Обработка зубчатых колес

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
«Уральский федеральный университет имени первого
Президента России Б.Н. Ельцина»
Нижнетагильский технологический институт (филиал)
ОБРАБОТКА ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
Составитель
В. Ф. ПЕГАШКИН
Учебное пособие по дисциплине
«Технология производства машин»
для студентов направления
«Конструкторско-технологическое обеспечение
машиностроительного производства»,
Нижний Тагил
2016
1
УДК 621.762
Составитель: В. Ф. Пегашкин
П23 Обработка зубчатых колес: учебн. пособие/ сост. Пегашкин В. Ф.;
М-во образования и науки РФ: ФГАОУ ВО «УрФУ им. первого Президента
России Б.Н. Ельцина», Нижнетагил. технол. ин-т (фил.). – Нижний Тагил:
НТИ (филиал) УрФУ, 2016. – 132 с.
Методическое пособие посвящено рассмотрению технологических
процессов производства зубчатых колес. Содержит технологическую классификацию зубчатых колес, показатели точности, технологической наследственности и требований к материалу и заготовкам для зубчатых колес. Изложены требования к выбору базовых поверхностей. Представлены процессы
механической обработка цилиндрических и конических зубчатых колес, технологические процессы обработки зубчатых колес пластическим деформированием, термическая и химико-термическая обработка зубчатых колес.
Учебное пособие предназначено для студентов механических специальностей.
Библиогр. 2 назв. Рис. 23. Табл. 45, Прил. 6,
 В. Ф. Пегашкин, составление 2016
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС ........ 5
2. ПОКАЗАТЕЛИ ТОЧНОСТИ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС .................................... 6
3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ И ТРЕБОВАНИЯ К
МАТЕРИАЛУ И ЗАГОТОВКАМ ДЛЯ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС.................. 16
4. ВЫБОР БАЗОВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ...................................................... 22
5. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ
КОЛЕС............................................................................................................ 26
5.1. Нарезание пальцевыми и дисковыми модульными фрезами .......... 26
5.2. Нарезание червячными модульными фрезами ................................. 27
5.3. Нарезание цилиндрических зубчатых колес зубодолблением ........ 35
5.4 Методы окончательной обработки зубьев незакаливаемых зубчатых
колес ..................................................................................................... 41
5.4.1. Шевингование ............................................................................... 41
5.4.2. Калибрование зубьев, обкатка ..................................................... 48
5.5 Методы окончательной обработки зубьев закаливаемых зубчатых
колес ..................................................................................................... 51
5.5.1. Технология шлифования .............................................................. 51
5.5.2. Зубохонингование ......................................................................... 52
5.5.3. Обкатка, притирка......................................................................... 56
5.6. Закругление зубьев, формирование фасок, удаление заусенцев .... 58
6. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПРЯМОЗУБЫХ КОНИЧЕСКИХ
КОЛЕС............................................................................................................ 61
6.1. Методы обработки ............................................................................... 61
6.2. Нарезание зубострогальными резцами и двумя дисковыми фрезами
по методу обкатки ............................................................................... 61
6.3. Нарезание двумя дисковыми фрезами по методу обкатки .............. 65
6.4. Нарезание протяжками по методу копирования .............................. 68
6.5. Погрешности конических колес с прямыми зубьями ...................... 69
7. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА КОНИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
С КРУГОВЫМИ ЗУБЬЯМИ ........................................................................ 73
7.1. Методы обработки ............................................................................... 73
7.2. Нарезание резцовыми головками ....................................................... 73
7.3. Подбор пар и притирка конических зубчатых передач ................... 82
7.4. Зубошлифовальные станки для конических колес ........................... 87
3
8. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ОБРАБОТКИ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ ............................................ 88
8.1. Способы накатывания зубьев ............................................................. 88
8.2. Горячее накатывание цилиндрических колес ................................... 89
8.3. Горячее накатывание конических колес с круговыми зубьями ...... 91
8.4. Холодное накатывание зубчатых колес и шлицев ........................... 92
9. ТЕРМИЧЕСКАЯ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС ..................................................................................... 99
9.1. Способы термической и химико-термической обработки .............. 99
9.2. Термообработка до нарезания зубьев .............................................. 103
9.3. Термообработка после нарезания зубьев......................................... 104
9.4. Объемная закалка, улучшение и нормализация зубчатых колес .. 106
9.5. Поверхностная закалка с индукционным нагревом ....................... 108
9.6. Химико-термическая обработка зубчатых колес............................ 110
9.7. Азотирование мало- и средненагруженных зубчатых колес......... 111
9.8. Низкотемпературная нитроцементация и цианирование мало- и
средненагруженных зубчатых колес............................................... 119
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ........................................................... 123
ПРИЛОЖЕНИЕ ............................................................................................... 124
П1. Фрезы дисковые зуборезные ............................................................. 124
П2. Фрезы червячные................................................................................ 125
П3. Долбяки зуборезные........................................................................... 127
П4. Примеры модификации профиля зубьев долбяков ........................ 129
П5. Шеверы зуборезные дисковые .......................................................... 130
П6. Головки зуборезные для конических колес с круговым зацеплением .. 131
4
1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ЗУБЧАТЫХ
КОЛЕС
Проектирование процессов изготовления зубчатых колес основано
на технологической классификации деталей, служащей базой для построения типовых технологических процессов изготовления зубчатых
колес. Под классификацией понимают объединение в группы и классы
деталей, имеющих сходство конструктивной формы, размеров и технологии изготовления.
Типизация технологических процессов предусматривает создание
принципиальных технологических процессов, охватывающих изготовление
всех зубчатых колес данного класса и служащих основой для построения оптимального технологического процесса изготовления зубчатых колес в определенных производственных условиях.
Основными факторами, определяющими типовой технологический
процесс изготовления зубчатого колеса, являются: конструктивные размеры
и форма детали, способ получения заготовок, точность изготовления и программа выпуска.
Рис. 1. Примеры зубчатых колес по технологической классификации:
а - класс дисков; б - класс валов
Все виды зубчатых колес в зависимости от их конструктивной формы,
значения баз и порядка обработки могут быть отнесены к двум классам деталей: дисков и валов. В состав класса дисков входят все детали вращения,
имеющие сквозное отверстие по основной оси симметрии, а в класс валов
5
входят все детали с поверхностями вращения без сквозного отверстия по основной оси симметрии с отношением длинны к диаметру от 2 до 20. На рисунке 1 показаны примеры зубчатых колес классов дисков и валов по технологической классификации, предложенной профессором Ф.С. Демьянюком.
В пределах каждого класса детали распределены по размерным группам и типам, к которым принадлежат зубчатые колеса. Зубчатые колеса одного типа имеют принципиально общий технологический процесс изготовления. Таким образом, зубчатые колеса по своей конфигурации и размерным
соотношениям не представляют самостоятельной технологической группы,
общим для них технологическим признаком является назначение зубчатого
венца. Поэтому технологические процессы механической обработки заготовок до нарезания зубьев ничем не отличаются от обработки деталей типа тел
вращения, равно как и все конструктивно-технологические требования,
предъявляемые к детали с зубчатыми венцами.
К зубчатым колесам предъявляется комплекс конструктивнотехнологических и производственных требований, которые связаны со служебным назначением зубчатых колес и с необходимостью приведения этих
требований в соответствие с технологическими возможностями и спецификой производства завода- изготовителя. Требования, связанные непосредственно с технологией изготовления зубчатых колес направлены на снижение трудоемкости и себестоимости, применение прогрессивных способов обработки и повышения качества и представляют основную группу требований,
выдвигаемых производством и рассматриваемых при технологической обработке чертежей.
2. ПОКАЗАТЕЛИ ТОЧНОСТИ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
Допуски для цилиндрических зубчатых передач модулем m ≥ 1 мм
определяются ГОСТ 1643-81, а для мелкомодульных зубчатых передач модулем m < 1 мм – ГОСТ 9178-81. Допуски для конических зубчатых передач
средних модулей и мелкомодульных определяются соответственно ГОСТ
1758-81 и ГОСТ 9368-81. Допуски для цилиндрических червячных передач
указанных модулей определяются соответственно ГОСТ 3775-81 и ГОСТ
9774-81.
Допуски на изготовление цилиндрических зубчатых передач по ГОСТ
1643-81 распространяются на эвольвентные цилиндрические передачи внеш6
него и внутреннего зацепления с делительным диаметром до 6300 мм, шириной венца не свыше 1250 мм, модулем от 1 до 56 мм. Установлены 12 степеней точности зубчатых колес и передач, причем степени 1 и 2 допусками не
регламентируются.
Для каждой степени определенны нормы кинематической точности,
плавности работы и контакта зубьев. Их можно комбинировать с учетом
предусмотренных стандартом правил. Так, нормы плавности работы могут
быть не более чем на две степени точнее или на одну степень грубее норм
кинематической точности; Нормы контакта зубьев могут назначаться любой
степени, более точной, чем нормы плавности работы.
Во избежание заклинивания зубьев в зацеплении должен быть определен гарантированный боковой зазор, регламентируемый одним из шести видов сопряжений (Н – нулевой, F – весьма малый, D – малый, C – уменьшенный, В – нормальный, А – увеличенный зазоры).
Кроме вида сопряжения выбирают допуск на боковой зазор из
предусмотренных стандартами и обозначаемых в порядке возрастания
его величины буквами h, d, c, b, a, z, y, x.
Обычно сопряжениям H и F соответствует допуск на боковой зазор h, a D, C, B, A – d, c, b, a. Однако можно изменять виды допуска, используя при этом z, y, x.
Назначение показателей точности цилиндрических зубчатых колес
следует производить по табл. 2.1.
Наиболее характерные для общего машиностроения виды контроля и точности цилиндрических зубчатых колес приведены в табл.
2.2.
Допуски на изготовление конических и гипоидных зубчатых передач определенны ГОСТ 1758-81. В нем установлены двенадцать степеней точности зубчатых колес и зубчатых конических передач, обозначаемых в порядке убывания точности, причем для степеней точности 1, 2,
3 допуски не регламентированы.
7
Таблица 2.1
Зависимость показателей точности цилиндрических зубчатых колес
от степени точности (по ГОСТ 1643-81)
Комплекс и показатели точности
Обозначения
Степень точности
По нормам кинематической точности
Наибольшая кинематическая погрешность зубFir/
3…8
чатого колеса
Накопленная погрешность шага зубчатого колеса
Накопленная погрешность k шагов
Погрешность обката
Радиальное биение зубчатого венца
F pkr
Колебание длинны общей нормали
Радиальное биение зубчатого венца
FWr
Колебание длинны общей нормали
Колебание измерительного межосевого расстояния за оборот колеса
FWr
F pr
Fcr
Frr
Frr
Накопленная погрешность шага зубчатого колеса
Колебание измерительного межосевого расстояния за оборот колеса
Радиальное биение зубчатого венца
3…6
3…8
3…8
5…8
//
ir
F
F pr
7…8
Fir//
9…12
Frr
9…12
По нормам плавности
Местная кинематическая погрешность
f ir/
Циклическая погрешность зубцовой частоты
f zzr
3…8
Отклонение шага зацепления
Погрешность профиля зуба
f pbr
3…8
Отклонение шага зацепления
Отклонение шага
f pbr
f fr
f ptr
3…8
3…8
Колебание измерительного межосевого расстояния на одном зубе
Отклонение шага зацепления
f ir//
5…12
f pbr
9…12
Отклонение шага
f ptr
9…12
По нормам контакта зубьев
Погрешность направления зуба
Fr
3…12
Суммарная погрешность контактной линии колеса
Суммарное пятно контакта передачи
Fkr
3…12
3…11
8
По нормам бокового зазора
Гарантированный боковой зазор
j
Все виды сопряжений
n ,min
Наименьшее дополнительное смещение исходного контура и допуск
Наименьшее отклонение средней длинны общей нормали и допуск
Наименьшее отклонение длинны общей нормали и допуск
Наименьшее отклонение толщины зуба и допуск
Предельное отклонение измерительного межосевого расстояния
Наименьшее отклонение размера по роликам и
допуск
Отклонение межосевого расстояния
E Hs , TH
То же
EWms , TWm
»
EWs , TW
»
Ecs , Tc
»
Ea ''s , Ea ''i ,
»
EMs , TM
»
f ar
»
Таблица 2.2.
Комплексы контроля цилиндрических зубчатых колес
Область применения
Редукторы, станки, автомоТракторы, сельхозмашины
били
Нормы
Степени точности
5…6
6…8
6…9
9…11
//
Кинематической точноFir
Fir// FWr
Fir/
сти
Плавности работы
f pbr , f fr
f ir//
Контакта зубьев
Fr
Пятно
Бокового зазора
Ea ''s , Ea ''i ,
EWms ,
9
Таблица 2.3
Степень
точности по
ГОСТ 164381
6
7
8
9
Степени точности цилиндрических зубчатых передач
Окружные скорости колес, м/с, не более
ШероховаОбласть применения
тость, мкм
ПрямозуКосозубых
бых
Ra = 1,25
20
35
Высокоточные
передачи:
зубчатые колеса, предназначенные для передачи с согласованностью
вращения
или работающих при повышенных скоростях и больших нагрузках плавно и
бесшумно; колеса делительных механизмов, скоростных
редукторов, отечественные
колеса авиа-, авто- и станкостроения
Ra = 2,5
15
25
Точные передачи: зубчатые
колеса, работающие при повышенных скоростях и умеренных нагрузках; колеса
подачи в станках и редукторах нормального ряда авиа- и
автостроения
Rz = 20
6
10
Передачи средней точности:
зубчатые колеса общего машиностроения; колеса станков не входящие в делительные цепи; неответственные
зубчатые колеса авиа-, трактор- и автостроения; колеса
грузоподъемных
механизмов; ответственные зубчатые
колеса
сельскохозяйственных машин
Rz = 40
2
1,5
Передачи пониженной точности: зубчатые колеса,
предназначенные для грубой
работы; ненагруженные передачи, выполненные по
конструктивным соображениям большими, чем полученные из расчета
Примечания. 1. Для прямозубых цилиндрических колес 6-й степени точности при окружных скоростях свыше 10 м/с, 7-й степени – более 6 м/с и 8-й степени – свыше 4 м/с рекомендуется
применять модифицированный профиль. 2. Для косозубых цилиндрических колес 6-й и 7-й степени точности при окружных скоростях свыше 10 м/с и 8-й степени – более 6 м/с рекомендуется
применять модифицированный профиль.
10
Таблица 2.4
Точность цилиндрических зубчатых передач
Степень точности по ГОСТ 1643-81
Применение зубчатых
Разновидности зубв тракторостроепередач
чатых передач
в автостроении
нии
Коробки передач
Высшие и средние
8–7–7
9
Низшие и заднего
9–8–7
9
хода
Планетарные передачи С внешними зубьями
8–7–6
10 – 9 – 9
С
внутренними
8–7–6
11 – 11 – 10
зубьями
Бортовые редукторы
9
11 – 11 – 10
Коробки отбора мощно9–8–7
9
сти
Механизм газораспре- Незакаленные
8–7–7
9–7–8
деления
Закаленные
10 – 8 – 7
9
Для каждой степени точности зубчатых колес и передач предусмотрены нормы кинематической точности, плавности работы и контакта зубьев
зубчатых колес в передаче. Допускается комбинирование этих норм. Причем
нормы плавности работы зубчатых колес и передач могут быть не более чем
на одну или две степени точности грубее норм кинематической точности,
нормы контакта зубьев не могут выбираться по степени точности более грубыми, чем нормы плавности.
Для зубчатых колес с m ≥ 1 мм определены шесть видов сопряжения
зубчатых колес в передаче, обозначаемых в порядке убывания величины гарантированного бокового зазора буквами A, B, C, D, E, H; для колес с m < 1
мм – пять видов сопряжения – D, E, F, C, H. Соответственно предусмотрены
пять видов допусков на боковой зазор, обусловленных биением зубчатого
венца, для колес с m ≥ 1 мм – a, b, c, d, h и четыре вида для колес с m < 1 мм –
e, f, g, h. Для пластмассовых зубчатых колес с m < 1 мм, учитывая их значительные термические деформации при изменении температуры, рекомендуется расширение диапазона видов сопряжений С, В и А (табл. 2.5).
11
Таблица 2.5
Соответствие видов сопряжения, видов допусков на боковой зазор, классов
отклонений межосевого расстояния и степеней точности по нормам плавности
Вид сопряжения
m, мм
A
B
C
D
E
F
G
H
Вид допуска
a
b
c
d
h
h
Класс отклонений межосевого расстояния
m≥1
VI
V
IV
III
II
II
Степень точности по нормам плавности
3 – 12
3 – 11
3–9
3–8
3–7
3–7
Вид допуска
a
b
c
d
e
f
g
h
m<1
Класс отклонений межосевого расстояния
VI
V
IV
III
II
Степень точности по нормам плавности
m от 0,1 до
0,5
3 – 12
3 – 12
3 – 11
3 – 10
3 – 10
3 – 10
3–8
3–7
m св. 0,5 до
3 – 12
3 – 12
3 – 12
3 – 12
3 – 12
3 – 10
3–8
3–7
< 1,0
Примечания. 1. Для зубчатых колес с модулем m ≤ 0,3 мм необходимо производить проверку коэффициента покрытия εα. 2. Выделены жирным шрифтом дополнительные виды допуска и
степени точности по нормам плавности, предлагаемые в качестве рекомендуемых для пластмассовых зубчатых колес m < 1 мм.
Таблица 2.6
Гарантированный боковой зазор jmin для зубчатых колес m < 1 мм.
Вид сопряМежосевое расстояние, мм
жения
До 12 Св. 12 Св. 20 Св. 32 Св. 50 Св. 80 Св. 125 Св. 180 Св. 250 Св. 315
до 20 до 32 до 50 до 80 до 125 до 180 до 250 до 315 до 400
H
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
G
6
8
9
11
13
15
18
20
23
25
F
10
11
13
16
19
22
25
29
32
36
E
16
18
21
25
30
35
40
46
52
57
D
22
27
33
39
46
54
63
70
81
89
C
36
42
52
63
74
87
100
115
130
140
B
60
70
86
103
120
140
160
185
210
230
A
90
114
138
164
190
220
250
290
320
360
Примечание. Значения гарантированного бокового зазора, выделенные жирным шрифтом,
- рекомендуемое дополнение к ГОСТ 9178-81, предлагаемое авторами для пластмассовых зубчатых колес m < 1 мм.
12
Таблица 2.7
Наименьшее дополнительное смещение исходного контура Енs, для пластмассовых
зубчатых колес m < 1 мм, сопряжения видов С, В и А
(рекомендуемое дополнение к ГОСТ 9178-81)
Делительный диаметр d, мм
Вид сопряСтепень
Св. 12 до Св. 20 до Св. 32 до Св. 50 до
жения
точности
До 12
20
32
50
80
3–6
30
43
52
62
74
С
7
40
50
60
70
80
8
40
50
60
70
90
3–6
50
70
85
100
120
7
70
80
90
110
140
В
8
70
80
100
120
140
9
75
90
110
130
160
10
80
100
120
140
160
3-6
80
110
130
160
190
7
100
120
140
170
200
8
110
130
150
190
220
А
9
120
150
170
210
250
10
130
160
180
220
280
11
130
160
180
220
280
12
150
180
210
260
300
В таблице приведены показатели точности конических зубчатых передач, в табл. 2.8 – 2.10 даны рекомендации по их определению, в таблице
представлены сведения о точности конических зубчатых передач в авто- и
тракторостроении.
Таблица 2.8
Зависимость показателей точности конических зубчатых колес и передач от степени
точности (по ГОСТ 1758-81)
Объект
Показатель точности и комплекс
Обозначения Степень
точности
По нормам кинематической точности
ШестерНакопленная погрешность шага зубчатого колеса
F pr
4…6
ня и ко- Накопленная погрешность k шагов
F pkr
лесо
Биение зубчатого венца
Frr
4…8
Погрешность обката
Fcr
Наибольшая кинематическая погрешность зубчатого
Fir/
4…8
колеса
Накопленная погрешность шага зубчатого колеса
F pr
7…8
Биение зубчатого венца
9…12
Frr
Зубчатая
пара
Колебание измерительного межосевого угла пары за
полный цикл
13
Fi//0r
5…8
Погрешность обката
Fcr
Колебание:
Измерительного межосевого угла пары за полный
цикл
Относительного положения зубчатых колес пары по
нормали за полный цикл
Измерительного межосевого угла измерительной пары
за оборот
Относительного положения зубчатых колес измерительной пары по нормали за оборот
Зубчатая
передача
Зубчатая
передача
Шестерня и колесо
Зубчатая
пара
Наибольшая кинематическая погрешность передачи
Fi//0r
Fin//0r
Fi//r
9…12
9…12
9…12
9…12
//
inr
F
/
Fi 0r
4…8
Колебание бокового зазора в передаче
Погрешность обката
Fjr
Колебание бокового зазора в передаче
Fjr
9…12
По нормам плавности
Циклическая погрешность
f zkr
4…8
Отклонение шага
f ptr
4…8
Погрешность обката зубцовой частоты
f cr
4…8
Отклонение шага
f ptr
9…12
f i//0r
9…12
9…12
Колебание:
Измерительного межосевого угла пары на одном зубе
Относительного положения зубчатых колес пары по
нормали на одном зубе
Измерительного межосевого угла измерительной пары
на одном зубе
Относительного положения зубчатых колес измерительной пары по нормали на одном зубе
5…8
Fcr
f in//0r
9…12
f i//r
9…12
f inr//
Зубчатая
передача
Зубчатая
пара
Зубчатая
передача
Циклическая погрешность зубцовой частоты в передаче
Осевое смещение зубчатого венца
Отклонение шага
f zz 0 r
f ptr
7…8
Осевое смещение зубчатого венца
f AMr
9…12
/
; Fslr/
Fshr
4…12
Fshr ; Fslr
4…12
f ar
4…12
Зона касания
-
По нормам контакта
Отклонения относительных размеров суммарной зоны
касания
Отклонения относительных размеров суммарного пятна контакта
Отклонения межосевого расстояния
Комплектование на контрольно-обкатном станке
По нормам бокового зазора
14
4…8
f Amr
Зубчатая
передача
Гарантированный боковой зазор
jn ,min
Отклонение межосевого узла
E
ШестерНаименьшее отклонение средней постоянной хорды
ня и ко- зубьев
лесо
Escs
Все виды
сопряжений
Все виды
сопряжений
Таблица 2.9
Степени точности конических зубчатых передач
Окружные скорости коПараметры
Степень
лес, м/с, не более
шероховатости
точности
боковых поОбласть применения
с кругопо ГОСТ
прямозуверхностей
выми
1758-81
бых
зубьев, мкм
зубьями
Высокоточные передачи: зубчатые колеса, предназначенные для
передач с согласованностью
7
Ra = 1,25
20
80
вращения или плавно и бесшумно работающие при повышенных
скоростях и больших нагрузках
Точные передачи: зубчатые колеса, работающие при повышен8
Ra = 2,5
15
40
ных скоростях и больших
нагрузках, а также используемые
в автомобилях и тракторах
Передачи средней точности:
зубчатые колеса общего машино9…10
Rz = 20
6
15
строения, тракторов, самоходных
сельскохозяйственных машин
Передачи пониженной точности:
зубчатые колеса сельскохозяй11…12
Rz = 40
1,5
3
ственных машин и неответственных механизмов
Таблица 2.10
Точность конических зубчатых передач (по ГОСТ 1758-81)
Степень точности
Применение зубчаТип передачи
в автомобилестроетых передач
в тракторостроении
нии
С круговыми
Главные передачи
8–7–7
10 – 9 – 9
зубьями
С прямыми зубьяДифференциалы
10 – 8 – 7
12 – 11 – 11
ми
15
3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ И
ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛУ И ЗАГОТОВКАМ ДЛЯ ЗУБЧАТЫХ
КОЛЕС
Одной из актуальнейших проблем зубчатых передач является создание
основ управления качеством зубчатых колес, обеспечение их надежности и
долговечности. Решение этой задачи основано на тщательном изучении и использовании взаимосвязи конструкторских и технологических факторов с
эксплуатационными показателями зубчатых колес и передач. Особое внимание должно быть уделено управлению технологическими процессами изготовления зубчатых колес, обеспечению заданных показателей точности сопряжения и приданию рабочим поверхностям зубьев необходимых физикомеханических свойств. Важно отметить, что вопросы формирования технологического процесса, а комплексно для всего технологического процесса в
целом с учетом проявления технологической надежности на всех этапах производства и в эксплуатации зубчатых передач.
Под технологической наследственностью следует понимать явление
изменения эксплуатационных показателей зубчатых колес под влиянием технологии изготовления, когда отдельные характеристики и свойства обрабатываемой заготовки переходят от одной операции к другой, и конечные показатели качества зубчатого колеса оказываются наследственными от предыдущих операций. К таким показателям качества относятся: структурная
наследственность, направление волокон в заготовке, микроструктура, внутренние напряжение, шероховатость поверхностей зубьев, дефекты зубошлифования – прижоги, микротрещины и др.
Зубчатые колеса должны обладать достаточно высокой прочностью,
поверхностью твердостью и износостойкостью, обеспечивающими надежную
работу зубчатой передачи при наименьших ее габаритах и массе. Поэтому
зубчатые колеса изготовляются преимущественно из углеродистых и легированных сталей с термической или химико-термической их обработкой.
Материал заготовки предопределяет многие выходные параметры качества зубчатого колеса, которые остаются на всех операциях и переходят на
готовую деталь. Поэтому при выборе материала для зубчатых колес ответственного назначение учитывают не только химически состав и механические свойства стали, но принимают еще во внимание прокаливаемость,
наследственную величину зерна, селектирование по содержанию углерода,
16
обрабатываемость режущими инструментами, склонность к деформации при
термической обработке и другие металлургические факторы, связанные с
проявлением технологической наследственности.
Химический состав стали обуславливается ее твердость, прокаливаемость, размеры зерен, склонность к деформации при термической обработке,
усталостную и контактную прочность. Ударная вязкость стали повышается
при введении никеля, молибдена, ванадия, кремния и снижается при добавлении хрома и марганца. Легирование стали хромом и марганцем обеспечивает высокую твердость и прочность, титаном и цирконием – уменьшает
склонность к росту зерна при перегреве. Молибден, бор и ванадий повышают
прокаливаемость стали, кремний – прочность и упругость, никель и марганец
– содержание остаточного аустенита в цементованном и нитроцементованном слое.
Обрабатываемость стали зависит от ее химического состава и механических свойств. Чем она тверже, тем хуже обрабатывается. При введении
большинства легирующих элементов обрабатываемость стали ухудшается,
исключение составляет свинец. Стали с малым содержанием углерода имеют
повышенную вязкость и поэтому хуже обрабатываются (вследствие значительной шероховатости поверхности).
