Прогрессивные способы чистовой обработки эвольвентной поверхности цилиндрических колес

УДК 621.83

ПРОГРЕССИВНЫЕ СПОСОБЫ ЧИСТОВОЙ ОБРАБОТКИ ЭВОЛЬВЕНТНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ КОЛЕС

А.А. Маликов, А.С. Ямников

Описаны технологические приемы и оснастка для высокопроизводительной обработки рабочих поверхностей зубчатых колес из заготовок с оформленными зубьями. Процесс шевингования-прикатывания показал повышение кинематической точности зубьев колеса на 1 степень, а плавности зацепления до 3 степеней, достигаемых за 3-4 рабочих цикла. Для отделки закаленных зубьев предложено применение электрохимической обработки с принудительным обкатом на модернизированном токарном станке.

Ключевые слова: заготовки с оформленными зубьями, отделочная обработка, точность, эвольвента, принудительная кинематическая связь.

Одним из перспективных направлений развития технологии машиностроения является использование заготовок, максимально приближенных по форме и размерам к готовой детали. Для заготовок зубчатых колес обычно используют заготовки номинально цилиндрической формы с необходимыми штамповочными или литейными уклонами.

Опыт показывает, что штампованные заготовки должны иметь точность зубчатого венца порядка 9-й степени точности [1-3]. В Германии используется инструмент для изготовления цилиндрических зубчатых колес методом горячей штамповки. В соответствии с этим патентом формообразование зубьев цилиндрических колес осуществляется методом торцовой штамповки в штампе. Штамп имеет пуансон, формирующий один торец изделия и матрицу, расположенную в нижней половине штампа, выполненную в виде зубчатого кольца, внутренней поверхности которого придает форму, негативную внешнему периметру будущей шестерни. Посредине зубчатой матрицы помещается цилиндрический вкладыш. Он имеет подвижную посадку в нижнем бойке штампа и под воздействием выталкивателя может подниматься до верхнего пояска зубчатой матрицы. Пуансон штампа и вкладыш снабжены коническими кольцеобразными выступами, уклон которых к центру поковки крутой, а в направлении зубчатого венца более пологий. Их назначение - оформлять торцы изделия и способствовать течению металла в радиальных направлениях. Штамп имеет разъем в полости, совпадающий с торцевой поверхностью изделия.

Штамповка осуществляется следующим образом. Нагретая до температуры ковки заготовка укладывается в гнездо нижней половины штампа и подвергается осадке. Сначала в тело заготовки внедряются выступы, расположенные на оси штампа и формуется отверстие поковки. Затем по мере опускания пуансона в заготовку внедряются кольцевые выступы. При

сближении верхней и нижней половины штампа кольцевые выступы образуют сужения на пути материала, текущего, в радиальных направлениях, благодаря чему возрастает скорость и соответственно кинетическая энергия перемещения металла в радиальном направлении.

Такая форма поверхностей вкладышей, формирующих ступичную часть шестерни, дает возможность ускорять течение металла в направлении зубчатого венца, что обеспечивает более полное заполнение гравюры матрицы. При этом удается хорошее воспроизведение ее профиля, и получать поковки с высокой точностью зубьев. Сразу же после завершения формообразования поковка с помощью выталкивателя удаляется из штампа. По имеющимся данным [1-3], в штампе подобной конструкции можно получить зубчатые колеса, не нуждающиеся в дальнейшей механической обработке зубьев.

Наиболее прогрессивным является метод получения заготовок зубчатых колес пластической деформацией при комбинировании известных ранее способов. На рис. 1 представлена схема штампа для комбинированного выдавливания с разъемными матрицами.

В раскрытом положении штампа (рис. 1, а) в нижнюю полуматри-цу 4 укладывается заготовка. При движении ползуна вниз смыкаются верхняя полуматрица 2 и нижняя полуматрица 4. Штамп запирается поворотом кулачков 1 (рис. 1, б). При дальнейшем ходе ползуна осуществляется деформация заготовки под воздействием пуансонов 3 и 5.

