Шлифование зубчатых колес тарельчатыми кругами

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «Абразивный инструмент»

Gear Wheels Grinding with Dish Wheels
The problems of increasing the efficiency of grinding highly precision gearwheels of the 3–4 degree of precision using superhard material tools are discussed. The efficiency of cubic boron nitride dish grinding wheels in various bonds has been studied. Recommendations how to use cubic boron nitride wheels in gear grinding are given.

Шлифование зубчатых колес тарельчатыми кругами

С.В. Рябченко, ИСМ им. В.Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев

Зубошлифование является одним из основных способов финишной обработки закаленных зубчатых колес. Оно предназначено для устранения деформаций, возникающих при химико-термической обработке, и обеспечивает 3–6-ю степень точности и шероховатость поверхности Ra = 0,20–1,2 мкм.

Шлифование зубчатых колес производится по методу обката с непрерывным или периодическим делением и по методу копирования с периодическим делением.

Метод копирования основан на воспроизведении рабочей поверхностью шлифовального круга впадины зубьев шлифуемого колеса (рис. 1, а). Этот способ зубошлифования в основном применяется для обработки цилиндрических колес с прямыми внешними зубьями с точностью не выше 6-й степени, шероховатость поверхности зуба в пределах Ra = 1,25–0,32 мкм, диаметром до 1350 мм, с модулем до 16 мм. Шлифование по методу копирования нашло также применение при изготовлении точных колес с внутренними зубьями, в том числе и с косыми.

Метод обката основан на зацеплении обрабатываемого колеса с зубом рейки, воспроизводимой поверхностями шлифовального круга. Наиболее производительным способом зубошлифования является шлифование методом непрерывной обкатки абразивным червяком (рис 1, б). В процессе обработки шлифовальный круг с однозаходным витком на периферии и колесо непрерывно вращаются, их скорости связаны между собой. Кроме того, круг движется вдоль оси колеса, результатом чего является профилирование зубьев по всей их длине. Шлифование абразивным червяком позволяет получать зубчатые колеса 5–6-й степени точности с шероховатостью обработанной поверхности в пределах Ra = 1,0–0,2 мкм [1].

Шлифование зубьев методом обкатки с периодическим делением осуществляется одним конусным, или одним плоским кругом, или двумя тарельчатыми кругами. При шлифовании конусным кругом колесо или шлифовальная бабка совершает возвратно- поступательное движение в направлении, перпендикулярном к оси колеса, и одновременно колесо поворачивается соответственно скатыванию его по производящей рейке (рис. 1, в). После обработки каждого зуба, колесо поворачивается на угол, соответствующий одному или нескольким зубьям. Точность зубчатых, обработанных одним конусным кругом, находится в пределах 5–6-й степени, а шероховатость поверхности — в пределах Ra = 1,0–0,2 мкм.

Зубошлифование методом обкатки плоским кругом большого диаметра производиться по схеме, показанной на рис. 1, г. В процессе обработки рабочая торцевая поверхность круга воспроизводит профиль одной боковой стороны зуба исходного контура рейки. Обкатку обеспечивают два одновременных движения: вращения 1 обрабатываемого колеса вокруг своей оси и его перемещение 2 вдоль производящей рейки. В процессе шлифования круг не перемещается вдоль зуба, что обусловливает обработку колес с узкими зубчатыми венцами (зуборезные инструменты и узкие эталонные колеса). После окончания шлифования рабочей поверхности одного зуба, происходит поворот (делительный поворот) колеса на один или несколько зубьев. Вторая сторона зуба шлифуется после переустановки колеса на 180. Шлифование плоским кругом позволяет обеспечивать точность обработанных колес в пределах 3–4-й степени точности и шероховатость поверхности — Ra = 1,0–0,2 мкм.

Зубошлифование методом обкатки двумя тарельчатыми кругами приведено на рис. 1, д. Шлифовальные круги могут занимать различные положения относительно обрабатываемого колеса, а именно, параллельно между собой на расстоянии, равном длине общей нормали обрабатываемого колеса — «0° метод», и под различными углами (как правило15° или 20°).

Зубошлифование двумя тарельчатыми кругами позволяет получать зубчатые колеса 3–4-й степени точности с шероховатостью поверхности Ra = 1,0–0,3 мкм. Шлифовальные круги тарельчатой формы, работая узкой кромкой, имеют малую поверхность контакта с поверхностью шлифуемого зуба, что при сочетании обкатного движения и продольной подачи колеса приводит к быстрой смене мест контакта края круга со шлифованной поверхностью; в силу этого зуб лишь незначительно нагревается и круг почти не «засаливается». Шлифование тарельчатыми кругами не требует охлаждения. Преимуществом «0° метода» является отсутствие на шлифованных профилях зубьев «сетки», характерной для станков MAAG и высокая степень чистоты их поверхности.

