3.8.4. Накатывание зубьев
Накатывание зубьев основано на пластическом деформировании материал заготовки. Метод накатывания высокопроизводителен и может использовать» как для предварительного зубообразования, так и окончательного.
На практике используют несколько схем накатывания зубьев (рис. 3.249).
При обработке по схеме на рис. 3.249, а используют накатники, имеющие заборную часть. В начале накатывания они входят в зацепление с делительным колесом и по мере образования зубьев на заготовках приводятся во вращение этими зубьями. Для получения более точного профиля зубьев накатывание ведется с периодическим реверсированием вращения. Обработка по схеме, показанной не рис. 3.249, в, выполняется двумя плашками, между которыми прокатывается заготовка. Верхняя подвижная плашка в процессе раскатывания опускается вниз до получения требуемого размера. При холодном накатывании достигается высокая точность изготовления зубьев колес.
Горячее накатывание колес с модулем до 5 мм выполняют как с продольной подачей (рис. 3.249, а), так и с поперечной (рис. 3.249, б). При горячем накатывании заготовку нагревают индукционным способом до 1100... 1200 °С .
3.8.5. Закругление торцовых поверхностей зубьев, снятие фасок и заусенцев
Закругление торцовых поверхностей зубьев выполняют для облегчения переключения зубчатых колес, которые по роду работы должны входить в зацепление или выходить из зацепления (например, в коробках передач). Зубья таких колес закругляют по торцам на специальных зубозакругляющих станках пальцевыми фрезами (рис. 3.250).
Зубчатое колесо и фреза при обработке вращаются (движения А и В). Фрезе сообщается также возвратно-поступательное движение Б, причем за каждый двойной ход фрезы зубчатое колесо поворачивается на один зуб и фреза входит в следующую впадину между зубьями.
Рис. 3.249. Схемы накатывания зубчатых колес
Рис. 3.250. Закругление зубьев зубчатых колес
Рис. 3.251. Снятие фасок и заусенцев
Снятие фасок и заусенцев с кромок зубьев может выполняться по схемам, показанным на рис. 3.251. В первом случае (рис. 3.251, а) используют специальный обкатной инструмент, синхронно вращающийся относительно заготовки и совершающий возвратно-поступательное движение. Режущие кромки на вершинах зубьев инструмента формируют фаски и удаляют заусенцы. Во втором случае (рис. 3.251, б) используют специальные профилированные резцы, качательное движение которых обеспечивает перемещение их режущих кромок по торцам зубьев заготовки.
3.8.6. Шлифование зубчатых колес
Шлифование зубьев зубчатых колес применяется главным образом при производстве точных зубчатых колес, обработке профилей инструмента для шевингования, долбяков, эталонных зубчатых колес, а также заготовок, подвергнутых термической или химико-термической обработке.
Шлифование может проводиться методами копирования и обкатывания. Обработка методом копирования (профильное зубошлифование) более производительна, чем методом обкатывания, однако уступает в точности вследствие неравномерного износа и погрешностей профильной правки круга.
Главными особенностями метода профильного зубошлифования, отличающими его от метода обката, являются:
• простая кинематика процесса, реализуемая в жесткой конструкции станков; высокий уровень автоматизации процесса; возможность высокоскоростной силовой обработки, включая глубинное шлифование из целой заготовки;
• высокая производительность обработки; из-за большой поверхности контакта круга с обрабатываемой поверхностью в единицу машинного времени удаляется больший объем металла; процесс требует больших усилий резания, а следовательно, и большой мощности привода шлифовального круга;
• геометрия шлифовального круга жестко привязана к геометрии обрабатываемой детали;
• возможность обработки зубчатых колес с неэвольвентным профилем, например с зацеплением M.JI. Новикова;
• возможность обработки зубчатых колес внутреннего зацепления.
