LABORATORIUM OBRÓBKI METALI I

Instrukcja do ćwiczenie nr 3 (projekt)

Temat ćwiczenia

Obróbka uzębień walcowych frezem ślimakowym i dłutakiem Fellows'a

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z:

• typowymi uzębieniami walcowymi występującymi w przemyśle oraz metodami ich wykonywania,

• podstawami teoretycznymi obróbki uzębień,

• zasadą działania i budową najbardziej typowych obrabiarek do uzębień walcowych (frezarki obwiedniowej i dłutownicy Fellows'a),

• narzędziami stosowanymi do obróbki uzębień.

l. Przekładnie - definicja, podział

Przekładnią nazywa się mechanizm służący do przenoszenia ruchu obrotowego z wału czynnego (napędzającego) na wał bierny (napędzany) albo przekształcający ruch obrotowy na prostoliniowy lub odwrotnie.

Przekładnie dzieli się na:

a) mechaniczne,

b) elektryczne,

c) hydrauliczne,

d) pneumatyczne.

Przekładnie mechaniczne dzielimy na:

a) cięgnowe (pasowe płaskie, pasowe klinowe, linowe i łańcuchowe),

b) cierne,

c) zębate.

Wśród przekładni mechanicznych największe zastosowanie mają przekładnie zębate. Do ich zalet należy:

• możliwość przenoszenia dużych mocy sięgających 50 000 kW (następny w kolejności napęd łańcuchowy może przenosić ok. 5 000 kW),

• praca przy bardzo dużych prędkościach obwodowych (ok. 50 m/s),

• bardzo wysoka sprawność (około 99% dla jednego stopnia przełożenia), najwyższa wśród wszystkich typów przekładni,

• zwartość budowy,

• stałość przełożenia przekładni (tą zaletę posiada jeszcze tylko przekładnia łańcuchowa); w innych przekładniach występują poślizgi zmieniające przełożenie przekładni,

• stosunkowo niski koszt (jest droższa od innych przekładni mechanicznych, ale jest znacznie tańsza od innych typów przekładni).

Do wad przekładni zębatych można zaliczyć:

• głośność,

• generowanie drgań,

• przenoszenie napędu na stosunkowo niewielką odległość.

Przekładnie zębate są częściami składowymi rozmaitych maszyn lub są wykonywane jako odrębne, całkowicie lub częściowo obudowane urządzenia zwane skrzyniami przekładniowymi.

2. Podział przekładni zębatych

Przekładnie zębate można podzielić na 4 zasadnicze grupy:

a) przekładnie walcowe, w tym przekładnie zębatkowe oraz przekładnie o osiach wichrowatych (np. przekładnie typu Torsen),

b) przekładnie ślimakowe,

c) przekładnie stożkowe, w tym hipoidalne,

d) przekładnie spiroidalne.

Przekładnie walcowe można podzielić na:

a) zewnętrzne,

b) wewnętrzne,

c) zębatkowe,

przy czym w każdej z tych grup występują przekładnie o zębach prostych i śrubowych.

Zarys zębów może być ewolwentą (najbardziej spotykane rozwiązanie), cykloidą (przekładnie takie stosuje się w zegarach, do mechanizmów podziałowych typu krzyż maltański oraz w przekładniach wolnoobrotowych przenoszących niewielkie obciążenia) lub łukiem koła tzw. zazębienie Wildhabera-Nowikowa.

Specjalnymi odmianami konstrukcyjnymi przekładni walcowych są przekładnie daszkowe (strzałkowe) oraz przekładnie śrubowe (o osiach wichrowatych). Przekładnie walcowe przenoszą napęd między wałami o osiach równoległych. Ich sprawność przekracza 99%. Są najtańsze z wszystkich przekładni zębatych. Stanowią ok. 90% wszystkich wytwarzanych przekładni zębatych. Znalazły zastosowanie m.in. w skrzyniach biegów pojazdów mechanicznych, samolotów i statków, we wszelkiego typu skrzyniach przekładniowych (zwykle w reduktorach, znajdujących się między silnikiem a urządzeniem napędzanym np. wciągarką, windą górniczą itp.), obrotnicach dźwigów, kranów portowych, i koparek.

