Методы изготовления профиля зубьев колес

Существуют два основных метода изготовления профилей зубьев зубчатых колес – копирования и обкатки. При реализации первого – профиль образуемой впадины представляет собой профиль модульной фрезы; а при нарезании зубьев методом обкатки – профиль зуба колеса образуется как огибающая отдельных положений профиля зуба производящей рейки.

Колеса с прямыми зубьями можно нарезать на горизонтально-фрезерных станках при помощи дисковых модульных фрез, либо на вертикально-фрезерных станках с использованием пальцевых модульных фрез. Модульные фрезы имеют эвольвентный рабочий профиль, соответствующий впадине между двумя соседними зубьями Заготовка устанавливается в делительной головке. После фрезерования каждой впадины стол станка возвращается в исходное положение, а заготовка поворачивается механизмом делительной головки на шаг зубьев. Таким образом, значительное время затрачивается на выполнение холостых ходов, что приводит к пониженной производительности труда.

Другим недостатком рассматриваемого метода является пониженная точность при образовании профиля зубьев колеса. Наибольшее применение имеет набор из восьми фрез из-за невозможности иметь большие наборы фрез для каждого модуля и чисел зубьев колес.

Достоинством этих фрез является простота конструкции и возможность с их помощью нарезать зубчатые колеса на горизонтально- и универсально-фрезерных станках. Рассматриваемый метод находит применение лишь на предприятиях с индивидуальным или мелкосерийным производством, в ремонтных мастерских.

При изготовлении зубьев колес по методу обкатки в основу кладется производящая рейка.

Червячная фреза представляет собой червяк, витки которого пересечены канавками под углом его осям. Червячная фреза состоит как бы из ряда зубчатых реек, смещенных по отношению друг к другу так, что их зубья располагаются по винтовой линии.

Фрезерование цилиндрических колес червячной фрезой по методу обкатки имеет следующие преимущества: одной фрезой можно нарезать цилиндрические колеса с любым числом зубьев одного модуля; метод позволяет более точно профилировать зубья колес, особенно по их шагу, обеспечивает меньшую шероховатость обработанной поверхности. Обработка зубчатых колес при помощи червячной фрезы осуществляется на специальных зуборезных станках.

При зубодолблении цилиндрических колес долбяк и нарезаемое колесо вращаются с такими угловыми скоростями, как будто они находятся в действительном зацеплении. Долбяк совершает еще возвратно-поступательное режущее движение, вырезая материал заготовки во впадинах зубчатого колеса и формируя таким образом зубья. Зуборезные долбяки применяют для изготовления цилиндрических колес с прямыми и винтовыми зубьями. Зубодолбление незаменимо при обработке колес с внутренним зацеплением, а также при обработке ступенчатых зубчатых колес.

После зубофрезерования и зубодолбления остаются погрешности в профиле и размерах зубьев колес. Если зубчатые колеса подвергаются термообработке, то этот процесс вызывает образование еще дополнительных погрешностей. Все эти погрешности можно свести к минимуму путем специальной отделочной обработкой.

Доводку незакаленных зубчатых колес производят при помощи шевера, представляющего собой закаленное зубчатое колесо с точно выполненным эвольвентным профилем. На боковых поверхностях зубьев инструмента имеются прямоугольные канавки, режущие элементы которых способны срезать тончайшие стружки. Для обработки прямозубых колес применяют косозубые шеверы. Шевер, укрепленный в шпинделе станка, вводится в зацепление с обрабатываемым колесом, установленным на оправку, и приводится во вращение от электродвигателя и увлекает за собой обрабатываемое зубчатое колесо, вращающееся с оправкой в центрах бабок станка. Заготовка в процессе обкатки получает возвратно-поступательное перемещение. Кроме того, заготовка перемещается к шеверу путем вертикальной подачи стола на 0,02-0,8 мм.

Таким образом, создается относительное скольжение профиля зуба шевера относительно профиля зуба колеса. Скорость этого относительного скольжения и является скоростью резания при шевинговании.

Доводка размеров закаленных зубчатых колес производится шлифовальными кругами, профиль которых воспроизводит производящую рейку. Однако вместо воображаемой рейки берут два шлифовальных круга, профиль которых точно соответствует профилю рейки. Шлифовальные круги имеют только вращательное движение, а шлифуемое колесо соответственно вращательное и поступательное перемещения.

Доводку зубчатых колес можно произвести также на зубопритирочных станках при помощи трех чугунных колес, шаржированных мелкозернистых абразивом, и другими способами.