Рис. 3.252. Схемы шлифования зубчатых колес профильными кругами: а — дисковым; б — широким
Профильное зубошлифование методом, показанным на рис. 3.252, а, выполняется кругом, профиль которого соответствует профилю впадины между зубьями. Вращающийся шлифовальный круг перемещается в направлении линии зуба. При этом могут шлифоваться только боковые поверхности или полностью впадина зубьев, включая переходную кривую и дно. Заготовка, закрепленная на оправке, совершает возвратно-поступательное движение вдоль оси и после каждого двойного хода поворачивается для обработки следующего зуба. Припуск, составляющий 0,1...0,2 мм, снимается за 3-4 прохода шлифовального круга. Этим методом обрабатывают зубчатые колеса как наружного, так и внутреннего зацепления (рис. 3.253).
Рис. 3.253. Рабочие зоны станков для профильного шлифования зубьев с наружным (а) и внутренним (б) зацеплениями
Рис. 3.254. Правка круга алмазным роликом (а — схема, б — общий вид)
Периодическая правка шлифовального круга производится алмазом или алмазным роликом (рис. 3.254) на копирном устройстве (на современных станках эту функцию выполняет ЧПУ), обеспечивая эвольвентный или другой профиль рабочей части круга.
В настоящее время широкое применение получило высокоскоростное шлифование кругами из кубического нитрида бора (рис. 3.255). Такие круги не требуют правки. Корпус круга выполняют из термостойкой стали, а его рабочие поверхности покрывают в один слой зернами кубического нитрида бора. В качестве связки используют гальванический никель. Погрешность рабочих профилей круга после покрытия не превышает 2...3 мкм, что позволяет обрабатывать зубчатые колеса особо высокой точности. Высокая точность кругов достигается за счет использования зерен кубического нитрида бора одного размера и технологии их закрепления. По истечении установленного срока службы покрытие может регенерироваться. Эта операция повторяется до 20 раз и более.
Рис. 3.255. Рабочая зона станка для высокоскоростного шлифования зубчатых колес профильными кругами из кубического нитрида бора (а) и контроль зубчатого колеса непосредственно на станке (б)
Дополнительно станки оснащают измерительной системой, которая позволяет контролировать форму профилей, направление зубьев, отклонение и накопленную погрешность окружных шагов, толщину зубьев. Интегрирование измерительной в общую систему управления правкой и шлифованием позволило полностью автоматизировать цикл обработки, включающий такую последовательность операций:
1) ввод исходных данных с чертежа детали, включая все виды модификации профиля и линии зубьев;
2) генерирование программы ориентации детали с учетом деления припуска, правки круга, измерения и шлифования;
3) первую правку круга;
4) шлифование первой впадины;
5) измерение профиля и линии зуба;
6) сравнение реальных профилей и линий зубьев с заданными;
7) повторную правку круга с корректурой и корректировкой движений, определяющих линию зубьев (если требуется);
8) шлифование всех оставшихся зубьев;
9) окончательный контроль детали с распечаткой результатов.
Совмещение процессов шлифования и измерения детали позволяет существенно повысить эффективность зубошлифования, снизить затраты на изготовление и контроль деталей за счет повышения коэффициента загрузки станка и сокращения времени его простоя, связанное с техническим контролем детали.
При шлифовании прямозубых колес круг просто перемещается вдоль оси колеса. При обработке косозубых колес осевое перемещение круга синхронно связано с поворотом заготовки вокруг оси для образования линии наклона зубьев. На рис. 3.256 приведена схема расположения осей и направление движения круга и заготовки для профильного зубошлифования при горизонтальном положении оси заготовки. По оси А происходит поворот (деление) при переходе от зуба к зубу. Вдоль оси Y выполняется радиальная подача на врезание, служащая хтя обеспечения размера зуба по толщине и в комбинации с движением круга по оси модификации по линии зубьев. Поворот относительно оси В требуется для разворота круга при обработке косозубых колес. Перемещения по осям V и W используются для 2-координатного механизма автоматической правки круга.
