Проектирование долбяка

Проектирование долбяка

Министерство образования и науки РФ

Федеральное агентство по образованию ФГБОУ ВПО

Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова

Кафедра Технология автоматизированных производств

Проектирование долбяка

Расчетное задание

по дисциплине: Проектирование режущего инструмента

РЗ 151001 008 000 ПЗ

Барнаул 2013г.

Введение

Основные понятия о процессе зубонарезания.

Для нарезания зубьев цилиндрических колес применяются зуборезные инструменты. Это наиболее сложные и дорогостоящие из всех видов лезвийных инструментов, так как содержат большое число высокоточных режущих фасонных кромок, изготавливаются из высококачественных инструментальных материалов и характеризуются высокой трудоемкостью и сложностью контроля многочисленных параметров.

Нарезание зубьев цилиндрических колес может производится либо методом копирования, либо методом обкаточного огибания (обкатки).

При методе копирования профиль режущих кромок полностью соответствует профилю впадин между зубьями колеса. По такому методу работают дисковые и пальцевые фасонные фрезы, а также зубодолбежные многорезцовые головки, обеспечивающие высокие точность и производительность, так как удаляют металл одновременно из всех впадин. Но в то же время это наиболее дорогостоящий, сложный в изготовлении и применяется только в массовом производстве.

Достоинством метода копирования является простая кинематика станка. Однако точность изготовления зубьев колес дисковыми и пальцевыми фрезами относительно низка из-за неизбежных погрешностей изготовления фасонных зубьев инструментов и установки их относительно заготовки.

При методе обкаточного огибания (обкатки) центроиды инструмента и нарезаемого колеса обкатываются друг по другу без скольжения, а профиль нарезаемых зубьев колеса формируется как огибающая различных положений режущих кромок при зубонарезании. Форма режущих зубьев у этих инструментов не совпадает с профилем впадин между зубьями нарезаемых колес и определяется в результате достаточно сложных расчетов. По этому принципу работают зуборезные гребенки, червячные фрезы, долбяки, зубострогальные резцы, головки для нарезания конических колес и др. Достоинство этих инструментов - универсальность. Ими можно нарезать колеса данного модуля с различным числом зубьев. При этом точность нарезаемых колес выше точности колес, обработанных по методу копирования. Недостатки: сложные кинематика зуборезных станков и конструкция самих инструментов.

Проектирование зуборезных инструментов заключается в определении формы и размеров режущих зубьев и базируется на законах зацепления зубчатых передач.

В связи с тем, что подавляющее большинство зубчатых колес, применяемых в машиностроении, имеют цилиндрическую форму и зубья эвольвентного профиля, то далее рассматриваются вопросы проектирования долбяков и червячных фрез для нарезания именно таких колес.

1. Исходные данные

долбяк зуборезный инструмент расчет

Основные исходные данные: модуль по нормали т=2 мм; профильный угол исходного контура α, угол наклона зубьев на делительном цилиндре β1 = 0°; число зубьев .колес: нарезаемого Z1=36, сопряженного Z2=50, коэффициенты смещения исходного контура: нарезаемого колеса х1=0,25 сопряженного колеса х2=0,25 ; наименьшее отклонение толщины зуба нарезаемого колеса Аce=70 мкм (таблица 1); допуск на радиальное биение зубчатого венца Fr=50 мкм (таблица 2 ); допуск на толщину зуба Тс=80 мкм (таблица 3); допустимое срезание боковых сторон у вершин зуба ∆R1=∆R2=0 коэффициент высоты головки зуба, ha* = 1,0; коэффициент радиального зазора с* = 0,25.

Примем условные обозначения: «1» - индекс нарезаемого колеса; «2» - сопрягаемого с ним колеса; «0» - зуборезного инструмента».

.1 Дополнительные исходные данные:

Геометрические и технологические параметры прямозубых зубчатых колес (по ГОСТ 16532-80)

.1.1 Угол профиля град., а=20°;

.1.2 Коэффициент суммы смещений ХΣ=Х1 +Х2=0,25+0,25=0,5;

.1.3 Инволюта угла профиля inv а = tga - а=tg20-20= 0,014904;

1.1.4 Инволюта угла зацепления invαw12= + inva = 0,0188;        αw12=21,55°;

1.1.5 Межосевое расстояние αw12=  = ==86.88мм;

.1.6 Делительное межосевое расстояние а12===86мм;

.1.7 Делительный диаметр колес: нарезаемого d1===72мм;

и сопряженного с ним d2===100мм;

