книги / Технология производства и методы обеспечения качества зубчатых колес и передач

Погрешности механической обработки зубьев цилиндрических зубчатых колес 401

различаются условия работы головки ре­ жущего инструмента и его боковой части на входящей стороне зуба. Загрузка входя­ щей стороны зуба инструмента значительно превышает загрузку выходящей стороны зу­ ба. Это определяет наличие составляющей Pj, направление которой зависит от направ­ ления вращения долбяка. Составляющая Рх возникает также при нарезании косозубых колес косозубыми долбяками, имеющими правый (+у) или левый (-у) наклон зубьев. Колебание сил Ру и Рх вызывает упругие де­ формации элементов ТС зубодолбежного станка и погрешности зубообработки.

Наиболее распространены зубодолбеж­ ные станки, у которых при обратном ходе долбяк отводится от колеса в радиальном направлении. У таких станков жесткость стола на осях X и Y почти в 10 раз выше же­ сткости суппортной группы. Относительно

слабыми звеньями у этих станков являются соединения штосселя со стойкой и основание стола (станина). При нарезании колес на таких станках для обеспечения лучших условии работы (прижима суппорта при резании к направляющим стойки) следует выбирать такое направление вращения долбяка, чтобы выходная сторона профиля находящихся в работе зубьев долбяка была обращена к направляющим стойки суппорта. Для станков типа 5А140 и 5А122 при нарезании прямозубых колес с внешними зубьями направление вра­ щения долбяка должно быть по часовой стрелке, а для колес с внутренними зубьями — против часовой стрелки.

Применение в зубодолбежных станках механизма для закрепления суппорта снижает суммарные перемещения по станку на 20%.

Условия работы при угле наклона -у хуже, чем при угле наклона +у. Суммарное пере­ мещение по оси Упри -у в 2,5 раза больше, чем при +у. Суммарное перемещение по оси X при - у больше, чем при +у, в 1,9 раза при открепленном суппорте и в 1,2 раза при закреп­ ленном суппорте [17].

Перемещения элементов ТС по оси Уотражаются в основном на толщине зуба наре­ заемого колеса и могут быть при постоянстве значений Ру и деформаций элементов ТС скомпенсированы при наладке станка.

Наряду с жесткостью суппорта и стола на точность обработки большое влияние ока­ зывает жесткость штосселя и механизмов подачи и отвода долбяка или стола. Частота ос­ новных вынужденных колебаний узлов зубодолбежных станков равна числу двойных хо­ дов штосселя.

Особенности зубострогания. По кинематике процесс зубострогання близок к про­ цессу зубодолбления, по конструкции инструмента — к зубофрезерованню червячной фрезой, т. к. в обоих случаях используется инструмент реечного типа. В целом для зубо­ строгания имеет место примерно тот же характер влияния различных факторов на точ­ ность нарезаемых зубьев, что и при зубодолбленпн.

Обобщение в л и я н и я различных факторов на точность зубодолбления и зубострога­ ния цилиндрических зубчатых колес. Анализ данных, приведенных в п. 10.4, позволяет установить влияние различных факторов на точность цилиндрических зубчатых колес при зубодолблешш и зубостроганин. Результаты этого анализа приведены в табл. 10.5.

10.5. Погрешности отделки зубчатых колес свободным обкатом

1 0 .5 .1 . Условия обеспечения качества

обработанны х зубчаты х колес при ш евингован ии

При выборе стандартного шевера для обработки данного колеса необходимо прежде всего соблюсти равенство шагов зацепления шевера и обрабатываемого колеса. На откры­ тых колесах, не имеющих ограничений угла скрещивания, лучшие результаты получаются при углах скрещивания осей <р от 10 до 15°. Однако в некоторых случаях, если это необхо­ димо, этот предел можно расширить от 3 до 18е. Диаметр шевера желательно применять большего размера, что способствует уменьшению нагрузки на зуб шевера и повышает раз­ мерную стойкость инструмента. Ограничением в выборе диаметра шевера служат макси­ мальный диаметр шевера и межосевое расстояние в станочном зацеплении шевера и за­ готовки.

