Modern Methods of Cylindrical
Gear Wheels FinishingGear grinding is one of the most wide- spread methods of cylindrical gear wheels finishing. For several decades, the leading position in the sphere of continuous grinding equipment production has been occupied by the Swiss company Reishauer AG. Producing its machines Reishauer uses its own patented designs, for example, a unique planetary gear drive for billets. The machine family also includes machines for intermittent profile gear grinding.
А.С. Калашников, д.т.н., профессор,
директор представительства Reishauer AG,
г. Москва (Россия)
Зубошлифование является одним из самых распространенных методов чистовой обработки цилиндрических зубчатых колес. В области производства оборудования для шлифования непрерывным обкатным методом на протяжении нескольких десятков лет лидирующее положение на мировом рынке занимает швейцарская компания Reishauer AG. При изготовлении станков Reishauer применяет собственные запатентованные разработки, например, оригинальный планетарный механизм для привода заготовки. В модельном ряду присутствуют также станки, позволяющие производить обработку методом прерывистого профильного зубошлифования.
В условиях рыночной экономики важной задачей для машиностроения является создание и производство конкурентоспособных машин и механизмов, обладающих высокими технико-экономическими показателями при малых массогабаритных размерах. Ее решение в значительной степени зависит от качества и эффективности изготовления и сборки основных деталей машин и механизмов. К таким деталям относятся и зубчатые передачи, имеющие исключительно широкое распространение во многих отраслях машиностроения.
Цилиндрические передачи внешнего зацепления с прямыми и косыми зубьями предназначены для сообщения механической энергии от одного вала другому, расположенному на параллельной оси. Высокий коэффициент полезного действия (97–98,5 %), возможность передавать вращающие моменты с большими диапазоном передаточных чисел (1,0–20,0) и окружными скоростями до 200 м/с способствовали их широкому распространению в машиностроительной промышленности.
В табл. 1 рассматриваются наиболее часто применяемые в промышленности методы чистовой обработки зубьев цилиндрических колес. Технологический процесс, при котором колеса после предварительного зубонарезания шевингуют, а затем подвергают химико-технической обработке (ХТО), доминировал в промышленности в 50–90-х годах прошлого столетия. В качестве инструмента при этом чаще всего используют дисковый шевер, выполненный в виде прямозубого или косозубого зубчатого колеса. Профиль зубьев шевера имеет ряд мелких зубчиков, режущие кромки которых снимают волосовидные стружки. Обработка производится при свободной кинематической связи винтовой передачи — зубчатого колеса и дискового шевера, установленных на перекрещивающихся осях и вращающихся в беззазорном зацеплении.
Зубошевингование является самым производительным среди рассматриваемых методов чистовой обработки. Возможность производить обработку с параллельным, диагональным, тангенциальным и врезным движением подачи позволяет использовать зубошевингование для различных конструкций заготовок цилиндрических колес, включая заготовки с близко расположенными венцами.
При зубошевинговании с помощью наладки станка и конструкции шевера можно производить продольную и профильную модификацию зубьев, что позволяет предотвратить концентрацию нагрузки на кромках зубьев, снизить уровень шума и повысить срок службы зубчатой передачи.
Основным недостатком зубошевингования следует считать то, что обработку зубьев производят в незакаленном виде. Относительно высокая точность зубьев (5–7 степень по ГОСТ 1643-81), полученная при зубошевинговании, снижается на 1–2 степени после выполнения ХТО.
Кроме того, для компенсации деформаций, возникающих при ХТО, необходимо выполнение сложнейших модификаций зубьев шевера, в результате чего очень сложно обеспечить воспроизводимость и стабильность процесса. Нежесткая кинематическая связь между шевером и заготовкой делает шевингование очень зависимым от качества предварительной обработки зубьев.
Указанные недостатки и, главным образом, невысокая конечная точность шевингованных зубчатых колес явились причиной повсеместного вытеснения из промышленности зубошевингования методами обработки зубьев, производимыми после ХТО.
