Тех.маш.Ч

Основные технические требования, предъявляемые к зубчатым колёсам, регламентированы ГОСТами, которые устанавливают 12 степеней точности зубчатых колёс. Каждая степень точности имеет три нормы:

–кинематическая точность;

–плавность работы;

–контакта зубьев в передаче.

Так же каждая степень точности имеет шесть видов сопряжений и восемь видов допусков на боковой зазор.

Наиболее ответственными поверхностями при обработке зубчатых колёс являются отверстия и опорные торцы, которые принимаются в качестве базовых при нарезании зубьев, контроле и сборке.

В таблице приведены допуски на отверстия и опорные торцы типовых цилиндрических зубчатых колес:

Номинальный	Биение опорно-	Допуск на диа-		Конусность от-
диаметр заготовки,	го торца, мм	метр отверстия, мм		верстия на длине 25
мм				мм.
До 25	0,008 – 0,013	0,008	- 0,015	0,005 – 0,008
25…100	0,010 – 0,020	0,013	– 0,025	0,005 – 0,008
100…200	0,015 – 0,030	0,020	– 0,030	0,005 – 0,008
200…300	0,025 – 0,050	0,025	– 0,038	0,005 – 0,008

2. ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВОК ЗУБЧАТЫХ КОЛЁС

Взависимости от назначения, передаваемых нагрузок и условий эксплуатации выбирается материал для изготовления зубчатых колёс. При этом необходимо учитывать и такие требования к материалу как: хорошая обрабатываемость резанием, наименьшее коробление при термообработке, низкая стоимость.

Всоответствии с основными эксплуатационными требованиями, такими как высокая прочность, износостойкость, долговечность и с учётом технологических требований, для производства зубчатых колёс применяются конструкционные стали: углеродистые (40, 45, 50), углеродистые пониженной прокаливаемости (55ПП), хромистые (20Х, 35Х, 40Х, 50Х), хромоникелевые (I2ХНЗА, 12Х2Н4А, 2ОХНЗА, 20Х2Н4А, 20ХН, 40ХН), хромоникелевые с бором (20ХНР) и с молибденом (20ХНМ, 20ХН2М, 18Х2Н4МА), хромомарганцевые (18ХГ), хромомарганцевые с титаном (I8ХГТ, 25ХГТ, З0ХГТ), с никелем (I4ХГН, 19ХГН), с молибденом и титаном (25ХГМ), хромомолибденовые (20ХМ), хромомарганцевоникелевые с титаном (15ХГНТА, 15ХГН2ТА), с бором (20ХГНР), с титаном и бором (20ХГНТР), с молибденом и титаном (25ХГНМТ), хромомолибденоалюминиевые (З8ХМЮА, 38Х2МЮА).

Основными недостатками зубчатых колёс, изготовленных из углеродистых сталей, являются относительно низкая прочность и большое коробление при термообработке.

31

Легированные стали с содержанием хрома, никеля, молибдена и других легирующих элементов используются для изготовления высоконагруженных зубчатых колёс. В связи с малым содержанием углерода поверхностный слой зубчатых колёс, изготовленных из легированных сталей, подвергается цементации и нитроцементации, а из среднеуглеродистых сталей — азотированию. После химикотермической обработки зубчатые колёса из этих сталей имеют более высокую износостойкость, ударную вязкость и сопротивление усталости.

Стоимость материала для зубчатых колёс массового производства составляет обычно 50…55% общей стоимости зубчатого колеса. Во многих случаях экономически целесообразнее изготовлять зубчатые колёса из высококачественных легированных сталей, значительно повышающих срок службы колёс, надежность в эксплуатации.

Значительно реже для зубчатых колёс используются серые чугуны, пластмассы, слоистые пластики и металлокерамические материалы.

Из серого чугуна изготовляются зубчатые колёса, работающие при малых окружных скоростях и передающие небольшие усилия. Зубчатые колеса из слоистых пластиков: текстолита, нейлона и других, работающие при высоких окружных скоростях (40...50 м/с), отличаются отсутствием шума при работе, плавностью передачи и способностью гасить вибрации. При этом они входят в зацепление с колёсами, изготовленными из стали или твёрдого чугуна.

