Технологии отделочной обработки зубчатых поверхностей

Отделочные виды обработки зубчатых колес бывают со снятием стружки (шевингование, шлифование, хонингование, притирка) и без снятия стружки (обкатывание). К отделочным работам со снятием стружки относят также зубозакругляющие операции, снятие фасок и заусенцев.

Шевингование зубьев применяют- для незакаленных колес. Оно заключается в том, что методом обкатки специального инструмента по зубчатому колесу с поверхности зуба снимают припуск размером 0,1. ..0,25 мм. В качестве инструмента применяют дисковый шевер - зубчатое колесо, на поверхности зубьев которого имеются узкие прорези, образующие кромки, или шевер-рейку с аналогичными зубьями.

Шевер для обработки прямозубых зубчатых колес имеет винтовые зубья с углом подъема до 15^о , а для обработки косозубых - прямые зубья. На рис. 1 показан дисковый шевер с режущими кромками на боковых поверхностях зубьев.

Рисунок 1-Шевер

Из двух способов шевингования зубьев более распространено шевингование с помощью дискового шевера. Шевингование производят на специальном станке (рисунок 2).

Рисунок 2-Станок для шевингования.

Шевер 4, установленный под углом к оси обрабатываемого зубчатого колеса 5, получает принудительное вращение с частотой 250 об/мин, вызывая этим вращение зубчатого колеса, свободно установленного в центрах на оправке 6. Скрещивание осей приводит к продольному относительному скольжению зубьев шевера и зубчатого колеса. Столу 8 сообщают продольную подачу 0,1...0,3 мм на один оборот зубчатого колеса. В конце хода стол подают в поперечном (вертикальном) направлении на 0,02...0,04 мм, после чего стол возвращают в начальное положение. Число ходов стола зависит от размера припуска. При необходимости получить зубья бочкообразной формы, имеющие большое распространение в современных конструкциях, используют предусмотренную в станке качающуюся плиту 7 с кронштейном 3 и установленным в нем пальцем 1. Палец индексируется в копире 2, укрепленном на кронштейне, и, скользя по копиру, заставляет плиту 7 в конце хода стола наклоняться, в результате чего шевер врезается в зубчатое колесо, формируя зубья у краев более тонкими, чем в середине.

Обработка зубчатого колеса продолжается в течение 12... 14 двойных ходов стола, время на обработку одного зуба колеса равно 2...3 с. Погрешность обработанных шевингованием зубчатых колес в среднем не превышает 0,005 мм по шагу и профилю и 0,03 мм по биению начальной окружности. Шероховатость поверхности R_z=0,63...0,16 мкм.

Зубошлифование осуществляют в основном двумя методами: обкаткой и профильным копированием с помощью фасонного шлифовального круга. Шлифованием достигают шероховатости поверхности R_z =0,4...0,1 мкм' и точности основных параметров зубчатого колеса в пределах 4...6-й степеней точности независимо от размера оставляемого припуска.

При шлифовании методом обкатки воспроизводят зубчатое зацепление пары рейка - зубчатое колесо, в котором инструментом является рейка. Этот метод применяют на современных станках, используя шлифовальные круги различных видов.

Рисунок 3-Схема шлифования зуба цилиндрического колеса

На рисунке 3,а изображена схема шлифования зуба цилиндрического колеса. Два шлифовальных круга 1 установлены таким образом, что их торцы, обращенные к шпинделям, совпадают с боковыми сторонами зубьев воображаемой производящей рейки 2, находящейся в зацеплении с заготовкой 3. Обкатываясь по вращающейся заготовке 3, шлифовальные круги своими торцами шлифуют поверхность зубьев колеса.

Более производительным является шлифование абразивным червяком (рисунок 3,б). Шлифовальному кругу, изготовленному в виде одно- или двухзаходного червяка диаметром 300 мм в процессе обработки сообщают два движения: вращательное I-вокруг оси (движение резания) со скоростью 20...30 м/с и поступательное II -вдоль оси заготовки (движение подачи) со скоростью 0,6 мм за один оборот колеса. Зубчатое колесо получает вращение III вокруг своей оси, согласованное с вращением абразивного червяка, и периодическое радиальное движение подачи IV. Точность обработки однозаходным червяком соответствует 6-й степени точности, двухзаходным - 7-й степени точности. Шероховатость обработанной поверхности составляет R_z=0,8...0,1 мкм.

Зубохонинговaние. Для уменьшения шероховатости поверхности профиля зуба и, как следствие, уменьшения шума при работе передачи применяют хонингование зубьев колес после термической обработки. Зубохонингование производят на станке, аналогичном шевинговальному, при скрещивающихся осях хона и обрабатываемого колеса, но без механизма радиальной подачи. При этом установленное в центрах зубчатое колесо совершает кроме вращательного (реверсируемого) и возвратно-поступательное движение вдоль своей оси.

