Способы финишной зубообработки

Зубчатые колеса, прошедшие предварительное зубонарезаиие, подвергаются финишной обработке. К таким видам обработки относятся шевингование, хонингование и шлифование.

Шевингование (от англ, shave — бритье, скобление) зубчатых колес является чистовой обработкой незакаленных зубчатых венцов, целью которой является получение точного профиля зубьев. Производительность шевингования весьма высока. Сущность этого процесса состоит в том, что за один рабочий ход с поверхности зубьев обрабатываемого колеса снимаются весьма тонкие (0,005—0,010 мм) волосообразные стружки с помощью режущего инструмента, шевера, находящегося в зацеплении с зубчатым колесом.

Шевер представляет собой косозубое или реже прямозубое зубчатое колесо, с узкими поперечными канавками на поверхности зубьев, изготовленное из быстрорежущей стали (рис. 15.28).

Рис. 15.28. Шеверы.

Шевер и обрабатываемое колесо располагают на скрещивающихся осях. Именно благодаря этому возникает скольжение зубьев инструмента и заготовки друг по другу с некоторой скоростью, которая является истинной скоростью резания. При шевинговании зубчатых колес с правой спиралью обычно используют шевер с левой спиралью, и наоборот. При шевинговании прямозубых колес направление спирали шевера не имеет значения.

На рис. 15.29, а и в показана схема шевингования.

Рис. 15.29. Шевингование зубьев:

а, в — схемы шевингования; 6 — канавки на шевере.

Канавки 3 (рис. 15.29, 6) на шевере 1 имеют ширину 0,8—1,2 мм и такую же глубину. Благодаря наличию канавок образуются выступы 4 с двухсторонними режущими кромками, которые снимают стружку при продольной подаче стола в обоих направлениях. Глубина канавки призвана обеспечить размещение стружки.

Вертикальная подача стола после каждого продольного рабочего хода создает двухсторонний контакт и радиальный натяг в передаче шевер — обрабатываемое колесо 2. Рабочая скорость вращения v_i9 равная 100—120 м/мин, придается только шеверу, а обрабатываемое колесо вращается со скоростью v₂, как ведомое колесо зубчатой передачи.

Выполняют шевингование на специально предназначенных для этого станках (рис. 15.30). При каждом изменении направления подачи возможно реверсирование вращения инструмента. Величина продольного перемещения такова, что режущий инструмент не выходит из зацепления. При шевинговании зубчатых колес-блоков с соседними венцами большого диаметра необходимо убедиться, что шевер в крайнем положении не врежется в них своим торцом.

Рис. 15.30. Станок зубошевинговальный.

Для полной обработки достаточно выполнить несколько двойных ходов с подачей инструмента на заготовку 0,02—0,04 мм/дв.ход, поскольку припуск на зубошевингование невелик и составляет не более 0,035 от модуля. Профиль зуба под шевингование обрабатываемого колеса должен быть модифицирован и иметь минимальный припуск на вершине и во впадине, так как именно в этих местах скольжение минимально и съем металла затруднен.

Зубошевингование как способ финишной обработки имеет как достоинства, так и недостатки.

К достоинствам следует отнести высокую производительность, достижение высокой точности профиля обрабатываемого колеса и шероховатости обработанной поверхности Ra 0,32—0,63 мкм при исходной шероховатости Ra 2,5—3,2 мкм. Имеется возможность с целью снижения уровня шума зубчатой передачи путем модификации зубьев шевера модифицировать профиль обрабатываемого колеса. Шевингование в некоторой степени уменьшает радиальное биение, воздействует на такой параметр обрабатываемого колеса, как направление зуба, но для этого требуется внимательная настройка процесса обработки.

При хорошей предварительной подготовке заготовки шевингованием можно достичь 6—7-й степени точности по ГОСТ 1643–81.

К недостаткам относится невозможность исправить такие параметры обработки, как шаг и накопленная ошибка шага. Нежесткая кинематическая связь между шевером и заготовкой делает шевингование весьма зависимым от качества предварительной обработки зубьев.

Самым основным недостатком зубошевингования следует признать то, что обработку зубьев производят в незакаленном виде, а в дальнейшем колеса подвергнут закалке или другим видам термической обработки, при которых достигнутая точность снизится на одну-две степени.

Опасность представляют даже забоины, появившиеся в промежутке между шевингованием и термической обработкой.

