Современные методы контроля качества цилиндрических зубчатых колес

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «ЗУБООБРАБОТКА»

Modern Methods of Quality Control of Cylindrical Gears
Gear crown is characterized by a very large number of parameters and sizes, each of which may have deviations that appear during the manufacturing process. Various parameters and their deviations in different way affect the final quality of gear crown. Moreover, depending on the application and additional conditions, any parameters may change its value.


Д.А. Локтев,
к.т.н., технический консультант, ООО «Технополис», г. Киев

Зубчатый венец характеризуется очень большим количеством параметров и размеров, каждый из которых может иметь отклонения, возникающие в процессе изготовления. Различные параметры и их отклонения по-разному влияют на конечное качество зубчатого венца. Более того, в зависимости от области применения и дополнительных условий, те или иные параметры могут менять свою значимость.

Современные методы контроля качества цилиндрических зубчатых колес

Традиционные методы контроля качества зубчатых колес

В странах СНГ точность изготовления цилиндрических зубчатых колес регламентируется ГОСТ 1643.

Предусмотрено 12 степеней точности, более точные колеса имеют меньшие степени точности.

Каждая степень точности регламентирует три нормы — кинематической точности, плавности работы и контакта зубьев в передаче, а также шесть видов сопряжений и восемь видов допусков на боковой зазор. Возможно комбинирование степеней точности, например, 8-7-6-Ва (8 — степень кинематической точности, 7 — плавности работы, 6 — по нормам контакта, с видом сопряжения В и видом допуска на боковой зазор).

Нормы точности могут назначаться в зависимости от области применения зубчатого колеса. При этом меняется характер допустимых погрешностей и величина погрешности, например, для делительных и планетарных передач важна кинематическая точность, для высокоскоростных передач главным является плавность работы передачи, для тяжело нагруженных тихоходных передач необходимо обеспечить полноту контакта зубьев, а для реверсивных отсчетных передач важна величина бокового зазора.

Для каждой нормы точности ГОСТ определяет основные отклонения зубчатого колеса, которые влияют на данную норму. Всего стандартом определено 24 погрешности, подлежащих контролю. 7 погрешностей определяют кинематическую точность (кинематическая погрешность зубчатого венца F’ir , накопленная погрешность шага колеса Fpr, накопленная погрешность k шагов Fpkr, погрешность обката Fcr, колебание длины общей нормали FvWr, радиальное биение зубчатого венца Frr, колебание измерительного межосевого расстояния за оборот колеса F’’ir). Плавность работы зависит также от 7 погрешностей (местная кинематическая погрешность колеса f’ir, циклическая погрешность зубцовой частоты колеса fzz r , циклическая погрешность зубчатого колеса fzkr, погрешность профиля зуба ffr, отклонение шага зацепления fpbr, отклонение шага fptr, колебание измерительного межосевого расстояния на одном зубе f’’ir). Точность контакта зубьев определяется 4 параметрами (погрешность направления зуба F?r, погрешность контактной линии Fkr, отклонение осевых шагов по нормали Fpknr, суммарное пятно контакта). Боковой зазор в передаче определятся 6 параметрами (дополнительное смещение исходного контура Ehr, отклонение длины общей нормали EWr, отклонение средней длины общей нормали EWmr, отклонение толщины зубаEcr, предельные отклонения измерительного межосевого расстояния Ear, отклонение размера по роликам Emr).

Для измерения практически каждого из этих параметров требуется специализированное метрологическое средство. Вот перечень основных средств контроля зубчатых венцов:

  • Прибор для комплексного однопрофильного контроля
  • Прибор для абсолютного измерения накопленной погрешности шага
  • Приборы для относительного измерения накопленной погрешности шага
  • Кинематомер
  • Зубомерный микрометр для контроля длины общей нормали
  • Нормалемер для определения отклонений от номинального значения длины общей нормали
  • Биениемер
  • Прибор для двухпрофильного контроля (межцентромер)
  • Волномер (для контроля циклической погрешности)
  • Эвольвентомер
  • Шагомер накладной
  • Ходомер (для контроля линии зуба)
  • Зубомер смещения
  • Штангензубомер

На рис. 1 представлены некоторые приборы из приведенного списка.

ГОСТ разрешает проверку не по всем параметрам, а по комплексам из нескольких параметров в каждой группе. И даже в этом случае требуются различные метрологические средства. В результате в метрологической лаборатории, проверяющей зубчатые колеса, должно находиться от одного до двух десятков приборов. Только в этом случае можно быть уверенным, что зубчатые колеса проверены в соответствии с ГОСТ.