Числа зубьев шевера и обрабатываемого колеса не должны иметь общих множителей. Это позволяет каждому зубу шевера обрабатывать все зубья колеса и распределять воз­ можные отклонения шага инструмента по всей периферии обрабатываемого колеса. В практике для косозубых колес направление зубьев шевера выбирают обычно разно­ именного направления с зубьями обрабатываемого колеса. Колеса с правыми зубьями об­ рабатываются шеверами с левыми зубьями, и наоборот. Для прямозубых колес шевер обычно принято делать с правыми зубьями для более удобного изготовления и работы па станке.

Дисковые шеверы общего назначения изготовляются по ГОСТ 8570-80 трех клас­ сов точности: АА, А и В. Шеверы класса АА предназначены для колес 5 -6 -й степеней точности, класса А — для колес 7-й степени точности, класса В — для колес 8-й степени точности по ГОСТ 1643-81. Для колес комбинированных степеней точности класс точ­ ности шевера рекомендуется устанавливать, исходя из норм кинематической точности. Шеверы изготавливают из лучших сортов быстрорежущей стали. Карбидная неоднород­ ность стали, измеренная по диаметру впадин, не должна быть выше 4 баллов. Твердость рабочей части шеверов HRC, 62-65 и выше па 1 -2 единицы для шеверов из быстроре­ жущей стали с содержанием ванадия 3% и более и кобальта 5% и более.

Известны примеры применения шеверов из стали Р9Ф5 вместо Р18, что позволило повысить их стойкость примерно на 50% и вдвое снизить стоимость.

На долговечность шевера влияют скорость резания, величина подачи, обрабатывае­ мость материала, требуемая точность изготовляемого колеса, состав и расход смазоч­ но-охлаждающей жидкости, отношение числа зубьев шевера к числу зубьев обрабатывае­ мого колеса. Дисковый шевер допускает 4 -8 переточек и в состоянии иногда обработать до переточки около 80 тыс. колес.

В процессе шевингования инструмент и обрабатываемое колесо находятся в безза­ зорном (плотном) зацеплении. Мгновенный контакт между дисковым шевером и обра­ батываемым колесом происходит не по линии, как при зацеплении зубчатого колеса с рейкой, а в одной точке. Совокупность этих точек образует на боковой поверхности зуба колеса пространственную линию, представляющую след, который оставляет и в процес­ се зацепления на обрабатываемой поверхности зуба колеса сопряженная поверхность зуба дискового шевера. Давление в точках контакта сопряженных зубьев шевера и обра­ батываемого колеса непрерывно изменяется и функционально зависит от положения

Погрешности механической обработки зубьев цилиндрических зубчатых колес 405

точки зацепления на линии зацепления. В зоне однопарного зацепления давление и сила резания больше, чем в других зонах с многопарным касанием зубьев, поэтому в районе начальной окружности в станочном зацеплении шевера с колесом происходит наиболь­ ший съем материала, что приводит к образованию выемки примерно посередине высоты зуба обрабатываемого колеса. Во избежание этого явления эвольвентный профиль шеве­ ра преднамеренно искажают (корригируют), сообщая ему небольшую выемку в зоне на­ чальной окружности с отклонением от теоретической эвольвенты от 0,005 до 0,025 мм в зависимости от модуля, угла наклона и числа зубьев обрабатываемого колеса. Кроме то­ го, для повышения плавности работы и уменьшения шума зубчатых колес 5-7-й степе­ ней точности приходится делать профильную модификацию зубьев, поэтому эвольвент­ ный профиль зубьев шевера у головки и ножки в этом случае делают «в плюс». Опти­ мальная форма профиля зуба шевера в каждом конкретном случае подыскивается на основе тщательных экспериментальных проверок. Поэтому на автомобильных заводах большинство шеверов после изготовления или заточки и поэлементного контроля под­ вергаются комплексному испытанию на качество обрабатываемого колеса. Такой способ приемочного контроля шеверов значительно повышает точность обработки зубчатых ко­ лес и стабильность процесса шевингования. С увеличением коэффициента перекрытия при шевинговании искажения профиля, возникающие из-за неравномерности сил реза­ ния, уменьшаются.