Przekładnie walcowe wewnętrzne wykorzystuje się przede wszystkim w przekładniach obiegowych, przekładniach sumujących oraz w zwolnicach, występujących w napędzie kół ciągników i samochodów ciężarowych.

Przekładnie zębatkowe wykorzystuje się do zamiany ruchu obrotowego na ruch prostoliniowy (np. napęd posuwu suportu narzędziowego w tokarkach).Gabaryty kół walcowych wahają się od kilku milimetrów (m.in. przekładnie do zegarków, zabawek oraz modeli śmigłowców, parowozów i samochodów, a także przekładnie do napędu narzędzi pneumatycznych) do ok. 4 - 5 m (m.in. przekładnie okrętowe, obrotnice dźwigów). W technice spotyka się także koła walcowe o średnicach sięgających nawet ponad 30 m (obrotnice w parowozowniach, obrotowe mosty zwodzone, obrotnice koparek stosowanych w górnictwie odkrywkowym).

Przełożenia pojedynczych przekładni walcowych nie przekraczają zwykle 1:12. W celu uzyskania większych redukcji konstruowane są skrzynki przekładniowe, zawierające zwykle dwa lub trzy stopnie walcowe i dające przełożenia nie przekraczające zwykle 1:100. Wyjątkiem są przekładnie sumujące, w których można uzyskać przełożenia sięgające 1:500.

Rys. l. Rodzaje przekładni walcowych: a) przekładnia walcowa o zębach prostych, b) przekładnia walcowa o zębach śrubowych, c) przekładnia walcowa o zębach daszkowych, d) przekładnia zębata śrubowa, e) przekładnia zębatkowa o zębach prostych, f) przekładnia zębatkowa o zębach śrubowych, g) przekładnia walcowa wewnętrzna o zębach prostych, h) przekładnia planetarna.

3. Konstrukcja kół walcowych

W celu skonstruowania koła walcowego niezbędna jest znajomość następujących parametrów konstrukcyjnych:

a) liczby zębów z,

b) odległość montażowa a (odległość osi kół przekładni)

c) modułu normalnego m_n

d) normalnego kąta przyporu α_n,

e) szerokości uzębienia b,

f) kierunek pochylenia linii zęba,

g) kąta pochylenia linii zęba β_n,

h) proporcji zęba,

i) grubości zęba.

Przyjmując, że przekładnia ma uzębienie ewolwentowe o typowej dla kół walcowych wartości normalnego kąta przyporu α_n= 20° oraz typowych proporcjach zęba przy projektowaniu koła walcowego obowiązują następujące ograniczenia i zależności:

a) liczba zębów „z" nie powinna być mniejsza od z_min=17 (w wyjątkowych przypadkach nie powinna być mniejsza od z_min=14); przyjmowanie mniejszych wartości liczby zębów powoduje wystąpienie podcięcia zęba u podstawy.

b) moduły normalne m„ są znormalizowane podobnie jak narzędzia do obróbki uzębień; przyjęcie modułu normalnego spoza znormalizowanego szeregu modułów wymaga zamówienia narzędzi specjalnych do obróbki takiego uzębienia,

c) szerokość uzębienia nie powinna przekraczać b_max < 30 m lub b_min< 3 d_m1, (gdzie d_m1 - średnica podziałowa zębnika (mniejszego koła))

d) kąt pochylenia linii zęba β_m jest równy β_m ⁼ 0° dla kół o zębach prostych, nie powinien przekraczać β_max=20" dla kół o zębach śrubowych, zaś dla kół daszkowych powinien się zawierać w zakresie β_m=30-40°. Od wartości kąta β_m zależy płynność pracy przekładni (im większy kąt tym jest ona większa) i obciążające łożyska siły osiowe (im większy kąt tym są one większe),

e) kierunek pochylenia linii zęba określamy patrząc na koło od czoła: jeśli linia śrubowa odchyla się zgodnie z ruchem wskazówek zegara to kierunek linii zęba jest prawy, a jeśli przeciwnie do ruchu wskazówek zegara - to lewy; w przekładni zawsze jedno koło ma prawy, a drogie - lewy kierunek pochylenia linii zęba.

f) Proporcje zęba określa się, w odniesieniu do modułu normalnego m_n, przy pomocy współczynników. Współczynnik głowy zęba h_a*=1.0, stopy zęba h_f*=1.25, a luzu wierzchołkowego c*=0.25.