1

а б

Рис. 1. Штамп для комбинированного выдавливания: а - установка заготовки в штамп; б - штамп в рабочем состоянии

Во время деформации металл течет в направлении движения пуансонов (прямое выдавливание), в направлении противоположном движению пуансонов (обратное выдавливание) и в направлениях, перпендикулярных движению пуансонов (боковое или радиальное истечение).

Схема комбинированного выдавливания имеет следующие основ-

38

ные преимущества.

1. Характер истечения (прямое, обратное и радиальное) обуславливает хорошее заполнение полости матрицы при минимальных усилиях деформации.

При таком характере истечения полностью исключаются дефекты, свойственные зубонакатыванию (плены, трещины, заусенцы, риски на профильной поверхности зубьев, не заполнение зубьев по всей длине зубчатого венца, искажение числа зубьев), которые связаны с особенностями течения металла при накатывании.

2. Так как штамповка производится в закрытом объеме, можно получать поковки без штамповочных уклонов и без отхода металла в облой.

3. Разъемная конструкция матрицы позволяет получить конфигурацию поковок, максимально приближающуюся к конфигурации готовой детали.

4. Возможность использования универсального оборудования позволяет внедрить штамповку цилиндрических зубчатых колес без дополнительных капитальных вложений при минимальных затратах на технологическую оснастку.

Попытки применения заготовок с предварительно оформленными зубьями широкого распространения не получили, в основном из-за проблем, возникающих с чистовой зубообработкой. Высокопроизводительные процессы отделочной обработки зубьев обычно улучшают точность зубчатого венца на 1-2 степени, причем это относится к интервалу 10-8 степеней. Формообразование венцов в горячем состоянии заготовки позволяет получать точность на уровне 10-12 степеней, что требует применения по-лучистового зубофрезерования или долбления, а это увеличивает трудоемкость и себестоимость обработки, сводя на нет все преимущества от экономии материала заготовки.

В ТулГУ был разработан процесс шевингования-прикатывания для отделочной обработки прямозубых цилиндрических колес [4-13]. Процесс показал повышение кинематической точности зубьев колеса на 1 степень, а плавности зацепления до 3 степеней, достигаемых за 3-4 рабочих цикла (оборота заготовки при сближении с шевером-прикатником) и 1-2 выхаживающих цикла обработки.

Процесс шевингования-прикатывания зубчатых венцов исправляет погрешности заготовки, в основном, за счет срезания припуска, а частично - за счет выдавливания. Поверхность зубьев получается гладкая, чистая. Отлично обрабатываются зубья, полученные резанием (фрезерованием или долблением). Пробные эксперименты, проведенные нами, показывают, что удается получать удовлетворительные результаты по точности при обработке заготовок колес, полученных точной штамповкой (горячей или полу-горячей).

Статистический анализ точности после чистовой обработки зубьев

заготовок, полученных горячей штамповкой, проводился для партии из 50 штук. Задачей статистического исследования точности являлось выявление достижимой точности шевингования-прикатывания, а также исправляющей способности процесса. Данные об исходной точности заготовок и деталей после заключительной стадии обработки - шевингования-прикатывания представлены в виде точечных диаграмм на рис. 2 и 3.

Колеса измерялись по следующим параметрам: Frr - радиальному биению зубчатого колеса, - наибольшему радиальному биению на одном зубе, FVWr - колебанию длины общей нормали, - наибольшему колебанию длины общей нормали соседних зубьев; р - погрешности шага, FP - накопленной погрешности шага [10]; до и после шевингования-прикатывания.

Обрабатываемая партия состояла из 50 прямозубых цилиндрических колес с модулем 2,5 мм и числом зубьев 37 цилиндрическим шеве-ром-прикатником с числом зубьев 51. Обработка производилась за три рабочих цикла с периодической подачей сближения заготовки и два цикла выхаживания без подачи заготовки.

©— после штамповки —О— после шевингования-прикатывания

Рис. 2. Точечные диаграммы колебания радиального биения Frr

В результате обработки удалялся припуск 0,08...0,12 мм по толщине зуба. Шероховатость штампованных зубьев составила Rz = 4,25 мкм. Шероховатость после шевингования-прикатывания Rz = 2,36 мкм. После шевингования-прикатывания прирост микротвердости при нагрузке 0,5 Н

составил 16 %, а при нагрузке 1 Н - 7 %.

