Делительные головки для фрезерных станков (УДГ): простое и дифференциальное деление, настройка гитары

Фрезерование прямозубых и косозубых шестерен, шлицевых втулок, многогранников и спиральных разверток требует строго фиксированного углового перемещения заготовки. На универсально-фрезерных станках эту кинематическую задачу решает универсальная делительная головка (УДГ). Приспособление надежно закрепляет деталь в центрах либо трехкулачковом патроне. Наш практический опыт показывает, что грамотная настройка делительной цепи полностью исключает брак по шагу зубьев и отклонениям профиля.

В цехах с универсальным парком оборудования механическая оснастка успешно заменяет четвертую поворотную ось ЧПУ. Наладчик нарезает сложные винтовые канавки и конические колеса благодаря кинематической связи шпинделя с ходовым винтом стола. И наш технологический расчет деления требует от оператора четкого понимания работы червячной передачи и гитары сменных зубчатых колес.

Классификация, конструктивные схемы и стандарты (ГОСТ/DIN/ISO)

Основные параметры, нормы точности и геометрические размеры делительных головок определяет ГОСТ 8615-89. Стандарт классифицирует оснастку по высоте центров над плоскостью стола: 160, 200, 250, 320 и 400 мм. В маркировке отечественных головок УДГ-Д-160, УДГ-Д-250 и УДГ-Д-320 буква «Д» обозначает модификацию с возможностью дифференциального деления. Оснастка без этой буквы поддерживает только непосредственное и простое деление.

По конструктивной схеме и функционалу делительные устройства разделяют на три основные категории.

• Простые делительные приспособления: содержат упрощенный механизм поворота с жесткой фиксацией диска на корпусе. Подходят для несложного фрезерования квадратов, шестигранников и шлицев.
• Универсальные головки УДГ: оснащены поворотным червячным узлом, комплектом сменных шестерен гитары и приставным кронштейном. Обеспечивают дифференциальное деление и согласованное вращение шпинделя при нарезании спиралей.
• Оптические делительные головки (ОДГ): имеют стеклянный эталонный лимб и встроенный микроскоп. Их применяют в инструментальных лабораториях при изготовлении эталонных зубчатых колес с угловой погрешностью до 1–5 секунд.

Корпус универсальной головки состоит из поворотного шпиндельного барабана, помещенного в чугунную колодку. Барабан плавно разворачивается в вертикальной плоскости на угол от 95° вверх до 5° вниз. Это позволяет фрезеровать канавки на крутых конусах. Сам шпиндель головки изготовлен из цементированной стали и имеет сквозное осевое отверстие. В переднем торце шпинделя расточен конус Морзе (КМ3 для УДГ-160, КМ4 для УДГ-200 и УДГ-250, КМ5 для УДГ-320 по ГОСТ 25827-93).

Кинематическая схема УДГ и передаточное отношение червячной пары

Кинематическая цепь УДГ построена на базе прецизионного червячного редуктора. На шпинделе головки жестко закреплено червячное колесо с числом зубьев z_к = 40. С ним сцеплен однозаходный архимедов червяк. Передаточное отношение червячной пары составляет 1:40, а характеристика делительной головки обозначается постоянным числом N = 40. Поворот рукоятки на один целый оборот смещает шпиндель с деталью ровно на 1/40 часть окружности (на угол 9°).

На приводном валике червяка смонтирована рукоятка со штифтовым подпружиненным фиксатором. Штифт входит в калиброванные отверстия сменного делительного диска. И чтобы исключить ошибки ручного счета отверстий при каждом шаге, на диск накладывают раздвижной сектор. Две ножки сектора фиксируют винтом, выставляя расчетное число отверстий. После каждого поворота рукоятки мы плавно перемещаем сектор вперед до упора в штифт.

Штатный двухсторонний делительный диск по ГОСТ 8615-89 включает следующие концентрические дорожки отверстий.

• Первая сторона лимба (ряд А): 16, 17, 19, 21, 23, 29, 30, 31.
• Вторая сторона лимба (ряд Б): 33, 37, 39, 41, 43, 47, 49, 54.

Инженерные расчеты, формулы и физические принципы работы

В зависимости от геометрии детали и требуемого числа делений z мы применяем один из трех базовых методов деления. Рассмотрим математическую схему и правила настройки каждого варианта.