Кроме того, обращают внимание на особенности производства стали,
так как в зависимости от способа производства при одном и том же химическом составе сталь обладает различными физико–механическими свойствами. Стали, полученные вакуумированием, рафинированием синтетическом
шлаком и электрошлаковым переплавом отличаются более высокими прочностными свойствами вдоль и поперек прокатки, так как не загрязнены шлаками и газовыми включениями. При электрошлаковом переплаве вредное содержание серы понижается на одну треть, окислы переходят в шлак, а ценные легирующие добавки не выгорают.
Плавочные характеристики стали и качество применяемых заготовок
(штамповок) для изготовления зубчатых колес оказывают существенное влияние на обрабатываемость режущими инструментами и деформации зубчатого венца на всех стадиях термической и химико-термической обработки.
Чтобы отклонения профиля зубьев и другие допуски при деформации зубчатого венца изменялись стабильно и не выходили за пределы допустимых погрешностей, применяют стали определенной прокаливаемости и наследственно малозернистые. На прокаливаемость стали наибольшее влияние ока17
зывает химический состав, величина наследственного зерна, условия нагрева
и охлаждения. В связи с этим в технических условиях оговаривают поставку
стали по зернистости и строго регламентированной прокаливаемости. Очень
важно также применение сталей с более узкими пределами содержания углерода и легирующих элементов. Так как сталь при одном и том же химическом составе имеет различную прокаливаемость, каждую плавку испытывают на прокаливаемость.
При выборе стали для шлифуемых зубчатых колес учитывают теплостойкость стали: чем она ниже, тем сталь более склонна к образованию шлифовочных прижогов и трещин. О склонности стали к дефектам при шлифовании можно судить по ее температуре отпуска, которая должна быть повышенной (более 200°С). Следует также учитывать, что в легированных сталях
склонность к трещинообразованию при зубошлифовании особенно увеличивается с увеличением содержанием хрома.
В ответственных случаях для обеспечения требуемого качества поверхностей зубьев, подвергаемых шлифованию после химико-термической
обработки, производится отбор плавок по результатом дилаторметрического
контроля.
В табл. 3.1 даны характеристики марок сталей, используемых при производстве зубчатых колес.
Способ получения заготовок зубчатых колес оказывает большое влияние на служебные свойства последних, технологию их изготовления и расход
металла.
При изготовлении малонагруженных зубчатых колес диаметром до 5060 мм штучные заготовки экономично отрезать от калиброванного прута; при
больших размерах изготовление заготовок из прутка становится неэкономичным из-за увеличения отходов металла и стоимости изготовления. В этом
случае образование формы зубчатого колеса – высадка диафрагмы и ступицы, прошивка отверстия – производится горячей механической обработкой –
штамповкой или свободной ковкой.
18
Таблица 3.1
Стали для изготовления зубчатых колес.
Марки
45, 40Х, 35Хм,
35ХГС, 45ХНМ,
38ХС
Термообработка
Объемная балка
Особенности сталей
Повышенная чувствительность к
концентратам
напряжений, склонность к образованию
закалочных трещин
Применение
Слабо – и средненагруженные передачи
в мелкосерийном и
серийном производстве
40, 45, 50, 50Г, 40ХН,
38ХС, 40ХН2МА,
50ПП
Закалка токами
высокой частоты
Слабо – и средненагруженные передачи
в серийном и массовом производстве
20, 25ХГТ, 25ХГМ,
12ХНЗА, 20ХНЗА,
20ХГНР, 20ХГР, 20Х,
18ХГТ, 20ХГТ
Нитроцементация, закалка
15Х, 20Х, 12ХНЗА,
15ХФ, 12ХН2,
20ХНЗА, 20ХН,
25ХГМ, 18ХГТ,
30ХГР, 20ХГТ,
20ХГР, 20ХГНР,
20ХГСА, 18ХНВА
12Х2Н4А, 20Х2Н4А,
18Х2Н4МА
Цементация с последующей закалкой
Небольшие деформации при термообработке, повышенная чувствительность к концентратам напряжений
Высокая износостойкость и поверхностная твердость,
небольшие деформации при термообработке, хрупкость
Высокая несущая
способность, средние деформации при
термической обработке
Небольшая несущая
способность зубьев,
склонность к образованию трещин
38Х2МЮА,
Азотирование
Высокая поверх38Х2МЮА, 38Х2Ю,
ностная твердость
40ХФА
при незначительных
деформациях
25ХНТЦ,
Нитроцементация, Экономнолегирован25ХГСНТ,18ХНМФА, цементация с заные стали с высокой
25ХНГМЮА,
калкой
контактной долго25ХГНМТ,
вечностью и более
14ХГСН2МА,
низкой стоимостью
15ХГНТРА,
25ХГМФБ
АЦ45, АЦ50Х, АЦ5Х, Объемная закалка Улучшенная обрабаАЦ25ХГТ
тываемость
Тяжелонагруженные
ответственные передачи в массовом
производстве
Слабо – и средненагруженные передачи, работающие без
перегрузок
Тяжелонагруженные
нешлифуемые передачи в массовом
производстве
Цементация с последующей закалкой
19
Средненагруженные
нешлифуемые передачи в массовом
производстве
Тяжелонагруженные
нешлифуемые передачи в массовом
производстве
Средне – и тяжелонагруженные передачи в массовом
производстве
Заготовки, получаемые свободной ковкой на молотах и ковочных прессах, отличаются низким качеством, так как из-за больших колебаний размеров, значительной глубины дефектного слоя и несоответствия конфигурации
заготовки форме готовой детали необходимо устанавливать большие припуски, что приводит к значительным их колебаниям, потерям металла и
удоражанию механической обработки. Получение заготовки свободной ковкой в некоторой степени решает задачу правильного ориентирования волокон по отношению к зубу, однако может быть использовано только при единичном или мелкосерийном производстве зубчатых колес.
Получение штучных заготовок штамповкой выполняется в зависимости
от размеров, конфигурации и требуемого количества зубчатых колес в подкладных открытых и закрытых штампах, на ковочных молотах и прессах,
кривошипных прессах и горизонтально-ковочных машинах. Лучшие результаты по производительности и качеству штамповок дают штамповочные
прессы, работающие без перекосов и обеспечивающие одинаковые размеры и
формы всех изготовляемых в партии заготовок. Технологические факторы,
возникающие в процессе выполнения кузнечно-штамповочных операций,
проходят в дальнейшем через все последующие основные операции механической термической и химико-термической обработки и оказывают влияние
на усталостную прочность зубчатых колес и их износостойкости.
Температурный интервал штамповки заготовок и степень обжатия материала закладывают определенные эксплуатационные качества будущего
готового зубчатого колеса. Если при этом создана неблагоприятная структура и неправильно сориентированы волокна относительно зуба, то, как бы ни
были обработаны зубы, они будут иметь низкие физико-механические свойства, следовательно, малую долговечность и надежность.
Неравномерная уковка влечет за собой неодинаковую плотность металла в заготовке, что в сильной степени влияет на обрабатываемость режущими инструментами и неоднородность наклепа металла при резании, вследствие чего возникают значительные деформации венца при термической обработке. Плотные, достаточно прокованные заготовки обеспечивают более
высокую точность и класс чистоты при механической обработке, значительно уменьшают коробление при термической обработке, что позволяет снизить припуски на зубошлифование или перейти на менее трудоемкие процессы чистовой отделки зубьев - зубошевингование, зубохонингование.
20
Направление волокон металла и текстура (преимущественная ориентировка зерен металла), формируемые во время изготовления заготовок, сильно
влияют на изгибную и контактную прочность зубьев. Наиболее благоприятное расположение волокон по контуру зуба характерно для штампованных и
накатанных зубьев. Наиболее благоприятное расположение волокон следует
считать наилучшим, так как рабочие нагрузки изгибают волокно, а не открывают волокна одно от другого. Недопустимо расположение волокон, совпадающее с направлением наибольших касательных напряжений – под углом
40-45° с нормалью к профилю зуба. Во избежание анизотропии механических свойств зуба и неравномерных деформаций зубьев при термической обработке расположение волокон по обеим сторонам всех зубьев должно быть
идентичным.
Чтобы достичь одинакового пятна контакта на партии зубчатых колес,
подвергаемых термической или химико-термической обработке, необходимо
на всех изготовляемых колесах соблюсти одинаковое расположение волокон.
Важным условием получения качественных заготовок заданной конфигурации с надлежащим расположением волокон и одинаковой плотностью
металла является правильное определение размеров исходной заготовки
(болванки). Использование исходных заготовок меньших размеров – недомерок – приводят к низкой обрабатываемости режущими инструментами и неравномерной деформации зубчатых колес вследствие неодинакового обжатия
металла и различной плотности.
Заготовки зубчатых колес штампуются осадкой круглой болванки в торец. Во избежание изгиба болванки и неправильного расположения волокон
отношение длины исходной заготовки к ее диаметру при штамповке в один
прием должно находиться в пределах 2-2,5, но не более 3. Если отношение
длины болванки к ее диаметру больше 3, высадка заготовки в один прием
производится в штампе, диаметр которого в полтора раза больше диаметра
исходной заготовки.
Штамповки перед механической обработкой подвергают термической
обработке для исправления структуры и придания стали хорошей обрабатываемости режущими инструментами. Технология термической обработки
штампованных заготовок в каждом отдельном случае разрабатывается с учетом технических условий на подготовку структуры к механической обработке при установленных режимах резания и соответствующих геометрии и качестве режущего инструмента. Обрабатываемый материал и его структура
21
оказывают существенное влияние не только на производительность зубонарезания, расход дорогостоящих режущих инструментов и шероховатость обработанной поверхности, но и на интенсивность наклепа при механической
обработке, вызывающего при окончательной термической обработке, вызывающего при окончательной термической обработке значительные деформации зубчатого венца. Твердость штамповок должна быть в пределах НВ 229179 (диаметр отпечатка 4,0-4,5мм).
Технические условия на штамповки и поковки назначают по отраслевым стандартам в зависимости от выбранной группы контроля и категории
прочности заготовки.
4. ВЫБОР БАЗОВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Важнейший этап разработки принципиальной схемы технологического
процесса - выбор базовых поверхностей.
По назначению базы подразделяются на конструкторские, технологические и измерительные.
Конструкторские базы определяют положение зубчатого колеса в собранном узле. Технологические базы определяют положение заготовки зубчатого колеса в процессе изготовления. Измерительные базы служат для ориентации зубчатого колеса относительно средств измерений.
В механической обработке с каждой последующей операцией повышается точность формы, размеров и взаиморасположения поверхностей детали.
Таким образом, между черновыми и чистовыми операциями имеется
ряд промежуточных, постепенно изменяющих форму детали. Следует стремиться к тому, чтобы для всех этих операций использовать те же базы, что и
для финишных, однако практически это не всегда возможно. В связи с этим
приходится изыскивать промежуточные базы.
Нужно иметь в виду, что смена баз всегда приводит к изменению взаимного расположения поверхностей, обработанных от различных баз. Поэтому надо изыскивать такие поверхности для промежуточных баз, которые
можно было бы использовать если не для всех промежуточных операций, то
хотя бы для большинства из них.
На операциях рекомендуется совмещать технологические базы с конструкторскими посадочными поверхностями. Однако полное совмещение
этих баз на всех операциях практически невозможно. При силах резания,
22
возникающих в процессе нарезания и шевингования зубьев, в качестве опорной технологической базы целесообразно использовать один из торцов зубчатого венца, обработанный совместно с основными посадочными поверхностями.
При обработке зубьев шевингованием технологические базы должны
совпадать с базами, использовавшимися при чистовом нарезании зубьев. Это
обеспечивает наивысшую точность шевингованных зубьев.
При изготовлении насадных зубчатых колес с цилиндрическим гладким или шлицевым отверстием в качестве технологических баз при зубообработке используются посадочное отверстие и опорный торец. Благодаря
симметричности формы таких зубчатых колес выбор базового опорного торца для зубообработки в данном случае не имеет принципиального значения.
При изготовлении насадочных зубчатых колес со шлицевым отверстием в качестве центрирующей технологической базы рекомендуется принимать внутренний диаметр независимо от системы центрирования соединения
в механизме. Это позволит сохранить единство технологических баз на протяжении всей обработки детали. Для наружного центрирования шлицевого
соединения это требует применения комбинированных протяжек с одновременной обработкой внутреннего и наружного диаметров шлицевого отверстия.
Если узкие зубчатые колеса устанавливаются на зубообрабатывающих
станках пакетом, оба торца, используемые в качестве опорной технологической базы, должны быть параллельными между собой.
При изготовлении зубчатых колес с шейками в качестве центрирующей
технологической базы при зубонарезании рекомендуется использовать одну
из посадочных шеек, а опорной базы - торец зубчатого венца.
Опорной технологической базой при зубообработке многовенцовых
зубчатых колес обычно служит тот торец зубчатого венца, который обеспечивает возможность установки детали при обработке зубьев всех венцов.
Если в детали имеются отверстия разного диаметра, в качестве центрирующей технологической базы при нарезании и шевинговании зубьев рекомендуется использовать отверстие меньшего диаметра.
Технологические базы при термической обработке зубчатых колес
необходимо выбирать так, чтобы изменение положения зубчатого венца относительно оси посадочных поверхностей было минимальным.
23
При зубоотделочных операциях установочными базовыми поверхностями служат центровые фаски, шейки валов, посадочные отверстия насадных колес, шейки ступиц. После термической обработки технологические базы подвергаются специальной отделке или восстановлению.
В процессе восстановления технологических баз после термической
обработки зубчатые венцы должны быть снова правильно сориентированы
по отношению к этим базам.
Технологические базы и опорные поверхности должны обрабатываться
за одну установку. Раздельная их обработка приводит к возникновению дополнительных погрешностей.
При отделке посадочного отверстия после закалки зубчатого колеса в
качестве опорного следует использовать тот торец, который служит технологической базой при предшествующей обработке.
Торец венца или диска, используемый как опорная технологическая база при зубошлифовании закаленных колес, шлифуют после термической обработки только до устранения черноты на площадках, равномерно расположенных по окружности. Поэтому на обработку этих поверхностей специальных припусков не оставляют. Последующую их обработку производят в пределах разности допусков на ширину зубчатого венца или толщину диска.
Наиболее точным методом восстановления взаимного положения установочных баз и зубчатого венца при шлифовании базовых поверхностей является базирование колеса по делительной окружности венца.
При шлифовании посадочных отверстий в конических зубчатых колесах применяется центрирование по трем стальным закаленным шарикам, помещенным между зубьями.
Исправленные фаски должны прилегать к центрам не менее чем на 70%
своей поверхности без разрыва по окружности.
При назначении норм точности на базовые поверхности заготовок зубчатых колес cледует исходить из того, что суммарная погрешность их базирования не должна пре: 50...60 % соответствующей погрешности зубчатого
колеса. В табл. 4.1 приведены рекомендуемые посадки цилиндрических зубчатых колес в зависимости от степени кинематической точности зубчатого
венца, в табл. 4.2 - допускаемые значения торцевого биения базовых поверхностей с учетом допускаемой погрешности направления зубьев. Исходя из
специфических требований к изготовлению зубчатых колес в каждом конкретном случае должны быть рассчитаны соотношения соответствующих по24
казателей точности зубчатого венца и базовых поверхностей, определяющих
положение заготовки.
Таблица 4.1
Рекомендуемые нормы точности базовых поверхностей заготовок зубчатых колес
Наружный
Ширина
Допуск базоПогрешность
Неперпендикулярность
диаметр заго- зубчатого
вого отверформы базового базового торца к базовотовки, мм
венца, мм
стия, мкм
отверстия, мкм
му отверстию, мкм
До 25
8. ..15
5. ..8
8.. .13
До 25 Св. 25
«
13. ..25
5.. .13
10.. .20
до 100 «100 «
«
20. ..30
5.. .15
15. ..30
200 «200 « 300
«
25. ..38
5.. .18
25.. .50
Таблица 4.2
Соотношение точности базирования и допускаемого радиального биения для цилиндрических зубчатых колес
Степень
кинеДопуск на радиальное
Наибольшее значение радиального биематиМоРекоменбиение зубчатого венца,,
ния, мкм, за счет зазоров в системе посаческой дуль,
дуемая
мкм, при делительном
док отверстие-оправка при диаметре посаточномм
посадка
диаметре
дочного отверстия, мм
сти по
ГОСТ
1643-81
До Св. 125 Св. 400
Св. 10 Св. 18 Св. 30 Св. 50 Св. 80
125 до 400 до 800
до 18 до 30 до 50 до 80 до 120
1...3.5
25
36
45
6
3,5. ..6,3 28
40
50
H5/h5
16
18
22
26
30
6,3. ..10 32
45
56
1...3.5
36
50
63
7
3,5. ..6,3 40
56
71
H6/h5
19
22
27
31
37
6,3.. .10 45
63
80
1...3.5
45
63
80
8
3,5. ..6,3 50
71
90
H7/h6
29
34
41
49
57
6,3.. .10 56
80
100
1...3.5
71
80
100
9
3,5.. .6,3 80
100
100
H8/h6
38
46
55
65
76
6,3. ..10 90
112
125
1...3.5
100
112
125
10 3,5.. .6,3 125
140
140
H9/h6
54
65
78
93
109
6,3.. .10 140
160
160
1...3.5
125
140
160
H9/h6
11 3,5. ..6,3 160
180
180
60
72
83
103
141
6,3.. .10 180
200
200
25
Таблица 4.3
Соотношение точности по торцевому биению базовых поверхностей и допускаемой
погрешности направления зубьев для цилиндрических зубчатых колес
FT = 0,5d/bFP
Степень точДопуск на погрешность направ- Допускаемое торцевое биености нормы
ления зуба, мкм, Fβ
ние, мкм, на Ø100 мм, FT
контакта зубь- Модуль, мм
Ширина зубчатого венца, мм
ев по ГОСТ
До 40
Св. 40 до 100
До 40
Св. 40 до 100
1643-81
6
1...16
9
12
11
6
7
1...25
11
16
14
8
8
1...40
18
25
22
12,5
9
1...55
28
40
35
20
10
1...55
45
63
56
31,5
11
1...55
71
100
89
50
5. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ
ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
5.1. Нарезание пальцевыми и дисковыми модульными фрезами
Пальцевые модульные фрезы применяются дли нарезания многошевронных, цилиндрических и конических колес с большими модулями зубчатых венцов внутреннего зацепления, реек и др. Пальцевые модульные фрезы
являются единственным инструментом для нарезания колес с непрерывным
шевроном.
Дисковые модульные фрезы используются для чернового и чистового
нарезания зубчатых колес, секторов и червяков, а также для чернового нарезании конических колес.
Нарезание пальцевыми и дисковыми модульными фрезами осуществляется по методу копирования на специальных или универсальных станках.
Пальцевые и дисковые модульные фрезы применяются в основном для чернового нарезания зубьев колес со средними и крупными модулями.
При выборе модульных фрез необходимо иметь в виду, что:
1) дисковые фрезы более производительны, и их рекомендуется применять для черновой обработки;
2) черновое нарезание колес с модулем свыше 30 мм следует производить комплектом фрез за несколько ходов.
26
Черновое нарезание закрытых венцов с модулями до 50 мм производится пальцевыми фрезами за один ход, а свыше 30 мм - комплектом пальцевых фрез за три рабочих хода.
Как дисковые, так и пальцевые черновые фрезы имеют профиль, близкий к профилю впадины зуба. У чистовых же фрез эвольвентный профиль
соответствует профилю зубьев нарезаемого колеса.
При нарезании колес пальцевыми и дисковыми модульными фрезами
может быть обеспечена 10...12-я степень точности по ГОСТ 1643-81.
Дисковые модульные фрезы имеют профиль, воспроизводящий профиль впадины зубьев нарезаемого колеса.
Геометрическими параметрами дисковых фрез являются: передний
угол у (для черновых фрез равный 8...10º, для чистовых - 0º) и задний угол α0
(10...15º). Изготавливают дисковые фрезы из стали марок F9, Р18 и 8ХС с последующей термообработкой режущей части до твердости 63...66 НRСэ (для
стали 9ХС).
Обычно дисковые фрезы производят наборами по 8 или 15 штук в комплекте и применяют в зависимости от числа зубьев нарезаемого колеса.
Заточка дисковых фрез осуществляется по передней поверхности. После заточки режущая кромка резцов должна лежать в радиальной плоскости,
проходящей через центр фрезы.
5.2. Нарезание червячными модульными фрезами
Способы зубофрезерования
Нарезание цилиндрических зубчатых колес червячными модульными
фрезами производится по методу обкатки. При этом в пространстве воспроизводится траектория движения зубьев рейки, зацепляющейся с колесом.
Червячная фреза представляет собой цилиндр с нарезанными на нем
винтовыми витками и продольными пазами, вследствие чего профиль ее
зубьев в осевом сечении имеет профиль рейки.
27
Рис. 5.1. Схема нарезания зубьев червячной фрезой:
а – зубья фрезы находящиеся в процессе нарезания; б - обкатка профиля зубьев
колеса профилями зубьев фрезы
Придав вращение фрезе и подведя ее к заготовке, начинают вырезать
впадины между зубьями колеса (рис. 5.1, а), Одновременно при последовательном перемещении прямолинейного профиля зубьев фрезы относительно
профиля зубьев нарезаемого колеса происходят вращение заготовки и обкатка зубьев колеса по эвольвенте (рис. 5.1, б).
Нужно отметить, что при нарезании зубьев этим способом эвольвента
зуба нарезаемого колеса начинается не от окружности впадин, а несколько
выше. Углы вершин, зубьев фрезы, находящиеся между окружностью впадин
и началом эвольвенты, образуют переходную кривую АА.
При нарезании зубьев необходимо иметь в виду, что скорости вращения заготовки и перемещения фрезы относительно ее должны быть равны.
Если однозаходная фреза перемещается на один шаг, то и заготовка должна
повернуться на один шаг.
Таким образом, передаточное отношение u, числа оборотов заготовки и
фрезы должно быть равно 1/z при однозаходной фрезе и k/z - при k-заходной
фрезе (z - число зубьев нарезаемого колеса).
Для обеспечения данного передаточного отношения у зубофрезерных
станков имеется кинематическая цепь, согласующая вращение фрезы и заготовки.
28
Рис. 5.2. Схема зубофрезерного станка, работающего по методу обкатки
Принципиальная схема зубофрезерного станка, работающего по методу
обкатки, представлена на рис. 5.2. При зубофрезеровании детали 1, фрезе 2
придается принудительное движение, воспроизводящее зацепление рейки с
колесом, а также обеспечивающее процесс резания. Основными движениями
процесса зубофрезерования червячными фрезами являются:
1) вращение фрезерного шпинделя, которое обеспечивается настройкой
гитары скоростей и дает возможность получить необходимую скорость резания;
2) вращение стола, получаемое настройкой гитары деления 3 и создающее условия для нарезания нужного числа зубьев колеса;
3) осевое перемещение фрезерного суппорта, достигаемое настройкой
гитары подач и обеспечивающее требуемую подачу фрезы;
4) дополнительное вращение стола при нарезании косозубых колес, получаемое настройкой гитары дифференциала и позволяющее обеспечить угол
наклона нарезаемого колеса.
29
Рис. 5.3. Схема зубофрезерования:
а - встречное; б - попутное; в - диагональное
Существуют различные виды зубофрезерования. Так, встречное фрезерование (ряс. 5.3, а) происходит при перемещении суппорта сверху вниз, при
этом зуб фрезы в начале резания снимает тонкую стружку. Горизонтальная
составляющая усилия резания действует на фрезу в направлении от ее оси и
отжимает суппорт от направляющих стойки, что снижает жесткость и устойчивость фрезы; при этом усилия подачи и резания направлены в разные стороны, что способствует равномерной подаче фрезы из-за устранения зазоров
в механизме подачи. Недостатком встречного фрезерования является затрудненность начального этапа врезания фрезы.
Попутное фрезерование (рис. 5.3, б) осуществляется при перемещении
суппорта снизу вверх, причем зуб фрезы в начале резания снимает толстую
стружку. Горизонтальная составляющая усилия резания действует на фрезу в
направлении оси и прижимает суппорт к направляющим, что повышает и
жесткость, и устойчивость. При этом усилия подачи и резания направлены в
одну сторону, что приводит к неравномерной подаче и вибрациям вследствие
наличия зазоров в винтовой паре механизма и подачи.
Попутное фрезерование по сравнению с встречным имеет более благоприятные условия резания, что позволяет повысить скорость резания, стойкость фрезы и чистоту обработки. Однако для попутного фрезерования требуется устройство, устраняющее зазоры в винтовой паре механизма подачи.
Диагональное фрезерование (рис. 5.3, в) применяется с целью повышения стойкости фрез за счет их осевого смешения в процессе обработки. Для
данного вида фрезерования характерно применение червячных фрез увеличенной длины. Диагональное фрезерование может применяться как при
встречном, так и попутном направлениях подачи.
30
Фрезерование радиальным врезанием используется для повышения
производительности нарезания. Оно особенно эффективно при нарезании узких колес.
Наладка зубофрезерного станка для нарезания цилиндрических зубчатых колес включает следующие установки и проверки.
Настройка гитары скоростей происходит путем установки в ней сменных колес для обеспечения частоты вращения фрезы nфр при заданном ее
диаметре Dфp (мм) и скорости резания υ (м/мин).
Частота вращения фрезы определяется (мин-1) по формуле
nфр = 1000υ/πDфр.
Во избежание преждевременного износа делительной пары станка максимальная частота вращения фрезы и число зубьев нарезаемого колеса ограничены скоростью скольжения червяка. Поэтому необходимо проверить, не
превышает ли частота вращения стола nст максимально допустимую:
ncт = nфрk/z≥[nст],
где nфр - частота вращения фрезы; k - число заходов фрезы; z - число зубьев
нарезаемого колеса; [nст] - максимально допускаемая частота вращения стола,
предусмотренная в паспорте станка.
Для некоторых станков в паспорте указывается минимальное число
зубьев нарезаемого колеса.
Угол суппорта фрезы определяется направлением зубьев нарезаемого
колеса фрезы в соответствии с данными табл. 5.1.
Упоры автоматического включения станка устанавливаются так, чтобы
ось фрезы была на несколько миллиметров ниже (или выше при попутном
фрезеровании) торца детали.
Установка фрезы на глубину врезания осуществляется путем ее подвода к заготовке до легкого их соприкосновения, затем фрезу выводят за пределы заготовки и дополнительно перемещают ее или деталь в радиальном
направлении с отсчетом величины перемещения по лимбу на глубину нарезаемых зубьев.
31
Таблица 5.1
Угол установки фрезерного суппорта при нарезании зубчатых колес
Обрабатываемое коНаправление
Эскиз установки фрезы
Угол установки
лесо
спирали фрезы
фрезерного
суппорта
Правое
Прямозубое
λ
Левое
Правое
βд–λ
Косозубое правое
Левое
βд+λ
Правое
βд+λ
Косозубое левое
Левое
βд–λ
По высоте фреза устанавливается в соответствии с величиной вывода
ее оси над торцом детали, которая может быть определена по формуле
a  h( Dфр  h) cos γ ,
где Dфр - диаметр фрезы; h - глубина нарезаемых зубьев; γ - угол поворота
фрезерного суппорта.