При обработке крупных колес применяют также одностороннее шевингование. Веду­ щим является колесо, а ведомым — шевер, который притормаживается для создания необ­ ходимого давления между профилями зубьев.

Рабочую поверхность зуба колеса можно теоретически правильно обработать по всей ширине зубчатого венца, если в крайних положениях обрабатываемого колеса активные линии зацепления будут находиться за торцами зубчатого венца. Для прямозубых колес длина хода стола равна ширине обрабатываемого зубчатого венца. На зубошевинговальных станках, не имеющих жесткой кинематической связи между изделиями и инструмен­ том, увеличение хода стола больше теоретического нежелательно, так как создается опас­ ность нарушения плавности вращения из-за выхода рабочих участков липни зацепления за пределы зубьев заготовки. При длине хода стола больше расчетной толщина зубьев у торцов уменьшается. На практике расчетный ход стола увеличивают примерно на 2 мм.

При обработке прямозубых колес стол перемещается в одноименном направлении с линиями зубьев шевера, а направление вращения шевера должно быть направлено в об­ ратную сторону хода стола. При шевинговании косозубых колес стол перемещается в раз­ ноименном направлении с линиями зубьев шевера, а направление вращения шевера долж­ но быть направлено в обратную сторону хода стола. При тангенциальном шевинговании вращение шевера производится всегда против подачи.

На рис. 10.20 показано рекомендуемое сочетание направлений движения подачи сто­ ла и вращения шевера при обработке диагональным методом прямозубых и косозубых ко­ лес шевером с правым или левым направлением линии зубьев [20].

Эффективное использование процесса шевингования основано на обязательном ус­ ловии хорошей подготовки колеса до шевингования. Припуски под шевингование долж­ ны быть минимальными. Большинство зубчатых колес шевингуется в сыром виде (по­ сле отжига), но может обрабатываться после термической обработки, если твердость не превышает HRC 40. При шевинговании не должно быть контакта между вершиной зуба шевера и переходной поверхностью зуба колеса. Шевер должен заканчивать обработку ниже диаметра окружности нижних точек активных профилен зубьев зубчатого колеса. В станочном зацеплении окружности вершин зубьев шевера и граничных точек колеса, образующихся при зубодолблении или при зубофрезерованни, не должны пересекаться.

аНаправление

подачи

Рис. 10.20. Рекомендуемые направления движения стола и вращения шевера при диагональном шевинговании: а — прямозубых колес; б — косозубых колес

При зубодолблении окружность граничных точек образуется на большем диаметре, чем при зубофрезеровании, поэтому при обработке зубчатых колес долбяками и шеверами допускается увеличение радиального зазора до 0,35т.

Плавное сопряжение шевингованной поверхности зуба с переходной поверхностью достигается применением червячных фрез и долбяков с протуберанцем, образующих при нарезании зубьев переходную кривую зуба с поднутрением (рис. 10.21). Как прави­ ло, инструменты с протуберанцем проектируются на определенную деталь. Величина поднутрения переходной кривой должна быть больше припуска на обработку каждой стороны зуба колеса на 15-25 мкм. Наиболее целесообразные припуски на зубошевингование по толщине зуба следующие [13]:

При тщательном шевинговании можно обеспечить шероховатость поверхности зубьев Ra - 0,25-0,5 мкм.

Граничная точка при нарезании под чистовую отделку зубьев

Нижняя точка активного профиля зуба

Рисунок 1 0 .21 . Определение наименьшего припуска для чистовой отделки зубьев, предвари­ тельно нарезанных долбяком или червячной фрезой с протуберанцем

Погрешности механической обработки зубьев цилиндрических зубчатых колес 407

1 0 .5 .2 . Х ар актер изменения исходных погрешностей при ш евинговании и других м етодах отделки зубчаты х колес свободным обкатом

При методе свободного обката и двухпрофильной обработке радиальные погрешно­ сти предварительных операций могут явиться причиной возникновения тангенциальных погрешностей изделия.