Сравнение различных методов шлифования зубчатых колес показывает, что высокая точность (4-я степень) обработки достигается при шлифовании методом копирования (профильным кругом). Простая кинематика станков исключает почти все возможные источники возникновения погрешностей. Точность, получаемая при копировании, зависит от точности формы профиля шлифовального круга. При шлифовании методом обкатки с периодическим делением двумя тарельчатыми кругами (на станках типа MAAG) можно обеспечить точность обработки, начиная с 3-й степени. При непрерывном шлифовании методом обкатки червячным кругом (станки Reishauer) колеса имеют высокую степень точности (5 степень). При шлифовании методом обкатки с периодическим делением коническим шлифовальным кругом (станки Niles) обеспечивается 6 степень точности. Однако эти методы уступают по точности шлифованию зубчатых колес двумя тарельчатыми кругами.

На рис. 2 приведена зависимость основного времени обработки от способов шлифования зубчатых колес с m = 5 мм и z = 45. Самая высокая производительность достигается при непрерывном шлифовании методом обкатки абразивным червяком (2), самая низкая — при шлифовании тарельчатыми кругами (1), промежуточное положение занимают — шлифование профильным кругом (3) и коническим кругом (4).

Сравнение методов зубошлифования говорит о том, что в зависимости от требуемой точности зубья колес подвергают соответствующей обработке. При необходимости получения высокоточных колес (3–4-я степень точности) требуется применять метод шлифования зубчатых колес двумя тарельчатыми кругами.

Существенными недостатками шлифования тарельчатыми кругами является низкая производительность и высокая стоимость технологической оснастки. Повышение производительности зубошлифования при сохранении достаточно высокой точности — основной путь совершенствования этого метода. В связи с этим были созданы круги для зубошлифования из сверхтвердых материалов.

Целью наших исследований было изучение работоспособности тарельчатых кругов и разработка на их основе технологии финишного шлифования зубчатых колес.

Исследование осуществляли на специальном стенде, созданном на базе зубошлифовального станка модели 5891. Зубошлифовальный станок настраивали на нулевой метод шлифования зубчатых колес. Скорость шлифовального круга — vк = 27 м/с, глубина шлифования — t = 0,01–0,1 мм.

Шлифовались зубчатые колеса из стали ХВГ (59–61 HRC) с модулем m = 6 мм, числом зубьев z = 21 зуб, шириной венца В = 20 мм.

Работоспособность тарельчатых кругов оценивали следующими показателями: мощностью шлифования (N), шероховатостью обработанной поверхности (Rа), точностью эвольвентного профиля зуба (ff) и величинами износа круга. Износ круга определяли по двум параметрам: износом по торцу — h и по диаметру — l.

Для исследования износа круга при зубошлифовании первоначально устанавливалась площадь контакта круга с эвольвентным профилем зубчатого колеса. Экспериментально определение площади контакта предусматривало введение инструмента в зацепление с колесом и измерение полученного следа. Во всех известных случаях контурная площадь представлялась как сегмент с максимальной толщиной в центре, размеры которого значительно превосходят реальную площадь контакта. Это обусловлено тем, что не учитывалось наличие переходного участка (зоны резания) и обработанной ранее поверхности (рис. 3 и 4).

Для того чтобы учесть эти особенности процесса формообразования, зубчатое колесо предварительно обрабатывалась на часть ширины его зубчатого венца, соответствующей исследуемой фазе зацепления инструмента с колесом, затем инструмент выводился из зацепления и смешался в направлении рабочей подачи на величину пути обката. Шлифовальный круг оставлял след на обрабатываемом зубчатом колесе и в дальнейшем происходил замер величины контурной площади.

Исследования работоспособности тарельчатых кругов из белого электрокорунда и кубического нитрида бора (КНБ) при зубошлифовании на керамических, металлических и органических связках производили без охлаждения и при интенсивном охлаждении зоны шлифования. Предварительные испытания показали, что при работе без охлаждения на поверхности зубчатого колеса образуются «прижоги», а шлифовальные круги быстро теряют режущую способность. Сравнение зависимостей мощности шлифования зубчатого колеса кругами из электрокорунда и КНБ показало, что охлаждение снижает мощность шлифования в 1,5–2 раза при использовании кругов из КНБ. При использовании кругов из электрокорунда охлаждение уменьшает мощность шлифования всего на 20–40%. На всех исследуемых режимах обработки мощность шлифования кругами из КНБ меньше, чем кругами из электрокорунда на 20–30%.