32
Автоматическое перемещение фрезы вдоль оси является одним из методов повышения ее стойкости. В процессе резания зубья червячной фрезы
нагружены неодинаково. Зубья, находящиеся со стороны входа фрезы, изнашиваются больше, чем расположенные со стороны выхода. Для обеспечения
равномерного износа по всей длине фрезу необходимо периодически перемещать вдоль ее оси после обработки одного зубчатого колеса или нескольких. Периодическое перемещение фрезы должно осуществляться против
направления обрабатываемого колеса.
При соблюдении всех условий возможно получение необходимой точности при нарезании цилиндрических зубчатых колес (табл. 5.2).
Таблица 5.2
Точность, достигаемая при нарезании цилиндрических колес на вертикальных зубофрезерных станках (по ГОСТ 659-89)
Погрешность расположения
Проверка
Наибольший диаметр
Допуск для станков классов
точности
обрабатываемого изделия, мм
точности
Н
П
В
А
Положения проСв.80 до 125
50
32
20
12
филей соседних
« 125 « 200
40
25
16
10
зубьев, с
« 200 « 320
32
20
12
8
« 320 « 500
25
16
10
6
« 500 - 800
20
12
8
4
« 800 « 1200
16
10
6
4
Св. 80 до 125
160
100
65
40
Положения про« 125 « 200
125
80
50
35
филей зубьев по
« 200 « 320
100
65
40
25
всей окружности,
« 320 « 500
80
50
32
20
с
« 500 « 800
65
40
25
16
« 800 .. 1200
50
32
20
12
Погрешность направления
Проверка
Допуск для станков классов
Ширина зубчатого венца, мм
точности
точности
Н
П
В
А
Направления зуба,
До 40
12
10
8
6
мкм
Св. 40 до 100
16
12
10
8
« 100 « 160
20
16
12
10
« 160 « 250
25
20
16
12
33
Специальные червячные фрезы
Червячные модульные фрезы с прогрессивными схемами резания отличаются от обычных тем, что у них резание происходит раздельно - вершиной
и боковыми сторонами реек.
По сравнению с обычными червячные фрезы с прогрессивными схемами имеют в 1,5...2 раза выше стойкость между переточками и допускают работу на повышенных режимах резания.
Твердосплавные червячные фрезы позволяют повысить производительность за счет увеличения скоростей резания до 300 м/мин.
Наиболее износостойкими при эксплуатации этих фрез являются сплавы марок Т15К6, Т15К10, Т30К4 и Т14К8. Червячные твердосплавные фрезы
бывают сборными и цельными.
Цельные твердосплавные фрезы изготавливаются в диапазоне модулей
1…3,5 мм. Сборные твердосплавные фрезы могут быть отдельными пластинками и вставными рейками. Конструктивной особенностью твердосплавных
сборных фрез со вставными рейками является большой отрицательный передний угол, составляющий 15º. Такие фрезы применяются для обработки
закаленных зубчатых колес модулей 5...25 мм вместо шлифования или под
прецизионное шлифование. Оптимальным режимом для фрез из сплава
Т15К6 является скорость резания 120...180 м/мин и подача 1,0...1,2 мм/об,
дет. Обычно зубофрезерование твердосплавными червячными фрезами производится без охлаждения. Предпочтительно применение таких фрез для
нарезания стальных зубчатых колес со значительным числом зубьев, небольшой их высотой и большим углом профиля.
Червячные фрезы с поворотными рейками применяются в массовом
производстве зубчатых колес. Особенностью этих фрез является то, что
шлифование профиля зубьев рейки осуществляется в специальных технологических корпусах на резьбошлифовальных станках без затылования. В связи
с этим отпадает необходимость в затыловочных станках, обеспечивается высокая точность профиля по всей длине зубьев и шага их винтовой линии,
возрастает число переточек, становится возможным увеличение задних углов
по вершине и боковым сторонам зубьев.
Применение червячных фрез с поворотными рейками обеспечивает повышение производительности в среднем в 1,5... 1,7 раза и суммарной их
стойкости - в 1,5...2 раза за счет ее увеличения между переточками в 1,3 раза
и количества переточек - в 1,5...1,8 раза.
34
Многозаходные червячные фрезы используются на черновых операциях зубофрезерования. При применении таких фрез нужно, чтобы число зубьев детали не было кратным числу заходов фрезы. Не должно быть кратным
также отношение числа заходов фрезы к числу стружечных канавок. Желательно поэтому применять многозаходные фрезы увеличенного диаметра с
большим числом стружечных канавок. При использовании двухзаходных
фрез производительность увеличивается на 40...50% и трехзаходных - на
60...70%. Следует, однако, учитывать, что фрезерование двухзаходными фрезами дает возможность нарезать зубчатые колеса не точнее 9-й степени точности.
5.3. Нарезание цилиндрических зубчатых колес зубодолблением
Зубодолбление цилиндрических колес производится по методу
обкатки. При этом воспроизводится зацепление двух сопрягаемых колес, одним из которых является режущий инструмент - долбяк, а другим
нарезаемое колесо.
Рис.5.4. Обкатка профиля зубьев колеса профилями зубьев долбяка
Обкатка осуществляется в процессе зацепления долбяка 1 и нарезаемого колеса 2 при последовательном расположении профилей их зубьев (рис.
5.4).
Профиль зубьев долбяка выполняется по эвольвенте и не совпадает с
профилем зубьев нарезаемого колеса, поэтому одним и тем же долбяком
можно нарезать колеса с различным числом зубьев.
35
При обкатке долбяк и заготовка должны вращаться с передаточным отношением, соответствующим числу их зубьев:
и = zk/zд.
При нарезании колес е внешними зубьями колесо и долбяк вращаются
в разные стороны, при нарезании внутренних зубьев - в одну сторону.
Для нарезания зубьев в заготовке долбяку придается возвратнопоступательное движение вдоль ее оси (движение резания). Причем установить долбяк сразу на требуемую глубину нельзя, поэтому в начале происходит его врезание при вращении совместно с заготовкой с радиальной подачей
до тех пор, пока зубья его не достигнут нужной глубины.
При возвращении долбяка после рабочего хода в исходное положение
заготовка отодвигается во избежание трения ее зубьев об обработанную поверхность. В начале рабочего хода заготовка подается к долбяку.
Принципиальная схема зубодолбежного станка приведена рис. 5.5.
Рис. 5.5. Схема зубодолбежного станка
36
Основными движениями процесса зубодолбления являются:
1) возвратно-поступательное υ1 шпинделя 1 с долбяком 2, обеспечиваемое настройкой гитары или коробки скоростей и определяющее требуемую
скорость резания;
2) вращение стола υ3 с заготовкой 3, согласуемое с вращением долбяка
с помощью гитары деления 4 и позволяющее получить требуемое число
нарезаемых зубьев;
3) радиальная подача sр долбяка во время чернового и получистового
проходов;
4) отвод стола v2 с заготовкой от долбяка (или долбяка от стола) в период его холостого хода для предотвращения трения режущих кромок долбяка о заготовку ;
5) круговая подача, обеспечиваемая настройкой гитары круговых подач
и определяющая длину дуги начальной окружности долбяка, на которую повернется его зуб за один двойной ход.
Точность посадочных поверхностей для установки долбяка должна соответствовать нормам, приведенным в табл. 5.3. Так как долбяк после заточки проходит контроль по геометрическим параметрам зубчатого венца, то его
после установки на станок, как правило, не проверяют. Обычно проверяется
параллельность перемещения штосселя относительно оси центрирующей поверхности приспособления.
Таблица 5.3
Нормы точности базовых поверхностей для установки и крепления долбяка, мкм
Проверяемый параметр
При установке на станок В процессе экси при подналадке на
плуатации
станке
Радиальное биение посадочной поверхности
15
20
шпинделя (втулки)
Торцевое биение опорной поверхности
20
25
Установка и выверка приспособления для крепления заготовки включают контроль фактического размера центрирующего диаметра, радиального
и торцевого биения его базирующих поверхностей, а также параллельности.
37
Длина хода долбяка определяется по минимальной ее величине, которая рассчитывается по формуле
l = b + l1 ,
где b - суммарная толщина нарезаемых колес; l1 - суммарная величина пробега долбяка, которую можно принять 0,25b.
Настройка хода долбяка относительно заготовки осуществляется с целью обеспечения одинакового его выхода (на величину 0,5l1) по обе стороны
венца.
Рис. 5.6. Установка долбяка относительно заготовки при настройке величины врезания:
а – правильная; б - неправильная
Долбяк на величину врезания устанавливается после выбора и установки кулачка подачи в положение, соответствующее чистовому переходу. Долбяк подводят к заготовке до легкого соприкосновения с ней, при этом ось
симметрии его зуба должна совпадать с линией, соединяющей центр долбяка
с деталью (как указано на рис. 5.6). Затем поднимают долбяк в верхнее положение и вручную перемещают суппорт на величину полной высоты зуба.
Пробное нарезание детали обычно заключается в нарезании зуба, имеющего несколько меньшую высоту, чем его полная высота. При этом фактическая толщина зуба будет больше заданной на величину ∆S. Зная ∆S, можно
вычислить дополнительное перемещение долбяка к центру детали
∆h = ∆S/tg а,
где а - угол зацепления.
Ряд погрешностей долбяка полностью переносится на обрабатываемую
деталь: радиальное биение, погрешности окружного шага и толщины зуба.
Другие погрешности долбяка будут воспроизводиться в нарезаемой детали с
уменьшением примерно в 10 раз. Такое влияние имеет торцевое биение долбяка на погрешность профиля и радиальное биение обрабатываемой детали.
38
Расчет гитар скоростей и подач производится по принятым режимам
резания, а гитары деления - по числу зубьев долбяка нарезаемого колеса.
Зубодолбление косозубых колес отличается тем, что по мере продольного перемещения долбяк получает дополнительный поворот, соответствующий углу наклона зубьев. Долбяк должен бить косозубым, с тем же углом
наклона зубьев, что и у нарезаемых колес, но в обратном направлении. Дополнительный поворот долбяк получает с помощью винтовых направляющих, соединяющих инструментальный шпиндель с колесом делительной пары. Направление винтовых направляющих совпадает с направлением зубьев
долбяка.
При зубодолблении внутренних зубьев необходимо проверить, нет ли
интерферениии. При ее наличии следует увеличивать разницу между числом
зубьев колеса и долбяка, или применять колеса с укороченным зубом, либо
пользоваться специально спроектированными долбяками.
При выборе числа зубьев долбяка желательно принимать его не равным
и не кратным числу зубьев нарезаемого колеса. Число зубьев долбяка должно
отличаться на 2...3 зуба от 3zк, 2zк, zк, zк/2, zк/3 и т. д.
Фактический размер центрирующего диаметра (оправка или втулка)
приспособления должен обеспечивать вид посадки в соответствии с требованиями табл. 5.3, а торцевое биение - с данными табл. 5.4.
Кроме того, при установке приспособления следует иметь в виду, что:
а) опорная поверхность приспособления должна располагаться возможно ближе к нарезаемым зубьям;
б) место приложения усилия зажима должно быть выбрано таким, чтобы исключалась деформация детали в процессе крепления.
Число двойных ходов долбяка устанавливается по принятой скорости
резания и длине хода долбяка:
п = 1000υ/2l,
где υ - скорость резания, и/мин; l - длина хода долбяка, мм.
Наладка зубодолбежного станка выполняется обычно в следующем порядке.
Настройка гитары деления производится для обеспечения согласованного вращения долбяка и заготовки, а гитары радиальных подач - для соответствия выбранным режимам резания.
39
Специальные зуборезные долбяки
Долбяки для нарезания колес под шевингование должны иметь модифицированный профиль, отличающийся от обычного наличием на головке
зуба с обеих сторон небольших утолщений - усиков. В некоторых случаях
такие утолщения имеются и на ножке. Однако вследствие сложности профилирования шлифовального круга практическое применение нашли только
долбяки с усиком на головке.
Долбяки для колес внутреннего зацепления отличаются от обычных
тем, что их дополнительно проверяют на отсутствие срезания профиля зубьев вне линии зацепления. Кроме того, для предотвращения срезания вершины зубьев колеса при врезании долбяка необходимо обеспечить определенную разность чисел их зубьев.
Комплектные долбяки включают два долбяка, закрепленных па одной
оси. Комплект работает по раздельной схеме резания: низший долбяк обеспечивает червовое долбление, верхний - окончательное. В каждом конкретном случае разделение припусков между долбяками определяется экспериментальным путем. Стойкость комплектных долбяков повышается в 2...2,5
раза, а производительность - в 1,5...2 раза.
Для обработки зубчатых колес модулем свыше 5 мм находят применение твердосплавные долбяки, дающие увеличение производительности в 2...3
раза.
Номинальная подача s0табл и υта6л назначаются по табл. 5.4, в зависимости от обрабатываемого материала используются поправочные коэффициенты КЗ и Кυ (табл. 5.5). Таким образом, скорость резания и подача при зубодолблении определяются по формулам
s0 = s0таблКЗ,
υ = υта6л Кυ.
40
Таблица 5.4
Подача и скорость резания при долблении
Круговая по- Диаметр делительной окружности долбяка, мм
дача на двой75
100
ной ход
Модуль, мм
Обработка
долбяка,
2...3
3,5...4,5
5...6,5
мм/дв. ход, и
Число зубьев детали
скорость
До 15 Св. 20 До 15 Св.20 До 15 Св.20
резания, м/мин
s0табл
0,35
0,40
0,35
0,40
0,30
0,35
Предварительная
υта6л
20
24
18
22
18
22
Однократная окончаs0табл
0,20
0,25
0,20
0,25
0,15
0,20
тельная
υта6л
22
25
20
23
22
24
Окончательная после
s0табл
0,22
0,22
0,22
предварительной
υта6л
30
30
26
Однократная под шеs0табл
0,25
0,30
0,25
0,30
0,20
0,25
вингование
υта6л
24
28
23
26
24
27
Под шевингование поs0табл
0,30
0,30
0,30
сле предварительной
υта6л
30
30
26
Примечание. Режимы резания приведены для нарезания зубьев в один переход. При нарезании в два перехода и более табличные значения можно увеличить на 20%. 2. Подача дана для
обработки прямозубых колес. Для косозубых колес подачу нужно уменьшать на 15% при угле
наклона зуба к оси детали до 30º и на 25% – до 40º. 3. Режимы резания сориентированы на стойкость Тм = 300 мин для предварительного зубодолбления и Тм = 400 мин - для окончательного.
Таблица 5.5
Поправочные коэффициенты
Коэффициенты
Обрабатываемый материал
Сталь
Чугун
30ХГТ
40Х
35, 45
0,9
1,05
1,3
1,2
КЗ
Кυ
1,0
1,0
1,1
1,4
5.4 Методы окончательной обработки зубьев незакаливаемых зубчатых
колес
5.4.1. Шевингование
Зубошевингование применяется для чистовой обработки колес с твердостью не более 320...360 НВ с целью повышения точности профиля зубьев и
уменьшения радиального биения зубчатого венца.
Процесс шевингования осуществляется при введении обрабатываемого
колеса в зацепление при скрещивающихся осях со специальным инструмен41
том - шевером, который представляет собой зубчатое колесо с нанесенными
вдоль профиля зубьев канавками.
Наибольшее распространение получило двустороннее шевингование,
которое производится при плотном зацеплении шевера с обрабатываемым
колесом.
Одностороннее шевингование осуществляется за счет специальных
тормозных устройств при наличии зазора между зубьями шевера и колеса.
В процессе шевингования производятся (рис. 4.7, а):
1) вращение шевера 1 (реже - обрабатываемого колеса), обеспечиваемое настройкой гитары скоростей и определяющее скорость резания;
2) продольная подача обрабатываемого колеса 2 относительно шевера,
достигаемая настройкой гитары продольной подачи и осуществляющая профилирование зуба по всей длине;
3) радиальная подача обрабатываемого колеса относительно шевера,
получаемая путем настройки механизма радиальной подачи.
При скрещивании осей шевера и обрабатываемого колеса образуется
продольная составляющая скольжения профилей, которая и обеспечивает
процесс резания.
Для повышения эффективности процесса шевингования наиболее целесообразно нарезать специальную форму зуба, у ножки которого обеспечивается свободный выход шевера.
Существует несколько разновидностей шевингования.
Диагональное шевингование (рис. 5.7, б, в) состоит в том, что продольная подача осуществляется под углом к оси колеса. При этом сокращается
длина продольного хода повышается стойкость шевера, уменьшаются выход
его за торцы венца до 2...5 мы и машинное время обработки.
Касательное шевингование (рис. 5.7, г) характеризуется перемещением
стола в направлении, перпендикулярпом оси колеса при отсутствии продольной подачи. При данном виде шевингования уменьшается длина хода и возрастает стойкость инструмента. Во многих случаях касательное шевингование может осуществляться без радиальной подачи за один двойной ход.
42
Рис. 5.7. Методы шевингования в зависимости от направления подачи шевера:
а - с продольной подачей; б - с диагональной подачей для широких колес; в - с диагональной подачей для узких колес; г - касательное шевингование; д - шевингование по методу
"короткого хода"
Шевингование по методу «короткого хода» (рис. 5.7, д) отличается тем,
что подача стола происходит в направлении, перпендикулярном оси шевера.
Это позволяет уменьшить ширину шевера по сравнению с касательным шевингованием и получить минимально возможную длину рабочего хода.
43
Рис. 5.8. Специальные методы шевингования:
а - однопроходное; б – бочкообразное
Однопроходное шевингование (рис. 5.8, а) производится за один двойной ход при постоянном межосевом расстоянии между шевером и деталью.
Зубья шевера имеют три участка: / - заборный, // - режущий и /// калибрующий.
Бочкообразное шевингование (рис. 5.8, б) характеризуется тем, что в
процессе продольной подачи стол или направляющие шевинговальной бабки
получают дополнительный поворот вокруг оси, перпендикулярной оси колеса.
Наиболее распространенным является образование бочкообразных
зубьев за счет изменения расстояния между осями шевера и колес по мере
перемещения инструмента от середины зуба детали к его торцу. Это достигается качанием оси шевера (или колеса) в процессе относительного его движения вдоль оси колеса.
Выпускаемые в настоящее время шевинговальные станки со стандартным механизмом бочкообразования обеспечивают только симметричную форму зуба.
44
Витебским заводом им. Коминтерна создан зубошевинговальный специальный полуавтомат мод. ВС-02-2310, который снабжен оригинальным
механизмом бочкообразования с гидравлическим поворотом копира и фиксацией его я заданных настройкой положениях, что позволяет обрабатывать
колеса с бочкообразной формой зуба двойной кривизны, бочку на закрытых
венцах и конусный зуб.
При шевинговании дисковыми эвольвентными шеверами на профиле
обработанного зуба в зоне длительной окружности образуются углубления,
поэтому для повышения точности профиль зубьев шевера необходимо корректировать по специальной методике. Корректировка профиля зубьев шевера применяется также для снижения уровня шума, возникающего в процессе
обработки колес.
Обязательным условием при шевинговании является единство технологических баз на операции зубонарезания и шевингования, дающее возможность уменьшить эксцентриситет и перекос зубчатого венца.
Оптимальная величина угла скрещивания осей шевера и колеса составляет 10...20°, при обработке зубчатых колес с закрытыми венцами допускается его уменьшение до 5°.
Рис. 5.9. Схема согласования направления вращения шевера и направления
продольной подачи
45
На шевинговальных станках с реверсированием вращения шевера для
обеспечения резания шевером с положительным передним углом режущих
кромок рекомендуется согласовывать направление его вращения совместно с
деталью и продольную подачу так, как указано на рис. 5.9.
При обработке зубчатых колес точнее 9-й степени точности (ГОСТ
1643-81) целесообразно подбирать шевер с количеством зубьев, не имеющим
общих множителей с числом зубьев колеса. Угол станочного зацепления по
нормали к зубьям не должен отличаться от профильного угла исходного контура более чем на 2...3°.
Погрешности при шевинговании зубчатых колес приведены в табл. 5.6.
Таблица 5.6
Погрешности, возникающие при шевинговании цилиндрических колес
Погрешность
станка
инструмента
наладки
Погрешность профиля зуба ffr и накопленная погрешность шага Ffr, отклонение шaгa fptr
Погрешность основ- Низкий коэффициент перекрытия
ного шага
при зацеплении шевера с обрабатываемым зубчатым колесом
Погрешность профи- Слишком большой угол скрещиваля
ния
Износ шевера
Погрешность
станка
инструмента
наладки
Погрешность направления зуба Fβr
Торцевое биение рабочей
Температурные деформации загоповерхности стола, зазоры в
товки
направляющих штосселя
Непараллельность перемещеНедостаточная жесткость оправок
ния шевера относительно оси
крепления изделия
изделия в вертикальной и горизонтальной плоскостях
Отжим стола
Не достаточная жесткость
Неравномерный припуск по длине
стола или шевинговальной
зуба
головки
Колебание длины общей нормали FυWr
Погрешность профи- Повышенное радиальное биение
ля
предварительно нарезанного зубчатого колеса
46
Шероховатость поверхности зубьев
Недостаточная
жесткость Дефекты
режущих Неточная установка шевера
станка, вибрации стола станка кромок шевера: вы- на угол скрещивания
крашивание, затуп- Несовпадение середины шевера с
ление
осью его поворота
Недостаточная глу- Большая продольная подача
бина канавок
Неправильный выбор смазочноохлаждающей жидкости
Недостаточная жесткость
крепления детали
Загрязненность СОЖ
Конусность зуба
Непараллельность перемещеНедостаточная жесткость
ния шевера относительно изоправок
делия в вертикальной плоскоПовышенные припуски
сти
под шевингование
Неправильный угол
скрещивания
Специальные шеверы
Ширина шеверов для диагонального и касательного шевинговании зависит от ширины венца колеса и принятого угла скрещивания осей. Шеверы
для касательного шевингования должны иметь канавки, расположенные по
винтовой линии с шагом t, равным расстоянию между канавками. Этот вид
шевингования особенно эффективен при обработке колес с закрытыми венцами, когда невозможно шевинговать с продольной подачей.
Облегающие шеверы обеспечивают обработку колес с бочкообразной
формой зуба без использования механизма качания стола - за счет придания
их зубьям продольной погнутости на величину Д. Для таких шеверов обычно
применяется касательная или диагональная схема шевингования, что дает
возможность снизить время обработки и обрабатывать закрытые венцы. В
отличие от обычных, облегающие шеверы имеют линейный контакт зубьев.
Недостатком этих ше-вероа является то, что для них невозможно теоретически правильно спрофилировать зубья, и поэтому при шевинговании точность
зубчатых колес по профилю получается несколько ниже, чем при использовании дисковых шеверов обычной конструкции.
Шеверы для колес внутреннего зацепления отличаются тем, что боковая поверхность их зубьев не является эвольвентой. Это отличие тем больше,
чем меньше разность числа зубьев колеса и шевера и чем больше угол скрещивания осей. С внешней стороны зубья шевера бочкообразны, и практически его расчет для колес внутреннего зацепления сводится к определению
47
величины бочкообразности как разницы в толщине зубьев в среднем и крайнем торцевых сечениях.
Однопроходные шеверы отличаются от обычных тем, что их зубья с
одной стороны выполнены конусными и имеют три зоны: заходную, режущую и калибрующую. Шевингование однопроходным шевером осуществляется при постоянном межосевом расстоянии, что упрощает кинематику станка. Кроме того, режущие зубья шевера вступают в работу последовательно,
что позволяет более равномерно распределять припуск между ними. Цикл
обработки однопроходным шевером состоит из одного рабочего и одного калибрующего хода.
5.4.2. Калибрование зубьев, обкатка
Калибрование осуществляется без снятия стружки при пластическом
деформировании металла на боковой поверхности зуба. В результате повышается первоначальная твердость профиля, снижается уровень шума работающих зубчатых колес. Кроме того, обеспечивается шероховатость профиля
с высотой микронеровностей 1...5 мкм.
Калибрование производится одним, двумя или тремя инструментаминакатниками. На станках с двумя или тремя инструментами-накатниками
усилие накатки распределяется между ними таким образом, что ось обрабатываемого колеса остается разгруженной. На станках с одним инструментомнакатником создаются значительные усилия, в связи с чем обрабатываемое
колесо должно надежно поддерживаться специальными опорами. Перед чистовым накатыванием необходимо соблюдать большую точность и более узкий допуск на припуск, чем перед шевингованием, так как в противном случае на боковых профилях зубьев образуются закаты и местные скопления металла. Для обеспечения одинаковых условий обработки обеих сторон зуба
рекомендуется во время рабочего цикла осуществлять реверс.
Для массового производства эффективным является калибрование по
методу «Моноролл». Обработка осуществляется свободным обкатом при параллельных осях обрабатываемого колеса и инструмента. Инструментнакатник выполняется в виде шевера. На боковых поверхностях его зубьев
нанесены поперечные канавки, которые расположены со смешением на
определенную величину по длине каждого зуба, а на поверхности накатника
канавки образуют винтовую линию. Благодаря этому при обкатке последова48
тельно деформируются отдельные участки боковых поверхностей зубьев, что
позволяет уменьшить ее усилие и повысить точность обработки. Число зубьев и групп в накатнике не должно быть равным или кратным числу зубьев
обрабатываемого колеса. В процессе калибрования зубья инструмента под
действием усилия деформации входят в металл на глубину припуска и вытесняют его из зоны контакта. Поскольку оси инструмента и обрабатываемого колеса установлены параллельно, то, в отличие от процесса шевингования,
отсутствует эффект резания. Металл, вытесняемый при накатывании, перемещается к головке или ножке зуба. Накатник в течение цикла вращается в
одном направлении. Обработка производится за один двойной ход стола
станка при постоянном межосевом расстоянии. Обрабатываемое колесо выдерживается без реверса в конечном положении, а затем вместе с поперечными салазками автоматически возвращается в исходное положение.
Накатники изготовляют из быстрорежущей стали той же твердости, что
и шеверы. Средняя стойкость между переточками - 50 тыс. деталей при трех
возможных переточках. Каждая сторона профиля зуба накатника выполняется с различной корректировкой, исходя из условий течения металла на ведущей и ведомой сторонах зуба обрабатываемого колеса и непостоянства величины прогиба на разных участках по длине зуба при обработке косозубых
колес. Отношение ширины выступов к ширине канавок составляет 3:2, припуск под калибрование - 0,02...0,03 мм, продолжительность обработки - 9...12
с для зубчатых колес диаметром до 120 мм и модулем до 2,5 мм. Увеличение
модуля и соответственно габаритов обрабатываемых колес требует значительно больших пластических деформаций и перемещения поверхностных
слоев металла, чем при обработке зубчатых колес с небольшим модулем. В
связи с этим применение данного метода для более крупных модулей зубчатых колес сопряжено со значительными трудностями.
