Методы изготовления деталей зубчатых зацеплений

Для передачи движения и мощности, а также для из­менения частоты вращения валов машин используют различные зубчатые передачи (зубчатые зацепления), со­стоящие из двух деталей с чередующимися зубьями и впадинами. В зависимости от взаимного положения осей валов применяют следующие зубчатые передачи:

при валах с параллельными осями — передачи с ци­линдрическими зубчатыми колесами, имеющими прямые, косые или шевронные зубья;

при валах с пересекающимися осями — с коническими зубчатыми колесами, имеющими прямые, косые или кру­говые зубья;

при валах с перекрещивающимися осями — с вин­товыми или гипоидными зубьями.

Зубчатые передачи бывают с наружным и внутренним зацеплением (применяют редко).

Зубчатые передачи имеют ряд преимуществ: высокий коэффициент полезного действия (КПД), компактность и долговечность механизма, простоту обслуживания, воз­можность варьировать отношение частот вращения ва­лов в широких пределах. Они весьма широко приме­няются в технике (редукторы машин, коробки скоростей и подач станков и т. д.). Особенно часто используются передачи с цилиндрическими зубчатыми колесами.

К зубчатым колесам предъявляются жесткие требова­ния в отношении прочности и износостойкости, а также плавной и бесшумной работы. Правильный выбор мате­риала для изготовления колес обеспечивает прочностные требования, которые проверяют специальными расчета­ми. Для зубчатых колес применяют широкий спектр ма­териалов — от пластических масс до термообработанных высоколегированных сталей.

Точность зубчатых колес определяется по стандарту степенями точности с номерами от 1 до 12, но практиче­ски в различных областях промышленности и транспорта используют колеса 3 —11-й степеней точности. Размера­ми допусков регламентируется точность всех элементов зубчатого колеса. Независимо от точности зубчатых ко­лес предусмотрено шесть видов сопряжений зубчатых передач, характеризующихся размерами боковых зазо­ров.

Профили зубьев колес и других деталей зубчатых за­цеплений очерчиваются эвольвентой, поэтому и зацепле­ния называют эвольвентными. Очень редко применяют Циклоидное зацепление. В эвольвентном зацеплении принято называть углом зацепления а - угол, образо­ванный линией зацепления и перпендикуляром к линии Центров (рис. 18.52). Стандартом предусмотрен угол заце­пления α = 20°.

Основными элементами цилиндрического зубчатого колеса (рис. 18.52) являются:

наружный диаметр, или диаметр вершин зубьев зубча­того колеса d_к;

внутренний диаметр, или диаметр впадин зубьев коле­са d_в

диаметр делительной окружности зубчатого колеса d, на котором толщина зуба и ширина впадины равны;

окружной шаг t, т. е. расстояние между одноименны­ми профилями соседних зубьев, измеренное по нормали к ним;

модуль зацепления т = t/π (в зацеплении могут нахо­диться только колеса с одинаковыми модулями);

глубина впадины или высота зуба h = 2,2m. Часть зу­ба колеса высотой h₁ лежащая над делительной окруж­ностью, называется головкой зуба, а часть зуба высотой h₂, находящаяся ниже этой окружности,— ножкой зуба:

h₁ = m; h₂ = 1,2m.

Основной характеристикой зубчатого зацепления является его передаточное отношение i. Если число зубь­ев колеса ведущего вала z_b а ведомого z₂, то передаточ­ное отношение

где п₁, п₂ — соответственно частоты вращения ведущего и ведомого валов.

Процессы нарезания зубьев цилиндрических колес со снятием стружки выполняются по двум методам: по ме­тоду копирования и по методу обката.

Метод копирования состоит в том, что ин­струмент — дисковая (рис. 18.53, а) или концевая (пальце­вая) (рис. 18.53,6) зуборезные фрезы, имеющие эвольвентный профиль зубьев, совпадающий с профилем впадины зубьев колеса, переносят его на заготовку в про­цессе обработки. При этом фреза 1 вращается (главное рабочее движецие), а заготовка 2 осуществляет поступа­тельное движение подачи вдоль своей оси.

Зубья колеса могут нарезаться на горизонтально- или вертикально-фрезерных станках, а также на специальных зуборезных станках, в отдельных конструкциях которых движение подачи осуществляет фреза.

Концевые зуборезные фрезы применяют, в основном, для нарезания шевронных зубчатых колес, а также при обработке крупномодульных прямозубых и косозубых колес.