Зубчатый хон представляет собой геликоидальное колесо, изготовленное из пластмассы и шаржированное абразивом, зернистость которого выбирается в зависимости от размера припуска (0,025...0,05 мм) и требований к шероховатости поверхности.

Хонингование производят в распор при постоянном давлении между зубьями обрабатываемого колеса и хона или способом беззазорного зацепления колеса и хона при неизменном межцентровом расстоянии. Первый способ обеспечивает изготовление зубчатых колес более высокой точности. Зубохонингование требует обильного охлаждения для эффективного удаления металлической пыли с обрабатываемой поверхности профиля зуба. Хонингование применяют для обработки прямозубых и косозубых колес с модулем 1,25...6мм, а также колес с фланкированными * и бочкообразными зубьями.

Притирка зубьев зубчатых колес после термической, обработки производят на специальных станках, где инструментом служат притиры-чугунные колеса, находящиеся в зацеплении с обрабатываемым зубчатым колесом. Притиры смазывают смесью абразивного порошка с маслом

Отделка зубчатых колес методом притирки заключается в том, что обрабатываемое зубчатое колесо обкатывают между тремя притирами, оси которых скрещиваются между собой (рисунок 4).

Рисунок 4-Способ обкатки.

Оси двух притиров 1 и 4 со спиральными или прямыми зубьями наклонены к обрабатываемому зубчатому колесу 3. Ось третьего притира 2 параллельна оси обрабатываемого зубчатого колеса; этот притир вращается попеременно в разных направлениях со скоростью 30...60 м/мин для обеспечения равномерной обработки зуба с обеих сторон. Помимо вращения притирам сообщается возвратно-поступательное движение в осевом направлении со скоростью 60 ...70 ходов в минуту на длине 25 мм.

Давление притиров на поверхность зуба регулируют притормаживая шпиндели двух притиров. Погрешность подлине начальной окружности составляет 0,02 мм, по шагу - 0,01 мм и по профилю - 0,08 мм; шероховатость поверхности. Время обработки одного зуба- в среднем составляет 3...6 с.

Фланкированием называют изменение бокового профиля зуба основной рейки для обеспечения плавного входа сопряженных зубьев колес в зацепление, в связи с чем уменьшается шум в передаче (высота фланкированного участка зуба , угол фланкирования 0, 5 . . . 1).

Бочкообразность придают зубьям одной из пары работающих колес для получения поверхности контакта зубьев в виде вытянутого овала по их средней части (70, ,. 80% длины и 60. , .70%. высоты зуба).

Чтобы устранить удары и выкрашивание кромок при переключении зубчатых колес, зубья закругляют специальными фрезами на зубозакругляющих станках. Профиль закругляемого зуба 1 на зубчатом колесе и траектория движения инструмента 2 при обработке показаны на рисунке 5, а. На рисунке 5, б приведены конструкции фрез для закругления зубьев колес: пальцевые фрезы 1 и коронная фреза 2.

Рисунок 5- Фрезы для закругления зубьев

Снятие фасок и удаление заусенцев производятся на станках с абразивными кругами, имеющими профили, соответствующие форме зуба обрабатываемого колеса. Вращение осуществляется путем ввода зубьев в зацепление с витками круга. При больших объемах производства удаление заусенцев производится на многопозиционных станках стальными щетками.

С зубчатых колес малых размеров заусенцы удаляют с помощью ультразвука. При этом способе дополнительно сглаживаются острые кромки, а рабочие поверхности зубьев изменениям не подвергаются.

Получает распространение способ снятия заусенцев галтовкой в барабане, причем, выбирая соответствующие наполнитель и частоту вращения барабана, достигают хорошей очистки зубьев без искажения их профиля.

Обкатывание незакаленных зубчатых колес производят в масляной среде без абразивного порошка в паре с одним или несколькими закаленными колесами-эталонами. В результате давления зубьев колес-эталонов на поверхностях обрабатываемых зубьев возникает наклеп, сглаживаются неровности. Ввиду того что при обкатывании профиль и шаг зуба не исправляются, а в ряде случаев создаются дополнительные внутренние напряжения, увеличивающие искажения профиля при последующей термической обработке, этот способ отделки применим для зубчатых колес, не требующих высокой точности, а также для колес, не подвергающихся термической обработке.

