Параметры исходных производящих реечных контуров

а, °С
25	1,0	1,0	0,35208	0,20328	0,20328
28	0,9	0,9	0,34754	0,18438	0,18438

(здесь - коэффициент высоты головки; - коэффициент высоты ножки; - коэффициент радиуса кривизны скругления головки; - коэффициент высоты скругления головки; - коэффициент высоты скругления ножки).

Но и этот стандарт, так же как и ГОСТ 13755-81, применим только для малонагруженных и кинематических зубчатых передач.

В отечественной авиационной промышленности давно используется прием, называемый разноконтурностью. Он заключается в том, что ведо­мое зубчатое колесо выполняется по исходному контуру с углом профи­ля, превосходящим угол профиля ведущего. Разность углов профиля ус­танавливается расчетно-экспериментальным путем.

Введение модификаций вызвано переменными режимами работы большинства зубчатых передач. На рис. 6.6 представлены виды про­фильной модификации, широко применяемые в зубчатых передачах.

В последней графе указан наилучший для авиационных конструкций вид модификации - плавная бочкообразность по всей высоте профиля на основе разноконтурности: правый график - профиль ведущего колеса, левый график - ведомого. Профильная модификация в сочетании с бочкообразностью линий зубьев дает максимально работоспособную конструкцию.

Рис. 6.6. Виды модификации профилей зубьев

Высокой несущей спо­собностью обладают разноконтурные зубчатые передачи. На рис. 6.7 показаны профили тяжелонагруженной пары зуб­чатых колес двигателя АЛ-31Ф. Угол профиля ведущего колеса умень­шен относительно номи­нала, а ведомого увели­чен. Это обеспечило раз­ность основных шагов, компенсирующих дефор­мации зубьев.

В редукторе знамени­того турбовинтового дви­гателя АИ-20, который долгие годы работал на самолетах Ил-18 и имел самый большой ресурс, профили зубьев выполня­лись разноконтурными в сочетании с фланкирова­нием (рис. 6.8, а). Такой же профиль на турбовин­товом двигателе ТВ7-117 самолетов Ил-114 и Ан-140. И самую современную форму модификации про­филей имеет двигатель НК-12, на котором уста­новлен дифференциаль­ный редуктор, передаю­щий 12 ООО л.с. Он стоял на наших гигантах ТУ-114, «Антей». На колесе с внутренними зубьями форма профиля представляет плавную выпуклую кривую (рис. 6.8, б), развернутую по углу профиля. Все эти оригинальные решения направле­ны на одно - разгрузить кромки зубьев, входящих в зацепление и выходящих из него, и улучшить кинематику (а соответственно и динамику) движения, нарушаемую вследствие существенной дефор­мации зубьев, превосходящей по­грешности изготовления. Послед­ние в авиационных конструкциях зубчатых передач исчисляются микрометрами, а деформации - десятками микрометров.

Рис. 6.7. Профили зубьев и эвольвентограммы ведущего (а) и ведомого (б) колеса коробки агрегатов двигателя АЛ-31Ф:

сплошная линия - теоретический профиль, штриховая - действительный

Рис. 6.8. Эвольвентограммы зубьев с разноконтурностью и фланкированием (а) и с разноконтурностью и краунированием (б)

Как говорилось выше, формы зубьев по ГОСТ и ОСТ мало подходят для авиационных зубчатых передач, в том числе и по форме впадин. На рис. 6.9 показаны формы впадин, применяемые в отрасли.

Рис. 6.9. Формы впадин зубчатых венцов

Форма впадины обеспечивает наибольшую изгибную прочность зубьев, а также решает технологические проблемы: дает свободный выход шлифоваль­ным и зубохонинговальным инструментам. Зубья с поднутренным осно­ванием нарезаются червячными фрезами с протуберанцем на зубьях, по­казанным на рис. 6.4. Так как свойства эвольвентного зацепления позво­ляют формировать зубья производящими контурами, отличными от про­изводящих контуров, которые являются дополнительными к исходным, то на чертежах кроме исходных приводятся и производящие контуры (в основном контуры с протуберанцем).

Для конических зубчатых передач задается и исходный контур, имеющий вид круговой рейки. Для того чтобы сохранить преимущества профдоирования инструмента прямой лини­ей, круговую рейку также делают прямобочной. Но вследствие того что коническое за­цепление пространственное и эвольвента может быть образована только точкой или окружностью, зацепление, образованное прямой, получается квазиэвольвентным или, как его часто называют, октоидным, так как линия зацепления в этом случае уже не пря­мая, а октоида (рис. 6.10).

Рис. 6.10. Круговая рейка октоидного зацепления: 1-производящая линия; 2 - линия зацепления (октоида)

Еще одной особенностью профилирования конических зубчатых колес является то, что на форму профиля в большой степени влияет выбор произ­водящего колеса, виды которого показаны на рис. 6.11.

Рис. 6.11. Виды производящих колес

Сочетание одного исходного контура с разными производящими колесами дает раз­ные формы профиля, поэтому на чертеже необходимо приводить форму профиля и линии зубьев как для цилиндрических, так и для кони­ческих зубчатых колес, кроме стан­дартного исходного контура. При профилировании необходимо учиты­вать технологию изготовления зуб­чатых колес, прочность зубьев, мо­делирование зацепления в условиях нагружения, наладку станков и про­граммирование контрольно-измери- тельных комплексов. В качестве при­мера на рис. 6.12 и 6.13 показаны блок-схемы программного комплекса фирмы Gleason (США), обеспечи­вающего разработку оптимальной конструкции и технологии кониче­ских передач с круговыми зубьями.

Подобные программы сущест­вуют и для цилиндрических зубча­тых колес. Основным эксплуатационным параметром авиационных зубчатых пе­редач является ресурс, определяемый заданным числом часов работы в отсутствие излома зубьев, выкрашивания поверхностей зубьев, сколов кромок зубьев, повреждений поверхностей зубьев в виде износа, заеда­ния, пластических деформаций.

Как следствие должны учитываться частные параметры: уровень вред­ных нагрузок (динамических), концентрация нагрузок на кромках, неравно­мерное распределение нагрузок по контактным линиям, виброактивность.

Эксплуатационные свойства зубчатых колес в решающей степени оп­ределяются точностью изготовления, а она в свою очередь определяется системой допусков. Так, существуют ГОСТ 1643-81 и ГОСТ 1758-81 на допуски цилиндрических и конических зубчатых передач, но в авиацион­ной технике их применять нельзя, поскольку они рассчитаны на сопря­женные зацепления, т.е. без модификации поверхностей.

Рис. 6.12. Блок-схема программного комплекса Gleason

Рис. 6.13. Блок-схема программы LTCA

В свое время были разработаны отраслевые стандарты на допус­ки зубчатых колес, которые действуют и в настоящее время. Это ОСТ 141671-91 «Колеса зубчатые цилиндрические авиационные. Допус­ки» и ОСТ 141667-89 «Колеса зубчатые конические авиационные. До­пуски». Они рассчитаны для зубчатых колес с любой формой профилей и линий зубьев.

В основу нормирования допусков положена не кинематическая по­грешность, как в ГОСТ 1643-81 и ГОСТ 1758-81, а прерывная кинемати­ческая погрешность, т.е. «функция отклонений от номинального положе­ния на линии зацепления точек активных действующих линий номиналь­ных поверхностей зубьев в зависимости от углового положения зубчато­го колеса, вращающегося вокруг своей базовой оси. Выражается в линей­ных величинах длиной дуги делительной окружности колеса в зависимо­сти от угла поворота последнего». Для эвольвентного прямозубого коле­са без модификации профилей зубьев геометрически это можно предста­вить как развертку зубчатого венца (торцевого сечения его активных по­верхностей) в прямоугольной системе координат. Другими словами, это эвольвентограммы одноименных профилей зубьев, расположенные по­следовательно в соответствии с действительным положением на колесе, как это показано на рис. 6.14. На рис. 6.15 представлена прерывная кинематическая погрешность зубчатого колеса с модифицированными профилями зубьев. В этом случае погрешности профилей ограничивают­ся криволинейными полями допусков.

Нормы (допуски и отклонения) на элементы прерывной кинематиче­ской погрешности соответствуют стандарту JSO 1328 последней редак­ции, что обеспечивает соответствие точности изготовления международ­ному уровню.

Рис. 6.14 Прерывная кинематическая погрешность эвольвентного зубчатого колеса (n - целое число)

Рис. 6.15. Прерывная кинематическая погрешность зубчатого колеса с полностью модифицированным профилем

Рациональный выбор степени точности является важнейшей задачей, так как, с одной стороны, во многом определяет несущую способность и долговечность зубчатых передач, а с другой - сложность и стоимость изго­товления. Оптимизация конструктивных и технологических решений - единственный путь правильного назначения степени точности.

6.2. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ КОНСТРУКЦИИ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

Оценка технологичности зубчатых колес производится в следующем порядке.

1. При конструктивном оформлении детали обязательным является оценка поверхностей с точки зрения возможности их использования в качестве технологических баз для центрирования, установки и крепления детали на всех операциях технологического процесса, особенно при об­работке зубьев, мест под подшипники, резьб, шлицев.

2. Независимо от вида зубчатого колеса следует предусматривать сов­падение конструктивных и технологических баз, что дает возможность осуществлять контроль колес на той же производственной оснастке при переборках изделий, ремонте, восстановлении детали и т.д.

Для колес с хвостовиками наличие центровых фасок обязательно. Же­лательно, чтобы центровые фаски выходили на гладкие отверстия и торцы.

3. Для дисковых колес больших размеров с неразвитой ступицей и для колес с тонкой нежесткой диафрагмой при обработке зубьев и других элементов опорные торцы необходимо выполнять достаточно большими и точными.

Указанное требование относится и к случаю, когда торцы венца ис­пользуются в качестве конструктивных баз.

4. С целью обеспечения необходимой жесткости при зубообработке и других операциях размеры центральных отверстий, ступицы и опорных поверхностей должны быть пропорциональны диаметру делительной окружности. Следует избегать малых посадочных отверстий и чрезмер­ных консолей.

5. В конструкции конических колес для использования в качестве опорной базы при зубообработке следует предусматривать со стороны дополнительного конуса плоскую поверхность достаточных размеров, перпендикулярную оси колеса и доступную для шлифования. Должен соблюдаться принцип совмещения баз.

Для колес с центральным отверстием торец со стороны конуса, ис­пользуемый при базировании детали, необходимо делать плоским и па­раллельным опорной поверхности. Без дополнительной опоры можно обрабатывать только колеса с отношением диаметра делительной окруж­ности к диаметру ступицы менее 2,5. В противном случае следует ввести дополнительную опору у зубчатого венца.

Опыт двигателестроения показывает, что материалы, имеющие твер­дость HRC = 34 ... 38, обеспечивают низкую шероховатость зубообработки при удовлетворительной размерной стойкости зубообрабатывающего инструмента.

Для зубчатых колес, проходящих после химико-термической опера­ции сложную механическую обработку: наружных и внутренних шлицев, нарезание внутренних резьб, точение фасонных поверхностей и т.д., с предельной твердостью HRC = 41 требуется сложнофасонный инстру­мент из новых быстрорежущих сталей с твердостью не менее 67.

