Подписка
Автор: 
А. С. Калашников, д. т. н., профессор, Московский политехнический университет, e-mail: alexandr_kalashnikov45@rambler.ru

ПРИВЕДЕНЫ СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕТОДОВ ЧИСТОВОЙ ОБРАБОТКИ ТЕРМИЧЕСКИ УПРОЧНЁННЫХ ЗУБЬЕВ КОНИЧЕСКИХ И ГИПОИДНЫХ ПЕРЕДАЧ. РАССМОТРЕНО ВЛИЯНИЕ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ НА УСЛОВИЯ ВЗАИМОЗАМЕНЯЕМОСТИ И СБОРКИ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ.

 

 

Конические и гипоидные передачи с криволинейными зубьями служат для передачи механической энергии между пересекающимися и перекрещивающимися осями валов. Высокий коэффициент полезного действия, возможность передавать вращающие моменты между осями валов с большим диапазоном передаточных чисел и окружными скоростями до 125 м/с способствовали широкому распространению их в промышленности. Эти передачи применяются в сложных узлах механизмов авиационных и судовых двигателей, железнодорожных электро- и тепловозов, ветряных электроустановок, ведущих мостов автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных и дорожных машин, редукторов общего назначения.

 

В машиностроении широко применяют конические и гипоидные передачи из высококачественных легированных сталей, которые для упрочнения зубьев подвергают химико-­термической обработке (ХТО) и получают твёрдость поверхности зубьев (58…63 HRC) и твёрдость сердцевины (36…43 HRC). Однако в процессе нагрева и последующего охлаждения зубья передач деформируются, их точность снижается на 1–2 степени и более по ГОСТ 1758–81.

 

На рис. 1 показано ведомое коническое колесо 3, у которого пятна контакта на зубьях после ХТО расположены неравномерно по окружности: в середине длины зуба 1 и 4, на внутреннем 2 и внешнем 5 концах зуба. Если чистовая обработка зубьев не предусмотрена, то производят удаление забоин и заусенцев и спаривание с ведущей конической шестерней. Из-за низкого качества зацепления такие передачи применяются редко, главным образом, в неответственных механизмах с незначительной нагрузкой и невысокой скоростью вращения.
Известно, что эксплуатационные показатели: плавность зацепления, изгибная и контактная выносливость зубьев конических и гипоидных передач, а также трудоёмкость их сборки в значительной степени зависят от метода чистовой обработки зубьев.

 

Рис. 1 Схема расположения пятен контакта на зубьях ведомого конического колеса

Рис. 1 Схема расположения пятен контакта на зубьях ведомого конического колеса

 

 

Для чистовой обработки зубьев закалённых конических и гипоидных колёс наибольшее применение в промышленности получили следующие методы: зубопритирка, зубохонингование, зубонарезание резцовыми головками с твердосплавными резцами и зубошлифование (рис. 2).
Возможности методов чистовой обработки выполнять профильную и продольную модификации зубьев, создавать в поверхностных слоях зубьев остаточные внутренние напряжения сжатия и производить обработку радиуса закругления в основании зубьев позволяет повысить изгибную выносливость (сопротивление усталостным поломкам в основании зуба) и контактную выносливость (сопротивление образованию питинга и микровыкрашиваний, а также сопротивление износу под действием контактных напряжений) [1].

 

Традиционными критериями оценки методов чистовой обработки являются: производительность, достигаемая точность и шероховатость поверхности зубьев. При этом большое значение для стабильности изготовления имеет воспроизводимость процесса.
Конические и гипоидные передачи после чернового и чистового зубонарезания и ХТО часто подвергают притирке (рис. 2). Притирку производят для уменьшения шероховатости поверхности зубьев, а также незначительных исправлений формы и расположения пятна контакта. Может быть получена шероховатость боковых поверхностей зубьев притёртых колес Ra 1…2 мкм и снижен уровень шума у конических передач до 6 дБ, у гипоидных передач до 8…10 дБ. Погрешности зацепления исправляются незначительно, припуск под притирку не оставляют. Максимальный съём металла с наиболее деформированных участков поверхности зубьев может достигать 0,03 мм. Чрезмерная притирка снижает качество зубчатых колёс.

