2.3.2 Технология изготовления детали класса «зубчатое колесо»

Зубчатые колеса служат для передачи вращательного движения между параллельными и перекрещивающимися валами. Зубчатые колеса используются как для передачи больших крутящих моментов с задан­ным изменением частоты вращения валов (силовые передачи), так и для точного взаимного ориентирования валов (кинематические связи). Каждый вид зубчатых колес имеет свои технологические особенности изготовления» Технологические процессы изготовления различных зубчатых колес, принадлежащих к тому или иному классу, могут отли­чаться друг от друга по содержанию и последовательности выполне­ния ряда операций в зависимости от специализации производства. Методы изготовления колес в авиационной промышленности существенно отличаются от методов, применяемых при производстве зубчатых колес для грузоподъемных машин.

В авиационных передачах зубчатые колеса должны при минимальных габа­ритах и массе передавать большие крутящие моменты, иметь высокую точность и надежность. Эти требования заставляют делать зубчатые колеса из высоколегированных сталей с применением цементации и закалки, что усложняет технологический процесс, обусловливая необходимость введения шлифования и большого числа контрольных операций.

Для зубчатых кинематических передач основным требованием яв­ляется высокая геометрическая точность при сложной форме рабочих поверхностей, для зубчатых колес силовых передач - высокая проч­ность для обеспечения передачи крутящих моментов при малых конст­руктивных размерах.

Все многообразие конструктивных исполнений колес классифицируют по типам передач, в которых их используют, по конструктивно-технологическим признакам, по размерам и т.д.

По типам передач различают следующие виды колес (рисунок 4.21):

1. Цилиндрические зубчатые колеса для передач с параллельны­ми осями вращения, лежащими в одной плоскости. Эти колеса могут иметь внешний или внутренний зубчатый венец, могут быть прямозубыми, косозубыми, шевронными.

2. Конические зубчатые колеса для передачи с пересекающимися осями, расположенными под углом друг к другу в одной плоскости или со смещением (гипоидные передачи). Конические колеса могут быть прямозубыми, косозубыми и с круговыми зубьями (линия зуба представляет собой отрезок окруж­ности, эвольвенты или эпициклоиды).

3. Цилиндрические винтовые зубчатые колеса передач, сообщающие вращательное движение валам с перекрещивающимися осями.

4. Червячные передачи, для получения больших передаточных отношений между скрещивающимися валами, оси которых лежат во взаимно перпендикулярных перекрещивающихся плоскостях.

Рисунок 4.21 – Виды зубчатых передач:

а – цилиндрическая, б – коническая, в – червячная,

1 – шестерня, 2 – зубчатое колесо, 3 – червяк, 4 – червячное колесо

По конструктивно-технологическим признакам зубчатые колеса делятся на 5 основных типов(рисунок 4.22):

 Одновенцовые с достаточной длиной базового отверстия l: ,

где l - длина базового отверстия; d - его диаметр.

 Многовенцовые

 Одновенцовые типа дисков, у которых и длина отверстия недостаточна для образования двойной направляющей базы. Поэтому для обработки в качестве ТБ используют базовый торец - установочная база, поверхность отверстия - опорная база, шлицы - упорная база.

 Колеса венцы, которые после обработки монтируют на сту­пицу.

 Зубчатые колеса - валы, которые имеют большую длину детали.

При изготовлении зубчатых колес типа 1 и 2 в качестве основной ТБ используют двойную направляющую поверхность отверстия, в качестве опорных - поверхности торца и шлицы.

При изготовлении колес 3-его и 4-го типа - торец - устано­вочная база, поверхность отверстия и шлицы - опорные базы.

Колеса валы изготавливают по технологии, принятой для валов.

Цилиндрические зубчатые колеса изготовляют с прямыми, косы­ми, реже - шевронными зубьями.

ГОСТ 1643-81 устанавливает 12 степеней точности цилиндрических колес (в порядке убывания точности); 1; 2; 3; 4 …12.

Наибольшее распространение в машиностроении получили зубча­тые колеса 6-8-ой степени точности. Для каждой степени точности установлены нормы:

а) кинематической точности колеса - определяющие полную погрешность угла поворота зубчатых колес за один оборот (накоп­ленная погрешность, радиальное биение).

б) плавности работы колес, определяющие полной погрешности угла поворота зубчатого колеса, многократно повторяющейся за оборот колеса (постоянство передаточного отношения на 1 зуб).

в) контакта зубьев, определяющие отклонение относительных размеров пятна контакта сопряженных зубьев в передаче.

Независимо от степени точности колес установлены нормы бокового зазора (виды сопряжений зубчатых колес). Существует шесть видов сопряжений зубчатый колес в передаче, которые в порядке убывания гарантированного бокового зазора обозначаются буквами А, В, С, Д, Е, Н и восемь видов допуска (Т_jn) на боковой зазор х, у, z, a, b, с, d, h.

