета передаточного числа.

Расчетное передаточное число гитары (u ) считываем

в ячейке D8: =D3*SIN (D6/180*ПИ())/D5/D4 =0,184584124

Относительная погрешность подбора не должна превышать 0,01%!

δ =|(u -u’ )/u |*100<0,01%

Для высокоточных передач это значение может быть гораздо меньше. В любом случае следует всегда стремиться к максимальной точности в расчетах.

1. «Ручной» подбор колес гитары дифференциала.

Значение передаточного отношения (u ) представляем приближениями в виде обычных дробей.

u =0,184584124≈5/27≈12/65≈79/428≈91/493 ≈6813/36910

Это можно сделать при помощи программы для представления многозначных констант приближениями в виде дробей с заданными точностями или в Excel подбором.

Выбираем подходящую по точности дробь и раскладываем ее числитель и знаменатель на произведения простых чисел. Простые числа в математике – это те, что делятся без остатка только на 1 и на себя.

u’ =91/493=0,184584178

91/493=(7*13)/(17*29)

Умножаем числитель и знаменатель выражения на 2 и на 5. Получаем результат.

((5*7)*(2*13))/((5*17)*(2*29))=(35*26)/(85*58)

Z 1 =26 Z 2 =85 Z 3 =35 Z 4 =58

Вычисляем относительную погрешность выбранного варианта.

δ =|(u -u’ )/u |*100=|(0,184584124-0,184584178)/0,184584124| *100=0,000029%<0.01%

2. Настройка гитары по таблицам справочника.

С помощью таблиц справочника М.И. Петрика и В.А. Шишкова «Таблицы для подбора зубчатых колес» можно быстро решить рассматриваемую задачу. Методология работы подробно и понятно описана в самом начале книги.

Стандартный комплект В.А. Шишкова содержит 29 зубчатых колес с числами зубьев: 23; 25; 30; 33; 37; 40; 41; 43; 45; 47; 50; 53; 55; 58; 60; 61; 62; 65; 67; 70; 73; 79; 83; 85; 89; 92; 95; 98; 100.

Используем этот набор в решении нашей задачи.

Результат подбора по таблицам:

Z 1 =23 Z 2 =98 Z 3 =70 Z 4 =89

u’ =(23*70)/(98*89)=0,184590690

<0,01%

3. Гитара дифференциала в режиме on-line.

Заходите на сайт по адресу: sbestanko.ru/gitara.aspx и, если ваша модель станка присутствует в списке исходных данных, то задаете параметры нарезаемого колеса и червячной фрезы и ждете результат расчета. Иногда считает долго, иногда не находит решений.

Для нашего примера сервис не представил решений для точностей 5 и 6 разрядов после запятой. Зато для точности 4 знака после запятой выдал 136 вариантов!!! Мол — ковыряйтесь!

Лучший из представленных on-line сервисом результатов:

Z 1 =23 Z 2 =89 Z 3 =50 Z 4 =70

u’ =(23*50)/(89*70)=0,184590690

δ =|(u -u’ )/u |*100=|(0,184584124-0,184590690)/0,184584124| *100=0,003557%<0,01%

4. Настройка гитары дифференциала в программе «Duncans Gear calculator».

Использование этой бесплатной программы, видимо, лучший вариант из четырех предложенных к рассмотрению. Программа не требует установки и начинает работать сразу после запуска файла gear.exe. В файле Справка.txt – краткая инструкция пользователя. Скачать программу можно без проблем на официальном сайте metal.duncanamps.com/software.php.

Одним из главных достоинств программы является то, что она позволяет находить решения из набора фактически имеющихся в наличии сменных зубчатых колес. Пользователь может изменять состав комплекта. После выключения программы заданный набор сменных зубчатых колес сохраняется в памяти и при новом запуске не требует повторного ввода!

На скриншоте внизу — итог работы программы с рассматриваемым примером при использовании стандартного комплекта В.А. Шишкова.

Самые точные комбинации располагаются вверху итогового списка. Результат идентичен результатам настройки гитары дифференциала по таблицам справочника и с помощью on-line сервиса.