Анализ результатов показал, что мощность шлифования кругами из КНБ на керамической связке на 30–40% выше по сравнению со шлифованием кругами из КНБ на органических связках. Шлифование зубчатых колес кругами из КНБ на керамической связке обеспечивало высокую точность (ffr = 4–5 мкм) эвольвентного профиля зуба по сравнению с исходным профилем (ffr = 8–14 мкм).

Исследование работоспособности тарельчатых кругов из КНБ на металлической связке производили с использованием правки круга электроэрозионным методом. Установлено, что мощность шлифования кругами из КНБ на металлической связке на 15–20% выше по сравнению со шлифованием кругами из КНБ на органических связках. Шероховатость поверхности зубчатого колеса при всех исследуемых режимах соответствовала Ra = 0,7–0,75 мкм. Глубина резания на шероховатость не оказывала существенного влияния.

Шлифование зубчатых колес кругами из КНБ на металлической связке обеспечивает высокую точность эвольвентного профиля зуба (f = 5–6 мкм) по сравнению с исходным профилем (f = 11–12 мкм). Для получения высокой точности эвольвентного профиля необходимо проведение 2–3 чистовых проходов с последующим выхаживанием. Шлифование кругами из КНБ на металлической связке зубчатых колес позволяет достичь высокой точности обработки, при которых шаг соседних витков зубчатого колеса отличается всего на 2–4 мкм.

Исследование износа тарельчатых кругов и его влияние на точность эвольвентного профиля зубчатого колеса производилось при черновом (с глубиной t = 0,05 мм) и чистовом (с глубиной t = 0,02 мм) шлифовании.

Установлено, что после ускоренного износа круга в течение первого прохода интенсивность износа в дальнейшем стабилизируется (рис. 5 и 6). Шлифовальный круг работает равномерно без наступления критического износа. Это характерно как для чернового, так и чистового зубошлифования. В то же время характер изменения погрешности профиля и мощности шлифования говорит о том, что правка круга на чистовых режимах не требуется.

Анализ проведенных экспериментов показал, что лимитирующим параметром точности обработки зубчатого колеса является размерный износ тарельчатого круга, который пропорционален количеству обработанных зубьев без правки. Величина износа круга определяет точность обрабатываемого зубчатого колеса.

Изменение износа показывает, что после ускоренного периода приработки круга в течение первого прохода в дальнейшем он стабилизируется. В течение всей обработки мощность резания практически остается на одном уровне. Не изменяется и фактический съем материала, находясь в пределах 0,61–0,50.

Проведенные исследования моделирования процесса зубошлифования на станке мод. 5891 показали высокую эффективность обработки зубчатых колес тарельчатыми кругами из сверхтвердых материалов.

Для отработки технологического процесса шлифования зубчатых колес было выполнено тестовое шлифование. Обрабатывались зубчатые колеса из цементированной и закаленной стали 14ХГСН2 МА-Ш (56–62 HRC) (модуль m = 4 мм, число зубьев z = 41, ширина венца 55 мм, угол профиля α = 28). Для шлифования использовали тарельчатые круги (Т12) диаметром 275 мм из кубического нитрида бора, зернистостью 125/100 на керамической связке. Обработку производили на специальном зубошлифовальном станке с охлаждением маслом «Индустриальное 12».

Зона обработки зубчатого колеса приведена на рис. 7. Производили два цикла шлифования каждого зубчатого колеса. После каждого производили измерение точности зубчатого колеса и контроль качества его поверхности.

Шлифование производили на следующих режимах обработки:

  • скорость стола на черновых режимах — 600 мм/мин;
  • скорость стола на чистовых режимах — 170 мм/мин;
  • подача на врезание на черновых проходах, мм:
    • 5 проходов — 0,04;
    • 2 прохода — 0,03;
    • 1 проход — 0,02;
    • 1 проход — 0,01;
    • 1 проход — выхаживание без подачи;
  • на чистовых проходах, мм: 2 прохода — 0,005; 1 проход — выхаживание без подачи;
  • частота правки круга — через 40 зубьев при черновых проходах;
  • без правки — при чистовых проходах;
  • время шлифования — 4 ч.

Результаты шлифования:

  • разность шагов — 2,2 мкм;
  • накопленная погрешность шага — 7 мкм;
  • погрешность профиля зуба — 3 мкм;
  • погрешность направления зуба — 4 мкм;
  • шероховатость поверхности — 0,63 мкм.