Рисунок 4.22 – Различные типы цилиндрических зубчатых колес:

I – V – типы; а – д – конструктивные разновидности каждого типа

Нормы кинематической точности определяют значение наибольшей погрешности угла поворота зубчатых колес за оборот при за­цеплении с точным колесом. Показателями кинематической точности являются:

а) предельная кинематическая погрешность Fi ;

б) предельная накопленная погрешность окружного шага Fi ;

в) колебания длины общей нормали Lнб (по 3 зуба).

Норма плавности работы зубчатого колеса определяет:

а) составляющую «а» полной погрешности углов поворота зубчатого колеса, многократно повторяющуюся за оборот колеса;

б) циклическая погрешность f_i - среднее значение размаха колебаний кинематической погрешности зубчатого колеса за оборот колеса. Плавность работы влияет на бесшумность и долговечность передачи.

Нормы контакта зубьев определяют точность выполнения сопря­женных зубьев в передаче. Пятном контакта называется часть боко­вой поверхности зуба колеса, на которой располагаются следы при­легания его к зубьям парного колеса после вращения передачи при легком торможении.

Норма точности определяется в процентах от длины и высоты зуба.

Боковым зазором называется зазор между зубьями сопряженных колес в передаче, обеспечивающей свободный поворот одного колеса при неподвижном втором колесе. Боковой зазор определяется в се­чении перпендикулярном направлению зубьев в плоскости, касатель­ной к основным цилиндрам (Сn) [Смотри рис.205, Данилевский].

Изготовление качественных зубчатых колес требует правильно­го положения базового торца относительно отверстия и точного вы­полнения отверстия. Биение торца на 50 мм для колес 6-ой сте­пени точности перед зубонарезанием должно быть не более 0,015 мм; 8-ой степени точности не более 0,025 мм.

Перед шлифованием - для колес 6-ой степени точности - не более 0,005 мм. Отверстия перед зубообработкой для колес 8-ой степени точности должны быть обработаны по 7-ому квалитету; для колес 6-ой степени точности – по IT6.

В зависимости от служебного назначения зубчатые колеса из­готавливают из углеродистых, легированных сталей, чугуна, пласт­масс. Легированные стали обеспечивают более глубокую прокаливаемость и меньшую деформацию по сравнению с углеродистыми.

Материал зубчатых колес должен обладать однородной структу­рой, которая должна обеспечить стабильность размеров после терми­ческой обработки.

Нестабильность возникает после цементации и закалки, когда в заготовке сохраняется остаточный аустенит, также она может воз­никнуть в результате наклепа при механической обработке. Равнове­сие внутренних напряжений в металлах нарушается при большой глубине резания.

Наибольшее коробление дает цементация, меньшее закалка. Чис­товая обработка уменьшает наклеп и деформацию в 2, 5 раза по срав­нению с черновой обработкой.

При изготовлении колес рекомендуется чередовать механическую обработку с операциями термической стабилизации размеров для сня­тия внутренних напряжений.

Материал также оказывает влияние на изменение микротвердости и степени отпуска при зубошлифовании. Если зубья колес шлифуют, рекомендуется выбирать сталь более теплостойкую, менее склонную к прижогам и дающую меньшие изменения микротвердости и степени от­пуска.

Широко используются стали 12ХН3А; 20Х; 25ХГТ; 18ХГТ; 40Х; 40ХФА; 45 и т.д.

В качестве заготовок зубчатых колес используют прокат, по­ковку, штамповку в зависимости от конструкции и серийности вы­пуска. Коэффициент использования материала при изготовлении зуб­чатых колес из штамповки равен 0,6 - 0,7 (рисунок 4.23).

Рисунок 4.23 – Способы изготовления заготовок:

I – одновенцовых колес: а – поковка, б – штамповка в подкладном штампе, в – штамповка в закрепленном штампе; II – двухвенцовых колес: а – поковка, б – штамповка на молоте в торец, в – на молоте вдоль оси, г – на горизонтально- ковочной машине

Поковки могут быть выполнены свободной ковкой на ковочном молоте; штампованная заготовка в подкладных штампах, выполненная на молотах или прессах; штампованная заготовка в закрепленных штампах, выполненная на молотах, прессах и горизонтально-ковоч­ных машинах.

Заготовки, полученные свободной ковкой, не соответствуют фор­ме готовой детали, но структура металла благодаря ковке улучшает­ся по сравнению с заготовкой, отрезанной пилой от прутка.

Штамповка заготовок в подкладных штампах выполняется на фрикционных и гидравлических

прессах или на механических ковоч­ных прессах в мелкосерийном производстве. Штамповка на прессах имеет большое преимущество перед штам­повкой на молотах, т.к. получается точная заготовка, припуски и напуски меньше на 30%, чем при штамповке на молоте. Повышается производи-тельность в 1,5 - 2 раза, на прес-сах можно штамповать с проши-ванием отверстия. На горизонтально-ковочных машинах изготовляют заготовки с хвостовиком или отверстием (рисунок 4.24).

Рисунок 4.24 – Заготовки зубчатых колес, штампуемых на горизонтально-ковочных машинах: а – коническое, б – цилиндрическое, в – двухвенцовое, г – венец, д – колесо со ступицей, е – колесо с фланцем, ж - двухвенцовое