Шлифование

Процесс обработки абразивными материалами называют шлифованием. Абразивные материалы (зерна высокой твердости с острыми кромками) могут быть в свободном виде (порошки) или в связанном (цементированном) в форме кругов, брусков, сегментов. В большинстве случаев шлифование является отделочной операцией, обеспечивающей высокую точность (до 0,002 мм) и необходимый класс шероховатости поверхности (R_a = 0,15-1,2 мкм), и применяется для обработки наружных и внутренних цилиндрических и конических, плоских и криволинейных поверхностей всех металлов и сплавов. Шлифование применяют также для обдирочных работ (например, при очистке литья), для заточки режущих инструментов.

Абразивы бывают естественные и искусственные. Широко используются искусственные абразивы: электрокорунд (кристаллический оксид алюминия), карборунд (карбид кремния), карбид бора, эльбор (кубический нитрид бора), синтетический алмаз. Из естественных абразивов применяют алмаз и редко наждак и корунд.

По ГОСТу в зависимости от размеров зерен абразивов их делят на шлифзерна – зернистость от № 200 до 16, шлифпорошки – от № 12 до 3 (номер указывает средний размер зерна в сотых долях миллиметра) и микропорошки – от М40 до М5 (число определяет размер зерна, мкм). Выбор зернистости зависит от требуемой шероховатости: для обдирочной обработки применяют крупнозернистые абразивы, для чистовой и отделочной – мелкозернистые.

Связка обеспечивает получение компактных абразивных инструментов нужной формы и размеров и определяет их прочность и твердость. Применяют связки неорганические и органические. Наиболее распространена неорганическая связка – керамическая К, составляемая из огнеупорной глины, жидкого стекла и других компонентов. Органические связки – вулканитовая В и бакелитовая Б имеют большую прочность и упругость и применяются для изготовления тонких (например, отрезных) кругов, для инструментов, используемых при доводочных операциях; круги на вулканитовой связке используют в качестве ведущих при бесцентровом шлифовании. Путем изменения процентного содержания зерен в массе круга и давления при прессовании его в формах достигают различного соотношения объемов зерен, связки и пор.

Пористые круги менее подвержены засорению стружкой, так как она легко удаляется из больших пор под действием центробежных сил. Воздух и охлаждающая жидкость, увлекаемые вращающимся пористым кругом, хорошо охлаждают зону резания. Различают инструменты плотной структуры (номера структуры 1-4), на 60-56 % состоящие из зерен абразива, среднеплотной (номера 5-8) – 54-48 % зерен и открытой структуры (номера 9-16) – 46-38 % зерен.

Абразивные инструменты во время работы обладают способностью частично или полностью самозатачиваться. Самозатачивание состоит в выкрашивании затупившихся зерен и обнажении острых граней зерен следующего ряда. Инструменты «засаливаются», если твердость их слишком велика для обработки данного материала, или преждевременно изнашиваются (выкрашиваются), если эта твердость мала. Твердость абразивного инструмента определяется сопротивляемостью связки выкрашиванию зерен абразива под влиянием силы резания. Различают абразивные инструменты мягкие (марки М1, М2, МЗ), среднемягкие (СМ1, СМ2), средние (С1, С2), среднетвердые (СТ1, СТ2, СТЗ), твердые (Т1, Т2), весьма твердые (ВТ1, ВТ2) н чрезвычайно твердые (ЧТ1, ЧТ2).

Инструменты из эльбора н алмаза имеют стойкость в десятки раз больше инструментов из других абразивов и обеспечивают н сравнении с ними значительно большую производительность, точность и малую шероховатость поверхности. Такие круги имеют металлический или пластмассовый корпус, на котором закреплено абразивное кольцо. Это кольцо состоит из зерен эльбора или алмаза и бакелитовой, керамической или металлической (чаще из сплавов на медно-оловянной основе) связки. Помимо шлифовальных кругов, к абразивным инструментам относятся бруски, сегменты и головки. При притирке и доводке используют также абразивные порошки и пасты.

в группу шлифовальных станков входят станки для круглого шлифования (центровые круглошлифовальные, бесцентрово-шлифовальные, внутришлифовальные), для плоского шлифования, притирочные и полировальные, заточные, обдирочные шлифовальные, а также специализированные и специальные.

Наибольшее число шлифовальных работ выполняется с использованием быстро вращающегося абразивного круга. При вращении круга и подаче заготовки или круга множество зерен срезает материал заготовки с образованием мельчайшей стружки. Окружная скорость круга составляет 8-50 м/с и выше в зависимости от твердости обрабатываемого материала (чем тверже материал, тем меньше скорость), наличия охлаждения и других условий. В соответствии с видом применяемых станков различают шлифование круглое, бесцентровое, внутреннее, плоское и специальное (резьбы, зубчатых колес). На рис. 33 представлены основные схемы резания при шлифовании.