Каждая дисковая зуборезная фреза предназначена для нарезания колес только с

определенным заданным чис­лом зубьев. Поэтому фрезы выпускают в виде наборов (комплектов) из 8 или 15 фрез. Каждая фреза из набора предназначена для нарезания колес, имеющих опреде­ленный диапазон чисел зубьев. Профилирование фрезы ведется по наименьшему числу зубьев, входящему в этот диапазон, а нарезание колес с другим числом зубьев дан­ного диапазона ведется с погрешностью. На точность зубьев колес при зубофрезеровании по методу копирова­ния влияют также погрешность делительного механизма станка, неправильная установка фрезы и другие факторы. Дисковыми зуборезными фрезами нарезают зубья колес наружного зацепления с точностью не выше 9-й степени.

Производительность нарезания зубьев по методу ко­пирования невысокая, главным образом, из-за наличия холостых ходов (после нарезания каждой канавки). Зубо-фрезерование по методу копирования применяется в еди­ничном или мелкосерийном производстве.

В крупносерийном и массовом производствах для на­резания колес с модулем т > 4 мм используют спе­циальные зубодолбежные головки, работающие также по методу копирования (на зубообрабатывающих станках моделей 5110 и 5120).

Косозубые колеса можно нарезать дисковыми зубо­резными фрезами с некоторой погрешностью. При этом номер фрезы из комплекта выбирают по приведенному (фиктивному) числу зубьев:

где z - число зубьев нарезаемого косозубого колеса; ω — угол наклона зубьев колеса.

Метод обката при нарезании обычных колес является более производительным и обеспечивает более высокую точность по сравнению с методом копирования. Для обработки по этому методу используют червячные фрезы, зуборезные долбяки, зубострогальные гребенки и др. Наибольшее распространение получили червячные фрезы, применяемые на полуавтоматических зубофрезерных станках (рис. 18.54, а). В процессе резания заготов­ка колеса 2 и фреза 1 вращаются. Кроме того, фреза (в отдельных типах станков — заготовка) поступательно перемещается вдоль оси заготовки с подачей S. Благода­ря сочетанию этих движений на заготовке нарезаются зубья эвольвентного профиля, представляющего собой огибающую поверхность многочисленных следов режу­щих кромок фрезы на поверхности зуба заготовки (рис. 18.54,6).

Отношение частот вращения фрезы n_ф и заготовки n_заг должно быть строго постоянно: за один оборот заготов­ки фреза должна совершить z оборотов, где z — число зубьев нарезаемого колеса.

Каждой червячной фрезой можно нарезать прямо­зубые и косозубые колеса с любым числом зубьев опре­деленного модуля, причем ось фрезы устанавливают по отношению к торцу заготовки под некоторым углом, размер которого зависит от угла подъема витков червяч­ной фрезы и угла наклона зубьев колеса.

Так как фреза имеет конечное число зубьев, то про­филь боковых поверхностей нарезаемых зубьев получает «огранку», что требует в дальнейшем их чистовой обработки. Однако при нарезании зубчатых колес с малым модулем однозаходными фрезами, имеющими число зубьев не менее 10—12, достаточно точный про­филь достигается без дополнительной чистовой обра­ботки.

Червячными фрезами нарезают колеса 7—10-й степе­ней точности.

Производительность процесса зубофрезерования можно повысить, применяя червячные фрезы с твердо­сплавными пластинами и многозаходные фрезы. Однако в последнем случае точность зубьев колес понижается.

Зубодолбление выполняется зуборезными долбяками. При этом ось долбяка должна быть параллельна оси за­готовки. Зубья долбяка в сечении представляют собой зубья колеса. В процессе работы долбяк и заготовка не­прерывно вращаются, т. е. совершают движение обката. Главное рабочее (возвратно-поступательное) движение осуществляет долбяк. Поэтому для предохранения долбяка от интенсивного износа при обратном его ходе заготовку отводят от долбяка на 1—2 мм. Прямозубые ко­леса нарезают прямозубыми долбяками, а косозубые — косозубыми с помощью копира, устанавливаемого в верхней части штосселя (шпинделя) станка, г Нарезание зубьев долбяком является почти единственным методом обработки колес с внутренним зацеплением (применяемые иногда с этой целью фасонные протяжки весьма сложны в изготовлении и имеют высо­кую стоимость). Благодаря малому перебегу (2 — 3 мм) долбяка им можно нарезать блочные колеса. Зубодолблением обеспечивается примерно 6-я степень точности.

Нарезание зубьев колес зубострогалъными гребенками малопроизводительно из-за наличия холостых ходов. Здесь движение обката осуществляет заготовка колеса, гребенка совершает возвратно-поступательное движение. Зубострогальная гребенка, имея 5 — 6 зубьев, может обра­ботать лишь 1—2 зуба колеса, после чего заготовка отво­дится в исходное положение, и процесс повторяется.