Stąd:

wysokość głowy zęba: h_a = h_a⋅ x m_n

wysokość stopy zęba: h_f = h_f* ⋅ m_n

luz wierzchołkowy: c = c* ⋅ m_n

g) Średnicę podziałową koła oblicza się ze wzoru:

d_m = z x m _t

gdzie:

m _t - moduł czołowy równy:

m _t = m_n / cos β_m

h) Średnicę wierzchołków (głów), niezbędną do określenia gabarytów otoczki koła, wyznacza się z zależności:

d_a = d_m+ h_a

i) Średnicę podstaw (stóp), podawaną na rysunku wykonawczym koła, określa wzór:

d_f = d_m - h_f

j) odległość osi (wymiar montażowy a), przy założeniu braku korekcji zębów, wyznacza się ze wzoru:

a = d_m1 + d_m2

gdzie:

d_m1,2 - średnice podziałowe zębnika (mniejszego koła) i koła

Rys. 2. Przykładowy rysunek techniczny koła walcowego

4. Metody obróbki przekładni walcowych

Metody obróbki uzębień walcowych podano w tabeli.

Obróbka uzębień przekładni walcowych
Wstępna lub na gotowe		Wykańczająca
Metody		Uzębienie
Kształtowe	Obwiedniowe	Miękkie	Twarde
• Frezowanie frezem modułowym • Przeciąganie	• Struganie metodą Maaga • Dłutowanie dłutakiem Fellows'a • Frezowanie frezem ślimakowym	• Wiórkowanie	• Szlifowanie kształtowe • Szlifowanie obwiedniowe • Osełkowanie • Frezowanie „na twardo" • Dłutowanie „na twardo"

4.1. Frezowanie kształtowe uzębień walcowych

Frezowanie uzębień walcowych zarówno wewnętrznych jak zewnętrznych frezami modułowymi krążkowymi i palcowymi może być prowadzone na frezarkach uniwersalnych lub narzędziowych i jest stosowane w 3 przypadkach:

• wykonywanie uzębień o niezbyt dużej dokładności na obrabiarkach nie przeznaczonych w zasadzie do obróbki uzębień,

• wykonywania uzębień, których nie można obrobić innymi narzędziami (uzębienia daszkowe przy użyciu frezów palcowych) lub gdy obróbka taka jest bardzo utrudniona (uzębienia wewnętrzne przy użyciu frezów krążkowych),

• wykonywanie uzębień o bardzo dużych modułach (do modułu normalnego m=50-60 mm).

Rys. 3. Obróbka kształtowa uzębień walcowych: a) frezowanie modułowym frezem krążkowym, b) frezowanie modułowym frezem palcowym, c) przeciąganie uzębień i wielowypustów wewnętrznych

4.2. Przeciąganie uzębień walcowych

Przeciąganie uzębień odbywa się na przeciągarkach pionowych. Dotyczy obróbki uzębień walcowych zewnętrznych i wewnętrznych o zębach prostych oraz zębatek o prostej linii zęba w produkcji wielkoseryjnej i masowej. Jest jedyną metodą wykonywania uzębień wewnętrznych o średnicach mniejszych od ok. 40 mm. Metoda ta jest też stosowana do wykonywania wielowypustów ewolwentowych wewnętrznych, które różnią

4.3. Struganie obwiedniowe

Struganie obwiedniowe uzębień odbywa się na strugarkach Maaga, narzędziem którym jest nóż zębatkowy. Dotyczy ono głównie uzębień zewnętrznych o prostej lub śrubowej linii zębów. Zastosowanie metody strugania uzębień, mimo stosunkowo dużej dokładności, ze względu na małą wydajność staje się coraz bardziej ograniczone.