При рациональной химико-термической обработке сталь для зубчатых колес не должна иметь значительных деформаций и рассеивания твердости.

Сталь должна обеспечивать получение теплостойкого цементованного слоя, способного сохранять полученные свойства в процессе зубошлифо- вания. Как правило, стали, допускающие повышенные температуры от­пуска с сохранением заданной твердости слоя, менее подвержены шли­фовочным прижогам. Наиболее рекомендуемая в двигателестроении сталь ВКС-5 по этому параметру удовлетворяет требованиям, предъяв­ляемым к силовым зубчатым колесам, так как имеет высокую температу­ру отпуска, близкую к 350 °С.

Следующие условия обеспечивают стабильные формы и размеры зуб­чатых колес после химико-термической обработки:

возможно более полная симметрия зубчатого венца относительно диафрагмы и связанных с венцом конструктивных элементов;

пропорциональность детали и ее конструктивных элементов в осевом и диаметральном отношениях, отсутствие сложных по форме диафрагм малой жесткости и т.д.;

наличие для зубчатых колес, закаливаемых в штампе под прессом, развитого отверстия, близкого к венцу, опорных и прижимных торцов, не образующих консоли.

Нежелательно использовать цианирование или цементацию внутрен­них шлицев вследствие их усадки или разбухания. Если их работоспо­собность нельзя обеспечить другим способом, следует предусматривать возможность для свободного прохода притира.

При выборе марки материала, вида химико-термического упрочнения зубьев и глубины цементованного слоя необходимо учитывать следующее:

газовая цементация зубчатых колес обеспечивает заданную глубину цементованного слоя на зубьях равномерно по всем поверхностям, вклю­чая дно впадины, с допуском 0,2 мм;

цементация в твердом карбюризаторе обеспечивает глубину слоя на зубьях с допуском 0,2 мм, на дне впадины глубина слоя на 0,1 мм меньше;

в среднем на зубьях модулем до 5 мм колебание припуска на боковых сторонах достигает 0,1 мм, поэтому глубина цементованного слоя по боко­вым сторонам зубьев не может быть выдержана точнее 0,3 мм. На шлифо­ванных впадинах зубьев колебание припуска составляет 0,2 ... 0,25 мм.

Одним из критериев высокой технологичности зубчатых колес является степень нормализации параметрических величин и конструктивных эле­ментов исходя из минимального числа их значений. Поэтому рекомендует­ся в процессе проектирования вести статистику примененных модулей, чисел зубьев колес и шлицев, отверстий резьбовых и гладких, радиусов сопряжений и переходов, канавок, выточек, пазов и т.д. с целью их стан­дартизации. Это обеспечивает снижение номенклатуры режущего и мери­тельного инструмента и внедрение нормализованных конструкций. Следу­ет придавать особое значение нормализации элементов, выполняемых мер­ными инструментами: резцами, сверлами, развертками, метчиками, фреза­ми и т.д., при использовании автоматизированных станков и установок.

6.3. ПОСТРОЕНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Многолетний опыт серийного производства и эксплуатации зубчатых передач ГТД выявил большое влияние технологических факторов на ре­сурс и надежность работы передач. Технология производства высокона­пряженных передач повышенного ресурса должна обеспечивать:

высокую точность изготовления базовых поверхностей и всех эле­ментов зацепления;

высокое качество химико-термического упрочнения рабочих поверх­ностей зубчатых колес;

оптимальную модификацию рабочих поверхностей зубьев, умень­шающую динамические нагрузки и вибрации в зацеплении и исключаю­щую заедание зубьев в работе зубчатых пар;

низкую шероховатость рабочих поверхностей зубьев; снижение затрат на изготовление зубчатых колес. Технологические процессы изготовления зубчатых колес должны учитывать условия конкретного серийного производства. Технологиче­ский маршрут, устанавливающий последовательность выполнения опе­раций обработки, строится в зависимости от многих конструктивно- технологических особенностей зубчатого колеса, определяющей из кото­рых является выбор вида химико-термического упрочнения его рабочих поверхностей.

Совершенно очевидно, что уровень долговечности и надежности зуб­чатых колес заложен в качестве поверхностного слоя зубьев. Оно должно быть высоким, чтобы в условиях действия больших контактных напря­жений, сил трения и контактных температур противостоять повреждению рабочих поверхностей зубьев и их усталостному разрушению (поломке).

На качество поверхностного слоя зубьев оказывает влияние весь цикл технологического процесса изготовления зубчатых колес, начиная с заго­товительных операций и кончая финишной обработкой. Однако степень воздействия технологических операций на поверхностный слой зубьев неодинакова.

Главным звеном технологического процесса, в наибольшей степени ответственным за качество поверхностного слоя зубьев, по праву счита­ют технологию химико-термической обработки - цементацию, а для оп­ределенной номенклатуры зубчатых колес ГТД - ионное азотирование. Именно эти технологические процессы формируют химический и фазо­вый состав поверхностного слоя, его структуру и основной уровень упрочнения.

Однако цементация в сочетании с последующим термическим упроч­нением вызывает существенную деформацию зубчатых колес. Точность ажурных авиационных зубчатых колес снижается на 2 ... 3 и более сте­пени. Восстановить точность можно с помощью зубошлифования - тру­доемкой операции, усложняющей технологию и также влияющей на ка­чество поверхностного слоя.

Ионное азотирование свободно от этого недостатка. Основное досто­инство этого процесса - отсутствие при упрочнении поверхностного слоя зубьев значительных деформаций и коробления, что дает возможность либо исключить зубошлифовальную операцию, либо заменить ее зубохо- нингованием - более производительным технологическим процессом. Вместе с тем при азотировании формируются диффузионные слои огра­ниченной толщины (как правило, не более 0,5 мм), что снижает уровень допустимых контактных нагрузок и как следствие сужает номенклатуру обрабатываемых деталей.

Рассмотрим два типовых маршрутных технологических процесса изго­товления зубчатых колес ГТД, базирующиеся на использовании в качестве химико-термической обработки цементации и ионного азотирования.

В современном производстве авиационных зубчатых колес обычно применяется цементация рабочих поверхностей. В этом случае техноло­гический процесс включает в себя следующие основные операции:

получение заготовки; черновую обработку заготовки;

нормализацию (для снятия внутренних напряжений в заготовке и улучшения структуры материала);

предварительную обработку поверхностей после химико-термичес­кого упрочнения;

обработку базовых поверхностей под нарезание зубьев;

нарезание зубьев;

обработку торцевых и продольных кромок зубьев;

цементацию;

обработку нецементируемых поверхностей, снятие напусков с по­верхностей, не требующих химико-термического упрочнения;

закалку и отпуск;

восстановление баз под окончательную обработку;

окончательную обработку посадочных поверхностей;

зубошлифование и отделку зубьев (зубохонингование);

окончательный контроль.

Как правило, конструкцией зубчатых колес предусматривается цемен­тация только зубчатых венцов и посадочных мест под подшипники, сле­довательно, остальные поверхности колеса должны быть защищены от цементации. Защита от цементации выполняется или напусками (припус­ками, превышающими по толщине глубину цементируемого слоя), или гальваническим меднением. Рассмотренный технологический процесс имеет ряд недостатков, главный из которых - значительные и нестабиль­ные деформации и усадки заготовок. Это существенно усложняет, а в отдельных случаях делает невозможным расчет размерных цепей с обес­печением гарантированных припусков для дальнейшей обработки. Осо­бое значение учет деформаций приобретает при окончательном зубошлифовании, так как в современных конструкциях зубчатых колес чер­тежами оговаривается максимально допустимый съем припуска на дан­ной операции - 0,2 мм на сторону. Коробление детали после химико-термической обработки приводит к неравномерному распределению припуска, что создает предпосылки для появления шлифовочных дефек­тов. Защита неупрочняемых поверхностей напуском надежна, но вызыва­ет нерациональный расход материала, особенно в тех случаях, когда на детали имеются поверхности с различными глубинами упрочняемых сло­ев. Кроме того, защита напуском приводит к увеличению трудоемкости механической обработки и дополнительному расходованию режущего инструмента.

При защите поверхностей гальваническим покрытием требуется высо­кокачественная подготовка поверхностей, что увеличивает трудоемкость обработки. В то же время такая защита, не гарантируя надежность из-за пористости покрытия и его частого отслаивания, увеличивает расход энер­горесурсов и цветных металлов, удорожая производство продукции.

При цементации и закалке твердость сердцевины и твердость упроч­ненных поверхностей взаимосвязаны. Для современных сталей, исполь­зуемых при изготовлении зубчатых колес ГТД, твердость сердцевины HRC, достигает 39 ... 42,5, что значительно затрудняет точную обработку внутренних поверхностей и шлицевых венцов лезвийным инструментом.

В последние годы в ряде конструкций зубчатых колес современных ГТД в качестве химико-термического упрочнения используется процесс ионного азотирования. Технологический процесс изготовления зубчатого колеса в этом случае строится следующим образом:

получение заготовки;

черновая обработка заготовки;

нормализация;

подготовка баз под зубонарезание;

нарезание зубьев;

обработка торцевых и продольных кромок зубьев;

закалка с высоким отпуском для обеспечения твердости сердцевины;

чистовая обработка детали;

термостабилизирующий отпуск;

обработка баз под зубошлифование;

зубошлифование;

ионное азотирование;

доводка посадочных мест под подшипники;

зубохонингование (финишное зубошлифование);

окончательный контроль.

Принципиальным отличием этого технологического маршрута обра­ботки от традиционного является использование зубошлифования в каче­стве предварительной операции, а зубохонингования - в качестве фи­нишной, выполняемой после ионного азотирования. Зубошлифование как предварительная операция имеет ряд особенностей (преимуществ). Шлифование поверхностей зубьев выполняется на материале, твердость которого составляет 30 ... 41,5, что позволяет существенно снизить тре­бования к качеству поверхностного слоя на данной операции и исклю­чить из технологического процесса операцию низкотемпературного ста­билизирующего отпуска. Кроме того, шлифование поверхности с пони­женной твердостью дает возможность использовать повышенные режи­мы зубошлифования, применять шлифовальные круги повышенной твер­дости. Последние за счет того, что длительное время могут сохранять свою форму, обеспечивают более высокую и стабильную точность обра­ботки при сокращении количества правок за цикл. Кроме отмеченного указанный технологический процесс имеет еще несколько преимуществ. Лезвийная обработка деталей выполняется при наиболее благоприятной твердости материала, и это позволяет повысить точность обработки при жестких режимах резания, сохраняя при этом стойкость инструмента. Так как поверхности, не требующие азотирования, имеют простую и надеж­ную защиту экранами, технологический процесс не предусматривает вве­дения, а следовательно, и удаления напусков, что повышает коэффициент использования материала заготовки на 15 ... 20 % и снижает трудоемкость механической обработки на 12 ... 15 %. Благодаря низкому уровню дефор­маций колес после ионного азотирования удается уменьшить припуски на финишную зубошлифовальную операцию (если она производится) до 0,05 мм при обработке высокоточных колес и заменить ее операцией зубо­хонингования при изготовлении колес среднего уровня точности.