.1.8 Коэффициент воспринимаемого смещения Y===0,44;

.1.9 Коэффициент уравнительного смещения ∆Y = XΣ - Y= 0,5 - 0,44 =0,06;

.1.10 Диаметр вершин зубьев колес: нарезаемого dal=d1+2(ha*+X1-∆Y)m =72+2(1+0,25-0,06)*2=76,76мм;

и сопрягаемого с ним da2=d2+2(ha*+X2-∆Y)m=100+2(1+0,25-0,06)2=104,76мм;

.1.11 Диаметр впадин колес: нарезаемого dfl=d1-2(ha*+c*-x1)m=72-2(1+0,25-0,25)2=68мм;

и сопряженного с ним df2=d2-2(ha*+c*-x2)m=100-2(1+0,25-0,25)2 =96мм;

1.1.12 Толщина зуба по нормали на делительной окружности нарезаемого колеса

g1 (ном) = (+ 2Х1 tga)m= (+ 2*0,25*tg20)2 =3,5мм;

.1.13 Средняя толщина зуба (с учетом наименьшего отклонения толщины зуба Асе и допуска на толщину зуба Тс)

По таблице 1[1] для степени точности колес 9-С и диаметром делительной окружности нарезаемого колеса до 400 мм(d1=72 мм) Асе=70мкм;

По таблице 2[1] для степени точности колес 9-С и модуля колеса от 1 до3,5 мм (m=2 мм) и диаметром делительной окружности нарезаемого колеса до 125мм(d1=72 мм) Fr= 50мкм;

По таблице 3[1] для степени точности колес 9-С и допуском на радиальное биение зубчатого венца Fr= 50мкм, Tс=80мкм ;

Sn1=Sg1 (ном) -Асе/1000 + Тс/2000=3,5 -70/1000 + 80/2000=3,47мм;

.1.14 Высота зуба нарезаемого колеса

h1===4,38мм;

.1.15 Диаметр основной окружности колес: нарезаемого db1 = d1 cosa1

= 72* cos20=67,65мм и сопряженного с ним db2 = d2 cosa2= 100 cos20= 93,96мм;

2. Цель и задачи проектирования

Цель работы: Освоить методики проектирования зуборезных инструментов в ручном и автоматизированном режимах.

Задание: Спроектировать долбяк для нарезания цилиндрических зубчатых колес с эвольвентным профилем.

3. Теоретическая часть

Назначение, область применения и типы долбяков. Долбяк представляет собой режущий инструмент, выполненный в виде зубчатого колеса, у которого вершины и боковые стороны зубьев снабжены передними и задними углами.

Долбяки предназначены для нарезания зубьев цилиндрических прямозубых, косозубых и шевронных колес, а также колес внутреннего зацепления. Долбяки незаменимы при нарезании зубьев в упор, например на блочных колесах или колесах с фланцами. Они обеспечивают большую производительность при нарезании колес с узким буртом и большим числом зубьев, при нарезании зубчатых секторов и реек. Следует отметить их высокую технологичность, возможность достижения высокой точности при изготовлении и широкую универсальность в применении.

Профиль зубьев нарезаемого колеса образуется как огибающая различных положений режущих кромок долбяка относительно заготовки.

Из-за прерывистости процесса резания и невозможности развивать высокие скорости резания вследствие больших сил инерции долбяк по производительности уступает червячным фрезам.

В машиностроении применяются дисковые, чашечные и хвостовые долбяки. Чашечные долбяки отличаются от дисковых тем, что имеют специальное углубление , в котором размещаются элементы крепления во избежание контакта с обрабатываемой шестерней. Хвостовые долбяки имеют малый диаметр и применяются при нарезании колес внутреннего зацепления и мелкомодульных колес (m < 1 мм). Для нарезания косозубых и шевронных колес применяют косозубые долбяки.

Стандартные долбяки (ГОСТ 9323-79) изготавливаются трех классов точности АА, А и В для нарезания колес соответственно 6, 7 и 8-й степеней точности.

К числу недостатков долбяков следует отнести: сложность кинематики зубодолбежных станков, ограничения применяемости по числу зубьев нарезаемых колес из-за вносимых погрешностей в их профиль.

Рис. Схема работы долбяка

.1 Выбор инструментального материала

При выборе инструментального материала необходимо учитывать, что материал должен иметь повышенную сопротивляемость к ударным нагрузкам и пониженную к прижогам при шлифовании инструмента. Твердосплавные материалы используются редко в связи с большими проблемами, связанными с механической обработкой. В таблице 1 приводятся марки и физико-химические свойства некоторых распространенных быстрорежущих сталей, а также рекомендации по их применению.