Для чистовой обработки цилиндрических зубчатых колес все более широко применяют зубошлифование. При этом наибольшее распространение получили два метода — непрерывное обкатное шлифование червячным шлифовальным кругом (рис. 1) и прерывистое профильное двухсторонним коническим кругом.
В качестве шлифовального инструмента используют абразивные или металлические круги с одно- или многослойным покрытием нитрида бора. Низкая стоимость, а также возможность целенаправленного изменения рабочей поверхности шлифовального инструмента при обработке зубьев с различной геометрией способствовали широкому применению в промышленности абразивных шлифовальных кругов.
Для шлифования рассматриваемыми методами не требуется подрезание профиля в ножке зуба обрабатываемого колеса (таб. 1), что существенно снижает затраты на предварительную обработку.
Возможность обработки впадины зубьев и создания внутренних напряжений сжатия на поверхности зубьев позволяет при использовании зубошлифования существенно повысить контактную и изгибную износостойкость цилиндрических зубчатых передач.
На рис. 2 показано, что как при непрерывном обкатном зубошлифовании абразивным червячным кругом 2, так и при прерывистом профильном — двухсторонним металлическим кругом с гальваническим покрытием кубическим нитридом бора 1, на поверхности зубьев цилиндрических колес возникают внутренние напряжения сжатия, близкие по величине получаемым при зубохонинговании 3.
Воспроизводимость процесса зубошлифования обеспечивается жесткой и точной кинематической связью между заготовкой и режущим инструментом, а также прецизионным профилированием абразивного инструмента непосредственно на станке, что позволяет получать стабильное качество изготовления как внутри обрабатываемой партии заготовок зубчатых колес, так и при переходе от партии к партии.
Прерывистое профильное зубошлифование характеризуется высокой теплонапряженностью процесса вследствие линейного контакта между боковыми поверхностями зубьев и профилем шлифовального круга, поэтому высока вероятность образования прижогов на поверхности зубьев. Условия шлифования также ухудшаются из- за ограничения доступа смазочно-охлаждающей жидкости в зону резания.
Объективным критерием оценки производительности приведенных выше методов является объем снятого материала в единицу времени. При непрерывном обкатном методе объем снимаемого металла в единицу времени при обработке зубчатых колес с модулем от 2 до 5 мм абразивными шлифовальными кругами в 4–5 раз превышает тот же объем при прерывистом профильном зубошлифовании.
Указанные положительные свойства непрерывного обкатного метода являются причиной его широкого применения в мелко-, средне-и крупносерийном производстве.
Чистовую обработку зубьев твердосплавными червячными фрезами стали применять в промышленности в 80-х годах прошлого столетия. Основанием для этого послужило создание статически и динамически жестких и термостойких зубофрезерных станков. От зубофрезерования незакаленных заготовок этот метод отличается только конструкцией режущего инструмента и режимами обработки.
В качестве режущего инструмента применяют высококачественные твердосплавные червячные фрезы. Большой передний угол Y = –10… –30° зубьев червячной фрезы, а также отсутствие зазоров в приводах инструмента и заготовки обеспечивают равномерное (без ударов) резание.
Чтобы избежать чрезмерного износа головки зубьев фрезы, необходимо предварительную обработку заготовки производить с подрезкой впадины зубьев.
Использование «сухого» (без подачи СОЖ) зубофрезерования делает этот процесс более эффективным и экологически чистым. Однако из- за низкой производительности и невысокой точности область его применения ограничивается единичным и мелкосерийным производством.
Преимущество этот процесс получает в тех случаях, когда один и тот же зубофрезерный станок можно использовать для обработки незакаленных и закаленных заготовок зубчатых колес.