 

Рис. 2. Операции обработки зубьев в технологических процессах

Рис. 2. Операции обработки зубьев в технологических процессах

 

 

При притирке, которая производится на специализированных притирочных станках между вращающимися 3 сопряжёнными ведомым 1 и ведущим 7 колёсами вводится абразивная жидкость, состоящая из абразива и масла (рис. 3). Твёрдые и хрупкие абразивные зёрна снимают мелкую стружку с боковых поверхностей зубьев при их перемещении относительно друг друга. Для повышения режущих свой­ств абразивных зёрен создают давление между зубьями путём торможения одного из элементов зацепления.

 

Рис. 3. Схема притирки конических и гипоидных передач

Рис. 3. Схема притирки конических и гипоидных передач

 

 

Ведущий и ведомый шпиндель притирочного станка во время притирки автоматически изменяют своё положение и тем самым обеспечивают притирку практически в любой точке боковой поверхности зуба. При автоматическом цикле работы на притирочном станке выполняются три основных движения: вертикальное 8, горизонтальное 5 и осевое 2.

 

При притирке конических передач 6, у которых имеется только профильное скольжение Vp, прогрессивно увеличивающееся от образующей делительного конуса к головке и ножке зуба, пятно контакта имеет тенденцию к сужению и располагается вдоль линии делительного конуса. При притирке гипоидных передач на поверхности зуба 4 наряду с профильным Vp имеет место также продольное скольжение VL. Поэтому при притирке пятно контакта под действием результирующего скольжения VR имеет склонность к расширению по высоте профиля [2].

 

Зубохонингование является высокопроизводительным процессом, при котором обработку осуществляют металлическими зубчатыми хонами специальной конструкции, на поверхности которых гальванически закреплён один слой зёрен кубического нитрида бора. Обработку производят на станках с жёсткой кинематической связью между заготовкой и инструментом при снятии припуска до 0,1 мм со стороны зуба без смазочно-­охлаждающей жидкости, поэтому в зоне резания образуются искры (рис. 4).

 

Рис. 4. Схема зубохонингования конических и гипоидных передач

Рис. 4. Схема зубохонингования конических и гипоидных передач

 

 

В отдельных случаях хонингование зубьев позволяет достичь стабильности процесса и полной взаимозаменяемости зубчатых передач. Однако воспроизводимость процесса при зубохонинговании в значительной степени зависит от качества выполнения ХТО. При больших деформациях зубьев после ХТО процесс зубохонингования проходит напряжённо и не всегда могут быть достигнуты требуемые показатели точности зубьев [3].

 

В таких случаях после зубохонингования производят подбор в пары с маркировкой номера комплекта, базового расстояния шестерни и бокового зазора отмеченных зубьев. Так как при зубопритирке, а в отдельных случаях и при зубохонинговании, не удаётся полностью устранить погрешности зубьев, возникшие на предыдущих операциях зубообработки и при ХТО, поэтому, как правило, базовое расстояние ведущей шестерни А1 имеет отклонение от требуемого значения, что оказывает отрицательное влияние на плавность зацепления, форму и расположение пятна контакта (рис. 5).

 

Рис. 5. Редуктор заднего моста автомобиля

Рис. 5. Редуктор заднего моста автомобиля

 

 

Для устранения этого отклонения базовое расстояние шестерни А1 при сборке должно точно соответствовать маркированному значению. Это обеспечивают с помощью ступенчатого компенсатора Ак высокой точности. Компенсатор Бк предназначен для предварительного натяжения подшипниковых узлов. Требуемый боковой зазор отмеченных зубьев достигают перемещением ведомого колеса вдоль оси. Такая сборка является трудоёмкой и требует значительных затрат времени.

 

Чистовую обработку термически упрочнённых криволинейных зубьев конических и гипоидных передач зуборезными головками с твердосплавными резцами производят при жёсткой кинематической связи заготовки и инструмента. С боковой поверхности зубьев удаляют значительно больший припуск, чем при зубопритирке и зубохонинговании, поэтому устраняется большинство погрешностей зубчатого зацепления.

 

Возможность производить профильную и продольную модификации зубьев позволяет существенно повысить качество формы и расположения пятна контакта. Очень важно, чтобы станки для нарезания закалённых колёс имели высокую статическую и динамическую жёсткость.
Установленные в резцовой головке 1 (рис. 6) резцы 2 имеют отрицательный передний угол γ ≤ 30°, который значительно снижает воздействие силы резания на твердосплавную режущую кромку. При неизменном направлении главного движения резания 4 отрицательный передний угол обеспечивает перемещение срезаемой стружки 3 не только по длине, но и по профилю зуба колеса 5. Достигается продолжительный срок службы резцов и высокое качество обработанной поверхности зубьев.