Однако полное оснащение метрологических лабораторий осталось в прошлом. Большинство предприятий продолжают использовать еще оставшиеся приборы, что приводит к возникновению ситуации «измеряем то, что можем, а не то, что требуется».

Подводя итог сказанного выше, сформулируем основные особенности современного состояния метрологического обеспечения зубчатых колес:

  • Практически для контроля каждой погрешности применяется свое средство измерения
  • Каждый из этих приборов имеет высокую стоимость, новые приборы не выпускаются
  • Требуется специально обученный персонал, в некоторых случаях для работы только на отдельных приборах
  • Метрологическое оборудование оторвано от производства (метрологические лаборатории)
  • Лаборатории, как правило, работают только в одну смену
  • Степень использования различных приборов различна
  • Метрологическое оборудование, как правило, работает не более 1000 часов в год
  • Стандартная выборка при контроле колес составляет 1–4 % от выпуска

Современные тенденции в конструкции зубчатых колес и технологии их обработки

Требования к точности изготовления зубчатого венца определяются эксплуатационными требованиями к зубчатому зацеплению. К этим требованиям укрупненно можно отнести: износостойкость, виброустойчивость, шумность, передаваемый крутящий момент, надежность и плавность. Все эти требования ужесточаются по мере развития техники. Соответственно, ужесточаются и требования по точности к зубчатым венцам и совершенствуются методы контроля этих требований.

В настоящий момент совершенно четко прослеживаются несколько тенденций в изменении технологических и точностных требований к зубчатым колесам. В основе лежит ужесточение требований к зубчатым передачам, обусловленное повышенными требованиями к конечному продукту, куда входят детали с зубчатым венцом (редукторам, коробкам передач):

  • Снижение стоимости
  • Снижение уровня шума
  • Снижение веса
  • Снижение габаритных размеров
  • Повышение надежности
  • Увеличение передаваемого момента, мощности
  • Улучшение динамических характеристик
  • Повышение коэффициента полезного действия
  • Увеличение срока службы
  • Увеличение ремонтопригодности

Повышенные требования к изделиям определяют соответствующее повышение требований к зубчатым колесам, входящим в состав современных изделий. Отклонения отдельных параметров зуба и зубчатого венца влияют на функциональные возможности зубчатого колеса или пары колес в зубчатом зацеплении. Проще говоря, только зубчатое колесо с правильным эвольвентным профилем и точным шагом обеспечивает передачу вращения с постоянной угловой скоростью.

Основные характеристикизубчатых колес, которые должны быть обеспечены конструктивными и технологическими методами:

  • Точность (динамика, плавность работы)
  • Долговечность
  • Надежность
  • Передача больших моментов (трение, высокие нагрузки, знакопеременные нагрузки)
  • Минимальная стоимость
  • Дополнительные функции (синхронизация — наличие дополнительных венцов)

Эти требования должны быть обеспечены соответствующим контролем в процессе изготовления деталей с зубчатыми венцами.

Для обеспечения указанных требований к зубчатым колесам изменяется конструкция самих колес. В первую очередь это касается точности: сегодня в мире основную массу составляют колеса 5–7-й степеней точности. Другой тенденцией является наличие модификаций по профилю и линии зуба (конструктивных заданных отклонений от исходных параметров). В отдельных случаях вводятся топографические модификации на всей поверхности зуба.

Ужесточение требований к деталям с зубчатыми венцами привело к тому, что за прошедшие 30 лет существенно изменилась технология обработки зубчатых колес. Появилась возможность реализовать более высокие требования к точности колес, что, в свою очередь, привело к дальнейшему ужесточению допусков. Попутно отметим, что новые технологии не только обеспечивают более высокое качество обработки, но и существенно увеличивают ее производительность. Мировые тенденции в увеличении точности и производительности обработки зубчатых колес представлены на рис. 2.

Применение цифровых систем управления позволило напрямую применить результаты измерения зубчатых колес для повышения качества. В традиционных технологиях повышение точности требовало изменения технологии, изменения конструкции приспособлений, ремонта и модернизации станков. Для станков с ЧПУ достаточно ввести в корректоры значения погрешности обработанной детали и при обработке следующей детали погрешности уже будут скомпенсированы. Таким образом, полученные в результате измерения зубчатого венца значения отклонений применяются в современной технологии для корректировки наладки станка. Целью этой корректировки может быть не только повышение качества обработанного венца, но и оптимизация параметров зубчатого зацепления. Как следствие, методы и оборудование для контроля зубчатых венцов все глубже интегрируются в производственный процесс механической обработки.

