Технологическое обеспечение ресурсосберегающих процессов изготовления цилиндрических зубчатых колес

УДК 621.83

А.А. Маликов, канд. техн. наук, доц.,

A.В. Сидоркин, асп.,

B.Ю. Легейда, асп.,

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

Рассмотрены основные аспекты комбинированного метода чистовой обработки цилиндрических колес шевингованием-прикатыванием, увязанные с особенностями получения заготовок данных колес методами пластического формоизменения. Определены требования к заготовительным процессам и описаны способы штамповки и накатки заготовок с зубчатым венцом, позволяющие в совокупности с шевингованием-прикатыванием существенно снизить материало- и трудоёмкость изготовления зубчатых колёс.

Ключевые слова: шевер-прикатник, штамповка, накатка, точность, зубчатые

колеса.

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. 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 получистового зубофрезерования или долбления, а это увеличивает трудоемкость и себестоимость обработки, сводя на нет все преимущества от экономии материала заготовки.

В ТулГУ разработан процесс шевингования-прикатывания для отделочной обработки прямозубых цилиндрических колес [1, 2, 3]. Процесс показал повышение кинематической точности зубьев колеса на 1 степень, а плавности зацепления до 3 степеней, достигаемых за 3 - 4 рабочих циклов (оборотов заготовки при сближении с шевером-прикатником) и 1-2 выхаживающих циклов 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 авторами, показывают, что удается получать удовлетворительные результаты по точности при об-

работке заготовок колес, полученных точной штамповкой (горячей или полугорячей).

Обрабатываемая партия состояла из 50 прямозубых цилиндрических колес с модулем 2 5 мм и числом зубьев 3 7 цилиндрическим шеве-ром-прикатником с числом зубьев 51. Шевингование-прикатывание проводилось на токарном станке в соответствии с рис. 1 с использованием инструментального блока.

Рис. 1. Зона обработки цилиндрического зубчатого колеса

на токарном станке

Процесс обработки заключался в совместной обкатке инструмента и заготовки. Шевер-прикатник устанавливался на оправке, закрепленной в 3-кулачковом патроне и поддерживаемой задним центром, и вращался с частотой 315 мин-1. Заготовка свободно вращалась на оправке приспособления и находилась в двухпрофильном (беззазорном) зацеплении с инструментом. После совершения инструментом числа оборотов, равного числу зубьев обрабатываемой заготовки, осуществлялось реверсирование. Обработка проводилась за три рабочих цикла с периодической подачей сближения заготовки и два цикла выхаживания без подачи заготовки. В результате обработки удалялся припуск 0,08...0,12 мм по толщине зуба. Шероховатость штампованных зубьев составила Яі = 4,25 мкм. Шероховатость после шевингования-прикатывания Яі = 2,36 мкм. После шевин-гования-прикатывания прирост микротвердости при нагрузке 0,5 Н составил 16 %, а при нагрузке 1 Н - 7 %.

Следовательно, можно сделать вывод о том, что штампованные заготовки должны иметь точность зубчатого венца порядка 9-й степени точности.

В Германии был запатентован инструмент для изготовления цилиндрических зубчатых колес методом горячей штамповки [4]. В соответствии с этим патентом формообразование зубьев цилиндрических колес осуществляется методом торцовой штамповки в штампе, изображенном на рис. 2.

Рис. 2. Схема торцовой штамповки

Штамп имеет пуансон, формирующий один торец изделия и матрицу, расположенную в нижней половине штампа, выполненную в виде зубчатого кольца, внутренней поверхности которого придается форма, негативная 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 возрастают 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 получение поковки с высокой точностью зубьев. Сразу же после завершения формообразования поковка с помощью выталкивателя удаляется из штампа. По имеющимся данным [4], 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. 3 представлена схема штампа для комбинированного выдавливания с разъемными матрицами [5]. В раскрытом положении штампа (рис. 3, а) в нижнюю полуматрицу 4 укладывается заготовка. При движении ползуна вниз смыкаются верхняя полуматрица 2 и нижняя полуматри-ца 4. Штамп запирается поворотом кулачков 1 (рис. 3, б). При дальнейшем ходе ползуна осуществляется деформация заготовки под воздействием пуансонов 3 и 5. 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 основные 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, незаполнение 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.

б

Рис. 3. Схема штампа для комбинированного выдавливания: а - установка заготовки в штамп; б - штамп в рабочем состоянии

Рассмотрение этих преимуществ наряду с возможностью увеличения срока службы колес, имеющих штампованные зубья, определили выбор метода получения заготовок цилиндрических колес - штамповкой в штампах для комбинированного выдавливания с разъемными матрицами.

Отмечая прогрессивность описанных выше способов получения штампованных заготовок зубчатых колес, можно констатировать, что они неприемлемы для получения заготовок со сформированными круговыми

зубьями вследствие невозможности их выталкивания из матрицы в осевом направлении. Это существенное ограничение не позволяет достичь эффективности и простоты конструкции штамповочной оснастки. При попытке реализовать возможность «раскрытия» пресс-формы в радиальном направлении по каждому зубу обрабатываемого колеса сложность ее конструкции, трудоемкость изготовления и себестоимость возрастают многократно при существенном снижении надежности и срока службы. Следовательно, способы получения штамповкой заготовок цилиндрических колес с круговыми зубьями являются малоэффективными и практического распространения не получили.

