Червячная фреза

Червячная фреза — это многолезвийный режущий инструмент, предназначенный для нарезания зубьев на цилиндрических колёсах с внешним и внутренним зацеплением, а также для обработки шлицевых валов, червяков и других деталей с винтовыми поверхностями. Относится к классу фрез, работающих по методу обкатки (огибания). Червячные фрезы являются основным инструментом для зубонарезания в массовом и серийном производстве, обеспечивая высокую производительность и точность обработки.

История

Процесс зубонарезания червячной фрезой был разработан и запатентован в 1856 году американским изобретателем Джеймсом Нейсмитом, который предложил использовать инструмент, напоминающий червяк, для нарезания зубьев на колёсах. Однако широкое промышленное применение метод получил лишь в конце XIX века, когда немецкий инженер Генрих Шик (Heinrich Schick) в 1897 году создал первый зубофрезерный станок, работающий по принципу обкатки. В России первые зубофрезерные станки и червячные фрезы начали применяться в начале XX века на заводах, выпускавших шестерни для паровозов и автомобилей. В советский период, с 1930-х годов, было налажено массовое производство стандартизированных червячных фрез, что способствовало развитию машиностроения, в том числе танкостроения и авиастроения.

Устройство и конструкция

Червячная фреза конструктивно напоминает червяк, на котором прорезаны канавки, образующие режущие зубья. Основные элементы:

• Корпус — цилиндрическая или коническая заготовка, на которой расположены зубья. Изготавливается из быстрорежущей стали (Р6М5, Р18), твёрдых сплавов (ВК8, Т15К6) или с алмазным покрытием.
• Режущие зубья — расположены по винтовой линии вдоль оси фрезы. Каждый зуб имеет переднюю и заднюю поверхности, а также режущие кромки. Количество зубьев (заходов) может быть от 1 до 4 и более.
• Стружечные канавки — винтовые или прямые пазы между зубьями, обеспечивающие отвод стружки и подвод смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ).
• Посадочное отверстие — центральное отверстие для установки фрезы на оправку зубофрезерного станка. Обычно имеет шпоночный паз для фиксации.
• Затылованные зубья — задняя поверхность зубьев выполняется по архимедовой спирали или по эвольвенте, что обеспечивает постоянство профиля при переточках.

Геометрические параметры

Основные параметры червячной фрезы:

• Модуль (m) — основной параметр, определяющий размер зубьев нарезаемого колеса. Измеряется в миллиметрах.
• Угол профиля (α) — обычно 20° для стандартного зацепления.
• Угол подъёма винтовой линии (γ) — зависит от числа заходов и модуля.
• Передний угол (γ) — обычно 0° для чистовых фрез, может быть положительным (до 10°) для черновых.
• Задний угол (α) — обычно 10–12°.
• Число зубьев (z) — от 6 до 20 и более.

Классификация

Червячные фрезы классифицируются по нескольким признакам.

По назначению

• Зуборезные червячные фрезы — для нарезания цилиндрических зубчатых колёс с эвольвентным профилем. Наиболее распространённый тип.
• Шлицевые червячные фрезы — для обработки шлицевых валов (прямобочных, эвольвентных, треугольных).
• Червячные фрезы для нарезания червяков — для изготовления червяков (архимедовых, эвольвентных, конволютных).
• Специальные фрезы — для нарезания звёздочек цепных передач, колёс с неэвольвентным профилем, деталей с внутренним зацеплением.

По конструкции

• Цельные — изготавливаются из одного куска инструментальной стали. Применяются для модулей до 10 мм.
• Сборные (насадные) — состоят из корпуса и сменных режущих пластин (из твёрдого сплава или быстрорежущей стали). Используются для крупных модулей (свыше 10 мм) и в тяжёлом машиностроении.
• С напайными пластинами — режущие кромки выполнены из твёрдого сплава, припаянного к корпусу из конструкционной стали.

По числу заходов

• Однозаходные — обеспечивают наибольшую точность, но низкую производительность.
• Двухзаходные — компромисс между точностью и скоростью обработки.
• Трёх- и четырёхзаходные — применяются для черновой обработки и в массовом производстве, где важна скорость.