На следующем снимке — итог работы программы при использовании набора состоящего из стандартного комплекта В.А. Шишкова и двух дополнительных колес с числами зубьев 26 и 35.

Результат повторяет итог «ручного» подбора!

«Ручным» подбором мы, скорее случайно, нашли наиболее точное решение. Но в полученном результате фигурируют зубчатые колеса с числами зубьев 26 и 35, которых может не оказаться в комплекте к станку.

Если не привязываться к конкретному комплекту сменных колес, то, убрав галочку в чекбоксе, получим наборы из четырех шестеренок, обеспечивающие максимально достижимую точность в указанном выше диапазоне чисел зубьев. Можно изготовить отсутствующие в комплекте к станку сменные колеса и использовать их при настройке гитары дифференциала.

После выбора зубчатых колес следует проверить возможность их размещения (возможность сборки) в корпусе гитары станка. В руководствах к станкам приведены специальные номограммы, по которым это легко сделать. В крайнем случае, в собираемости гитары дифференциала можно убедиться опытным путем.

Отзывы, вопросы, и замечания, уважаемые читатели, оставляйте, пожалуйста, в комментариях внизу страницы.

Нарезание цилиндрических зубчатых колес на фрезерном станке с помощью универсальной делительной головки (УДГ)

1. Основные положения

Таблица 1.Набор из восьми дисковых модульных фрез

Профиль каждой фрезы набора изготовлен по наименьшему числу зубьев интервала (например, у фрезы № 2 по Z = 14), следовательно, наибольшая погрешность получается при изготовлении колёс с наибольшим числом зубьев каждого интервала. Кроме погрешности, связанной с неточностью инструмента, всегда имеет место погрешность в работе делительной головки.

Метод копирования применяется только в индивидуальном и иногда в мелкосерийном производстве.

2. Наладка станка

Заготовку зубчатого колеса закрепляют на оправке гайкой. Оправку зажимают в трёхкулачковом патроне , который навинчивается на шпиндель делительной головки . Второй конец оправки поддерживают задней бабкой (рис. 2).

Соответствующую дисковую модульную фрезу крепят на оправке шпинделя станка и устанавливают ее по центру заготовки. Для этого стол поднимают до тех пор, пока центр оправки заготовки не окажется на одном уровне с нижней частью фрезы. Затем стол передвигают в поперечном направлении до тех пор, пока центр оправки заготовки не совпадёт с вершиной зуба фрезы. После этого стол опускают и подводят заготовку под фрезу (продольной подачей) так, чтобы лист тонкой бумаги, помещённый между ними, закусывался. После этого заготовку отводят от фрезы, сообщая столу продольную подачу, и поднимают стол на глубину фрезерования, производя отсчёт по лимбу.

Прежде чем приступить к нарезанию зубьев, необходимо проверить наладку и настройку станка. Режимы резания – скорость резания и подача находятся по таблицам для обработки данного материала.

Глубина резания равна высоте зуба t = h.

3. Универсальные делительные головки

Делительные головки являются важными принадлежностями консольно-фрезерных станков, особенно универсальных, и применяются при необходимости фрезерования граней, пазов, шлицев, зубьев колёс и инструментов, расположенных под определённым углом друг относительно друга. Их можно использовать для простого и дифференциального деления.

Для подсчёта требуемого угла поворота шпинделя 1 делительной головки (рис. 4), а следовательно и оправки 7 с закреплённой на ней обрабатываемой деталью 6, служит делительный диск (лимб) 4, имеющий с обеих сторон несколько рядов отверстий, расположенных на концентрических окружностях. Отверстия на диске предназначены для фиксации рукоятки А в определённых положениях при помощи стержня фиксатора 5.

Рис. 4. Кинематическая схема универсальной делительной головки (удг)

Передача от рукоятки к шпинделю делительной головки осуществляется по двум кинематическим цепям.