6.4. МАТЕРИАЛЫ, ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА, ПОЛУЧЕНИЕ ЗАГОТОВОК ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

Для изготовления цементируемых зубчатых колес ГТД применяют Достаточно узкую группу комплексно-легированных теплостойких ста­лей (табл. 6.2). В связи с ужесточением режимов работы используемые ранее для изготовления зубчатых передач высоконикелевые стали 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 18Х2Н4ВА не удовлетворяют возросшим требовани­ям. Из хромоникелевых сталей ограниченное применение находит лишь сталь 12Х2Н4А-Ш. Ее преимущественное назначение - зубчатые передачи редукторов и трансмиссий вертолетов, в которых зубчатые колеса, имею­щие относительно большие размеры (d_a ≥ 250 мм и более, m = 4 ... 6 мм), испытывают высокие нагрузки. Применение этой стали обусловлено вы­сокой прокаливаемостью в сочетании с высокой прочностью и вязкостью сердцевины, а также малой склонностью к перенасыщению углеродом при цементации и как следствие пониженной чувствительностью к по­верхностным дефектам. Благодаря этому сталь 12Х2Н4А-Ш хорошо про­тивостоит хрупкому и усталостному разрушению.

Главный недостаток хромоникелевых сталей - низкая теплостойкость (устойчивость к отпуску). В процессе длительной работы твердость це­ментованной поверхности стали 12Х2Н4А-Ш снижается при температуре нагрева свыше 170 °С, между тем как рост скоростей и контактных на­грузок в зубчатых зацеплениях авиационных двигателей приводит к зна­чительному увеличению их тепловой напряженности.

Необходимость обеспечения устойчивости структуры цементованного слоя к повышенной рабочей температуре и локальным температурным вспышкам предопределила разработку и преимущественное применение теплостойких сталей, химический состав и механические свойства кото­рых соответствуют ГОСТ 20072-74, ТУ 14-1-2090 и ТУ 142143-2-71. В этих сталях уменьшена концентрация никеля и введены карбидообразующие элементы Cr, W, Mo, V, Nb, а также небольшое количество Si, которые затруднили распад мартенсита и сдвинули процессы низкого отпуска в сторону более высоких температур. Различно сочетание и ко­личество этих элементов в сталях. Сталь 14ХГСН2А-Ш, созданная в ка­честве одного из первых заменителей хромоникелевых сталей, за счет присутствия в ее составе Мо и Si сохраняет мартенситную структуру цементованного слоя до температуры 230 °С. Умеренную теплостойкость (до 250 °С) имеют стали 12Х2НВФМА-Ш и 16Х2НЗМФБАЮ-Ш. Более высокая теплостойкость свойственна сталям 20ХЗМЫФ-Ш (300 °С) и 16ХЗНВФМБ-Ш (350 °С), которые преимущественно применяются в про­изводстве зубчатых колес современных авиадвигателей. Наиболее рацио­нальное легирование характерно для стали 16ХЗНВФМБ-Ш (ВКС-5), ко­торая длительное время сохраняет высокую (60 ... 63 HRC) твердость цементованной поверхности и обеспечивает надежную работу редукто­ров и агрегатов.

Таблица 6.2

Стали для авиационных зубчатых колес

Хромоникелевую и указанные выше теплостойкие стали подвергают химико-термической обработке на первичную твердость. Она включает цементацию, высокий отпуск, закалку, обработку холодом и низкий отпуск.

Стали для зубчатых колес ГТД производят природно-мелкозернистыми (величина наследственного зерна соответствует 6 ... 8-му номе­ру по ГОСТ 5639-88) и с обязательным электрошлаковым переплавом, что отвечает рассмотренным выше требованиям.

Сталь 16ХЗНВФМБ-Ш слабо разупрочняется при длительном нагреве до температуры 500 ... 550 °С, и это дает возможность использовать ее для ионного азотирования. Для этих целей пригодна также сталь 20ХЗМВФ-Ш, но она обеспечивает более низкую твердость и прочность сердцевины, чем сталь 16ХЗНВФМБ-Ш, что делает последнюю предпоч­тительной при производстве азотируемых зубчатых колес.

Среди цементируемых сталей для ионного азотирования наиболее це­лесообразно использовать сталь 16Х2НЗМФБАЮ-Ш (ВКС-7). Ее ком­плексное легирование создает благоприятные условия для формирования качественных азотированного слоя и сердцевины. Повышенное количе­ство нитридообразующих элементов обеспечивает высокую твердость азотированного слоя. Присутствие 3 % Ni затрудняет зернограничные выделения в азотированном слое нитридной фазы и предупреждает раз­витие излишней хрупкости.

При изготовлении зубчатых колес ГТД используются, как правило, два метода: горячая штамповка и ручная ковка. Колеса, выполненные из горячекатаного пруткового материала, можно использовать только в малонагруженных передачах. В серийном производстве зубчатых колес це­лесообразно применять штамповки, что повышает коэффициент исполь­зования материала за счет рационализации формы. Малые припуски для последующей механической обработки способствуют снижению общей трудоемкости изготовления деталей.

Получение заготовок зубчатых колес методом ручной ковки допусти­мо в условиях опытного производства и в случае разовых заказов на из­готовление малых партий деталей, когда расходы на проектирование и изготовление штамповой оснастки не могут быть окуплены.

6.5. ОБРАБОТКА ЗАГОТОВОК ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

Зубчатые колеса ГТД ввиду сложной геометрической формы обраба­тываются кругом, т.е. все поверхности подвергаются механической обра­ботке. Как известно, одним из показателей уровня технологии является изготовление колес из заготовок с малыми припусками. Не менее важно при этом так построить технологию, чтобы черновые операции механи­ческой обработки производились в начале техпроцесса и основная масса материала снималась с заготовки, имеющей оптимальную твердость для обработки лезвийным инструментом. Однако особенность конструкции зубчатых колес ГТД, связанная с необходимостью снижения веса, преду­сматривает наличие тонких элементов конструкций и различного вида облегчения (выточки, отверстия и т.п.). При этом на многих деталях при­ходится искусственно увеличивать припуски под химико-термическую обработку для придания им большей жесткости, так как закалка деталей ведется в свободном виде. Кроме того, выше уже отмечалось, что защита от цементации осуществляется увеличенными припусками (напусками). В связи с этим основную долю механической обработки зубчатых колес составляет токарная. Заготовки (штамповки и поковки) после соответст­вующей термической обработки и очистки от окалины поступают на пер­вичную (обдирочную) токарную обработку, во время которой зажим де­талей осуществляется в кулачковых патронах по необработанным по­верхностям. Далее следуют получистовые и чистовые операции (токар­ные, фрезерные, сверлильные и т.д.) под химико-термическую обработку, после чего осуществляются окончательные операции механической об­работки: токарные, фрезерные, сверлильные, шлифовальные и т.д.

В настоящее время механическая обработка точением, сверлением, шлифованием, фрезерованием производится на универсальном оборудо­вании повышенной и высокой точности, которое укомплектовано специ­альными приспособлениями и инструментом. Тем не менее на таком обо­рудовании невозможно решить на современном уровне проблему произ­водства высокоточных зубчатых колес повышенного ресурса работы. Конструкция колес должна учитывать высокие требования к изготовле­нию зубчатых венцов, посадочных мест под подшипники, плавное со­пряжение поверхностей, образующих подвенечные выемки (особенно для колес, имеющих диафрагму конической формы). Посадочные места под подшипники, фиксируя положение зубчатого венца, обеспечивают необ­ходимые условия работы, от их качества зависит работоспособность подшипниковых узлов высокоскоростных передач. Посадочные места на хвостовиках должны удовлетворять следующим требованиям:

шероховатость цилиндрической и плоской поверхностей Ra = 0,2 ... 0,4 мкм;

отклонение формы 0,002 ... 0,004 мкм.

Чтобы удовлетворить указанным требованиям, шлифование посадоч­ных мест следует выполнять на презиционных круглошлифовальных станках с поворотной бабкой периферийной частью шлифовального кру­га. В том случае когда оси детали и круга параллельны, значительно ухудшаются условия шлифования торца и радиуса перехода, поэтому при данном методе шлифования обеспечить высокое качество обработки весьма затруднительно.

Современным решением проблем механической обработки зубчатых колес является использование токарных станков с ЧПУ и обрабатываю­щих центров, созданных на их базе. Применительно к условиям произ­водства зубчатых колес ГТД заслуживают внимание токарные станки, выпускаемые фирмой BEHRINGER. Станки этой фирмы серии VDF D предназначены для использования в условиях мелкосерийного и штучно­го производства. Они отличаются высокой точностью обработки, не ус­тупающей во многих случаях шлифованию. Эта серия включает в себя три типа станков: DUS, DUC и DUE, отличающиеся уровнем автоматиза­ции и системами управления. В зависимости от требований заказчика станки выполняются с ручным, цикловым управлением или с управлени­ем от системы ЧПУ. Так, станки серии DUS являются универсальными прецизионными токарными станками. В их конструкции использованы последние достижения в области приводной и управляющей техники. Станки содержат все элементы управления, присущие обычному токар­ному станку. Отличие заключается в том, что станок управляется с по­мощью ручки центрального управления, находящейся на пульте, и элек­тронных маховичков продольного и поперечного перемещения. Кроме того, на станке имеется цифровая индикация действительного положения осей. Оснащение системой Sinumerik 810 D существенно расширяет тех­нологические возможности станка в обработке деталей сложного конту­ра. Данные для обработки деталей вводятся в систему управления непо­средственно с чертежа или технологической карты оператором станка, а далее формирование управляющей программы производится автоматиче­ски. Система запоминает сформированную программу обработки, кото­рая при необходимости легко вызывается. Важной особенностью функ­ционирования системы управления станка является то, что она запомина­ет цикл обработки независимо от того, как этот цикл выполнен: в ручном или автоматическом режиме. Например, цикл обработки первой детали в партии может быть выполнен в ручном режиме. После того как проведе­ны контрольные операции и качество обработки признано соответст­вующим технической документации, дальнейшая обработка партии дета­лей может проводиться в автоматическом режиме.

Станки серии DUC имеют ту же концепцию системы управления. Их отличие заключается в том, что обработку деталей сложной конфигура­ции можно производить, не прерывая процесс на ручную смену инстру­мента; для этого станки оснащаются револьверными головками, содер­жащими до 8 инструментов. Это позволяет не только выполнять токар­ные операции, но и осуществлять в автоматизированном режиме нареза­ние резьб, сверление отверстий и т.д.

Станки серии DUE являются прецизионными токарными станками с ручным управлением.

В настоящее время фирмой BEHRINGER разработана технология то­чения деталей, прошедших термическую и химико-термическую обра­ботку и имеющих твердость HRC_э > 58. Применение точения вместо шлифования твердых поверхностей существенно понижает затраты на изготовление деталей и повышает качество обработанной поверхности (отсутствие шлифовочных дефектов). По данным фирмы, при точении твердых поверхностей с зажимом детали в патроне можно получить сле­дующие результаты:

некруглость < 0,001 мм,

биение < 0,001 мм,

цилиндричность < 0,002 мм,

точность размера < 0,005 мм,

шероховатость поверхности < 0,3 мкм,

что говорит о перспективности использования данного вида обработки заготовок зубчатых колес ГТД.

