Червячное зубчатое колесо

Особенности

Червячная фреза представляет собой инструмент для создания шлицевых валов разного профиля, а также зубчатых цилиндрических колес и звездочек. Подобные изделия выполняются из быстрорежущих, твердосплавных марок стали.

Главной особенностью подобных оснасток для фрезеров является не столько форма и конструктивные нюансы, сколько область их применения. В то же время для них характерно наличие затылованных, остро заточенных зубьев.

Особенности применения фрез определяют перечень материалов для их изготовления. Ключевые стандарты и нормы, включая чертежи с указанием углов, которых должны в обязательном порядке придерживаться производители, закреплены в ГОСТ 15127-83. В противном случае червячная фреза не будет иметь необходимые эксплуатационные характеристики. Стоит отметить, что описываемый фрезерный инструмент имеет достаточно сложную конструкцию, которая напрямую зависит от его предназначения.

Так, в ситуациях с цилиндрическими, зуборезными моделями речь будет идти о следующих важных моментах.

1. Основой будущего изделия является болванка цилиндрической формы, которая при этом может быть любой длины и диаметра. Параметры в данном случае определяются габаритами и конструктивными особенностями будущей фрезы.
2. Непосредственно рабочий сегмент представляет собой зубья соответствующей формы, которые располагаются на определенном расстоянии друг от друга. Еще один важный элемент – это наличие технологических канавок, предназначенных для отвода снимаемой стружки.
3. В подавляющем большинстве случаев на торцах присутствуют незначительные скосы, отделяющие рабочую часть от крепежного элемента самого фрезера.
4. Современные фрезы совместимы практически с любыми моделями специального оборудования благодаря наличию в их центральной части отверстия. Проворачивание инструмента в процессе обработки деталей предотвращает шпонка, размеры которой зависят от потенциальной нагрузки.

Форма зубьев прописана в стандартах и определяется особенностями применения инструмента. В частности, нередко используются фрезы по металлу с малым профильным углом, за счет которых получается минимизировать риск образования микронеровностей на обрабатываемой поверхности.

В данном случае стоит акцентировать внимание на следующих нюансах

Применение в работе подобных фрез существенно улучшает качество выполняемых работ

За счет малого угла припуск на финишное резание распределяется более рационально.
Выпускаются многозаходные варианты, успешно используемые при изготовлении колес, имеющих модуль в диапазоне 4-5 мм.
Увеличение подачи, а следовательно, значительное повышение производительности обусловлены соответствующей жесткостью оправы.
Высокое качество обработки заготовок и будущих изделий определяется отсутствием даже микроскопических неровностей на поверхности зубьев.
Важно учитывать, что данная разновидность червячных фрез предназначена для использования на фрезерных станках, предусматривающих жесткую фиксацию рабочего элемента. При этом рекомендуется радиальная подача, позволяющая в таких ситуациях значительно повысить производительность.

На данный момент активно растет популярность оснастки со вставными элементами в виде гребенок. На рынке специального инструмента производители предлагают модели с модулем в пределах 4-30 мм.

В контексте конструктивных особенностей этих фрез важно выделить следующие моменты

• В производстве основной части оснастки используют легированную сталь. При этом необходимый показатель жаропрочности достигается за счет различных добавок.
• Сами гребенки выполняются из быстрорежущих марок стали, основными и определяющими характеристиками которых являются максимальная устойчивость к высоким температурам и прочность.
• Эксплуатационные показатели таких типов фрезерных насадок многократно повышаются благодаря сменным рабочим элементам. Помимо этого компании-производители максимально улучшают эффективность инструмента за счет использования специальных сплавов, имеющих те или иные характеристики.

На сегодняшний день в продаже можно найти более чем широкий ассортимент рассматриваемых приспособлений. В их перечень, к примеру, входят сборные модели фрез без затыловывания. Главные их особенности – это 10-миллиметровый модуль, а также увеличенные, по сравнению с более распространенными вариантами, углы в хвостовой части. Естественно, точность выполнения работ напрямую зависит от качества шлифования поверхности.