Ионно-плазменное азотирование (ИПА) — метод химико-термической обработки изделий из стали и чугуна с большими технологическими возможностями, позволяющий получать диффузионные слои нужного состава путем использования разных газовых сред, т.е. процесс диффузионного насыщения управляем и может быть оптимизирован в зависимости от конкретных требований к глубине слоя и твердости поверхности.

Упрочняющей обработке методом ИПА подвергаются детали и инструменты практически всех отраслей промышленности.

В результате ИПА можно улучшить следующие характеристики изделий: износостойкость, усталостную выносливость, антизадирные свойства, теплостойкость и коррозионную стойкость.

Применение ИПА вместо цементации, нитроцементации, газового или жидкостного азотирования, объемной или ТВЧ закалки позволяет сэкономить основное оборудование и производственные площади, снизить станочные и транспортные затраты, уменьшить расход электроэнергии и активных газовых сред.

В сравнении с широко используемыми способами упрочняющей химико-термической обработки стальных деталей, такими, как цементация, нитроцементация, цианирование и газовое азотирование в печах, метод ИПА имеет следующие основные преимущества:

• более высокая поверхностная твердость азотированных деталей;

• отсутствие деформации деталей после обработки и высокая чистота поверхности;

• повышение предела выносливости и увеличение износостойкости обработанных деталей;

• более низкая температура обработки (400-600°С), благодаря чему в стали не происходит структурных превращений;

• возможность обработки глухих и сквозных отверстий;

• сохранение твердости азотированного слоя после нагрева до 600-650°С;

• возможность получения слоев заданного состава;

• возможность обработки изделий неограниченных размеров и форм;

• отсутствие загрязнения окружающей среды;

• повышение культуры производства;

• снижение себестоимости обработки в несколько раз.

Принцип действия ИПА заключается в том, что в разряженной (р=200-1000 Па) азотсодержащей газовой среде между катодом — деталями — и анодом — стенками вакуумной камеры — возбуждается аномальный тлеющий разряд, образующий активную среду (ионы, атомы, возбужденные молекулы), обеспечивающую формирование азотированного слоя, состоящего из внешней — нитридной зоны и располагающейся под ней диффузионной зоны.

Технологическими факторами, влияющими на эффективность ионного азотирования, являются температура процесса, продолжительность насыщения, давление, состав и расход рабочей газовой смеси.

Температура процесса, площадь садки, участвующей в теплообмене и эффективность теплообмена со стенкой (количество экранов) определяют мощность, необходимую для поддержания разряда и обеспечивающую нужную температуру изделий. Выбор температуры зависит от степени легированности азотируемой стали нитридообразующими элементами: чем выше степень легированности, тем выше температура.

Температура обработки должна быть как минимум на 10-20⁰ С ниже температуры отпуска. Длительность и температура процесса насыщения определяют глубину слоя, распределение твердости по глубине и толщину нитридной зоны. Состав насыщающей среды зависит от степени легирования обрабатываемой стали и требований к твердости и глубине азотированного слоя. Давление процесса должно быть таким, чтобы обеспечивалось плотное «облегание» разрядом поверхности изделий и получение равномерного азотированного слоя. Однако, при этом следует иметь в виду, что разряд на всех стадиях процесса должен быть аномальным, т. е. поверхность всех деталей в садке полностью должна быть покрыта свечением, а плотность разрядного тока должна быть больше нормальной плотности для данного давления с учетом эффекта нагрева газа в катодной области разряда.

С появлением установок ИПА нового поколения, использующих в качестве рабочей среды регулируемые по составу смеси водорода, азота и аргона, а так же плазму «пульсирующего», а не постоянного тока, технологичность процесса ионного азотирования существенно возросла.

Ионное азотирование — эффективный метод упрочняющей обработки деталей из легированных конструкционных сталей: шестерен, зубчатых венцов, вал-зубчатых шестерен, валов, прямозубых, конических и цилиндрических шестерен, муфт, валов-шестерен сложной геометрической конфигурации и др.

Цементация, нитроцементация и ТВЧ-закалка оправдывают себя при изготовлении тяжелонагруженных деталей (зубчатые колеса, оси, валы и др.) низкой и средней точности, не требующих последующей шлифовки.

Указанные виды термообработки экономически нецелесообразны при изготовлении средне- и низконагруженных высокоточных деталей, т.к. при данной обработке наблюдается значительное коробление и требуется последующая шлифовка. Соответственно, при шлифовке необходимо снимать значительную толщину упрочненного слоя.

ИПА позволяет существенно снизить коробление и деформацию деталей при сохранении шероховатости поверхности в пределах Ra=0,63…1,2 мкм, что позволяет в подавляющем большинстве случаев использовать ИПА как финишную обработку.

