Матеріал для виготовлення зубчатих коліс і методи отримання заготовок

В залежності від призначення, навантажень і умов експлуатації вибирається матеріал для виготовлення зубчатих коліс. При цьому необхідно враховувати і вимоги до матеріалу: можливість оброблятись різанням, найменше короблення при термообробці, низька собівартість.

У відповідності до основних експлуатаційним вимогам високої міцності, стійкості до зношування, довговічності і з урахуванням технологічних вимог для виробництва зубчастих коліс застосовуються конструкційні сталі: вуглецеві (40,45,50); вуглецеві зниженого прожарювання (55 ПП); хромисті (20Х, 35Х, 40Х, 50Х), хромонікелеві (12ХН3А, 12ХН4А,20ХН3А,20Х2Н4А, 20ХН, 40ХН), хромонікелеві з бором (20ХНР), з молібденом (20ХНМ, 20ХН2М, 18Х2Н4МА), хромомарганцеві (18ХГ), хромомарганцеві з титаном (18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ), з нікелем (14ХГН,19ХГН), з молібденом (25ХГМ), хромомолібденові (20ХМ), хромомарганцевонікелеві з титаном (15ХГНТА, 15ХГН2ТА), з бором (20ХГНР), з титаном і бором (20ХГНТР), з молібденом і титаном (25ХГНМТ), хромомолібденоалюмінієві (38ХМЮА, 38Х2МЮА).

Основним недоліком зубчастих коліс, що виготовлені із вуглецевих сталей, є відносно низька міцність і велике короблення при термообробці.

Леговані сталі з вмістом хрому, нікелю, молібдену та інших легуючих елементів застосовуються для виготовлення високо навантажених зубчастих коліс. В зв’язку з малим вмістом вуглецю поверхневий шар зубчастих коліс, які виготовлені із легованих сталей, підлягає цементації і нітроцементації, а середньо вуглецеві – азотуванню.

Вартість матеріалу зубчастого колеса масового виробництва звичайно складає 50 … 55 % загальної вартості зубчастого колеса. Але високоякісні леговані сталі значно підвищують строк служби і надійність в експлуатації.

Витрати матеріалу і трудомісткість виготовлення в значної мірі залежать від методу одержання заготовок (ковка, штампування, прокатка, порошкова металургія). Сталеві зубчасті колеса малого діаметру звичайно виготовляють із пруткового матеріалу.

Коефіцієнт використання матеріалу при виготовлені складає 0,40 …0,75.

Особливості базування зубчатих коліс

При виготовленні зубчастих коліс вибір баз залежить від форми, розміру і точності колеса. Найбільш доцільним є усі операції, що пов’язані з обробкою і контролем зубів, виконувати від конструкторських баз, що дозволяє зменшити похибки, які виготовлені не суміщенням технологічних і конструкторських баз. Але ж внаслідок специфічності обробки циліндричних зубчастих коліс, особливо загартованих, повне суміщення цих баз на усіх операціях практично неможливе.

При виготовленні насадних зубчастих коліс з циліндричним глідким або шліцьовим отвором в якості технологічної бази при зубообробні застосовують посадочний отвір і торець.

При виготовлені загартованих зубчастих коліс під час остаточної обробки посадочних отворів після термообробки в якості технологічної бази застосовується зубчастий венець з опорою на базовий торець зубчастого вінця.

Основні методи нарізання циліндричних зубчатих коліс

Нарізання зубчастих коліс з прямим зубом можна виконувати на горизонтальних і універсальних фрезерних верстатах за допомогою ділильної головки модульними дисковими фрезами. Цей метод, який називається методом копіювання, заклечається в послідовному фрезеруванні впадин між зуб’ями фасонною дисковою модульною фрезою. Такі фрези виготовляють набором із 8 або 15 штук для кожного модулю. Звичайно застосовують набор із 8 штук, обробка якими дозволяє одержати зубчасті колеса 9 ступені точності, але для виготовлення більш точних зубчастих коліс застосовують набори із 15 або 26 штук. Така кількість фрез в кожному наборі необхідна тому, що для різного числа зубів коліс розміри впадин між зуб’ями різні. Кожна фреза призначена для визначеного інтервалу числа зубів одного модулю.

Зубчасті колеса звичайно нарізають по одній або по декілька штук на оправці, що збільшує продуктивність за рахунок часу, який витрачається на врізання і вихід фрези, а також за рахунок допоміжного часу. якщо на шпиндельній оправці розташувати дві або три фрези, кожна з яких буде прорізати впадини зубців у одній групі заготовок, то продуктивність буде вище. В цьому випадку застосовують багатошпиндельні ділильні головки. Застосування для цих цілей напівавтоматичних верстатів, у яких усі допоміжні рухи здійснюються автоматично також збільшують продуктивність.

Нарізання зубів циліндричних коліс середніх модулів 8 – 9 ступені точності можна виконувати одночасно двома дисковими модульними фрезами. Чорнове нарізання таких же коліс середніх і крупних модулів здійснюється трьома дисковими кутовими фрезами. Дисковими модульними фрезами можна також обробляти циліндричні зубчасті колеса з косим зубом, повертаючи фрезу на кут нахилу зуба.