Таблица 1 - Быстрорежущие стали (ГОСТ 19265-73)

Р6М5 - применяется для изготовления всех видов режущих инструментов при обработке на обычных скоростях резания углеродистых и среднелегированных конструкционных сталей с прочностью до 900-1000 МПа, а также зуборезных и резьборезных инструментов при обработке нержавеющих сталей.

Р6М5 - применяется для изготовления всех видов режущих инструментов при обработке на обычных скоростях резания углеродистых и среднелегированных конструкционных сталей с прочностью до 900-1000 МПа, а также зуборезных и резьбонарезных инструментов при обработке нержавеющих сталей.

Р9К5 - применяется для изготовления черновых и получистовых режущих инструментов (фрез, долбяков, метчиков и т.п.), предназначенных для обработки углеродистых и легированных конструкционных сталей на повышенных режимах резания, а также для обработки различных труднообрабатываемых материалов.

Р9К10 - применяется для изготовления черновых и получистовых режущих инструментов (резцов, червячных фрез, зенкеров и т.п.), при обработке на повышенных режимах резания углеродистых и легированных конструкционных сталей, а также для обработки нержавеющих, высокопрочных сталей и некоторых жаропрочных сплавов.

Р6М5К5 основная марка быстрорежущей стали повышенной производительности, применяемая для изготовления различных черновых и получистовых инструментов (фрез, долбяков, зенкеров, резьбонарезных и т.п.), предназначенных для обработки углеродистых и легированных конструкционных сталей на повышенных режимах резания, а также нержавеющих сталей и жаропрочных сплавов.

Исходя из методических указаний принимаем инструментальный материал сталь Р6М5.

.2 Параметры исходной инструментальной рейки (рисунок 1).

Для зуборезных инструментов основные параметры зубьев в определенном (исходном) сечении задаются равными параметрам зуба исходной инструментальной рейки.

Рисунок 1 - Параметры инструментальной рейки

В частном случае, при Z = ∞ эвольвента становится прямой линией. Это дает основания использовать в эвольвентном зацеплении рейку с прямобочным профилем. Тогда начальная окружность dw1 нарезаемого колеса обкатывается по начальной прямой рейки, а угол профиля рейки а0 становится равным углу зацепления зубчатых колес а.

В соответствии с действующими стандартами для эвольвентного зацепления исходная инструментальная рейка будет иметь параметры (для немодифицированных колес), указанные в таблице 2.

Таблица 2 - Основные параметры инструментальной рейки

4. Расчет конструктивно-геометрических параметров долбяка

Фактический диаметр делительной окружности d0 =80 мм.

Диаметр окружности выступов da0=, мм

Делительная высота головке зуба ha0=2,5 мм

Делительная высота ножки зуба hf0=2,5мм

Делительная толщина зуба Sn0=2,81 мм

Чисто зубьев долбяка z0=40

Смещение исходного сечения нового долбяка А =2.13 мм

Смещение исходного контура предельно сточенного долбяка Ас=8,63мм

Высота долбяка В =15 мм

Задний угол aa0=6°

Передний угол γa0=5°

Диаметр окружности вершин зубьев в плоскости переднего торца dta0=85,16 мм

Высота головки зуба в плоскости переднего торна hta0 = 2,72 мм

Толщина зуба на окружности выступов в пл. переднего торца Sta0=0,7359мм

Профильный угол долбяка на делительном цилиндре а0=20.17°

Боковой задний угол на делительном цилиндре aδ=2,21°

Боковой задний угол на основном цилиндре aδn = 2,076°

Диаметр основной окружности долбяка db0,= 75,09 мм

Высота головки до хорды на передней поверхности 2,765 мм

Толщина зуба по хорде на передней поверхности 2,23 мм

Результаты проверок расчетов конструкции долбяка:

на минимально допустимую толщину зуба при вершине:

Stao > S'tao

,7359 > 0,72;

на отсутствие интерференции:

ρ12≥ ρ10: 9.12>8,9;

на отсутствие срезания головки зуба нарезаемого колеса:

(аw20 sin ас20 - 0.5) > 0:

,720

на отсутствие подрезания ножки зуба нарезаемого колеса:

:

Так как все условия выполняются, то оформляем рабочий чертеж долбяка.

Выбрать основные габаритные размеры долбяка (табл.2.1)[1].

