О формообразовании венца цилиндрического зубчатого колеса лазером

ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ

УДК 621.9.044

О ФОРМООБРАЗОВАНИИ ВЕНЦА ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ЗУБЧАТОГО КОЛЕСА ЛАЗЕРОМ

П.Н. Учаев, М.В. Райник

Предложен технологический процесс формообразования венца прямозубых цилиндрических зубчатых колес на станке для лазерной резки. Представлены основные модули программного обеспечения, позволяющего сократить подготовительный этап зубообработки и показаны результаты эксперимента изготовления зубчатого колеса применяемого в электроприводе трубопроводной арматуры по рассматриваемой технологии.

Ключевые слова: технологический процесс, лазерная обработка, зубчатое колесо,

венец.

В современных условиях конкурентоспособность машиностроительной продукции на мировом рынке определяется не только ее высокими потребительскими свойствами, но в большей степени быстротой реакции на их возможное изменение за счет освоения новых конструкций, материалов, технологий и ужесточения требований к точности и качеству изготовления.

Все более очевидной становится тенденция на непрерывное и быстрое обновление продукции с небольшими объемами выпуска при одновременном поиске путей снижения ее себестоимости. В этой связи резко возрастает потребность в мобильности и высоком технологическом уровне производства, его насыщенности прогрессивными наукоемкими технологиями для изготовления изделий лучше мировых аналогов.

Особое место в машиностроении занимают технологии обработки зубчатых колес в связи с высокой сложностью и трудоемкостью. Традиционные технологии изготовления зубчатых колес не обеспечивают высокую эффективность из-за необходимости осуществления последовательной многоэтапной зубообработки [1].

Решение задачи по сокращению технологического цикла может быть найдено только при условии создания высокоэффективных процессов зубообработки. К такому технологическому процессу можно отнести лазерную обработку цилиндрических зубчатых колес.

Недостатком предлагаемого метода формообразования зубчатого венца является ухудшающееся качество обрабатываемой поверхности при увеличении ширины венца зубчатого колеса, но при этом увеличивается

толщина поверхностной закалки (табл. 1) [2], что дает возможность использовать чистовую обработку для получения необходимой шероховатости зуба при ширине венца, превышающей 3 мм. Например, зубошлифовальная операция, позволяет получить шероховатость поверхности зуба Яа1,25... Яа2,5 при снятии припуска, ориентировочно равного 20 % от упрочненного слоя. После проведения чистовой обработки твердость и толщина поверхностного слоя соизмеримы с параметрами поверхности после ХТО.

Таблица 1

Параметры резки лазером углеродистой стали

Толщина материала, мм Яа Глубина упрочненного слоя, мм

До 3 мм 2,5 0,25

4 5 0,35

5

6 10 0,55

8 20 0,75

10 40 0,85

12

Основные технологические операции при изготовлении зубчатого венца представлены в табл. 2. В левой половине - типовой технологический маршрут, а в правой - предлагаемый, составленный на основе проведенного анализа и экспериментов. Как видно из табл. 2, при лазерном нарезании зубчатого колеса значительно сокращается число операций. Количество операций, их трудоемкость и энергоемкость, стоимость оборудования и инструмента определяют себестоимость обработки. В связи с тем, что в процессе нарезания лазерным лучом нет механического контакта заготовки и инструмента, износа инструмента не происходит. Затраты на зуборезный инструмент составляют не менее 50 % себестоимости зубооб-работки, но стоимость станка для лазерного раскроя значительно выше стоимости оборудования для обработки зубьев (зубофрезерный или зубодолбежный станки). Следовательно, если примем относительную себестоимость обработки зубчатых колес из улучшенной стали по типовой технологии за единицу, то себестоимость обработки по предлагаемой технологии при ширине зубчатого венца менее 3 мм - 0,5, а при ширине более 3 мм - 0,8, при этом, если использовать типовой технологический процесс для зубчатых колес из цементируемой или закаливаемой стали, то его себестоимость возрастет в два раза по сравнению с себестоимостью колес из улучшенной стали.

Таблица 2

Основные технологические операции при изготовлении

зубчатого венца

Типовой технологический маршрут Предлагаемый технологический маршрут

Зубчатые колеса из улучшенной стали (без закалки) Зубчатые колеса из цементируемой или закаливаемой стали Ширина зубчатых колес до 3 мм Ширина зубчатых колес выше 3 мм

Черновая обработка заготовки Черновая обработка заготовки Термическая обработка Термическая обработка

Термическая обработка (улучшение) Чистовая обработка заготовки Лазерная резка зубчатого колеса Лазерная резка зубчатого колеса

Чистовая обработка заготовки Обработка зубьев - Чистовая обработка зубьев

Обработка зубьев Термическая обработка (закалка) - -

Чистовая обработка зубьев Отделка посадочных поверхностей колеса (баз) - -

- Чистовая обработка зубьев - -

Для сокращения подготовительного этапа зубообработки было разработано программное обеспечение, состоящее из модулей (рис. 1).

Первый модуль (расчетный) позволяет производить проектировочные расчеты зубчатого колеса с дальнейшей передачей данных в пояснительную записку и в модуль построения графической модели.