Классификация

Червяки различают по следующим признакам:

• по форме образующей поверхности
  • цилиндрические
  • глобоидные
• по направлению линии витка
  • правые
  • левые
• по числу заходов резьбы
  • однозаходные
  • многозаходные
• по форме винтовой поверхности резьбы
  • с архимедовым профилем
  • с конволютным профилем
  • с эвольвентным профилем
  • трапецеидальный

Зубчатые колёса различают по следующим признакам:

• по профилю зуба
  • прямой — (контакт по точке, малонагруженные передачи)
  • вогнутый — «охватывающий» червяк (контакт по линии)
  • роликовый — зубья вырожденного сектора заменены гребневым роликом
• по типу зубчатого колеса
  • полное колесо (с передачей непрерывного вращения)
  • зубчатый сектор (с поворотом сектора на ограниченный угол)
  • вырожденный сектор с роликом (в паре с глобоидальным червяком — рабочая длина сектора меньше рабочей длины червяка, возможна передача большого момента)

Тепловой расчёт червячного редуктора

Сперва вкладывают вал червяка, затем устанавливают вал с червячным колесом.

После этого на ведомый вал надевают распорное кольцо, в подшивные камеры закладывают пластичную смазку, ставят крышки подшипников с комплектом металлических прокладок для регулировки.

Проверяют проворачиванием валов отсутствие заклинивания подшипников (валы должны проворачиваться от руки) и закрепляют крышки винтами.

Далее на конец тихоходного вала в шпоночную канавку закладывают шпонку, устанавливают звёздочку цепной передачи и закрепляют ее торцовым креплением; винт торцового крепления стопорят специальной планкой.

Затем ввертывают пробку маслоспускного отверстия с прокладкой.

Контроль масла осуществляется щупом с рисками максимального и минимального уровня масла.

Заливают в корпус масло и закрывают смотровое отверстие крышкой с прокладкой из технического картона; закрепляют крышку болтами.

Собранный редуктор обкатывают и подвергают испытанию на стенде по программе, устанавливаемой техническими условиями.

Разборка редуктора проводится в обратной последовательности.

Советы по использованию

Даже при использовании дорогостоящих, высококачественных насадок для фрезеров в процессе обработки заготовок неизбежно затупляется их рабочая часть. Речь идет об утрате фрезой ее ключевых качеств, которые периодически требуется восстанавливать. В подобных ситуациях единственным решением проблемы будет правильная заточка. Для этого понадобится специализированное оборудование, позволяющие оперативно, с минимальными усилиями и максимальной точностью восстановить геометрию.

Точность всех выполняемых операций и, следовательно, качество изделия напрямую зависят от состояния фрезерного аппарата и правильности обслуживания самого рабочего элемента. Так, затачивание фрезы выполняется по переднему краю, а ее затылование – по противоположной части поверхности. Расчет степени обработки рабочей части и углов осуществляется с учетом степени износа.

Существуют эффективные способы модернизации инструмента и улучшения эго эксплуатационных показателей после заточки кромки. Это позволяет повысить производительность и параллельно обеспечить максимальный срок службы самих фрез. Наиболее распространенными и действенными способами усовершенствования являются такие.

1. Использование сборных конструкций, элементы которых выполнены из высокопрочных марок стали.
2. Модернизация рабочих поверхностей профиля.
3. Изменение схемы резания, а также геометрии (включая утолщение) фрез.

Важно учитывать, что на износоустойчивость и срок эксплуатации описываемого инструмента влияет способ фрезерования. В частности, речь идет о распределении нагрузок на зубья

Естественно, одну из ключевых ролей играют свойства инструментального материала, исходя из чего производители постоянно ищут новые варианты. Максимально продлить срок службы любой червячной фрезы позволит четко соблюдать технологию при выполнении работ

Помимо всего перечисленного, рекомендуется уделять внимание особенностям материала заготовки

Классификация

Червяки различают по следующим признакам:

• по форме образующей поверхности
  • цилиндрические
  • глобоидные
• по направлению линии витка
  • правые
  • левые
• по числу заходов резьбы
  • однозаходные
  • многозаходные
• по форме винтовой поверхности резьбы
  • с архимедовым профилем
  • с конволютным профилем
  • с эвольвентным профилем
  • трапецеидальный

Зубчатые колёса различают по следующим признакам:

• по профилю зуба
  • прямой — (контакт по точке, малонагруженные передачи)
  • вогнутый — «охватывающий» червяк (контакт по линии)
  • роликовый — зубья вырожденного сектора заменены гребневым роликом
• по типу зубчатого колеса
  • полное колесо (с передачей непрерывного вращения)
  • зубчатый сектор (с поворотом сектора на ограниченный угол)
  • вырожденный сектор с роликом (в паре с глобоидальным червяком — рабочая длина сектора меньше рабочей длины червяка, возможна передача большого момента)

2.2 Определение допускаемых напряжений при расчёте на выносливость

В червячной паре менее прочным элементом является червячное колесо, прочность зубьев которого определяет их контактную выносливость и износостойкость. Критерием этой прочности является контактное напряжение. Витки червяка, изготовленного из стали, значительно прочнее бронзовых или чугунных зубьев колеса, поэтому витки червяка на прочность не рассчитывают.

Достоинства и недостатки

Червячная передача обладает эффектом самоторможения и является необратимой, что делает ее идеальной для тяжелых рулевых механизмов, как показано здесь, на старом паровом грузовике Foden

Механический счётчик имеет червячную передачу

Гитарные колки также имеют червячную передачу

• Достоинства:
  • Плавность работы;
  • Малошумность;
  • Большое передаточное отношение одной пары, — червячные редукторы с большим передаточным числом значительно компактнее и легче, чем эквивалентные шестеренчатые, и менее материалоёмки;
  • Самоторможение — при некоторых передаточных отношениях;
  • Повышенная кинематическая точность.
• Недостатки:
  • Повышенные требования к точности сборки, необходимость точной регулировки;
  • При некоторых передаточных соотношениях передача вращения возможна только в одном направлении — от винта к колесу. (для некоторых механизмов может считаться достоинством).
  • Существенное взаимное проскальзывание рабочих поверхностей, отсюда:
    • Высокие требования к геометрической точности и прочности поверхностей трения;
    • Сравнительно низкий КПД (целесообразно применять при мощностях менее 100 кВт)
    • Большие потери на трение с тепловыделением, необходимость специальных мер по интенсификации теплоотвода;
    • Повышенный износ и склонность к заеданию.
    • Необходимость компенсации осевых усилий, возникающих в опорах червячного вала.

Указанные недостатки обусловлены связанной с геометрией передачи невозможностью получения жидкостного трения.

Осевая сила и крутящий момент

Глубина канавки Н для фрезы со шлифованным профилем:

Радиус закругления основания канавки

Диаметр делительной окружности:

Угол подъема витков фрезы на начальной окружности определяют по формуле:

где а – число заходов фрезы; а=1 .

.

,

Расчетная длина фрезы:

где х = 3

l₁=4,5 мм – длина буртика.

Конструктивные параметры фрезы

РАСЧЕТ КОМБИНИРОВАННОГО СВЕРЛА

По марке обрабатываемого материала определяем группу обрабатываемого материала , принимаем код материала 1.

Для обработки заданного отверстия принимаем радиально-сверлильный станок модели 2М55, у которого мощность главного движения 5,5 кВт, допускаемое усилие механической подачи 20 МН, направление вращения правое.

Материал сверла быстрорежущая сталь марки Р6М5 ГОСТ 19265-79.

Конструкция

Червяк представляет собой винт со специальной резьбой, в случае эвольвентного профиля колеса форма профиля резьбы близка к трапецеидальной. На практике применяются однозаходные, двухзаходные и четырёхзаходные червяки.

Червячное колесо представляет собой зубчатое колесо. В технологических целях червячное колесо, как правило, изготовляют составленным из двух материалов: венец — из дорогого антифрикционного материала (например, из бронзы), а сердечник — из более дешёвых и прочных сталей или чугунов.

Входной и выходной валы передачи скрещиваются, обычно (но не всегда) под прямым углом.

Геометрия зубьев

На вершинах калибрующих зубьев выполняется цилиндрическая ленточка мм. Вспомогательный угол в плане на шлицевых зубьях с лентой по боковой поверхности мм выполняется на тех зубьях, высота шлицевых выступов которых не менее мм. На первых зубьях черновых и переходных секций выполняются выкружки. Радиус выкружек определяется графически, при этом их глубина должна быть не менее мм.