При теоретическом рассмотрении процесса шевингования колес, имеющих большое радиальное биение перед шевингованием, было доказано [6], что, устраняя в этом процес­ се радиальное биение, непроизвольно создают кинематическую погрешность обрабаты­ ваемого колеса. После шевингования колеса, имевшего радиальное биение зубчатого вен­ ца, фазы равного влияния получившегося эксцентриситета по обеим линиям зацепления сдвигаются между собой на угол п так же, как это имеет место при кинематическом экс­ центриситете. Шевингование и подобные ему методы отделки зубчатых колес переводят геометрический эксцентриситет в кинематический, который однако не выявляется при двухпрофильной проверке, что создает ложное впечатление об улучшении кинематиче­ ской точности изделия после отделки. Этим выводом не отрицается факт улучшения ка­ чества поверхности зубьев колеса после отделки, а также исправления погрешностей ра­ диального биения, шага зацепления и профиля.

В работе [21] показано, что путем как нормального шевингования (когда угол зацеп­ ления между шевером и колесом равняется углу зацепления при нарезании колеса), так и шевингования с измененным углом зацепления имеется возможность практически полно­ го устранения циклической погрешности. Нормальное шевингование и шевингование с измененным углом в этом отношении оказываются равноценными.

Если изделие перед отделкой методом свободного обката обладало кинематическим эксцентриситетом, то кинематический эксцентриситет в процессе отделки не претерпева­ ет какого-либо изменения.

Исправляемость у зубчатых колес погрешности, вызванной качанием стола после их отделки методом свободного обката, зависит от направления качания. Если угол у 0 - 0 (см. рис. 10.4), то есть качание стола станка происходило в продольной плоскости станка, то возникшая в заготовке погрешность полностью устраняется шевингованием. Если у 0 = 90°, то есть качание стола станка происходило в поперечной плоскости станка, то шевингова­ ние не изменяет ошибку колеса, вызванную качанием стола. При промежуточных значе­ ниях угла у 0 шевингование уменьшает погрешность колеса по одной стороне зубьев и уве­ личивает его по другим профилям [1].

Исправляемость шага колес при шевинговании оказывается значительно меньшей, если колеса были нарезаны многозаходнымн фрезами и имели число зубьев, кратное чис­ лу заходов фрезы.

Попутно отметим, что при точном изготовлении шеверов по профилю и биению дос­ тигаются точность профиля колеса в 5-8 мкм и шероховатость боковой поверхности зубь­ ев в пределах Ra = 0,4 мкм [21].

Рассмотренные закономерности остаются в силе, если процесс шевингования прово­ дится после зубодолбления. Геометрический и кинематический эксцентриситеты изде­ лия, погрешности, зависящие от качания стола станка, и циклические погрешности, опре­ деляемые погрешностями червяка делительной пары станка, характеризуются теми же свойствами, что и в ранее рассмотренном случае. Особенностью колес, которые шевингуются после эубодолбления, является перевод геометрического эксцентриситета долбяка в кинематический эксцентриситет изделия. Геометрический эксцентриситет отделочного

инструмента (шевера, притира и др.) при равенстве числа его зубьев числу зубьев колеса создает на изделии кинематический эксцентриситет, а при неравенстве и иекратности чи­ сел зубьев может не сказаться на точности изделия. Кинематический эксцентриситет от­ делочного инструмента не влияет на точность изделия.

1 0 .5 .3 . Ж естко сть ш евинговального стан ка и точность обработки

Недостаточная жесткость станка служит причиной появления циклической погреш­ ности колеса, отклонений от правильного направления зубьев и вибраций, увеличиваю­ щих шероховатость поверхности зубьев обрабатываемых колес.

С точки зрения эксплуатации станка, его жесткость определяет производительность (съем припуска и выхаживание за большее или меньшее количество ходов) и точность (возможность устранения погрешностей зацепления, полученных на предшествующих операциях, виброустойчивость).

Влияние жесткости шевннговальных станков на точность изготовления колес может быть сформулировано следующим образом: на жестком зубошевинговальном стайке из­ делию передаются погрешности шевера, на нежестком — погрешности заготовки [18].