Obszarem, gdzie strugarki Maaga są konkurencyjne w stosunku do innych metod są koła o dużych modułach (nawet do 70 mm) i średnicach (do 12 m, a w szczególnych przypadkach nawet więcej), dla których wykonanie innych narzędzi niż noże zębatkowe jest trudne i kosztowne.

Rys. 4. Struganie uzębienia walcowego na strugarce Maaga

4.4. Dłutowanie obwiedniowe

Dłutowanie obwiedniowe uzębień odbywa się na dłutownicach Fellowsa dłutakami modułowymi. Dotyczy ono obróbki uzębień wewnętrznych o prostej i śrubowej linii zęba oraz wewnętrznych wielowypustów ewolwentowych o średnicach od 40 mm do 800 mm. Na dłutownicach Fellowsa obrabia się również uzębienia zewnętrzne o ograniczonym wybiegu (uzębienia daszkowe oraz tzw. „choinki").

Rys.5. Nacinanie zębów w walcowym kole zębatym wg metody Fellowsa

4.5. Frezowanie obwiedniowe

Frezowanie obwiedniowe uzębień odbywa się na frezarkach obwiedniowych frezem ślimakowym. Jest to najbardziej wydajna metoda obróbki kół walcowych zewnętrznych o prostej i śrubowej linii zębów, kół walcowych wewnętrznych o średnicach powyżej 800 mm, kół ślimakowych (ślimacznic), kół łańcuchowych, zębatek oraz wielowypustów ewolwentowych zewnętrznych.

Rys. 6. Frezowanie obwiedniowe w walcowym kole zębatym

4.6. Wiórkowanie

Wiórkowanie uzębień odbywa się na specjalnych obrabiarkach - wiórkarkach, przeznaczonych do wykańczającej obróbki uzębień kół miękkich tj. takich, których twardość nie przekracza 40 HRC.

Rys. 7. Wiórkowanie kół walcowych: a) metoda Red Ring, b) metoda Michigan Tools

4.7. Szlifowanie kształtowe

Szlifowanie uzębień metodą kształtową prowadzi się na szlifierkach o uproszczonym układzie kinematycznym, lecz wyposażonych w specjalny przyrząd do kształtowania zarysu ściernicy i mechanizm podziałowy. Stosowane są dwa różne sposoby ustawienia ściernicy względem kształtowanego uzębienia: ustawienie ściernicy symetrycznie względem zarysów dwóch sąsiednich zębów koła lub ustawienie ściernicy lub dwóch ściernic niesymetryczne względem zarysów sąsiednich zębów koła. W tym drugim przypadku obróbka obydwóch boków zębów wymaga albo zastosowania dwóch ściernic albo odwrócenia koła po wykonaniu jednych boków zębów. Szlifowanie kształtowe uzębień jest mającą ostatnio coraz większe zastosowanie, bardzo wydajną metodą obróbki wykańczającej kół twardych, hartowanych po obróbce wstępnej.

Rys. 8. Metody szlifowania kształtowego uzębień walcowych: a) ustawienie ściernicy symetrycznie w luce między zębnej, b) ustawienie niesymetryczne z jedną ściernicą, c) ustawienie niesymetryczne z dwiema ściernicami

4.8. Szlifowanie obwiedniowe

Szlifowanie uzębień metodą obwiedniową prowadzi się jedną z trzech metod: metodą Maaga (szlifierka kształtuje uzębienie dwiema ściernicami, z których każda reprezentuje jeden bok zęba zębatki), metodą Nilesa (szlifierka kształtuje uzębienie jedną ściernicą reprezentującą jeden bok zęba zębatki) oraz najbardziej wydajną, metodą Reishauera (szlifierka kształtuje uzębienie ściernicą ślimakową). Szlifowanie obwiedniowe stosuje się, podobnie jak szlifowanie kształtowe, do obróbki wykańczającej kół twardych, hartowanych po obróbce wstępnej.