Пальцевими модульними фрезами нарізають зубці середніх і крупно модульних зубчастих, шевронних коліс і рейок.

Нарізання зубчастих коліс дисковими і пальцевими модульними фрезами застосовується переважно в одиничному і дрібносерійному виробництвах при відсутності спеціальних зуборізних верстатів, так як цей спосіб нарізання дає порівняно малу продуктивність і точність 9 – 11 ступенів.

Нарізання зубчастих коліс методом обкатки заклечається в тому, що в процесі обробки виконується зчеплення зубчастої пари, в якої однією деталлю є різальний інструмент, а другою – заготовка зубчастого колеса.

Нарізання зубів циліндричних зубчастих коліс з прямими, косими і криволінійними (гвинтовим) зуб’ями виконується за допомогою зубофрезерування, зубодовбання та іншими прогресивними методами.

Вимоги до високої точності і плавності зчеплення зубчастих коліс, а також намагання підвисити продуктивність зубонарізання привели до створення спеціальних зуборізних верстатів (зубофрезерних, зубодовбальних, зубозакруглюючих, зубошліфувальних тощо).

Зубофрезеруванням виконують обробку прямозубих і косозубих циліндричних зубчастих коліс черв’ячними модульними фрезами.

В процесі обробки (рисунок 1) черв’ячна фреза і зубчасте колесо, що нарізається одержують обертальний рух один відносно другого. При цьому фреза переміщується вздовж осі колеса, що оброблюється. Ось фрези по відношенню до осі деталі розташована під кутом.

Рисунок 1

Черв’ячні модульні фрези бувають одно- двох – і багатозахідні.

Однозахідні черв’ячні фрези застосовують для чистової обробки і чорнового зубофрезерування перед операцією шевінгування.

Багатозахідні черв’ячні фрези з некратним відношенням числа заходів до числа зубів зубчастих коліс, що нарізуються, рекомендується застосовувати при зубофрезеруванні під подальше шевінгування.

Нарізання зубів зубчастих коліс здійснюється попутним і зустрічним фрезеруванням (обертання фрези в напрямку або проти подачі).

Різальні рейки черв’ячних фрез виконують із швидкорізальної сталі марок Р6М5, Р6М5К5 або Р9М4К8 швидкість різання досягає 65 – 80 м/хв, подача до 6мм/об), а також твердосплавні фрези (швидкість 120 – 160 м/хв, подача 2 мм/хв).

Зубофрезерування може виконуватись при осевої, перемінно-осевої, радіально-осевої і діагональних подачах.

При осевої подачі (рисунок 2) переміщення інструмента здійснюється паралельно осі колеса. Цей вид обробки універсальний і тому широко розповсюджений. Основним недоліком цього способу є велика довжина врізання, яка різко збільшується зі збільшенням діаметру черв’ячної фрези і кута нахилу лінії зубу зубчастого колеса.

Рисунок 2

Перемінно-осева подача, коли величина подачі збільшується тільки при вході і виході черв’ячної фрези із зони різання, застосовується для обробки коліс з модулем до 5 мм і кутом нахилу лінії зуба, при якому путь врізання достатньо великий. Цей вид зубофрезерування дозволяє збільшити продуктивність процесу на 20 … 35 %.

Радіально-осева подача (рисунок 3) також здійснюється черв’ячною фрезою, яка на початку процесу різання врізається на повну глибину зуба, а потім одержує осеву подачу. Даний спосіб обробки здійснюється на спеціальних зубофрезерних верстатах. Продуктивність процесу на 10 – 15 % більше ніж при осевій подачі внаслідок скорочення часу на врізання і застосовується для косозубих зубчастих коліс з великим кутом нахилу лінії зуба, з закритим зубчастим венцем, при застосування черв’ячних фрез великого діаметру, а також при двох прохідному фрезеруванні.

Рисунок 3

При діагональній подачі (рисунок 4) зубофрезерування здійснюється на спеціальних зубофрезерних верстатах при подачі черв’ячної фрези під кутом до осі зубчастого колеса, що оброблюється. При цьому осева подача суміщається з безперервним переміщення черв’ячної фрези вдовж своєї осі. Переміщення складає 0,2 мкм за один оберт фрези.

Рисунок 4

При діагональній подачі у зрівнянні з осевою суттєво збільшується стійкість черв’ячних фрез внаслідок більш рівномірного зношення зубів по робочій поверхні фрези, забезпечується мала шорсткість поверхні профілю зуба зубчастого колеса, що оброблюється, покращується спряження профілів прямозубих зубчастих коліс. Застосовується цей спосіб для обробки декількох зубчастих коліс одночасно або для коліс з широким зубчастим венцем і підвищеної твердості. Доцільно застосування більш довгих фрез.

Двохпрохідне фрезерування зубчастих коліс в автоматичному режимі відрізняється від інших видів фрезерування підвищеною різальною властивістю черв’ячних фрез і високою стійкістю інструмента.

