Особенности обработки деталей на зуборезных станках с ЧПУ

Для современного машиностроения характерно повышение требований к точности зубчатых передач. Рекомендуемые степени точности в зависимости от назначения для продукции различных отраслей промышленности в соответствии с ГОСТ 1643 приведены в таблице 1.

Таблица 1. Степени точности цилиндрических колес в зависимости от назначения

Причем шероховатость рабочих поверхностей зубьев не должна превышать значений R_a = 0,20 мкм.

Универсальное технологическое оборудование в зависимости от класса его точности обеспечивает достижение следующих степеней точности (табл. 2).

Таблица 2. Достижимые степени точности цилиндрических зубчатых колес в зависимости от класса точности оборудования

Примечания. А, В, Н, П, с классы точности станков в соответствии с классификацией ЭНИМс. * при обработке эластичным хоном точность обработки зависит от предшествующей химико-термической обработки, а именно при газовом азотировании хоном удаляется только хрупкая фаза, степень точности и шероховатость снижаются на 1 класс; при ионном азотировании степень точности, несмотря на значительно большую глубину азотирования, остается прежней, а шероховатость на один разряд ниже. ** оборудование только с ЧПУ.

Дополнительно необходимо учитывать, что режущий инструмент и оборудование для его переточки значительно влияют на качество выпускаемых зубчатых колес. Взаимосвязь классов точности инструмента и степени точности зубчатых колес приведены в таблице 3.

Таблица 3. Взаимосвязь классов точности инструмента и степени точности зубчатых колес

Естественно, точность обработки инструмент выбранного класса точности может обеспечить только на соответствующем оборудовании. С учетом того, что настройка кинематических цепей зуборезного оборудования выполняется сменными зубчатыми колесами, устанавливаемыми на гитарах деления и обката, точность обработки зависит от износа сменных зубчатых колес, зазоров между пальцами и базовыми отверстиями в колесах и точности установки межосевых расстояний (межосевое расстояние устанавливается из условия обеспечения легкости вращения). Все эти вышеприведенные причины приводят к появлению кинематической погрешности обработки.

Кинематическая составляющая погрешности обработки в настоящее время легко устраняется применением приводов с цифровым или аналоговым управлением. Это обеспечивает исключение гитар сменных зубчатых колес, сокращает длину кинематических цепей и, следовательно, значительно сокращает подготовительно-заключительное время. Кроме того, повышается эффективность работы технологов, так как снижаются затраты времени на расчеты и исключаются ошибки при проектировании наладок станков.

Исключение кинематической составляющей погрешности обработки, сокращение затрат времени на расчет гитар сменных зубчатых колес и наладки станков на обработку предопределило широкое применение всех типов зубообрабатывающих станков с ЧПУ без настраиваемых гитар сменных зубчатых колес. Дополнительным доводом разработки и внедрения явилась возможность относительно простого формообразования бочкообразных зубьев. Зубофрезерование червячной фрезой приведено на рисунке 1.

Рис. 1. Зубофрезерование червячной фрезой

Зубофрезерные станки с ЧПУ обеспечивают повышение точности формообразования зубьев благодаря:

1. цифровой настройке приводов без гитар сменных зубчатых колес;
2. высокой крутильной жесткости кинематических цепей обката и деления (цепи состоят из минимального количества элементов, составляющих кинематические цепи);
3. настройке угла поворота шпинделя с точностью до двух.

Схема обработки наружных зубьев на зубодолбежных станках приведена на рисунках 2, 3.

Рис. 2. Зубодолбление дисковым долбяком с винтовым зубом наружного венца колеса

Рис. 3. Последовательная обработка зубодолблением колеса с наружными и внутренними зубьями за один установ

Зубодолбежные станки с ЧПУ обеспечивают повышение точности формообразования зубьев благодаря:

1. цифровой настройке приводов без гитар сменных зубчатых колес;
2. высокой крутильной жесткости кинематических цепей обката и деления;
3. повышению точности обработки колес с винтовым зубом за счет замены жесткого механического копира настройкой элекрических цепей, кроме того, появляется возможность формообразования зубьев с любым углом наклона зубьев при использовании специальных долбяков (на универсальных станках угол подъема винтовой линии зуба ограничен углом, задаваемым механическим копиром);
4. точности обработки повышается вследствие исключения износа винтового копира;
5. возможности обработки блоков зубчатых колес с одного установа;
6. возможности обработки зубчатых колес с наружными и внутренними зубьями с одного установа, в том числе имеющих разные значения углов подъема винтовых линий зубьев; дополнительно необходимо отметить, что на зубофрезерных и зубодолбежных станках обрабатываются по методу обката наружные и внутренние эвольвентные, треугольные и прямобочные шлицевые сопряжения.

Дальнейшее развитие зубофрезерные и зубодолбежные станки получили при создании станков типа Shobber, на которых обработка двух венцов выполняется одновременно червячной фрезой и долбяком (рис. 4).