1. Метод непосредственного деления

Непосредственное деление выполняют при выведенном из зацепления червяке. Оператор отводит червяк эксцентриковой рукояткой и вращает шпиндель напрямую вручную. Отсчет ведут по градусному диску на носке шпинделя или по диску с 24 отверстиями. Метод используют для фрезерования деталей с числом граней z = 2, 3, 4, 6, 8, 12, 24. Число делений рассчитывают по следующей формуле.

n = 24 / z

2. Простое деление по лимбу

Простое деление применяют, когда червяк введен в зацепление с колесом, а делительный диск неподвижно зафиксирован стопорной защелкой на корпусе. Необходимое число оборотов рукоятки n находят по базовому соотношению.

n = N / z = 40 / z

Полученную дробь выделяют в целое число оборотов и правильную дробную часть. Затем дробь приводят к знаменателю, равному числу отверстий на одной из окружностей делительного диска.

n = A + a / b = A + (a · k) / (b · k)

В этой формуле параметр A задает целое число полных оборотов рукоятки. Произведение b · k обозначает выбранную окружность отверстий лимба. А произведение a · k указывает число расчетных промежутков между отверстиями.

В качестве практического примера рассмотрим нарезание зубчатого колеса с числом зубьев z = 28. Определяем число оборотов рукоятки: n = 40 / 28 = 1¹²/₂₈ = 1³/₇. Умножаем числитель и знаменатель дроби 3/7 на коэффициент 3 и получаем значение 1⁹/₂₁. На делительном диске выбираем дорожку с 21 отверстием. Для поворота заготовки на один зуб наладчик выполняет один полный оборот рукоятки и дополнительно отсчитывает 9 промежутков (10 отверстий, ограниченных сектором) по ряду 21.

3. Дифференциальное деление и расчет передаточного отношения гитары

Если число делений z не раскладывается на простые множители под имеющиеся дорожки диска (например, простые числа z = 51, 53, 59, 61, 67, 71, 73, 79, 83, 89, 97, 101, 107, 109, 127), мы настраиваем дифференциальное деление. При этом методе стопор делительного диска вывинчивают. Диск получает принудительное согласованное вращение от шпинделя головки через пару конических шестерен и гитару сменных зубчатых колес.

Для вычислений подбирают фиктивное вспомогательное число x, близкое к заданному z, которое легко делится простым способом на имеющемся диске. Число оборотов рукоятки определяют по вспомогательному числу.

n = 40 / x

Передаточное отношение сменных зубчатых колес гитары находят по формуле.

i_г = (40 · (x - z)) / x = (a · c) / (b · d)

В этой формуле переменные a, c обозначают ведущие шестерни гитары, а переменные b, d обозначают ведомые шестерни. Колеса выбирают из стандартного набора ЗИП головки УДГ: z ∈ {25, 25, 30, 35, 40, 50, 55, 60, 70, 80, 90, 100}.

Правила установки паразитных шестерен для согласования направления:

• Если x > z (разность положительна): делительный диск вращается в направлении вращения рукоятки. При простой гитаре (одна пара a/b) ставят 1 паразитку. При сложной четырехколесной гитаре промежуточные паразитные колеса не ставят.
• Если x < z (разность отрицательна): делительный диск вращается навстречу рукоятке. При простой гитаре устанавливают 2 паразитки. При двухпарной гитаре (a·c)/(b·d) устанавливают 1 промежуточное паразитное колесо.

Рассмотрим подробный инженерный пример дифференциального расчета для нарезания шестерни с числом зубьев z = 67. Сначала мы принимаем вспомогательное число x = 60. Находим число оборотов рукоятки: n = 40 / 60 = 2 / 3 = 20 / 30. Будем делить по дорожке 30 отверстий на 20 интервалов.

Далее рассчитываем передаточное отношение сменных колес гитары: i_г = (40 · (60 - 67)) / 60 = (40 · (-7)) / 60 = -280 / 60 = -14 / 3. Раскладываем дробь 14/3 на множители двух зубчатых пар: 14 / 3 = (7 / 3) · (2 / 1) = (7 · 10) / (3 · 10) · (2 · 40) / (1 · 40) = (70 / 30) · (80 / 40). В результате получаем комплект зубчатых колес с ведущими шестернями a = 70, c = 80 и ведомыми шестернями b = 30, d = 40. Все четыре колеса есть в штатном комплекте ЗИП. Знак минус показывает необходимость вращения диска навстречу рукоятке. И для четырехколесной передачи мы монтируем одну паразитную шестерню в кронштейн гитары.