При дифференциальном делении освобождается стопор 8, крепящий лимб к корпусу делительной головки, отключается червячная пара 2, 3 и при вращении рукоятки с лимбом передача к шпинделю осуществляется по цепи:

Где i см – передаточное отношение сменных зубчатых колёс.

При простом делении сменные зубчатые колёса отключены, лимб неподвижен, стержень фиксатора утоплен в рукоятке, при вращении которой движение к шпинделю передаётся по цепи:

Характеристикой делительной головки N называется величина обратная передаточному отношению червячной пары (обычно N = 40).

3.1. Настройка делительной головки на простое деление

При настройке делительной головки на простое деление сменные зубчатые колёса удаляются и уравнение кинематической цепи настройки имеет следующий вид:

,
где Z 0 – число делений, которые необходимо выполнить;

а – число отверстий на соответствующей расчёту концентрической окружности делительного диска 4;
в – число отверстий, на которые перемещается рукоятка А;
Z чк – число зубьев червячного колеса;
К – число заходов червяка.

Из уравнения следует:

,

Где Z чк = 40; К = 1; Z 1 = Z 2 , отсюда:

К делительной головке (УДГД–160) прилагается делительный диск, имеющий по семь концентрических окружностей с отверстиями на каждой стороне.

Число отверстий делительного диска:

На одной стороне – 16, 19, 23, 30, 33, 39 и 49;

На другой стороне – 17, 21, 29, 31, 37, 41 и 54.

Максимальный диаметр обрабатываемой детали – 160 мм.

Пример настройки

Настроить делительную головку для обработки зубчатого колеса Z 0 =34:

.

Следовательно, для осуществления данного деления необходимо произвести один полный оборот рукоятки и на окружности с числом отверстий 17 повернуть рукоятку на угол, соответствующий 3+1 отверстиям, и зафиксировать её в этом положении.

Для установки рукоятки с фиксатором на требуемую окружность делительного диска (рис. 5) нужно отпустить зажимную гайку, повернуть рукоятку так, чтобы стержень фиксатора попал в отверстие окружности, и вновь закрепить гайку.

Для отсчётов делений пользуются раздвижным сектором, состоящего из двух линеек 1 и 5, зажимного винта 3 для крепления их под требуемым углом и пружинной шайбы, удерживающей сектор от произвольного поворота.

После определения необходимой окружности на делительном диске и расчётного числа отверстий, на которое следует переставить фиксатор, сектор устанавливают так, чтобы число отверстий между линейками было на единицу больше числа, полученного при подсчёте (позиции 2 и 4), и поворачивают его сразу после перестановки фиксатора. Сектор должен находиться в данном положении до следующего деления, причём подводить его к отверстию следует плавно и осторожно так, чтобы фиксатор, снятый с предохранителя, вошёл в отверстие под действием пружины.

Если рукоятка переведена дальше требуемого отверстия, её отводят назад на четверть или полуоборота и вновь доводят до соответствующего отверстия. Для точности деления рукоятку с фиксатором следует вращать всегда в одном направлении.

Число оборотов рукоятки при простом делении приведено в прил. 1, при дифференциальном делении – в прил. 2.

3.2. Контроль размеров зуба

Нарезав первый зуб, необходимо измерить его толщину штангенциркулем или штангензубомером и высоту зуба – глубомером.

Толщина зуба S = m·a,

Где m – модуль зубчатого колеса в мм;

A– поправочный коэффициент (табл. 2).

Таблица 2. Зависимость величины поправочного коэффициента от числа зубьев

Данный материал основан на лекциях кафедры Технологии материалов (МТМ)

С точки зрения технологии и кинематики такой процесс, как нарезание зубчатых колес , является одной из самых сложных операций, выполняемых в процессе обработки заготовок на металлорежущих станках. Операции по нарезанию зубчатых коле с относятся к разряду весьма трудоемких, поскольку в процессе их осуществления требуется удалить немалый объем металла для того, чтобы обеспечить необходимую геометрическую конфигурацию готового изделия, причем таким образом, чтобы было обеспечено точное соответствие профилей зубьев расчетным параметрам.