Рис. 4. Одновременная обработка двух венцов блока колес червячной фрезой и долбяком на станках типа Shobber

Наряду с приведенными преимуществами, характерными для фрезерования и долбления на программном оборудовании, на данном станке возможно изготовление блоков зубчатых колес с заданным угловым расположением зубьев на смежных венцах. Кроме того, значительно повышается производительность формообразования зубьев вследствие параллельной обработки двух венцов.

Дальнейшее повышение степени точности обеспечивается шевингованием, но данный процесс применим:

1. для колес с небольшой исходной твердостью (до 38–42 HRC), после термообработки ТВЧ твердость увеличивается до 45–55 HRC, но степень точности снижается на один класс;
2. для колес под азотирование; при этом необходимо учитывать, что при газовом азотировании степень точности снижается на один класс, а шероховатость на один разряд, а при ионном азотировании степень точности практически не изменяется, а шероховатость улучшается на 1–1,5 класса;
3. при учете разницы в длительности циклов ионного и газового азотирования для достижения одинаковой глубины азотированного слоя (для глубины 0,6 мм длительность цикла в шахтной печи составляет 72 ч, при ионном — 6–8 ч).

Схема обработки дисковым шевером на станке с вертикальным расположением шпинделя приведена на рисунке 5.

Рис. 5. Схема шевингование на станках с вертикальным расположением шпинделя

Необходимо отметить возможность формообразования бочкообразных зубьев на шевинговальных станках. За последние годы нашли широкое применение червячные шевер, который имеет вид червячной фрезы с большим количеством зубьев, но без задних углов, что значительно упрощает технологию его изготовления. Червячные шевера применяются на зубофрезерных станках (рис. 6). Их применение возможно и для бочкообразного зуба. Для обработки зубьев повышенной твердости возможно изготовление специального твердосплавного инструмента.

Рис. 6. Схема шевингования червячным шевером

Дальнейшее повышение эффективности формообразования зубьев цилиндрических колес обеспечивается применением червячных абразивных кругов. Схема обработки приведена на рисунке 7.

Рис. 7. Схема нарезания зубьев червячным абразивным кругом

По сравнению с другими операциями нарезания зубьев червячным абразивным кругом позволяет не только существенно снизить погрешности зубьев, полученные на предварительных механических операциях и при термической обработке, но и стабильно получать поверхности зубьев с параметрами точности в заранее определенном диапазоне.

Необходимо отметить, что зубошлифование стабильно обеспечивает шероховатость поверхности зубьев R_a = 0,3–1,6 мкм, а при дополнительных затратах для оптимизации процесса (режимов резания, режущих и правящих инструментов, смазочно-охлаждающей жидкости) возможно достижение R_a = 0,2 мкм. Значительным преимуществом зуб шлифования является возможности воспроизведения без значительных затрат различных модификаций боковой поверхности зуба. Дополнительно необходимо отметить, что современное оборудование позволяет вышлифовать по целому зубья в диапазоне модулей 0,5–8 мм изменение размеров червячного абразивного круга после правки компенсируется по программе.

Дальнейшее развитие процесса зубошлифования получило по патенту немецкой фирмы KAPP. Обработка выполняется по методу копирования с индивидуальным расчетом профиля впадины зуба с учетом конкретных условий зацепления. Обработка профилешлифовальным кругом шевронного зуба приведена на рисунке 8.

Рис. 8. Шлифование шевронных зубьев на зубообрабатывающем профилешлифовальном станке нарезания зубьев абразивным кругом

Если высота зуба большая, то выполняется предварительное фрезерование профиля впадин дисковой фрезой (рис. 9).

Дополнительно необходимо отметить, что по данной схеме выполняется шлифование венцов колес внутреннего зацепления (рис. 10).

Рис. 9. Предварительное фрезерование профиля впадин дисковой фрезой

Рис. 10. Схема нарезания зубьев абразивным кругом зубьев внутреннего зацепления

При зубошлифовании обеспечивается точность не грубее четвертой степени. Отличительной особенностью зубообрабатывающего оборудования с ЧПУ является опционное оснащение измерительными системами, позволяющими выполнить измерение правой (левой) стороны профиля зуба, его направления, накопленной погрешности окружного шага и биения по диаметру делительной окружности, что позволяет оперативно вносить коррекцию в настройку оборудования (рис. 11, 12).

Рис. 11. Контрольный датчик на профилешлифовальном станке для измерения параметров зуба колес с внешним зацеплением

Рис. 12. Измерения параметров зубьев колес с внутренним зацеплением на специальной измерительной машине

Дальнейшее повышение точности обработки может быть обеспечено зубохонингованием.

В настоящее время различают два метода зубохонингования:

• зубохонингование хонами наружного зацепления на эластичной связке;
• зубохонингование охватывающими хонами внутреннего зацепления на жесткой связке.

Хоны первого типа применяются только для удаления охрупченного слоя после азотирования и снижения высоты микронеровностей после газового азотирования.

