Зубофрезерование

Зубофрезерование — это технологический процесс формообразования зубьев зубчатых колёс, червячных колёс, шлицевых валов и других деталей с периодически повторяющимся профилем, осуществляемый методом резания на зубофрезерных станках с помощью специального инструмента — червячной фрезы. Относится к методам зубонарезания, обеспечивающим высокую производительность и точность, и является одним из основных способов изготовления зубчатых колёс в машиностроении.

История

Основные принципы зубофрезерования были разработаны в конце XIX века. В 1856 году американский изобретатель Джордж Б. Грант предложил использовать червячную фрезу для нарезания зубьев. Однако практическая реализация метода стала возможна после создания в 1887 году немецким инженером Германом Пфаутером (Hermann Pfauter) первого специализированного зубофрезерного станка. Компания Pfauter (Германия) на протяжении многих десятилетий оставалась мировым лидером в производстве такого оборудования.

В СССР и России зубофрезерные станки выпускались на ряде заводов, в том числе на Саратовском заводе тяжёлого станкостроения (СЗТС), Московском заводе зуборезных станков (МЗЗС) и других. Развитие метода в XX веке было связано с повышением точности станков, применением твёрдосплавных инструментов и внедрением систем ЧПУ.

Сущность процесса

Зубофрезерование основано на принципе обката (огибания). Режущий инструмент — червячная фреза — представляет собой червяк, на котором прорезаны стружечные канавки, образующие режущие зубья. В процессе обработки фреза и заготовка совершают согласованное вращательное движение, имитирующее зацепление червячной пары. За один оборот фрезы заготовка поворачивается на угол, соответствующий одному или нескольким зубьям (в зависимости от числа заходов фрезы).

Кинематическая связь между вращением фрезы и заготовки обеспечивается гитарой деления станка (для механических станков) или системой ЧПУ (для современных станков). Помимо главного вращательного движения, фреза совершает движение подачи вдоль оси заготовки (вертикальная подача) или по касательной (тангенциальная подача).

Оборудование

Основным оборудованием для зубофрезерования являются зубофрезерные станки. Они классифицируются по нескольким признакам:

По назначению

• Универсальные — для обработки цилиндрических колёс с прямыми и косыми зубьями, червячных колёс, шлицевых валов.
• Специализированные — для обработки колёс определённого типа (например, для крупномодульных колёс, для колёс с внутренними зубьями).
• Станки для обработки червячных колёс — с радиальной или тангенциальной подачей.

По степени автоматизации

• Механические — с ручной настройкой кинематических цепей (гитары деления, подач, дифференциала).
• С числовым программным управлением (ЧПУ) — с автоматизированной настройкой, позволяющей обрабатывать колёса сложной геометрии и быстро переналаживаться.

По расположению шпинделя

• Вертикальные — наиболее распространённый тип (шпиндель фрезы расположен вертикально).
• Горизонтальные — используются для обработки крупногабаритных деталей или валов.

Инструмент

Основным инструментом является червячная фреза. Она изготавливается из быстрорежущей стали (Р6М5, Р18) или твёрдого сплава (ВК8, Т15К6). Для повышения стойкости применяются износостойкие покрытия (TiN, TiAlN, AlCrN).

Типы червячных фрез

• Цельные — изготавливаются из одной заготовки инструментального материала.
• Сборные — корпус из конструкционной стали, режущие элементы (ножи) из быстрорежущей или твёрдосплавной стали.
• По числу заходов: однозаходные (обеспечивают высокую точность, но низкую производительность) и многозаходные (повышают производительность, но снижают точность).
• По профилю: для прямозубых колёс, для косозубых колёс, для червячных колёс, для шлицевых валов.

Методы зубофрезерования

Различают несколько методов обработки, отличающихся направлением подачи фрезы:

Фрезерование с вертикальной подачей

Наиболее распространённый метод. Фреза перемещается вдоль оси заготовки (сверху вниз или снизу вверх). Применяется для нарезания цилиндрических прямозубых и косозубых колёс.

Фрезерование с тангенциальной подачей

Фреза перемещается по касательной к заготовке (вдоль своей оси). Используется для обработки червячных колёс, а также для нарезания зубьев на валах с ограниченным доступом.

Фрезерование с радиальной подачей

Фреза подаётся перпендикулярно оси заготовки (врезание). Применяется для обработки червячных колёс, а также для нарезания зубьев на заготовках, где невозможно выполнить осевую подачу.

Фрезерование с диагональной подачей

Комбинация вертикальной и тангенциальной подач. Позволяет равномерно изнашивать инструмент по всей длине режущей части, повышая его стойкость.

Точность и качество

Точность зубофрезерования зависит от класса станка, точности фрезы, режимов резания и жёсткости системы «станок — приспособление — инструмент — деталь». Современные станки с ЧПУ позволяют получать зубчатые колёса 6–7-й степени точности по ГОСТ 1643-81 (для цилиндрических колёс) и 8–9-й степени — при черновой обработке.

Шероховатость поверхности зубьев после зубофрезерования обычно составляет Ra 1,25–2,5 мкм. Для повышения качества применяют последующую шевингование, шлифование или хонингование.

Применение

Зубофрезерование широко используется в различных отраслях промышленности:

• Автомобилестроение — изготовление шестерён коробок передач, дифференциалов, редукторов.
• Тракторостроение и сельхозмашиностроение — производство трансмиссий и ходовых частей.
• Станкостроение — изготовление зубчатых колёс для приводов главного движения и подач.
• Энергетика — производство крупномодульных колёс для редукторов ветрогенераторов, турбин и насосов.
• Судостроение и авиастроение — изготовление элементов редукторов и приводов.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая производительность (особенно при многозаходных фрезах и на станках с ЧПУ).
• Возможность обработки колёс с различными профилями зубьев (прямые, косые, шевронные).
• Относительно низкая стоимость инструмента (по сравнению с зубошлифовальными кругами).
• Универсальность — один станок может обрабатывать широкий диапазон модулей и диаметров.

Недостатки

• Ограниченная точность (обычно не выше 6-й степени) — для более точных колёс требуется дополнительная обработка.
• Износ фрезы приводит к снижению точности и требует периодической переточки.
• Сложность настройки кинематических цепей на механических станках.
• Ограничение по модулю — для крупномодульных колёс (более 20 мм) требуются специальные станки и фрезы.

Интересные факты

• Первый зубофрезерный станок, созданный Германом Пфаутером в 1887 году, имел механическую гитару деления и позволял нарезать колёса с модулем до 10 мм.
• В СССР в 1950–1960-х годах была разработана серия зубофрезерных станков 5К32, 5К33, 5К34, которые до сих пор эксплуатируются на многих предприятиях.
• Современные станки с ЧПУ могут обрабатывать колёса с модулем от 0,5 до 40 мм и диаметром до 5 метров.
• Для повышения стойкости фрез применяют криогенную обработку (закалка при температурах до -196 °C), что увеличивает ресурс инструмента на 30–50%.

Источники

1. ГОСТ 1643-81 «Основные нормы взаимозаменяемости. Передачи зубчатые цилиндрические. Допуски».
2. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. / Под ред. А. М. Дальского, А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова. — М.: Машиностроение, 2003.
3. Шарин Ю. С. Технология зубофрезерования. — М.: Машиностроение, 1978.
4. Каталог оборудования компании Pfauter (Германия), 1930–1990 гг.
5. Материалы по истории станкостроения СССР (архивы Саратовского завода тяжёлого станкостроения).