Еще одной причиной глубокой интеграции современных методов контроля является необходимость паспортизации и сертификации изготавливаемых деталей, особенно при изготовлении деталей по кооперации. Получатель продукции хочет быть уверен в ее качестве и требует предоставления сертификатов международного образца, дающих исчерпывающую информацию о качестве зубчатого венца. В конечном итоге получатель готового изделия (редуктора, коробки передач) должен быть уверен в качестве отдельных компонентов и иметь соответствующее документальное подтверждение. Кроме этого, должна быть обеспечена прослеживаемость результатов контроля качества, т. е. методы контроля, применяемые различными поставщиками, должны иметь единую основу и, при повторении измерений в другом месте, результаты измерений должны быть идентичны. Традиционные средства контроля не могут обеспечить подобную сертификацию и прослеживаемость.

Подводя итог, сформулируем основные современные тенденции в измерении зубчатых колес:

  • Не просто измерение детали с заключением «годная — негодная», а анализ отклонений с обратной связью с производством
  • Более высокая точность измерений
  • Более высокая скорость измерения (в автомобильной промышленности не более 3 минут на деталь)
  • Возможность контроля непосредственно в производстве (сокращение времени ожидания решения)
  • Возможность измерения модификаций и топографии зуба
  • Внедрение новых стандартов измерения и оценки
  • Достоверность измерений
  • Выдача стандартизованных протоколов (прослеживаемость результатов на различных стадиях производства и при поставке изделия потребителю)
  • Эти тенденции привели к появлению новых методов контроля зубчатых венцов. Рассмотрим более подробно современные средства контроля.
  • Современные средства контроля зубчатых венцов

Измерение геометрических параметров производится, как правило, не на всей рабочей поверхности зуба. Поэтому определены параметры, по которым можно оценить точность всей боковой поверхности. К этим параметрам для цилиндрических зубчатых колес относят шаг по делительной окружности, линию профиля и линию направления зуба.

Измерение этих геометрических параметров происходит либо в определенных точках (шаг, радиальное биение, толщина зуба), либо вдоль определенных линий (профиль, направление зуба, модификации). С внедрением современных метрологических средств появилась возможность измерения всей боковой поверхности — измерения топографии зуба.

Геометрические параметры определяются путем прямого измерения размеров, отклонений положения, направления и формы. Дополнительно могут оцениваться волнистость и шероховатость поверхности.

Кроме измерения геометрических параметров, при контроле зубчатого венца могут быть осуществлены функциональные проверки. К ним относят в первую очередь проверку кинематической точности на приборах однопрофильного контроля, проверку колебания измерительного межосевого расстояния на приборах двухпрофильного контроля, проверку пятна контакта на контрольно-обкатных станках, проверку уровня шума и проверку передаточной способности на соответствующих приборах.

Кроме указанных проверок геометрии и функциональности зубчатого венца осуществляют проверку твердости, прочности и структуры материала детали различными разрушающими и неразрушающими методами контроля. Этот вид контроля качества зубчатых колес мы рассматривать не будем.

Международные стандарты различают измерение и проверку зубчатых венцов.

Под измерением понимается определение абсолютного размера. Применительно к цилиндрическим зубчатым колесам может быть измерена длина общей нормали, основной шаг, толщина зуба и ширина впадины (рис. 3).

При проверке определяют, соответствует ли изготовленная деталь одному или нескольким заданным условиям. Применительно к зубчатым колесам проверяется окружной шаг, радиальное биение, профиль, боковая линия, образующая линия, а также кинематическая точность с помощью одно- и двухпрофильных приборов (рис. 4).

При измерении и проверке зубчатых колес различают отдельные погрешности и суммарные погрешности. Отдельными погрешностями характеризуются толщина зуба, основной и окружной шаг, радиальное биение, профиль, боковая линия и образующая. Суммарные погрешности являются следствием взаимного влияния нескольких отдельных погрешностей. Суммарные погрешности проявляются при проверке зубчатых венцов на приборах одно- и двухпрофильного контроля, при проверке пятна контакта и уровня шума.

Измерение ручными средствами (рис. 5) характеризуется простотой обращения со средствами измерения и дешевизной самих средств измерения. Эти приборы могут быть применены непосредственно около станка. В то же время, измерение ручными средствами не дает заключения о качестве зубчатого венца, так как обладает ограниченной информативностью результата: проверка осуществляется по одному параметру. Кроме того, существуют определенные сложности при измерении косозубых колес.

