Full Text

Введение Такие эксплуатационные характеристики, как долговечность, надежность, ресурс работы машин и механизмов, зависят от работы отдельных узлов и сопрягающихся пар. Особенно важно учитывать эту зависимость в связи с наметившейся тенденцией к увеличению скоростей, нагрузок и тепловой напряженности контактирующих элементов передач. В связи с этим в настоящее время большое внимание уделяется качеству изготовления сопрягающихся поверхностей деталей машин. Под качеством изготовления понимается обеспечение требуемых точности, шероховатости, физико-механических свойств поверхностного слоя, а также высоких эксплуатационных показателей. Разработка высокопроизводительных технологических процессов, повышающих эксплуатационные характеристики деталей машин, - одна из наиболее актуальных задач машиностроения. В полной мере это относится к зубчатым деталям различного профиля: цилиндрическим зубчатым колесам, шлицевым валам, сложнопрофильным винтовым валам. Классификация отделочных процессов зубообработки Нами выполнен анализ всех современных методов и схем отделочной обработки зубчатых деталей и составлена классификация отделочных методов обработки зубчатых поверхностей по следующим признакам: - метод (вид) отделочной зубообработки; - принятая схема осуществления процесса; - конструкция инструмента; - основные характеристики инструмента или процесса. На рис. 1 представлены достижимые для каждого способа отделочной обработки зубчатых деталей точность и шероховатость рабочих поверхностей зубьев [1-3]. Наличие широкого разброса показателей для некоторых способов объясняется использованием различных схем обработки. Точность зубчатых деталей после операций полирования, суперфиниша, приработки остается практически неизменной (исходной). Приработка даже несколько снижает точность, при этом шероховатость снижается незначительно. По способу съема материала зубчатых деталей все виды отделочной обработки можно объединить в следующие группы: абразивные, лезвийные, бесстружечные, электрохимические, электрофизические. К абразивным методам относится шлифование, хонингование, притирка, абразивное полирование, суперфиниш [4-12]. Лезвийные методы: шевингование, шевинг-обкатка [13-16]. Бесстружечные: обкатка, способы поверхностно-пластического деформирования, приработка [17-22]. Электрохимические и электрофизические: ультразвуковая обработка, электрохимико-гидравлическая обработка, электрохимико-механическая обработка [23, 24]. Как видно из диаграммы, представленной на рис. 1, а, способ съема материала оказывает существенное влияние на точность зубчатых венцов. Наилучшие результаты по точности обработки дают абразивные способы зубоотделки, обеспечивающие снятие значительных припусков при использовании схем кинематического обката детали и инструмента. Шероховатость рабочих поверхностей зубчатых венцов (рис. 1, б) в значительной мере зависит от принятой схемы реализации процесса и условий обработки. Сравнительный анализ точности обработки зубчатых венцов в зависимости от способа и схемы формообразования подтверждает возможность получения зубчатых деталей высших степеней точности только при наличии кинематической связи между инструментом и деталью и при съеме значительных припусков. Однако в силу простоты контроля и достаточной оснащенности контрольными приборами все эти зависимости выведены для эвольвентных профилей и не могут быть автоматически распространены на другие виды профилей зубчатых деталей. При изучении влияния условий обработки на шероховатость поверхности и физико-механические свойства поверхностного слоя установлено, что отделочная обработка зубчатых деталей на оптимальных режимах позволяет снизить шероховатость в 2-4 раза. Физико-механические свойства поверхностного слоя ухудшаются при неправильно подобранных режимах шлифования (прижоги)а б Рис. 1. Точность и шероховатость поверхностей при различных методах отделочной обработки и улучшаются при обкатке и других способах ППД. Увеличение микротвердости может достигать 30-40 %. Остальные способы отделочной обработки зубчатых колес существенного влияния на физико-механические свойства поверхностного слоя зубчатых деталей не оказывают. Однако все эти сведения относятся к эвольвентным зубчатым колесам. В литературе отсутствуют сведения о выборе схем