Комплексное решение задач механической обработки заготовок зуб­чатых колес связано с применением токарных обрабатывающих центров. В качестве примера рассмотрим технические возможности токарных об­рабатывающих центров серии MILLURN фирмы WFL. Технологические возможности указанных центров обеспечивают выполнение следующих операций:

точение,

фрезерование,

сверление,

глубокое сверление,

нарезание наружных и внутренних шлицев,

круговое фрезерование резьб,

зубофрезерование методом обката,

измерение размеров с помощью контактного датчика.

Обрабатывающие центры имеют два рабочих шпинделя с независи­мым управлением. В процессе обработки деталь может автоматически передаваться с одного шпинделя на другой. Интегрированная в систему Управления измерительная система не только оценивает точность разме­ров при обработке, но и служит для ориентации деталей при их автома­тической или ручной установке в кулачковый патрон. Кроме того, с по­мощью измерительной системы производится компенсация изменения размеров, связанная с износом инструмента, и корректировка его поло­жения. С целью обеспечения высокой точности обработки центры осна­щаются специальными системами термостабилизации и автоматической компенсации погрешностей обработки, связанных с колебанием темпера­туры, изменением усилий резания и веса детали.

Во время обработки выполняется мониторинг положения всех осей, участвующих в процессе, и усилий резания. Установленные при отработ­ке процесса оптимальные усилия резания заносятся в память компьютера и служат диагностическим признаком состояния инструмента. В случае потери инструментом режущих свойств или его поломки процесс обра­ботки немедленно прерывается.

Обрабатывающие центры MILLTURN оснащаются инструменталь­ными магазинами, содержащими 48 или 96 инструментов. Смена инстру­мента осуществляется роботом, имеющим два захвата, что позволяет проводить эту операцию в кратчайшее время. В памяти компьютера имеются данные на 255 инструментов. Если нужно использовать инстру­мент, не находящийся в данный момент в магазине станка, то он устанав­ливается вручную, причем операцию загрузки и выгрузки можно осуще­ствлять, не прерывая цикл обработки. Обрабатывающие центры могут оснащаться двумя дополнительными револьверными инструментальны­ми барабанами, каждый из которых содержит по 12 инструментов. Обычно их используют для больших партий деталей из труднообрабаты­ваемых материалов.

Работа инженеров-технологов по технологической подготовке произ­водства зубчатых колес ГТД характеризуется большой трудоемкостью и длительными сроками. Значительное место в этой работе занимают раз­мерные расчеты параметров технологического процесса, которые вклю­чают в себя назначение межоперационных (промежуточных) припусков и допусков на механическую обработку, и расчет технологических размер­ных цепей для гарантированного обеспечения качества и экономичного производства продукции. Полный размерный анализ технологического процесса включает следующий комплекс работ:

назначение обоснованных допусков на всех операциях;

назначение необходимого и достаточного числа технических требова­ний на операциях;

определение минимально необходимых припусков;

построение специальных размерных схем технологического процесса;

выявление и фиксация взаимосвязи всех размерных параметров по мере формоизменения заготовки;

выявление размерных цепей;

проверочный расчет возможности обеспечения чертежных размеров и технических требований;

проверка и установление рациональных способов простановки разме­ров на операциях;

определение номинальных значений операционных размеров путем решения размерных цепей;

расчет средних и максимальных припусков;

определение толщины слоев цементации, азотирования, хромирова­ния и иных видов насыщения и покрытия поверхностей;

другие задачи.

Следует отметить, что в современной практике производства зубча­тых колес ГТД преимущественно используется нормативный метод оп­ределения межоперационных припусков и размеров при механической обработке заготовок. Действующие в авиационной промышленности от­раслевые стандарты ОСТ1 41187-78 ... 1 41188-78 «Заготовки штампо­ванные. Допуски на размеры, припуски на обработку. Конструктивные элементы» и ОСТ1 41512-86 «Детали механообрабатываемые. Размеры технологические нормальные» содержат табличные данные о припусках для всех видов механической обработки.

Зубчатые колеса ГТД отличаются сложной геометрической формой и пониженной жесткостью. Кроме того, как отмечалось выше, все зубчатые колеса подвергаются химико-термическому упрочнению с последующей механической обработкой шлифованием. Припуски под обработку шли­фованием устанавливаются в зависимости от вида обработки, глубины упрочненного слоя и способа защиты поверхностей, неподвергаемых уп­рочнению. При этом основным требованием к механической обработке является сохранение высоких механических свойств несущего слоя. В авиационной промышленности действует инструкция ВИАМ ПИ 1.2.052-78 «Химико-термическая обработка сталей и сплавов», в ко­торой установлены максимально допустимые величины припусков, уда­ляемых при шлифовании. Согласно этой инструкции, для цементованных поверхностей допускается припуск, величина которого не превышает 20 % глубины упрочненного слоя. В настоящее время для типовых кон­струкций зубчатых колес ГТД этот припуск на шлифование профилей зубьев составляет 0,2 мм на сторону.

При использовании азотирования в качестве химико-термического упрочнения рабочих поверхностей зубьев, которое предполагает мень­шую глубину упрочненного слоя, величина припуска, удаляемого шли­фованием, составляет 0,05 м на сторону.

Выше отмечалось, что наиболее надежной защитой поверхностей зуб­чатых колес, неподвергаемых химико-термическому упрочнению цемен­тацией, является защита напусками. При этом величина напуска должна быть больше максимальной глубины упрочненного слоя. В практике производства зубчатых колес ГТД принято назначать этот напуск равным 1,3 ... 1,5 глубины упрочненного слоя.

6.6. НАРЕЗАНИЕ ЗУБЬЕВ

Нарезание зубьев цилиндрических колес ГТД является предваритель­ной операцией, но от качества ее выполнения во многом зависит оконча­тельное качество изготовленной детали. Нарезание зубьев производится двумя методами: зубофрезерованием и зубодолблением. Фрезерование зубьев применяется для обработки зубчатых колес внешнего зацепления, конструкция которых обеспечивает свободный выход инструмента из зоны обработки. В настоящее время это наиболее распространенная опе­рация предварительного формирования поверхности зубьев под после­дующие операции химико-термической обработки и шлифования зубьев. Метод нарезания зубьев фрезерованием заключается во взаимном непре­рывном вращении (обкатке) инструмента и заготовки. При общеприня­том в авиационной промышленности методе зубофрезерования с исполь­зованием однозаходных червячных фрез за один оборот фрезы заготовка поворачивается на один зуб. Схема нарезания методом зубофрезерования приведена на рис. 6.16.

Рис. 6.16. Схема зубофрезерования

Различают три типа зубофрезерования:

черновое,

получистовое,

чистовое.

Черновое зубофрезерование применяют для быстрого удале­ния основной массы металла, ос­тавляя достаточно большой при­пуск на последующее фрезерова­ние, при этом внимание обраща­ется не на точность обработки, а на стойкость инструмента и его стоимость.

Получистовое зубофрезерование обычно выполняется с припуском под последующую механическую обработку, например зубошлифование.

Чистовое зубофрезерование выполняется на деталях, не требующих последующей механической обработки, следовательно, окончательные размеры зубьев и точность должны быть получены на этой операции. В производстве зубчатых колес ГТД используется черновое и получисто­вое зубофрезерование. Это связано с особенностью конструкции зубча­тых колес, которые проектируются с поднутренным основанием зубьев (выкружкой).

Зубофрезерование осуществляется на специализированных станках, которые состоят из 5 основных элементов:

шпиндель заготовки;

шпиндель фрезы;

механизм деления и обката, обеспечивающий синхронное вращение заготовки и инструмента в зависимости от числа зубьев нарезаемого ко­леса и числа заходов червячной фрезы;

механизм перемещения фрезы в направлении оси обрабатываемого колеса;

механизм перемещения фрезы на врезание для получения оконча­тельного размера зубьев.

Мировым лидером в производстве зубофрезерных станков в течение многих лет является фирма PFAUTER, которая в 1997 г. вошла в состав фирмы GLEASON, сохранив для этих станков свою торговую марку.

Характерной особенностью конструкции станков фирмы PFAUTER является сочетание высокой точности обработки с жесткостью станин и рабочих шпинделей, а также компактность компоновки. Оригинальная конструкция станины станков и система циркуляции охлаждающей жид­кости обеспечивают внутреннюю термостабилизацию и высокую точ­ность обработки в цехах, не оснащенных специальными системами термоконстантирования.

Последние 15 лет фирма PFAUTER производит станки с ЧПУ, посто­янно совершенствуя их программное обеспечение. В настоящее время станки оснащаются 5-координатными системами ЧПУ и соответствую­щим программным продуктом, позволяющим выполнять на станках все виды зубофрезерных работ и обеспечивать точность обработки зубчатых колес по 3-му квалитету DIN 3961. Специально созданная система диаг­ностики информирует оператора о всех неисправностях станка, их при­чинах и выдает рекомендации по их устранению.

Зубофрезерные станки фирмы PFAUTER выпускаются в двух компо­новках: вертикальные и горизонтальные.

Операция зубофрезерования является достаточно трудоемкой, так как применяемые для изготовления зубчатых колес ГТД стали относятся к группе труднообрабатываемых лезвийным инструментом. Для изготов­ления червячных фрез используются быстрорежущие стали марок Р18, Р6М5, Р9Н4К8МП, Р6М5Ш. Режимы обработки назначаются с учетом типа операции зубофрезерования: чернового и чистового. Как отмечалось выше, конструкция зубчатых колес ГТД предусматривает формирование выкружки у основания зубьев. Фрезерование зубьев таких колес произ­водится в два этапа различными червячными фрезами. Предварительно при черновом нарезании впадина формируется обычной червячной фре­зой. При этом оставляется припуск 0,3 ... 0,5 мм на сторону под оконча­тельную обработку червячной фрезой с протуберанцем. Черновое наре­зание зубчатых колес с модулем m < 3,0 мм производится за один проход, с m > 3 мм обычно за два прохода.

Способ нарезания венцов зубодолблением нашел исключительное применение при изготовлении колес и шлицев внутреннего зацепления, а также блочных колес с ограниченным выходом инструмента из зоны об­работки.

При зубодолблении инструмент (долбяк) и заготовка находятся в за­цеплении и совершают движение обката с определенным передаточным отношением, зависящим от чисел зубьев обрабатываемой детали и долбяка. Одновременно с этим долбяк совершает возвратно-поступательное движение - движение резания. Эти основные формообразующие движе­ния процесса зубодолбления дополняются движением радиальной подачи с целью получения полной высоты зуба. На рис. 6.17 показана схема, иллюстрирующая кинематику процесса зубодолбления прямозубых (а) и косозубых (б) зубчатых колес. При обработке косозубых колес используется косозубый долбяк, который в процессе работы совершает винтовое движение вокруг своей оси. С этой целью станки оснащаются специаль­ными винтовыми направляющими. Во время обратного хода во избежа­ние затирания долбяк совершает отскок от обрабатываемой поверхности.

Рис. 6.17. Схема нарезания зубьев зубодолблением: а - прямозубого; б - косозубого

При нарезании зубчатых колес используются долбяки различных кон­струкций: дисковые, чашечные и хвостовые. С учетом конструкции зуб­чатых колес ГТД, нарезаемых по этому методу, в производстве исполь­зуются только прямозубые долбяки. Выбор типа долбяка зависит от кон­струкции зубчатого колеса. Дисковыми нарезают колеса наружного и внутреннего зацепления, конструкция зубчатых венцов которых обеспе­чивает свободный выход долбяка из зоны резания (с учетом выступаю­щей крепежной гайки). В противном случае используются чашечные долбяки, у которых крепежная гайка располагается выше торцевой плос­кости зубьев долбяка. Хвостовые долбяки служат в основном для нареза­ния зубьев и шлицев внутреннего зацепления при малых диаметрах дели­тельной окружности.