Рис. 3.256. Схема расположения осей при профильном зубошлифовании
Метод, показанный на рис. 3.252, б, целесообразно использовать при глубинном шлифовании с непрерывной правкой круга алмазным роликом. Как и в предыдущем случае, для обработки следующего зуба требуется периодический поворот заготовки (движение деления D). Поворот может производиться сразу на несколько зубьев, а обработка выполняться за 2-3 прохода, что существенно увеличивает производительность. Обычно эта схема используется для предварительного шлифования. Она позволяет шлифовать зубчатые венцы без предварительной нарезки лезвийным инструментом.
Реализация такого способа зубошлифования стала возможной в связи с появлением станков жесткой конструкции с мощным приводом шлифовального круга и созданием шлифовальных кругов, позволяющих реализовать данный способ.
Одним из путей эффективного применения глубинного шлифования является исключение из технологического процесса операций зубофрезерования и зу-бодолбления, что позволяет отказаться от использования дорогостоящих станков, исключить затраты по проектированию, изготовлению и заточке сложного и дорогостоящего зуборезного инструмента.
Метод глубинного зубошлифования имеет большую перспективу в производстве зубчатых колес ГТД, в частности из-за возможности обеспечения низкой шероховатости впадин зубьев, труднодостижимой при зубофрезеровании зубчатых колес с выкруткой червячными фрезами с протуберанцем.
На практике применяют несколько методов шлифования обкатыванием. На рис. 3.257 приведена схема шлифования конусным кругом, имитирующим отдельный зуб рейки реечного зацепления. При шлифовании заготовка совершает движение обкатки, состоящее из двух синхронизированных: поворота вокруг своей оси и поступательного перемещения относительно производящей рейки, зубом которой служит шлифовальный круг. При этом круг совершает возвратнопоступательное движение вдоль линии обрабатываемого зуба. За проход круга обрабатывается одна впадина, а для обработки следующей впадины необходим дополнительный доворот заготовки. Для полной обработки зубчатого колеса требуется множество проходов. В зависимости от профиля круга и его расположения относительно заготовки одновременно могут обрабатываться одна или две стороны впадины зуба. При одностороннем шлифовании круг вводится во впадину с зазором, что расширяет возможности по получению коррегированных зубьев, в том числе с различным профилем правой и левой стороны. Двухстороннее шлифование примерно в два раза более производительно, но точность обработки ниже.
Рис. 3.257. Схема шлифования зубчатых колес конусным кругом: а — односторонняя обработка; б — вид следов обработки; в — двухсторонняя обработка
При шлифовании зубьев косозубого колеса салазки направляющих шлифовального круга разворачивают на соответствующий угол наклона зубьев.
Современные станки для шлифования конусным кругом оснащены устройствами ЧПУ, которые обеспечивают автоматизацию шлифования и правки круга, динамическую балансировку шлифовального круга, его центрирование во впадине зуба, контроль параметров зацепления непосредственно на станке. Правка круга по рабочим поверхностям осуществляется системой трех алмазных карандашей.
Шлифование зубчатых колес может выполняться тарельчатыми кругами по схемам, показанным на рис. 3.258. Два тарельчатых круга устанавливают с наклоном к вертикальной плоскости под углом αш = 15 и 20° (рис. 3.258, а) или параллельно друг другу с αш, = 0 (рис. 3.258, б).
Шлифование обеспечивается следующей совокупностью взаимосвязанных движений:
• резанием (вращением шлифовального круга относительно своей оси);
• обкаткой (имитацией качения зубчатого колеса по производящей рейке);
• осевым перемещением заготовки относительно шлифовального круга (вдоль линии зуба).
Рис. 3.258. Схема установки тарельчатых шлифовальных кругов при обработке зубчатых колес:
а — αш, = 15° (15- или 20-градусное шлифование); б — αш = 0 (нулевой способ шлифования)
Рис. 3.259. Схема обработки зубьев червячным шлифовальным кругом
Основным преимуществом шлифования тарельчатыми кругами является высокая точность обработки, связанная с малой площадью контакта круга с обрабатываемой поверхностью и низкое тепловыделение (вероятность образования прижогов). К недостаткам данной схемы относят низкую производительность, сложность автоматизации и низкую универсальность (для каждого типоразмера зубчатого колеса необходима специальная сложная настройка).