Габаритные размеры долбяка (рисунок 2.2) [1]: диаметр отверстия d1; диаметр выточки d2, высота долбяка В и ширина ступицы В1, выбираются по заданным модулю m и номинальному диаметру делительной окружности долбяка dном.

d1=31,73 мм; B=15 мм; B1=8 мм; d2=50 мм;

Выбрать геометрические параметры режущей части долбяка.

С увеличением переднего γао и заднего (αао углов при вершине зуба долбяка улучшаются условия резания, повышается количество переточек, но снижается точность профиля нарезаемых колес. Поэтому рекомендуется [2.1] для угла зацепления а = 20° принять эти углы: для чистовых долбяков αао=6°, γао=5°, а для черновых αао=6°, γао=10°.

Определить число зубьев долбяка.

Выбор zo зависит от модуля, габаритных размеров заготовки (диаметр и ширина зубчатого венца колеса) и номинального делительного диаметра зубодолбежного станка. Следует учесть, что чем больше zo, тем выше стойкость долбяка, больше запас на переточку и меньше погрешность при зубонарезании.

Расчетное количество зубьев долбяка zop определим по формуле:

zop = doном /m = 80/2 = 40.

Уточнить фактический диаметр делительной окружности долбяка do=m*zo=2*40 =80 мм.

Рассчитать размеры зубьев долбяка в исходном сечении.

Так как параметры зубьев долбяка в исходном сечении соответствуют параметрам инструментальной рейки, то воспользуемся формулами, приведенными в разделе 1.2, таблица 5[1].

(где Snl см. поз. (1.1.13);

Рассчитать профильный угол долбяка на делительном цилиндре (с точностью до г):

tga0== = 0,367 откуда a0= 20,17°;

Уточнить диаметр основной окружности долбяка (с точностью до 0,0001мм):

db0 = d0*cosa0= 80*cos20,17°=75,09 мм;

Рассчитать боковые задние углы (углы наклона винтовых линий на боковой поверхности зуба) долбяка с точностью до 1" (рисунок 2.2.)[1]:

в сечении плоскостью А - А, касательной к делительной окружности do

tgaδ=tgaao*tga0=tg6*0,367 =0,03857 откуда aδ=2,21°=2°12'32"

в нормальном (к боковой поверхности зуба) сечении плоскостью N - N, касательной к основному цилиндру rb0

tgan =tgaao* sin а0=tg6* sin 20,17°=0,03624 откуда an=2,076°=2°4'32''

Условие (aδ, an) >2° выполняется

Выбрать начальную величину смещения А исходного сечения нового долбяка (рисунок 2.1.)[1] относительно вершины зуба.

Экспериментально установлено, что при увеличении А повышаются: стойкость долбяка, качество обработанной поверхности и количество переточек. Однако, в этом случае уменьшается толщина Stao зуба долбяка при вершине и появляется опасность возникновения интерференции зубчатых колес, нарезанных долбяком.

На начальном этане воспользуемся уравнением, которое можно получить из рисунка 2.1[1]:

==2,13;

где х0 -коэффициент смещения исходного контура долбяка;

Для выбора коэффициента смещения х0 можно воспользоваться рекомендациями ГОСТ 9323 -79:

х0 = 0,01 (z0 - 10)= 0.01 (40 - 10)=0,3.

Так как величина А оказывает существенное влияние на конструкцию и эксплуатацию долбяка, то в дальнейшем при проверочных расчетах её необходимо оптимизировать. Оптимизация осуществляется путем изменения А с шагом ∆Ai = 0,5 и выбора оптимальной величины Ai.

Определить размеры долбяка в плоскости t-t переднего торца

высоту головки зуба hta0 = ha0 +А*tgaa0= 2,5+ 2,13*0,105=2,72мм;

высоту ножки зуба htf0 = hf0 +А*tga a0= 2,5+2,13* 0,105 =2,72мм;

диаметр окружности вершин зубьев dta0 = d0 + 2ha0 + 2A*tgaδ = 80 + 2*2,5 + 2*2,13*0,03857 =85,16мм;

угол зацепления в этом сечении ata0=arccos= arccos=0,8817 = 28°20'

толщину зуба по дуге делительной окружности

St0=Sn0+2A*tgaδ=2,81+2*2,13*0,03857 = 2,97мм;

толщину зуба на окружности выступов

Stao= dtao*= 85,16*=85,16*( 0,0371+ 0,0153 - 0,0440)= 0,7359мм;

Ориентировочно можно принять минимально допустимую толщину зуба S'tao ( мм) при вершине в следующих пределах:

для m = l,75, S'tao = 0,7; для m = 2,0, S'tao =0,72 ; для m = 2,5, S'tao =0,84;

для m = 2,75, S'tao = 0, 87; для m = 3,0, S'tao = 0, 90 .