Обработка зубчатых колес при данном методе нарезания производит­ся на специализированных зубодолбежных станках. Современные зубо- долбежные станки оснащаются системами ЧПУ, которые позволяют ав­томатизировать процесс и существенно упростить работу оператора станка. Основные преимущества станков с ЧПУ:

упрощается наладка станка из-за отсутствия зубчатых кинематиче­ских цепей;

оператор не устанавливает длину хода штосселя и его позициониро­вание;

оператор не устанавливает кулачки подачи на врезание и концевые выключатели, ограничивающие глубину врезания;

оператор не устанавливает режимы обработки (скорости и подачи), а вызывает их из памяти компьютера;

оператор не изменяет направление отскока долбяка при переходе об­работки с внутренних венцов на наружные и наоборот;

при оснащении станка измерительной системой оператор не должен проводить пробные нарезания (на макете) и измерять деталь вне станка, т.е. он сразу обрабатывает деталь в размер;

блочные колеса разной геометрии могут быть обработаны за одну ус­тановку, несмотря на замену инструмента;

точное взаимное расположение венцов в блоке обеспечивается неза­висимым управлением поворота детали и долбяка;

детали могут обрабатываться профильным инструментом (отличным от эвольвентного долбяка) при использовании метода единичного деле­ния (профильное долбление) и радиального врезания;

за одну установку на детали могут быть нарезаны венцы наружного и внутреннего зацепления.

Одним из мировых лидеров в производстве зубодолбежных станков является уже упомянутая фирма PFAUTER. Главной концепцией станков этой фирмы является:высокая точность обработки; жесткость конструкции; высокий уровень автоматизации.

Новая серия станков PSA ориентирована как на крупносерийное, так и на многономенклатурное производство зубчатых колес различных форм и размеров. Одной из особенностей станков этой серии является их мо­дульность (основные узлы зубофрезерных станков используются в зубо­долбежных станках), что обеспечивает потребителю ряд преимуществ в подготовке операторов, обслуживании, ремонте станков. Программное обеспечение станка, включая систему диагностики, позволяет оператору легко сформировать план обработки и выполнить операцию.

Другим известным производителем зубодолбежных станков является фирма LORENZ. По техническим возможностям, системам управления, уровню автоматизации и программному обеспечению станки этой фирмы аналогичны станкам фирмы PFAUTER, но несколько (5-й квалитет точ­ности по DIN 3962) уступают по точности обработки.

Нарезание зубьев зубодолблением обычно производится за несколько проходов, т.е. за цикл обработки деталь совершает несколько оборотов. На черновых проходах производится съем основной массы металла, по­этому назначение режимов резания опирается на обеспечение производи­тельности обработки и лимитируется мощностью станка и стойкостью инструмента. На чистовых проходах режимы обработки назначаются из условий обеспечения точности и качества поверхности. Обычно при на­резании зубчатых колес ГТД с модулем до m = 6 мм используются два прохода (черновой и получистовой). Выбор режима зависит от обрабаты­ваемости материала лезвийным инструментом и материала долбяка. В производстве зубчатых колес ГТД, как правило, долбяки изготавлива­ются из быстрорежущей стали Р18.

Кроме назначения оптимальных режимов обработки при нарезании зубьев большое значение имеет правильный выбор технологических баз и качественное их выполнение. Высокая точность и жесткость приме­няемой технологической оснастки также является необходимым услови­ем обеспечения точности нарезания зубьев.

Наилучших результатов в нарезании зубьев можно добиться, исполь­зуя в качестве технологических баз рабочие посадочные поверхности.

Обработка зубьев конических зубчатых колес принципиально отлича­ется от цилиндрических как применяемым оборудованием, так и инстру­ментом.

Нарезание прямозубых конических колес производится на зубострогальных станках специальными резцами. В тех случаях, когда эта опера­ция является предварительной (под зубошлифование), выбор типа станка и связанной с ним схемы зубопрофилирования (типа производящего ко­леса) большого значения не имеет. Из немногочисленной группы стан­ков, имеющихся на мировом рынке, следует отметить зубострогальные станки фирмы GLEASON моделей 14(429), 710А, 710В и 710 С. В конст­рукции станка модели 710А реализована схема зубопрофилирования по плосковершинному производящему колесу. Остальные работают по уни­версальной схеме конусного производящего колеса, что позволяет управ­лять профильной модификацией в широких пределах. Указанные станки обладают высокой жесткостью и при использовании качественных рез­цов обеспечивают точность нарезания Ст.6 ОСТ 141667-89 и шерохова­тость поверхности зубьев в пределах Ra = 2,5 ... 3,0 мкм.

Отечественной промышленно­стью (Саратовское СПО) выпус­каются два типоразмера зубострогальных станков моделей 5236П и 5С276П, работающих по схеме плосковершинного производящего колеса (рис. 6.18).

Рис. 6.18. Схема нарезания по плоско­вершинному производящему колесу

Конические зубчатые колеса с круговой формой зубьев являются наиболее сложным видом зубчато­го зацепления. Большим количест­вом вариантов конструкции и технологии изготовления этих за­цеплений определяется и большое разнообразие парка оборудования для нарезания конических колес. Так как в конструкциях ГТД ис­пользуется коническое зацепление GLEASON, рассмотрим оборудование, предназначенное для изготовления именно этого зацепления (рис. 6.19).

Рис. 6.19. Схема нарезания конических зубчатых колес с круговой формой зубьев

Нарезание колес пары произ­водится специальными зуборез­ными головками: колесо - двух­сторонним методом, шестерня - односторонним. При этом гео­метрия боковых поверхностей должна соответствовать геомет­рии, получаемой при оконча­тельной обработке шлифовани­ем. С точки зрения выбора обо­рудования это означает, что станки должны обладать теми же возможностями в управлении поверхностью зубьев, что и шлифовальные.

В полной мере этим требованиям отвечает станок модели 116, создан­ный фирмой GLEASON еще в 1954 г. и до настоящего времени широко используемый в производстве конических зубчатых колес ГТД. В конст­рукции станка реализована классическая универсальная схема (рис. 6.20) зубопрофилирования конического конусовершинного производящего колеса. Управление модификацией поверхности осуществляется за счет наклона шпинделя резцовой головки и модификации движения обката. Вся кинематика станка построена на использовании механических цепей, включающих зубчатые колеса, эксцентриковые и кулачковые механизмы.

Рис. 6.20. Классическая схема нарезания конических зубчатых колес с круговой формой зубьев: 1 - бабка; 2 - люлька; 3 - барабан эксцентрика; 4,5 - узел наклона шпинделя; 6 - станина; 7- бабка шпинделя изделия; 8- направляющая гипоидного смещения

Развитие систем с ЧПУ и электронно-вычислительной техники позво­лило подойти к созданию новых поколений универсальных, полностью автоматизированных, многокоординатных зубообрабатывающих станков.

Сегодня на мировом рынке такие станки представляет фирма GLEASON, которая с 1980 г. выпускает 6-координатные зуборезные станки с ЧПУ серии PHOENIX, предназначенные для чернового и чисто­вого нарезания зубчатых колес широкого диапазона размеров. Схема рас­положения осей, иллюстрирующая концепцию управления станком, представлена на рис. 6.21. Прежде всего следует отметить, что данные станки не имеют люльки обката, механизма наклона инструментального шпинделя и модификатора обката. Их функции выполняют элементы станка, движениями которых управляет компьютер. При этом вся кине­матика процесса формообразования зубьев полностью соответствует ки нематике универсального механического станка, что позволяет привле­кать весь математический аппарат для расчета параметров инструмента и наладочных установок, используемый для механических станков (напри­мер, модели 116). Эти наладочные данные служат в качестве исходных при подготовке управляющих программ. Чтобы обеспечить нарезание (или шлифование) колес по одной из рассмотренных выше схем зубопрофилирования, необходимо, чтобы все оси станка могли управляться одновременно.

Рис. 6.21. Концепция управления 6-координатного станка фирмы GLEASON: 1 - скользящая база; 2 - ось Z; 3 - ось X; 4 - ось шпинделя изделия; 5 - станина

Отличительной особенностью данных станков является высококаче­ственное программное обеспечение, позволяющее осуществлять быструю наладку и переналадку станка. Это особенно важно, так как из-за слож­ности геометрии конических колес с круговой формой зубьев сложилась система использования станков на постоянных наладках. Эта система, оправдывающая себя в массовом, например автомобильном, производст­ве, в многономенклатурном мелкосерийном производстве приводит к значительному разрастанию парка станков при низком коэффициенте их загрузки.

6.7. ЗУБОШЛИФОВАНИЕ

Высокие точность изготовления авиационных зубчатых колес и каче­ство химико-термической обработки (ХТО) являются необходимыми ус­ловиями их высокой работоспособности.

Современное оборудование для нарезания зубчатых колес обеспечи­вает точность обработки 3 ... 4-й степени. Однако ХТО вследствие неод­нократных нагревов и охлаждений вызывает существенную деформацию зубчатых колес. Под влиянием термических и структурных напряжений изменяются толщина зубьев, диаметральные и осевые размеры колес, про­филь и направление зубьев. Как показывает практика, точность зубчатых колес ГТД после цементации и закалки снижается на 2 ... 3 степени.

Восстановление точности - трудная технологическая задача, посколь­ку для устранения геометрических погрешностей приходится удалять поверхностный слой значительной толщины (0,15 ... 0,25 мм со стороны зуба). При этом из-за погрешностей, вызванных ХТО, удаление поверх­ностного слоя происходит неравномерно. Это приводит к удалению с профилей зубьев более твердого и работоспособного поверхностного слоя и снижает эффективность ХТО. Кроме того, температурное и сило­вое воздействие на шлифуемую поверхность может повлечь образование трещин и прижогов в хрупком слое.

Восстановление точности достигается зубошлифованием. На сего­дняшний день зубошлифование - это наиболее точный процесс механиче­ской обработки поверхностей зубьев, имеющих твердость HRC3 более 50. В производстве зубчатых колес ГТД зубошлифование является основной финишной операцией зубообработки, на которой формируются оконча­тельная геометрия и точность элементов зацепления. Так как эта опера­ция выполняется после упрочняющей ХТО, то от качества выполнения этой операции зависит контактная и изгибная выносливость зубьев, на­дежность и ресурс работы передач в целом. Операция зубошлифования выполняется на специализированных станках, технологические возмож­ности которых должны обеспечивать:

высокую точность и производительность обработки; шероховатость поверхности Ra не выше 0,4 ... 0,6;

гибкость в переналадке с целью обработки большей номенклатуры зубчатых колес;

выполнение всех видов модификаций поверхностей зубьев;

высокое качество поверхностного слоя, отсутствие шлифовочных де­фектов;

обработку многовенцовых колес с заданным взаимным расположени­ем зубьев и т.д.