Второй модуль (графический) осуществляет построение 3Б-модели зубчатого колеса по данным, переданным из предыдущего модуля, затем на основе объемной модели создается чертеж.

Третий модуль (управляющая программа), используя данные второго, строит траекторию перемещения лазерного луча в координатах X и У.

На примере зубчатого колеса девятой степени точности из стали 40Х ГОСТ4543-71 и улучшенной до 30...34НЯС с модулем т = 0,5 мм, числом зубьев 7=58 (рис. 2), применяемого в электроприводе трубопроводной арматуры, рассмотрим проведенный эксперимент. На машине лазерной для резки металла МЛ35-010ЛД было обработано рассматриваемое колесо по разработанной технологии, что позволило получить заданную геометрическую точность и повысить нагрузочную способность зубчатого

колеса. Изготовление производилось в три этапа: термическое упрочнение, лазерное нарезание зубчатого венца, слесарная обработка.

Расчетный модуль Рассчитанные значения для пояснительной записки

!!

Графический модуль Чертеж зубчатого к о лес а

Модуль управляющей Траектория ддижения

программы лазерного луча

Рис. 1. Структура программного обеспечения

На первом этапе эксперимента было произведено объемное термическое упрочнение листа стали 40Х до твердости 30 НЯС, для повышения твердости сердцевины зубчатого колеса.

На втором этапе нарезание зубьев и отверстий зубчатого колеса производилось согласованным координатным перемещением лазерного луча в осях Х и У по траектории, задаваемой от управляющей программы. Сущность данной технологической операции заключается в том, что сфокусированный лазерный луч, обеспечивающий высокую концентрацию энергии и позволяющий разрезать практически любые материалы независимо от их теплофизических свойств. В процессе резки, под воздействием лазерного луча материал разрезаемого участка плавится и выдувается струей газа. Лазерная резка отличается отсутствием механического воздействия на обрабатываемый материал, возникают минимальные деформации, как временные в процессе резки, так и остаточные после полного остывания. Вследствие этого лазерную резку можно осуществлять с высокой степенью точности, также в процессе резки происходит поверхностная закалка (термическое упрочнение лазерным лучом) основанная на локальном нагреве участка поверхности под действием излучения и последующем охлаждении этого поверхностного участка со сверх критической скоростью в результате отвода теплоты во внутренние слои металлов. В процессе проведения эксперимента было доказано, что время резанья составило три минуты, твердость обрабатываемых поверхностей составила 60 НЯС при толщине слоя 0,25 мм. Параметры упрочненной поверхности соизмеримы с параметрами, получаемыми при проведении нитроцементации: для стали 40Х твердость поверхностного слоя составляет 50.55 НЯС при этом тол-

щина равна 0,15.0,2 мм.

Рис. 2. Обрабатываемое зубчатое колесо

На третьем этапе производилась зачистная операция для притупления острых кромок и удаления грата (наплывы на нижней кромке разрезаемого материала).

В связи с тем, что при лазерном нарезании возникает поверхностное упрочнение рабочей части зубчатых колес, а как известно, передаваемый вращающий момент зубчатой передачи пропорционален квадрату допускаемого контактного напряжения Т ~ [<гН ]2, причём [<гН ] ~ ош . В свою очередь <гИт ~ Н (Н - твердость поверхности зубьев), то можно сделать вывод о том, что изготовление зубчатых венцов на станке для лазерной резки металла позволяет повысить нагрузочную способность зубчатой передачи, не применяя дополнительное традиционное поверхностное упрочнение.

Таким образом, при нарезании зубчатого колеса лазером получаем упрочненную поверхность зуба без применения дополнительной химикотермической обработки при этом повышение производительности за счет уменьшения количества операций по сравнению и типовым технологическим процессом, а так же снижение себестоимости за счет отсутствия износа инструмента. Кроме того, применение лазера при зубообработке позволяет сократить время на переналадку технологического оборудования при изменении параметров обрабатываемого зубчатого колеса.

Список литературы

1. Производство зубчатых колес: справочник / С.Н. Калашников и

др. М.: Машиностроение. 1990. 464с.

2. Электронный ресурс: URL: http://metalform.ru/services/glass/carbon steel/

Учаев Петр Николаевич, д-р техн, наук, проф., тел. (4712) 58-71-16, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет

Райник Михаил Владимирович, аспирант, RaynikM@mail.ru. Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет

ABOUT FORMING CROWN OF SPUR GEARS BY LASER P.N. Uchaev, M. V. Raynik

Technical process of forming crown of spur gears on the machine for laser cutting was offered. Mainmodules of the software that reduces preparatory stage of gear treatment was presented and the results of the experiment making tooth wheel used in electric valve actuator according to the technology were shown.

Key words: technical process, industrial laser machining, tooth wheel, ring gear.

Uchaev Peter Nikolaevich., Doctor of Science, Professor, tel. (4712) 58-71-01, Russia, Kursk, South West State University

Raynik Mikhail Vladinirovich, Graduate student, RaynikM@mail.ru. Russia, Kursk, South West State University