отделочной обработки для неэвольвентных профилей и влиянии условий контактирования инструмента и детали, а также режимах обработки на шероховатость рабочих поверхностей сложнопрофильных деталей. Отсутствуют сведения о рациональных конструкциях инструментов для обработки неэвольвентных профилей. Рассмотренные способы снятия материала, схемы формообразования и инструменты для отделочной обработки зубчатых колес не отличаются универсальностью, что сдерживает их широкое применение в машиностроении. Способы, отличающиеся высокой точностью, не обладают высокой производительностью. А способы, обеспечивающие минимальную шероховатость, не отличаются значительными съемами и исправляющей способностью. В то же время способы, повышающие физико-механические свойства поверхностного слоя, не обеспечивают высокой степени точности зубчатой поверхности. Целесообразно ограничить круг поиска способа отделочной обработки сложнопрофильных зубчатых деталей рамками тех способов, которые обеспечивают достаточные съемы, высокую производительность, низкую шероховатость, высокую точность и неизменность физико-механических свойств. Оптимальным будет такой способ, у которого эти параметры сочетаются наилучшим образом. Как видно из рис. 1, подходят способы абразивной отделочной обработки зубчатых венцов. Для определения рациональной схемы абразивной отделочной схемы обработки сложнопрофильных зубчатых деталей необходим анализ способов и технологических возможностей абразивной отделочной обработки. Из разработанных к настоящему времени процессов абразивной отделочной обработки зубчатых деталей наибольшее распространение получили шлифование, хонингование, притирка и полирование. Зубошлифование - единственный способ получения зубчатых колес 3-4-й степеней точности. Этот способ может быть реализован по схеме обкатки или копирования. Схема обкатки может быть реализована целой гаммой шлифовальных инструментов: тарельчатые, дисковые, плоские шлифовальные круги и абразивные червяки [4, 5]. Схема копирования может быть реализована односторонними или двухсторонними фасонными кругами. Шлифование по схеме обката обеспечивает более высокие степени точности (3-6-ю степени). В то же время схема копирования обеспечивает 6-7-ю степени точности. Шероховатость обработанных поверхностей зависит от условий обработки и находится в пределах Ra = 0,2¸1,0 мкм. Припуск под обработку 0,15-0,8 мм в зависимости от размеров обрабатываемых зубчатых деталей. Снижение точности зубошлифования при работе по методам копирования объясняется сложностями профилирования и правки криволинейного профиля абразивного инструмента. Инструмент, работающий по методу обката, имеет прямолинейный профиль и поэтому правится значительно проще, при этом правка возможна прямо в процессе шлифования. Особое место занимает шлифование абразивными червяками, которое при точности в пределах 5-6-й степеней обладает наивысшей из всех способов зубошлифования производительностью. Шлифование методами обкатки дает эффективные результаты при обработке эвольвентных профилей за счет совершенной системы деления и правки шлифовальных кругов. При обработке фасонных профилей использование методов копирования нерационально, так как они не обеспечивают высокой точности и производительности. Притирка - процесс отделочной обработки зубчатых поверхностей, сущность которого заключается в искусственном и регулируемом по величине износе зубьев детали при помощи притира и свободного абразива при взаимном перемещении детали и притира. Обеспечивает 6-7-ю степени точности шероховатость поверхности Ra = 0,08¸0,32 мкм. В качестве инструмента используются зубчатые колеса 5-й степени точности и выше, изготовленные из чугуна HB 180-200, припуск под обработку не оставляется, так как величина снимаемого слоя 0,02-0,05 мм. Притирка выполняется одним или несколькими притирами при параллельных осях или при скрещивающихся под углом 10°-20° осях. Процесс притирки строится на принципах свободного обката при отсутствии кинематической связи между деталью и притиром. Низкая производительность, сложность изготовления сложнопрофильных притиров высокой точности, шаржирование рабочих поверхностей ограничивают использование процесса притирки для обработки зубчатых деталей неэвольвентных профилей. Зубохонингование (абразивное