В нашей стране и за рубежом на протяжении долгого времени велись разработки методов накатки зубчатых венцов [6]. Однако широкого промышленного применения они не получили. Это связано с тем, что необходимо путем горячей пластической деформации металла получать зубья такой высокой степени точности, которая достигается обычно обработкой резанием. Одной из немаловажных проблем является отсутствие широкой номенклатуры прокатного оборудования и оснастки, обладающих высокой точностью. Для реализации рассматриваемого способа производства зубчатых колес зачастую приходиться переоборудовать существующие универсальные металлорежущие станки в прокатные станы, использовать имеющуюся на производстве оснастку. Это также не способствует повышению точности накатываемых колес. Полученным в таких условиях заготовкам требуется дальнейшая обработка резанием: зубошлифование или точное зубофрезерование резцовыми головками. При этом время, затрачиваемое на весь процесс производства зубчатого колеса, сопоставимо с тем, которое требуется для получения его же только обработкой резанием. И основное преимущество получения предварительно сформированных зубьев методом пластической деформации - существенное сокращение времени производственного цикла - сводится на нет. Поэтому считаем принципиально важным рассматривать методики получения заготовок и чистовой обработки зубьев неотрывно друг от друга. При решении данной задачи безусловно требуется нестандартный подход.

В настоящее время в ТулГУ разрабатывается методика накатывания цилиндрических колес с круговыми зубьями с последующей чистовой обработкой шевингованием-прикатыванием. Используется конструкция стана, предложенная В.С. Корсаковым [6], которая базируется на применении доработанного горизонтально-фрезерного станка типа 6М80.

Схема процесса накатывания приведена на рис. 4. Закаленный накатник устанавливается на оправку, закрепленную в шпинделе станка и отверстии серьги. Нагрев заготовки осуществляется с помощью индуктора. Обрабатываемая заготовка 1 закрепляется на валу 2, а накатник 3 - на валу

4. На концах валов насажены делительные шестерни 5 и 6, обеспечивающие передачу транспортного движения заготовке. Внедрение зубьев на-

катника в нагретую высокочастотным индуктором 7 заготовку осуществляется при поступательном движении стола стана.

Рис. 4. Стан для накатки колеса с круговыми зубьями на базе горизонтально-фрезерного станка 6М80

Опыты по прокатке небольшой партии шестерен, проведенные в лабораторных условиях, показывают, что при невысокой точности получившихся заготовок исправляющие способности разработанного метода шевингования-прикатывания сопоставимы с результатами, полученными для прямозубых цилиндрических колес.

Таким образом, в результате теоретических и экспериментальных исследований установлено, что описанные выше ресурсосберегающие технологии изготовления цилиндрических зубчатых колес могут быть предложены для реализации их на практике. Иными словами, они могут быть успешно внедрены на предприятиях, работающих в условиях современного серийного производства.

Статья написана в результате исследования, проведенного при финансовой поддержке гранта РФФИ № 09-08-99004 «Разработка научных основ создания ресурсосберегающих технологий высокопроизводительной зубообработки закаленных цилиндрических зубчатых колёс».

Список литературы

1. Дисковый шевер: пат. 2230635 Рос. Федерация. № 2006132030/02; заявл. 27.11.2001; опубл. 20.06.2004. Бюл. № 17. 4 с.

2. Валиков Е.Н., Стаханов Н.Г., Белякова В.А. Определение припуска по толщине зуба при шевинговании-прикатывании цилиндрических

зубчатых колес // Изв. ТулГУ. Сер. Инструментальные и метрологические системы. 2004. Вып. 1. Ч. 2. С. 5-10.

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

4. Werkstatstechnik und Maschienenbau. 1957, 11 , heft 2.

5. Коганов И.А. Федоров Ю.Н., Валиков Е.Н. Прогрессивные методы изготовления цилиндрических зубчатых колес. М.: Машиностроение. 1977. 240 с.

6. Изготовление цилиндрических зубчатых колес прокаткой /

В.В. Половников [и др.]. Л.: МАШГИЗ. 1961. 186 с.

A. Malikov, A. Sidorkin, V. Legejda Technological maintenance the resource of saving up processes of manufacturing of cylindrical cogwheels

The basic aspects of the combined method of fair processing of cylindrical wheels shave-considered, the receptions of preparations of the given wheels coordinated to features by methods plastic form are considered. Requirements to procuring processes are certain and ways of punching and considered preparations with the gear wreath are described, allowing in aggregate with shave-considered it is essential to lower material and labour input of manufacturing of cogwheels.

Получено 07.04.09

УДК 621.914

В.Б. Протасьев, д-р техн. наук, проф., (4872) 33-25-38, imstulgu@pochta.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

Л.А Омельченко, канд. техн. наук, доц.,

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ СИЛЫ

ПРИ ФРЕЗЕРОВАНИИ КОРЕШКОВ БУМАЖНЫХ БЛОКОВ

Рассматривается математическая модель торцового фрезерования корешков бумажных блоков, учитывающая механические свойства бумаги, геометрические параметры режущих элементов, степень его затупления и условия закрепления стопы бумаги. Целевой функцией модели является определение критической силы, необходимой для начала процесса резания.

Ключевые слова: фрезерование, режущий инструмент.

Под критической силой далее будем понимать усилие, при котором сжатие блока листов бумаги заканчивается и намечается отрыв отдельных листов, т.е. отделение припуска.