Современные технологии производства зубчатых колес средних модулей

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРТСВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "МОСКОВСКОЕ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЕ ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "САЛЮТ".

	ИНСТИТУТ ЦЕЛЕВОЙ ПОДГОТОВКИ СПЕЦИАЛИСТОВ.

	

	

	

	

	РЕФЕРАТ

	на тему:

	"Современные технологии производства

	зубчатых колес средних модулей"

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	

	МОСКВА 2005 год.

	
1.Типовые технологические маршруты изготовления зубчатых колес



Многолетний опыт серийного производства и эксплуатации зубчатых передач показал большое влияние технологических факторов на динамику, виброактивность, ресурс и надежность работы передач. Технология производства “бесшумных“ передач повышенного ресурса эксплуатации должна обеспечивать:

-высокую точность изготовления базовых поверхностей и всех элементов зацепления;

-высокое качество химико-термического упрочнения рабочих поверхностей зубчатых колес;

-оптимальную модификацию рабочих поверхностей зубьев, обеспечивающую снижение динамических нагрузок и вибраций в зацеплении и исключающую заедание зубьев в работе зубчатых пар;

- низкую шероховатость рабочих поверхностей зубьев;

- снижение затрат на изготовление зубчатых колес.

Сложность поставленных перед технологией производства зубчатых колес задач требует комплексного подхода к их решению, основой которого является разработка базовых технологических процессов механической и химико-термической обработки, оснащение производства высокоточным и производительным оборудованием, современными комплексами вычислительной техники и программными продуктами.

Разработка технологического процесса изготовления зубчатых колес начинается и ведется параллельно с разработкой конструкции зубчатой передачи, при этом определяется возможность их изготовления в условиях конкретного серийного производства. Технологический процесс  (маршрут), устанавливающий последовательность выполнения операций обработки, строится в зависимости от многих конструктивно - технологических особенностей зубчатого колеса, определяющей из которых является выбор вида химико-термического упрочнения его рабочих поверхностей.

Для зубчатых колес совершенно справедливо утверждение о том, что уровень их долговечности и надежности заложен в качестве поверхностного слоя зубьев. Оно должно быть высоким, чтобы в условиях действия больших контактных напряжений, сил трения и контактных температур противостоять повреждению рабочих поверхностей зубьев и их усталостному разрушению (поломке).

Качество поверхностного слоя зубьев оценивают комплексом характеристик: химическим и фазовым составом, макро-, микро-, субструктурой, распределением твердости , величиной, знаком и распределением остаточных напряжений и др. Совокупность этих характеристик определяет уровень несущей способности зубчатой передачи, сопротивление контактной усталости , знакопеременному изгибу, изнашиванию и заеданию. Каждый из указанных критериев работоспособности зависит от воздействия на поверхностный слой зубьев комплекса технологических и металлургических факторов.

В современном производстве зубчатых колес преимущественно применяется технологический процесс с цементацией рабочих поверхностей колес. В этом случае технологический процесс изготовления включает в себя следующие основные операции:

- получение заготовки;

- черновая обработка заготовки;

- нормализация (для снятия внутренних напряжений в заготовке и улучшения структуры материала);

-предварительная обработка поверхностей, обрабатываемых окончательно после химико-термического упрочнения;

- обработка базовых поверхностей под нарезание зубьев;

- нарезание зубьев;

- обработка торцовых и продольных кромок зубьев;

- цементация;

- обработка не цементируемых поверхностей, снятие напусков с поверхностей, не требующих химико - термического упрочнения ;

- закалка и отпуск;

- восстановление баз под окончательную обработку;

 - окончательная обработка посадочных поверхностей;

- отделка зубьев (зубошлифование, зубохонингование, зубопритирка);

- окончательный контроль. 

Как правило, конструкцией зубчатых колес предусматривается цементация только зубчатых венцов и посадочных мест под подшипники, следовательно, остальные поверхности колеса должны быть защищены от цементации. Защита от цементации выполняется или ‘’напусками‘’ (припусками, превышающими по толщине глубину цементируемого слоя), или гальваническим меднением. Рассмотренный технологический процесс имеет ряд недостатков, главный из которых - значительные и нестабильные деформации и усадки заготовок. Это значительно усложняет, а в отдельных случаях делает невозможным расчет размерных цепей с обеспечением гарантированных припусков для дальнейшей обработки.