Хоны второго могут быть применены:

• для удаления охрупченного слоя после азотирования и снижения высоты микронеровностей;
• для удаления припуска величиной от 0,03–0,08 мм с целью повышения степени точности, как после фрезерования, зубодолбления, зубошлифования червячным кругом, ионного азотирования при достачной величине азотируемого слоя, и окончательной обработки при ионной цементации.

Процесс зубохонингования, как правило, разбивается на два этапа — черновое и чистовое — для этого в инструментальной обойме станка устанавливаются два зубчатых круга, соответственно для предварительной и окончательной обработки (рис. 14).

Установка в одной обойме двух зубчатых хонов позволяет оптимизировать характеристики абразивных материалов как для чернового, так и чистового хонингования. Это сокращает затраты времени на обработку и позволяет повысить степень точности и качество поверхности зубьев хонингуемых зубчатых колес.

Результаты измерения точностных параметров после фрезерования и хонингования приведены на рисунке 13.

Необходимо отметить, что в процессе зубохонингования хон непрерывно подвергается правке (рис. 15).

Рис. 13. Изменение точностных параметров фрезерованного зубчатого колеса после хонингования охватывающим зубчатым хоном

Рис. 14. Зубохонингование хонами внутреннего зацепления

Рис. 15. Непрерывная правка хона в процессе хонингования зубьев: 1 — хонингуемое колесо; 2 — зубчатый алмазный ролик для правки хона.

Далее необходимо отметить, что зубохонингование относится к низкоскоростным методам обработки, выполняемым при значительных удельных давлениях. С учетом этого целесообразно рассмотреть вопрос применения охватывающего хонингования даже без необходимости повышения точности, например после шлифования червячными или профильными кругами, в этом случае на поверхности зубьев после удаления припуска 0,01–0,03 мм будут сформированы сжимающие остаточные напряжения, что исключит дефекты шлифования и повысит усталостную прочность зубьев.

При шлифовании, несмотря на достигнутые высокую точность и качество обработанной поверхности, поверхностный слой будет иметь растягивающие остаточные напряжения, вследствие воздействия высоких температур, приводящих к вторичному отпуску (местному снижению твердости) и для высокопрочных сталей к появлению микротрещин.

Несколько проще стоят вопросы производства конических зубчатых колес. В настоящее время станки для изготовления конических колес с прямым зубом снимаются с производства, поэтому рассмотрим изготовление колес с круговым зубом.

1. Нарезание круговыми резцовыми головками (рис. 16).
2. Нарезание колеса с круговым зубом конической червячной фрезой (рис. 17).

Рис. 16. Нарезание колеса гипоидного зацепления круговой резцовой головой

Рис. 17. Нарезание с круговым зубом конической червячной фрезой

Резцовые головки и конические червячные фрезы из быстрорежущих сталей прорезают зуб в относительно мягких заготовках (HRC ≤ 42). Далее выполняется малодеформационная термическая или химикотермическая обработка.

Чистовая обработка может быть выполнена:

• твердосплавными головками при твердости обрабатываемых колес до 48 HRC, в том числе и по целому при достаточной мощности и жесткости оборудования;
• твердосплавными головками с износостойким покрытием из кубического нитрида бора при твердости обрабатываемых колес до 68 HRC методом сухого точения после термической или химико-термической обработки с предварительно прорезанным зубом;
• нарезание колес с круговым зубом методом вышлифовки по целому или шлифования предварительно прорезанных зубьев (рис. 18).

Далее колеса и шестерни комплектуются на контрольно-обкатных станках, если сопрягаемые комплекты мягкие, то они при прирабатываются, если твердые, то подвергаются притирке (рис. 19).

Рис. 18. Нарезание колеса с круговым зубом методом вышлифовки по целому

Рис. 19. Притирка сопрягаемых колеса и шестерни

В настоящее время на программном оборудовании, не относящемся к зубообрабатывающему, появились следующие возможности обработки зубчатых колес:

• методом обката на токарно-фрезерных обрабатывающих центрах долбяками и червячными фрезами;
• вырезкой по открытому контуру цилиндрических и конических колес с прямым зубом непрофилированным электродом на проволочных вырезных станках;
• фрезерованием на четырех- и пятикоординатных станках;
• фрезерованием методом копирования модульными фрезами цилиндрических колес с прямым и винтовым зубом;
• фрезерованием фасонными фрезами эвольвертных, треугольных и прямобочных щлицев;
• фрезерованием модульными фрезами эвольвертных, треугольных щлицев, в том числе и винтовых;
• вышлифовкой любой формы шлицев на плоско-профилешлифовальных станках.

Следует иметь в виду, что все типы станков, кроме токарных, могут быть оснащены измерительными системами; станки токарной группы, как правило, оснащаются опционно, только датчиками нулевого отсчета, это связано с ограниченным количеством инструментальных наладок, размещаемых в револьверных головках.

Исключением из общего правила на сегодняшний день являются токарно-фрезерные станки, имеющие инструментальные магазины большой емкости.