Промежуточное место между калиброванием и шевингованием занимает метод обработки зубчатых колес "финишер". При этом методе инструмент
по внешнему виду напоминает зубчатое колесо. На одном из его торцов расположены режущие кромки зубьев с очень малыми задними углами. Оси инструмента и зубчатых колес скрещены под углом 15...20°. Вращающийся инструмент находится в двухпрофильном зацеплении с обрабатываемым колесом и одновременно вдоль его зубьев. Инструмент полностью обрабатывает
колесо за один ход вдоль его зубьев. В отличие от шевингования, процесс
идет с принудительным обкатом. Скорости вращения инструмента и колеса
49
строго синхронизированы кинематической цепью станка. Применяется инструмент либо из быстрорежущей стали, либо твердосплавный. В станки, работающие по методу «финишер», встроен механизм для перезаточки инструмента по передней грани.
Вследствие того, что процесс идет с принудительным обкатом, точность обработки существенно выше, чем при шевинговании. При изготовлении колес т = 3...4,5 мм достигается погрешность профиля в 0,01...0,02 мм,
погрешность направления зуба - 0,04/100 мм, радиальное биение - 0,02...0,03
мм.
Фирма Landis Machine Со and Michigan Tool Co (США) создала серию
станков для холодного калибрования зубчатых венцов колес для автомобилестроении и авиационной промышленности.
Фирма Lorenz (ФРГ) создала станки модели "Микрофло" (лицензия
фирмы Michigan, США). Колеса с числами зубьев 31 и модулем зацепления
2,1 мм обрабатываются в течение 6 с (с учетом времени загрузки и выгрузки).
Обработку ведут двумя кинематически связанными валками (накатниками).
Заготовку вращают накатники. Калибруют колеса диаметром 25...125 мм при
модуле 125...5 мм. Припуск на калибрование не превышает 0,02...0,03 мм. В
станке используется высокоточный инструмент. При калибровании заготовок
из сталей с HRC-18 усилия составляют 15...25 кН на каждые 25 мм ширины
венца при модуле 1,5...4 мм. Для сталей с HRC-21 усилия равны 20...40 кН.
Точность колес после калибрования не повышается, однако значительно возрастают класс шероховатости поверхности и контактная прочность зубьев.
Производительность при калибровании в несколько раз выше, чем при шевинговании. Стойкость инструмента составляет около I млн. колес.
Фирма Hurth (ФРГ) создала станок модели ZRA7, работающий одним
накатником (процесс «Моноролл»), Производительность станка такая же, как
и у «Микрофло». Инструмент выполнен с канавками на зубьях, что позволяет
значительно снизить усилия накатывания. Из-за высокой стоимости инструмента применение станка оправдано лишь при изготовлении не менее 1 тыс.
однотипных колес в смену.
50
5.5 Методы окончательной обработки зубьев закаливаемых зубчатых
колес
5.5.1. Технология шлифования
Зубошлифование производится в основном при изготовлении колес повышенной точности, термически обработанных до твердости свыше 40 HRCэ.
Различают два метола шлифования: копирования и обкатки. При шлифовании по первому методу шлифовальный круг повторяет профиль впадины обрабатываемого зубчатого колеса, а по второму - боковые поверхности
круга воспроизводят зуб рейки в зацеплении с обрабатываемым колесом.
Наиболее производительными и точными являются станки, работающие по методу обкатки с использованием в качестве инструмента абразивного червячного круга. Высокой производительностью характеризуются также
станки, работающие по методу копирования, однако наладка их довольно
сложна, и применяются они в основном для обработки прямозубых колес.
Величина припуска на сторону зуба под шлифование составляет для
модулей: до 2 мм – 0,05...0,15 мм; 2...5 мм - 0,15...0,20 мм; свыше 5 мм 0,2...0,3 мм.
Зубошлифование позволяет обеспечить высокую точность зубчатого
венца, устранить погрешности предварительной и термической обработки.
Однако шлифование ухудшает качество поверхностного слоя и его физикомеханические свойства. Выделяемое при шлифовании тепло вызывает структурные изменения в поверхностном слое в виде прижогов и внутренних растягивающих напряжений. При превышении этими величинами напряжений
предела прочности появляются шлифовочные трещины.
Прижоги в зависимости от схемы шлифования могут быть в виде пятен, чередующихся полос или отдельных мелких штрихов. Глубина дефектного слоя может достигать 0,1 мм.
Прижоги и трещины образуются на деталях с низкой теплопроводностью, неоднородной структурой, наличием поверхностных дефектов.
С целью предотвращения появления прижогов и шлифовочных трещин
рекомендуется применять: прерывистое шлифование либо шлифовать партиями детали из одной плавки; СОЖ с хорошими моющими и смазывающими
свойствами; подачу СОЖ при больших давлениях (порядка 1,2...1,5 МПа);
стали с более высокой теплопроводностью; площадку контакта детали с кру51
гом в виде узкой длинной полоски; рациональные режимы резания на черновых и чистовых переходах.
На образование прижогов большое влияние оказывают качество шлифовальных кругов, своевременность их правки и балансировки. Дисбаланс
вызывает колебания круга, неравномерный съем металла на один оборот круга и, следовательно, образование циклических прижогов.
Наилучшие результаты при шлифовании цементованных сталей получают при применении кругов марок ЭБ20СМ2К, ЭБ25СМ2К, ЭБ25СМ1К, а
для станков с компенсаторными устройствами - более мягких кругов с твердостью МЗ. Устранению прижогов способствует также совершенствование
технологии химико-термической обработки, направленное на уменьшение
припуска на зубошлифованне. Она должна обеспечить необходимое упрочнение при наименьших температуре нагрева, времени выдержки и минимальном количестве операций нагрева и охлаждения.
Рекомендуется также применять электрохимическое шлифование с использованием шлифовальных кругов из эльбора на токопроводящих металлических связках ЛО16МО13 и ЛО25МО13. Деталь является анодом, а шлифовальный круг - катодом. Они подключаются к источнику постоянного тока. Электролит подается в зону резания гидроаэродинамическим способом.
В табл. 4.7 - 4.10 приведены данные о точности, достигаемой при зубошлифовании на различных типах зуботлифовальных станков.
5.5.2. Зубохонингование
Хонингование представляет собой процесс окончательной доводки
зубьев цилиндрических колес с помощью зубчатого абразивного колеса - хона. Оно используется для доводки зубьев термически обработанных колес.
Различают схемы зубохонингования:
- при двухпрофильном зацеплении зубчатого хона с обрабатываемым
колесом и радиальной нагрузке "в распор" (рис. 5.10, а);
- при однопрофильном зацеплении зубчатого хона с обрабатываемым
колесом и тормозном моменте на колесе (рис. 5.10, б).
- «коронарное» зубохонингование при использовании в качестве инструмента "охватывающего" хона - колеса с внутренним зацеплением - с обрабатываемым колесом наружного зацепления (рис. 5.10, в).
52
Таблица 5.7
Точность, достигаемая при зубошлифовании цилиндрических колес на вертикальных зубошлифовальных станках (по ГОСТ 7640), мкм
Проверяемый параметр
Наибольший диаметр
Для станков класса
устанавливаемой заготовточности В
ки, мм
Точность положения профиДо 320
10
лей соседних зубьев, с
СВ. 320 до 500
8
« 500 « 800
6
« 800 « 1250
5
Точность профиля зуба, мкм
До 320
6
Св. 320 до 500
8
« 500 « 800
10
« 800 « 1250
12
Шероховатость обработанной поДо 125
0,8
верхности зуба Rа, мкм
Точность направления зуба,
мкм
Ширина зубчатого венца
образца, мм
До 40
Св.40 до 60
« 60 « 100
« 100 « 160
« 160 « 250
6
8
10
12
16
Примечание. Для станков класса точности А показатели уменьшаются в 1,6 раза по сравнению с классом точности В.
Таблица 5.8
Точность, достигаемая при зубошлифовании цилиндрических колес на станках с
профильным кругом (по ГОСТ 13133), мкм
Проверяемый параметр
Наибольший диаметр об- Для станков классов
рабатываемого изделия,
точности
мм
П
В
Точность положения профилей
До 500
12
8
соседних зубьев, с
Св. 500 до 800 - 800 « 1250
8
5
8
5
Точность положения профилей
До 500
40
25
зубьев на всей окружности, с
Св 500 до 800
30
20
« 800 « 1250
25
16
Точность профиля зуба, мкм
До 500
16
10
Св. 500 до 800
20
12
« 800 « 1250
25
16
Шероховатость обработанной поДо 1250
1,25
0,8
верхности зуба Rа,
Мкм
53
Точность направления зуба, мкм
Ширина зубчатого венца
образца, мм
До 60
Св. 60 до 100
« 100 « 160
« 160 « 250
12
16
20
25
8
10
12
16
Таблица 5.9
Точность, достигаемая при зубошлифоваыии цилиндрических колес на горизонтальных зубошлифовальных станках (по ГОСТ 13150), мкм
Проверяемый параметр
Наибольший диаметр об- Для станков классов точрабатываемого изделия,
ности
мм
А
С
Точность положения профилей
До 125
10
86
соседних зубьев, с
Св. 125 до 320
6
4
« 320 « 800
4
Точность положения профилей
До 125
30
20
зубьев на всей окружности, с
Св. 125 до 320
20
12
« 320 « 800
12
Точность профиля зуба, мкм
До 125
4,0
3,0 4,0
Св. 125 до 320
5,0
« 320 « 800
6,0
Шероховатость обработанной поДо 800
0,63...0,32
0,16
верхности зуба Rа, мкм
Точность направления зуба, мкм
Ширина зубчатого венца
образца, мм
3,0
2,0
До 25
4,0
2,5
Св. 25 до 40
5,0
3,0
« 40 « 60
6,0
« 60 « 100
8,0
« 100 « 160
10
« 160 « 250
Таблица 5.10
Точность, достигаемая при зубошлифовании цилиндрических колес на горизонтальных зубошлифовальных станках (по ГОСТ 13150), мкм
Наибольший диаметр обДля станков классов
Проверяемый параметр
рабатываемого изделия,
мм
В
А
Точность положения
До 200
12
8
профилей соседних зубьев, с
Св. 200 до 320
10
6
« 320 « 500
8
5
« 500 « 800
6
4
Точность положения
До 200
40
25 !
профилей зубьев на всей
Св. 200 до 320
30
20
окружности, с
« 320 « 500
25
16 .
« 500 « 800
20
12
54
Точность профили зуба, мкм
Шероховатость обработанной поверхности зуба Rа,
мкм
Точность направления зуба,
мкм
До 200
Св. 200 до 320
« 320 « 500
« 500 « 800
5
6
8
10
3
4
о
6
До 800
0,63
...
0.40
о
6
S
10
12
16
з
4
5
6
8
10
Ширина зубчатого венца
образца, мм
До 25
Св. 25 до 40
« 40 « 60
« 60 « 100
« 100 « 160
« 160 « 250
Рис. 5.10. Схемы зубохонингования:
а - при двухпрофильном зацеплении; б - при однопрофильном зацеплении;
в – «коронарное» зубохонингование
Зубохонингование позволяет устранить небольшие заусенцы и забоины, повысить качество пятна контакта и плавность передачи, уменьшить шероховатость рабочих поверхностей зуба и уровень шума передачи.
В процессе зубохонингования обрабатываемое колесо и хон устанавливаются на скрещивающихся осях. При этом происходят движения: вращательное - хона и колеса; осевое возвратно-поступательное - хона или колеса;
осциллирующее возвратно-поступательное - хона для некоторых типов станков с целью увеличения производительности.
55
Припуск пол хонингование зубьев обычно составляет не более
0,02...0,03 мм на сторону зуба. Для улучшения качества обработки колеса в
каждом конкретном случае следует устанавливать оптимальную величину
припуска, так как повышенный съем его при зубохонинговании приводит к
возникновению дополнительных погрешностей.
В качестве инструмента применяются алмазные или абразивные хоны.
Алмазный хон представляет собой зубчатое колесо, на профильную поверхность зубьев которого нанесен гальваническим методом алмазный слой. Абразивный хон изготавливается литьем в пресс-форму смеси белого эдектрокорунда с эпоксидными акриловыми и полиуретановыми связками.
Жесткими являются эпоксидные и акриловые связки, упругими - полиуретановые. Жесткие связки обеспечивают равномерный съем припуска и
более точную обработку. Эластичные связки способствуют ускорению процесса и некоторому повышению производительности.
В качестве СОЖ используется сульфофрезол или веретенное масло.
Благодаря высокой производительности процесс зубохонингования получил широкое распространение в качестве отделочной операции при массовом производстве шестерен, для снятия забоин и заусенцев, улучшения шероховатости зубьев.
Модели хонинговальных станков приведены в табл. 5.11.
5.5.3. Обкатка, притирка
Обкатка представляет собой процесс совместного вращения обрабатываемого колеса и одного или нескольких рабочих колес под распорной или
окружной нагрузкой. Рабочие колеса обычно имеют высокую твердость, так
как нагрузка при обкатке достигает 5.. .10 МПа. Время ее, кал; правило, составляет 1...2 мин. В результате на рабочих поверхностях зубьев образуется
наклепанный слой, снижается шероховатость, устраняются заусенцы и забоины. В качестве СОЖ применяется сульфофрезол или веретенное масло.
Притирка - это процесс искусственного изнашивания рабочих поверхностей зубьев с помощью абразивной массы. Притирка применяется для ответственных передач с целью уменьшения шума, повышения их плавности и
улучшения пятна контакта.
Притирку осуществляют на специальных станках чугунным зубчатым
колесом или с парным колесом при усилии 100 Н на 1 см длины зуба, В зави56
симости от типов станков при притирке происходят: вращение притира и колеса; осевое перемещение притира или колеса; возвратно-поступательное перемещение притира ИЛИ колеса в радиальном направлении.
Таблица 5.11
Зубохонинговальные станки
Модель станка
5Б913
5А915
Основные характеристики
Диаметр обрабатываемых колес, мм
наибольший
320
500
наименьший
30
140
Наибольший модуль обрабатываемых колес, мм
8
12
Наибольший угол наклона зуба обрабатываемых
45
30
колес, град.
Наибольшая ширина зубчатого венца обрабатываемых
125
150
колес, мм
Наибольшая длина устанавливаемого изделия, им
500
600
Диаметр хона, мм
250
250
Ширина хона, мм
40
40
Расстояние между осями хона я изделия, мм
130...285
150...420
Наибольшее перемещение хонинговалной головки в каж60
80
дую сторону от среднего положения, мм
Величина радиального нагружения, Н
630
800
Величина окружного нагружения, Н∙м
160
160
Частота вращения, мин-1
160...1000 (хо160...500
на)
(изделия)
Число двойных ходов за цикл
1...5
Мощность главного привода, кВт
3,0
3,2
Габаритные размеры, мм:
длина
1600
2260
ширина
1000
1450
высота
2200
1930
Масса, кг
3150 4300
Процесс притирки может осуществляться как при параллельном расположении осей притира и колеса, так и при скрещивающихся осях, причем в
последнем случае повышается производительность.
Припуск под притирку обычно составляет не более 0,05 мм. Материалом для притиров служит мелкозернистый серый чугун СЧ-21 с твердостью
НВ 170...241 или СЧ-15 с НВ 163…229 и микроструктурой мелкопластинчатого графита. Для закрепления зерен абразива в притире необходимо, чтобы
они были немного больше пластинок графита.
57
В качестве притирочной смеси применяется состав из 40% корунда или
электрокорунда зернистостью 25...16 и 60% вазелиновой смазки.
Число зубьев притира не должно иметь общих множителей и быть
кратным числу зубьев притираемого колеса. Обычно притирка производится
при номинальном межосевом расстоянии, поэтому толщина зубьев притира
должна быть уменьшена на 0,05...0,08 мм.
Следует отметить, что в каждом конкретном случае для улучшения качества притираемого колеса нужно установить оптимальную величину снимаемого припуска, так как при ее превышении (обычно свыше 0,05 мм) возникают дополнительные погрешности зубьев.
5.6. Закругление зубьев, формирование фасок, удаление заусенцев
Все переключаемые колеса имеют закругленные торцы зубьев. У косозубых колес на острых сторонах зубьев снимаются фаски. Целесообразно
предусматривать фаски на торцах по контуру зубьев с целью улучшения качества и повышения долговечности, так как при закалке колес без фасок возможны перегрев острых кромок зубьев и образование микротрещин.
В табл. 4.12 приведены применяемые формы закругления зубьев и фасок, даны рекомендации по методам их обработки. Наиболее универсальным
методом является закругление пальцевой фрезой. Однако использование этого метода в массовом производстве затруднено из-за низкой производительности и стойкости инструмента. Применительно к условиям массового производства предпочтительнее метод закругления одновитковыми червячными
фрезами.
58
Таблица 5.12
Способы закругления зубьев, снятия фасок и заусенцев
Форма закругИнструмент
Станок
Область
Преимущества и неления
применения
достатки
Способы закругления
Бочкообразная
Чашечная фреза
А580
Прямозубые
Высокая производис криволинейны5Н580 колеса внешне- тельность и стойми режущими
5IН582 го и внутренне- кость инструмента
кромками
5580
го зацепления
5582
5584
Радиусная
Чашечная фреза 5А580 Прямозубые
Высокая производис криволинейны- 5Н580 колеса внешне- тельность и стойми
режущими 5Н582 го и внутренне- кость инструмента
кромками
5580
го зацепления
5582
5584
Пальцевая фреза
5А580 Прямозубые
Высокая
универ5Н580 косозубые ко- сальность, простота и
5Н582 леса внешнего экономичность; низ5580
и внутреннего кие режущие свой5582
закрепления,
ства, производитель5584
конические ко- ность и стойкость
ВС-80 леса
инструмента
Дисковая фасон- 5Д580 Прямозубые
Простота,
высокая
ная фреза
5В580 колеса внешне- стойкость
инстру5Д582 го зацепления
мента и производительность; глубокое
врезание в торец колеса
Прямой «ломик» Чашечная фреза 5А580 Муфты внеш- Высокая производис прямолинейны- 5Н580 него и внут- тельность и стойми
режущими 5Н582 реннего зацеп- кость инструмента,
кромками
5580
ления
универсальность
51382
5584
Односторонний
Торцевая фреза
5Н580 Зубчатые коле- Высокая производи«ломик»
5Н582 са стартеров
тельность и стойкость инструмента,
универсальность
Способы снятия фасок
Фаска в форме Чашечная фреза 5Н580 Прямозубые и
запятой без об- с криволинейны- 5Н582 косозубые коработки впади- ми
режущими
леса
ны, в форме за- кромками
пятой с обработ- Пальцевая фреза
5Н580
кой впадины, а
5Н582
59
Универсальность,
простота,
низкая
производительность
и стойкость инструмента
также
параллельная профилю зуба с обработкой впадины
Торцевая фреза
5Н580
5Н582
Цилиндрические и конические колеса с
модулем до 5
мм
Фаска,
параллельная зубу, без
обработки и с
обработкой впадины
Два резца
ВС-320
Косозубые цилиндрические
колеса внешнего зацепления
Косозубые цилиндрические
колеса внешнего зацепления
Фаска,
параллельная зубу,
без
обработки
впадины
Фаска,
параллельная зубу, с
обработкой впадины
Любые
Любые
Простота, универсальность; низкая
стойкость инструмента
Две одновитко- ВС-320
Высокая производивые
фрезы- ВС-500
тельность и стойулитки
кость инструмента;
сложность
инструмента
Специальный
Специ- Одновенцовые Высокая производиИнструмент из альный и многовенцо- тельность
двух боковых и
типа
вые цилиндриодного среднего обкат- ческие колеса
зубчатого колеса
ного
внешнего
застанка цепления
III. Способы снятия фасок и заусенцев
Дисковый
5В52О Прямозубые
Универсальность,
абразивный
5Б525-2 цилиндричепростота инструменкруг
5527
ские колеса
та
внешнего и
внутреннего
зацепления
Абразивный
ОС25М Прямозубые
Высокая производичервяк
цилиндричетельность; низкая
ские
колеса стойкость и сложвнешнего
за- ность инструмента
цепления
IV. Способы снятия заусенцев
Детонационная
УстаВсе и иды зуб- Универсальность
взрывная волна
новка
чатых колос и и высокое качество
для
муфт
удаления заусенцев;
термисложность и высокая
ческого
стоимость оборудоудалевания
ния заусенцев
УстаЦилиндричеУниверсальность;
новка ские зубчатые необходимость тщадля
колеса
тельной
промывки
электродеталей
после
химичеэлектро-химической
ского
обработки,
сложснятия
ность
защиты
и
заусеночистки установки и
цев
удаления отходов
60
6. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПРЯМОЗУБЫХ
КОНИЧЕСКИХ КОЛЕС
6.1. Методы обработки
Принципиально все способы нарезания конических колес можно свести
к двум технологическим методам: обкатки и копирования.
При нарезании по методу обкатки сопряженные поверхности зубьев
получаются в результате зацепления нарезаемого зубчатого колеса с производящим колесом, роль которого выполняют режущие кромки инструмента.
Метод копирования применяется при нарезании сравнительно грубых
передач, так как имеются трудности изготовления точного инструмента с фасонным профилем.
В табл. 5.1 приведены сравнительные характеристики применения методов обкатки и копирования для нарезания конических колес с прямыми
зубьями.
6.2. Нарезание зубострогальными резцами и двумя дисковыми фрезами
по методу обкатки
При данном методе нарезания резцы имеют профиль впадины зуба
производящего колеса. В процессе обработки резцам и нарезаемому зубчатому колесу сообщается относительное обкатное движение, воспроизводящее
зацепление нарезаемого и производящего зубчатых колес.
Профиль зубьев производящего колеса имеет форму равнобокой трапеции, как у зубчатой рейки, и его зацепление с коническим колесом аналогично зацеплению рейки с цилиндрическим колесом.
61
Метод
профилирования
зуба
Обкатка
Таблица 6.1
Методы нарезания конических колес с прямыми зубьями
Достигаемые показатели
Рекомендуе- Произво- Точность
ШероховаСпособ наремая область дительМодели
по ГОСТ тость, мкм
зания
применения ность
станков
1758-81
Строгание
Единичное и 25…100
6…8
3,2…1,6
5А26
двумя
зу- мелкосерийс/зуб
5236П
бострогальны- ное
произ5282
ми резцами с водство
5А283
прямолиней5286П
ными
режущими кромками
Фрезерование
Серийное
15…50
7…9
3,2…1,6
5230
двумя спарен- и массовое
с/зуб
5С237
ными диско- производство
5C267П
выми фрезами
5С277П
с прямолиней5С27П
ными
режущими кромками
Круговое про- Массовое
2…5
9…10
3,2
5С268
тягивание дис- производство
с/зуб
5С269
ковой
зубчатых копротяжкой
лес диффе(способ "Рева- ренциалов с
сайкл")
т до 8 мм
Фрезерование
Черновое
5…20
11…12
12,5…6,3
ЕЗ – 11
дисковой мо- нарезание в
с/зуб
ЕЗ - 40
дульной фремассовом
зой
производстве
62
Рис. 6.1. Нарезание комических прямозубых колес по методу обкатки двумя зубострогальными резцами:
а - принципиальная схема станка; б - последовательное расположение резцов по отношению к зубьям нарезаемого колеса
Принципиальная схема станка для нарезания конических колес с прямыми зубьями двумя зубострогальными резцами по методу обкатки представлена на рис. 6.1, а.
Роль условного плоского производящего колеса 1 выполняет люлька 2
с двумя резцами 3, повторяющими одну впадину такого колеса. Нарезаемое
колесо 4 устанавливается в положение, идентичное его зацеплению с плоским производящим колесом.
Люльке 2 и нарезаемому колесу придается согласованное вращение с
помощью кинематической цепи 5 с оборотами, обратно пропорциональными
числу их зубьев. Для обеспечения процесса резцам сообщается возвратнопоступательное движение вдоль торца люльки. Таким образом, при возвратно-поступательном движении резцов происходит нарезание зубьев конического колеса, а при одновременном вращении люльки с резцами выполняется
обкатка зубьев, в результате чего резцами с: прямолинейными профилями
обрабатываются эвольвентные профили колес. Последовательность располо63
жения резцов относительно зубьев нарезаемого колеса представлена на рис.
6.1, б.
В связи с тем, что сразу нарезается только один зуб, люлька и колесо
поворачиваются на угол, обеспечивающий полное нарезание зуба. Затем следует отвод колеса от резцов, поворот его и люльки в обратную сторону.
Станки, работающие по такому принципу, должны осуществлять движения: возвратно-поступательное (главное) - резцов: обкатки - согласованное
вращение люльки и нарезаемого колеса; подвода и отвода нарезаемого колеса к резцам; деления - периодический поворот колеса для нарезания следующего зуба.
Точность нарезания зубьев колеса возможна лишь при правильной
установке заготовки по отношению к центру станка О. Центром станка О
называется точка, в которой пересекаются оси: люльки ОО1, шпинделя бабки
изделия ОО2 и вертикальная О, вокруг которой поворачивается стол 6 вместе
с нарезаемым колесом. С центром станка О должна совпадать вершина
начального конуса нарезаемого колеса и проходить через его плоскость, в которой движутся резцы.
Рис. 6.2. Схемы производящего колеса при нарезании конических колес с прямыми
зубьями:
а - плоское производящее колесо; б - плоско вер шинное производящее колесо
В зависимости от расположения нарезаемого и производящего колес
различают две схемы нарезания:
а) теоретически точная схема плоского производящего колеса (рис. 6.2,
а), когда нарезаемое зубчатое колесо 1 установлено относительно плоскости
П, перпендикулярной оси вращения люльки 2, под углом начального конуса
. При этой схеме режущие кромки движущихся резцов совпадают с плоско64
стями, образующими боковые стороны зуба плоского производящего колеса.
Это приводит к тому, что производящие колеса, по которым нарезаются парные шестерня и колесо, при наложении друг на друга совпадают, как модель
с формой. Нарезанные таким способом зубчатые колеса являются теоретически правильно сопряженными;
б) схема плосковершинного производящего колеса (рис. 6.2, 6), когда
поверхность его выступов является плоскостью П, перпендикулярной оси
вращения данного колеса.
В этом случае производящие колеса, по которым нарезаются парные
шестерня и колесо, не являются взаимно дополняющими, т. е. не вкладываются одно в другое, что приводят к увеличению кривизны профиля зуба. Однако это отклонение сравнительно невелико, и поэтому нарезание по схеме
плосковершинного производящего колеса позволяет получить зубчатые колеса хорошего качества. Кроме того, проще конструкция станка дли нарезания по этой схеме, что способствует наиболее частому ее использованию.
6.3. Нарезание двумя дисковыми фрезами по методу обкатки
Нарезание по данному методу отличается высокой производительностью за счет применения многорезцового инструмента, а также возможности
нарезания колес из целой заготовки без предварительной прорезки. В зависимости от типа применяемых фрез нарезаемые колеса могут иметь простую
или бочкообразную форму зуба. Для получения бочкообразной формы зуба
фрезы изготовляют с поднутренними режущими кромками.