2. Заготовки



2.1 Роль технологических факторов в повышении эксплуатационных свойств зубчатых передач



Технологический процесс изготовления зубчатых колес является многооперационным. Операции горячей пластической деформации и механической обработки сочетаются с операциями термической обработки заготовок и химико-термической обработки деталей. 

Работоспособность зубчатых колес в значительной степени зависит от правильного выбора геометрии зацепления (формы и величины модификации рабочих поверхностей зубьев), точности изготовления и качества поверхностного слоя зубьев. Эксплуатационные свойства зависят от воздействия на поверхностный слой зубьев комплекса технологических и металлургических факторов, которые тесно взаимодействуют между собой. 

Для совершенствования производства зубчатых колес требуется разработка единой системы управления процессом изготовления деталей, затрудняющей проявление отрицательных факторов технологической системы обработки (технологической наследственности). Основу этой системы должно составлять управление качеством обработки на последовательно выполняемых технологических операциях механической, химико-термической и финишной обработки.

Радикальным средством улучшения качества зубчатых колес и повышения их эксплуатационных характеристик является применение технологий высокого уровня практически во всей технологической цепи изготовления деталей. К таким технологиям в первую очередь следует отнести: 

ионную химико-термическую обработку, включающую процессы ионной цементации, нитроцементации и азотирования;

- высокопроизводительную механическую обработку лезвийным инструментом, включая обработку поверхностей с твердостью HRC ~60;

высокоэффективные методы глубинного шлифования, включая шлифование зубьев из целой заготовки ; 

высокопроизводительный метод финишной обработки зубьев – зубохонингование, обеспечивающий после мало деформационной вакуумной (ионной) химико-термической обработки восстановление точности и высокое качество упрочненной поверхности зубьев колес. 



2.2 Химико-термическая обработка 



Главным звеном технологического процесса, наибольшим образом определяющим качество изготовления зубчатых колес, является химико-термическая обработка. Она определяет уровень и качество упрочнения деталей, а также степень их деформации ,что, в свою очередь, определяет трудоемкость последующей финишной обработки. Цементации принадлежит центральное место среди способов химико-термического упрочнения зубчатых колес. Ее главное достоинство-возможность формирования диффузионных слоев высокой несущей способности. Наиболее эффективным процессом цементации является ионная цементация, что обусловлено преимуществами ионизированной атмосферы и совершенством применяемого технологического оборудования. К технологическим преимуществам вакуумной (ионной) цементации следует отнести высокую равномерность науглероживания, отсутствие внешнего и внутреннего окисления, уменьшение коробления деталей. Наиболее совершенным оборудованием для реализации указанного процесса являются полностью автоматизированные установки, производимые фирмой IPSEN (Германия). Им свойственна экологическая чистота из-за отсутствия нагрева окружающей среды и ничтожно малого выброса отработанных газов. 



	
2.3 Механическая обработка заготовок 

	

	Современные достижения в области комплексной механической обработке заготовок зубчатых колес демонстрирует фирма BOEHRINGER , создавшая новую гамму токарных станков серии NG. предназначенных для крупно- и мелкосерийного производства. Модульная конструкция станков позволяет пользователю выбирать конфигурацию станка в зависимости от решаемых задач. Высокая жесткость станков в сочетании с высокой точностью обработки позволяет осуществлять наряду с традиционной обработкой обработку закаленных в том числе и прерывных поверхностей деталей. Такая обработка, естественно, требует применения специального инструмента.

Нарезание зубчатых венцов. Фрезерование зубьев зубчатых колес внешнего зацепления является наиболее распростравненной операцией предворительного формирования поверхностей зубьев под последующие операции шевингования, химико-термического упрочнения, шлифования зубьев.

