Отделка баз заготовок зубчатых колес после термической обработки

При отделки поверхностей зубчатого колеса, являющихся базами, необходимо обеспечить:

1) Их точность и шероховатость в соответствии с требованиями чертежа;

2) Минимальное биение оси зубчатого колеса относительно оси посадочного отверстия.

Последнее особенно важно для колес, зубья которых не обрабатываются после термической обработки, но и для колес, подвергающихся после термической обработки зубошлифованию. Это дает возможность сократить припуск на шлифование боковых сторон зубьев.

Отделка посадочных отверстий после термической обработки заготовок зубчатых колес обычно производят на внутришлифовальных станках, снабженных дополнительной откидной шлифовальной бабкой для обработки торца с одного установа с отверстием (рис. 3.15.). При этом базирование зубчатого венца осуществляют в самоцентрирующем патроне на ролике, установленном во впадине между зубьями.

Рис. 3.15. – Схема базирования зубчатого колеса при шлифовании отверстия.

Если отверстие и торец нельзя отшлифовать с одного установа, то приходится вводить операцию шлифования торца (торцев) на круглошлифовальном станке при базировании колеса по шлифуемому отверстию на оправке.

Многовенцовые колеса и колеса, у которых ширина венца больше диаметра, устанавливаются в патронах, имеющих 2 независимых центрирующих устройства (рис. 3.16.).

Рис. 3.16. – Схема базирования зубчатого колеса.

Для установки косозубых колес применяют изогнутые или ступенчатые ролики или рейки с косыми зубьями. Шарики и ролики соединяют в один блок с помощью сепаратора.

 

3.7. Чистовая обработка (отделка зубьев)

Чистовая обработка зубьев необходима, когда изготавливают колеса, имеющие высокие эксплуатационные характеристики: изгибную прочность и контактную выносливость зубьев, малые шум и вибрацию при работе. Такие зубчатые колеса должны иметь высокую точность и низкую шероховатость поверхности зубьев.

Известно 4 основных метода чистовой обработки зубьев цилиндрических колес: шевингование и прикатка для незакаленных зубчатых колес; зубохонингование, зубошлифование для закаленных колес.

 

Шевингование зубчатых колес

Обработка зубьев большинства колес, изготавливаемых в условиях серийного и массового производств, осуществляется по следующей схеме: предварительное зубонарезание, а затем шевингование.

Широкому распространению процесса шевингования способствуют такие его качества: высокая производительность (2-3 сек/зуб для колес средних модулей), экономичность за счет высокой стойкости инструмента, достаточно высокая точность.

В процессе обработки инструмент 1 дисковый шевер и обрабатываемое колесо 2 вращаются, воспроизводя винтовую передачу, составленную из 2 цилиндрических зубчатых колес с теоретическим точечным контактом (рис. 3.17.). Фактически же из-за наличия припуска на боковых поверхностях зубьев обрабатывается площадка контакта, имеющего вид узкого овала, вытянутую примерно вдоль зуба.

Рис. 3.17. – Схема шевингования

Зацепление винтовой передачи характеризуется интенсивным боковым скольжением зубьев, складывающимся из профильного и продольного скольжения. Результат скольжения при шевинговании и есть плавное движение резания, которое осуществляется режущими кромками шевера. Срезаемый слой с боковых поверхностей зубьев превращается в тонкую волосовидную стружку. При этом образуется профиль зуба колеса, сопряженный с профилем зуба инструмента.

При шевинговании отсутствует жесткая кинематическая связь между вращением инструмента и заготовки. Обычно вращение сообщают более массивному звену пары «шевер-колесо» при беззазорном (плотном) зацеплении их зубьев или с торможением ведомого звена при однопрофильном зацеплении зубьев. Эта особенность процесса шевингования непосредственно отражается на его исправляющей способности. Шевингование дает достаточно хорошие результаты по нормам контакта (пятно контакта, погрешность направления зуба) и нормам плавности (отклонения шага, погрешность профиля) и т.д.

Однако, по нормам кинематической точности (накопленная погрешность шага, радиальное биение зубчатого венца и т.д.) исправляющая способность шевингования весьма слабая. Следует отметить, что шевингование дает хороший по точности результат лишь при условии достаточно точной предварительной обработки зубьев. Следовательно, точность хорошего колеса можно повысить, но получить из плохого колеса хорошее с помощью шевингования не удается.

Чтобы обработать зуб по всей его длине и высоте, заготовке необходимо сообщить движение подачи. В зависимости от направления движения подачи различают 5 методов:

1) Параллельное (осевое)

2) Диагональное

3) Касательное

4) Поперечное

5) Врезное

Эти методы различаются между собой по производительности и конструкции шевера. Наиболее универсальным является шевингование с осевым движением подачи (рис. 3.17.). При этом методе заготовка совершает возвратно-поступательное движение вдоль своей оси и в конце каждого рабочего хода подается на шевер в радиальном направлении . Несколько последних возвратно-поступательных ходов совершаются без радиального движения подачи (выхаживающие ходы). Преимущество метода заключается в его универсальности: зубчатые колеса любой ширины можно обработать узким шевером. Однако, производительность этого метода ниже, чем у других методов из-за наибольшей длины рабочего хода.