Шевингование широко применялось в середине прошлого века в мировом и отечественном машиностроении даже в таких высокотехнологичных отраслях, как автомобилестроение и станкостроение. Указанные недостатки, главным образом снижение конечной точности закаленных шевингованных зубчатых колес, явились причиной повсеместного ограничения использования зубошевингования в промышленности.

Рис. 1531. Схема зубохонингования.

Несколько смягчила проблемы шевингования дополнительная обработка — зубохонингование. Схема хонингования (рис. 15.31) по расположению инструмента и заготовки на скрещивающихся осях, по вращениям 1>_и и г>_заг, по продольному перемещению s во многом схожа с шевингованием. Абразивный хон является ведущим, заготовка свободно вращается на оси.

В ходе хонингования закаленных зубчатых колес происходит улучшение микрогеометрии боковых поверхностей зубьев, удаление с рабочих поверхностей забоин, заусенцев и следов окалины. Происходит также исправление некоторых параметров зубчатых венцов, ухудшившихся при термообработке. Процесс зубохонингования улучшает шумовую характеристику зубчатых передач, повышает контактную прочность зубьев. Благодаря зубохонингованию появляется возможность повысить режимы шевингования и зубошлифования, что увеличивает общую производительность зубообработки.

Инструментом при зубохонинговании является абразивный зубчатый хон (рис. 15.32), который представляет собой цилиндрическое зубчатое колесо, прямозубый или косозубый венец которого содержит в качестве режущих элементов зерна абразивного материала.

Рис. 1532. Зубчатые хоны

Абразивный зубчатый хон состоит из абразивного венца 1 и металлической ступицы 2. Хонингование прямозубых колес производится косозубыми хонами с углом 10—20°, косозубых колес — прямозубыми хонами. Наибольшее распространение в промышленности получили хоны, зубчатые венцы которых состоят из абразивного порошка различных материалов: электрокоруида нормального и электрокорунда белого, карбида кремния черного и зеленого, монокорунда и связки — чаще всего на основе эпоксидных смол.

Интересна конструкция хона, у которого между абразивным слоем и ступицей имеется эластичная прокладка 3, добавляющая хону столь желаемое свойство податливости.

При зубохонинговании снимается с поверхности зубьев незначительный слой (0,01—0,015 мм), что дает возможность обрабатывать колеса после цементации и азотирования без опасения уменьшить толщину закаленного до высокой твердости слоя.

Применяют два способа зубохонингования — одностороннее и двустороннее.

Хонингование по первому способу производится на постоянном межосевом расстоянии с боковым зазором между зубьями. Осевая нагрузка составляет 50—150 Н. В конце каждого продольного хода происходит попеременное реверсирование вращения хона и колеса.

Двустороннее зубохонингование позволяет не только улучшить шероховатость поверхности, но также несколько исправить погрешности профиля, направления зубьев, измерительного межцентрового расстояния и радиального биения зубчатого венца. Двустороннее зубохонингование производится с радиальной нагрузкой в беззазорном (плотном) двухпрофильном зацеплении хона и колеса. Оптимальной величиной радиальной силы считается 150—200 Н.

Микрогеометрия поверхности зубьев в основном зависит от зернистости применяемого абразивного материала и числа продольных ходов. При мелкой зернистости хона и двух-четырех продольных ходах шероховатость поверхности может быть улучшена до Ra 0,16—0,32 мкм.

Большинство изготовителей зубчатых передач с закаленными колесами, от которых требуются плавность работы и малый уровень шума, перешли к финишной обработке зубошлифованием. Этот способ зубообработки выполняется после закалки на самом финише технологического процесса и направлен на исправление всех погрешностей, которые имеет зубчатый венец. Такой подход значительно повышает надежность технологического процесса. Несмотря на увеличенную в десятки раз трудоемкость зубошлифования в сравнении с зубошевингованием, в целом расходы изготовителя на получение более качественного изделия оправдываются.

Перед выполнением зубошлифования в заготовке подготавливают базы, которыми являются отверстие и один из торцов. Эти поверхности обрабатывают на токарных или внутришлифовальных станках, снимая оставленный в отверстии припуск. Затем шлифуют второй торец параллельно первому. Наличие качественных баз — одна из важных предпосылок получения высокого качества зубообработки.