Принципиальная схема станка для нарезания конических прямозубых
колес двумя дисковыми фрезами не отличается от схемы станка для нарезания двумя зубострогальными резцами. Отличие лишь в том, что роль режущего инструмента выполняют две синхронно вращающиеся фрезы, прорезающие одну впадину зубьев. Расположение дисковых фрез относительно
зубьев нарезаемого колеса показано на рис. 6.3.
65
Рис. 6.3. Последовательное расположение дисковых фрез по отношению к зубьям
конического прямозубого колеса, нарезаемого по методу обкатки
Ввиду того, что нарезание осуществляется без подачи вдоль зуба, дно
нарезаемой впадины получается вогнутой формы. Величину Н стрелки дуги, образующей дно впадины, можно приближенно определить по формуле
Н  b2 cos  / 8rи,
где b - длина зуба нарезаемого колеса; rи - радиус фрезы; a - угол зацепления.
Степень бочкообразности определяется величиной отвода на концах
зуба, который может быть рассчитан по формуле
s  tgδ b 2 / 4  rи2  rи ,
где  - угол поднутрения.
Наладка станка для нарезания конических колес с прямыми зубьями по
методу обкатки включает такие последовательно осуществляемые операции,
как: настройка барабана подач, установка - углов поворота сегментов, угла
люльки, положении фрезерных суппортов, угла поворота плиты бабки детали, осевой бабки детали; настройка — смещения стола, скорости резания, гитары деления, гитары обкатки и редукции.
У дисковых фрез, применяемых для нарезания конических колес с прямыми зубьями по методу обкатки, режущие кромки могут располагаться либо на плоскости, перпендикулярной оси вращения, либо на конической поверхности. При наличии угла поднутрения  режущие кромки располагаются на конической поверхности, что приводит к бочкообразности формы зуба
нарезаемых колес. Резцы головки имеют задний угол a = 10....12°, передний
 = 20°. Заточка резцов производится по передней поверхности.
66
В комплекте, состоящем из двух фрез, одна должна быть праворежущей, другая - леворежущей.
Параметры дисковых фрез, применяемых для обработки колес на станках мод. 5С237, 5230 и 5С267П, приведены в табл. 6.2.
Таблица 6.2
Основные параметры дисковых фрез для нарезания конических колес с прямыми
зубьями
Параметры
Модель станка
Модуль нарезаемого колеса, мм
0,5 0,8 1
1,5
2
3
4
6
8
Наружный диа5С237,
5П23,
метр фрезы
5С267П, 5230
Высота режущей 5С237, 5С267П,
5230
Ширина носика 5С237, 5С267П,
5230
Угол поднутрения 5С237, 5С267П,
5230
150 150 150
275 275 275
2,5 4
150
275
6,5
150
275
8
0,2 0,32 0,4
0,6
1
4º
-
4º
-
4
-
3°20' 1º40'
5°
5°
150 150 150
275 275 275
10 12 15
150
275
18
1,5
2
3
4
5º
5º
1º30'
1°
Режимы резания при обработке двумя дисковыми фрезами приведены в
табл. 6.3.
Таблица 6.3
Режимы резания при нарезании прямозубых конических колес двумя дисковыми
фрезами
Длина
Скорость ре- Время обработки зуба, t,
Обработка
зуба, мм
c/зуб
зания, табл,
м/мин
Модуль, мм
4
5
6
7
8
Предварительная без обкатки
20
35
12 15
16
30
15 18
20
40
18 20
22
Однократная окончательная
20
Простой способ с обкаткой (для
30
45
10 12 16 24
28
колес с углом начального конуса
40
12 16 20 28
32
45°)
16 20 24 32
33
20
45
18 22 26
32
Комбинированный способ (вре30
22 26 32
38
зан с последующей обкаткой для
40
26 32 38
44
колес 45)
Окончательная обработка после
20
45
12 16 20
24
фрезерования
30
16 20 24
28
40
20 24 28
32
Окончательная обработка штам20
35
22 26
30
пованного зуба
30
26 30
34
40
30 34
38
Примечания. 1. Режимы резания даны для колес нормальной точности при обработке в
один переход. 2. Режимы резания рассчитаны на стойкость дисковых фрез Тм = 1500 мин.
67
6.4. Нарезание протяжками по методу копирования
Данный способ разработай фирмой Глисон и назван «Ревасайкл» (рис.
6.4).
Инструмент для нарезания представляет собой наборную фрезупротяжку, составленную из блоков по 4...5 резцов в каждом. Первые 10... 13
блоков черновые, остальные 4...5 — чистовые. Каждая впадина нарезается
отдельно, а затем производится деление на один зуб. При нарезании колесо
остается неподвижным, а фреза вращается, совершая поступательное движение но направлению к образующей внутреннего конуса из положения О1 в О2
и обратно. Черновые резцы имеют боковые и наружные режущие кромки и
вырезают основную массу металла. У чистовых резцов режущие кромки
только боковые, расположенные на переменном расстоянии от их средней
диаметральной плоскости и образующие винтовую поверхность.
Рис. 6.4. Схема нарезания конических колес с прямыми зубьями по методу
кругового протягивания
За один оборот протяжки производится полная обработка впадины. Делительный поворот нарезаемого колеса происходит в момент нахождения
против колеса сектора фрезы-протяжки, свободного от резцов.
68
По сравнению со всеми известными способами нарезания конических
прямозубых колес данный способ позволяет получить наиболее высокую
производительность. Время обработки зуба составляет 1,5...6 с. Однако
вследствие технологических затруднений профили зубьев фрезы-протяжки
выполняются приближенно по дугам окружностей, вследствие чего данный
метод применяется только в тех случаях, когда требования к точности нарезаемых колес невысоки.
Режимы резания при обработке методом протягивания приведены в
табл. 6.4.
Таблица 6.4
Режимы резания при нарезании прямозубых конических колес
методом протягивания
Обработка
Модуль, Скорость резания ,
Время обработки
мм
м/мин
одного зуба t, с/зуб
Однократная окончательная
4
35
3
5
30
3,5
6
28
4
7
25
5
8
20
6
Окончательная
6
30
3,5
после предварительной
7
28
4
8
25
5
Примечание. При недостаточной жесткости станка скорость резания нужно уменьшать на
20%, а время обработки одного зуба увеличивать на 20%. 2. При обработке на приведенных режимах резания нормализованной стали 20ХНМ стойкость Тм = 1000 мин.
Машинное время при нарезании конических прямозубых колес двумя
дисковыми фрезами, двумя зубострогальным и резцами или круговой протяжкой равно
То = t /60,
где tz - время на обработку одного зуба, с.
6.5. Погрешности конических колес с прямыми зубьями
При изготовлении конических зубчатых колес с прямыми зубьями возможно появление различных погрешностей (табл. 6.5).
Пятно контакта конических колес с прямыми зубьями характеризуется
такими параметрами, как длина, высота, месторасположение и форма.
69
Длина и высота пятна контакта задаются в процентах соответственно
от длины и рабочей высоты зуба. Пятно контакта должно располагаться таким образом, чтобы при контроле под низкой нагрузкой оно было несколько
смещено к носку зуба.
Рекомендуемые приемы наладки станка для исправления пятна контакта конических прямозубых колес, нарезаемых двумя дисковыми фрезами по
методу обкатки, приведены в табл. 6.6.
Таблица 6.5
Погрешности конических зубчатых колес с прямыми зубьями
Вид обработки
Погрешность
станка
инструмента
наладки
Накопленная погрешность шага Fpr, отклонение шага fptr
Нарезание
двумя Радиальное и осеНеточный
подбор
дисковыми фрезами вое биение фрезерсменных шестерен цепо методу обкатки
ных шпинделей
пи деления
Неточность кинеОтжатие бабки издематической цепи
лия
взаимосвязанного
Неточность и нестаповоpoтa шпинделя
бильность установки
изделия
относибабки изделия в работельно
обкатной
чем положении
люльки (цепи обкатка - деление)
Погрешность обката зубцовой частоты fсr
Радиальное и осе- Погрешность про- Недостаточный угол
вое биение фрезер- филя и установки качания люльки (угол
ных шпинделей
резцов резцовой го- обката)
ловки
Нарезание
зуНакопленная погрешность шага Fpr, отклонение шага fptr
бострогальными
Неточный
подбор
резцами по методу
сменных шестерен цеобкатки
пи деления
Отжатие бабки изделия
Неточность бабки изделия в рабочем положении
Погрешность обката зубцовой частоты fсr
Погрешность про- Недостаточный угол
филя резца
качания люльки (угол
обката)
70
Таблица 6.6
Исправление пятна контакта конических колес с прямыми зубьями
Характер пятна
контакта при проПоправки в наладке
Способ нарезания верке на контроль- Способ исправления
станка
но-обкатном станке
Двумя дисковыми
Пятно на пятке зу- Срезать пятку
Выдвинуть
фрезерфрезами по методу ба
ный шпиндель. Увеобкатки
личить угол конусности впадин
Пятно на носке зу- Срезать носок
Выдвинуть
внутрь
ба
фрезерный шпиндель.
Уменьшить угол конусности впадин
Пятно на головке Срезать головку
Уменьшить
передазуба
точное число обкатки
или подвинуть вперед
бабку изделия, пододвинув стол назад
Пятно на ножке Срезать ножку
Уменьшить
передазуба
точное число обкатки
или подвинуть назад
бабку изделия, пододвинув стол вперед
Тонкий зуб
Увеличить толщину Уменьшить угол козуба
нусности впадины
Толстый зуб
Уменьшить толщину Увеличить угол козуба
нусности впадины
Пятно
контакта Срезать головку
Увеличить
угол
смещено на одном
наклона фрезерного
профиле на головшпинделя
ку
Пятно
контакта Срезать ножку
Уменьшить
угол
смещено на ножку
наклона фрезерного
«»хромой контакт»
шпинделя
Зубострогание
Пятно на пятке зу- Срезать пятку
Верхний резец подба
нять вверх и уменьшить угол установки
ползунов
Нижний резец опустить вниз и уменьшить угол установки
ползунов
Пятно на носке зу- Срезать носок
Верхний резец опуба
стить вниз и увеличить угол установки
ползунов
Нижний резец опу71
Пятно
зуба
на
ножке Срезать ножку
Пятно на головке Срезать головку
зуба
72
стить вверх и увеличить угол установки
ползунов
Увеличить
осевую
установку заготовки
Изменить передаточное отношение гитары
обката
Изменить
профильный угол резцов
Уменьшить
осевую
установку заготовки
Изменить передаточное отношение гитары
обката
Изменить
профильный угол резцов
7. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА КОНИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ
КОЛЕС С КРУГОВЫМИ ЗУБЬЯМИ
7.1. Методы обработки
Принципиально все способы нарезания конических колес можно свести
к двум технологическим методам: обкатки и копирования.
При нарезании по методу обкатки сопряженные поверхности зубьев
получаются в результате зацепления нарезаемого зубчатого колеса с производящим колесом, роль которого выполняют режущие кромки инструмента.
Метод копирования применяется при нарезании сравнительно грубых
передач, так как имеются трудности изготовления точного инструмента с фасонным профилем.
В табл. 7.1 приведены сравнительные характеристики применения методов обкатки и копирования для нарезания конических колес с круговыми
зубьями.
7.2. Нарезание резцовыми головками
Большинство конических колес с круговыми зубьями нарезается по методу обкатки. При этом сопряженные поверхности зубьев получаются в результате зацепления нарезаемого колеса с производящим колесом. В связи с
тем, что зубья нарезаемого колеса должны быть расположены по дуге
окружности, производящее колесо должно иметь такие же круговые зубья,
входящие с ними в зацепление.
При нарезании конических колес с круговыми зубьями роль производящего колеса станка выполняет вращающаяся люлька, в которой расположены шпиндель и резцы резцовой головки, режущие кромки которых описывают коническую поверхность, являющуюся боковой поверхностью зуба такого колеса. При обкатке производящему и нарезаемому колесам сообщается
вращение со скоростями, обратно пропорциональными числу их зубьев.
Принципиальная схема станка для нарезания конических зубчатых колес с круговыми зубьями по методу обкатки представлена на рис. 7.1, а.
73
Таблица 7.1
Методы нарезания конических колес с круговыми зубьями
Достижимые показатели
Рекомендуемая
Метод нарезаМодель
Производи- Точность по
область примеШерохования
станка
тельность, ГОСТ 1758нения
тость Ral мкм
с/зуб
81
Копирование
Чистовое нарекруговой про- 5С261МП зание колес потяжкой с перио5С272Е
луобкатных пе4...8
6...7
3,2...1,6
дическим деле5С262Е
редач в серийнием
5Б232
ном и массовом
производстве
Копирование
Черноное нареврезанием рез5С272Е
зание
колес
3,2... 1,6
цовой головкой
5С262Е
средне- и круп5...15
8...9
с периодичес5Б231
номодульных
ким делением
передач
Обкатка или коЧерновое нарепирование врезание
занием резцовой
среднемодуль5С263 5С273
15...50
7...9
6,3...3,2
головкой с пеных шестерен в
риодическим
массовом проделением
изводстве
Чистовое нарезание
точных
среднемоду5С270П
льных обкатных
5А270В
передач в
20...60
6...7
3,2...1,0
массовом производстве
Чистовое наре5С26Б
зание ведущих
5А26В 527В колес полу обкатных передач
Чистовое нарезание Средне- и
5С280П
крупномо5А284
дульных обкат5С270П
20...60
7...8
3,2...1,6
ных передач в
5А27С4 525
се-рийном
и
528С
массовом производстве
Чистовое нарезание
5С23П
Мелкомоду15... 50
7...8
3,2...1,0
льных
передач
74
Роль установочного плоского производящего колеса 2 выполняет
люлька 1 с резцовой головкой 3. Головка воспроизводит один круговой зуб
плоского производящего колеса. Нарезаемое колесо 4 устанавливается в положение, аналогичное его зацеплению с плоским производящим колесом.
Люльке 1 и нарезаемому колесу придается согласованное вращение с помощью кинематической цепи 5 с оборотами, обратно пропорциональными числу их зубьев.
Для осуществления процесса резания резцовой головке сообщается
вращательное движение. Последовательное расположение резцовой головки
по отношению к зубьям нарезаемого колеса, при котором происходит их обкатка, показано на рис. 7.1, б.
Люлька и нарезаемое колесо поворачиваются на угол, обеспечивающий
полную обкатку зубьев; после чего оно отводится от резцовой головки и совершает поворот вместе с люлькой в обратную сторону.
Рис. 7.1. Нарезание ионических колес с круговыми зубьями резцовой головки по методу обкатки:
а - принципиальная схема станка; б - последовательное расположение резцовой
головки по отношению к зубьям нарезаемого колеса
75
Станки, работающие по такому принципу, осуществляют движения:
вращения - резцовой головки; обкатки - согласованное вращение люльки и
нарезаемого колеса; подвода нарезаемого колеса к резцовой головке и отвода
от нее; деления - периодический поворот колеса для нарезания следующего
зуба.
Процесс нарезания протекает нормально при совпадении вершины
начального конуса нарезаемого колеса с центром станка и прохождении через этот центр плоскости вершин резцов резцовой головки.
Рис. 7.2. Схема производящего колеса при нарезании конических колес с
круговыми зубьями:
а - плоское производящее колесо; б - конусное производящее колесо
В зависимости от расположения нарезаемого колеса и резцовой головки по отношению к оси люльки различают два типа производящих колес.
1) плоское (рис. 7.2, а), когда ось резцовой головки параллельна оси
люльки и плоскости их вращения совпадают. Нарезаемое колесо устанавливается по отношению к плоскости вращения люльки под углом конуса впадин;
2) конусное (рис. 7.2, б), когда нарезаемое колесо вместе с резцовой головкой повернуто по отношению к плоскости вращения люльки на некоторый угол.
76
В зависимости от типа применяемых резцовых головок, наладок станков и требований к качеству нарезаемых колес различают следующие методы
профилирования зубьев:
1) односторонний, при котором каждая сторона зуба нарезается отдельно односторонними резцовыми головками с различными наладками
станка для каждой стороны зуба;
2) поворотный, состоящий в том, что каждая сторона зуба нарезается
отдельно двусторонней резцовой головкой. После обработки одной стороны
зуба кинематическую цепь станка расцепляют и поворачивают нарезаемое
колесо вокруг оси, для нарезания другой стороны зуба;
3) двусторонний, предусматривающий одновременное нарезание обеих
сторон зуба двусторонней резцовой головкой.
Для пары сопрягаемых колес различают следующие методы нарезания:
двойной двусторонний, двойной поворотный, двойной односторонний, поворотно-односторонний (колесо нарезается поворотным методом, шестерня односторонним), двусторонне односторонний (колесо - двусторонним методом, а шестерня - односторонним).
Станки для нарезания конических колес с круговыми зубьями могут
работать как по методу врезания, так и обкатки комбинированным методом.
Для упрощения процесса обработки используются полуобкатные передачи, имеющие упрощенный прямолинейный профиль зуба колеса. Они позволяют нарезать зубья такого же профиля без обкатки — по методу врезания
или кругового протягивания. Это приводит к значительному повышению
производительности нарезания колес при возрастании точности изготовления
вследствие упрощения конструкции станка.
Профиль сопряженной шестерни корректируется таким образом, чтобы
обеспечить правильное зацепление пары.
Полуобкатный метод рекомендуется применять в крупносерийном и
массовом производстве конических передач с передаточным отношением
свыше 2,5.
Основное преимущество полуобкатного метода — повышение производительности чистового зубонарезания колес в 2...5 раз точности на 1...2
степени и долговечности передач.
77
При нарезании ведомых колес полуобкатных передач используются
следующие методы:
- врезание па универсальных станках с повышением производительности до 2 раз;
- круговое протягивание на протяжных станках с повышением производительности до 5 раз.
При нарезании ведущих шестерен полуобкатных передач используются
станки: с наклоном инструментального шпинделя, с модификацией обкатки,
универсальные, имеющие гипоидное смещение нарезаемой шестерни.
Фирмой Глисон разработан вариант полуобкатных передач "Геликсформ", которые имеют более устойчивое положение пятна контакта при
изменении взаимного расположения шестерни и колеса.
Передачи такого типа отличаются тем, что при чистовой обработке
зубьев колеса по методу кругового протягивания протяжка совершает дополнительное поступательное движение вдоль оси, в результате чего каждый резец перемещается вдоль зуба винтовым движением.
Станки для нарезания конических колес с круговыми зубьями по методу обкатки имеют следующие основные кинематические цепи:
1) главную, позволяющую осуществлять вращение резцовой головки с
заданной скоростью резания;
2) подач, дающую возможность управлять движением барабана подач,
что позволяет регулировать время цикла обработки одного зуба;
3) деления, обеспечивающую дополнительный поворот нарезаемого
колеса относительно люльки в конце каждого цикла;
4) обкатки, согласующую вращение люльки с резцовой головкой и
нарезаемым колесом.
Станки для нарезания конических колес с круговыми зубьями по методу врезания не имеют цени обкатки.
Наладка зуборезного станка производится по наладочной карте, в которой должны быть указаны основные размеры нарезаемых колес, технические
характеристики резцовых головок и методы нарезания.
Для расчета наладочных установок зуборезных станков и параметров
резцовых головок применяются следующие методы: табличный, графический, графоаналитический, аналитический (в том числе упрошенный).
78
Преимущество первых трех методов - относительная простота расчетов
и меньшая трудоемкость по сравнению с аналитическими методами; недостатком является длительная отладка зоны касания.
Аналитические методы расчета позволяют получать зону касания, более близкую к желаемой и по размерам, и по форме. Однако эти методы трудоемки, требуют достаточно высокой квалификации расчетчика, причем и в
данном случае не гарантируется абсолютная точность.
Трудоемкость методики расчета для полуобкатных передач во много
раз выше, чем для обкатных передач.
Таблица 7.2
Точность, достигаемая при нарезании конических колес с круговыми зубьями на
зуборезных станках (по ГОСТ 9152-83)
Проверяемый параметр
Наибольший диаметр
Допуск для станков классов
обрабатываемых зубча- точности, мкм
тых колес, мм
П
В
Точность положения профиДо 125
65
40
лей соседних зубьев, с
Св. 125 до 200
40
25
« 200 « 320
32
20
« 320 « 500
25
16
Св. 500
20
12
Точность положения профиДо 125
160
100
лей зубьев на всей окружноСв. 125 до 200
100
65
сти, с
« 200 « 320
80
50
« 320 « 500
65
40
Св. 500
50
32
Шероховатость обработанной
До 500
2
1,25
поверхности зуба Rа, мкм
Св. 500 до 1600
2,5
1,6
Специальные резцовые головки для нарезания колес
полуобкатных передач
Для чистового нарезания колес полуобкатных передач применяются
резцовые головки-протяжки (рис. 7.3) с группой получистовых резцов, развод которых возрастает. Затем следует промежуток и начинается резание чистовыми (калибрующими) резцами - внутренним и наружным. За калибрующими резцами находится свободный от резцов промежуток, при прохождении которого деталь поворачивается на один зуб.
79
Таблица 7.3
Погрешности, возникающие при нарезании конических колес с круговыми зубьями
Погрешность
станка
инструмента
наладки
Накопленная погрешность шага Fpr, отклонение шага fptr, биение зубчатого венца Frr
Недостаточное усилие за- Неточная установка резцо- Радиальное и торцевое биежима.
вой головки - отсутствие ние заготовки.
Радиальное и осевое биение плотной посадки на поса- Увеличенный припуск под
шпинделя резцовой голов- дочный конус с упором на чистовое нарезание.
Касание вершинами чистоки.
торец.
вых резцов дна впадины.
Неточность
кинематичеНеточность и нестабильской цепи взаимосвязанного
ность установки каретки до
порота шпиндели изделия и
жесткого упора.
люльки (цепи обкатка - деНеточная установка оправки изделия с плотной поление).
садкой па посадочный конус с упором в торец.
Погрешность обката зубцовой частоты fcr
Радиальное и торцевое бие- Неточность установки ре- Неправильный угол профиние шпинделя резцовой го- жущих кромок резцов рез- ля резцов .
ловки
цовой головки в одной Неполное профилирование
плоскости (биение, «веер»). зуба из-за недостаточного
угла обката.
Несовпадение середины угла качания с серединой
цикла.
Повышенная шероховатость на боковой поверхности зубьев в виде срезов за каждый
оборот резцовой головки
Неточная установка резцо- Нежесткое крепление резвой головки (отсутствие цовой головки.
плотной посадки на поса- Неточность установки редочный конус с упором в жущих кромок резцов резцовой головки после устаторец).
новки головки на станке.
Режущие кромки резцов
расположены под разными
углами относительно оси
вращения ("веер").
Различная высота резцов в
резцовой головке.
Повышенная шероховатость на боковой поверхности зубьев в виде беспорядочных
срезов
Забоины на сменных ше- Недостаточно
жесткая Различная высота резцов в
стернях обкатки и деления
оправка детали
резцовой головке.
Зазоры в подшипниках ваНедостаточный зазор в залов сменных шестерен децеплении сменных шестеления и обкатки
рен деления, обкатки и качания люльки.
Ослабление
тормозного
действия в червячном колесе и люльке.
80
Заточка резцовых головок производится по передней поверхности резцов, после чего обязательно контролируется передний угол. Проверяются
также заданные перепады расположения режущих кромок между соседними
зубьями.
Фирмой Глисон разработана конструкция чистовой резцовой головки
"Хардак". Эта конструкция отличается лучшим центрированием на шпинделе
станка и повышенной точностью изготовления базовых поверхностей резцов
и подкладок. Винты для крепления резцов расположены под углом 10° к поверхности опорного горца, что улучшает базирование резцов на опорной поверхности.
Рис. 7.3. Резцовая головка-протяжка для чистового нарезания колес
полуобкатных передач:
1 - чистовые резцы; 2 - получистовые резцы
81
7.3. Подбор пар и притирка конических зубчатых передач
В результате деформации в процессе термической обработки зубчатых
колес возникает рассеяние параметров по пятну контакта, боковому зазору и
уровню шума в собранных передачах. Поэтому для конических передач с
круговыми зубьями обязательным условием качественного их изготовления
является подбор в пары с соответствующей притиркой. В дальнейшем при
эксплуатации подобранные пары остаются сопряженными друг с другом, и
замена одного из зубчатых колес в них не допускается.
Подбор в пары производится после термической и окончательной обработки базовых поверхностей. Как правило, перед подбором в пары колеса
проверяет ОТК по геометрическим параметрам.
Пары подбирают на контрольно-обкатных станках, которые рекомендуется устанавливать в помещении, защищенном от постороннего шума.
Подобранные конические зубчатые колеса устанавливают на номинальном базовом расстоянии. На их зубья наносят тонкий слой краски. Колеса приводятся во вращение в обе стороны под низкой нагрузкой, создаваемой
тормозом контрольно-обкатного станка. Вначале выявляют по шуму и удаляют забоины с поверхности зубьев с помощью ручной шлифовальной машинки или абразивным бруском. Затем увеличивают или уменьшают базовое
расстояние шестерни и находят наилучшее рабочее положение по пятну контакта, уровню шума и боковому зазору. Если подобранные пары предназначены для последующей притирки, то отклонения от номинального базового
расстояния, полученные на контрольно-обкатном станке (фактическое базовое расстояние, гипоидное смещение), и порядковый номер пары временно
маркируют на зубьях шестерни и колеса или прикрепляют бирку.
Если во время подбора пар перед притиркой выявлена резкая разница в
расположении зоны касания, их сортируют по группам с различным расположением зоны касания или по величине полученного базового расстояния
шестерни. Для каждой группы пар производят специальную наладку притирочного станка или его подналадку. Если базовое расстояние или гипоидное
смещение отличаются от номинального более чем на 0,25 мм, такие колеса
притирать не рекомендуется.
Если пары не подвергаются притирке, их подбор осуществляется путем
замен шестерни и колеса до тех пор, пока не будут обеспечены требуемые
пятно контакта и уровень шума.
82
Притирка осуществляется па специальных станках (мод, 5П725М,
5П725Е, 5П726ФЗ), обеспечивающих совместное вращение сопряженных
зубчатых колес с легким торможением, автоматическое изменение взаимного
положения шестерни и колеса и подачу абразивной смеси в зону зацепления
(табл. 6.4). Станок мод. 5П726ФЗ выполнен с числовым программным управлением и имеет более широкие технологические возможности. При изменении взаимного положения шестерни и колеса обеспечивается притирка на
всей поверхности зуба. Обычно происходят следующие движения: вертикальное - шестерни или колеса для продольного перемещения пятна контакта; горизонтальное вдоль оси шестерни - для перемещения пятна контакта по
высоте зуба; осевое s направлении оса колеса - для сохранения бокового зазора s передаче.