4. Нарезание винтовых канавок и спиралей

Фрезерование винтовых канавок цилиндрических разверток, сверл и косозубых шестерен требует одновременного перемещения стола и непрерывного вращения заготовки. За время продольного хода стола на шаг винтовой линии T деталь совершает ровно один полный оборот вокруг своей оси.

Для синхронизации ходовой винт продольной подачи стола связывают со шпинделем делительной головки через гитару сменных колес. Передаточное отношение гитары для винтовых канавок рассчитывают по формуле.

i_г.в. = (40 · t_в) / T = (a · c) / (b · d)

В этой формуле параметр t_в задает шаг ходового винта продольной подачи станка (для станков 6Р82 и 6Т82 шаг равен 6 мм, для тяжелых станков 10 мм), а параметр T задает расчетный шаг винтовой линии детали в миллиметрах.

Шаг винтовой линии T вычисляют по наружному диаметру детали d и углу наклона винтовой канавки β.

T = (π · d) / tg β

Стол универсально-фрезерного станка обязательно поворачивают на угол наклона винтовой канавки β. Для правой спирали стол разворачивают по часовой стрелке. А для левой спирали стол поворачивают против часовой стрелки, при этом в гитару добавляют промежуточное паразитное колесо.

Пошаговые регламенты настройки, монтажа и эксплуатации

Точность обработки зубьев и шлицев зависит от соблюдения регламента монтажа головки и регулировки зазоров в червячной передаче. Пошаговая технологическая последовательность настройки УДГ включает следующие операции:

1. Монтаж оснастки на стол станка: тщательно протирают зеркало стола и пазы. Вводят направляющие сухари делительной головки в центральный Т-образный паз стола. Затягивают крепежные болты. Проверяют соосность центров передней и задней бабок индикатором часового типа с ценой деления 0,01 мм (допустимое радиальное отклонение по ГОСТ 8615-89 составляет не более 0,02 мм на длине оправки 300 мм).
2. Регулировка мертвого хода червячной пары: индикатором контролируют окружной люфт шпинделя. Если зазор превышает 0,02 мм, ослабляют стяжной винт корпуса и поворачивают эксцентриковую гильзу червяка до плотного зацепления без заеданий.
3. Настройка делительного диска и сектора: устанавливают лимб стороной с расчетной дорожкой отверстий. Ножки сектора раздвигают на расчетное количество интервалов и фиксируют стопорным винтом сектора.
4. Сборка гитары сменных колес: при дифференциальном делении собирают шестерни a, b, c, d на пальцах кронштейна гитары. Выставляют радиальный зазор в зацеплении колес в пределах 0,05–0,08 мм. Обязательно вывинчивают стопорный фиксатор делительного диска.
5. Регламент рабочего деления: перед поворотом рукоятки обязательно ослабляют зажим шпинделя головки. Вращают рукоятку плавно по часовой стрелке. Заводят штифт фиксатора в отверстие без удара. После фиксации поворачивают сектор вперед по ходу движения. Перед включением подачи затягивают зажим шпинделя для обеспечения жесткости заготовки.

Сравнительные таблицы параметров и режимов

Ниже представлены базовые технические параметры линейки делительных головок по ГОСТ 8615-89.

Режимы резания при зубофрезеровании дисковыми модульными фрезами с установкой заготовки в делительной головке подбирают по свойствам обрабатываемого сплава.

Типичные ошибки, аварийные ситуации и методы диагностики

Нарушения правил кинематической настройки вызывают поломки режущего инструмента, сминание зубьев сменных шестерен и брак деталей по шагу. В таблице систематизированы основные технологические отказы и методы их предотвращения.

Чек-лист для производственного цеха: наладка и контроль делительных операций

Перед запуском фрезерования партии деталей наладчик станка и мастер участка выполняют контрольный осмотр по пунктам цехового регламента:

• Проверка установки оснастки: делительная головка и задняя бабка выставлены в пазу стола с радиальным биением контрольной оправки не более 0,015 мм.
• Контроль червячной пары: мертвый ход червячного зацепления УДГ не превышает 0,02 мм по лимбу.
• Проверка состояния делительного диска: при дифференциальном делении диск полностью освобожден от стопора и свободно вращается от гитары.
• Контроль настройки сектора: ножки сектора охватывают строго расчетное число отверстий a · k + 1.
• Надежность зажима шпинделя: проверена работа механизма блокировки шпинделя перед рабочим ходом стола станка.
• Измерение пробного зуба: после прорезания первых двух впадин измерить толщину и шаг зуба штангензубомером с точностью до 0,01 мм.