Существуют два принципиально разных метода шлифования цилинд­рических зубчатых колес:

метод обкатного зубошлифования;

метод профильного зубошлифования, или метод копирования.

В свою очередь метод обкатного зубошлифования реализуется в раз­личных схемах, отличающихся кинематикой процессов обката и деления, а также формой используемых шлифовальных кругов.

Различают три схемы обкатного зубошлифования:

шлифование тарельчатыми кругами с единичным делением;

шлифование коническим кругом с единичным делением;

шлифование червячным кругом с непрерывным делением.

Схема шлифования зубьев тарельчатыми кругами с единичным деле­нием относится к старейшим схемам и до настоящего времени широко используется в производстве авиационных зубчатых колес. Кинематика зубошлифования проста и соответствует теоретически точному воспроиз­ведению эвольвентного профиля зубьев. Два тарельчатых шлифовальных круга устанавливаются с наклоном к вертикальной плоскости под углом и 20° (15- и 20-градусный способ шлифования) или параллельно друг другу: . Схема установки кругов показана на рис. 6.22.

Рис. 6.22. Схема установки тарельчатых шлифовальных кругов при обработке зубчатых колес: а - (15- или 20-градусный способ шлифования); б - (0-градусный способ шлифования)

Обработка при том и другом способе установки кругов ведется узки­ми кромками. Снятие слоя металла с поверхности зуба в процессе шли­фования происходит в результате нескольких одновременных движений: вращение шлифовального круга вокруг своей оси с окружной скоро­стью 25 ... 30 м/с - главное режущее движение;

качение начальной окружности обрабатываемого зубчатого колеса по производящей рейке - движение обкатки;

осевое перемещение зубчатого колеса относительно шлифовального круга, обеспечивающее обработку поверхностей по всей длине.

Движение обкатки в свою очередь состоит из вращательного движе­ния обрабатываемого колеса вокруг своей оси и возвратно-поступатель­ного перемещения. Вращательные движения представляют собой быст­рые повороты (качания) зубчатого колеса относительно шлифовального круга на некоторый угол. Числом качаний п зубчатого колеса в минуту определяется скорость обкатки. Движение колеса вдоль своей оси осуще­ствляется медленно. Скорость этого движения представляет собой осе­вую подачу s.

Разная установка кругов при 15- и 0-градусном способах шлифования приводит к различным схемам образования резов на поверхностях зубьев. Следы резов представляют собой характерную сетку при 15-градусном способе и серию параллельных штрихов при 0-градусном способе.

0-градусный способ шлифования имеет преимущества как по производи­тельности, так и по качеству обработки. Для него характерны более корот­кий ход обкатки, сокращенная длина продольного хода шлифуемого колеса, а также меньшая шероховатость поверхности (Ra = 0,25 ... 0,63 мкм) ввиду отсутствия характерной сетки.

В процессе обката участвуют два разноименных профиля пары зубьев. Глубина резания задается смещением кругов в направлении друг к другу.

Основным преимуществом данной схемы шлифования зубьев являет­ся высокая точность шлифования профиля. Так как в этом случае пло­щадка контакта режущей кромки круга с обрабатываемой поверхностью весьма мала, форма шлифовального круга практически не оказывает влияния на погрешность профиля зуба. Высокая точность обработки обусловлена и наличием специального компенсационного механизма, контролирующего неизбежный в процессе шлифования износ абразив­ных кругов и автоматически перемещающего их в исходное положение. Влияние цепей обката на погрешность профилирования также может быть сведено к минимуму, поскольку основным элементом этой цепи является диаметр барабана обката. Все это способствует обеспечению высокого качества шлифования.

Ввиду того что эвольвентная поверхность зуба формируется одним и тем же участком шлифовального круга (практически точкой) и положе­ние текущей точки контакта на боковой поверхности круга всегда из­вестно, возможно точное управление модификацией боковой поверхно­сти зуба. При этом весьма важным обстоятельством является то, что управление осуществляется кинематическими методами, зависящими от износа шлифовального круга.

Другой важной особенностью данной схемы зубошлифования, имею­щей определяющее значение при шлифовании авиационных зубчатых колес, является низкая теплонапряженность процесса и как следствие меньшая склонность (по сравнению с другими схемами) к появлению шлифовочных дефектов. Этому способствуют два обстоятельства. Шли­фование зубьев можно производить пористыми и сравнительно мягкими абразивными кругами, так как износ кругов не оказывает существенного влияния на погрешность профиля зубьев. Благодаря тому, что площадка контакта абразивного круга с обрабатываемой заготовкой весьма мала и быстро перемещается, тепловыделение не приводит к структурным изме­нениям в поверхностном слое детали.

К недостаткам данной схемы шлифования в первую очередь следует отнести ее малую производительность. Другим недостатком является малая универсальность, поскольку для каждого типоразмера обрабаты­ваемых зубчатых колес требуются специальные делительные диски и обкатные барабаны.

Первенство в производстве станков, работающих по схеме шлифова­ния зубьев тарельчатыми шлифовальными кругами, принадлежит фирме MAAG, Швейцария. Более 60 лет фирма MAAG занимала лидирующее положение на мировом рынке зубошлифовальных станков, совершенст­вуя конструкцию в направлении повышения ее универсальности, но ос­тавляя в неизменности саму схему. При всех достоинствах и схемы, и станков, выпускаемых фирмой MAAG, потребности производителей вы­сокоточных зубчатых колес ответственного назначения переросли воз­можности фирмы. Станки по своей сути остались механическими, их на­ладка и обслуживание требует высокой квалификации персонала, а низ­кая производительность шлифования в условиях многономенклатурного и мелкосерийного производства - значительных капитальных затрат.

Использование микропроцессорной техники и ЭВМ, нового абразив­ного инструмента позволило фирмам-конкурентам разработать и освоить производство новых зубошлифовальных станков. Эти станки сочетают в себе полный автоматический цикл наладки и обработки деталей, высо­кую точность, технологическую гибкость, производительность, удобство обслуживания и ремонта. В результате фирма MAAG прекратила свое существование, а станки, работающие по схеме шлифования тарельчаты­ми кругами, исчезли с мирового рынка станкостроения.

На авиадвигателестроительных заводах России до настоящего време­ни широко используются станки, работающие по данной схеме зубошли­фования. В первую очередь это станки фирмы MAAG моделей HSS-30, SD-32X и SD-36X. Их отличает высокая точность обработки и низкая шероховатость поверхностей зубьев. Станки модели 5851, аналогичные по конструкции HSS-30, ранее выпускались Московским заводом шли­фовальных станков (МСЗ). Они также используются на заводах отрасли.

Шлифование цилиндрических зубчатых колес коническим кругом от­носится к методу обкатки с периодическим делением. При данной схеме шлифовальный круг имеет форму однозубой рейки. При шлифовании обрабатываемое колесо совершает движение обката, состоящее из 2 син­хронно связанных движений: поворота вокруг своей оси и поступатель­ного перемещения относительно производящей рейки, зубом которой является шлифовальный круг (рис. 6.23). При этом круг совершает возвратно-поступательное движение вдоль линии зуба. Скорость этого пе­ремещения характеризует продольную подачу . Поперечная подача определяется величиной угла поворота зубчатого колеса за один двойной ход каретки шлифовального круга.

Слои металла при этой схеме шлифования снимаются при дви­жении круга вдоль зуба последо­вательно, с различных его участ­ков по мере движения обкатки. В результате на поверхности зуба образуется большое количество граней, как схематично показано на рис. 6.23.

Рис. 6.23. Схема шлифования зубьев колес конусным кругом:

а - односторонняя обработка; б - вид следов обработки; в - двухсторонняя обработка

Круг, размещаясь во впадине, за один цикл обрабатывает профили соседних зубьев, после чего цикл прерывается, чтобы совершить де­ление. После поворота заготовки на угловой шаг цикл шлифования продолжается.

При шлифовании зубьев косозубого колеса салазки направляю­щих шлифовального круга разво­рачиваются на соответствующий угол наклона зубьев. Правка круга по рабочим поверхностям осуществляется монокристаллическими алма­зами, закрепленными в стальных державках.

Станки, работающие по данной схеме, характеризуются простотой в наладке. Их производитель­ность выше, чем у станков с тарельчатыми кругами. Вместе с тем указанные станки не на­шли практического применения в серийном производстве зубча­тых колес ГТД.

В настоящее время зубчатые колеса ГТД изготавливают чер­вячными абразивными кругами по схеме обката с непрерывным делением. Кинематика процес­са, приведенная на рис. 6.24, практически не отличается от зубофрезерования червячными фрезами.

Рис. 6.24. Схема шлифования зубьев червячным шлифовальным кругом

Основным движением станка, определяющим точность обработки де­талей, является согласованное движение (вращение) шлифовального кру­га и обрабатываемого колеса. В современных станках это движение обес­печивается электронной коробкой обката, что позволяет получать зубча­тые колеса высокой точности по кинематическим показателям.

Во время цикла шлифования круг перемещается в радиальном на­правлении (радиальная подача) после того, как проходит верхнюю и нижнюю крайние точки. Этот стандартный процесс маятникового шли­фования повторяется до тех пор, пока сохраняются режущие свойства и точность профиля инструмента. Период стойкости инструмента опреде­ляется эмпирическим путем. По окончании этого периода производится тангенциальный сдвиг, благодаря которому в работу вводится новый ви­ток червячного шлифовального круга.

Балансировка червячных шлифовальных кругов является важнейшей операцией, определяющей конечное качество шлифования. Дисбаланс круга сказывается на качестве не только профилей зубьев, но и поверхно­стного слоя (появление шлифовочных прижогов и трещин). Как правило, предварительная динамическая балансировка кругов выполняется на специализированных машинах. Червячный круг вместе с планшайбой устанавливается на балансировочную машину, и дисбаланс устраняется смещением балансировочных грузиков, встроенных в планшайбу. Со­временные зубошлифовальные станки оснащаются специальными уст­ройствами для автоматической подбалансировки шлифовального круга, которые обеспечивают точность шлифования и снижают трудоемкость процесса.

Лидером в производстве зубошлифовальных станков, работающих по схеме непрерывного обката червячными шлифовальными кругами, явля­ется фирма REISHAUER. Этой фирме первой в мире удалось создать вы­сокоточный электронный механизм синхронизации вращения шпинделей шлифовального круга и заготовки. Первым станком, в конструкции кото­рого реализована электронная система деления и обката, был станок мо­дели RZ300E. Он предназначен для шлифования точных зубчатых колес в условиях мелкосерийного производства. Станок оснащается механиз­мами правки круга с помощью алмазных резцов или правящих алмазных роликов. В первом случае модификацию обеспечивают специальные шаблоны, во втором случае - геометрия самих роликов. Модификация по линиям зубьев и в том и в другом случае выполняется с помощью специ­альных шаблонов.

Дальнейшее развитие конструкции указанного станка привело к соз­данию станков с ЧПУ моделей RZ 301S (RZ 36IS), RZS, RZ 362А. Осна­щение станков современными системами ЧПУ позволило при сохране­нии высокой точности обработки повысить производительность и сокра­тить время на наладку и подналадку станков. Ввод исходных данных для обработки может осуществляться в диалоговом режиме через систему меню. Используя внутреннюю программу моделирования процесса, ком­пьютер станка выдает предложения по параметрам обработки, которые могут быть скорректированы оператором при необходимости. Оптимизи­рованные параметры шлифования могут быть занесены в память компь­ютера станка и при необходимости легко вызываться.