Применительно к станкостроению, ионное азотирование зубчатых колес в существенной мере снижает шумовые характеристики станков, тем самым, повышая их конкурентоспособность на рынке.

ИПА наиболее эффективно при обработке крупносерийных однотипных деталей: шестерен, валов, осей, зубчатых валов, вал-зубчатых шестерен и др. Шестерни, подвергнутые плазменному азотированию, имеют лучшую стабильность размеров по сравнению с цементованными шестернями и могут использоваться без дополнительной обработки. При этом несущая способность боковой поверхности и прочность основания зуба, достигаемые с помощью плазменного азотирования, соответствуют цементованным шестерням.

При упрочняющей обработке методом ионного азотирования деталей из цементуемых, низко- и среднелегированных сталей (18ХГТ, 20ХНЗА, 20ХГНМ, 25ХГТ, 40Х, 40ХН, 40ХФА и др.) необходимо в начале проводить улучшение поковок — объемную закалку и отпуск до твердости 241-285 НВ (для некоторых сталей — 269-302 НВ), затем механическую обработку и в завершение — ионное азотирование. Для обеспечения минимальной деформации изделий перед азотированием для снятия напряжений рекомендуется проводить отжиг в атмосфере защитного газа, причем температура отжига должна быть выше температуры азотирования. Отжиг следует проводить перед точной механической обработкой.

Глубина азотированного слоя, формируемого на указанных изделиях, изготовленных из сталей 40Х, 18ХГТ, 25ХГТ, 20Х2Н4А и др., составляет 0,3-0,5 мм при твердости 500-800 HV в зависимости от марки стали.

Для передач, работающих в условиях более тяжелых нагрузок, азотированный слой должен быть на уровне 0,6-0,8 мм с тонкой нитридной зоной или вообще без нее.

Оптимизация свойств упрочненного слоя определяется совокупностью характеристик основного материала (твердость сердцевины) и параметрами азотированного слоя.

Независимое управление расходом каждого из компонентов газовой смеси, давлением в рабочей камере и вариация температурой процесса позволяют формировать слои различной глубины и твердости, обеспечивая тем самым стабильное качество обработки с минимальным разбросом свойств от детали к детали и от садки к садке.

Эффективная теплоизоляция в рабочей камере (тройной теплозащитный экран) позволяет обрабатывать изделия с низким удельным энергопотреблением, что позволяет свести к минимуму температурные различия внутри садки во время обработки. Об этом свидетельствует распределение микротвердости по глубине азотированного слоя для образцов, располагавшихся в разных местах садки

Вывод: проанализировав все методы отделочной обработки зубчатых колес мною были выбраны зубошлифование и зубозакругление, так как эти методы позволят добиться более точного изготовления зубчатого колеса, что предотвратит удары при входе их в зацепление и плавность работы зубчатой пары. Так же ИПА позволит увеличить твердость зубчатого венца, что приведет к уменьшению износа. оврапырпырпдырпдрпдаррпдарпдарпдр

Сведения к экономическому разделу ДП.

Таблица 1 – Перечень оборудования на операцию

Наименование станка	Габариты станка и масса	Диаметр обрабатываемой заготовки, мм	Мощность электродвигателя главного движения, кВт	Стоимость
Токарная
16К20	2800х1190х1450 2400	700	10	132400000
ТВ станок ГС526У	3380х1265х1305 3500/3930	275	7,5(11)	285120000
ТВ станок 1В62Г	2800х1190х1450 2430	445	10	146200000
Протяжная
Протяжной 7А540	6840x1535x1370 5124		22	703460000
Горизонтально-протяжной полуавтомат модель 7А523	6000х1940х2300 3600	500	11	374000000
Сверлильная
Радиально-сверлильный станок 2А554	2665х1030х3430 4700	Диаметр сверления 55	5,5	14232600
Радиально-сверлильный станок 2К522	1480х940х1990 950/1160	Диаметр сверления 32	1,5	86700000
Зубофрезерная
Зубофрезерный полуавтомат 53В30П	2300х1300х1950 5100	320	3,2/4,2	11900000
ВСН 332 NС2	2680/1510/1950 6500	320	5,5	13200000

Продолжение таблицы 1

Зубозакругляющая
Зубозакругляющий полуавтомат 5Н580	1730х1200х1665 3260			12750000
Зубошлифовальная
Зубошлифовальный 5831	2390х2110х2990 4500	30-320	4,5	170000000
Hofler Prima H1000 E			13	970000000

Масса поковки 4,5 кг.

Масса детали 2,16 кг.

Стоимость заготовки 62850 руб..

Цена стружки 288844 руб. за тонну.