Fvwr, мкм

в—после штамповки —о- после шевингования-прикатывания

Рис. 3. Точечные диаграммы колебания длины общей нормали Fvwr

Выполнен корреляционный анализ, в результате которого установлено, что шевингование-прикатывание обладает высокой (на 2 - 3 степени точности) исправляющей способностью по параметрам Frr - радиальное биение зубчатого колеса, - наибольшее радиальное биение на одном зубе, о чем свидетельствует отсутствие корреляционной связи между параметрами Frrш.пр. и Frrшт.;^гш.щ. и Frrшт.

Таким образом, в результате теоретических и экспериментальных исследований установлено, что описанные выше технологии изготовления цилиндрических зубчатых колес обладают хорошей исправляющей способностью, позволяющей эффективно и производительно устранять наследственные погрешности заготовок с оформленным зубчатым венцом.

При закалке зубчатых колес неизбежна деформация деталей, которая приводит к снижению на 1 - 2 степени точности (по ГОСТ 1643-81) зубчатых венцов, а, следовательно, к уменьшению нагрузочной способности, долговечности передач, повышению шума при работе.

Существующие методы чистовой обработки закаленных колес, такие как зубохонингование, притирка, зубошлифование не удовлетворяют в полной мере требованиям массового и крупносерийного производства. Например, зубохонингование и притирка малопроизводительны и обладают низким исправляющим эффектом, а зубошлифование является очень дорогой операцией [14]. Поэтому проблема поиска альтернативных технологий

41

является весьма актуальной.

Проведенные нами исследования показали, что достаточно высокий исправляющий эффект и производительность обещает финишная электрохимическая обработка зубчатых колес при сложной кинематике движения электродов и жесткой кинематической связи между ними. При этом наиболее целесообразно использовать движение обката, при котором инструмент, выполненный в виде шестерни со специально рассчитанным профилем зубьев, находится в зацеплении с обрабатываемым зубчатым колесом, при гарантированном межэлектродном зазоре между ними. Однако внедрение такого процесса в промышленность сдерживается целым рядом факторов, одним из которых является отсутствие необходимого оборудования.

Исследования, выполненные в нашей стране и за рубежом, позволяют сформулировать следующие основные требования к такому оборудованию.

1. Обеспечение жесткой кинематической связи между обрабатываемым колесом (заготовкой) и инструментом в процессе их обката с целью получения наибольшего исправляющего эффекта.

2. Обеспечение возможности подачи инструмента, как в осевом, так и радиальном направлении (перемещением фрезерной головки на поперечных направляющих суппорта) с целью осуществления процесса финишной обработки на малых межэлектродных зазорах.

3. Простота и надежность конструкции, позволяющая использовать при создании оборудования узлы и агрегаты, серийно выпускаемые станкостроительными заводами.

4. Обеспечение широкого диапазона скоростей вращения обрабатываемого колеса и инструмента с целью подбора оптимальной гидродинамики процесса.

Первым трем условиям удовлетворяет опытная установка, созданная на базе зубодолбежного станка. Однако, особенности его кинематической схемы, в частности, наличие червячных пар в цепи деления, не позволили добиться частот вращения, превышающих 24 мин-1. Обработка нескольких партий заготовок с прямыми внутренними и наружными зубьями показала, что при таких малых скоростях не обеспечивается требуемый гидродинамический режим, что отрицательно сказывается на микрорельефе обработанных поверхностей. Поэтому, была поставлена задача - разработать оборудование, полностью удовлетворяющее высказанным выше требованиям.

Широкие возможности для этого дает применение для обеспечения жесткой кинематической связи так называемого «электрического вала», образованного парой реактивных синхронных электродвигателей серии РС. Жесткие кинематические связи, работающие по этому принципу, широко применяются в зубошлифовальных станках типа Reischauer, работающих червячным абразивом. На ОАО «Егорьевский станкостроитель-

ный завод» были сделаны успешные попытки использовать этот принцип при зубофрезеровании колес малых модулей.