Анализ результатов испытаний показал, что при шлифовании тарельчатыми кругами из КНБ на специальном станке получены зубчатые колеса, полностью удовлетворяющие требованиям заказчика по точности и качеству обработки. Производительность шлифования возрастает в 1,5–2 раза по сравнению с принятой. Шероховатость поверхности зубчатого колеса Ra = 0,63 мкм, превосходит требуемую заказчиком шероховатость (Ra = 0,7–0,75 мкм).

С целью расширения испытания алмазного и абразивного инструмента, нами был проведен комплекс работ по подбору номенклатуры абразивного инструмента. Определены формы и характеристики шлифовальных кругов, режимы обработки, даны рекомендации по применению кругов для шлифования зубчатых колес.

Для осуществления шлифования зубчатых колес на станках MAAG был проведен подбор характеристик абразивных кругов. Для проведения испытаний в производственных условиях выбраны круги из рубин-корунда A89, зернистостью по FEPA — F60 (по ГОСТ — 25), твердостью по ISO–H (по ГОСТ — М1), структурой 10. Предложена форма тарельчатых кругов CSN Т585 основной тип для зубошлифования на станке фирмы MAAG SD-32X размером 280 × 33 × 90. После уточнения форм тарельчатых кругов, была рекомендована форма круга CSN Т586 заправленные размером 280/145 × 33/17/3 × 155/110/90.

Испытания кругов проводились на зубошлифовальном станке фирмы MAAG SD-32X при шлифовании цементированных и закаленных зубчатых валов: m = 5 число зубьев z = 15 и m = 6 число зубьев z = 16 кругов. Было проведено шлифование 4 зубчатых колес одним комплектом кругов (2 штуки). Правка кругов производилось через 5 зубьев. На основании проведенных испытаний даны рекомендации заказчику использовать на операции зубошлифования тарельчатые круги из рубин-корунда диаметрами 280 мм зерном 60 и 45 по FEPA (25 и 40 по ГОСТ) твердостью K (СМ1) — L (СМ2).

Аналогичные характеристики кругов используются при шлифовании зубчатых колес коническими кругами диаметром до 400 мм на станках Niles ZSTZ. Заказчику даны рекомендации использовать конические круги из рубин-корунда диаметром 400 мм, шириной 25, 32 и 40 мм, зернистостью F60, твердостью К и 9 структуры. Использование близких по характеристикам к данному типу конических кругов из рубин-корунда диаметром 350 мм, шириной 25 мм, зернистостью F60, твердостью К и 9 структуры на станках Niles 800 С, так же показали эффективную обработку и качество зубчатых колес. Перспективным направлением является использование высокопористых абразивных кругов. Внедрение на станках профильного шлифования Orkut конических высокопористых абразивных кругов диаметром 350–200 мм на операции зубошлифования показали высокую эффективность и полное отсутствие брака после обработки зубчатых колес. Использовались высокопористые конические круги из белого электрокорунда, изготовленные по специальной технологии со структурой выше 12 и зернистостью F80.

Перспективным направлением использования специальных абразивных кругов из розового электрокорунда и рубин-корунда является шлифование зубчатых колес червячными кругами диаметром до 400 мм на станках Reishauer. Испытание червячных кругов диаметром 350 мм и шириной 80 мм из розового электрокорунда А94, зернистостью F150, твердостью I, 6 структуры показали высокую эффективность и полное отсутствие брака после обработки зубчатых колес. Перспективным направлением для шлифования зубчатых колес является использование в абразивных кругах золь-гелиевого монокорунда (SG-корунд) (рис 8). Из этого специального электрокорунда можно изготавливать тарельчатые, конические и червячные круги для станков MAAG, Niles ZSTZ, Gleason, Reishauer и Orkut.

Важнейшим принципом при разработке новых конструкций абразивных инструментов для зубошлифования принадлежит выбору надлежащих абразивных материалов и связки, а также разработке нужной структуры шлифовального круга. Применяя особые рецептуры и специальные технологические методы производства кругов, мы создаем инструмент с особыми характеристиками, необходимыми для выполнения операций зубошлифования для различных отраслей машиностроения.

При подготовке статьи были использованы материалы авторов Э.Н. Гулиды, Е.Г. Гинзбурга., Н.Т. Халебского, Л.Л. Мишнаевского, С.Н. Калашникова, Г.И. Когана, Б.Н. Сильвестрова

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

Будьте в курсе наших последних новостей. Оформите бесплатно персональную новостную рассылку.