4.8. Зубофрезерные станки

Зубофрезерные станки характерны действием переменных усилий резания при одновременном требовании высокой точности обработки. Обрабатываемые шестерни, как известно, проверяют по нескольким параметрам (шагу, биению начальной окружности и др.), и поэтому к деформации узлов станка следует предъявлять соответствующие требования.

Процесс нарезания весьма длительный, и поэтому применение высоких режимов обработки является необходимым условием для повышения производительности станка. Вместе с тем переменность сил резания во времени является источником вибраций, которые могут возникнуть в станке, особенно при скоростных методах зубофрезерования. Поэтому компоновка зубофрезерных станков должна обеспечивать высокую точность обработки при восприятии высоких усилий резания, благодаря жесткости и виброустойчивости системы.

При зубофрезеровании на узлы станка действует пространственная система сил и силу резания можно оценить величиной ее составляющих , и (рис. 4.25, а). Сила резания действует одновременно на фрезерный суппорт, переднюю стойку, а также на стол станка и его опоры.

При нарезании прямозубых колес составляющая невелика и можно рассматривать систему сил в одной плоскости. Для анализа сил часто удобнее разлагать силу резания на радиальную и окружную составляющие (рис. 4.25, б).

Характер сил зависит от метода зубофрезерования — встречного или попутного. В последние годы наряду с обычным методом зубофрезерования «встречным сверху» начинает все шире применяться попутное фрезерование. При этом методе улучшается чистота обработки и повышается стойкость фрезы.

В процессе зубофрезерования силы резания изменяются во времени как по величине, так и по направлению. На рис. 4.25, в показано изменение составляющей в функции угла поворота фрезы . Характер изменения силы резания близок к синусоидальному.

Реакции и силы трения, возникающие в узлах станка как производные от сил резания, также переменны во времени. Так, сила трения в направляющих фрезерного суппорта имеет характер, показанный на рис, 4.25, г.

Таким образом, характер действующих сил создает условия для возникновения колебаний в зубофрезерном станке в процессе обработки. В первом приближении всю колебательную систему зубофрезерного станка можно разделить на две независимые части — систему рамы (станина, передняя и задняя стойка, траверса) и систему привода фрезы (приводные механизмы, фрезерный суппорт).

Компоновка зубофрезерного станка должна, во-первых, обеспечить жесткость системы рамы, не допуская относительных колебаний инструмента и заготовки, во-вторых, система привода и конструкция фрезерного суппорта не должны допускать возникновения крутильных колебаний инструмента и изделия.

Рис. 4.25. Силы резания, действующие при зубофрезеровании

На практике применяют различные компоновки зубофрезерных станков: с вертикальной и горизонтальной осью изделия, сдвоенные станки и др. Но и в пределах наиболее распространенной компоновки станка, относящейся ко II группе типовых случаев, применяют различные варианты, которые показаны на рис. 4.26.

Компоновка в виде незамкнутой рамы (4.26,а) может обеспечить достаточную жесткость лишь при массивных передней и задней стойках и сравнительно невысоких режимах обработки. Более целесообразно применение рамной конструкции с верхней траверсой, см. рис. 4.26,б,в.

Рис.4.26. Различные компоновки зубофрезерных станков

Для взаимной установки фрезы и заготовки или для подачи при нарезании червячных колес перемещение сообщается столу с задней стойкой (рис. 4.26,б) или передней бабке (4.26,в). Второй вариант лучше, так как значительный вес передней бабки и более простая ее конфигурация обеспечивают большую жесткость перемещающегося узла.

Для возможности встройки зубофрезерного станка в автоматическую линию применяют вертикальную компоновку станины (рис. 4.26,г) с жесткой контрподдержкой и выдвижной гидропинолью. Станок имеет вертикальное перемещение стола с заготовкой и горизонтальное перемещение зубофрезерного суппорта. Такая компоновка, примененная в станке модели 5312, обеспечивает удобство обслуживания, большую жесткость и виброустойчивость станка.

Имеются конструкции зубофрезерных станков, выполненные с неподвижной траверсой и двумя стойками — неподвижной и подвижной д. Такую конструкцию нельзя признать целесообразной, так как усложнение станка не вносит существенных улучшений в виброустойчивость системы.

Как показывают исследования, после достижения рамой станка определенной жесткости ее дальнейшее повышение не оказывает существенного влияния на уменьшение интенсивности колебаний. Это объясняется тем, что большое значение при зубофрезеровании имеют крутильные колебания узла изделия. Поэтому конструкция фрезерного суппорта с точки зрения виброустойчивости имеет существенное значение для работы всего станка.

Медленное перемещение суппорта, на который действуют переменные силы резания, создает условия для возникновения вибраций, особенно при наличии зазоров в механизмах. Для их устранения в паре ходовой винт подачи суппорта — гайка часто применяют гидравлические устройства.

На рис. 4.27 показаны силы, действующие на суппортный узел, где G — сила тяжести суппортного узла, — сила трения в направляющих, — сила на поршне гидроцилиндра, — усилие подачи, и — силы резания, Q — удельное давление, вызываемое опрокидывающим моментом от сил, действующих на суппортный узел; q — удельное давление, вызываемое горизонтальными составляющими сил.

Направление силы и эпюры удельных давлений изображены для случая встречного фрезерования. При попутном фрезеровании сверху сила имеет обратное направление

Рис. 4.27. Силы, действующие на узел суппорта зубофрезерного станка

Как показывают исследования работы зубофрезерного станка, при встречном сверху способе зубофрезерования каретка в основном работает на отжим от направляющих. При этом снижается жесткость тех конструкций зубофрезерных станков, у которых каретка прикрепляется к направляющим при помощи планок, так как планки обладают меньшей жесткостью по сравнению с самой кареткой.

Так как сила резания имеет пульсирующий характер, то и деформации суппортного узла в процессе фрезерования тоже все время изменяются. Эти переменные деформации усиливают интенсивность колебаний упругой системы станка, в частности суппортного узла, внося добавочное изменение сечения стружки.

При попутном фрезеровании система сил изменяется, и каретка суппорта прижимается к направляющим стойки, что способствует повышению жесткости и более благоприятным условиям зубофрезерования.

Изучение усилий, действующих в суппортном узле, позволяет сделать вывод о том, что для станков средних размеров можно не применять гидроцилиндры для выбора зазоров в винтовой паре. Для повышения жесткости и виброустойчивости суппортного узла необходимо уменьшать вылет суппорта, удлинять каретку и повышать жесткость винтовой пары и каретки.

Представленный анализ усилий, действующих на основные звенья станка, позволяет выбрать правильный вариант компоновки и конструктивного оформления как станка в целом, так и отдельных его узлов.