В работе [18] выполнено исследование жесткости горизонтального шевинговального станка, аналогичного по конструкции и размерам наиболее распространенному в настоя­ щее время станку модели 5702. На рис. 10.22 показана схема действия сил резания и осей координат, в направлении которых производились измерения деформаций узлов и дета­ лей станка. Пунктиром показан контур станка под действием сил резания.

Наиболее слабыми местами горизонтального зубошевинговальиого стайка являются части, несущие и крепящие изделие — бабки (перемещения по оси X составляют 30%, по оси Y — 25% и по оси Z - 45% от общего суммарного перемещения), затем коробка подач привода стола (26% по оси X и 37,5% по оси У) и, наконец, основание стола (короб, несу­ щий стол), на который приходится 25% суммарного перемещения по оси Y.

Низкую жесткость имеет также механизм качания стола.

Несмотря на отмеченные дефекты, жесткость стайка в направлении оси Y достаточно велика (порядка 6000 кГ/мм). Это обусловлено тем, что точка поворота стола находится вблизи точки приложения силы. При перемене наладки станка и ином расположении центровых бабок взаимное положение этих точек может измениться, и тогда поворот стола и его основания скажется

на точности обрабатываемой детали.

Погрешности механической обработки зубьев цилиндрических зубчатых колес 409

инструмента от поворота стойки и хобота не будет учтено. Поэтому нагружение станка при измерении перемещений его частей производят результирующей силой, а не отдель­ ными ее составляющими. В зависимости от расположения центра поворота влияние де­ формации этих частей на изменение положения инструмента может быть различным. Ес­ ли центр поворота расположен выше оси шпинделя шевера, последний смещается в сторо­ ну рабочего места (-Х ). Если центр поворота ниже оси шпинделя шевера, последний перемещается в противоположную сторону (+Л).

Положение центра поворота определяется конструктивными размерами станков дан­ ного типа. Положение оси инструмента в некоторой степени зависит еще и от направле­ ния вращения шевера во время его работы. Если шсвер вращается по направлению стрел­ ки а (рис. 10.22), под действием тангенциальной составляющей Рх, силы резания, шеверная головка будет смещаться влево. Если шевер вращается по направлению стрелки б, шеверная головка будет смещаться вправо.

Для вертикальных зубошевинговальных станков характерно то, что абсолютные вели­ чины перемещений частей станка, несущих инструмент, значительно превышают переме­ щения частей станка, несущих заготовку.

1 0 .5 .4 . О бобщ ение влияния различных факторов на точность отделки зубчатых колес при свободном обкате заготовки

Анализ данных, приведенных в п. 10.5, позволяет установить основные источники по­ грешностей шевингования зубьев. Большинство из них влияют также на точность других, рассмотренных выше, методов отделки зубьев (зубохонингования, обкатки, притирки и др.) в условиях свободного обката. Результаты этого анализа приведены в табл. 10.6.

10.6. Погрешности зубошлифования зубчатых колес

1 0 .6 .1 . Основны е источники погреш ностей при зубош лиф овании

В отличие от шевингования и зубохонингования, шлифование зубьев осуществляется по методам копирования или принужденного обката, поэтому ошибки предварительного нарезания и деформации, образованные термической обработкой, после зубошлифования практически устраняются. Зубошлнфованне является единственным средством, обеспе­ чивающим получение высокоточных зубчатых колес с закаленными до большой твердо­ сти зубьями. Серьезным препятствием к применению зубчатых колес со шлифованными зубьями являются большая трудоемкость и высокая себестоимость обработки, а также возможные дефекты поверхностного слоя зубьев, возникающие при их шлифовании.

Зубошлифование в большинстве случаев является заключительной операцией обра­ ботки зубчатых колес. Серьезным дефектом при зубошлифовании ответственных зубча­ тых колес являются шлифовочные прижоги и трещины. Чтобы предотвратить брак доро­ гостоящих деталей, необходимо все предшествующие шлифованию зубьев технологиче­ ские операции механической и термической обработки выполнять с необходимой