Проверка на приборах одно- и двухпрофильного контроля (рис. 6), в отличие от измерений ручными средствами, дает прямую информацию о качестве колеса. Данный метод проверки обеспечивает короткое время измерения детали. Но эти методы также обладают существенными недостатками. Несмотря на то, что результаты проверки позволяют сделать заключение о качестве детали, они не дают ни качественной, ни количественной информации, которую можно было бы напрямую использовать для внесения коррекции в технологический процесс изготовления детали. Кроме того, проверка осуществляется с применением измерительных колес, которые достаточно дороги в приобретении (изготовлении) и эксплуатации (восстановление). Хотя время непосредственно проверки достаточно мало (достаточно одного оборота детали, сопряженной с измерительным колесом), время наладки прибора велико.

Совершенствование систем управления и повышение точности, а также необходимость повторяемости измерений привело к широкому внедрению зубоизмерительных машин (рис. 7) — универсальных приборов для контроля зубчатых венцов.

Зубоизмерительные машины

Зубоизмерительная машина является средством аналитического контроля отклонений зубчатого венца. Применение этого средства контроля обеспечивает оптимальное качество контроля и представления результатов проверки параметров зубчатого венца. Получаемые результаты дают полную информацию о причинах возникновения погрешностей и позволяют использовать эту информацию для соответствующей корректировки технологии изготовления детали. К недостаткам данного метода проверки следует отнести длительный цикл измерения и сложность в применении зубоизмерительной машины непосредственно около станка — являясь метрологическим средством очень высокой точности, машина требует установки в специально подготовленное помещение.

Принцип работы зубоизмерительной машины и традиционных приборов для контроля эвольвенты, направления зуба и шага зубьев во многом схож. В процессе измерения щуп измерительной машины сканирует боковую поверхность зуба по профилю (рис. 8.1), по линии зуба (рис. 8.2) и последовательно касается всех боковых сторон зубьев (рис. 8.3). В результате этих основных проверок определяется погрешность профиля, погрешность линии зуба, отклонения шагов и погрешность радиального биения.

Рассмотрим более подробно принцип работы на примере измерения отклонений профиля зуба. В процессе сканирования поверхности зуба отклонения щупа регистрируются и обрабатываются системой управления машины. Получаемый результат аналогичен результату проверки на эвольвентомере. Если профиль зуба представляет собой правильную эвольвенту с заданными параметрами, то результатом измерения в графическом представлении будет прямая. При наличии погрешности профиля по углу или форме получится кривая линия (рис. 9).
Анализ этой кривой позволяет определить основные составляющие погрешности (рис. 10) — погрешность угла профиля fH, погрешность формы профиля ff и полную погрешность профиля F. Аналогичным образом проверяется отклонение линии зуба с выявлением погрешности угла наклона зуба fH, формы линии зуба ff и полной погрешности линии зуба F.

Проверка профиля и линии зуба проводится, как правило, на 3–4 зубьях. Это делается с целью сокращения времени измерения. При этом информативность такого неполного измерения вполне достаточна, так как выявляет все погрешности зубчатого венца, изготовленного методом обката.

На любом выбранном зубе может быть проведена проверка профиля и линии зуба в нескольких сечениях. В этом случае результатом измерения является топография поверхности зуба (рис. 11). Как было показано выше, во многих случаях сегодня используется модификация поверхности зуба по профилю и направлению, имеющая целью оптимизацию технологии изготовления колес (например, модификация зуба при черновой обработке с целью компенсации деформаций при термической обработке) или улучшение параметров готового изделия (оптимизация пятна контакта в паре зубчатых колес). Возможность оценки топографии зуба дает возможность наглядно оценить модификацию поверхности зуба. Кроме того, при применении дополнительного программного обеспечения для зубоизмерительных машин существует возможность моделирования и оценки контакта измеренного зуба либо в зацеплении с идеальным колесом, либо в зацеплении с другим измеренным колесом.

Результат измерения зуба на зубоизмерительной машине представляется в графическом виде. Поскольку методы анализа и представления результатов стандартизованы для всех изготовителей зубоизмерительных машин, то обеспечивается сопоставимость результатов, сделанных на разных машинах. В результате обеспечивается прослеживаемость результатов измерения, и данные протоколы могут быть использованы в качестве сертификатов, подтверждающих качество изготовленной детали. На рис. 12 представлен типовой протокол измерения и анализа отклонений профиля зубчатого колеса. В данном протоколе наглядно видны отклонения угла и формы профиля в графическом и цифровом представлении. Если задана требуемая точность измеряемого венца, то программное обеспечение сравнивает заданные для данной степени точности допуски на измеряемые параметры и отображает те отклонения, которые выходят за поле допуска. Одновременно анализируется и показывается истинная степень точности измеренного колеса. Аналогичные протоколы выводятся по результатам анализа направления зуба, шага и радиального биения. Стандартное математическое обеспечение также оценивает среднее значение и колебание длины общей нормали, и толщину зуба.