Зубохонингование применяют для чистовой обработки зубьев закаленных цилиндрических зубчатых колес преимущественно абразивными правящимися инструментами. Скорость резания при этом методе в 5–10 раз ниже, чем при зубошлифовании, поэтому доминирующими при зубохонинговании являются механические напряжения вместо термических при зубошлифовании. Существуют два метода зубохонингования — хонами с внешним и внутренним зацеплением. Большие технологические возможности хонов с внутренним зацеплением определили их преимущественное применение в промышленности.
Несмотря на довольно широкую область применения зубохонингования, которое можно производить после зубонарезания и ХТО, зубонарезания, зубошевингования и ХТО, зубонарезания, ХТО и зубошлифования, в настоящее время оно не получило широкого распространения в промышленности.
Среди производителей зубошлифовальных станков, работающих непрерывным обкатным методом, лидирующее положение на мировом рынке на протяжении последних нескольких десятков лет занимает фирма Reishauer AG (Швейцария) (рис. 3). Современные зубошлифовальные станки Reishauer работают непрерывным обкатным двусторонним методом и могут шлифовать зубчатые колеса с модулем 0,5–8,0 мм, внешним диаметром 20–1000 мм и с различной геометрической формой: валы, диски, зубчатые сегменты (табл. 2).
Привод заготовки в станках RZ 303C, RZ 400, RZ 630, RZ 800 и RZ 1000 осуществляется через оригинальный планетарный механизм, запатентованный фирмой Reishauer. Поэтому шпиндель заготовки является чрезвычайно жестким и допускает большие вращающие моменты (например, у станка RZ 400–180 Нм), что позволяет станкам работать многозаходными червячными шлифовальными кругами с большими осевыми и радиальными подачами.
Станки Reishauer имеют высокую точность позиционирования: линейных осей — 0,001 мм, круговых осей — 0,001 град.
В качестве зажимных средств на зубошлифовальных станках применяют разжимные гидравлические оправки и механические оправки с разрезными коническими цангами, которые при разжиме обеспечивают беззазорное центрирование и закрепление заготовки. Это значительно снижает негативное влияние погрешности диаметра и формы посадочного отверстия на точность шлифования зубьев.
Возможность гибкого изменения профиля инструмента при обработке зубчатых колес с различными параметрами зубьев (модуль, число зубьев, угол профиля и т. д.) — основная причина широкого применения правящих абразивных кругов при непрерывном обкатном зубошлифовании.
Обработку зубьев производят высокопористыми шлифовальными кругами. Чем больше суммарный объем пор и крупнее поры, тем лучше охлаждение и эффективнее резание.
Наибольшее применение на станках Reishauer получила профильная правка с помощью двух односторонних конусных кругов, а также одно- и двухзаходных сборных роликов. Режущие поверхности правящих роликов покрывают одним слоем природных алмазных зерен с гальваническим никелевым покрытием. Алмазные зерна имеют размер 0,3–0,42 мм и форму тетраэдра или октаэдра с отношением длины к толщине, близким к единице.
Непременным условием качественного зубошлифования является эффективное применение смазочно-охлаждающей жидкости. Она оказывает непосредственное влияние на производительность и качество обработки зубьев, осуществляя смазку контактирующих поверхностей инструмента и заготовки, а также отвод тепла, продуктов износа шлифовального круга и мелкой стружки из зоны обработки.
Для повышения режущих свойств круга и устранения возможности образования прижогов на поверхности зубьев подачу СОЖ в зону шлифования производят напорной струей под давлением 0,8–2,0 МПа с производительностью 160 л/мин.
Зубошлифовальные станки RZ 630, RZ 800 и RZ 1000 имеют измерительное устройство (рис. 5) для контроля зубьев до и после обработки, их оценки и аттестации в соответствии с требованиями ГОСТ 1643-81. Они могут производить обработку также прерывистым профильным зубошлифованием, которое применяется для зубчатых колес с модулем 1–16,0 мм, колес с близко расположенными венцами и малым числом зубьев.