Расход металла на изготовление зубчатого колеса и трудоемкость его изготовления в значительной степени зависят от метода получения исходных заготовок.

Технологический процесс получения исходной заготовки зубчатого колеса должен обеспечить мелкозернистую структуру и наилучшее расположение волокон материала.

К основным технологическим процессам получения исходных заготовок зубчатых колёс относятся: свободная ковка, штамповка на кривошипных ковочноштамповочных прессах, горизонтально-ковочных машинах, поперечно-клиновая прокатка, холодная штамповка, горячая высадка на многопозиционных автоматах, спекание из порошковых смесей в закрытых штампах.

Точность исходных заготовок зубчатых колёс, полученных свободной ковкой на ковочном молоте, соответствует 16...17 квалитетам, шероховатость поверхно-

сти Ra = 10,0...12,5 мкм.

При серийном производстве зубчатых колёс сложной конфигурации и одновенцовых колёс поковки получаются штамповкой в подкладных штампах с точностью 14...16 квалитетов, припуск на последующую обработку составляет 3…4

ммна сторону.

Вкрупносерийном и массовом производстве исходные заготовки большинства цилиндрических зубчатых колёс изготовляются на кривошипных горячештамповочных прессах, многопозиционных горячештамповочных автоматах, горизон- тально-ковочных машинах и молотах в закрытых штампах.

Поковки, полученные в закрытых штампах, имеют большую точность (11...14 квалитеты), меньшую шероховатость, меньший припуск, больше приближаются к

32

геометрической форме и размерам детали. Если центральное отверстие поковок имеет диаметр 25 мм и выше, то оно прошивается.

Перед штамповкой исходные заготовки нагреваются токами высокой частоты (ТВЧ), в пламенных или индукционных печах.

При нагревании в пламенных печах на исходных заготовках образуется значительный слой окалины, увеличивающий отходы металла и снижающий срок службы штампов.

Нагревание в индукционных печах протекает в 13–15 раз быстрее, чем в пламенных печах, а при применении нейтральной атмосферы обеспечивается отсутствие окалины на заготовках.

Для снятия напряжений и улучшения обрабатываемости материала, кованные или штампованные заготовки независимо от оборудования, на котором они получены, подвергаются термообработке – нормализации или отжигу. После термообработки заготовки очищаются от окалины и контролируются по основным размерам, положению внешних поверхностей относительно центрального отверстия и по твердости.

В последнее время распространяется изготовление заготовок зубчатых колёс с предварительным получением зубчатого венца, что позволяет сэкономить материал, снизить трудоемкость механической обработки и улучшить расположение волокон материала.

Предварительное формообразование зубчатого венца осуществляется штамповкой, горячим или холодным накатыванием зубьев. Полученные заготовки для снятия внутренних напряжений и улучшения их обрабатываемости подвергаются термообработке – нормализации или отжигу.

Стальные зубчатые колёса малых наружных диаметров обычно изготовляются из пруткового материала.

Заготовки из чугуна и цветных сплавов (иногда из стали) получаются литьём. Этим методом можно получать и зубчатые венцы 10–12-й степени точности без последующей механической обработки. Такие зубчатые колёса используются в сельскохозяйственных и подъёмно-транспортных машинах. У чугунных колёс зубья могут быть отлиты с отбеленной износостойкой поверхностью. Заготовки из пластмасс получаются прессованием и литьём.

3. ТИПОВЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗУБЧАТЫХ КОЛЁС

При проектировании технологического процесса изготовления зубчатого колеса необходимо учитывать следующие параметры:

–тип исходной заготовки (штамповка, поковка, прокат, отливка);

–габариты зубчатого колеса, степень точности и твёрдость рабочих поверхностей (закалённые или сырые);

–тип производства.

33

Примерная технологическая схема изготовления одновенцового цилиндрического зубчатого колеса в серийном и массовом производствах имеет следующую последовательность.