Современные станки для фрезерования зубчатых колес отличаются высокой точностью и жесткостью конструкции, что позволяет обеспечивать высокоскоростную обработку зубчатых венцов с использванием инструметов из быстрорежущих сталей и твердых сплавов. Наиболее совершенные станки на мировом рынке представляет фирма PFAUTER ( Германия). Оригинальная конструкция станин станков этой фирмы в сочетании с системой циркуляции охлаждающей жидкости, обеспечивает внутреннюю термостабилизацию деталей и узлов станков и позволяет обеспечивать высокую точность обработки без термоконстатирования цехов.

Зубофрезерные станки фирмы PFAUTER выпускаются в двух компоновках: горизонтальные и вертикальные. Технические характеристики станков даны в таблице 1. 

Зубодолбление нашло исключительное применение при нарезании зубчатых колес и шлиц внутреннего зацепления , а также при обработке блочных колес и “закрытых” венцов, т.е. венцов при обработке которых не обеспечивается свободный выход инструмента из зоны обработки. Современные конструкции зубодолбежных станков включают в себя большое количество ( до 8-ми ) управляемых от ЧПУ осей для обеспечения производительной работы, сокращения времени на переналадку и решения различных технологических задач зубообработки, например , нарезание двух и более взаимно ориентированных венцов. Наиболее совершенные зубодолбежные станки выпускаются фирмами PFAUTER и LORENZ (Германия). Технические характеристики станкав приведены в таблице 2. 



Таблица 1.

Вертикальные зубофрезерные станки

модель

диаметр обработки,

мм.

максимальный модуль,мм

длина фрезерования,

мм

Р120

90/120

3,0

250/400

Р200

200

3,0/5,0

250/400

Горизонтальные зубофрезерные станки

Р100

90

3,0

100

Р210

210/250

3,0

100



Таблица 2.

Зубодолбежные станки фирмы PFAUTER

модель

диаметр обработки,

мм.

максимальный модуль,мм

Ширина венца,

мм

РSA-150

150

4.0

100

РSA-300

300

6.0

130

Зубодолбежные станки фирмы LORENZ

LFS 182

180

6.0

87

LFS 282

280

6.0

87



Шлифование зубьев цилиндрических зубчатых колес. Зубошлифование является в большинстве случаев операцией финишной зубообработки, на которой формируется окончательная геометрия и точность боковых поверхностей зубьев. Как правило, зубошлифование выполняется после упрочняющей химико-термической обработки, что предъявляет высокие требования к качеству поверхностного слоя. На сегодня наиболее эффективным методом шлифования зубчатых колес является профильное шлифование с использованием высокопористых шлифовальных кругов. Наиболее совершенные станки для профильного зубошлифования правящимися шлифовальными кругами выпускают фирмы PFAUTER и OERLIKON. Модели станков и краткие технические характеристики станков приведены в таблице 3.



Таблица 3.

Зубошлифовальные станки фирмы PFAUTER

модель

диаметр обработки,

мм.

максимальный модуль,мм

Ширина венца,

мм

Р 400 G

400

12.0

400

Р 600 G

600

20.0

600

Зубошлифовальные станки фирмы OERLIKON

OPAL 50

520

16.0

630

OPAL 80

1000

16.0

630



2.4 Хонингование зубьев 



Технологический процесс зубохонингования нашел широкое применение в производстве зубчатых колес. Например, в авиационной промышленности он используется как суперфинишный процесс обработки после операции зубошлифования. В автомобильной промышленности этот процесс используется как финишный после химико-термической обработки, для устранения термических поводок деталей. Однако в этом случае, процессу ХТО предшествует операция зубошевингования. 

Фирмой HURTH (Германия) разработан процесс сферического зубохонингования, реализованный в станке модели ZH 250 CNC, который позволяет исправлять значительные погрешности зубонарезания и ХТО. В настоящее время этот процесс успешно используется рядом западных фирм в серийном производстве зубчатых колес автомобильных коробок передач в качестве финишного процесса обработки, которому предшествуют операции зубонарезания и ХТО.