3 настоящее время зубострогальные гребенки приме­няют весьма редко, в частности для нарезания ше­вронных колес.

Для нарезания колес с наружным и внутренним заце­плением применяют зуботочение, при котором припуск на обработку профиля срезается при скольжении режу­щих кромок обкаточного резца относительно обрабаты­ваемой поверхности.

Профиль обкаточного резца не является эвольвентным. Он зависит от числа нарезаемых зубьев.

Зуботочением можно нарезать колеса на специальных станках или на модернизированных зубофрезерных стан­ках. Производительность процесса зуботочения в 3 — 5 раз выше, чем при зубофрезеровании, и в 6 —7 раз выше, чем при зубодолблении.

Зубья цилиндрических колес можно получать пласти­ческим деформированием — накаткой, которая выпол­няется с радиальной или осевой подачами, в холодном и горячем состоянии заготовок. Точность накатки с осе­вой подачей выше, чем с радиальной. В качестве инстру­мента применяют накатники — зубчатые валики, а иногда рейки.

Накатывание зубьев на заготовках, поверхность ко­торых разогрета токами высокой частоты, назначается для колес неответственного назначения или как предва­рительная операция под калибрование. Этим методом получают зубья колес 9 —10-й степеней точности.

Холодное накатывание применяется для изготовления мелкомодульных зубчатых колес или как калибровочная операция колес средних модулей, накатанных в горячем состоянии. После холодного накатывания получают точ­ность, соответствующую 7 —8-й степеням.

К зубоотделочным процессам относятся: шевингование, обкатка, шлифование, притирка и зубохонингование. Самым совершенным методом отделки стальных незака­ленных прямозубых и косозубых цилиндрических колес, а также колес из цветных металлов и их сплавов являет­ся шевингование.

Шевингование выполняется дисковыми или рееч­ными шеверами. Наиболее часто применяют шевингова­ние дисковым шевером (рис. 18.55, а), представляющим собой режущее колесо, имеющее точные размеры, кото­рое, находясь в зацеплении с заготовкой обрабатываемо­го колеса, вращается. Заготовка колеса также вращается и медленно перемещается вдоль своей оси с подачей S_np. Кроме того, для исправления биения начальной окружно­сти заготовка колеса получает радиальную подачу. На­правление вращения пары инструмент — заготовка через определенный период времени изменяется. Для обработ­ки прямозубых колес применяют косозубые шевера, бо­ковые поверхности зубьев которых имеют мелкие канав­ки (рис. 18.55,6). Благодаря таким канавкам зубья Севера, перемещаясь по боковым поверхностям обра­батываемых зубьев со скоростью v, срезают тонкую во­лосовидную стружку.

Шевингование повышает точность колес до 5 —6-й степеней и уменьшает шероховатость.

Процесс шевингования осуществляется на шевинговальных станках с применением смазывающе-охлаждающей жидкости, чаще сульфофрезола. Специальными ди­сковыми шеверами, имеющими боковую поверхность бочкообразной формы, можно обрабатывать колеса вну­треннего зацепления.

Обкатка зубчатых колес, как процесс, связанный с пластической деформацией, состоит в том, что незака­ленная заготовка колеса вращается в плотном зацепле­нии с тремя эталонными колесами, изготовленными из легированных инструментальных сталей и имеющими большую твердость благодаря термообработке. Под воз­действием силы обкатывания происходит срез и смятие микронеровностей. Специальных припусков на обкатку не оставляют.

Обкатка значительно снижает шероховатость поверх­ностей зубьев. Благодаря наклепу значительно повы­шается поверхностная твердость зубьев. Применение об­катки целесообразно назначать для колес малых моду­лей.

Шлифование назначают для получения высокой точности и малой шероховатости зубьев закаленных колес.

Шлифование выполняется по методу копирования и методу обката. При методе копирования (рис. 18.55, в) шлифовальный круг профилируется по форме впадины зубьев колеса. Круг 1 вращается и совершает возвратно-поступательное движение с подачей S_np вдоль оси заго­товки 2. После окончания шлифования первой впадины заготовку поворачивают на угловой шаг 1/z, где z — чис­ло зубьев, и шлифуют вторую впадину и т. д. Шлифова­ние по методу обката осуществляется двумя шлифо­вальными кругами, рабочие торцы которых расположены на разноименных сторонах профилей зубьев. Шлифуемо­му колесу придается сложное движение: качательное и возвратно-поступательное. После шлифования каждых двух боковых поверхностей зубьев заготовку колеса по­ворачивают на 1/z часть окружности.