1.Предварительная обработка основных базовых поверхностей – центрального отверстия и одного из торцов. Центральное отверстие обрабатывается на то- карно-револьверных станках вместе с черновой обточкой наружной поверхности (рис. 2.2) с использованием резцов (или резцовой головки) или мерного инструмента (сверла, зенкера, развёртки), или же на протяжных станках горизонтального или вертикального исполнения (рис. 2.3)

2.Окончательная обработка зубчатого колеса по наружному контуру (базирование осуществляется по центральному отверстию). Обработка ведется на одно и многошпиндельных токарных полуавтоматах (рис. 2.4), токарных многорезцовых копировальных полуавтоматах.

Рис. 2.2. Обработка зубчатого колеса на токарно-револьверном станке

34

Рис. 2.3. Протягивание центрального отверстия: а) горизонтального исполнения;

б) вертикального исполнения (1 – зубчатое колесо, 2 – протяжка, 3 – припуск на обработку)

Рис. 2.4 Обработка зубчатого колеса на одношпиндельном многорезцовом токарном полуавтомате

3. Нарезание зубьев зубчатого колеса.

На этом этапе технологического процесса при изготовлении незакалённых зубчатых колёс обеспечивается точность зубчатого венца, заданная чертежом. В

35

серийном и массовом производствах в зависимости от требуемой точности зубчатого колеса обработка осуществляется по одному из следующих планов:

–фрезерование зубьев колеса однозаходной червячной фрезой, затем их шевингование;

–фрезерование зубьев колеса одно или двухзаходной червячной фрезой, предварительное и окончательное шевингование;

–фрезерование зубьев колеса однозаходной червячной фрезой, их шевингование и обкатывание.

В единичном и мелкосерийном производстве вместо червячных фрез используются модульные фрезы или долбяки, а вместо операций шевингования применяются операции притирки или приработки.

4. Зубозакругление зубьев колеса и снятие фасок на зубьях.

5. Полная или частичная (ТВЧ) термообработка зубчатого колеса для обеспечения заданной твёрдости поверхности.

6. Чистовая обработка базовых поверхностей (центральное отверстие и торец) на операциях шлифования и хонингования.

7. Чистовая обработка зубьев зубчатых колёс.

8. Окончательный комплексный контроль.

4. ЧЕРНОВЫЕ И ПОЛУЧИСТОВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ЗУБЧАТЫХ КОЛЁС

4.1 Фрезерование модульными фрезами

Обработка зубчатых колёс с использованием модульных дисковых и концевых фрез осуществляется в единичном и мелкосерийном производстве. В основу кинематики движения при фрезеровании положен метод копирования (рис. 2.5).

Метод копирования – метод обработки зубьев колёс с использованием инструмента, рабочий профиль которого соответствует форме впадин между зубьями зубчатого колеса.

а)

б)

Рис. 2.5. Фрезерование цилиндрических зубчатых колёс дисковой (а) и концевой (б) модульными фрезами

36

Режущие элементы дисковых и концевых модульных фрез, работающих по методу копирования, являются копией эвольвенты, описывающей профиль зуба. Форма профиля режущей кромки инструмента зависит от модуля и числа зубьев нарезаемого колеса.

Фрезерование методом копирования осуществляется на горизонтально, вертикально и универсально-фрезерных станках. Обычно дисковыми и концевыми модульными фрезами обрабатываются зубчатые колёса не точнее 9-ой степени точности с крупным модулем.

Дисковые модульные фрезы, в отличие от концевых фрез, не могут обрабатывать зубчатые венцы без свободного выхода инструмента. Однако конструктивные и технологические возможности у них шире. Их легче сделать сборными, они обеспечивают различные схемы резания, комбинации режущих элементов и др.

С помощью сдвоенных дисковых фрез можно значительно повысить производительность обработки, но при этом потребуется специальное оборудование и оснастка. Более производительны методы нарезки дисковыми модульными фрезами путём последовательного фрезерования впадин при использовании делительного многоместного приспособления (рис. 2.6 а), или двумя или тремя дисковыми специальными фрезами, закрепленными на одной оправке (рис. 2.6, б).