Зубошлифование — заключительная операция технологического процесса, в ходе которой обеспечивается требуемое качество. Иногда дополнительно выполняют хонингование, но не для повышения точности, а только для улучшения шероховатости поверхности зубьев.

В промышленности используют несколько способов зубошлифования, отображенных на рис. 15.33:

• а) копированием;
• б) прерывистым обкатом двумя тарельчатыми кругами;
• в) прерывистым обкатом двухсторонним коническим кругом;
• г) непрерывным обкатом червячным кругом.

На рис. 15.34 приведены фотографии станков, реализующих различные методы зубошлифования. Буквенные обозначения соответствуют способам, приведенным на рис. 15.33.

На станках, работающих копированием, достигают достаточно высоких показателей производительности и точности шлифования. Путем алмазной правки формируется рабочий профиль круга, идентичный по форме и размерам впадине между зубьями. Каждому модулю и каждому числу зубьев нужна своя заправка круга. Но эта процедура не представляет существенных трудностей. Отечественные станки моделей 586 и 5860 оригинальны по конструкции и превосходят по своим техническим характеристикам станки иностранного производства.

Рис. 1533. Схемы зубошлифования.

Рис. 1334. Станки для зубошлифования.

В станках зарубежных фирм Orkut и Kolb при правке используется шаблон, представляющий собой вырезанный из колеса отдельный зуб. В отечественных станках правка шлифовального круга осуществляется с помощью пантографов, рычаги которых на одном конце несут правящие алмазы в оправе, а на другом конце совершают движение в масштабе 6: 1 по двум копирам (рис. 15.35). Копиры представляют собой стальные пластины, одна из сторон которых имеет рабочий участок — увеличенный в шесть раз эвольвентный профиль боковой стороны зубьев. Каждому модулю и каждому числу зубьев соответствует свой копир. С помощью копиров можно придать профилю зубьев определенную модификацию, способствующую наилучшему контакту зубьев в передаче.

В настоящее время при наличии высокоточных станков с ЧПУ, в том числе координатно-шлифовальных, изготовление таких копиров не представляет ни малейших трудностей, в отличие от начала 1960;х гг., когда появился станок модели 586, а станков с ЧПУ не существовало.

Рис. 1333. Копиры.

Копиры в станке можно поднимать, опускать и поворачивать, изменяя профиль обрабатываемого зуба, за погрешностями профиля нужно следить, контролируя этот параметр на эвольвентомере. С одной стороны, создаются определенные трудности с получением на обрабатываемом колесе точного профиля, с другой стороны, это становится определенным преимуществом.

На зубошлифовальных станках многих моделей после выполнения стандартной настройки правки круга получится некоторая погрешность профиля зубьев обработанных колес. На практике зачастую операторы ссылаются на то, что эту погрешность внес станок, и они не должны затрачивать время на ее исправление.

В станках, работающих по методу копирования, оператор обязан выполнить индивидуальную настройку устройства правки круга. Иначе погрешность может выйти за все разумные пределы. Выполнив пробное шлифование одной впадины зуба, оператор должен проверить точность профиля, по результатам проверки поправить положение копиров, подняв, опустив или повернув их. При определенных навыках он может довести погрешность профиля до минимальных значений.

Важей не столь технический, сколько психологический момент. Оператор становится в максимальной степени ответственен за качественный показатель результатов своего труда. Практика освоения заводами технологии изготовления точных колес продемонстрировала большую роль станков мод. 586 в осмыслении значения профиля как основного показателя в деле получения малого уровня шума зубчатых передач.

Высокоточная обработка производится на станках, работающих двумя шлифовальными кругами. Данный вид шлифования реализуют в станках швейцарской фирмы МААС и в отечественных станках мод. 5851.

Каждый из кругов своим плоским торцом шлифует противоположную сторону зуба.

Расположение кругов может быть различным:

• — как это изображено на рис. 15.33, б, когда рабочие поверхности кругов наклонены под углом зацепления зубчатого венца и воспроизводят профиль производящей рейки;
• — как это показано на рис. 15.9, когда оси кругов лежат в одной плоскости, а рабочие торцы кругов параллельны друг другу, реализуется так называемый нулевой способ зубообработки.

При нулевом способе расстояние между рабочими сторонами кругов равно примерно длине общей нормали, шлифовальные круги охватывают несколько зубьев. Кроме движения обката, совершается продольное движение подачи стола с заготовкой. На обрабатываемой поверхности возникают характерные следы обработки в виде сетки, именуемой рыбьей чешуей.