2.5 Нарезание конических зубчатых колес 



Конические зубчатые колеса с круговой формой зубьев являются наиболее сложным видом зубчатого зацепления, Нарезание 345ары колес чаще всего производится специальными зуборезными головками по схеме: колесо- двусторонним методом, шестерня – односторонним . Появление станков с ЧПУ (в частности 6-ти координатные станки фирмы GLEASON серии PHOENIX) позволяет обеспечивать обработку пары колес двусторонним методом. Отличительной особенностью данных станков является высококачественное программное обеспечение, позволяющее осуществлять быструю наладку и переналадку станков. Наиболее известный из этой серии является станок модели PHOENIX 175 HC, обеспечивающий обработку деталей с диаметром до 216мм. и модулем до 12.7 мм.

Шлифование конических зубчатых колес с круговыми зубьями. Шлифование зубьев конических зубчатых колес с круговой формой зубьев является наиболее сложной и ответственной операцией , требующей высокой квалификации оператора. Поэтому развитие зубошлифовальных станков шло в направлении достижения полной автоматизации цикла обработки , обеспечения быстрой наладки и переналадки станков. Высшим уровнем автоматизации процесса шлифования является создание локальной сети, включающую в себя расчетную станцию, станок и координатно-измерительную машину. Это позволяет производить автоматическую подналадку станков по результатам контроля поверхностей зубьев. Зубошлифовальные станки выпускаются фирмами GLEASON и KLINGELNBERG. Краткие технические характеристики приведены в таблице 4. 



Таблица 4.

Зубошлифовальные станки фирмы GLEASON

модель

диаметр обработки,

мм.

максимальный модуль,мм

Ширина венца,

мм

200 G

215.9

10.0

40

 450 G

450

16.0

66

Зубошлифовальные станки фирмы KLINGELNBERG

 G 20

200

8.0

-

G 30

300

8.0

-



Следует отметить важную конструктивную особенность станка модели G 30: наличие двух независимо управляемых шлифовальных шпинделей и механизмов осциллирования шлифовальных шпинделей в двух плоскостях. 

Первое отличие создает преимущества при использовании станка в условиях мелкосерийного или единичного производства. Второе – обеспечивает высокую производительность обработки зубьев из целого материала методом глубинного шлифования. 



2.6 Притирка зубьев конических колес 



Процесс притирки зубьев конических колес после ХТО является достаточно распространенным в автомобильной промышленности. Правильно осуществляемый процесс притирки может обеспечить высокое качество конических пар в обеспечении эксплуатационных ( в том числе и шумовых) характеристик передачи. Однако, предпосылками к этому должно являться обеспечение высокого качества на операциях предшествующей обработки (зубонарезание и ХТО). Наиболее совершенным процессом притирки зубчатых пар является процесс “ турбо-притирки “. Разработанный фирмой GLEASON и реализуемый на станке модели PHOENIX 600HTL CNC. 



2.7 Контроль зубчатых колес 



Сложность геометрической формы поверхностей зубьев и требование высокой точности ее обеспечения в производстве определяет сложность методов измерения параметров зубчатых колес. Узкоспециализированные приборы уступили место высокоточным многокоординатным измерительным машинам (специализированным иуниверсальным). Из специализированных измерительных машин следует в первую очередь отметить измерительные центры фирмы KLINGELNBERG. С помощью таких измерительных центров, используя соответствующее программное обеспечение, можно контролировать: цилиндрические зубчатые колеса наружного и внутреннего зацепления с прямыми и косыми зубьями; конические зубчатые колеса с прямой и круговой формой зубьев; червячные фрезы, шеверы и зуборезные долбяки; червяки и червячные колеса; 

Кроме указанных специализированных измерительных центров следует отметить недавно появившуюся на мировом рынке измерительную машину PRIMAR MX4 фирмы Mahr, которая сочетает в себе кординотно- измерительную машину, кругломер и зубоизмерительный центр. Технические характеристики указанных измерительных машин приведены в таблице 5. 



Таблица 5.

Измерительные центры фирмы KLINGELNBERG

модель

Макс. диаметр,мм.

максимальный модуль, мм

Ширина венца, мм

P 26 

260

12.0

400

 P 40 

400

15.0

400

Измерительный центр фирмы Marh

PRIMAR MX4

600

16.0

300