На агрегатных станках хвостовой инструмент с конусными и цилиндрическими хвостовиками закрепляют в шпинделях одношпиндельных или мрогошпиндельных насадок с помощью переходных втулок, которые в свою очередь, крепятся в шпинделе двумя винтами. Крутящий момент передается шпонкой, врезанной во втулку. На выходе втулки есть упорно-регулировочные гайки, с помощью которых режущий инструмент может высовываться на необходимую величину. Контровка гайки выполняется винтом, закрепляющим настроенное положение нажимом на поверхность трапециидальной резьбы через медную прокладку. Посадочные размеры втулок стандартизованы и согласованы с базовыми размерами шпинделей.

Для извлечения инструменту втулки та концы шпинделей насадок имеют отверстия под выбивной клин.

Зубчатые колеса из пластмассы.

Пластмассы применяют в быстроходных малонагруженных передачах. Пластмассовые зубчатые колеса изготовляют главным образом из древеснослоистых пластиков (ДСП), текстолита и полиамидов (нейлона и капрона).

Достоинства пластмассовых зубчатых колес по сравнению с металлическими зубчатыми колесами — это способность амортизировать удары при передаче переменных нагрузок и гасить механические вибрации и тем самым обеспечивать бесшумность работы передачи; более низкий износ зубьев.

Шестерни из текстолита и ДСП.

Шестерни из текстолита и ДСП применяют обычно в паре с металлическими колесами в тех случаях, когда требуется уменьшить динамические нагрузки и шум, а также когда трудно или невозможно добиться точного выполнения или установки деталей передачи. Такие зубчатые колеса широко применяют в передачах небольшой мощности от электродвигателей к различным станкам и в других установках, подшипники валов которых располагаются в отдельных корпусах. Чтобы не повредить зубья пластмассовой шестерни кромками зубьев металлического колеса, ширина колеса должна быть больше ширины сопрягаемой пластмассовой шестерни.

Зубчатые колеса из полиамидов.

Зубчатые колеса из полиамидов широко применяют в приборах и небольших силовых установках. Износ полиамидных зубьев незначительный, и полиамидные зубчатые колеса могут работать без смазки. Так как полиамиды химически устойчивы, то полиамидные зубчатые колеса применяют при работе в агрессивной среде, например в шестеренчатых насосах для перекачки химически активных жидкостей.

В некоторых случаях, когда рабочие поверхности зубьев металлических зубчатых колес подвергаются сильному износу, их покрывают тонким слоем (0,05…0,5 мм) нейлона. Покрытие осуществляется погружением зубьев, нагретых до температуры плавления нейлона, в порошкообразный нейлон. При этом на поверхности металлических зубьев образуется ровный, тонкий и прочно соединенный с металлом слой нейлона, не требующий какой-либо последующей обработки. В этом случае комбинируют антифрикционные и износостойкие свойства нейлонового покрытия зубьев с высокой прочностью на изгиб металлических зубчатых колес.

Максимально допустимая сила резания

Сила резания, допускаемая прочностью хвостовика в опасном сечении, выбирается из . Диаметр хвостовика D_хв
принимается равным ближайшему меньшему значению по отношению к D. Но необходимо ограничить диаметр размером Ø50мм, поскольку прочность на разрыв такого хвостовика соответствует максимально-возможной величине тягового усилия.

Основные размеры хвостовика представлены на рисунке

основные размеры хвостовика

Конструкция

Червяк представляет собой винт со специальной резьбой, в случае эвольвентного профиля колеса форма профиля резьбы близка к трапецеидальной. На практике применяются однозаходные, двухзаходные и четырёхзаходные червяки.

Червячное колесо представляет собой зубчатое колесо. В технологических целях червячное колесо, как правило, изготовляют составленным из двух материалов: венец — из дорогого антифрикционного материала (например, из бронзы), а сердечник — из более дешёвых и прочных сталей или чугунов.

Входной и выходной валы передачи скрещиваются, обычно (но не всегда) под прямым углом.