Таблица 7.4
Зубопритирочные станки для конических колес с круговыми зубьями
Модель станка
Основные характеристики
5П725М
5П725Е
5П726ФЗ
Наибольший диаметр обрабатываемого зубчатого ко500
500
800
леса, мм
Модуль, мм
2,5...8
2,5... 10
5...16
Расстояние от оси ведомого шпинделя до торца веду- 150...300 150...300
200...450
щего, мм
Расстояние от оси ведущего шпинделя до торца ведо- 145...250 145... 250
200…400
мого, мм
Угол между осями шпинделей, град
90
90
90
Гипоидное смещение оси ведущего шпинделя относительно оси ведомого, мм
вверх
70
100
160
вниз
70
100
160
Число двойных (осциллирующих) ходов за один цикл
8
8...20
2...99
Частота вращения ведущего шпинделя, мин
1365
12... 1500
1500
Продолжительность цикла притирки, с
20...180
2...20
0,7...40
Мощность главного привода, кВт
3.0
5.5
6.5
Габаритные размеры, мм
длина
1945 1490 1540 1480
2185
ширина
1870
1810
2132
высота
1860
Масса, кг
4100
4800
7120
Величины перемещений определяют опытным путем. В качестве абразива при притирке применяют карбид кремния, карбид бора и электрокорунд
зернистостью 3....6. Жидкостью служит масло СЭЛ-1, которое поддерживает
83
абразив во взвешенном состоянии и легко смывается при последующей мойке. Применяют состав из 45% абразива и 55% масла. Припуск на операцию
притирки обычно не оставляют. Время процесса составляет 4....12 мин и подбирается опытным путем. Так же определяется величина тормозного момента. Существенным фактором для качественной притирки является поддержание однородного состава абразивной жидкости. Для этих целей применяют
специальные агрегаты, обеспечивающие смешивание абразива и жидкости,
подогрев и подачу смеси к притирочным станкам.
Фирмой Глисон разработан усовершенствованный метод притирки
"периметрик", заключающийся в том, что притирка происходит путем чередования четырех различных циклов, выполняемых по заданной программе.
Вначале происходит притирка вдоль зуба по двум разным циклам, а затем в
зоне головки я ножки зуба. При каждом цикле автоматически изменяются
гипоидное смещение, монтажные расстояния, тормозной момент и число ходов. Метод "периметрик" удовлетворяет практически любым требованиям
притирки.
После притирки снова подбирают пары на контрольно-обкатном станке. У подобранных пар маркируют отклонения от поминального базового
расстояния или фактическое базовое расстояние на шестерне, а на колесе величину бокового зазора. Порядковый номер пары помечают на колесе и
шестерне или на бирке. Иногда детали связывают проволокой. Зубья колеса и
шестерни, используемые при измерении бокового зазора, также маркируют
(чаще всего знаком «X»).
Основные характеристики контрольпо-обкатных станков для конических передач приведены в табл. 7.5; нормы точности контрольно-обкатных
станков — в табл. 7.6.
Таблица 7.5
Контрольно-обкатные станки для конических передач
Основные характеМодель станка
ристики
5Б720
5В722
5Г725
5Д725
5Б726
Наибольший диаметр проверяемых
125
200
500
500
800
колес, мм
Наибольший
модуль проверяемых
2,5
8
10
10
16
колес, мм
Наибольшее
рас225
550
стояние
между
84
5А727
1600
30
880
осями при контроле
цилиндрических
передач, мм
Угол между осями
шпинделей, град.
Наибольшее гипоидное
смещение
оси
ведущего
шпинделя относительно оси ведомого, мм:
вверх
вниз
Расстояние от оси
ведомого шпинделя
до торца ведущего
при межосевом угле 90º, мм
Наименьшее
и
наибольшее расстояния от оси ведущего шпинделя до
торца ведомой при
межосевом
угле
90°, мм
Конус ведущего и
ведомого шпинделя
45…180
90
45…180
90
0…180
0…180
32
32
0…140
50
60
65…160
125
125
120…380
125
125
150…300
200
110
100…560
400
250
230…1100
0…140
50…160
0…180
100…200
0…1260
0…760
Морзе
0, 2, 4
Морзе 6
Метрический 100
Метрический 100
2160
1750
1900
4500
2330
1725
1900
6290
Частота врашения 600...1000 1200/800
ведуРегулирование чис- Бесступен- Двухскола оборотов ведучатое
ростным
щего шпинделя
двигателем
Мощность главного
привода, кВт
Габаритные размеры, мм:
длина
ширина
высота
Масса, кг
0,9
1,8/2,1
1000
850
1380
990
1540
1100
1550
1700
Ø153, конусность
1:20
630/1260 300...3000 220/450
626/1260
Двухско- Бесступен- Шкивами и
ростным
чатое
двухскодвигателем
ростным
двигателем
2,2/3,6
6,5
6,0/9,0
85
2990
2640
1905
6550
Ø153, конусность
1:20
200/400
800
Шкивами и
двухскоростным
двигателем
7,5/14
3600
2950
2000
7100
Таблица 7.6
Нормы точности контрольно-обкатных станков для конических колес
(по ГОСТ 16473-80)
Отклонения
Наибольший диаметр
Допуск, мкм,
контролируемого
для станков класса точности
зубчатого колеса, мм
П
В
Торцевое биение ведущеДо 200
4
3
го и ведомого шпинделей
Св. 200 до 500
5
4
« 500 « 800
6
4
Радиальное биение конического отверстия ведуДо 125
5
3,3
щего и ведомого шпиндеСв. 125 до 200
5
3,3
лей:
« 200 « 500
6
4
а) у торца
« 500 « 800
8
5
б) на расстоянии, мм
До 125
6
4
75
Св. 125 до 200
5
3
150
« 200 « 500
10
7
150
« 500 « 600
12
8
Перпендикулярность осей
ведомого и ведущего
шпинделей (для станков с
постоянным углом между
осями, равным 90°) на
расстоянии, мм
75
До 125
6
5
100
Св. 125 до 800
12
10
Параллельность направления перемещения
шпинделей соответствующим осям горизонтальной и вертикальной плоскостей на расстоянии, мм
75
До 125
12
8
150
Св. 125 до 200
16
10
200
« 200 « 500
20
12
300
« 500 « 800
25
16
86
7.4. Зубошлифовальные станки для конических колес
Основные характеристики зубошлифовальных станков для конических
колес представлены в табл. 7.7.
Таблица 7.7
Зубошлифовальные станки для конических колес
Модель станка
Основные характеристики
58П70В
5А871
58К70В
5А872В
58К71А
Тип зубьев коничеПрямые
Круговые
ских колес
Наибольший
диаметр обрабатывае320
500
425
500
800
мых колес, мм
Наибольший модуль
обрабатываем колес,
8
10
6
14
140
мм
Наибольшая ширина
венца обрабатывае32
80
50
125
мых зубчатых колес,
мм
Число обрабатывае15…100
10…100
5…150
мых зубьев
Режим шлифования
10…530
2250…3150
10…30
10…30 м/с
10…30 м/с
-1
м/с
мин
м/с
Диаметр
шлифо160,200
275
250, 315
100…250
100…250
вального круга, мм
400,500
Мощность главного
3
4
3
4
3
привода, кВт
Габаритные размеры, мм
длина
3515
2690
3515
3460
3380
ширина
1970
1750
1970
2600
2430
высота
1715
2100
1715
2115
2355
Масса, кг
8500
10500
8500
13300
10300
87
8. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ОБРАБОТКИ ЗУБЧАТЫХ
КОЛЕС ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ
8.1. Способы накатывания зубьев
Процесс накатывания зубчатых венцов колес основан на технологическом методе пластических деформаций. При уменьшении межосевого расстояния инструмент-заготовка зубья инструмента вдавливаются в более мягкий металл заготовки, который начинает течь, заполняя впадины зубьев, и в
процессе обкатывания формирует зубья венца колеса. В зависимости от конкретных условий, физических характеристик металла заготовки, инструмента, относительного объема вытесняемого металла, прочности и жесткости системы, требуемое число циклов взаимодействия инструмента и заготовки
может меняться в значительных пределах.
Формирование зубчатого венца должно сопровождаться определенными кинематическими условиями, связывающими движения заготовки и инструмента и обеспечивающими получение профиля зуба колеса по методу
обката или копирования с дополнительным обжатием металла, которое происходит при внедрении зуба инструмента в заготовку. Глубина внедрения на
один оборот заготовки закономерно связана со способом накатывания.
Все способы накатывания зубчатых венцов колес, применяемые в промышленности, можно классифицировать и зависимости от:
а) состояния заготовки (горячее и холодное, либо горяче-холодное);
б) накатного инструмента (накатывание рейками, накатниками, роликами);
в) направления подачи инструмента или заготовки (осевое, радиальное,
тангенциальное).
Межосевое расстояние инструмент—заготовка в станочном зацеплении
может быть постоянным или переменным. Все перечисленные выше особенности способов так или иначе взаимосвязаны, и поэтому классификация по
какому-либо одному признаку будет неполной. Более полная классификация
- по двум и более признакам (например, холодное накатывание с осевой подачей заготовки).
88
8.2. Горячее накатывание цилиндрических колес
Горячее накатывание зубьев применяют при изготовлении колес средних (1...3.5 мм) и крупных (свыше 3,5 мм) модулей.
Горячее накатывание позволяет повысить коэффициент использования
металла, улучшить механические характеристики зубчатого колеса, является
высокопроизводительным и выполняется на довольно простом оборудовании.
Нагрев заготовки может быть предварительный, производимый перед
началом накатывания зубьев, или же продолжающийся в процессе изготовления зубчатого венда. Нагрев наружной поверхности заготовки производят
токами высокой частоты. В первом случае используют кольцевые индукторы
с высоким электрическим к. п. д. и неизменными электрическими параметрами. Заготовку следует нагревать с таким расчетом, чтобы тепла хватило на
поддержание высокой температуры в течение всего процесса накатывания.
Верхний предел температуры составляет примерно 1200 ºС.
Заготовку в процессе накатывания зубьев нагревают секторными индукторами, состоящими из одного или двух секторов. Глубина нагрева должна составлять около двух модулей. Индукторы позволяют менять зазоры
между заготовкой и индукторам. Полукольцевой индуктор с регулируемым
лазорам, разработанный НИИТВЧ, применяли при накатывании колес с диаметром более 300 мм и шириной венца более 50 мм.
Главный недостаток горячего накатывания - низкая точность накатываемых колес (9...10-й степени), что объясняется не совсем надежной синхронизацией движения инструмента и чрезмерно развитой кинематической цепью станков.
Горячее накатывание цилиндрических зубчатых колес может осуществляться по двум схемам.
На рис. 8.1, а представлена схема пруткового способа накатывании. Заготовка накатывается двумя накатниками при постоянном межосевом расстоянии. Заготовки 1 устанавливаются стопкой и зажимаются в подвижном
суппорте. Затем стопка заготовок приводится во вращение от накатников 2,
связанных между собой дополнительным зубчатым колесом 3. Нагрев заготовок осуществляется индуктором 4 до 1100...1150 С, затем заготовки подаются в зону вращающихся накатников, которые формируют зубья. Скорость
89
подачи заготовки согласуется со скоростью нагрева заготовки в индукторе до
температуры накатывания.
На рис, 8.1, б представлена схема штучного способа накатывания. Заготовка накатывается двумя накатниками с радиальной их подачей к заготовке.
Вращение заготовки 1 и накатников 2 синхронизировано с помощью кинематической цепи. Заготовку предварительно обрабатывают по торцам, наружной поверхности и посадочному отверстию. На накатном станке она зажимается двумя стаканами 3, затем приводится во вращение и нагревается индуктором до 1100...1150 °С. После этого включается механизм сближения накатников и производится обжатие заготовки. Для ограничения бокового течения
металла применяются диски-реборды 4. Накатники сближаются до заданного
межосевого расстояния. Точность зубчатого венца после накатывания, составляет около 0,3 мм по радиальному биению и 0,2 мм - по погрешности
профиля.
Зубонакатный стан ЗПС-120 служит для накатывания прямых, косых и
шевронных зубьев венцов колес на заготовках диаметром 30...200 мм с шириной венца 60 мм (прутка 120 мм) и модулем до 3,5 мм.
Стан ЗПС-350 применяют для горячего накатывания зубчатых венцов
колес диаметром 120...320 мм, с шириной венца до 40 мм и модулем зубьев
до 7 мм. Суппорт одного из накатников в стане неподвижен, а заготовка совместно с кареткой и подвижным накатником в процессе накатывания зубьев
сближаются. Перед началом накатывания зубьев венца штампованная заготовка обкатывается (калибруется по диаметру) гладкими валками.
90
Рис. 8.1. Методы горячего накатывания зубчатых колес:
а - по схеме пруткового способа; б - по схеме штучного способа
Стан ЗПС-450 служит для накатывания зубчатых венцов колес, диаметр которых 300...600 мм с модулем зубьев до 6,5 мм. Кинематическая схема его аналогична кинематической схеме стана ЗПС-350.
8.3. Горячее накатывание конических колес с круговыми зубьями
Горячее накатывание крупномодульных конических колес производится по схеме, представленной на рис. 8.2. В качестве инструмента применяется
коническое производящее колесо 1. Синхронизация вращения заготовки 2 и
инструмента осуществляется с помощью конической прямозубой передачи 3.
Заготовка под накатывание обрабатывается по наружной поверхности и отверстию. После ее установки на шпиндель накатного стана происходят
91
нагрев заготовки от индуктора, затем осевая подача инструмента с формированием зубьев. Боковое течение металла зубьев ограничивается двумя коническими ребрами 4 и 5. Точность зубчатого венца после накатывания составляет 0,35…0,4 мм.
Рис. 8.2. Схема горячего накатывания крупномодулъных конических
зубчатых колес
8.4. Холодное накатывание зубчатых колес и шлицев
Основные схемы холодного накатывания
Холодное накатывание используют при изготовлении зубчатых колес с
модулем до 2,5 мм, а также шлицев с модулем до 3,5 мм.
Этот способ дает возможность значительно повысить производительность формообразования зубчатых профилей, коэффициент использования
металла, получить волокнистую структуру и существенно улучшить механические характеристики. Применение этого метода наиболее эффективно в
условиях массового производства. Промышленностью освоен ряд схем и методов холодного накатывания зубчатых профилей.
Из зарубежных технологий для холодной накатки зубчатых колос
наиболее известны методы накатывания:
 планетарными головками на станках фирмы Еrnst Grob (Швейцария);
92
 реечным инструментом на станках Roto Flo (разработка фирмы Michigan Tool Co, США);
 - двумя сегментами с внутренними зубьями – метод WPM (разработка
ПНР);
 - цилиндрическим инструментом (разработка фирмы Escofier, Франция,
и фирмы Bad Duben, Германия).
В отечественной практике применяются станки конструкции Минского
ПКТИ, работающие но схеме накатки двумя затылованными инструментами,
а также станки конструкции ЭНИМС и АНИТИМ, использующие метод продольной накатки профилей в многороликовой головке.
Методы накатки можно разделить на два вида: поперечная накатка путем обката (Roto Flo, WPM, схемы Минского ПКТИ, Escofier) и продольная путем копирования (Ernst Grob, АНИТИМ, ЭНИМС).
Метод импульсного планетарного накатывания разработан фирмой
Ernst Grob (рис. 8.3). Оно осуществляется двумя накатными головками, расположенными на противоположных сторонах и вращающимися в обратных
направлениях. В головках установлены накатные ролики, профиль которых
соответствует профилю впадины зуба обрабатываемого колеса. Вращение
роликов планетарное, причем за каждый полный оборот головки любой ролик контактирует с обрабатываемой поверхностью только один раз. Ролики
синхронно внедряются в обрабатываемую поверхность, при этом скорость
вращения накатных головок согласована с числом зубьев обрабатываемого
колеса. Одновременно заготовка подается в осевом направлении для формообразования профиля на всей ее длине.
Рис. 8.3. Метод импульсного планетарного накатывания
93
В зависимости от числа зубьев и глубины профилирования возможны
два варианта вращательного движения шпинделя изделия: прерывистое и непрерывное. Прерывистое вращение применяется при обработке зубчатых колес с незначительным числом зубьев и сравнительно большой высотой профиля. Специальное делительное приспособление останавливает шпиндель
изделия в момент контакта обрабатываемой поверхности с роликами. Непрерывное вращение обрабатываемого изделия применяется при формообразовании зубчатых колес, имеющих большое число зубьев и сравнительно небольшую высоту профиля. В этом случае вращение шпинделя не прерывается во время контакта роликов с обрабатываемой поверхностью, а для компенсации относительного движения между роликами и обрабатываемым колесом накатные головки устанавливают под углом. Поскольку при обработке
используются две накатные головки, суммарная подача за каждый оборот заготовок равна удвоенной подаче одного ролика. Фасонное его ребро имеет
симметричную или асимметричную форму, в зависимости от того, четное
или нечетное число зубьев накатывается на заготовке. Шлицевый зал с т = 2
мм и z = 22 на длине 100 мм накатывается за 1,7 мин.
Способом холодного накатывания могут быть обработаны практически
все детали с пределом прочности до 1000 мН/м2 и относительным удлинением более 9 %. Точность обработанных зубьев соответствует 7...8-й степени по
ГОСТ 1643-81, а производительность обработки повышается по сравнению с
зубофрезеровавием в 5...6 раз. Причем производительность зубонакатывания
в данном случае ограничивается скоростью вращения накатных головок, а не
допустимыми скоростями резания, как это имеет место при обработке резанием.
Накатывание на станках фирмы Ernst Grob получило широкое распространение за рубежом при изготовлении эвольвентных и прямозубых шлицев, значительно меньше используется при накатывании прямозубых шестерен и не применяется при изготовлении шестерен с косыми зубьями.
Достоинство метода Ernst Grob - возможность накатывания деталей с
малыми углами давления (менее 20°), недостатки - невозможности накатки
закрытых венцов и относительно низкая стойкость накатного инструмента.
Метод WPM - накатывания инструментом, с внутренней формирующей
поверхностью. В качестве инструмента применяется сегмент зубчатого колеса с внутренним зацеплением. Во время работы каждый сегмент перемещается параллельно, при этом происходит периодическое соприкосновение ин94
струмента с заготовкой и формирование зубьев. После формообразования
следует фаза холостого хода, во время которого заготовка перемещается на
величину осевой подачи.
Этот метод рекомендуется применять для накатывания зубчатых венцов с модулем до 3 мм и диаметром до 120 мм. Исходная твердость заготовки
не должна превышать 200 ИВ. Производительность составляет 40...90 деталей в час, в зависимости от длины накатываемых профилей.
Накатывание двумя сегментами с внутренними зубьями позволяет
осуществить накатку в одном направлении при сохранении симметричной
системы сил относительно оси накатываемой детали.
Преимущество метода - благоприятная схема напряженного состояния
вследствие увеличения коэффициента высотного перекрытия при накатывании инструментом внутреннего зацепления, возможность получения шлицев
большой длины. Недостатки метода - сложность кинематики станков, низкая
стойкость инструмента, а также сложность изготовления самого инструмента
с внутренними зубьями.
Метод накатывания реечным инструментом. Главным рабочим движением при накатывании зубьев по этой схеме является поступательное перемещение реек в противоположных направлениях. Высота зубьев по длине
накатных реек распределяется на три основных участка: формирующий, калибрующий и разгрузочный. Ширина зубчатых реек равна ширине накатываемого зубчатого венца.
По этому принципу работают станки модели Roto-Flo фирмы Michigan
Tool Co. Рейки установлены на ползунах, приводимых в движение гидроцилиндрами. Скорости их перемещения синхронизированы посредством пары
эталонных реек. Точность накатываемого изделия достигается за счет прецизионного изготовления накатных реек. Калибровка зубьев у накатываемой
детали, как правило, выполняется за два ее оборота. Данный способ и оборудование применяются только при накатывании зубчатых профилей в холодном состоянии. Накатывание готовой детали производится за один ход реек
(3-5 с) в одном направлении. Поэтому станки автоматизируются для обеспечения высокой степени их использования.
Инструментальные рейки имеют длину до 1240 мм. На этих станах изготавливаются шлицы длиной до 102 мм на валах диаметром от 12,7 до 50,8
мм. При использовании цилиндрических реек длина шлицев достигает 305
мм. Шлицы накатывают как на сплошных, так и на полых заготовках. Произ95
водительность составляет 200...300 деталей в час. Способ рекомендуется
применять для деталей с диаметром до 90 мм и шириной до 120 мм. По этому
методу накатываются только эвольвентные профили. Точность заготовки под
накатывание должна быть по наружному диаметру в пределах 0,03-0,05 мм, а
готовой детали - 0,02 мм по погрешностям профиля и направлению зубьев,
0,03...0,05 мм - по радиальному биению.
Достоинства метода - высокая производительность и достаточно высокая точность накатываемых деталей. Станки, работающие по этому способу,
конструктивно просты и отличаются повышенной жесткостью. Недостатки
метода - высокая стоимость изготовления инструментальных прецизионных
прямых реек, ограничения в использовании способа по накатываемому модулю до 1,5 мм, диаметру деталей и ширине зубчатого венца.
Рис. 8.4. Метод продольного накатывания радиально расположенными роликами
Продольное накатывание шлицев (рис. 8.4). Метод продольной накатки
шлицев заключается в следующем: стержневая цилиндрическая заготовка,
установленная в центрах, проталкивается через многороликовую обойму.
Число и расположение накатных роликов в обойме соответствует числу и
расположению шлицев накатываемой летали. Созданы и применяются два
типа станков для продольной накатки шлицев:
- станки конструкции ЭНИМС;
- станки конструкции АНИТИМ,
96
В станках конструкции ЭНИМС заложен принцип однопроходного
накатывания, в станках конструкции АНИТИМ накатка осуществляется за
несколько рабочих ходов.
С точки зрения точности накатываемых деталей и стойкости накатного
инструмента станки конструкции АННТИМ более совершенны и им следует
отдать предпочтение.
Недостатки метода — высокие требования по обеспечению стабильности значений твердости по сечению заготовки в пределах ИВ 5-10 и ограничение верхнего предела числа зубьев. Поэтому в настоящее время шлиценакатные станки данного типа используются в основном для накатывания
шлицев числом до 12.
Методы поперечной накатки, с обкатом имеют несколько разновидностей, основными являются:
- накатка с постоянным межосевым расстоянием;
- накатка двумя цилиндрическими накатниками с радиальной подачей
одного из роликов;
- накатка двумя цилиндрическими накатниками с постоянным межосевым расстоянием z осевой подачей заготовки;
- накатка двумя цилиндрическими накатниками с тангенциальной подачей. При методе поперечного накатывания с постоянным межосевым расстоянием (рис. 8.5) заготовки прокатываются между двумя накатниками.
Процесс деформирования аналогичен методу Roto Flo. Накатники имеют повышающийся профиль зубьев, что обеспечивает формообразование накатываемого профиля. Калибрующий участок накатника позволяет получать требуемую точность. Движение накатников синхронизировано кинематической
цепью накатного стана. Производительность несколько выше, чем при использовании метода Roto Flo, так как не требуется дополнительное время на
возвратное движение инструмента, и составляет 250...350 деталей в час. Данный метод применяется при накатывании эвольвентных профилей. Рекомендуется использовать для деталей с модулем до 2 мм диаметром до 50 мм.
Точность накатанного зубчатого венца соответствует 9...10-й степени по
ГОСТ 1643-81.
Схема накатки двумя цилиндрическими накатниками с радиальной подачей заготовки подобна аналогичному способу накатки резьбы. Станки, работающие по схеме Накатки двумя цилиндрическими накатниками с радиальной подачей, по конструкции и принципу действия аналогичны резьбо97
накатным станкам. Они имеют две накатные головки, одна из которых установлена неподвижно, а вторая перемещается на поперечных салазках с помощью гидроцилиндра. Подобно резьбонакатным станкам, шпиндели станков для накатки имеют наружные опоры, предотвращающие их прогиб к
процессе накатки, общий электромеханический привод, обеспечивающий одновременность вращения рабочих роликов, и устройство для независимой
регулировки поворота шпинделей в целях установки зубьев инструментов
относительно друг друга.
Следует отметить низкое качество накатываемых по данной схеме
зубьев ввиду наличия значительных закатов на головках и зажимов RO впадинах и по профилям зубьев.
Рис. 8.5. Метод поперечного накатывания при постоянном межосевом расстоянии
По этой схеме работают станки фирмы BAD DUBEN (ФРГ), предназначенные для холодного накатывания резьб, ходовых витков и зубчатых колес. Фирма выпускает гамму станков для различных типоразмеров деталей,
наиболее мощные станки позволяют создавать усилие накатки до 800 кН и
накатывать детали диаметром до 220 мм при длине до 300 мм.
Схема накатки двумя или тремя накатными роликами с осевой подачей
осуществляется при постоянном межосевом расстоянии.
Накатники представляют собой цилиндрические зубчатые колеса с конической заборной частью, осуществляющей формообразование профиля.
В отличие от накатных станков с двумя роликами, в которых оба
накатника являются приводными, в станках, работающих по трехнакатниковой схеме, приводным является лишь один накатник, а два других получают
98
вращение от синхронизирующей шестерни, находящейся на одной оси с
накатываемой заготовкой.
Схема накатывания цилиндрическими накатниками с тангенциальной
подачей заготовок основана на накатке со свободным делением заготовки
между двумя накатниками, имеющими различные окружные скорости, причем разность скоростей создает тангенциальную составляющую перемещения заготовки через накатники.
Станки, использующие данную схему накатки, состоят из 3-4 пар
накатников, в которых последовательно выполняются асе стадии процесса:
деление заготовки, формирование зубьев (1-2 пары), калибрование зубчатого
венца.
9. ТЕРМИЧЕСКАЯ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА
ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
9.1. Способы термической и химико-термической обработки
Долговечность деталей силовых передач определяется совершенством
конструкции, выбором материала, способами получения заготовок и их последующими механической и термической обработками, химикотермической или другой упрочняющей обработкой деталей, качеством сборки узла, условиями нагруженности и эксплуатации, рядом других факторов.
Во многих случаях выход из строя деталей силовых передач происходит от
усталости их материала.
Особенно это свойственно наиболее нагруженным деталям силовых
передач - зубчатым колесам и эвольвентным шлицевым валам, для которых
характерны усталостные разрушения от изгибкой нагрузки при небольшом
количестве циклов (в отдельных случаях - при однократном нагружеиии) и
при длительной циклической работе: при контактном нагружеиии, от торцового износа. Потери работоспособности зубьев от ударных нагрузок при переключениях передач характерны не только для реверсируемых шестерен, но
и для зубчатых муфт.
В меньшей степени работоспособность ответственных зубчатых колес
трансмиссий, поверхность которых упрочняется обычно химикотермической обработкой (ХТО), реже термической обработкой на твердость
в пределах 200  НВ  350 и индукционной поверхностной закалкой ТВЧ,
99
определяют износ и заедание, одной из основных причин которых является
погрешность изготовления и сборки, нарушение технологических процессов
упрочнения, некачественная (или неправильно выбранная) смазка и т. а.