Получаемые при измерении детали протоколы дают широкие возможности для оценки причин возникновения погрешностей. Для этого существуют определенные методики. Например, при получении диаграммы профиля, представленной на рис. 13, можно определить пять основных причин возникновения данной погрешности:

  • биение фрезы на оправке (может быть вызвано плохой фрезой, поврежденной оправкой или загрязнением оправки при монтаже);
  • неправильная заточка фрезы (фреза была переточена с радиальным биением из-за установки с перекосом на оправку или оправки на заточной станок);
  • слабо закрепленная или изношенная оправка в противоопоре станка;
  • слишком большой люфт шпинделя фрезы фрезерного станка;
  • слишком большой люфт стола фрезерного станка.

В настоящий момент в мире существует около десятка поставщиков зубоизмерительных машин. Большинство заказчиков отдают предпочтение зубоизмерительным машинам самой высокой точности, которые обеспечивают измерение деталей теоретически от первой степени точности. При этом следует помнить, что, согласно нормам, средство измерения должно обеспечить возможность измерения деталей на две степени точности выше, чем точность реально изготавливаемых деталей. Коротко рассмотрим основные конструктивные особенности зубоизмерительных машин на примере машин фирмы Mahr (Германия).

Эти зубоизмерительные машины обладают уникальной встроенной системой термокомпенсации, что обеспечивает точность измерения даже при колебаниях температуры в помещении. Например, при колебании температуры в помещении на 8 градусов разброс результатов измерения составляет всего 0,6 микрона. Конструктивно зубоизмерительные машины Mahr сделаны на базе кругломеров высокой точности, при этом все функции кругломера сохранены в базовом программном обеспечении. На практике это означает, что, приобретая одну машину Mahr, заказчик фактически приобретает два метрологических средства — зубоизмерительную машину и кругломер. Важнейшим элементом машины является сканирующая головка. Головка машины Mahr представляет собой миниатюрную копию трехкоординатной измерительной машины и обеспечивает измерение с постоянным измерительным усилием всегда по нормали к измеряемой поверхности.

При наличии дополнительного программного обеспечения можно реализовать дополнительные функции измерения цилиндрических колес: сравнение параметров колес до и после термической обработки (результат представляется в графическом виде, что позволяет легко и быстро определить деформации детали при термической обработке); измерение «колес» с определением их основных параметров (для тех случаев, когда имеется колесо, у которого можно только измерить наружный диаметр и сосчитать число зубьев неизвестных, с определением остальных конструктивных размеров); измерять колеса после операции зубофрезерования с исключением влияния следа от подачи; измерять форму и размеры тел вращения (т. е. деталей с зубчатыми венцами), т. е. использовать зубоизмерительную машину как кругломер и координатно- измерительную машину.

Также при наличии дополнительного программного обеспечения зубоизмерительные машины Mahr позволяют контролировать конические зубчатые колеса, червяки и червячные колеса, колеса с торцовым зубом и венцы синхронизаторов. Для этого не требуется никаких изменений в конструкции машины, только программное обеспечение.

Также без конструктивных изменений возможно измерение зуборезных инструментовчервячных фрез, долбяков и шеверов.

Заключение

Современные средства измерения зубчатых колес — зубоизмерительные машины — позволяют выполнить основные требования, которые определяются современной конструкцией и технологией изготовления. На обеих боковых поверхностях трех или четырех зубьев измеряются погрешности профиля и линии зуба. На всех зубьях измеряются погрешности шага по обеим боковым поверхностям и погрешности радиального биения. Кроме этого, производится измерение толщины зуба (размера по шарикам). Время измерения зубчатого колеса составляет около 3 мин. Зубоизмерительная машина обеспечивает измерение зубчатых колес при замене инструмента, на стыке рабочих смен и при изменениях в технологическом процессе. Зубоизмерительная машина также обеспечивает измерение топографии зуба с оценкой пятна контакта.

Зубоизмерительная машина не имеет ограничений в части измерения колес с нестандартными параметрами профиля и линии зуба (модификации по профилю и линии зуба).

Практически зубоизмерительная машина как современное средство измерения заменяет все ранее применявшиеся приборы для контроля зубчатых колес и позволяет измерять, кроме цилиндрических колес, также конические колеса, червяки, червячные колеса и зуборезные инструменты (червячные фрезы, долбяки и шеверы).

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

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