а) б)

Рис. 2.6. Схемы обработки зубчатых колёс дисковыми модульными фрезами

Цельные дисковые модульные фрезы обычно изготавливаются из стали Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5 и др. сплавов. Сборные модульные фрезы – из твёрдых сплавов ВК6, ВК8, Т5КI0 и др. Крепёжная часть составных и сборных фрез выполняется из стали 40Х, 45 и др. Профиль зубьев фрез соответствует профилю впадины между зубьями нарезаемого колеса, поэтому пригодны только для нарезания колес с одинаковым числом зубьев. Используются наборы из 8 (m < 8), 15 (m = 9...16), 26 (m > 16) фрез, т.е. каждая фреза из набора нарезает зубчатые колёса с определенным числом зубьев. Например, одна фреза из набора из 8 фрез позволяет нарезать зубья с 12 и 13 зубьями, вторая – с 14, 15 и 16 зубьями и т.д.

4.2. Фрезерование червячными фрезами

Процесс нарезания зубчатых колёс червячными фрезами является самым распространенным и наиболее трудоёмким в производстве зубчатых колёс. На зубофрезерных станках червячными фрезами нарезаются зубчатые колеса внешнего

37

зацепления с прямыми и косыми зубьями, конической и бочкообразной формы, червячные колёса, шлицевые валы с различными формами зубьев, звездочки цепных передач и другие детали.

Метод нарезания зубьев червячной фрезой экономичен. Червячной фрезой одного нормального модуля и одного угла профиля можно нарезать прямозубые и косозубые колеса с различным числом зубьев и углом наклона линии зуба. Размер обрабатываемого колеса лимитируется параметрами зуборезного станка.

Этот метод применяется для чернового и чистового нарезания зубьев под шевингование и шлифование в массовом и серийном производстве. Качество зубчатого колеса при зубофрезеровании червячной фрезой определяется точностью и жёсткостью зубофрезерного станка, точностью заготовки, зажимного приспособления, фрезы и их правильной установкой на станке. При нормальном ведении процесса можно достигнуть 7–8-й степени точности.

В основу кинематики движения при фрезеровании червячной фрезой положен метод обкатывания (рис. 2.7).

При фрезеровании зубчатого колеса 3 методом обката профиль зубьев образуется червячной фрезой 1 с исходным контуром производящей зубчатой рейки 2 (рис. 2.7, а). Червячная фреза является червяком, нитки винта которого разделены продольными стружечными канавками на отдельные зубья с прямолинейным профилем, у которых в результате затылования образуются задние и боковые углы, необходимые для обработки резанием. Эвольвентный профиль зубьев колеса образуется прямолинейными режущими кромками фрезы в результате их взаимного обката.

Рис. 2.7. Схема фрезерования зубьев червячной фрезой

На рис. 2.7, б показано, как следующие один за другим зубья 4 червячной фрезы входят в контакт с зубом 5 обрабатываемого колеса и при этом формируется эвольвентный профиль. С кинематической точки зрения, процесс нарезания зубьев колеса червячной фрезой следует рассматривать как рабочее зацепление червяка и червячного колеса.

Червячные фрезы конструктивно бывают одно, двух и многозаходные. Однозаходные червячные фрезы применяются в основном для чистовой обра-

ботки зубчатого колеса и реже, для чернового зубофрезерования перед операцией шевингования.

38

Многозаходные червячные фрезы с некратным отношением числа заходов к числу зубьев нарезаемых зубчатых колёс рекомендуется использовать для чернового зубофрезерования под последующее шевингование.

Нарезание зубьев зубчатых колёс осуществляется попутным или встречным зубофрезерованием (вращение червячной фрезы в направлении подачи или против) с осевой, радиально-осевой или диагональной подачей (рис. 2.8).

a)

б)

в)

Рис. 2.8. Схемы фрезерования зубчатого колеса с осевой (а), радиально-осевой (б) и диагональной (в) подачами

Зубофрезерование при осевой подаче осуществляется за счёт перемещения инструмента параллельно оси обрабатываемого зубчатого колеса. Данный вид обработки универсален и поэтому широко распространен. Основным недостатком этого способа является большая длина врезания, резко возрастающая с увеличением диаметра применяемой червячной фрезы и угла наклона линии зуба обрабатываемого зубчатого колеса.

