3. Финишная обработка зубчатых колес

Большинство зубчатых колес претерпевает закалку либо объемную, либо поверхностную ТВЧ только венца. Существует два подхода к выполнению финишной обработки зубчатого венца. При первом – венец подвергается окончательной механической обработке до закалки, при втором – после закалки.

При зубонарезании, в ходе которого венец подготавливают к последующей финишной обработке, на боковых сторонах зубьев оставляют небольшой по величине припуск, в зависимости от модуля его величина колеблется от одной до нескольких десятых долей миллиметра. И кроме этого припуск неравномерен по высоте зуба, его наибольшая величина приходится на середину высоты (в районе делительного диаметра), а наименьшая – на головку и ножку зуба. Тем самым облегчаются условия работы режущего инструмента, выполняющего финишную обработку.

При зубонарезании заготовку колеса установливают на оправку. Важной особенностью является то, что отверстие в заготовке еще не имеет окончательного размера, в нем оставлен припуск под последующую обработку, которая выполняется после закалки. Но размер отверстия выдержан точным (допуск по седьмому квалитету). Имеется система точных припусков ПТ (припуски точные), которые примерно равны 0,5 мм на диаметр.

Наиболее производительным способом финишной обработки до закалки является зубошевингование. Режущий инструмент – шевер представляет собой косозубое зубчатое колесо, с углом наклона зубьев 5 или 15 градусов. Шевер – универсальный инструмент, для обработки колеса с любым числом зубьев достаточно иметь шевер того же модуля. Канавки на зубьях инструмента создают большое число режущих кромок с передним и задним углами резания, равными 0 градусов. Зубошевинговальный станок имеет две оси, на одной закреплен шевер, эта ось имеет принудительное вращение от привода станка. На второй оси устанавливают обрабатываемое колесо. Между осями нет жесткой кинематической связи. Оси лежат в параллельных плоскостях, но повернуты друг относительно друга на величину наклона угла шевера. Такое расположение осей в пространстве называется перекосом.

Шевер и обрабатываемое колесо вводят в плотное зацепление с некоторым натягом для того, чтобы произошло вдавливание материала обрабатываемого колеса в канавки на зубьях шевера. При вращении косозубого режущего инструмента в зацеплении с колесом, имеющим иное направление, происходит взаимное движение поверхностей зубьев инструмента вдоль зубьев заготовки и соскабливание с последних тонких стружек. Если ширина венца у обрабатываемого колеса шире, чем у шевера, то шеверу придается дополнительное осевое перемещение.

Производительность зубошевингования чрезвычайно высока. Уже после нескольких оборотов заготовки бывают достигнуты все желаемые результаты: улучшены профиль, направление зуба и шероховатость, уменьшено исходное радиальное биение венца. Однако шевингование не может исправить погрешность шага, если она имеется в зубчатом венце заготовки.

Еще большим недостатком является ненадежность технологии с использованием зубошевингования. Деформации при закалке приводят к снижению достигнутой точности. После закалки производят у колеса обработку отверстия и торца точением или шлифованием. Базирование колеса производят по впадинам между зубьями, закладывая в них цилиндрические ролики. Затем шлифуют второй торец, достигая его параллельность относительно первого.

Можно дополнить технологический процесс операцией зубохонингования закаленного венца. Инструмент – косозубое колесо из абразивного материала. Процесс зубохонингования схож с зубошевингованием, правда, выполняется при меньшем давлении инструмента на заготовку. Дополнительные трудности создает проблема изготовления зубчатых хонов, ведь это должно быть высокоточное абразивное колесо. Как и шевингование, хонингование не может исправить погрешность шага.

Ненадежность технологических процессов, основанных на зубошевинговании, привела к сокращению областей их использования в машиностроении. Большинство изготовителей закаленных зубчатых колес, у которых требуется малый уровень шума, перешли к финишной обработке зубошлифованием. Этот способ зубообработки выполняется после закалки на самом финише технологического процесса и направлен на исправление всех погрешностей, которые имеет зубчатый венец. Такой подход значительно повышает надежность технологического процесса. Несмотря на увеличенную в десятки раз трудоемкость зубошлифования в сравнении с зубошевингованием, в целом расходы изготовителя на получение более качественного изделия оправдываются.

Перед выполнением зубошлифования в заготовке подготавливают базы, которыми являются отверстие и один из торцов. Эти поверхности также как описано выше, обрабатывают на токарных или внутришлифовальных станках, снимая припуск ПТ. Затем шлифуют второй торец. Наличие качественных баз – одна из важнейших предпосылок получения высокого качества зубчатого венца при шлифовании. Если отверстие шлицевое с центрированием по внутреннему диаметру, то его шлифование следует выполнять по описанной ранее схеме с использованием промежуточных технологических баз.

Существует несколько методов зубошлифования.

Наиболее старым (но не устаревшим) является шлифование зубьев кругом, имеющим форму производящей рейки. Этот способ, известный под названием Nieles (Найльс), по наименованию немецкой фирмы, используется в отечественных станках мод.3831. Две боковые стороны рабочего профиля шлифовального круга заправляют алмазы в оправе под углом, равным углу зацепления. Движением обката в одном направлении шлифуют одну сторону зуба, после реверсировании направления обката шлифуют другую. Затем следует деление, и начинается шлифование следующей впадины. В более современных отечественных станках мод.3841 обкат идет в одном направлении, и обе стороны впадины шлифуются одновременно. Дополнительно к движению обката шлифовальному кругу придают возвратно-поступательное движение вдоль зуба. Для точной обработки требуется не менее трех проходов по всем зубьям.