Применение таких двигателей позволяет резко упростить оборудование и применить в нем серийные узлы и агрегаты. За базу был взят токарно-винторезный станок 1К62 и унифицированная фрезерная головка УЕ 3415, установленная на поперечном суппорте токарного станка. Базовый станок и фрезерная головка были подвергнуты модернизации для обеспечения необходимой кинематической связи (рис. 4), подвода постоянного напряжения к вращающимся электродам (обрабатываемому колесу (заготовке) 3 и катоду-инструменту 4, подачи электролита в активную зону обработки и его слива.

Особенностью реактивных синхронных двигателей является отсутствие согласованного вращения заготовки и катода-инструмента в период разгона. Поэтому конструкция установки предусматривает обеспечение синхронизации в режиме разгона с помощью пары разгонных колес 1 и 2, находящихся в «плотном» (беззазорном) зацеплении (рис. 5).

Разгонные колеса изготавливают высокоточными, на уроне эталонных. В качестве источника постоянного напряжения используется двухпо-лупериодный тиристорный выпрямитель.

Рис. 4. Схема рабочей зоны опытно-промышленной установки: 1-планшайба, имеющая внутренний зубчатый венец разгонной пары; 2-разгонная шестерня; 3-обрабатываемое колесо (заготовка); 4-обкаточный катод-инструмент

Подвод к заготовке и катоду-инструменту постоянного напряжения осуществляется с помощью токосъемников и штанг.

Такая конструкция позволяет избежать протекания электрического тока через корпусные детали и подшипники. Подвод электролита непо-

43

средственно в зону обработки осуществляется через специальное сопло, установленное на переднем торце инструментальной головки. Для прокачки электролита используется шестеренный насос производительностью 18 л/мин.

а б

Рис. 5. Положение разгонной шестерни и обкаточного катода-инструмента: а - во время разгона двигателей; б - во время

процесса обработки

Обкаточный катод-инструмент (рис. 6) и разгонная шестерня закрепляются на оправке 5 с помощью винта 3.

Симметричное расположение впадин зубьев катода и разгонной шестерни достигается с помощью ступенчатого ролика 2. Для удобства закрепления, а также передачи крутящего момента при разгоне синхронных двигателей служит шпонка 1. Обрабатываемое колесо (заготовка) базируется на планшайбе, закрепленной на конусе шпинделя передней бабки, по торцевой поверхности и по наружной цилиндрической, которая для данной шестерни служит конструкторской и технологической базой. Правильное угловое положение заготовки относительно эталонного колеса устанавливается с помощью специальной зубчатой оправки, которая после закрепления заготовки вынимается.

После установки заготовки и ее закрепления, за счет перемещения суппорта базового станка с инструментальной головкой по направляющим, в зацепление вводится разгонная пара (см. рис. 5, а). Затем включаются синхронные электродвигатели и в течение 5_10 секунд производится их разгон.

По достижении синхронного вращения заготовки и катода-инструмента суппорт подается до упора влево. При этом разгонная пара выводит-

ся из зацепления, а заготовка и катод-инструмент занимают рабочее положение (см. рис. 5, б). После этого включается подача электролита и вслед за этим подается напряжение на заготовку и катод-инструмент. Последовательность действий обеспечивается электрической схемой управления работой установки.

Предложенная конструкция установки обеспечивает ее быструю переналадку при смене обрабатываемой заготовки. На ней можно осуществлять финишную обработку колес 8 степени точности, как с внутренними, так и наружными прямыми зубьями с модулями от 1 до 4 мм и числами зубьев от 12 до 100. Частоты вращения заготовки и катода-инструмента на данной опытной установке составляли от 40 до 250 мин-1.

Рис. 6. Схема установки обкаточного катода-инструмента:

1 - шпонка; 2 - ступенчатый ролик; 3 - винт; 4 - разгонная шестерня;

5 - оправка; 6 - обкаточный катод-инструмент; 7 - шпиндель

инструментальной головки

Проведенная серия опытов при обработке 10 заготовок при уточненной их базировке на планшайбе, которая производилась по индикатору, (при этом радиальное биение наружного диаметра деталей обеспечивалось в пределах 0,04...0,06 мм) показала, что после финишной обработки происходит исправление радиального биения зубчатого венца на 22.40 %, а других параметров на 40.60 %.