Принять для m = 2, S'tao =0,72мм;

Проверить проектируемый долбяк на минимально допустимую толщину зуба при вершине: Stao > S'tao

Условие выполняется 0,7359 > 0,72;

Выполнить проверку нового долбяка на отсутствие интерференции, т.е. возможного наличия неэвольвентных участков на зубьях, нарезанных долбяком.

Для чего необходимо определить:

угол зацепления при нарезании колеса zi долбяком:

invα10= + inva =  0,0207; α10=22°5';

межосевое расстояние при нарезании колеса z2 долбяком

αw10=  = =77,03мм;

радиус кривизны граничной точки профиля зуба колеса z1 при нарезании долбяком:

ρ10 = αw10 sinα10-= 77,03*sin22°5'-=8,9мм;

угол зацепления при работе зубчатых колес z1 и z2:

invα12= + inva = 0,0191;       α12=21,65°;

межосевое расстояние при сцеплении зубчатых колес Z1 и Z2 :

αw12=  = =87,12мм;

радиус кривизны граничной точки профиля зуба колеса z1,

необходимый для нормального зацепления с колесом z2:

ρ12 = αw12 sinα12-= 87,12*sin21°55'-=

= 9,12мм;

Проверить рассчитанные параметры долбяка на отсутствие интерференции по условию: ρ12> ρ10;

.12>8,9;

Неравенство выполняется.

Выполнить проверку рассчитанных параметров долбяка на отсутствие срезания головки зуба нарезаемого колеса.

Для выполнения этой проверки необходимо рассчитать размеры предельно сточенного долбяка (сечение С-С, рисунок 2.1):

Определить отрицательное смещение Ас исходного сечения предельного сточенного долбяка, допускаемое его прочностью.

Практика [2] показала, что толщину предельно сточенного долбяка для m = 1... 10 мм можно принимать в пределах

BС = 3 = 3* = 4,24 > 4.

Тогда: Ас = В - (Ai + Bc)= 15-(2,13+4.24) = 8,63 мм.

Определить диаметр окружности по вершинам зубьев предельно сточенного долбяка

dca0 = d0 + 2ha0 + 2Aj * tgaao = 80+2*2,5-2*2,13*tg6°= 80+5+0.44 = 80,75мм.

Рассчитать теоретический угол зацепления сточенного долбяка и колеса z2 , сопрягаемого с нарезаемым z1:

Определить теоретическое межосевое расстояние сточенный долбяк - сопрягаемое колесо z2:

 мм.

Проверить конструкцию долбяка на отсутствие срезания головки зуба нарезаемого колеса:

Условие выполняется. Проверить конструкцию долбяка на отсутствие подрезания ножки зуба нарезаемого колеса.

Условие выполняется.

Оценить полноту использования положительного Ai и отрицательного Aci исходных расстояний долбяка по неравенству:

(Ai +Aci)≤ (В+Вс)

(2,13 +8,63)≤ (15+4.24)

Неравенство выполняется. Оптимальные величины исходныхрасстояний Ai и Aci будут использованы полностью.

Рассчитать размеры зубьев нового долбяка на передней поверхности.

Так как долбяк всегда имеет передний угол γао > 0, то секущая плоскость t - t (рисунок 2.1) не совпадает с передней поверхностью инструмента. Однако, для контроля при изготовлении и эксплуатации долбяков необходимы следующие параметры зуба в плоскости, совпадающей с передней поверхностью зуба:

делительная толщина зуба S`n0 = Sn0 + (А - hta0 * tgγa0 )* tgaδ = 2,81 + (2.13 - 2,72 * tg5° )* tg2,21°=2,81 + (2.13 - 2,72 * 0.08749 )* 0,03857=2,8829мм;

половину угловой толщины зубьев =2,01°

высота головки зуба до хорды =

=2,765мм

толщину зуба по хорде =2,23;

По ГОСТ 9323-79 установить и описать технические требования на изготовление долбяка.

Литература

1. Федоров Ю.В., Леонов С.Л., Черданцев А.О., Карпов Д.А.. Проектирование зуборезных инструментов: долбяков и червячных фрез с использованием ЭВМ. Методическое указание по дисциплине «Проектирование режущего инструмента». Для студентов направлений: 151000 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»; 150900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств» и специальности 151001 «Технология машиностроения»/ Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2007. - с.