Шлифование по методу копирования можно выпол­нять на плоскошлифовальном станке, а по методу об­ката — на специальных зубошлифовальных стайках.

Притирка проводится для колес ответственных передач. Она обеспечивает высокую производительность, резко снижает шероховатость, доводя поверхности зубь­ев до зеркального блеска, тем самым повышая долговеч­ность работы колеса, уменьшая шум передачи.

Притир (рис. 18.55, г) вращается со скоростью ν_n и со­вершает возвратно-поступательное перемещение с пода­чей S_np вдоль оси обрабатываемого колеса, которое вра­щается со скоростью v_заГ. Притирка применяется для обработки как закаленных стальных колес, так и незака­ленных и изготовленных из других материалов. Ее целе­сообразно производить лишь при наличии малых припу­сков (до 0,04 — 0,05 мм), так как при больших припусках метод становится экономически неоправданным из-за длительности процесса. После притирки точность колеса повышается, шероховатость резко уменьшается.

В качестве притиров применяют зубчатые колеса с тем же модулем, но с уменьшенными по толщине зубь­ями, изготовленными из более мягкого материала, чем обрабатываемое колесо. Например, для притирки стальных колес притиры делают из мелкозернистого чу­гуна. На участок притираемой поверхности обильно по­дается абразивная смесь (масло со взвешенными абра­зивными зернами) или пасты.

Одновременно в зацеплении с обрабатываемым коле­сом может находиться один или три притира.

Зубохонингование проводится по кинематиче­ской схеме, принятой для шевингования. Отличие со­стоит лишь в том, что при зубохонинговании направле­ние вращения инструмента и заготовки изменяется при каждом двойном ходе заготовки. В качестве инструмента здесь применяют хон - зубчатое колесо, рабочая часть которого изготовлена из абразивного материала и связки (эпоксидной смолы). Плотное зацепление пары на зубо-хонинговальном станке обеспечивается лружицой или пневматическим приспособлением.

Зубохонингованием обрабатывают стальные зака­ленные и незакаленные цилиндрические колеса с прямы­ми и косыми зубьями для снижения шероховатости, по­вышения точности некоторых их параметров. Этот процесс может выполняться после шевингования колес вместо притирки. Припуск на зубохонингование соста­вляет 0,02 — 0,04 мм по толщине зуба. Зубохонингование применяют в крупносерийном и массовом производ­ствах.

Конические зубчатые колеса с прямыми зубьями на­резают по методу обката двумя зубострогальными резцами на зубострогальных станках, например, моделей 5А25О, 5282 и др. В этом случае заготовку конического колеса обкатывают по воображаемой плоской кониче­ской шестерне. Резцы, имеющие профиль впадины зуба воображаемого колеса, совершают возвратно-поступа­тельное движение, обрабатывая один зуб. Для нарезания следующего зуба заготовка отводится от резцов в исход­ное положение и вместе со шпинделем совершает дели­тельный процесс, т. е. поворот на угловой шаг (1/z, где z — число зубьев колеса). Таким образом нарезаются все зубья колеса.

В связи с тем что процесс зубострогания малопрои­зводителен, его применяют лишь для чистовой операции. Предварительное нарезание обычно выполняют дисковы­ми зуборезными фрезами по методу копирования. Экспе­риментальный научно-исследовательский институт ме­таллорежущих станков (ЭНИМС) разработал также способ нарезания прямозубых колес парными дисковыми зуборезными головками (праворежущей и леворежущей).

Конические колеса с косыми и круговыми зубьями, имеющими криволинейный профиль, описанный по окружности, нарезают по методу обката резцовыми го­ловками и (редко) специальными коническими червячны­ми фрезами. Конструкция конических червячных фрез весьма сложна, а их изготовление трудоемко.

Червячные колеса нарезают специальными червячны­ми фрезами по двум методам: 1) с радиальной подачей, 2) с тангенциальной подачей.

Метод радиальной подачи обеспечивает бо­лее высокую производительность труда. Однако более точное профилирование достигается при нарезании зубь­ев с тангенциальной подачей фрезы и оно на­значается для чистовой операции. Червячные фрезы, ра­ботающие с тангенциальной подачей, имеют заборный конус длиной 2,5 — 3 шага витка фрезы.

Червячные фрезы для нарезания червячных колес дол­жны соответствовать размерам червяка, который будет сопрягаться с нарезаемым колесом. Чистовая обработка червячных колес осуществляется обычно червячными шеверами.