Список литературы

1. Маликов А.А., Ямников А.С., Сидоркин А.В. Инновационные технологии обработки зубьев цилиндрических колес: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. 335 с.

2. Деформирующее шевингование зубчатых колёс / Е.Н. Валиков [и др.] // СТИН. 2002. № 3. С. 13.

3. Патент РФ на изобретение RUS 2224624. МПК: B23F19/00. Способ шевингования-прикатывания цилиндрических зубчатых колес /Карпухин В.П., Ямников А.С., Валиков Е.Н. Опубл. 27.02.2004.

4. Патент РФ на изобретение RUS 2130367. МПК: B23F19/00. Способ шевингования конических зубчатых колес / Валиков Е.Н., Ямников

A.С., Белов Д.Б. Опубл. 20.05.1999.

5. Маликов А.А., Валиков Е.Н., Ямников А.С. Прогрессивная технология зубообработки / Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, 2007. № 4-3. С. 107-110.

6. Пат. 2230635 РФ, МПК: B 23F 21/28. Дисковый шевер / Карпухин

B.П., Ямников А.С., Валиков Е.Н. Опубл. 20.06.2004. Бюл. №17. 4 с.

7. Пат. 2314183 Российская Федерация, МПК: 7 B 23F 19/06. Способ финишной обработки цилиндрических зубчатых колес / Е.Н. Валиков, О.И. Борискин, А.С. Ямников [и др.]. Опубл. 10.01.2008. Бюл. №1. 4 с.

8. Ямников А.С., Маликов А.А., Сидоркин А.В. Шевингование-прикатывание цилиндрических колес с круговыми зубьями // Машиностроение и инженерное образование. 2011. № 3. С. 8-12.

9. Ресурсосберегающие технологии изготовления цилиндрических зубчатых колес / А.С. Ямников [и др.] // Технология машиностроения. 2008. № 7. С. 7-10.

10. Маликов А.А., Сидоркин А.В., Ямников А.С. Комплексная технология изготовления шевера-прикатника для обработки цилиндрических колес с круговыми зубьями // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2012. № 2-6. С. 57-63.

11. Деформирующее шевингование зубчатых колес / Е.Н. Валиков [и др.] // СТИН. 2002. Вып. 3. С. 13-16.

12. Маликов А.А., Сидоркин А.В., Ямников А.С. Динамические характеристики шевингования-прикатывания цилиндрических колес с круговыми зубьями // Технология машиностроения. 2012. № 2. С. 19-23.

13. Ямников А.С., Шейнин Г.М., Бобков М.Н. Новый способ обработки круговых зубьев цилиндрических колес // СТИН. 2000. № 10. С. 18.

14. Маликов А.А. Опытная установка для финишной электрохимической обработки закаленных цилиндрических зубчатых колес // СТИН. 2008. № 10. С. 35-37.

Маликов Андрей Андреевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, andrej-malikov'g,yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ямников Александр Сергеевич, д-р техн. наук, проф., yamnikovas@jnail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

PROGRESSIVE WAYS OF FAIR PROCESSING OF THE EVOLVENT SURFACE

OF CYLINDRICAL WHEELS

A.A.Malikov, A.S.Yamnikov

Processing methods and equipment for high-performance processing of working surfaces of cogwheels from preparations with the issued teeths are described. Process of a shevingovaniya-prikatyvaniye showed increase of kinematic accuracy of teeths of a wheel on 1 degree, and smoothness of gearing to 3 degrees reached for 3-4 running cycles. For finishing of the tempered teeths application of electrochemical processing with compulsory obkaty on the upgraded lathe is offered.

Key words: preparations with the issued teeths, finishing processing, accuracy, an evolvent, compulsory kinematic communication.

Malikov Andrey Andreevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, andrej-maliko v@ yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Yamnikov Alexander Sergeyevich, doctor of technical sciences, professor, yamnikovas@mail.ru. Russia, Tula, Tula State University