При шевинговании могут иметь место следующие сочетания шевера и обрабатываемого колеса: колесо прямозубое, шевер косозубый; колесо косозубое, шевер прямозубый; колесо и шевер косозубые, при этом необходимо обеспечить угол скрещивания осей шевера и колеса в пределах 10-15⁰.

Чугун, пластмассу и другие материалы, обладающие сравнительно малой прочностью и твердостью, обрабатывают при угле скрещивания 20⁰.

Прикатывание зубчатых колес

Прикатыванием (обкатывание, зубокалибрование) называется процесс тонкого пластического деформирования боковых поверхностей зубьев колеса, которое осуществляют при совместном вращении заготовки с одним или несколькими закаленными до высокой твердости эталонными полосами.

В процессе прикатывания (рис. 3.18.) эталонное колесо 1 приводится во вращение и вращает сцепленное с ним обрабатываемое колесо 2, которое поднимается двумя другими эталонными колесами 3, свободно сидящими на осях подвижной каретки 4.

Рис. 3.18. – Схема обкатывания зубьев

В результате относительно профильного скольжения зубьев инструмента и заготовки металл, находясь под давлением, течет вдоль профиля зуба, обработка осуществляется на специальных зубообкатных станках, отличающихся высокой жесткостью.

По сравнению с шевингованием прикатывание позволяет снизить расходы на инструмент, благодаря повышению его стойкости в 10-20 раз, увеличить в 3-5 раз производительность обработки, значительно снизить шероховатость обработанных поверхностей ( мкм).

За счет накопленного слоя боковых поверхностей зубьев и прикатных колес при эксплуатации отмечается повышенная прочность и долговечность. Однако, исправляющая способность прикатывания ниже, чем при шевинговании.

Поэтому для получения хороших результатов по точности необходимо при уменьшенных примерно в 2 раза по сравнению с шевингованием припусках обеспечить более высокую точность предварительного зубонарезания.

При внедрении процесса прикатывания в производство следует учитывать также и трудности, связанные с определением параметров профиля зубьев эталонного колеса и его изготовления.

 

Зубошлифование

Зубошлифование является практически единственным методом обработки закаленных зубчатых колес 7 и выше степеней точности. Наибольшее распространение в производстве получили 4 способа шлифования зубьев цилиндрических колес:

1) Шлифование зубьев дисковым кругом с фасонной рабочей поверхностью по методу копирования с единичным делением

2) Шлифование зубьев дисковым кругом с конической рабочей поверхностью по методу обката с единичным делением

3) Шлифование двумя тарельчатыми кругами по методу обката с единичным делением

4) Шлифование зубьев червячным абразивным кругом по методу обката с непрерывным делением

При обработке зубьев по методам копирования точность зубчатых колес определяется в основном точностью эвольвентного профиля круга и точностью делительного механизма (делительного диска) станка. Производительность станков сравнительно высокая, т.к. впадина формируется одновременно по всему её периметру, потери на деление невелики. Однако, переналадка станка весьма сложная, т.к. требуется смена копиров заправочного устройства, а иногда и делительного диска. Поэтому применение этого способа шлифования целесообразно лишь в условиях крупносерийного производства.

Точность зубчатых колес, изготовленных этим способом соответствует 6-7 степени точности по ГОСТ 1643-81.

При шлифовании зубьев дисковым кругом с конической рабочей поверхностью (рис. 3.19.) воспроизводится зацепление обрабатываемого колеса 1 с производящей рейкой 2. Боковые конические поверхности шлифовального круга 3 материализуют при этом зуб производящей рейки. Если форма образования впадины происходит при прямом и обратном движении обката заготовки, то для устранения влияния зазоров (люфтов) в механизме обката на точность обработки левая и правая стороны зубьев шлифуются раздельно, поэтому толщина круга должна быть несколько меньше номинальной толщины зуба производящей рейки.

Рис. 3.19. – Схема образования эвольвентного профиля зуба.

Структурная кинематическая схема зубошлифовального станка представлена на рис. 3.20. Движение обката обеспечивается настройкой цепи обката, конечными звеньями которой являются червячная 5 и винтовая 4 передачи. Деление осуществляется за счет поворота планшайбы стола 6 на требуемый угол при разомкнутой цепи обката в конце каждого двойного хода стола станка. Таким образом, точность зуюошлифования во многом определяется точностью червячной и винтовой передач, а также точностью механизма деления станка.

Для шлифования косозубых колес ползун, несущий шлифовальную бабку поворачивается на соответствующий угол (рис. 3.20., б).

Рис. 3.20. – Структурная кинематическая схема зубошлифовального станка.

Станки, работающие дисковым кругом с конической рабочей поверхностью, наиболее универсальны, поэтому основная область их применения – единичное и мелкосерийное производства. Достижимая точность зубошлифования соответствует 6-7 степени точности по ГОСТ 1643-81.

