Проектирование червячных фрез в среде КОМПАС-График

Олег Борисенко, Юрий Музычук, Виталий Сытник

Одной из наиболее распространенных задач, которые возникают в ходе технологической подготовки производства, является проектирование режущего и мерного инструмента. Проектирование червячных фрез здесь занимает особое место, поскольку связано с более сложными расчетами. Для решения этой задачи предназначена прикладная библиотека САПР Фрез, созданная в «Центре САПР» (г.Львов) в сотрудничестве с Львовским инструментальным заводом, который выступил постановщиком задачи и первым пользователем системы.

Червячные фрезы применяют для черновой и чистовой обработки цилиндрических деталей наружного зацепления с прямыми, винтовыми и шевронными зубьями. Они могут работать с осевой, радиальной, диагональной и тангенциальной подачей. В последнем случае конструкция фрезы снабжается режущей частью длиной, равной двум осевым шагам фрезы, и с углом конуса 20-30°. По способу крепления фрезы делаются насадными и хвостовыми.

В системе САПР Фрез реализовано проектирование насадных червячных фрез, не использующих тангенциальную подачу, с передним углом зуба 0° (для нарезания зубчатых колес), прямобочных шлицевых валов, звездочек и нестандартных деталей. Основная задача, которую решает САПР Фрез, — проектирование червячных фрез следующего назначения:

• для зубчатых колес (ГОСТ 1643-81 — фреза ГОСТ 9324-80);
• шлицевых валов (ГОСТ 1139-80 — фреза ГОСТ 8027-86);
• звездочек (ГОСТ 591-69 — фреза ГОСТ 15127-83);
• деталей с нестандартным профилем.

Система создана в виде прикладной библиотеки, функционирующей в среде чертежно-конструкторского редактора КОМПАС-График 5.11 АО АСКОН — одного из лидеров в области разработки и внедрения программной продукции САПР в СНГ. Кроме того, библиотека содержит отдельный модуль К3 для САПР Фрез (НВЦ «Геос», Нижний Новгород), который используется при получении профиля специальных фрез графическим методом, а также в случае необходимости дополнительного контроля полученного профиля инструмента.

Процесс проектирования состоит из следующих этапов:

• задание начальных данных;
• определение параметров фрезы по стандартам;
• расчет геометрии зубьев;
• расчет конструкторских размеров фрезы;
• заполнение документации;
• проверка профиля фрезы.

В случае проектирования нестандартных деталей (острошлицевые валы и т.п.) добавляется этап проектирования профиля фрезы по профилю детали графическим методом.

При определении профиля фрез используется метод обкатки — профиль инструмента является огибающей последовательных положений профиля изделия при качении без скольжения начальной окружности изделия по начальной прямой инструмента. В то же время профиль шлицевого вала образуется как огибающая последовательных положений зубьев инструмента при качении без скольжения начальной прямой инструмента по начальной окружности изделия, что позволяет для проверки получить профиль изделия по имеющемуся профилю фрезы.

Профиль фрезы может быть определен аналитически, графически и графоаналитически. Для стандартных профилей шлицевых валов и зубчатых колес рекомендовано использовать аналитический метод. Расчет червячных фрез заключается в определении размеров профиля фрезы в осевом сечении, если фреза архимедова, или в нормальном сечении, если фреза конволютная.

Определение профиля червячных фрез, независимо от их типа и назначения, ведется в плоскости нормального сечения к виткам фрезы. При этом основные размеры профиля фрезы определяются как размеры прямобочной рейки, находящейся в беззазорном зацеплении с зубьями нарезаемого колеса. Такая рейка называется исходной инструментальной рейкой. В соответствии с этим профильный угол фрезы принимается равным номинальному углу зацепления колеса, причем обязательным условием является равенство основных шагов рейки фрезы и колеса. САПР Фрез полностью рассчитывает размеры профиля фрезы (рис. 1) как для стандартного ряда начальных данных, так и для промежуточных размеров.

Наружный диаметр, тип основного червяка, число заходов, диаметр посадочного отверстия и длина режущей части фрезы являются конструктивными элементами и выбираются по стандартам или задаются исходя из паспортных данных станка и опыта эксплуатации фрез.

Начальными данными для расчета червячных фрез для нарезания зубчатых колес являются параметры зубчатого колеса:

• модуль;
• угол профиля исходного контура колеса;
• внешний диаметр;
• делительный диаметр;
• диаметр впадины.