По точности

В России стандартизированы классы точности червячных фрез по ГОСТ 9324-2015:

• Класс AA — для особо точных колёс (степень точности 6–7).
• Класс A — для точных колёс (степень 7–8).
• Класс B — для колёс средней точности (степень 8–9).
• Класс C — для грубых колёс (степень 9–10).

Принцип работы

Червячная фреза работает на зубофрезерном станке по методу обкатки. Инструмент и заготовка вращаются синхронно, имитируя зацепление червячной пары: фреза выступает в роли червяка, а заготовка — в роли червячного колеса. В процессе вращения режущие зубья фрезы последовательно срезают слой металла, формируя впадины между зубьями будущего колеса. Ось фрезы наклонена под углом подъёма её винтовой линии, чтобы режущие кромки совпадали с направлением зубьев нарезаемого колеса.

Основные движения станка:

1. Главное движение — вращение фрезы (режущее движение).
2. Движение подачи — вращение заготовки (согласованное с вращением фрезы).
3. Движение осевой подачи — перемещение фрезы вдоль оси заготовки (или заготовки вдоль оси фрезы) для обработки всей ширины венца.
4. Движение врезания — радиальное перемещение фрезы к заготовке для достижения заданной глубины.

Применение

Червячные фрезы широко используются в машиностроении, приборостроении, автомобильной, авиационной и судостроительной промышленности. Основные области применения:

• Зубонарезание цилиндрических колёс — для коробок передач, редукторов, дифференциалов, станков и других механизмов.
• Обработка шлицевых валов — в трансмиссиях, приводах, шпинделях.
• Изготовление червяков — для червячных редукторов, рулевых механизмов, делительных головок.
• Нарезание звёздочек — для цепных передач (в мотоциклах, велосипедах, конвейерах).
• Специальные задачи — обработка колёс с внутренним зацеплением, профильных деталей, например, в производстве турбин и компрессоров.

В России и странах СНГ червячные фрезы выпускаются по ГОСТ 9324-2015 (для зуборезных фрез) и ГОСТ 8027-86 (для шлицевых фрез). Крупнейшие производители — Инструментальный завод «МИЗ» (Москва), «Самарский инструментальный завод», «Кировский завод» и другие.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая производительность — за один проход фреза может нарезать зубья по всей ширине венца.
• Универсальность — одной фрезой можно нарезать колёса с разным числом зубьев (в пределах одного модуля).
• Точность — современные фрезы класса AA обеспечивают точность до 6-й степени по ГОСТ 1643-81.
• Возможность обработки твёрдых материалов — при использовании твёрдосплавных фрез и покрытий (TiN, TiAlN).

Недостатки

• Высокая стоимость — особенно для прецизионных фрез из твёрдых сплавов.
• Сложность заточки — требует специального оборудования (затыловочных станков).
• Ограничение по модулю — для крупных модулей (свыше 20 мм) фрезы становятся громоздкими и дорогими.
• Износ — при работе с абразивными материалами или без СОЖ режущие кромки быстро тупятся.

Интересные факты

• Первые червячные фрезы изготавливались из углеродистой инструментальной стали, но уже в начале XX века их начали делать из быстрорежущей стали, что позволило увеличить скорость резания в 3–4 раза.
• В СССР в 1960-х годах были разработаны червячные фрезы с твёрдосплавными пластинами для нарезания закалённых колёс (HRC 45–55), что позволило отказаться от последующей шлифовки зубьев.
• Современные червячные фрезы могут иметь до 4 заходов, что увеличивает производительность в 4 раза по сравнению с однозаходными, но снижает точность на 1–2 степени.
• Для нарезания колёс с внутренним зацеплением используются специальные червячные фрезы с обратным конусом, которые работают по методу «внутреннего обката».

Источники

• ГОСТ 9324-2015 «Фрезы червячные зуборезные. Технические условия».
• ГОСТ 8027-86 «Фрезы червячные шлицевые. Технические условия».
• Справочник технолога-машиностроителя. Том 2 / Под ред. А. М. Дальского. — М.: Машиностроение, 2001.
• Семенченко И. И. Режущий инструмент. — М.: Машиностроение, 1975.
• Биргер И. А. Технология машиностроения. — М.: Машиностроение, 1988.