Процедура нарезания зубьев на зубчатых колесах предполагает применение таких технологических процессов, как фрезерование, строгание, шлифование, долбление, протягивание, накатывание, а также некоторые другие.

Для достижения необходимой конфигурации профиля зуба при нарезании зубчатых колес используется два основных метода: обкатывание (огибание) и копирование (деление).

Метод копирования при нарезании зубчатых колес

Согласно этому распространенному методу при нарезании зубчатых колес методом копирования та впадина, которая располагается между зубьями, прорезается специализированным режущим инструментом (протяжкой, дисковой или пальчиковой фрезой, резцом, шлифовальным кругом), который имеет тот же профиль, что и сами режущие кромки. По технологии, он должен совпадать с тем профилем, который имеет впадина обрабатываемого колеса.

При использовании фрезерных станков для нарезания зубчатых колес методом копирования применяются дисковые модульные фрезы. Отдельно с каждым единичным делением нарезается строго определенный зуб колеса.

Чаще всего при помощи дисковых фрез производится нарезание зубьев на зубчатых колесах, которые используются в качестве запасных частей различных машин и механизмов. Это метод эффективен при изготовлении штучных изделий или небольших их партий. Следует заметить, что он не позволяет достичь высокой точности изготовления готовой продукции.

Нарезание зубьев с помощью дисковой фрезы производится следующим образом: заготовка закреплена в делительной головке, расположенной на столе фрезерного станка; он совершает поступательное движение на продольной подаче к фрезе, которая вращается, будучи закрепленной в шпинделе. Благодаря этому в заготовке прорезается паз, соответствующий конфигурации впадины, расположенной между зубьев. По окончании одной операции этого процесса при помощи делительной головки заготовка поворачивается и фиксируется в следующем положении, а процесс обработки повторяется заново, и так до тех пор, пока не будут нарезаны все зубья.

Методы зубонарезания

Пальчиковые модульные фрезы в большинстве случаев используются для того, чтобы производить нарезание зубчатых колес имеющих крупный модуль, на фрезерных станках. Обязательным условием успешного выполнения таких работ квалифицированным персоналом является необходимая конфигурация режущего инструмента: профиль как пальцевых, так и дисковых фрез обязательно должен совпадать с тем профилем, который имеют впадины, расположенные между зубьями обрабатываемого колеса.

Режим работы пальчиковых фрез достаточно сложен: они испытывают на себе ощутимые нагрузки, и поэтому нередко происходят их «отжимы», негативно влияющие на точность обрабатываемых изделий. Кроме того, нужно учитывать то обстоятельство, что режущий инструмент имеет конусную форму, а это означает, что при обработке им нельзя использовать повышенные режимы резания.

Метод обкатывания при нарезании зубчатых колес

При нарезании зубчатых колёс методом обкатки образование формы зуба зубчатого колеса происходит с помощью обкатки зубчатой пары, составным элементом которой является сама заготовка, а другим режущий инструмент. На практике его целесообразно использовать только при массовом производстве, поскольку необходимо изготавливать высокоточный инструмент (специальные фрезы).

Еще одним довольно распространенным способом производства зубчатых колес является применение червячных фрез. Этот режущий инструмент имеет трапецеидальную форму в нормальном сечении, а с точки зрения геометрической конфигурации является зубом рейки с определенными передними и задними углами заточки.

Нарезание зубьев при помощи червячных фрез осуществляется традиционным способом: режущему инструменту сообщается вращательное движение, а заготовке – поступательное в комбинации с вращательным. В результате такой комбинации движений получаются эвольвентные профили зубьев колес.

Для изготовления зубчатых колес используются и так называемые долбяки. Они, наряду с червячными фрезами, являются универсальными инструментами. Если говорить обо всех используемых методах изготовления зубчатых колес, то среди них наиболее производительным и точным является обкатывание.

для первой переборной группы передач i 4 = 1/j 3 ; i 5 =1/1;

для второй переборной группы передач i 6 =1/ j 4 ; i 7 =j 2 .

После того, как передаточные отношения всех передач, входя­щих в состав кинематической схемы, установлены, необходимо определить числа зубьев зубчатых колес.