Станки, работающие двумя тарельчатыми кругами, обеспечивают 5-6 степень точности зубчатых колес. Такая точность помимо общих требований к точности исполнения станков обуславливается минимальным числом звеньев в механизме обката станка и отсутствием в нем зазоров, а также точностью делительного диска, автоматической правкой круга и компенсацией его размерного износа.

Механизм обката станка (рис. 3.21.) содержит точный ролик 1, установленный соосно с заготовкой 2 на подвижной каретке 3. Диаметр ролика , где S – толщина стальной ленты 4, d – делительный диаметр обрабатываемого колеса.

Две стальные ленты охватывают ролик по окружности и крепятся к станине станка. При натяжении ленты материализуют начальную плоскость станочного зацепления, по которой катится без скольжения ролик и делительный цилиндр заготовки. Таким образом, имитируется зацепление заготовки с производящей рейкой 5, зубья которой материализуют 2 тарельчатых круга 6.

В процессе обработки каретка 3 получает быстрые возвратно-поступательные перемещения , при этом ролик с заготовкой совершает возвратно-вращательное движение , таким образом, реализуется движение обката. Для обработки зубьев по всей длине каретке сообщают движение подачи вдоль оси заготовки. Поскольку движение подачи осуществляется сравнительно медленно, производительность станков, работающих по этому способу, сравнительно невысока.

Рис. 3.21. – Схема механизма обката станка.

Для автоматической правки шлифовального круга используют специальный механизм, который в процессе шлифования зубьев периодически правит круг.

Весьма точными и наиболее производительными являются станки, работающие червячным шлифовальным кругом (рис. 3.22.). Их кинематическая схема аналогична кинематической схеме зубофрезерных станков.

 

Рис. 3.22. – Структурная схема шлифовального станка, работающего абразивным червяком:

1 – Заготовка, 2 – Абразивный червяк, 3 – Делительное колесо, 4 – Делительный червяк, 5 – Устройство согласования вращательных движений круга и стола.

Однако, создание зубошлифовальных станков с механическими кинематическими связями оказалось весьма затруднительным, вследствие недопустимо высоких скоростей скольжения делительной червячной передачи.

Ориентировочная производительность станков, работающих абразивным червяком, примерно 10-15 сек/зуб для колес средних модулей. Достижимая точность соответствует 5-6 степени по ГОСТ 1643-81.

Предварительная правка червячных кругов производится накатным роликом, а окончательная (чистовая) – алмазным.

Данный способ зубошлифования рекомендуется для крупносерийного производства. При изготовлении колес малых модулей (до 2 мм) предварительное зубонарезание целесообразно не производить, а вышлифовывать зубья непосредственно из целой закаленной заготовки.

Рассмотренные способы зубошлифования имеют один общий недостаток – возможное появление прижогов на боковых поверхностях зубьев и, как следствие, снижение эксплуатационных характеристик зубчатых колес. Устранить опасность прижогов можно за счет назначения рациональных режимов резания, правильного выбора характеристики шлифовального круга и применения технологической СОЖ.

 

Хонингование зубчатых колес

Процесс зубохонингования заключается в совместном обкате заготовки и инструмента – зубчатого колеса, изготовленного из эпоксидной смолы или каучука с добавлением абразивного порошка. Внешне процесс зубохонингования сходен с процессом шевингования. Закаленное зубчатое колесо 1 зацепляется с зубчатым хоном 2 при угле скрещивания осей (рис. 3.23.).

Рис. 3.23. – Схема зубохонингования

Заготовке сообщается возвратно-поступательное движение подачи вдоль оси, направление вращения инструмента меняется после каждого двойного хода заготовки. Для интенсификации процесса в ряде станков предусмотрено колебательное (осциллирующее) движение инструмента вдоль его оси. Также, как и при шевинговании, нагружение пары осуществляется в радиальном или окружном направлениях. Число зубьев хона не должно быть кратно числу зубьев обрабатываемого колеса.

Рекомендуемая окружная скорость при обработке – 5-15 м/с. Скорость движения подачи заготовки 300-600 мм/мин, количество рабочих ходов заготовки – от 4 до 6. Время обработки колеса – от 30 до 60 сек. Рекомендуемые припуски при зубохонинговании 0,02-0,03 мм на сторону зуба. Поэтому специально припуски на зубохонингование не оставляют. Наиболее эффективной СОЖ при зубохонинговании является керосин.

Зубохонингованием достигаются:

1) Устранение заусенцев и забоин на поверхностях зубьев, возникающих при термической обработке и транспортировке колес;

2) Уменьшение шероховатости поверхностей зубьев шевингованных и шлифованных колес;

3) Незначительное повышение точности зубчатого венца.

Температура в зоне контакта зубчатого хона с заготовкой невысока, поэтому на поверхностях зубьев не образуются прижоги и микротрещины. Это сохраняет твердость и структуру поверхностного слоя зубьев. Процесс зубохонингования рекомендуется использовать в крупносерийном и массовом производстве зубчатых колес.