Зубофрезерный станок

Зубофрезерный станок — это металлорежущий станок, предназначенный для нарезания зубьев на цилиндрических колёсах, червячных колёсах, шлицевых валах и других деталях с зубчатым профилем методом обкатки (огибания) с использованием червячной фрезы. Относится к классу зубообрабатывающих станков и является одним из основных видов оборудования в машиностроении для производства зубчатых передач.

История

Принцип обработки зубьев методом обкатки был впервые предложен и запатентован в 1856 году американским изобретателем Кристианом Шарпом (Christian Schiele). Однако практическая реализация непрерывного процесса фрезерования зубьев стала возможной лишь после создания Генрихом Польманом в 1887 году червячной фрезы — режущего инструмента, форма зубьев которого соответствовала профилю червяка.

Первый зубофрезерный станок в его современном понимании был создан в 1897 году немецким инженером Германном Пфаутером (Hermann Pfauter). Его конструкция включала главное движение (вращение фрезы), движение подачи (вращение заготовки), а также движение вертикальной подачи фрезы вдоль оси заготовки. Станок Пфаутера, выпущенный в 1900 году компанией «Pfauter», стал прототипом для всего последующего оборудования этого типа. В СССР серийное производство зубофрезерных станков началось в 1930-х годах на Московском станкостроительном заводе «Красный пролетарий» и Горьковском заводе фрезерных станков (ГЗФС).

С середины XX века станки постоянно модернизировались: внедрялись жёсткие кинематические цепи, системы с ЧПУ (числовым программным управлением), а с 1970-х годов — гидравлические и электронные системы управления, что позволило автоматизировать цикл обработки и повысить точность.

Устройство и принцип работы

Основные узлы

Конструктивно зубофрезерный станок состоит из следующих основных частей:

• Станина — массивная литая чугунная основа, обеспечивающая жёсткость и виброустойчивость.
• Стойка (колонна) — вертикальный корпус, на котором закреплены узлы привода и направляющие для перемещения фрезерного суппорта.
• Фрезерный суппорт (фрезерная бабка) — узел, несущий шпиндель с червячной фрезой. Может перемещаться вертикально (подача по оси Z) и поворачиваться на угол наклона зуба.
• Стол — планшайба с центрирующим устройством, на которой устанавливается заготовка. Обеспечивает вращение заготовки (делительное движение) и радиальную подачу.
• Задняя бабка — поддерживающий центр для длинных заготовок или валов.
• Механизмы подач — кинематическая цепь или сервоприводы, связывающие вращение фрезы с вращением стола и вертикальным перемещением суппорта.

Принцип обработки

Обработка происходит непрерывно методом обкатки. Червячная фреза имитирует зацепление с воображаемой зубчатой рейкой или червяком. За один оборот фрезы заготовка поворачивается на строго определённый угол, соответствующий числу зубьев нарезаемого колеса. Таким образом, на заготовке формируется эвольвентный профиль зуба. Различают два основных метода:

• Фрезерование с осевой подачей (самый распространённый) — фреза движется параллельно оси заготовки, последовательно обрабатывая все зубья.
• Фрезерование с радиальной подачей — фреза врезается в заготовку перпендикулярно её оси; применяется для обработки коротких зубьев или червячных колёс.

Классификация

Зубофрезерные станки классифицируют по нескольким признакам:

По степени автоматизации

• Универсальные (ручные) — управление кинематикой и подачами осуществляется оператором; применяются в единичном и мелкосерийном производстве.
• Полуавтоматические — автоматизирован цикл врезания и подачи, но требуется ручная смена заготовки.
• С ЧПУ — все движения (до 3–5 осей) программируются, что позволяет обрабатывать сложные профили, конические и косозубые колёса с высокой точностью.

По расположению шпинделя

• Вертикальные (наиболее распространены) — ось фрезы вертикальна, заготовка располагается на горизонтальном столе.
• Горизонтальные — ось фрезы горизонтальна; используются для обработки длинных валов, шлицев и червячных колёс большого диаметра.