Большой ценностью нулевого способа обработки является то, что при профилировании поверхности зуба автоматически возникает высокоточная эвольвента.

Наиболее старым (но не устаревшим) является метод шлифования зубьев кругом, имеющим трапецеидальную форму производящей рейки (показан на рис. 15.33, в и 15.34, в). Этот способ, известный под названием.

Nieles (Найльс) по наименованию предложившей его фирмы, используется в отечественных станках мод. 5831.

Две боковые стороны рабочего профиля шлифовального круга заправляют алмазы в оправе иод углом, равным углу зацепления. Движением обката в одном направлении круг со скоростью v_k шлифует одну сторону зуба, после реверсирования направления обката s_no и $_ко круг шлифует другую сторону (рис. 15.36). Затем поворотом на один зуб следует деление 5_Д, и начинается шлифование следующей впадины. Дополнительно к движению обката шлифовальному кругу придают возвратно-поступательное движение вдоль зуба.

Рис. 15.36. Схема зубошлифования на станке мод. 5831

Рис. 15.37. Станок модели 5М841 и схема шлифования

В более современных отечественных станках мод. 5М841, 5843 (рис. 15.37) обкат идет в одном направлении и круг своей трапецеидальной рабочей частью шлифует обе стороны соседних зубьев одновременно.

Полуавтоматы имеют оригинальную кинематическую схему, обеспечивающую высокую производительность.

Деление s_A осуществляется не через один, а через оптимальное расчетное число зубьев, что уменьшает влияние внутренних напряжений на точность соседних шагов, а также накопленную погрешность шага. Движения обката 5_П0, 5_К0 и деления 5_Д в одном направлении повышают надежность работы станка и удлиняют срок сохранения им первоначальной точности.

Наиболее производительным способом зубошлифования является обработка червячным кругом (см. рис. 15.33, г и 15.38). Впервые такие станки предложила швейцарская фирма Reishauer в середине прошлого века.

Рис. 1538. Шлифование зубьев червячным кругом.

Отечественный аналог — станки модели 5833. Круги имеют диаметр 350—400 мм и большую ширину, до 104 мм. На периферии круга нарезана однозаходная трапецеидальная резьба с шагом р = пт (т — модуль зубчатого колеса) или, реже, двухзаходная с ходом 2лт. Таким образом, для каждого модуля необходим свой круг. Шлифование на таких станках повторяет схему зубоиарезания червячной фрезой, только другим режущим инструментом.

Возможно осуществление шлифования в два рабочих хода. Первый рабочий ход выполняется при жесткой кинематической связи между кругом и заготовкой, а во время второго жесткая связь размыкается и работа идет в режиме зубохонингования. При переходе к шлифованию каждой новой заготовки производится сдвиг круга вдоль оси, тем самым переходят к шлифованию на новом месте круга. Это обеспечивает равномерный износ круга и более длительное сохранение точности обработки.

На станках с ЧПУ фирмы Reishauer последних моделей RZ150, RZ362, RZ400 и RZ820 (наибольшие диаметры обработки от 150 до 820 мм) полностью изменены конструкция и компоновка станка.

Раньше подготовка шлифовальных кругов выполнялась на двух отдельных от зубошлифовального станках. На одном подготавливали резьбу, на другом выполняли балансировку круга. В станках новых моделей все подготовительные работы скомпонованы непосредственно на зубошлифовальном станке.

Шлифовальная головка, размещенная на поворотной стойке, может занять одну из трех рабочих позиций. В первой позиции производятся правка и балансировка шлифовального круга, во второй — установка заготовки, в третьей — шлифование. Управление от ЧПУ ликвидировало все механические связи между координатными перемещениями рабочих органов, заменив их программируемыми.

Схема станка RZ 400 и координатные оси поворотной инструментальной стойки 1 в рабочем положении шлифования показаны на рис. 15.39.

Конструктивное расположение узлов станка позволяет решать невыполнимые ранее технологические задачи. Шлифовальный шпиндель 2 совершает все движения, необходимые для ведения процесса шлифования. Заготовка 3 только вращается без линейных перемещений. Это обеспечивает ей высокую жесткость и удобство для автоматической и ручной загрузки.