ЛЕКЦИЯ 5

4.4. Расчет чисел зубьев зубчатых передач

Расчет чисел зубьев групповых передач можно осуществлять методом наименьшего общего кратного или табличным способом. Метод наименьшего кратного наиболее приемлем для случая, ког­да передаточные отношения представляют собой отношения про­стых чисел.

Для сокращения номенклатуры зуборезного инструмента, сни­жения стоимости станка модули всех зубчатых передач одной и той же группы следует делать одинаковыми. В этом случае у тяже­ло нагруженных шестерен увеличивают ширину или изготавлива­ют их из более качественных материалов, сохраняя работоспособ­ность.

При расчете чисел зубьев наиболее типичным случаем являет­ся расчет группы передач, состоящей из прямозубых колес (угол наклона b j == 0) одного и того же модуля.

Метод наименьшего общего кратного

Так как межцентровое расстояние w для всех зубчатых колес группы является величиной постоянной (рис. 4.9) и равно

то при одинаковом модуле зубчатых колес должно быть справед­ливо соотношение

где a w - межцентровоерасстояние группы передач;

m -модуль в мм;

b j - угол наклона зубьев;

: Sz- сумма чисел зубьев сопряженных колес;

z j и z’ j .-числа зубьев ведущего и ведомого колес.

Передаточное отношение пары зубчатых колес

Из уравнений (4.13) и (4.14) следует

Пусть ij = -^" = - L , где f j и g j - простые числа. Тогда формулы для расчета чисел зубьев примут вид

Так как z j и z" j должны выражаться целыми числами, то сум­ма чисел зубьев S z должна быть кратна (f j + g j), то есть

где К - наименьшее общее кратное всех сумм (f j + g j) рассчитыва­емой группы передач;

Е - целое число; Е = 1; 2; 3; ...

Если число зубьев шестерни, рассчитанное по формулам (4.16), получилось меньше допустимой величины, определяемой условием подрезания зубьев, то есть Z min < 17¸18, то

Значение E min округляется до ближайшего большего целого числа. Если из конструктивных соображений окажется, что сумма зубьев недопустимо мала, то ее увеличивают в целое число раз до прием­лемой величины. С другой стороны, сумма зубьев S z должна быть не больше 100-120.

Пример. Рассчитать числа зубьев в основной группе передач по рис. 4.9 и 4.10. Знаменатель j = 1,26. Из графика (см. рис. 4.10) определяем передаточные отношения группы, состоящей из трех передач, и записываем их в табл. 4.3.

Для передаточного отношения i min = 7/11, определим E min , приняв z min =18;

E min =18(7+11)/7*18»3; тогда сумма зубьев будет

S z = Е" *К = 3 * 18 = 54. Пользуясь формулами (4.16), находим

Расчет чисел зубьев в любой группе привода осуществляется

подобным образом. .

Табличный метод

Для облегчения расчетов чисел зубьев групповых передач при­ведена табл. 4.4 с указанием чисел зубьев меньшего зубчатого ко­леса. Пустые клетки означают, что при данной сумме S z переда­точное отношение не может быть выдержано в требуемых преде­лах с максимально допустимой погрешностью ±10 (j-1)%.

При определении чисел зубьев по табл. 4.4 для рассчитываемой группы передач выбирается сумма зубьев сопряженных колес S z так, чтобы отношение чисел зубьев этой суммы Z j /Z¢ j обеспечиваловсе передаточные отношения сопряженных пар в данной группе. Сумма зубьев сопряженных колес S z не должна быть больше 120.

Пример. Определить числа зубьев трех пар сопряженных зубча­тых колес, которые должны обеспечить передаточные отношения

Если по табл. 4.4 взять, например, Sz=76, то при

I 1 =1/2.82; z 1:z¢ 1 =(76-20):20 а при i 2 =1/2; и i 3 =1/1.41 имеем пустые клетки. Следовательно, надо найти такое значение S z , которое удовлетворяет всем трем передаточным отношениям.