Основные функции ЧПУ:

автоматизация процесса правки шлифовального круга;

управление шифтинговым перемещением шлифовального круга;

автоматическая динамическая подбалансировка шлифовального круга;

программное обеспечение модификации по линиям зубьев;

контроль функционирования систем станка (диагностика).

Правка шлифовальных кругов может осуществляться только с помо­щью устройства SPA-S двумя алмазными роликами в автоматическом или полуавтоматическом режиме. Однако процесс наладки устройства выполняется в ручном режиме. Данные процесса вводятся через экран в диалоговом режиме с подсказкой оператору. После первичного наладоч­ного цикла процесс правки выполняется автоматически для данного ин­струмента и данной наладки станка. Учитывая то, что данные станки ис­пользуют метод шлифования с непрерывным шифтинговым смещением, система управления не только рассчитывает и контролирует это смеще­ние, но и указывает оператору, когда ширина круга полностью использо­вана и необходимо переходить на режим правки.

Важным условием бездефектного шлифования червячным абразив­ным кругом является правильное выполнение операции завода инстру­мента во впадину шлифуемых зубьев, центрирование оси впадины зубьев относительно витка шлифовального круга. При работе на указанных станках процесс наладки на первую деталь из партии выполняется в руч­ном режиме. Далее осуществляется автоматическая наладка с использо­ванием специального бесконтактного индуктивного датчика, что сущест­венно сокращает долю вспомогательного времени и обеспечивает более равномерное снятие припуска по обеим сторонам зубьев, уменьшая веро­ятность возникновения шлифовочных дефектов на начальной стадии шлифования.

Другой важной функцией системы ЧПУ является отслеживание дис­баланса круга, возникающего в процессе его износа, и выдача сигнала о выходе дисбаланса за установленные пределы. Получив сообщение о недопустимом дисбалансе, оператор имеет возможность активизировать систему автоматической динамической подбалансировки шлифовального круга.

В отличие от станка модели RZ300E станки с ЧПУ обладают возмож­ностью гибкого управления модификацией линии зубьев. Все виды мо­дификации (бочкообразность, конусность и их комбинации) по левой и правой сторонам зубьев задаются с помощью простого диалога между оператором и компьютером станка. Однако модификация профилей зубь­ев осуществляется только через геометрию правящих алмазных роликов, что в условиях многономенклатурного и мелкосерийного производства зубчатых колес существенно увеличивает затраты.

Станки оснащаются развитой системой диагностики, которая сообща­ет оператору причину отказов.

В течение многих лет фирма REISHAUER занимала лидирующее поло­жение на рынке зубошлифовальных станков, работающих червячным абра­зивным кругом, пока в 1994 г. не появился станок модели TAG 400 CNS со­вместной разработки фирм GLEASON и ОКАМОТО. По своим техниче­ским характеристикам указанный станок близок к ранее рассмотренным, но по уровню автоматизации и технологическим возможностям превос­ходит их.

Станок оснащен 8-координатной системой ЧПУ, обеспечивающей:

полную автоматизацию цикла шлифования и правки круга, включая шифтинговое перемещение;

автоматическое деление припуска;

автоматическую динамическую балансировку шлифовального круга;

управление модификацией профилей и линий зубьев;

автоматическое управление системой подачи СОЖ.

Говоря об отличительных особенностях конструкции и программного обеспечения данной модели станка, следует в первую очередь остано­виться на системе правки круга. Станок оснащен 2-координатной систе­мой, интегрированной в систему ЧПУ станка, что дало возможность не только полностью автоматизировать цикл шлифования, но и ввести принципиально новый для данной схемы шлифования вид правки - кон­турную правку. Контурная правка круга, схема которой показана на рис. 6.25, выполняется одним алмазным правящим роликом по заданной программе и обеспечивает модификацию профилей зубьев без жесткой привязки к геометрии правящего инструмента. Это особенно важно для производства зубчатых колес ГТД, поскольку на стадии отработки конст­рукции величина и форма модификации профилей еще не определены.

Рис. 6.25. Схема контурной правки червячного шлифовального круга

Модификация по линии зубьев обес­печивается программным путем, как и на станках фирмы REISHAUER, но при одном исключительно важном отличии. Введение модификации линии зубьев (независимо от ее формы) неизбежно вызывает изменение угла зацепления в торцевом сечении колеса, а следова­тельно, и искажение профилей зубьев. Программное обеспечение станка авто­матически рассчитывает это искажение и вводит корректирующую поправку в наладку механизма правки круга.

Выше уже отмечалось, что важное место в обеспечении точности выполне­ния профилей зубьев при данной схеме шлифования занимает баланси­ровка круга. Данный станок оснащен высокоточной интегрированной системой автоматической динамической балансировки круга, не тре­бующей его предварительной балансировки вне станка. Система посто­янно отслеживает дисбаланс круга и автоматически устраняет его. Балан­сировка позволяет стабильно обеспечивать погрешность обработки про­филей зубьев в пределах 4-й степени точности по ОСТ1 41671-91.

В настоящее время весьма динамично развивается метод профильного зубошлифования, или метод копирования, который вытесняет из техно­логии производства авиационных зубчатых колес метод обкатного шли­фования.

По этой технологии шлифовальный круг, повторяющий форму впади­ны зубьев (рис. 6.26), перемещается в направлении линии зуба. При этом могут шлифоваться только профили или полностью впадина зубьев, включая переходную кривую и дно. Одним из достоинств этого метода является возможность шлифования зубьев со сложным контуром впадин, венцов внутреннего зацепления, закрытых буртиками венцов наружного зацепления. При шлифовании прямозубых колес круг просто перемеща­ется вдоль оси колеса. При обработке косозубых осевое перемещение круга происходит одновременно с поворотом заготовки вокруг оси, обра­зуя линию наклона зубьев. На рис. 6.27 приведены схема расположения осей и направление движений круга и заготовки при горизонтальном расположении оси заготовки. Ось А служит для поворота (деление) при переходе обработки от зуба к зубу. Ось Y - радиальная подача на вреза­ние - обеспечивает размер зуба по толщине и в комбинации с движением круга по оси модификацию по линии зубьев, а ось В - разворот круга при обработке косозубых колес. Оси V и W требуются для 2-координатного механизма правки круга.

Рис. 6.26. Схема профильного зубошлифования

Рис. 6.27. Схема расположения осей при профильном зубошлифовании

Выделим главные особенности метода профильного зубошлифования, отличающие его от метода обката.

1. Простая кинематика процесса, реализуемая в жесткой конструкции станков. Высокий уровень автоматизации процесса. Возможность осуще­ствлять высокоскоростную силовую обработку, включая глубинное шли­фование из целой заготовки.

2. Высокая производительность обработки. Из-за увеличения поверх­ности контакта круга с обрабатываемой поверхностью в единицу времени удаляется больший объем металла. При этом возрастает сила резания, а следовательно, и мощность привода шлифовального круга.

3. Геометрия шлифовального круга жестко привязана к геометрии об­рабатываемой детали.

4. Возможность использования неправящихся шлифовальных кругов из сверхтвердых материалов (алмаз, кубический нитрид бора).

5. Возможность обработки зубчатых колес с неэвольвентным профи­лем, например с зацеплением М. JI. Новикова.

6. Возможность обработки зубчатых колес внутреннею зацепления, в том числе и малых диаметров.

7. Возможность обработки зубчатых колес с закрытыми венцами, ог­раничивающими свободный выход шлифовального круга из зоны обра­ботки.

Развитию процесса профильного шлифования способствовало исполь­зование фирмой КАРР неправящихся шлифовальных кругов. Корпус круга выполняется из термостойкой подшипниковой стали, рабочие поверхности

которого покрываются в один слой зернами кубического нитрида бора (CBN). В качестве связи используется гальванический никель. Погреш­ность рабочих профилей круга после покрытия не превышает 2 ... 3 мкм, что позволяет обрабатывать зубчатые колеса особо высокой точности. Важно отметить, что высокая точность кругов достигается за счет точно­го рассева зерен кубического нитрида бора и уникальной технологии их закрепления. По истечении установленного срока службы покрытие мо­жет регенерироваться, причем эта операция может повторяться до 20 раз и более.

Так как форма профиля круга жестко привязана к геометрическим па­раметрам зубчатого венца детали, то профильная модификация заклады­вается в форму круга.

Несмотря на все преимущества профильного зубошлифования неправящимися кругами, этот процесс является дорогим из-за высокой стоимо­сти кругов. Область его применения - установившееся крупносерийное производство. Понимая это, фирмы-производители зубошлифовальных станков оснащают свои станки правящими устройствами, что позволяет использовать и обычные круги из электрокорунда, и правящиеся круги из кубического нитрида бора.

Правка кругов алмазным роликом осуществляется с помощью 2-координатных механизмов правки, системы управления которыми интегриро­ваны в системы ЧПУ станка. Схема правки круга приведена на рис. 6.28.

Рис. 6.28. Схема правки профильного шлифовального круга

Как правило, первичная правка круга (заточка по конусу) выполняется вне станка. Предварительное и окончательное профилирование выполня­ется непосредственно на станке по установленной программе.

Станки для шлифования зубчатых колес профильными кругами выпуска­ются многими западными фирмами, такими, как КАРР, GLEASON - PFAUTER - HURTH и др. Наиболее известна фирма КАРР, которая явля­ется пионером в профильном зубошлифовании неправящимися кругами с точным однослойным покрытием из кубического нитрида бора. В произ­водственную программу фирмы вхо­дит большое количество различных специальных и универсальных зубошлифовальных станков. Характерной особенностью компоновки всех станков является горизонтальное распо­ложение оси обрабатываемого колеса.

Для производителей зубчатых колес ГТД наибольший интерес пред­ставляют станки, предназначенные для обработки зубчатых колес внеш­него и внутреннего зацепления с прямыми и косыми зубьями и оснащен­ные механизмами правки круга, управление которыми интегрировано в систему ЧПУ станков. Кроме того, станки оснащены измерительной сис­темой, которая контролирует форму профилей, направление зубьев, от­клонение и накопленную погрешность окружных шагов и толщину зубь­ев. Интегрирование измерительной системы в общую систему управле­ния правкой и шлифованием позволило создать полностью автоматизи­рованный цикл обработки, включающий в себя следующую последова­тельность выполнения операций:

ввод исходных данных с чертежа детали, включая все виды модифи­кации профиля и линии зубьев;

генерирование программы ориентации детали с учетом деления при­пуска, правки круга, измерения и шлифования;

первая правка круга;

шлифование первой впадины;

измерение профиля и линии зуба;

сравнение реальных профилей и линий зубьев с заданными;

повторная правка круга с корректурой и корректировка движений, оп­ределяющих линию зубьев (если требуется);

шлифование всех оставшихся зубьев;

окончательный контроль детали с распечаткой результатов.

Совмещение процессов шлифования и измерения детали дает воз­можность существенно повысить эффективность процесса зубошлифова­ния, снизить затраты на изготовление и контроль деталей за счет повы­шения коэффициента загрузки станка и сокращения времени его простоя, связанного с технологическим контролем детали.