 

 

Рис. 6. Нарезание закалённых криволинейных зубьев

Рис. 6. Нарезание закалённых криволинейных зубьев
 

 

 

Зубонарезание закалённых колёс конических и гипоидных передач твердосплавными резцовыми головками позволяет существенно снизить биение зубчатого венца (норма кинематической точности), отклонение шага (норма плавности работы) и обеспечить полную их взаимозаменяемость. Эту технологию широко применяют в мелко- и среднесерийном производстве, когда имеется возможность использовать для нарезания зубьев незакалённых и закалённых колёс один и тот же зуборезный станок.

 

Зубошлифование — процесс скоростного микрорезания, возникающего в результате воздействия на твёрдые поверхности зубьев колёс инструментов (шлифовальных кругов) с режущими элементами (чаще всего абразивными зёрнами или зёрнами из кубического нитрида бора) с геометрически неопределённой режущей кромкой [4].

 

При зубошлифовании снимают припуск 0,1…0,25 мм на сторону зуба, что позволяет не только устранить все погрешности зубьев, возникшие при предшествующей обработке и ХТО, но и достичь высокой точности (4–6 степени по ГОСТ 1758–81) и снизить шероховатость боковых поверхностей зубьев до Ra 0,4…1,6 мкм. Обеспечивается полная взаимозаменяемость сопряжённых колёс конических и гипоидных передач.

 

Обработку производят чашечно-­цилиндрическими шлифовальными кругами, осевое сечение которых подобно резцам резцовых головок (рис. 7).

 

Рис. 7. Схема шлифования зубьев колеса

Рис. 7. Схема шлифования зубьев колеса

 

 

В результате проведённых исследований и опыта использования процессов составлена таблица 1, в которой приведены сравнительные характеристики методов чистовой обработки термически упрочнённых зубьев (HRC 58–63) конических и гипоидных передач.

 

 

Таблица 1. Сравнительные характеристики методов чистовой обработки

№ п/п Технические 
параметры
Зубопритирка Зубохонингование Зубонарезание Зубошлифование
1 Модуль обрабатываемых колёс, мм ≤ 16 ≤ 16 1 – 13 0,7 – 18
2 Производительность + ++ +/– +
3 Степень точности 
по ГОСТ 1758–81
6 – 8 6 – 7 5 – 7 4 – 6
4 Шероховатость поверхности зубьев, Ra, мкм 1 – 2 0,4 – 1,6 0,6 – 1,6 0,4 – 1,6
5 Необходимость под-
резания основания зуба
- - + +
6 Модификации зубьев - - + +
7 Образование внутренних напряжений сжатии на зубья + +/– + +/–
8 Необходимость подбора в пары - +/– + +
9 Воспроизводимость
процесса
+/– +/– + +
Условные обозначения: ( + ) — положительный результат; ( – ) — отрицательный результат; (+/– ) — возможность положительного или отрицательного результата.

 

 

Выводы

1. Операции зубопритирки и зубохонингования конических и гипоидных передач обеспечивают 6–8 степень точности. Однако в большинстве случаев эти передачи не являются полностью взаимозаменяемыми и требуют дополнительной операции подбора в пары с маркировкой основных параметров зубчатой передачи. Это значительно повышает трудоёмкость изготовления и сборки, особенно при установке требуемого базового расстояния А1 (рис. 5).


2. Зубонарезание резцовыми головками с твердосплавными резцами и зубошлифование позволяют получать полностью взаимозаменяемые конические и гипоидные передач 4–7 степени точности. Поэтому при сборке не требуется регулирования базового расстояния шестерни с помощью ступенчатого компенсатора и установки требуемого бокового зазора. Это значительно повышает качество сборки и снижает её трудоёмкость.

 


Литература

  1.     Klingelnberg Jan. Kegelrader. Springer — Verlag Berlin Heidelberg.Deutschland, 2008. 161 p.
  2.     Калашников А. С. Технология изготовления зубчатых колёс. М.: Машиностроение, 2004. 479 с.
  3.     Шандров Б. В., Моргунов Ю. А., Калашников П. А. Экспериментальные исследования припусков при непрерывном обкатном зубошлифовании. Справочник // Инженерный журнал. 2008. С. 3–7.
  4.     Старков В. К. Шлифование высокопористыми кругами. М.: Машиностроение, 2007. 668 с.

 

 

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 2-2022

 

 

 

Внимание!
Принимаем к размещению новости, статьи
или пресс-релизы с ссылками и изображениями.
ritm@gardesmash.com

 

Реклама наших партнеров