Достоинства и недостатки

Гитарные колки также имеют червячную передачу

• Достоинства:
  • Плавность работы;
  • Малошумность;
  • Большое передаточное отношение одной пары, — червячные редукторы с большим передаточным числом значительно компактнее и легче, чем эквивалентные шестеренчатые, и менее материалоёмки;
  • Самоторможение — при некоторых передаточных отношениях;
  • Повышенная кинематическая точность.
• Недостатки:
  • Повышенные требования к точности сборки, необходимость точной регулировки;
  • При некоторых передаточных соотношениях передача вращения возможна только в одном направлении — от винта к колесу. (для некоторых механизмов может считаться достоинством).
  • Существенное взаимное проскальзывание рабочих поверхностей, отсюда:
    • Высокие требования к геометрической точности и прочности поверхностей трения;
    • Сравнительно низкий КПД (целесообразно применять при мощностях менее 100 кВт)
    • Большие потери на трение с тепловыделением, необходимость специальных мер по интенсификации теплоотвода;
    • Повышенный износ и склонность к заеданию.
    • Необходимость компенсации осевых усилий, возникающих в опорах червячного вала.

Указанные недостатки обусловлены связанной с геометрией передачи невозможностью получения жидкостного трения.

Зубчатые колеса из чугуна.

Чугуны применяют для изготовления крупногабаритных зубчатых колес тихоходных и в особенности открытых передач, где они могут работать при бедной смазке, так как чугунные зубья сравнительно хорошо сопротивляются заеданию. Основной недостаток обычных серых чугунов — их пониженная прочность, особенно при ударных нагрузках. Но чугунные зубья сравнительно хорошо сопротивляются выкрашиванию, чугунные зубчатые колеса легче отливать, и они значительно дешевле зубчатых колес из стального литья. Поэтому высокопрочные чугуны широко применяют вместо стального литья для изготовления зубчатых колес закрытых передач. Чугунные зубчатые колеса изготовляют из серого чугуна СЧ21, СЧ24, модифицированного чугуна СЧ25, СЧ30, СЧ35, а также из высокопрочного чугуна всех стандартных марок. Для неответственных зубчатых колес применяют серый чугун СЧ15 и СЧ18.

Расчет рабочих поверхностей зубьев червячных колес на контактную прочность.

Рассмотрим расчет рабочих поверхностей зубьев червячных колес на контактную прочность. Так же как и для зубьев зубчатых колес, при расчете исходят из формулы Герца для наибольших контактных напряжений при сжатии цилиндров вдоль их образующих смотрите статью
“Расчет на прочность зубьев эвольвентных передач”:

Длина контактных линий l_K=l,3d₁/cos_y.

Удельная нагрузка с учетом коэффициента концентрации нагрузки K_Hβ которым определяется неравномерность распределения нагрузок по длине контактных линий в результате погрешностей в зацеплении и деформации зубьев колеса и витков резьбы червяка, и коэффициента динамической нагрузки K_Hv, учитывающего динамическую нагрузку, возникающую в зацеплении,

Приведенный модуль упругости

Е₁Е₂Е₁=2,1×105 МПаЕ₂=0,9×105 МПаE=1,26×105 МПа

Для архимедовых червяков радиус кривизны витков резьбы в осевом (расчетном) сечении равен ∞, а поэтому приведенный радиус кривизны ρ_пр в формуле равен радиусу кривизны зуба червячного колеса в полюсе зацепления:

Подставив в формулу значения q_H, Е и из равенств, с учетом формул, и значений а_n=20°, a cos γ≈0,95 (обычно угол γ=4…26°, и следовательно, cos γ=0,99…0,9), после преобразования получим следующие формулы для расчета зубьев червячных колес на контактную прочность: для проектировочного расчета

Число зубьев колеса z₂ определяется по формуле

При постоянной нагрузке коэффициент концентрации нагрузки K_Hβ=1, а при переметной

Коэффициент динамической нагрузки K_Hv принимают: при v≤3 м/с K_Hv=1 и при v>3 м/с K_Hv=1…1,3.

Допускаемое контактное напряжение [σ_H] для зубьев червячных колес из оловянных и аналогичных им бронз определяют из условия сопротивления материала зубьев поверхностной усталости;

N=107N_E

n₂-1t

Для зубьев червячных колес из твердых бронз и чугунов допускаемое контактное напряжение [σ_H] принимают из условия сопротивления зубьев заеданию в зависимости от скорости скольжения v_ск.