Шлифование зубьев конических колес с круговой формой является наиболее сложной и ответственной операцией их изготовления. Основ­ные требования, предъявляемые к зубошлифовальным станкам, - это точность обработки и гибкость в обеспечении модификации поверхности зубьев. Этим требованиям в полной мере отвечают механические зубошлифовальные станки модели 463 фирмы GLEASON, на которых в на­стоящее время производится обработка подавляющего большинства ко­нических колес ГТД. В конструкции станка реализована схема профили­рования по плосковершинному производящему колесу, а управление мо­дификацией поверхности зубьев осуществляется механизмом модифика­тора обката люльки.

Из-за большого количества настраиваемых при наладке кинематиче­ских цепей и установок подготовка к работе указанных зубошлифовальных станков требует значительных временных затрат и высокой квали­фикации наладчиков, причем, как показал опыт, процесс переналадки станка (например, возврат к прежним, отработанным ранее наладкам) отнимает практически столько же времени, сколько и первичная наладка.

В связи с этим фирма GLEASON развивает производство зубошлифовальных станков с полной автоматизацией цикла обработки, обеспечени­ем быстрой наладки и переналадки станков. Высшим уровнем автомати­зации процесса шлифования является создание локальной сети, вклю­чающей расчетную станцию, станок и координатно-измерительную ма­шину. Это позволяет производить автоматическую подналадку станков по результатам контроля поверхностей зубьев.

Фирмой GLEASON в настоящее время выпускаются 6-координатные зубошлифовальные станки с ЧПУ серии PHOENIX, охватывающие ши­рокий диапазон обрабатываемых зубчатых колес. По количеству осей и концепции управления станки аналогичны зуборезным. Здесь также от­сутствуют люлька и механические кинематические цепи, причем все гео­метрические установки, кинематика формообразующих движений и па­раметры инструмента сохраняют особенности обычных станков.

Кроме фирмы GLEASON созданием зубошлифовальных станков с ЧПУ для обработки конических колес с круговой формой зубьев занима­ется фирма KLINGELNBERG.

Абразивный инструмент характеризуется типом абразивного мате­риала, его зернистостью, твердостью, структурой, связкой, классом точ­ности, формой и размерами, степенью неуравновешенности, а алмазный и эльборовый дополнительно концентрацией зерен в рабочем слое.

Абразивными материалами для изготовления шлифовальных кругов служат различные марки электрокорунда, карбида кремния, карбида бо­ра, алмаза и кубического нитрида бора.

В зависимости от применяемого способа зубошлифования (копирова­ния или обкатывания с периодическим или непрерывным делением) взаимодействие шлифовального круга с боковой поверхностью зуба мо­жет быть точечным, линейным или их комбинацией. Такой характер ра­боты абразивного инструмента предопределяет большие контактные на­грузки, локализованные в зоне резания, и соответственно высокие темпе­ратуры.

Эффективно устраняя деформации и коробление, возникающие при химико-термической обработке, зубошлифование оказывает существен­ное влияние на качество поверхностного слоя зубьев - его структурное и напряженное состояние и как следствие на эксплуатационные свойства зубчатых колес.

Тепловое воздействие может сопровождаться образованием прижогов - структурных изменений, которые по своему внешнему виду и свойствам отличаются от исходного металла. В зависимости от мощности теплового источника, времени его действия, а также теплостойкости обрабатывае­мой стали структурные изменения могут развиваться на различную глу­бину, представляя собой прижоги отпуска и закалки с отпуском.

В связи с тем что зубошлифование является завершающей технологи­ческой операцией, необходим контроль качества поверхностного слоя. В настоящее время в производственных условиях основным методом контроля зубчатых колес на наличие прижогов является травление в спе­циальных реактивах согласно инструкции ВИАМ.

Для обнаружения шлифовочных микротрещин преимущественно ис­пользуют магнитопорошковую дефектоскопию (ГОСТ 21108-87) и метод красок.

Значительную роль в снижении теплонапряженности процесса зубо­шлифования играет правильный выбор режимов резания. При назначе­нии режимов резания следует учитывать вид шлифования, схему зубопрофилирования, кинематику движений, схему расположения шлифо­вальных кругов, а также их форму и характеристики.

Необходимо сказать о новом направлении в зубошлифовании - глу­бинном шлифовании, т.е. шлифовании при очень высоких параметрах съема обрабатываемого материала.

Реализация этого способа стала возможной в связи с появлением зу­бошлифовальных станков жесткой конструкции с мощным приводом шлифовального круга и соответствующими шлифовальными кругами.

Одним из достоинств глубинного шлифования является исключение из технологического процесса операций зубофрезерования и зубодолбле- ния, что позволяет отказаться от использования зубофрезерных и зубо- долбежных станков, проектирования, изготовления и заточки сложного и дорогостоящего зуборезного инструмента.

Метод глубинного зубошлифования имеет большую перспективу в производстве зубчатых колес ГТД из-за возможности обеспечения низ­кой шероховатости впадин зубьев, которую невозможно получить при зубофрезеровании червячными фрезами с протуберанцем.

6.8. ЗУБОХОНИНГОВАНИЕ

В производстве цилиндрических зубчатых колес авиационного редукторостроения зубохонингование используется как процесс суперфиниш­ной (отделочной) обработки поверхности зубьев после операции зубо­шлифования. В отличие от зубошлифования он не приводит к образова­нию прижогов, понижению твердости, изменению структуры поверхно­стного слоя. Более того, применение указанного процесса в значительной степени устраняет дефекты поверхностного слоя, вызванные шлифовани­ем, а снижение шероховатости контактируемых поверхностей зубьев до Ra = 0,1 ... 0,2 мкм обеспечивает идеальные условия для образования масляной пленки и предохраняет их от металлического контакта. Кроме того, процесс зубохонингования является силовым процессом обработки, создающим на поверхности зубьев значительные напряжения сжатия, что позволяет повысить нагрузочную способность и долговечность работы передач.

В процессе обработки зубчатое колесо зацепляется с инструментом (хоном), представляющим собой абразивное косозубое зубчатое колесо наружного или внутреннего зацепления. Таким образом система инстру­мент - деталь образует пару со скрещенными осями однопрофильного или двухпрофильного (беззазорного) зацепления. Процесс обработки ве­дется при свободной обкатке или с использованием кинематической свя­зи между инструментом и обрабатываемой деталью в условиях радиаль­ного или окружного нагружения.

В процессе обработки деталь перемещается относительно инструмен­та в осевом направлении.

В настоящее время широкое распространение получила схема зубохо­нингования с использованием косозубого хона внутреннего зацепления. На основе этой схемы построены станки, выпускаемые фирмами FASSLER, HURTH, КАРР. Несмотря на усложнение, а следовательно, и удорожание инструмента, использование хонов внутреннего зацепления имеет свои преимущества: более полный контакт поверхностей зубьев обрабатываемого колеса и инструмента (хона), более высокий коэффици­ент перекрытия в зацеплении, что позволяет обрабатывать детали с ма­лыми числами зубьев, улучшить общую динамику процесса обработки. При этой схеме повышается точность обработки шлифовальных зубча­тых колес на одну степень при увеличенных (по сравнению с другой схе­мой хонингования) съемах металла.

Процесс зубохонингования проводится с интенсивным охлаждением. СОЖ подается под большим давлением для очистки поверхности хона, так как хоны имеют минимально открытую структуру и легко засоряются. В качестве СОЖ применяются специальные масла низкой вязкости или керосин. Сложившаяся практика хонингования авиационных зубчатых колес показала, что наилучшие результаты по шероховатости поверхности зубьев получают при обработке на окружных скоростях У = 8 ... 16 м/с с использованием в качестве СОЖ керосина.

Первый зубохонинговальный станок, работающий по схеме зацепле­ния обрабатываемого колеса с хоном внутреннего зацепления, был соз­дан фирмой FOSSLER. В настоящее время фирма выпускает станок мо­дели К-400А, оснащенный 5-координатной системой ЧПУ и имеющий синхронизирующую электронную кинематическую связь с обрабатывае­мым колесом (рис. 6.29).

Рис. 6.29. Кинематическая схема зубохонинговаотного станка мод. К-400А фирмы FOSSLER

Из зубохонинговальных станков, используемых в отечественном авиаредукторостроении, наибольшее применение нашел станок модели 5Б913, выпускаемый Витебским станкостроительным заводом. Станок работает по методу свободного обката, а в качестве инструмента используется абразивный хон внешнего косозубого зацепления. Требуемая точ­ность хона и необходимые модификации профилей зубьев обеспечивают­ся зубошлифованием.

6.9. ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА И КОНТРОЛЬ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

Контроль зубчатых колес имеет весьма сложную теоретическую ос­нову и систему допусков. Не менее сложна и методология его осуществ­ления: применяются дорогостоящие прецизионные приборы, причем не­обходим комплект из нескольких таких приборов. Расшифровка резуль­татов контроля представляет также непростую задачу.

Контроль зубчатых колес служит не только для оценки качества изго­товления при сдаче продукции, без него невозможно произвести пра­вильную наладку зубообрабатывающего оборудования или найти нару­шения технологического процесса.

Особое значение имеет контроль при обработке новых конструкций и анализе дефектов при работе зубчатых передач. Без измерений невоз­можно найти рациональные пути улучшения конструкции и технологии. Поэтому на всех этапах развития конструкции и производства авиацион­ных зубчатых передач контролю должно уделяться серьезное внимание.

Научно-исследовательским институтом технологии и организации производства двигателей (НИИД) разработан ОСТ 1.42144-82 «Колеса зубчатые авиационные. Методы контроля», объединяющий и трансфор­мирующий опыт промышленности на основе современных представле­ний и современных средств контроля.

Контроль на высоком техническом уровне осуществляют специаль­ные приборы и координатные измерительные машины, получившие в последнее время распространение в отечественной практике. Такие при­боры выпускает за рубежом целый ряд фирм, самые известные из них: KLINGELNBERG (ФРГ), GLEASON (США).

Наиболее типичным универсальным прибором, используемым в отече­ственной авиационной промышленности, является прибор для комплекс­ного однопрофильного контроля PSKE-900 фирмы KLINGELNBERG.

Комплексный однопрофильный контроль следует проводить в соот­ветствии с отраслевым стандартом ОСТ 1.42144-82 специальными изме­рительными колесами. Это наиболее перспективный вид приемочного контроля. Он обеспечивает контроль всех зубьев на всей рабочей длине профиля и зон пересопряжения зубьев, прост в реализации (не требуется высококвалифицированный персонал), высокопроизводителен.

В Китайской Народной Республике разработан и выпускается уже в течение многих лет прибор для контроля прерывной кинематической по­грешности зубчатых колес. Измерительным элементом в нем является не зубчатое колесо, а специальный прецизионный червяк.

В поэлементном контроле в последние десятилетия произошла на­стоящая революция в связи с широким применением многокоординатных измерительных машин. В настоящее время наиболее известны специали­зированные измерительные машины фирм KLINGELNBERG, Zeiss, Leitz. На этих машинах можно контролировать почти все поэлементные пока­затели точности, а также топографию поверхностей зубьев.

Совершенно очевидно, что дальнейший прогресс в производстве зуб­чатых передач связан с применением самых современных методов и средств контроля.