При наружном круглом шлифовании обрабатываемая заготовка помещается между центрами передней и задней бабок круглошлифовального станка и ей сообщается вращательное движение со скоростью v_д = 0,25-0,42 м/с от двигателя передней бабки. линейная скорость шлифовального круга v_к на его внешнем радиусе составляет 30-60 м/с. при шлифовании с продольной подачей вращающаяся заготовка имеет возвратно-поступательное движение для обработки заготовки по всей длине l_о кругом шлифовальной бабки (рис. 33, а). Поперечная подача на глубину t = 0,005-0,05 мм осуществляется шлифовальным кругом в конце каждого прохода обрабатываемой заготовки. Продольная подача s выбирается в зависимости от ширины шлифовального круга В. Для чистого шлифования s = (0,2-0,4)В. Для обработки конусов верхнюю часть стола станка с закрепленной на нем шлифовальной бабкой делают поворотной.

Помимо приведенного способа шлифования, обеспечивающего наибольшую точность, применяют также круглое шлифование врезанием, когда весь припуск (0,1-0,3 мм) снимается кругом с заборным конусом за один проход, и круглое шлифование с поперечной подачей.

При шлифовании с поперечной подачей (рис. 33, б) шлифовальный круг получает вращательное движение и поперечное перемещение. Обрабатываемая деталь имеет только вращательное движение и обрабатывается сразу по всей ширине. При чистовом шлифовании величина поперечной подачи s_tсоставляет от 0,002 до 0,08 мм/об. Этот вид шлифования применяется для заготовок с небольшой длинной шлифуемой поверхности (шеек кривошипов, обычных и коленчатых валов, ступенчатых валиков и др.)

При бесцентровом шлифовании (рис. 33, в) шлифуемую деталь помещают между двумя кругами, где она поддерживается опорным ножом, не будучи ничем закреплена. Один из кругов является шлифующим и срезает стружку, а другой – ведущим, который не только вращает изделие, но и сообщает ему поступательное перемещение вдоль направляющего ножа. Кроме того, ведущий круг вместе с бабкой имеет возможность поперечного перемещения для обеспечения поперечной подачи (врезания), а также для компенсации износа кругов. Для продольной подачи поворотная часть бабки вместе с кругом устанавливаются под углом a = 1-7° относительно шлифующего круга. Бабка шлифующего круга установлена неподвижно. Шлифовальные круги периодически правят для придания им заданной формы, изменяющейся в связи с износом абразивного инструмента. Шлифовальный круг имеет скорость вращения v_к = 30-50 м/с, скорость ведущего круга v_вк=0,165-0,33 м/с. Для повышения производительности при обработке длинных валов применяют бесцентрово-шлифо­вальные станки со шлифовальными кругами шириной до 800 мм (вместо обычной ширины 150-200 мм). Бесцентрово-шлифовальные станки применяют в серийном и массовом производстве.

На рис. 33, е представлена схема круглого внутреннего шлифования. Обрабатываемая заготовка укреплена в патроне, навинченном па шпиндель передней бабки станка, и вращается. Шлифовальный шпиндель с закрепленным на нем кругом имеет постоянную скорость вращения и совершает возвратно-поступательные движения, осуществляя продольную подачу, для обработки отверстия на заданную глубину. Привод шпинделя шлифовальной бабки приводится в действие от отдельного двигателя. Шлифовальная бабка имеет возможность радиального перемещения для осуществления поперечной подачи. Диаметр круга выбирается в пределах 70-90 % от диаметра шлифуемого отверстия. Помимо приведенной схемы внутреннего шлифования, применяют планетарное внутреннее шлифование. При этом заготовка неподвижна, а круг вращается около оси шпинделя и вместе со шпинделем около оси шлифуемого отверстия. Подача шпинделя вдоль оси отверстия обеспечивает его шлифование по всей длине.

Плоскошлифовальные станки применяют для обработки длинных и узких поверхностей или мелких заготовок, установленных по ходу стола под шлифующим кругом. На плоскошлифовальном станке с прямоугольным столом обработка ведется периферией круга. На столе укрепляют магнитную плиту, служащую для установки и удержания заготовок при работе. Стол имеет возвратно-поступательное движение. По вертикальным направляющим стойки может передвигаться шлифовальная бабка для установки шлифовального круга на глубину обработки. Перекрытие шлифуемой заготовки по ширине достигается при поперечном осевом прерывистом (во время переднего и заднего перебегов) движении круга. Схема шлифования периферией круга представлена на рис. 33, г. существуют также схемы плоского шлифования заготовок торцом круга (рис. 33, д) при возвратно-поступательном движении стола, а также периферией или торцом круга заготовок, закрепленных на вращающемся столе. Крупные заготовки обрабатываются на плоскошлифовальных станках портального типа (подобных продольно-строгальным станкам).