Rys. 9. Obwiedniowe szlifowanie uzębień walcowych: a) metoda Nilesa, b) metoda Maaga, c) metoda Reishauera

4.9. Osełkowanie

Osełkowanie uzębień odbywa się na specjalnych obrabiarkach - osełkownicach, przeznaczonych do obróbki wykańczającej kół twardych, hartowanych po obróbce wstępnej. Narzędziem są osełki krążkowe w kształcie koła zębatego albo osełki pierścieniowe w kształcie wieńca zębatego z uzębieniem wewnętrznym. Osełkowanie zastępuje proces szlifowanie. Producentem osełkownic jest m.in. szwajcarska firma Fassier.

l - koło wewnętrzne, 2 - osełkownica, 3 - uchwyt mocujący

Rys. 10. Osełkowanie walcowych uzębień wewnętrznych na osełkownicy firmy Fassier

4.10. Frezowanie i dłutowanie uzębień w stanie zahartowanym

Jest to obróbka wykańczająca prowadzona na tych samych obrabiarka co frezowanie i dłutowanie uzębień na miękko. Obróbka ta wymaga jednak obrabiarek o podwyższone dokładności i sztywności oraz narzędzi wykonanych z materiałów mogących skrawać stal w stanie zahartowanym (węglików spiekanych lub cermetali).

Może być także stosowane jako ostatnia operacja przed ostateczną obróbką cieplną (wiórkując, uzyskuje się „niewłaściwy" ślad współpracy zębów przekładni, który w wyniku odkształceń powstałych podczas obróbki cieplnej otrzymuje zadany kształt i położenie).

Współcześnie stosowane są dwie znaczące metody wiórkowania uzębień: Red Ring (wiórkarki krążkowe), przeznaczone do obróbki uzębień zewnętrznych i wewnętrznych w kołach o prostej i śrubowej linii zębów oraz Michigan Tools (wiórkarki zębatkowe), przeznaczona do wiórkowania uzębień zewnętrznych o prostej lub śrubowej linii zębów.

Może być także stosowane jako ostatnia operacja przed ostateczną obróbką cieplną (wiórkując, uzyskuje się „niewłaściwy" ślad współpracy zębów przekładni, który w wyniku odkształceń powstałych podczas obróbki cieplnej otrzymuje zadany kształt i położenie).

Współcześnie stosowane są dwie znaczące metody wiórkowania uzębień: Red Ring (wiórkarki krążkowe), przeznaczone do obróbki uzębień zewnętrznych i wewnętrznych w kołach o prostej i śrubowej linii zębów oraz Michigan Tools (wiórkarki zębatkowe), przeznaczona do wiórkowania uzębień zewnętrznych o prostej lub śrubowej linii zębów.

5. Dłutownica Fellowsa

Rys. 11. Schemat kinematyczny dłutownicy Fellowsa

Narzędzie, zwane dłutakiem, ma postać koła zębatego i wykonuje ruch główny prostoliniowo-zwrotny oraz ruch obrotowy, powiązany kinematycznie z ruchem obrotowym przedmiotu obrabianego.

Dłutownica Fellowsa wymaga, dla nacięcia ewolwentowego uzębienia walcowego, dokonania następujących ustawień:

a) przekładni gitarowej ruchu odłączania,

b) przekładni pasowej ruchu głównego,

c) przekładni posuwu obwodowego,

d) wielkości skoku dłutaka H,

e) położenia skoku dłutaka H,

f) głębokości wcinania,

g) przełożenia łańcucha kinematycznego rodzaju cyklu (mogą być cykle jedno-, dwu- lub trzy przejściowe),

h) założenia odpowiedniej krzywki rodzaju cyklu,

i) założenia śrubowego zespołu prowadnicowego wrzeciona narzędziowego przy nacinaniu uzębień śrubowych.

13

---