шевингование) обеспечивает точность зубчатых деталей в пределах 6-8-й степеней, шероховатость зависит от условий обработки, в первую очередь от зернистости абразива, и достигает Ra = 0,16¸1,0 мкм. Производительность зубохонингования много выше, чем производительность зубошлифования, так как перед этим процессом ставится задача снижения шероховатости. Припуск под обработку оставляется в пределах 0,01-0,03 мм. Хонингование осуществляется по методу свободного обката и реализуется на специальных зубообрабатывающих станках. Схемы осуществления процесса зубохонингования аналогичны схемам зубошевингования и могут быть осуществлены при однопрофильном и двухпрофильном зацеплениях. В соответствии с этим применяются различные схемы нагружения и типы инструментов. В качестве инструментов при зубохонинговании используются дисковые зубчатые хоны, хон-рейки, хоны на основе цилиндрического червяка, глобоидные червячные хоны. Наибольшее распространение получило зубохонингование дисковыми хонами в силу простоты осуществления процесса. Однако использование принципа свободного обката, точечное зацепление между профилями инструмента и детали, значительные значения частоты вращения инструмента (так как скоростью резания является скорость скольжения профилей), сложность изготовления зубчатых хонов высокой точности и их правки, подрезание головки и ножки детали в процессе обработки не позволяют использовать дисковое зубохонингование в качестве процесса для повышения точности обработки до высших степеней. То же самое отличает зубохонингование хон-рейками и хонами на основе цилиндрического червяка [7]. Зубохонингование глобоидными зубчатыми хонами отличается широкими технологическими возможностями, которые обеспечиваются преимуществами глобоидного зацепления: линейный контакт в зоне резания, значительная протяженность контакта инструмента и детали, высокая исправляющая способность, простота осуществления процесса на универсальном и специальном оборудовании, скоростью резания является скорость вращения инструмента, что приводит к снижению частот вращения инструмента и появлению возможности реализации выбранных режимов обработки на невысоких частотах вращения. Особенности выбора глобоидного зубохонингования определяются профилем зубчатого венца винтового забойного двигателя (рис. 2). Наличие циклоидообразных профилей исключает возможность использования схем и оборудования для обработки эвольвентных профилей. Кинематика глобоидного зубохонингования представлена на рис. 3. Рис. 2. Торцевой профиль ротора Рис. 3. Кинематика глобоидного зубохонингования Однако нерешенность вопросов выбора характеристик абразивного слоя глобоидных хонов, а также вопросов изготовления инструментов, неизученность теоретических особенностей глобоидного зацепления не позволяли внедрять процесс глобоидного зубохонингования в производство. Использование глободного хона на эластичных каучукосодержащих связках [8, 25] позволило решить вопросы изготовления инструмента, повышения его точности с помощью правки и внедрения этого процесса для обработки сложнопрофильных деталей. Это определило необходимость проведения комплекса исследований по определению характеристик глобоидного инструмента и процесса в целом. Для выбора оптимальной схемы процесса глобоидного зубохонингования сложнопрофильных валов необходимо исследовать влияние кинематики процесса на качество зубчатых поверхностей и выполнить ряд работ по прогнозированию условий обработки и характеристик абразивного слоя глобоидного инструмента при расчете необходимых технологических параметров на этапе проектирования технологического процесса. Заключение Глобоидное зубохонингование кинематически легко реализуется при обработке любых зубчатых профилей, не требует специального оборудования, обеспечивает высокие показатели по точности и шероховатости обработанных поверхностей. После всестороннего изучения особенностей процесса глобоидное зубохонингование внедрено на ряде предприятий нефтегазовой отрасли.

About the authors

V. A Spirin

Perm National Research Polytechnic University

V. F Makarov

Perm National Research Polytechnic University

O. A Khalturin

Perm National Research Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 66

PDF (Russian) - 39

Refbacks

• There are currently no refbacks.