Зубофрезерование при переменно-осевой подаче, когда величина подачи возрастает только при входе и выходе червячной фрезы из зоны резания, применяется для обработки зубчатых колёс с модулем зубьев до 5 мм и углом наклона линии зуба, при котором путь врезания достаточно велик. Данный вид зубофрезерования позволяет увеличить производительность процесса на 20...35%.

Зубофрезерование при радиально-осевой подаче также осуществляется червячной фрезой, которая в начале процесса резания врезается на полную глубину зуба, а затем получает осевую подачу.

Зубофрезерование при диагональной подаче осуществляется на специальных зубофрезерных станках при подаче червячной фрезы под углом к оси обрабатываемого зубчатого колеса. При этом осевая подача совмещается с непрерывным перемещением червячной фрезы вдоль своей оси. Перемещение составляет 0,2 мкм за один оборот фрезы.

Автоматическое перемещение червячной фрезы может быть шаговое, при котором фреза перемещается на определенное расстояние в осевом направлении после обработки каждого зубчатого колеса, пакета или партии зубчатых колёс.

При диагональном зубофрезеровании по сравнению с осевым существенно повышается стойкость червячных фрез вследствие более равномерного износа зубь-

39

ев по рабочей длине фрезы, обеспечивается малая шероховатость поверхности профиля зуба обрабатываемого зубчатого колеса, улучшается сопрягаемость профилей зубьев прямозубых зубчатых колёс.

Зубофрезерование при диагональной подаче используется для обработки нескольких зубчатых колёс одновременно, или зубчатых колёс с широким зубчатым венцом. При данном способе зубофрезерования целесообразно использование более длинных червячных фрез.

С целью обеспечения данных подач универсальные зубофрезерные станки с механическими связями оснащается специальными узлами и устройствами, которые трудоёмки в наладке и сложны в эксплуатации.

Появление в промышленности многокоординатных зубофрезерных станков с ЧПУ существенно изменило ситуацию. Простым выбором программы функционирования станка стало возможно осуществлять обработку с любым из перечисленных движений подачи или их комбинацией и обеспечить наиболее рациональный метод обработки заготовок данного типа.

4.3. Зубодолбление зубчатых колес

Нарезание цилиндрических зубчатых колёс на зубодолбёжных станках производится двумя методами:

–методом обкатывания круглыми долбяками или зубчатой рейкой;

–методом копирования специальной резцовой головкой.

Наибольшее применение в промышленности получил метод обкатывания круглыми долбяками. Обработка этим методом производится на зубодолбёжных станках с одним вертикальным инструментальным шпинделем или на станках с двумя противоположно расположенными горизонтальными шпинделями. Метод обкатывания круглым долбяком более универсален, его технологические возможности значительно шире, чем при зубофрезеровании червячными фрезами. На зубодолбёжных станках методом обкатывания круглыми долбяками можно нарезать зубчатые колёса внешнего и внутреннего зацепления с прямыми и косыми зубьями, с бочкообразной и конической формой зуба. Зубодолбление широко применяется не только там, где вследствие геометрии колеса нельзя использовать зубофрезерование, но и для нарезания стандартных зубчатых колёс высокого качества. Степень точности изготовления зубчатых колёс круглыми долбяками: при применении долбяков класса АА – 6-я, класса А – 7-я и класса В – 8-я (по ГОСТ 1643– 81), шероховатость поверхности Ra = 10–20 мкм.

Процесс зубодолбления основан на кинематике движения в зацеплении пары зубчатых колес, одно из которых обрабатываемое колесо, другое — круглый долбяк (шестерня), являющийся режущим инструментом. Долбяк 1 в процессе резания совершает возвратно-поступательное прямолинейное (для прямозубых зубчатых колес) или винтовое движение (для косозубых зубчатых колес) от специального копира и вращается, как и обрабатываемое колесо 2, вокруг своей оси, обкатывая профиль колеса (рис. 2.9, а). Для обработки зубьев колеса на полную глубину долбяку в начале процесса резания сообщается радиальная подача врезания.

40