В производстве зубчатых колес ГТД широко используют зубошлифование червячными абразивными кругами. Кинематика процесса приведена на рис. 3.259. Она практически не отличается от обработки червячными фрезами.
Основным движением станка, определяющим точность обработки деталей, является согласованное вращение шлифовального круга и обрабатываемого колеса. В современных станках это движение обеспечивается электронной коробкой обката, позволяющей получать зубчатые колеса высокой точности по кинематическим показателям. Круг совершает возвратно-поступательное движение (осевая подача) вдоль линии зуба. Во время цикла шлифования после прохождения верхней и нижней крайних точек кругу задается прерывистая радиальная подача. Этот стандартный процесс маятникового шлифования повторяете.! до тех пор, пока сохраняются режущие свойства и точность профиля инструмента. Период стойкости инструмента определяется эмпирически. По завершении этого периода производится тангенциальный сдвиг (шифтинговый ход), позволяющий ввести в работу новый виток червячного шлифовального круга.
На рис. 3.260 приведены рабочие зоны зубошлифовальных станков. В конструкциях современных станков предусмотрено автоматическое выполнение шифтингового хода в цикле шлифования. В процессе чернового шлифования за счет участия в работе новых неизношенных витков круга увеличивается его стойкость. Дополнительный сдвиг круга на неизношенный виток при чистовом шлифовании обеспечивает точность обработки.
Рис. 3.260. Рабочая зоны зубошлифовальных станков с вертикальной (а) и горизонтальной (б) компановкой
В качестве инструмента обычно используют круги из электрокорунда на керамической связке. Предварительное профилирование кругов выполняют на специализированных станках, а окончательную правку — непосредственно на зубошлифовальном станке.
При шлифовании зубчатых колес средних размеров используют круги диаметром 160...200 шириной до 160 мм.
Оснащение станков современными системами ЧПУ позволило при высокой точности обработки повысить производительность и сократить время на наладку и подналадку. Ввод исходных данных для обработки может осуществляться в диалоговом режиме через меню. Причем, используя внутреннюю программу моделирования процесса, компьютер станка выдает предложения по параметрам обработки, которые могут быть скорректированы оператором. Оптимизированные параметры шлифования заносят в память компьютера станка или другого PC высшего уровня (при необходимости они легко доступны).
Станок модели TAG 400 CNS совместной разработки фирм GLEASON и ОКАМОТО 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.
Станок снабжен 2-координатной системой контурной правки круга. Контурная правка круга, схема которой показана на рис. 3.261, выполняется одним алмазным правящим роликом по заданной программе. Применение контурной правки открывает широкие возможности модификации профилей зубьев без жесткой привязки к геометрии инструмента. Это особенно важно для производства зубчатых колес ГТД на стадии отработки конструкции, когда значение и форма модификации профилей еще не определены.
Рис. 3.261. Схема контурной правки червячного шлифовального круга
Рис. 3.262. Шлифование конического зубчатого колеса с круговыми зубьями
Станок оснащен высокоточной интегрированной системой автоматической динамической балансировки круга, не требующей предварительной балансировки вне станка. Система постоянно отслеживает дисбаланс круга и автоматически его устраняет. Высокий уровень балансировки круга стабильно обеспечивает погрешность профилей зубьев в пределах 4-й степени точности по ОСТ1 41671-91.
Шлифование зубьев конических колес с круговой формой — наиболее сложная и ответственная операция их изготовления. Оно производится шлифовальным кругом, на торце которого находится рабочая часть с концентрическим элементом трапецеидального сечения (рис. 3.262).
По кинематике процесс шлифования аналогичен обработке зубьев резцовой головкой с имитацией зацепления производящего плоского колеса с коническим. На рис. 3.263 показана рабочая зона станка для шлифования колес с круговым зубом.
Рис. 3.263. Рабочая зона станка для шлифования конических колес с круговым зубом