В рабочем положении шлифования используются 10 координатных осей:

• • А_{ — поворот шлифовальной головки;
• • В_х — вращение шлифовального круга;
• • С_{ — поворот инструментальной стойки;
• • С — вращение шпинделя заготовки;
• • Р_{ — следящее перемещение сопла СОЖ;
• • W — перемещение контрподдержки закрепления заготовки;
• • W_x— установка по высоте базирующего заготовку устройства;
• • X — радиальная подача стойки;
• • Y_{ — тангенциальное перемещение шлифовальной головки;
• • Zj — осевая подача суппорта шлифовальной головки.

Рис. 1539. Станок модели RZ 400

Полностью автоматизировано точное попадание витка шлифовального круга во впадину между зубьями заготовки. Установленную заготовку поливает масло, используемое в качестве СОЖ, после чего она приводится в очень быстрое вращение. Этим обеспечивается очистка зубьев от загрязнений и следов масла. Затем на той же скорости заготовку «осматривает» сенсорный датчик, передающий информацию в устройство ЧГ1У для поворота заготовки в такое угловое положение, при котором витки шлифовального круга точно входят во впадину, равномерно распределяя припуск по боковым сторонам зубьев.

Известно, что образование в поверхностных слоях остаточных сжимающих напряжений повышает усталостную прочность зубчатых зацеплений, а образование растягивающих напряжений ее понижает. Специальное математическое программное обеспечение позволяет производить шлифование на таких режимах, которые обеспечивают возникновение в поверхностных слоях именно сжимающих напряжений.

Позиция правки имеет свои дополнительные оси координат, дающие возможность заправлять шлифовальный круг для получения модифицированного профиля зубьев обрабатываемых колес. Можно обеспечить «бочкообразпость» зуба, что улучшит расположение пятна контакта в передаче.

Правку кругов на большинстве зубошлифовальных станков осуществляют с помощью алмазов в оправе. На станках, работающих червячным кругом, правку выполняют алмазные резцы или вращающиеся алмазные ролики (рис. 15.40). При правке алмазным роликом, который выступает в роли режущего инструмента, шлифовальный круг 3 становится обрабатываемым изделием. Ролик состоит из алмазонесущего слоя 2 и стальной основы 1 и имеет угол профиля меньше угла профиля витка круга, что позволяет с помощью управляющей программы правки придавать кругу желаемую модификацию профиля. На рис. 15.40 показаны траектория 4 движения ролика, ось 5 вращения ролика и ось 6 вращения шлифовального круга.

Рис. 15.40. Алмазный резец и алмазный ролик для правки червячных кругов

Станки, работающие червячным кругом, демонстрируют редкое сочетание высокой производительности и высокой точности.

При зубошлифовании большое значение имеет выбор характеристики червячого круга. Он должен обладать хорошей режущей способностью и высокой стойкостью. Первое качество позволит получить высокую производительность, второе — высокую точность.

Назначение режимов резания начинается со скорости вращения круга. Круги, специально созданные для работы рассматриваемым способом, позволяют работать со скоростью v_K = 32 м/с. Частота вращения круга п_к определится по формуле.

где D_K — диаметр шлифовального круга, мм.

При одном обороте однозаходного круга заготовка повернется на один зуб. Время одного оборота круга, равное времени поворота заготовки на один зуб t_{ в минутах составит.

Время одного оборота ?_заг заготовки с числом зубьев z равно Продольная подача вдоль зубчатого венца (в мм на оборот заготовки) определяет волнистость поверхности, может быть подсчитана, но формуле.

где h — величина допускаемой волнистости, мкм.

Например, волнистость 1 мкм при шлифовании кругом диаметром 350 мм получим при продольной подаче s_n = 0,82 мм/об заготовки, а при шлифовании кругом 400 мм — при подаче 0,88 мм/об заготовки.

Волнистость 1 мкм хорошо заметна невооруженным глазом, уменьшим ее в три раза. Получим значения продольной подачи соответственно 0,47 и 0,51 мм/об. заготовки.

Путь шлифования складывается из врезания /_вр, перемещения по ширине венца В и перебега /_пб. Путь врезания и перебега зависит от высоты зуба, которую можно принять равной 2,25 т (т — модуль зубьев колеса).

Число оборотов заготовки, за которое будет выполнено шлифование, равно отношению пути шлифования к продольной подаче. Основное время одного рабочего хода шлифования t₀ может быть рассчитано по формуле.

Полное основное время равно произведению t_Q на число рабочих ходов, которое может равняться двум.