В зависимости от параметров зубчатого колеса также выбираются начальные параметры фрезы. В случае проектирования фрезы под шевингование выбирается модификация профиля. Червячные фрезы под шевингование отличаются от червячных фрез общего назначения модификацией профиля. Целью модификации профиля фрез является улучшение условий шевингования, которое получается при определенном распределении припуска под шевер (рис. 2).

Основные размеры шлицевых соединений регламентированы ГОСТ 1139-80, который предусматривает три серии соединений — легкую, среднюю и тяжелую, с центрированием вала и втулки по наружному диаметру D, внутреннему диаметру d и по боковым сторонам зубьев b. Сущность центрирования по одному из параметров вала заключается в том, что в зависимости от его вида более точно задается размер только по одному из них, в то время как другой выполняется с меньшей точностью. По боковым сторонам шлицевых зубьев во всех трех видах центрирования должна быть обеспечена точная посадка, поэтому допуск на толщину зубьев задается в узких пределах.

Все данные фрезы задаются в зависимости от параметров шлицевого вала. Для стандартных серий вала величины выбираются из ряда, а для нестандартного — задаются отдельно. Классы точности А и В используются для чистовых фрез, С — для черновых фрез. При проектировании черновых фрез толщина зуба, внешний диаметр и внутренний диаметр задаются с учетом величины припуска на последующую обработку (рис. 3).

Следующим этапом является выбор взаимозависимых величин — диаметра начальной окружности и шага профиля. Система дает возможность задать диаметр и рассчитать шаг профиля или задать шаг и рассчитать диаметр. Профиль фрезы представляет собой кривую — огибающую последовательных положений профиля валика при качении начальной окружности валика по начальной прямой фрезы. Практически эта кривая заменяется одной или несколькими дугами окружностей. Отклонения от теоретической кривой рассчитываются по методу Семенченко или более точному методу (рис. 4).

Система рассчитывает до восьми контрольных толщин профиля фрезы. На вершине, начальной прямой и фланке толщина рассчитывается автоматически. Дополнительно рассчитывается контрольная толщина шлица на высоте усика (типа А шлица) и на высоте точки сопряжения двух дуг. Остальные контрольные точки профиля рассчитываются по желанию пользователя при соответствующем задании высоты от вершины или от начальной линии.

После расчета выводятся размеры профиля с возможностью изменения параметров: ширины усика, глубины канавки и угла фланка (рис. 5). При редактировании значений в окнах на всех этапах проектирования зависимые параметры пересчитываются автоматически.

Для расчета звездочки задаются следующие параметры: шаг, диаметр элемента зацепления цепи, класс точности фрезы, число зубьев звездочки, а также указывается наличие смещения центра дуг впадин.

Система рассчитывает размеры профиля фрезы (см. рис. 1). В случае задания нестандартных начальных данных (не из ГОСТ 591-69) требуется дополнительная проверка профиля графическим методом.

Графический метод реализован с использованием модуля К3 для САПР Фрез. Его рекомендовано применять при получении профиля для нестандартных деталей (острошлицевые валы, зубчатые колеса с модификацией и др.) или нестандартных профилей шлицевых валов (с неравномерным припуском под шлифование), а также для проверки аналитического расчета. Он основан на эмуляции процесса нарезания путем задания законов движения деталей и проведения булевых операций (рис. 6). Полученный в результате профиль рейки (или детали) используется для изготовления инструмента второго порядка и шаблонов.

При расчете конструкции фрезы конструктору предоставляется возможность задать нестандартные размеры внешнего диаметра и посадочного отверстия (иначе они выбираются системой автоматически из стандартных рядов). Внешний диаметр выбирается из ряда или вручную, посадочное отверстие вводится только из предложенного ряда. Параметры геометрии зубьев взаимосвязаны. Например, при изменении коэффициента затылования одновременно пересчитывается коэффициент дополнительного затылования и глубина канавки (рис. 7).

Также анализируется пропорция высоты и толщины зуба. Величина пропорции задается в настройках системы. В случае невыполнения условия допустимости толщины тела фрезы в опасном сечении система предложит три варианта решения задачи:

• стружечные канавки выполнить прямыми и шпоночный паз расположить под зубом;
• уменьшить посадочное отверстие;
• поменять заданные параметры.

Величина соотношения опасного сечения к посадочному диаметру задается в настройках системы.

Полученные результаты расчетов выводятся в текстовый файл, который можно просмотреть с помощью встроенного текстового редактора. Чертеж спроектированной фрезы (рис. 8) автоматически формируется в системе КОМПАС-График. В случае необходимости его можно доработать и отредактировать. Вывод графической информации организован в виде шаблонов и может быть изменен по желанию пользователя.

«САПР и графика» 6'2002