Высокоточная обработка производится на станках, работающих двумя кругами так называемым нулевым способом зубообработки. Каждый из кругов своей плоской стороной шлифует противоположную сторону зуба. Круги широко универсальны, могут шлифовать различные модули и различные числа зубьев. Расстояние между рабочими сторонами кругов равно примерно длине общей нормали, таким образом, шлифовальные круги охватывают несколько зубьев. Кроме движения обката круги совершают движение подачи вдоль зуба. На обрабатываемой поверхности возникают характерные следы обработки в виде сетки, именуемой рыбьей чешуей. Данный способ шлифования реализован в станках швейцарской фирмы Мааg и отечественных станках мод.3851.

Достаточно высокие производительность и точность шлифования достигаются на станках, работающих копированием. Путем алмазной правки формируется рабочий профиль круга, идентичный по форме и размерам впадине между зубьями. Каждому модулю и каждому числу зубьев нужна своя заправка круга. Но заправка абразивного материала на новый профиль не представляет существенных трудностей. Станки, работающие копирование, изготавливали фирмы Orkut и Kolb. Отечественные станки мод 586 оригинальны по конструкции и превосходят по своим техническим характеристикам станки иностранного производства.

В станках инофирм используется шаблон, представляющий собой вырезанный из колеса отдельный зуб. В отечественном станке правка шлифовального круга осуществляется с помощью пантографов, рычаги которого на одном конце несут правящие алмазы в оправе, а на другом конце совершают движение в масштабе 1 : 6 по двум копирам. Каждый копир представляет собой стальную пластину, одна из сторон которого имеет рабочий участок – увеличенный в шесть раз эвольвентный профиль боковой стороны зубьев. Каждый модуль и каждое число зубьев должно иметь свой копир. В настоящее время при наличии высокоточных станков с ЧПУ, в том числе и координатно-шлифовальных, изготовление таких копиров не представляет ни малейших трудностей, но в начале шестидесятых годов, когда появился станок модели 586, изготовление точных копиров представляло определенные трудности.

Копиры в станке можно поднимать, опускать и поворачивать, изменяя профиль обрабатываемого зуба, о погрешностях профиля нужно следить, контролируя этот параметр из норм плавности. С одной стороны, создаются определенные трудности с получением на обрабатываемом колесе точного профиля, с другой стороны, это становится определенным преимуществом. Если на зубошлифовальных станках других моделей оператор, выполнив стандартную настройку правки круга и получив некоторые погрешности профиля, может сослаться на станок, который внес погрешность, то в станке мод.586 он обязан выполнять индивидуальную настройку механизма правки. Иначе погрешность может выйти за все разумные пределы. Выполнив пробное шлифование одной впадины, оператор должен проверить точность профиля, по результатам проверки поправить положение копиров, подняв, опустив или повернув их. При желании можно довести погрешность профиля до минимальных значений, можно придать профилю зуба определенную модификацию.

Важен не так технический, как психологический момент. Оператор становится, в максимальной степени, ответственен за качественный показатель результатов своего труда. Практика освоения заводами технологии изготовления точных колес продемонстрировала большую роль станков мод. 586 в осмыслении значения профиля, как основного показателя в деле получения малого уровня шума зубчатых передач.

Наиболее производительным способом зубошлифования является обработка червячным кругом. Впервые такие станки предложила швейцарская фирма Reishauer. Отечественный аналог – станки мод. 5833. Круги имеют большой диаметр (до 500 мм) и большую ширину, 100 мм и даже большую. На периферии круга нарезана однозаходная трапецеидальная резьба с шагом p =∙π∙m, (m – модуль зубчатого колеса). Таким образом, для каждого модуля необходим свой круг. Шлифование на таких станках повторяет схему зубофрезерования червячной фрезой, только другим режущим инструментом.

Рекомендует осуществлять шлифование в два рабочих хода. Первый рабочий ход осуществляют при жесткой кинематической связи между кругом и заготовкой, а во время второго – жесткая связь размыкается, и работа идет в режиме зубохонингования. При переходе к шлифованию новой заготовки необходимо произвести сдвиг круга вдоль своей оси, т.е. перейти к шлифованию на новом месте круга. Этим обеспечивается более равномерный износ круга.

На станках последних моделей RZS, RZ362, RZ400 и RZ820 (наибольшие диаметры обработки от 250 до 820 мм, а наибольший модуль от 5 до 8 мм) имеется три рабочие позиции, которые занимает шлифовальная бабка, размещенная на поворотной тумбе. В первой позиции производится правка и балансировка шлифовального круга, во второй установка заготовки, в третьей шлифование. Станки управляются устройством ЧПУ, нет никаких механических связей между координатами перемещения рабочих органов. Установленную заготовку «осматривает» сенсорный датчик, который дает информацию в устройство ЧПУ, после чего заготовка поворачивается в такое угловое положение, при котором витки шлифовального круга точно входят во впадину между зубьями заготовки, равномерно распределяя припуск.

Устройство правки имеет возможность так заправлять круг, чтобы можно было модифицировать профиль зуба обрабатываемого колеса. Само шлифование может обеспечивать «бочкообразность» зуба, что улучшает расположение пятна контакта в передаче.

Правку кругов на большинстве зубошлифовальных станков осуществляют с помощью алмазов в оправе. На станках, работающих червячным кругом, правку выполняют алмазными резцами или быстровращающимися алмазными роликами. При правке алмазными роликами шлифовальный круг становится обрабатываемым изделием.

Станки, работающие червячным кругом, демонстрируют редкое сочетание высокой производительности и высокой точности.