Развитие явления усталости в конструкционных сталях зависит от многих причин: металлургических дефектов материала (флокенов, волосовин,
неметаллических и шлаковых включений и т. п.) и расположения волокна;
качества механической и упрочняющей обработки; формы изделия и его точностных характеристик; поверхностного легирования и упрочнения; дефектов поверхности; местной деформации и пр. Поэтому для обеспечения долговечности при конструировании детали должны быть учтены как условия ее
работы я испытываемые эксплуатационные нагрузки, так и технология изготовления, включая особенности:
- горячей пластической деформации заготовок,
- механической обработки,
- термической обработки,
- химико-термического или другого вида упрочнения,
- поведения детали в процессе изготовления и обработки.
Последнее вызывает необходимость более полно, чем это рекомендуется нормами, принятыми в промышленности, учитывать влияние технологической наследственности сталей на прочностные и усталостные характеристики и долговечность зубчатых колес.
Сопротивление усталости снижают надрезы, острые кромки, выточки,
галтели. Наличие подрезов, недостаточные радиусы скруглений приводят к
образованию дефектов при термообработке из-за локальных напряжений, а
также местной концентрации напряжений при эксплуатации деталей. Отсутствие закруглений торцевых кромок зубьев может привести к их повышенному насыщению углеродом (азотом) при химико-термической обработке и к
образованию сколов. Для термоулучшаемых ответственных деталей понижение эксплуатационных показателей возможно из-за деформации под действием нагрузок, износа опорных поверхностей, элементов сопряжения, поверхностей трения, которые во многих случаях дополнительно подвергают
закалке ТВЧ.
В общем случае требования, предъявляемые к ответственным деталям
силовых передач, которые должны быть обеспечены для данной конструкции
правильным выбором материала, технологией изготовления и упрочнения,
определяются условиями их эксплуатации.
100
Значительное расширение технологических возможностей в связи с
быстрым совершенствованием оборудования, процессов изготовления,
упрочнения и контроля деталей, внедрение в производство принципиально
новых технологий приводит к тому, что обеспечение долговечности ответственных деталей во многих случаях определяется упрочняющей обработкой, формирующей окончательную (рабочую) структуру материала деталей и
их поверхностных слоев, и тем самым предельные характеристики сопротивления усталости. Установлено также, что стабилизация упрочняющей обработки ответственных деталей и их размерной точности понижает влияние
межплавочного и межпартионного рассеяния свойств и долговечности, последнее из которых в основном связано с различными отклонениями на
предшествующих стадиях технологии изготовления (формообразующей горячей пластической деформации, предварительной термической обработки и
т. п.).
Сведения о материалах стальных зубчатых колес и способах их термической и химико-термической обработки приведены в табл. 9.1. Из таблицы
видно, что большая группа зубчатых колес подвергается улучшению (нормализации) или закалке с высоким отпуском и последующей местной упрочняющей обработке участков, требующих повышенной износостойкости (активные поверхности зубьев, места посадок и т. п.), которая осуществляется в основном потоке механических цехов.
Главную группу представляют высоконапряженные детали (зубчатые
колеса, шлицевые валы), подвергаемые химико-термической обработке. Поэтому при дальнейшем изложении большее внимание уделено тому, какие
прочностные свойства следует ожидать при обработке конструкционных материалов, и сведениям о предельных характеристиках сопротивления усталости, достигаемых после различных способов упрочнения. Отдельно выделены высоконапряженные детали силовых передач, подвергаемые химикотермической обработке, что обусловлено сложностью структурного состояния их материала, обеспечивающего характеристики сопротивления усталости, прочности и др.
Как было показано выше, зубчатые колеса в зависимости от назначения
и требований к прочности и надежности подвергаются различным видам
термической и химико-термической обработки. Наиболее широкое применение при производстве зубчатых колес получили цементация, азотирование,
улучшение и закалка зубьев после индукционного или газоплазменного
101
нагрева в качестве финишных упрочняющих операций. В качестве предварительной термической обработки заготовок зубчатых колес перед механической обработкой обычно применяются нормализация, улучшение или изотермический отжиг. Заготовки, изготовленные электрошлаковым переплавом, должны проходить противофлокенную термическую обработку.
Таблица 9.1
Материалы и методы упрочнения ответственных зубчатых колес редукторов
и силовых передач изделий машиностроения
Условия рабо- Твердость Толщина Эффективная
Материал
Метод упрочты зубчатых
поверх- упрочнен- толщина слоя
нения
колес
ности,
ного слоя до регламенНRСэ
тированной
твердости
МалонапряНВ
Сквозная
45,40Х, 40ХМ, Объемная заженные с мак- 17285
прокали40ХФА, 35ХМА, калка:
симальными
ваемость
35ХРА, 40ХНМА - высоким отнапряжения40ХГТР, 50ХФА, пуском
ми: при изгибе
50ХМ
(улучшение);
3238
- средним отF  250 МПа
пуском,
при контакте
4652
- низким отН  1050
пуском
МПа
40Х, 40ХМ,
Объемная
5058
40ХФА, 35ХМА, ступенчатая
35ХРА, 40ХНМА закалка
40ХГТР, 50ХФА,
50ХМ
40Х,
40ХМ,
Изотермиче4246
40ХФА,
ская ступенча35ХНМА, 35ХРА, тая закалка
40ХНМА,
40ХГТР
Средненапря20Х, 18ХГТ,
Цементация с
5460
(0,200,25) но менее 0,2т
женные с макдо 500 HV
20ХГР, 25ХГТ, последующей
т
симальными
12ХН2А
шкалкой и
напряжениянизким отпусми:
ком
при изгибе
5660
(0,150,20) не менее 0,15т 25ХГТ, 25ХГМ, Нитроцемендо 500 HV
35Х, 15ХГНТА тация с послеF = 250400
т
дующий
заМПа
калкой и низпри контакте
ким отпуском
Н = 1100 
1500 МПа
2 0X3 МВФ,
Азотирование
550750 (0,100,13)
ЗОХЗМФ. 40ХФА
HV
m
102
38Х2МЮА
750950
HV
5460
60Х, 60ХМ, 60ХВ Поверхностная закалка с
нагревом
в
ТВЧ
55ПП
5862
4858
Высоконапряженные с
максимальными напряжениями:
при
изгибе F =
400500 МПа
при контакте
Н = 1500 
l800МПа
Особонапряженные с максимальны-ми
напряжениями:
при изгибе
F = 500700
МПа
при контакте
Н
=18002100
МПа
5863
6063
Азотирование
2-3 мм ниже впадины зуба
(0,200,25)
т
(0,200,25)
т
40Х, 40ХМ,
35ХМ, 40ХН2МА
Цементация с
последующей
закалкой и
низким отпуском Нитроцементация с
последующей
закалкой и
низким отпуском
(0,08-0,1) т
20ХЗВФА,
Цементация с
до 800 НV 16ХЗНБФМВ,13Х последующей
(0,12-0,15)т
ЗНВМ2Ф,
закалкой и отдо 750 HV
13ХЗНЗМ2ВФБ, пуском при
(0,15-0.2)т 20Х2Н4М2ФСЮ 180-350 °С
до 700 HV
(старением)
(0,2-0,22)т
до 600 НV
(0,08-0,1)m
до 750 HV
(0,12-0,15)т
до 700 HV
(0,2-0,22)т
до 600 HV
20ХНЗА,
20ХН2М,
12Х2Н4А,
20Х2Н4А,
18Х2Н4ВА,
20ХГНР.
20ХГНТА,
15ХГН2ТА
9.2. Термообработка до нарезания зубьев
Основными факторами, определяющими выбор стали для этих колес,
являются прокаливаемость и обрабатываемость. Твердость стаи после термической обработки следует выбирать тем ближе к наивыгоднейшей по обрабатываемости, чем больше размеры (диаметр и ширина) зубчатого венца колеса
и выше точность его изготовления.
Твердость материала зубчатых колес этой группы обычно составляет
НВ 200-280 и не превышает НВ 350. Для изготовления таких зубчатых колес
используют нелегированную и легированную сталь с содержанием 0,3-0,5%
103
С (марки 40, 45, 50, 50Г, 40Х, 45Х, 40ХН, 35ХМА, 50С2Г и др.), подвергаемую улучшению или нормализации.
Для получения заданных механических свойств конкретную марку стали для зубчатых колес, подвергаемых улучшению или нормализации, следует
выбирать с учетом размеров их сечений.
Применение улучшенных зубчатых колес обеспечивает высокорентабельные технологии изготовления и обеспечивает хорошую прирабатываемость сопряженных деталей. Однако нагрузочная способность таких зубчатых колес существенно ниже, чем закаленных, и поэтому их применяют преимущественно в индивидуальном и мелкосерийном производствах, а также в
передачах, вес и габаритные размеры которых не ограничены. Нормализацию
применяют преимущественно для колес больших размеров, в частности для
крупных литых колес.
9.3. Термообработка после нарезания зубьев
Для средне- и высоконапряженных зубчатых передач применяют колеса с твердостью поверхности зубьев HRC 40-64. Такой твердости зубьев достигают объемной закалкой с последующим низким отпуском, азотированием, цианированием и нитроцемеитацией, поверхностной закалкой (обычно с
индукционным нагревом поверхностного слоя ТВЧ),
Твердость сталей в закаленном состоянии (на мартенсит) определяется
содержанием углерода. Твердость закаленных сталей, существенно отличающихся по степени легированности, имеет близкие значения 750...800 HV
при содержании углерода свыше 0,5% С {% по массе). При более низких содержаниях углерода твердость несколько выше у более легированных инструментальных сталей. Последнее обусловлено тем, что на твердость могут
оказывать некоторое влияние легирующие элементы и повышение скорости
охлаждения при закалке (.сверх критической скорости закалки).
С повышением температуры отпуска свыше 160-200 С твердость углеродистых и среднелегированных конструкционных сталей падает практически по линейному закону. Падение твердости зависит от температуры и продолжительности отпуска.
Твердость является структурно-чувствительным свойством конструкционных сталей, позволяющим судить о механических и усталостных характеристиках металла упрочненных деталей (табл. 9.2).
104
Таблица 9.2
Зависимость между твердостью и механическими характеристикам конструкционных стадий после закалки и отпуска
HRC
HV
Н/мм2
ан, Дж/см2
в, Н/мма
, %
, %
_
220
700
500...700
22…30
65...72
200...300
21
240
800
600...700
20...26
62...75
160…220
25
260
900
700..800
18...22
60...70
120...180
32
315
1000
800...900
16...20
57...65
90...140
З4
350
1100
900..1000
15...18
55...72
70...120
38
380
1200
960..1100
13....16
52...60
60...120
41
400
1300
1000..1200
12...16
50...57
40…100
45
420
1400
1050...1300
31...15
48...55
40...80
49
480
1500
1150...1400
10...14
45...52
30…70
Примечание. ННС, - твердость по Роквеллу (шкала С); HV - твердость но Виккереу; в предел прочности при растяжении; -1 - предел выносливости при симметричном знакопеременном цикле изгиба;  - относительное удлинение при разрыве;  - относительное сужение при разрыве; ан - ударная вязкость.
Допускаемые контактные напряжения в зубьях приблизительно пропорциональны твердости материалов, а максимально допустимые по контактной прочности нагрузки и моменты пропорциональны квадрату твердости.
Сопротивление усталости при изгибе (-1) возрастает с увеличением
содержания углерода до  0,25 % (и соответственно по твердости до HV 400450 и в = 1500-1600 МПа) до значений -1 = 700-800 МПа;
Износостойкость незакаленной углеродистой и легированной стали
возрастает пропорциональной твердости, а закаленной - по линейному закону, но менее интенсивно;
Противозадирная стойкость стали зависит как от твердости, так и от
микроструктуры поверхностного слоя.
Зависимость предельных изгибных и контактных напряжений для конструкционных сталей от поверхностной твердости и способа упрочнения
приведены в табл. 9.3.
105
Таблица 9.3
Характеристики сопротивления усталости после различных способов упрочнения
Тип стали
Обработка
HV
Flim, Н/мм2
lim, Н/мм2
Легированные
улучшение
200...350
570...920
200…400
Улучшаемые
жидкостное или га400...500
770...1200
350...650
зовое азотирование
Нормализованные
плазменная или ин250...400
980...1370
500...650
дукционная закалка
Специальные азоти- газовое азотирование
1150...1450
700…850
руемые
Легированные
цементация и нитро400..600
1250... 1650
650...850
цементация
Примечание. Flim - предел выносливости при изгибе, lim - предел контактной выносливости.
9.4. Объемная закалка, улучшение и нормализация зубчатых колес
Для изготовления объемно-закаливаемых зубчатых колес применяют
углеродистую и легированную сталь, содержащую 0,35-0,5% С (марки 45,
40Х, 40ХН, 35ХМА, 35ХРА, 40ХНМА и др.).
Максимально возможная твердость стали после закалки с низким отпуском зависит в основном от содержания углерода и в частности для стали с
0,3, 0,4 и 0,5% С составляет соответственно HRCmax 55; 60 и 65.
Ударная вязкость объемно-закаленной стали повышается при введении
в нее Ni, Mo, V и Si и снижается при введении Сr и Мn, а также при повышении содержания углерода более 0,3%. Поэтому на практике для высоко
напряженных зубчатых колес, работающих с ударными нагрузками, применяют стали марок 40ХН и 40НМА.
Объемной закалке, улучшению и нормализации подвергаются зубчатые
колеса из конструкционных сталей, вес и габариты которых строго не ограничены в связи с тем, что нагрузочная способность таких деталей существенно ниже, чем у закаленных ТВЧ или химико-упрочненных. Метод объемной закалки универсален и широко применяется как для зубчатых колес из
нецементуемых конструкционных сталей, так и деталей после диффузионного насыщения поверхности углеродом (цементации), углеродом и азотом
(нитроцементации, цианирования), азотом (азотирования).
Нагрев при закалке проводится в камерных или шахтных электропечах,
а также соляных электрованнах. В качестве охлаждающей среды при закалке
легированных сталей применяют масло или расплав солей. Для увеличения
закаливающей способности расплава в него вводится вода.
106
Выбор охлаждающей среды для конкретной детали зависит от требований, предъявляемых к ее твердости, и размеров поперечного сечения, характеризуемого характеристическим размером Dэкв, рассчитываемым по размерам наиболее массивной детали, на которой требуется получить заданную
твердость. Если в детали несколько массивных частей, то Dэкв определяется
для каждой из них и из полученных значений выбирается максимальное. Основные режимы закалки и отпуска деталей с различным эквивалентным размером из применяемых сталей, упрочняемых объемной закалкой с охлаждением в масле, расплаве солей, в том числе с добавлением воды, и на воздухе.
В общем виде более точные данные при расчете прогнозирования глубины
прокаливаемости деталей сложной формы могут быть получены на основании не только определения их характеристического размера, но и кривых
прокаливаемости для конкретной марки стали.
Следует отметить, что сквозная прокаливаемость зубчатых колес необходима лишь в отдельных случаях, когда это диктуется условиями их эксплуатации, а также при необходимости проведения правки в процессе закалки, если коробление детали в результате термической обработки превышает
допустимое.
При закалке деталей, подвергаемых правке, охлаждение в свободном
состоянии (в масле, расплаве солей или на воздухе) проводится до температуры начала мартенситного превращения. Дальнейшее охлаждение до температуры окружающей среды, сопровождающееся мартенситным превращением, проводится в прессе или приспособлении.
Закалка с охлаждением в расплаве солей, в том числе с добавлением в
него воды, довольно широко применяется на заводах благодаря ряду существенных преимуществ перед закалкой с охлаждением в масле: повышается
вязкость стали, исключаются в ряде случаев операция низкотемпературного
отпуска и образование трещин, обеспечивается более высокая поверхностная
твердость на деталях больших сечений, что снижает потребность в высоколегированных сталях.
В станкостроении применяется расплав солей состава 55% KNO3 и 45%
NaNO2, содержащий 0,2-1,2% Н2О; температура его поддерживается в интервале 180-350 °С. Воду вводят при помощи специального приспособления при
обязательном перемешивании расплава сжатым воздухом.
В индивидуальном и мелкосерийном производствах при изготовлении
малонагруженных передач и передач, габариты которых строго не ограниче107
ны, зубчатые колеса подвергаются преимущественно объемной закалке с отпуском на разные температуры, нормализацию применяют в основном для
колес большого размера, например, для крупных литых зубчатых колес.
9.5. Поверхностная закалка с индукционным нагревом
Для повышения усталостной прочности и износостойкости улучшенных и нормализованных зубчатых колес в машиностроении широко применяется поверхностное упрочнение с закалкой после нагрева ТВЧ. Поверхностная твердость, которая достигается после закалки ТВЧ для различных
марок сталей, приведена в табл. 9.4. Зубчатые колеса, упрочненные поверхностной индукционной закалкой, при правильном выборе сталей и режимов
термической обработки обладают высокой изгибной и контактной усталостной прочностью и износостойкостью.
Таблица 9.4
Твердость конструкционных сталей после закалка при ндукционном нагреве ТВЧ
Марка стали Содержание уг- Твердость поверхности в закаленном солерода, %
стоянии, НRС
35
0,35
51...57
45
0,45
55...61
6
0,55
59...63
35Х
0,35
52...57
40Х
0,40
54...59
45Х
0,45
55...61
50ХМ
0,50
55...60
55ПП
0,65
58...63
Поверхностная закалка с индукционным нагревом может осуществляться в двух вариантах:
- поверхностная закалка (при поверхностном нагреве деталей);
- объемно-поверхностная закалка (при глубинном нагреве с преимущественным использованием сталей регламентированной (РП) и пониженной
прокаливаемостн (ПП) типа 47ГТ, ШХ4 и 55ПП.
Наиболее широко применяются следующие способы индукционной закалки, для которых разработана гамма универсальных закалочных станков.
Непрерывно-последовательный способ закалки применяют для зубчатых колес диаметром до 140-150 мм. Нагрев проводят в кольцевом индукторе
при вращении детали и одновременном перемещении ее с равномерной ско108
ростью относительно индуктора. Охлаждение после нагрева в индукторе
проводится водой или эмульсией. В отдельном случае применяется охлаждение в масле.
Одновременный способ нагрева применяют для закалки отдельных
участков деталей, например рабочих профилей зубчатых колес. Нагрев проводится в индукторе, который полностью охватывает упрочняемую поверхность. Необходимая удельная мощность составляет 0,3-0,5 кВт/см2. Охлаждение после нагрева спрейерное.
При закалке одновременным способом нагрев средненапряженных зубчатых колес с модулем зубьев до 3,5 мм на толщину слоя 2-3 мы ниже дна
впадины должен проводиться током частотой 66 кГц, а с модулем от 3,5 до 6
мм - током частотой 8 кГц (зубчатые колеса с большим модулем закалке с
одновременным нагревом не подвергают).
Последовательный способ закалки заключается в поочередной обработке отдельных участков детали и является комбинацией непрерывнопоследовательного и одновременного способа.
Минимальная толщина закаленного слоя при упрочнении этими способами должна составлять: 1,2 мм - для обеспечения требуемого сопротивления
смятию и контактному (усталостному) выкрашиванию и 0;б мм - для обеспечения требуемой стойкости против изнашивания.
Способ обкатки применяется для упрочнения рабочих поверхностей
зубьев крупногабаритных зубчатых колес, для нагрева которых одновременным или непрерывно-последовательным способом мощность генератора недостаточна; способ обкатки заключается в последовательном нанесении закаленных полос на упрочняемую поверхность.
При этом способе деталь, ось которой расположена горизонтально,
вращается со скоростью 2-4 мм/с, а петлевой индуктор с ферритовьш магнитопроводом закреплен параллельно закаливаемой поверхности. Длина активной части индуктора при мощности установки 60 кВт и частоте тока 66 кГц
может достигать 400 мм. Охлаждение при закалке проводится с помощью
спрейера или жидкостью, в которую погружается деталь. Необходимо учитывать, что при этом способе на стыках закаленных полос в результате отпуска образуются зоны с пониженной твердостью (до HRC 30-35).
Закалка способом обкатки проводится на специализированных станках.
109
9.6. Химико-термическая обработка зубчатых колес
Для химико-термического упрочнения тяжелонагруженных деталей в
машиностроении применяют процессы газовой цементации и нитроцементации, вакуумную и ионную ХТО, высокотемпературную цементацию и обработку с насыщением в азотных атмосферах и в кипящем слое. Однако на отечественных заводах и за рубежом для упрочнения высоконапряженных деталей и, прежде всего, зубчатых колес в основном используются цементация и
нитроцементация.
Химико-термическая обработка металлических изделий - это термическая обработка в химически активной среде с целью изменения химического
состава, структуры и свойств поверхностного слоя металла. В результате
ХТО изменяются свойства металлов (твердость, износостойкость, сопротивление усталости, кавитационная и коррозионная стойкость), которые предотвращают схватывание металлов, повышают задиростойкость и долговечность
деталей. В результате ХТО изменяется ряд физических свойств металлов магнитная проницаемость, коэрцитивная сила, теплопроводность.
Химико-термическая обработка, включающая диффузионное насыщение поверхности, закалку и низкий отпуск (старение), обеспечивает высокую
твердость (НRC 58-63) и наибольшую несущую способность поверхностных
слоев зубьев, а также высокую изгибную прочность зубьев.
Для дополнительного повышения твердости поверхностного слоя зубьев колес, работающих без перегрузок, применяют обработку холодом при
температуре -50-55 °С.
Xимико-термической обработке подвергают зубчатые колеса, изготовленные из стали марок 15Х, 20Х, 12ХН, 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А,
15ХФ, 18ХНВА, 18Х2Н4ВА, 18ХНМА, 20ХНМ, 12ХГН, 18ХГМ, 25ХГМ,
18ХГТ, 25ХГТ, ЗОХГТ, 15ХГНТА, 25Х2ГНТА, 15ХГН2ВА, 14ХГСН2МА,
20ХГР, 15ХГНР, 20ХГНР, 20ХГНТР, 25ХГНТР, 40Х, 40ХФА, 38Х2МЮА,
ЗОХЗВА, 30ХЗМФ, 20ХЗМВФ. Низкоуглеродистую сталь марок 15, 20, 30
для цементуемых зубчатых колес применяют редко из-за недостаточной
прочности сердцевины под действием контактных нагрузок (опасности продавливания цементованного слоя при больших нагрузках) и недостаточной
изгибной прочности зубьев.
110
Контактная и изгибная прочность химико-термически упрочненной
стали зависят от свойств поверхностного слоя (насыщения углеродом, микроструктуры, твердости), глубины слоя и прочности сердцевины.
9.7. Азотирование мало- и средненагруженных зубчатых колес
Азотирование - диффузионное насыщение поверхностного слоя металлических изделий азотом при нагреве в соответствующей среде при температуре 450-800 С. Азотирование следует считать наиболее распространенным
методом упрочнения при низких температурах.
По сравнению с цементованной, азотированная сталь отличается более
высокой поверхностной твердостью, большей износостойкостью, в ряде случаев более высоким пределом выносливости, жаропрочностью, коррозионной стойкостью в атмосфере пресной воды и паре, увеличенным техническим
ресурсом магнитопроводов. Азотируемые стали шлифуются и полируются.
Технологические возможности процесса азотирования позволяют создавать на металлах и сплавах поверхностные диффузионные слои различного химического состава, которые в сочетании со свойствами основного металла придают изделиям комплекс механических и физико-механических
свойств, определяющих их эксплуатационную надежность.
По сравнению с цементацией и нитроцементацией, недостатками процесса азотирования являются его продолжительность и возможность образования упрочненных слоев с повышенной хрупкостью.
Среди многочисленных вариантов процесса азотирования в зависимости от агрегатного состояния насыщающей среды наибольшее распространение на машиностроительных заводах получило газовое азотирование. Жидкостное азотирование, несмотря на более высокую производительность, по
сравнению с газовым, в промышленности применяют редко - это связано с
токсичностью используемых солей, сложностью регулирования качества
диффузионного слоя и другими условиями ведения процесса.
Применяемые в производстве азотосодержащие расплавы в основном
содержат активные атомы азота и углерода, которые диффундируют в металл, в результате происходит насыщение не только азотом, но и углеродом.
В данном случае термин азотирование является условным, а процесс называют низкотемпературной нитроцементацией, цианированием, карбонитра111
цией, Tenifer-process (ФРГ), Tiefranding-process (Великобритания, США) и
др.
Технологический процесс изготовления азотированных изделий осуществляется в следующей последовательности: 1) предварительная термическая обработка; 2) механическая обработка (включая шлифование); 3) защита
мест, не подлежащих азотированию (по необходимости); 4) азотирование; 5)
окончательная доводка изделия в соответствии с требования чертежа.
Предварительная термическая обработка заключается в улучшении,
т. е. в закалке и высоком отпуске при 560-650 °С . Во избежание коробления
деталей температура отпуска (или старения) должна быть на 20-40 °С выше
температуры азотирования. Для отдельных марок сталей и групп деталей
вместо улучшения может применяться нормализация.
При изготовлении зубчатых колес и инструмента из сложнолегированных сталей необходимо учитывать возможность получения обезуглероженной поверхности и деформации в процессе предварительной термической
обработки. Поэтому на механическую обработку до азотирования необходимы соответствующий припуск с учетом шлифования, а стабилизирующий
отпуск проводят при температуре на 40-70 ºС превышающей температуру
азотирования в течение 3-10 часов с последующим медленным охлаждением
с печью.
Как правило, при азотировании деталей из сталей перлитного, мартенситного и аустенитного классов размеры деталей увеличиваются, что необходимо учитывать до азотирования.
Местная защита стали от азотирования. Наибольшее распространение получило гальваническое покрытие оловом (лужение) мест, не подлежащих азотированию. Недостатком этого метода является растекание олова по
поверхности детали в процессе насыщения стали азотом. Предварительное
фосфотирование деталей предотвращает движение олова по поверхности и
одновременно позволяет при азотировании увеличить толщину слоя и твердость.
Для местной защиты от азотирования коррозионно-стойких сталей
применяют химическое (толщина 8-10 мкм) или гальваническое (до 30 мкм)
никелирование.
Для защиты стали от азотирования многие заводы используют жидкое
стекло. Детали промывают горячей водой, погружают в жидкое стекло, затем
высушивают при 90-120 °С в течение 1-1,5 ч. При использовании такого спо112
соба отсутствует резкая граница между азотированной и неазотированной
поверхностями.
При высокотемпературном азотировании 1/750-800 ºC) аустенитных
марганцовистых дисперсионно упрочняемых сталей для местной защиты
предложен метод окисления поверхности; нагрев при 650-750 °С в твердом
карбюризаторе или пиролизном газе в течение 3-12 ч (метод В. А. Рудмана и
Е. В. Труниной).
Подготовка деталей к азотированию. Перед азотированием для
предотвращения снижения толщины слоя и "пятнистой" твердости проводят
специальную подготовку поверхности изделий. Поверхность изделий, подлежащих азотированию, обезжиривают для удаления следов масла, эмульсии
электролитическим методом или промывают в органическом растворителе
типа бензин БР-1 "калоша" или в других растворителях, например, МЛ-51,
МЛ-52 (ТУ 82-228-71), КМ-1 (ТУ 38-10706-76), ацетоне.