По точности (по ГОСТ 1643-81)

Классы точности: Н (нормальный), П (повышенный), В (высокий), А (особо высокий). Станки класса В и А способны обеспечить 5–6 степень точности зубчатого зацепления по ГОСТ 1643-81.

Технические характеристики

Основные параметры зубофрезерных станков:

• Максимальный диаметр обрабатываемой заготовки — от 200 мм (малые станки) до 12 м и более (гигантские станки для судовых и ветроэнергетических передач).
• Максимальный модуль зуба — определяет высоту и шаг зубьев; типичные значения — от 0,5 до 40 мм.
• Число нарезаемых зубьев — обычно от 7 до 400.
• Мощность главного привода — от 1,5 кВт до 150 кВт и выше.
• Частота вращения фрезы — от 30 до 2000 об/мин в зависимости от обрабатываемого материала.

Применение

Зубофрезерные станки используются в различных отраслях машиностроения:

• Автомобильная промышленность — изготовление шестерён коробок передач, дифференциалов, редукторов.
• Авиастроение — прецизионные зубчатые колёса двигателей и трансмиссий.
• Энергетика — большие колёса для ветрогенераторов, турбин и редукторов.
• Судостроение — шестерни гребных винтов и рулевых механизмов.
• Общее машиностроение — производство редукторов, станочных приводов, сельскохозяйственной техники.

Инструмент: червячная фреза

Червячная фреза представляет собой цилиндрический корпус с винтовыми зубьями, выполненными из быстрорежущей стали (Р6М5, Р18) или твёрдого сплава. Профиль зубьев фрезы точно соответствует профилю червяка, который сопрягается с нарезаемым колесом. В зависимости от конструкции различают:

• Цельные фрезы — изготавливаются из единой заготовки.
• Сборные (наборные) фрезы — зубья выполнены в виде отдельных твёрдосплавных пластин или ножей, закреплённых на корпусе; позволяют заменять изношенные элементы.

Точность и качество

Качество нарезанных зубьев определяется степенью точности по ГОСТ 1643-81. На современных станках с ЧПУ и прецизионными фрезами достигается 5–6 степень, что соответствует допускам на отклонение шага и профиля зуба в пределах 0,005–0,02 мм. Основные факторы, влияющие на точность:

• Жёсткость станка и точность кинематических цепей (отсутствие люфтов).
• Качество заточки и установки фрезы.
• Температурные деформации станка и инструмента.

Современные тенденции

С конца XX века развитие зубофрезерных станков идёт по пути интеграции с системами CAD/CAM и применением многокоординатных станков с ЧПУ (5-осевые обрабатывающие центры). Внедрение твёрдосплавного инструмента позволило повысить скорости резания до 200–400 м/мин, что в 3–5 раз быстрее, чем при использовании быстрорежущей стали. Также активно применяются методы сухого фрезерования (без СОЖ) и комбинированная обработка (фрезерование + шлифование).

В Российской Федерации выпуск зубофрезерных станков осуществляется на ООО «Станкостроительный завод «Тяжстанкогидропресс» (Новосибирск) и ОАО «Саста» (Сасово). Импортные станки ведущих мировых производителей — немецких компаний «Gleason-Pfauter», «Reishauer» и японской «Mitsubishi Heavy Industries» — также широко представлены на российском рынке.

Источники

1. Анурьев В. И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3 т. — М.: Машиностроение, 2001.
2. Барсов А. И., Гончарова Т. А. Металлорежущие станки. — М.: Высшая школа, 1986.
3. ГОСТ 1643-81 «Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи зубчатые цилиндрические. Допуски».
4. Кучер И. М. Технология машиностроения. — Л.: Машиностроение, 1985.
5. Пронкин А. И. Оборудование для зубообработки. — М.: Станкоинструмент, 2015.