Рисунок 5

При двох прохідному фрезеруванні зубчастих коліс обробка виконується за один установ заготовки (рисунок 5) . Першій і другий проходи здійснюються послідовно, причому при другому проході глибина різання складає 0,5 – 1 мм. Перший прохід звичайно виконується при попутному фрезеруванні, другий – при зустрічному. Рекомендується застосовувати для зубчастих коліс з модулем вище 4 – 5 мм і малим числом зубів.

Чистова обробка циліндричних зубчастих коліс середніх модулів однозахідними черв’ячними фрезами забезпечує 7 – 8 ступінь точності і Rz 20 … 10 мкм.

Основним способом обробки зубців внутрішніх венців, блочних зубчастих коліс з близько розташованими венцями, валів-шестерень з фланцями, нарізання яких черв’ячними фрезами неможливо із-за відсутності простору для виходу фрези із робочої зони в кінці обробки, є зубодовбання круглими довбяками (прямозубими або косозубими).

Процес зубодовбання (рисунок 6) оснований на зчепленні пари зубчастих коліс (колесо – довбяк). Довбяк в процесі різання здійснює зворотно-поступовий прямолінійний (для прямозубих зубчастих коліс) або гвинтовий рух (для косо зубах зубчастих коліс) від спеціального копіру і обертання, як і колесо, що оброблюється, навколо своєї осі. Для обробки зубів на повну глибину довбяку спочатку різання передається радіальна подача. Після кожного робочого ходу колесо трошки відводиться від довбяка для зменшення затуплення різальних кромок.

Рисунок 6

Зубонарізання може виконуватись за один або декілька проходів (повний оберт колеса) в залежності від модуля, шорсткості, точності та інших параметрів колеса, що оброблюється. Зубчасті венці з модулем 1 – 2 оброблюються за один прохід, з модулем 2,25 – 4 мм – за два проходи.

Точність процесу зубодовбання забезпечує 7 – 8 ступінь точності і Rz 20 … 10 мкм.

При обробці довбання одержується більш точний профіль, ніж при фрезеруванні, так як неточності інструмента в цьому випадку значно менше відображуються на профілі зубців, але удари, які виникають при обробці погано впливають на верстат і інструмент. Тому, зубодовбання застосовують для чистового нарізання, а фрезерування двох – або трьохзаходними фрезами для чорнового нарізання, як більш продуктивний метод; фрезерування однозахідними фрезами застосовується також для чистового нарізання. Так як цим методом можна нарізати велику номенклатуру зубчастих коліс.

Прогресивним способом обробки прямозубих і косозубих зубчастих коліс зовнішнього і внутрішнього зчеплення є зуботочіння обкатними різцями.

Процес оснований на зчепленні гвинтової передачі з осями, що схрещуються, яка складається із зубчастого колеса, що оброблюється, і обкатного різця, профіль різальної частини якого не відповідає профілю зуба оброблюваного колеса (для прямозубого колеса – косозубий інструмент і навпаки, рисунок 7).

Рисунок 7

В процесі обробки обкатному різцю і деталі передається обертовий рух, а обкатному різцю – додатково подача у напрямку осі зубчастого колеса. В точці контакту різальної кромки інструмента з оброблюваним профілем зуба виникає відносне ковзання, яке є рухом різання. Зуботочіння у порівнянні із зубофрезеруванням дозволяє підвищувати продуктивність в 2 – 5 разів.

Ще одним продуктивним методом обробки зубчастих вінців є контурне зубодовбання багаторізцевою головкою.

Багаторізцева головка складається із корпусу у вигляді диску з радіально розташованими пазами, в яких розміщуються різці з профілем, який повністю відповідає профілю впадини зубів. Число різців в головці також відповідає кількості впадин зубчастого колеса.

В процесі обробки багаторізцева головка нерухома, а колесо, що оброблюється, закріплюється на шпинделі і здійснює зворотно-поступовий рух. У зрівнянні зі звичайним зубодовбанням цей процес продуктивніше в 10 – 12 разів. Точність відповідає 7 – 8 ступеню точності, а шорсткість Rz 40 … 20мкм. Застосовується в основному при попередній обробці зубів закритих зубчастих коліс.

Найбільш продуктивними процесами обробки зубчастих венців є кругодіагональне протягування кругодіагональними протяжками і фрезопротягування дисковими протяжками.

Точність обробки відповідає 6 … 7 ступені точності при Rz 40 … 10 мкм.

Накатка зубів зубчастих коліс основана на пластичному деформуванні поверхневого шару матеріалу заготовки в холодному стані для зубчастих коліс з малим модулем зуба або в нагрітому стані – для зубчастих коліс середнього і великого модулів. В процесі накатки зубці інструменту, входячи в заготовку формують впадину, а матеріал, який витісняється утворює головку зуба.. при гарячій накатці застосовують попередній нагрів СВЧ.

Точність відповідає 8 – 9 ступеню точності, а шорсткість Rz 80 … 20мкм. При застосуванні процесу накатки забезпечується підвищення продуктивності, зменшення розходу металу, скорочення обладнання, розходів на металорізальний інструмент, виробничих площин, а також підвищення міцності зубів на 15 … 35% внаслідок ущільнення волокон матеріалу в процесі обробки.