Коррозионно-стойкие стали перед азотированием подвергают травлению в водных растворах кислот для удаления окисной пленки. Для дипассивации высокохромистых сталей применяют четыреххлористый углерод или
хлористый аммоний, которые можно вводить в рабочее пространство печи.
Применяемое оборудование. Для азотирования используют разные конструкции печей периодического и непрерывного действия. К первым относятся шахтные муфельные и безмуфельные, а также камерные печи, ко вторым - толкательные, карусельные печи. Наибольшее распространение получили шахтные муфельные печи. В муфельных печах рабочий газ поступает в
муфель и не соприкасается с футеровкой и нагревателями, где насыщающий
газ непосредственно контактирует с кладкой печи и нагревателями, если последние не изолированы радиационными трубами. Во всех шахтных печах
осуществляется принудительная циркуляция газа в рабочем пространстве печи. Мощность печи разделена по зонам, что обеспечивает равномерность
температуры в рабочей зоне (±5 °С), состав атмосферы по объему и высоте
рабочего пространства. Печи поставляют в комплекте с газовыми щитами и
блоками управления температурой. Детали загружают в печь, подогретую до
температуры примерно 150 °С. Весь цикл азотирования, включая нагрев, выдержку и охлаждение до 150-250 ºС, проводят при непрерывной подаче аммиака.
Герметичность печей достигается благодаря резиновыми водоохлаждающим уплотнителям между муфелями и крышкой и сальниковым уплот113
нителям вала вентилятора. Между крышкой и шахтой печи имеется песочный затвор. Для удаления воздуха из печного пространства до начала процесса муфель продувают аммиаком или азотом.
Для контроля расхода, давления и степени диссоциации аммиака печи
серии США комплектуют двухпозиционным газовым щитом типа ОКБ 306Л,
которые позволяют контролировать процесс одновременно в двух тиглях.
Современное оборудование позволяет осуществлять азотирование с автоматическим регулированием параметров процесса. Такая технология более
жестко регламентирует качество диффузионного слоя (толщину, твердость,
фазовый состав), которое необходимо для обеспечения оптимальных свойств
упрочненного слоя и служебных характеристик деталей. Программное
управление процессом азотирования по заданным критериям качества обеспечивает получение необходимых эксплуатационных характеристик изделий
при минимальной продолжительности процесса (интенсификация процесса и
оптимизация технологии по критериям качества изделий). Установки с системой автоматического программного управления процессом позволяют во
время насыщения получать и обрабатывать данные о кинетике роста диффузионного слоя и его фазовом составе.
Газовое азотирование (низкотемпературное). При азотировании стали
ниже температуры эвтектоидного превращения железо-углерод в различных
насыщающих средах происходит преимущественная диффузия азота, а строение к фазовый состав диффузионного слоя определяется системой Fe-N.
Упрочнение достигается за счет образования в поверхностном слое изделия
нитридных и карбонитридных фаз и зоны внутреннего азотирования.
Нитридная (карбонитридная) зона оптимального состава и строения
обеспечивает высокую износо-, коррозионно- и задиростойкость, поверхностную твердость, прирабатываемость. Зона внутреннего азотирования увеличивает жаропрочность и сопротивление циклическим нагрузкам (предел
контактной выносливости). Свойства диффузионного слоя во многом определяются структурой зоны внутреннего азотирования (химическим составом,
дисперсностью и распределением в матрице упрочняющих нитридных фаз и
т. п.), а также твердостью и распределением ее по толщине слоя.
Выделение избыточных фаз в зонах внутреннего азотирования происходит аналогично процессам дисперсионного твердения в стареющих сплавах по механизму образования и роста зародышей.
114
При низкотемпературном азотировании независимо от того, в какой
среде производится обработка, происходит преимущественное насыщение
стали азотом, и в диффузионном слое образуются только азотистые фазы.
Углерод (кислород) влияет лишь на формирование нитридной фазы, которая
может быть карбонитридной или карбооксинитридной. Распределение азота
по глубине имеет скачкообразный характер вследствие отсутствия переходных двухфазных слоев.
Высокая твердость азотированного слоя достигается в процессе азотирования и последующего медленного охлаждения. Причем, если при температуре азотировании она не превышает 460 HV, то при охлаждении увеличивается до 1250 HV. Наибольшее увеличение твердости при охлаждении соответствует температурному интервалу 300-400 °С.
Газовое азотирование проводят обычно в атмосфере частично диссоциированного аммиака
2NH3 = N + 3/2 Н2.
Термическая диссоциация аммиака - это процесс, сопровождающийся
образованием ионов в рабочем пространстве печи. Для снижения хрупкости
азотированного слоя и экономии аммиака рекомендуется проводить азотирование в аммиаке, разбавленном азотом, до 70-80 об. % или предварительно
диссоциированным аммиаком (N2 + Н2).
Для активизации процесса в аммиачно-водородную атмосферу вводят
кислород, воздух, углекислый газ и их смеси. Оптимальное содержание кислорода составляет 1-6 л на 10 л аммиака, чаще 4 л на 100 л. При азотировании в аммиачной атмосфере степень диссоциации аммиака при 500-550 °С
составляет 20-40%, при 540-560 °С - 40-60%, при 600-650 ºС - 50-70%.
Степень диссоциации аммиака зависит от температуры процесса и расхода аммиака. В процессе азотирования степень диссоциации, измеряемая
водяным диссоциометром, является условной, так как она отличается от фактической. Фактическая степень диссоциации аммиака по предложению определяется по формуле
а
1  С2
,
1  С2
где а - степень диссоциации аммиака, С2 - концентрация аммиака в отходящих газах, выраженная в объемных долях.
Фактически на машиностроительных заводах измеряется условная степень диссоциации аммиака.
115
Применяются также атмосферы на основе частично диссоциированного
аммиака и углеродосодержащих компонентов (природного и осветительного
газов, эндогаза, продуктов пиролиза, керосина, спирта, синтииа и т. д.). В
настоящее время в промышленности внедряются установки с контрольнорегулирующими системами, позволяющими обеспечить требуемые параметры азотирования - температуру, продолжительность, состав атмосферы, изменять их в соответствии с заданной программой.
Для получения оптимальных физико-механических свойств не следует
стремиться к большой толщине слоя, так как при этом снижается предел выносливости и возрастают деформации (коробление) деталей.
Ионное азотирование. Иногда такой процесс называют иононитрированием или азотированием в плазме тлеющего разряда. Сущность этого метода
заключается в том, что азотируемые изделия подключают к отрицательному
источнику постоянного напряжения (детали играют роль катода, а стенка
контейнера служит анодом). В герметичном контейнере создается разряженная азотосодержащая атмосфера, в качестве которой можно использовать чистый азот, аммиак или смесь азота и водорода. Между катодом и анодом создается высокое напряжение (500-1000 В). В этил условиях происходит
ионизация газа. Образующиеся положительно заряженные ионы азота
устремляются к отрицательному полюсу - катоду. Вблизи катода создается
очень высокая напряженность электрического поля. Ионы азота входят в зону высокой напряженности, разгоняются до больших скоростей и, соударяясь
с деталью (катодом), внедряются в ее поверхность. При этом высокая кинетическая энергия ионов азота переходит в тепловую. В результате деталь за
короткое время нагревается до температуры 470-580 °С, при которой происходит диффузия азота в глубь металла, т. е. идет процесс азотирования. Кроме того, при соударении ионов с поверхностью детали происходит выбивание ионов железа с ее поверхности, что способствует очистке поверхности от
оксидных пленок, препятствующих азотированию. Это особенно важно для
азотирования коррозионно-стойких сталей, у которых такую пассивирующую пленку обычным способом очень трудно удалить.
Ионное азотирование по сравнению с газовым в обычных печах имеет
ряд преимуществ: в 1,5-2 раза сокращается продолжительность процесса,
возможность его регулирования с целью получения азотированного слоя с
заданными свойствами, снижается деформация деталей, возможность азоти116
рования коррозионно-стойких сталей я сплавов без дополнительной депассивирующей обработки.
Таким образом, основными параметрами ионного азотирования, кроме
состава газа, давления, температуры и продолжительности тока, являются
напряжение и плотность тока. При ионном азотировании строение и свойства
азотированных деталей зависят от напряжения между электродами, состава
газовой среды, степени ее разряжения, рабочей температуры, продолжительности процесса взаимного расположения деталей и электродов.
При разработке технологического процесса ионного азотирования рекомендуется расстояние между катодом и анодом не менее 40 мм.
Первые промышленные установки созданы в Германии в 60-е годы
фирмой Kiok der lonen. Известны промышленные установки конструкции
ВНИИЭТО нескольких типоразмеров (НГВ - 6.6/6-И1, НШВ - 9.18/6-И2, НШ
- 20.24/6-И1, ШИВ - 28.7/6-И1) с размером рабочего пространства от 600 до
2800 мм по диаметру и до 2800 мм по высоте.
В отечественной промышленности азотирование в тлеющем разряде
находит применение для разных групп деталей. Используется как отечественное, так и импортное оборудование. Например, на КамАЗе ионному
азотированию подвергают валы и другие детали при 530-540 °С на толщину
слоя 0,25-0,4 мм. Процесс проводят в атмосфере предварительно диссоциированного аммиака. Азотированию предшествует катодное распыление (8-10
ч) при постепенном повышении температуры (140-480 UC), напряжения (150500 В) и снижении давления с 40 до 15-20 Па.
Азотирование конструкционных сталей. Газовое азотирование изделий
из конструкционных, коррозионно-стойких и жаропрочных сталей чаще проводят при 450-600 ºС. Изменение общей толщины слоя при данной температуре Подчиняется параболическому закону. В табл. 9.5 и 9.6 показано влияние температуры и продолжительности азотирования на твердость и толщину
азотированного слоя, сталь 38ХМЮА.
Таблица 9.5
Рекомендуемая степень диссоциации аммиака в зависимости от температуры
процесса азотирования для различных сталей
Марка стали
Температура азотирования, ºС Степень диссоциации аммиака, %
38Х2МЮА, 30Х3ВА,
30Х3МФ, 20Х3МВФ
40Х, 40ХФА, 18ХГТ
500-520;
530-540
490-520
117
20-40;
30-50
15-25
Таблица 9.6
Режимы азотирования в печах
Марка стали
Вариант ре- Температура про- ПродолТолщина
жима азотироцесса, ºС
жительслоя, мм
вания
ность, ч
38Х2МЮА,
1
510
30-35
0,2-0,3
30ХЗМФ
38Х2МЮА
2
1-я ступень 510
15 25
0,4-0,5
2-я ступень 540
3
1-я ступень 510
20
0,6-0,7
2-я ступень 540
40
30Х3ВА
1
510
35-40
0,2-0,3
30-35
20Х3МВФ
2
1-я ступень 510 220
0,35-0,45
я ступень 540
40
0,4-0,5
40Х
1
500
25-30
0,2-0,3
40ХФЛ
2
500
45-50
0,4-0,5
18ХГТ
Твердость поверхности HV
900 1020
850-950
850-950
720-850
750-900
720-800
750-850
500-610
610-700
630-720
Толщина слоя определяется методом измерения микротвердости на нетравленных шлифах с интервалом 0,05 мм. За толщину слоя принимается
расстояние от наружной поверхности до зоны слоя с микротвердостью Н50
370 кгс/мм2.
С увеличением времени выдержки и температуры толщина елок возрастает. Для стали 38ХМЮА наивысшая твердость 1100-1200 HV достигается при температуре азотирования 500-520 °С. С повышением температуры
твердость значительно снижается и при 600 °С составляет 750-800 НV.
Выбор температуры азотирования для изделий из конструкционных
сталей определяется требованиями к толщине слоя и твердости стали. При
высокой твердости и небольшой толщине слоя процесс осуществляют при
низкой температуре, при большой толщине и высокой твердости азотировании проводят по двухступенчатому режиму: сначала при 500-520 °С, а далее
при 540-560 ºС. Это позволяет сократить продолжительность процесса. Повышение температуры азотирования вызывает увеличение коробления и деформации, поэтому для сталей типа 38Х2МЮА температура не должна превышать 540-560 ºС.
Для снижения хрупкости азотированного слоя применительно к деталям простой конфигурации, несклонных к деформации, процесс осуществляют при Й00 "С. При данной температуре уменьшение хрупкости происходит за счет снижения процентного содержания азота в к-фазе, для деталей
118
сложной конфигурации снижение хрупкости слои достигается деазотированием.
Процесс деазотирования проводится после азотирования при температуре 520-560 ºС в течение 3-10 ч, в среде полностью диссоциированного аммиака. В результате деазотирования с поверхности удаляется азот, что
уменьшает хрупкость слоя, одновременно за счет диффузии увеличивается
толщина азотированного слоя. Во избежании дополнительной деформации
температура деазотирования не должна превышать температуру, при которой
проводился процесс азотирования.
Для изготовления деталей, допускающих меньшую твердость поверхности, применяют стали, не содержащие алюминий. Они технологичнее, чем
сталь 38Х2МЮА, имеют пониженную твердость азотированного слоя (650—
950 НУ), высокую износостойкость и большее сопротивление хрупкому разрушению.
В станкостроении для азотирования зубчатых колес применяют стали
40Х, 40ХФА, 18ХГТ. Для тяжелонагруженных деталей машин, работающих в
условиях циклических изгибных или контактных нагрузок, а также изнашивания, азотируют стали 18Х2Н4ВА, 38ХНЗМА, 38ХГМ, ЗОХЗМ,
20ХГН2МФ. Стойкость против образования питтингов у азотированных конструкционных сталей невелика. При повышенных контактных напряжениях
толщина азотированного слоя должна быть не менее 0,4-0,5 мм. Повышение
контактной выносливости возможно при азотировании в пределах 500-700 °С
с последующей закалкой на мартенсит по всему сечению за счет диффузионного подслоя азотистоуглеродистого мартенсита.
Азотирование стали 20ХНЗМФ па глубину 0,15-0,20 мм повысило предел выносливости более чем на 100%. Азотированный слой имеет больший
объем, чем сердцевина, поэтому в поверхности азотированной детали возникают напряжения сжатия, которые повышают предел выносливости.
Высокая коррозионная стойкость азотированных конструкционных
сталей обеспечивается при отсутствии пор в ε-фазе.
9.8. Низкотемпературная нитроцементация и цианирование мало- и
средненагруженных зубчатых колес
Низкотемпературному насыщению азотом и углеродом подвергают детали машин из чугуна, конструкционных, специальных сталей. Предвари119
тельной термической обработкой является нормализация или улучшение.
Поэтому температура нитроцементации (цианирования) для улучшенных деталей назначается с учетом сохранения твердости сердцевины. Низкая температура процесса и отсутствие резкого охлаждения обеспечивают незначительную деформацию и стабильность размеров деталей, а сохранение чистоты поверхности после насыщения не требует дополнительных отделочных
операций. Низкотемпературная нитроцементация относится к финишным
процессам обработки. Особенностью низкотемпературного комплексного
насыщения по сравнению с азотированием является снижение хрупкости
слоя. Насыщение осуществляется в газовой и жидкой средах. Для газовых
сред используют шахтные и камерные печи, а для жидких - тигельные ванны
типа "СВГ" с наружным обогревом тигля или электродные типа СВС различной мощности и производительности. В эксплуатации более просты и удобны ванны первого типа.
Условия работы зубчатых колес определяют температуру и продолжительность процесса. При температуре процесса менее 540 ºC значительно
уменьшается толщина слоя, а ее увеличение и продолжительная выдержка
приводят к возрастанию хрупкости и образованию пор в карбонитридном
слое.
Оптимальные свойства изделий после низкотемпературной нитроцементации (цианирования) соответствуют толщине карбонитридного слоя
0,007-0,012 мм и общей толщине слоя 0.3-0,5 мм.
Нитроцементация. Процесс низкотемпературной нитроцементации
часто называют кратковременным азотированием: карбонитрированием; зарубежные аналоги процесса имеют фирменные названия Nitemper (США),
Nemo (Великобритания), Nikotreat, Deganit (ФРГ), Nitrok (Австрия), Тафнайт,
Унинитее (Япония) и др.
Нитроцементацию проводят в среде, содержащей 65-75 мас. % науглероживающего газа и 25—35 мас. % аммиака. Однако максимальная насыщающая способность соответствует смеси, состоящей из 50 мае. % аммиака и
50 мае. % углеродосодержащего газа. Максимальная скорость насыщения соответствует 4—5-кратному часовому обмену в атмосфере муфеля при степени диссоциации аммиака 35-45%. В качестве науглероживающего газа применяют природный, светильный, генераторный, эндогаз и др.
Газовую науглероживающую среду создают продуктами разложения
керосина, синтина, индустриального масла и нитробензола непосредственно
120
в разогретой печи. Хорошие результаты получены при насыщении продуктами пиролиза жидкого комплексного карбюризатора - триэтаноламина, когда
одновременно выделяются активные атомы углерода и азота.
Температура процесса чаще всего соответствует 540-580 ºС, но в отдельных случаях для увеличения прочности подслоя необходимо повысить ее
до 700 ºС. Для интенсификации процесса нитроцементации рекомендуется
использовать активизированные добавки: к три этанол амину - нашатырный
спирт, нитрит и алюминат натрия, к углеродосодержащим газам и аммиаку алюминиевую стружку.
Интенсификация процесса активными добавками в большей степени
наблюдается в первые часы насыщения (увеличение слоя подчиняется параболической зависимости). Общая толщина слоя зависит от температуры,
продолжительности процесса, марки стали и активности насыщающей среды.
С повышением температуры и увеличением длительности выдержки толщина карбонитридного слоя и диффузионной зоны возрастает.
Цианирование. Низкотемпературное цианирование называют также
активированным, мягким азотированием, нитрированием, зарубежные процессы-аналоги - Tenifer (ФРГ), Tuffriding (США, Великобритания), Строунайэ (Япония) и др.
Цианирование проводят в расплаве активных и нейтральных солей. Состав ванны зависит от температуры плавления используемых компонентов.
Цианирующей солью является в основном цианистый натрий или менее активный цианистый калий. Содержание в ванне цианистого натрия составляет
30-90 мас. % (наиболее активная ванна соответствует 90 мас. %).
Нейтральные соли - углекислый натрий (4-45 мас. %), хлористый
натрий (1,5-25 мас. %), щелочь (2-3 мас. %). Наряду с указанными ядовитыми
цианистыми солями рекомендуется применять цианаты KCNO и ванны с нетоксичными солями на основе желтой кровяной соли K4Fe(CN)6. Для активизации расплава, содержащего цианаты, ванна продувается сухим воздухом.
Однако в процессе работы в ваннах состава 3-6 образуются цианистые соли
NaCN или KCN, поэтому эти ванны требуют нейтрализации и обезвреживания отходов. Ванны с KCNO по стабильности полученных результатов уступают цианистым солям и отличаются наличием повышенного количества
шлама.
Общими свойствами для нитроцементации и цианирования являются:
1) при увеличении температуры и продолжительности выдержки увеличива121
ется толщина карбо-нитридного слоя и общая толщина слон; 2) увеличение
содержания углерода в стали и степени ее легированности препятствует процессу насыщения; 3) скорость насыщения в жидкий фазе в сравнении с газовой увеличивается.
Структура и свойства сталей после низкотемпературной нитро цементации (цианирования). Качество деталей после низкотемпературного упрочнения зависит от строения и свойства диффузионного слоя, которые определяются количественным соотношением азота и углерода в нитро цементованном слое. Независимо от среды насыщения, если температура процесса не
превышает 590 °С, т. е. меньше эвтектоидной в системе Fe-N, упрочненный
слой имеет двухзонное строение. Поверхностная нетравящаяся карбонитридная зона состоит из t-фазы (карбонитрид переменного состава Fe23(NC), γ-фазы (Fе4N) и окисла железа (Fe3O4)).
За карбонитридным слоем следует диффузионная зона, или так называемая зона внутреннего азотирования, которая представляется твердый раствор азота в α-железе, нитридов железа и легирующих элементов. В сталь
диффундирует преимущественно азот, а углерод участвует в формировании
карбонитридной зоны, так как растворимость его в α-фазе незначительна.
Для легированных сталей диффузионная зона после травления имеет более
темную окраску, а для углеродистых характерно выделение иглообразной
фазы Fe4N. Карбонитридная ε-фаза вследствие наличия в ней углерода, пониженной концентрации азота и отсутствия Fe2N обладает повышенной вязкостью, по сравнению с ε-нитридной фазой, полученной при азотировании.
На толщину карбонитридного слоя диффузионной зоны и состав карбонитрида влияют температура, продолжительность процесса, марка стали и активность насыщающей среды. Так, ε-фаза стали 40Х, полученная при температуре цианирования 570 °С, содержит 4,5-6 мае. % N и 1,5-2,5 мас. % С, а
при нитроцементации в газовой среде, состоящей из 50 мае. % NH и 50 мас.
% углеродосодержащего газа (при аналогичной температуре насыщения), она
содержит 3 мас. % N и 0,6-0,7 мас. % С.
Нитроцементованный (цианированный) слой имеет высокую поверхностную твердость: для углеродистых сталей она составляет 250-350 HV, легированных - 550-800 HV, специальных - 1100 HV. Чем меньше длительность
режима насыщения и более легирована сталь, тем резче перепад твердости по
глубине слоя. Высокая твердость поверхности обусловлена образованием εфазы и дисперсных нитридов специальных элементов. Наиболее значительно
122
повышают твердость алюминий, хром, молибден, вольфрам и ванадий. Карбонитридная фаза отличается высокой износоустойчивостью, коррозионной
стойкостью, а диффузионный слой увеличивает сопротивление усталости деталей, особенно при изгибающих и крутящих нагрузках, а также способствует высокой износостойкости в условиях трения без смазочного материала
при повышенных нагрузках.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Антонюк В.Е. Технология производства и методы обеспечения качества зубчатых колес и передач. Учебное пособие. / В.Е. Антонюк, М.М. Канне, В.Е. Старжинский и др. – Мн.: УП «Технопринт». 2003. – 766 с.
2. А.С. Калашников А.С. Технология изготовления зубчатых колес. /
А.С. Калашников. - М.: Машиностроение. 2004. – 479 с.
123
ПРИЛОЖЕНИЕ
ИЛЛЮСТРИРОВАННЫЙ СЛОВАРЬ-СПРАВОЧНИК ПО
ЗУБООБРАБАТЫВАЮЩЕМУ ИНСТРУМЕНТУ
П1. Фрезы дисковые зуборезные
Фрезы дисковые зуборезные профильные для цилиндрических прямо- и косозубых колес, с углом исходного контура 20º, затылованные
Фрезы дисковые для червяков и зубчатых реек модульные,
с углом исходного контура 20º, исходный контур по DIN
3972 тип 1
Фрезы дисковые для трапецеидальной резьбы и фрезы для
червяков с перекрестным зубом и с одним контрольным
зубом
124
П2. Фрезы червячные
Фрезы червячные с продольной
шпоночной канавкой, правозаходные для цилиндрических
прямо- и косозубых колес, модульные, с углом профиля 20°,
исходный контур II или I
Фрезы червячные с продольным шпоночным пазом, для
шлицевых валов по DIN 5464
(фрезы червячно-шлицевые для
прямобочных шлицевых валов
Фрезы червячные с продольным шпоночным пазом, для
нарезания валов шлицевых с
экольвентным профилем по
DIN 5482, угол исходного контура 30° (фрезы червячношлицевые эвольвентные для
валов по DIN 5482 с углом исходного контура 30º)
Фрезы червячные с продольным шпоночным пазом, с прямолинейным профилем для
нарезания мелкошлицевых валов с криволинейным профилем
Фрезы червячные для черничных колес со шлифованным
или нешлифованным профилем
для работы радиальным или
тангенциальным методом
125
Фрезы червячные цельные для
нарезания
цилиндрических
зубчатых колес
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Обозначение
b2
b3
dk
d
b
t2
d1
t1
P
FT
A
m
aon
tos
ton
β0
Su
Hu
d0
Наименование
общая длина
рабочая длина
наружный диаметр
диаметр отверстия
ширина шпоночного паза
глубина шпоночного паза
диаметр буртиков
длина зуба
окружной шаг канавок
передняя поверхность
профиль в нормальном сечении
модуль
угол исходного контура в нормальном сечении
осевой шаг
шаг в нормальном сечении
угол подъема витков
толщина зуба
высота зуба
делительный метр
126
П3. Долбяки зуборезные
№
Обозначение Наименование
1
2
3
m
mn
-
модуль
модуль в нормальном сечении
диаметр наношенного инструмента
4
5
6
7
β0
коэффициент смещения исходного контура
правый
радиальное биение
угол наклона винтовой линии
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
t0
z
su
hfu
Hu
hku
Lt
ma
Dr
dk
a0
hf
df
угол подъема винтовой линии
модуль в торцовом сечении
диаметр делительной окружности
шаг
число зубьев
толщина зуба
высота ножки зуба
высота зуба
высота головки зуба
длина обшей нормали (напр. через 3 зуба)
модуль в осевом сесении
диаметр по роликам или шарикам
диаметр
угол зацепления или угол профиля исходного профиля
эвольвента или профиль зуба
высота ножки исходного контура
диаметр впадин зубьев
127
25
26
27
28
dfn
dε
dk
диаметр впадин зубьев предельно изношенного инструмента
диаметр основной окружности
высота ножки зуба исходного контура
высота головок зубьев
Долбяки дисковые прямозубые
Долбяки зуборезные прямозубые чашечные
Долбяки зуборезные прямозубые хвостовые
128
П4. Примеры модификации профиля зубьев долбяков
С протуберанцем (с усиком)
С образующими на головке колеса фасками
С радиусами по вершине зуба
С полным (сопряженным радиусом по вершине зуба)
C обработкой вершин зубьев колеса
С коррекцией профиля зубьев
129
П5. Шеверы зуборезные дисковые
№
1
2
3
ОбознаНиаменование
чение
z1
число зубьев
d0
делительный диаметр
dk
наружный диаметр
4
5
6
7
8
c
d
t2
b
sw
ширина инструмента
отверстие
глубина шпоночного паза
ширина шпоночного паза
толщина зуба по дуге делительной окружности
9
10
11
12
st
hku
ts
p
режущая кромка
высота головки зуба
отверстия у ножек зуба
шаг
130
П6. Головки зуборезные для конических колес с круговым зацеплением
№
1
2
3
Обозначение
A.D.
O.D.
I.D.
4
5
6
7
8
P.W.
B.P.
η
I.C.E.
O.C.E.
9
10
11
12
13
14
C.D.
α
r
R
L
h
Наименование
средний диаметр
наружный диаметр
внутренний диаметр
развод ножей
ширина вершинной кромки
угол заточки ножей
внутренняя режущая кромка
наружная режущая кромка
глубина резания
угол профиля ножей
радиус при вершине ножа
направление резания правое
направление резании левое
расстояние режущей кромки до базового торца
131
ОБРАБОТКА ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
Составитель
ПЕГАШКИН Владимир Федорович
Лаборатория электронных изданий
ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет
имени первого президента России Б.Н. Ельцина»
Нижнетагильский технологический институт (филиал)
622031, Нижний Тагил, ул. Красногвардейская, 59
132