Зубохонингование цилиндрических колес

Обработка зубчатым хоном с внешним зацеплением зубьев

Обработка зубчатым хоном с внешним зацеплением зубьев аналогична процессу зубошевингования. При хонинговании ведущим элементом является хон 1, зубья которого находятся в беззазорном зацеплении с зубьями обрабатываемого колеса 2 при угле скрещивания осей ? = 10…15° (рис. 1). Зубчатое колесо 2 кроме вращения совершает возвратно-поступательное движение вдоль своей оси. Величина продольного перемещения заготовки должна обеспечивать обработку зубьев по всей длине. Возможна обработка бочкообразных зубьев. Зубохонингование производят с подачей в зону резания смазочно-охлаждающей жидкости.

Рис. 1. Схема обработки заготовки хоном с внешним зацеплением.

 

Радиальный поджим заготовки к хону (в распор) осуществляют с силой 150…450 Н. В процессе хонингования вершина и профиль зуба колеса 2 постоянно контактируют с впадиной и профилем зуба хона 1 в точках 4 (рис. 2). Зубья заготовки под давлением постепенно внедряются во впадины зубьев хона так, что на вершине головки зубьев хона образуется закругление, которое обеспечивает плавный вход в зацепление.

Рис. 2. Беззазорное двухпрофильное зацепление зубьев хона и заготовки.

По мере износа хона его зубья увеличиваются по высоте. Хонингование продолжается до тех пор, пока вершины зубьев хона 5 не коснутся впадин зубьев заготовки, что может вызвать их поломку. Поэтому изношенные зубья хона периодически правят, снимая с внешнего диаметра хона 1…2 мм за одну правку и 15…25 мм за весь период службы, обеспечивая необходимый радиальный зазор.

Исследованиями установлено, что при радиальном нагружении хонингование производят с большими силами резания. Это обеспечивает интенсивный съем металла, уменьшение радиального биения зубчатого венца и погрешности направления зубьев, сокращение машинного времени и эффективное удаление с поверхности зубьев различных повреждений и заусенцев.

При обработке хонами с внешним зацеплением используют следующие режимы обработки: число оборотов хона 180–250 об/мин, скорость подачи стола 180–220 мм/мин, число ходов стола 4–8, машинное время обработки одного зубчатого колеса 30–60 с. Направление вращения хона изменяется в конце каждого хода стола.
Зубчатый хон с внешним зацеплением представляет собой прямозубое или косозубое колесо, состоящее из стальной ступицы 2 и рабочей части 1 из абразивного материала (рис. 3, а). Зубчатый хон проектируют для каждого зубчатого колеса, число его зубьев не должно быть кратным числу зубьев обрабатываемого колеса. Для зубчатых колес с модулем 3–5 мм: внешний диаметр хона 220–250 мм, ширина венца 20–25 мм, угол скрещивания осей 10–15°, радиальное биение зубчатого венца нового хона 0,07–0,10 мм, срок службы 1500–3000 заготовок.

Процесс зубохонингования хоном внешнего зацепления

Процесс зубохонингования хоном внешнего зацепления, разработанный в 60-х годах прошлого столетия, первоначально применялся исключительно после операций зубошевингования и химико-термической обработки (ХТО). Он позволяет при снятии небольшого припуска (0,01…0,03 мм) уменьшить шероховатость поверхности до Ra=0,32–1,25 мкм, удалять забоины и заусенцы величиной до 0,3 мм и снизить уровень шума при зацеплении зубчатой передачи на 2–4 Дб. При этом погрешности параметров зубьев устраняются незначительно.

В последнее время многие предприятия в автомобильной и авиационной промышленности стали применять зубохонингование хонами с внешним зацеплением после операции зубошлифования, как правило, профильного непрерывного. Целью является повышение плавности зацепления и снижение шероховатости поверхности зубьев до Ra = 0,2…0,3 мкм без снижения их точности после зубошлифования. Особенностью конструкции хона с внешним зацеплением является наличие под абразивным (рабочим) слоем 3 со средним размером зерна 63…80 мкм демпфирующего слоя 4 из упругого материала. Этот слой уменьшает вибрации, возникающие при зубохонинговании, и повышает срок службы инструмента (рис. 3, б). Периодическую правку таких хонов производят по всему контуру зубьев алмазными роликами, зубья которых имеют модификации по профилю и длине.


Рис. 3. Зубчатые хоны с внешним зацеплением.

Зубохонингование хонами с внутренним зацеплением

Зубохонингование хонами с внутренним зацеплением обладает большими технологическими возможностями, поэтому этот процесс получил большое распространение в промышленности.

Зацепление зубчатого хона 1 с заготовкой 2 выполняют под углом скрещивания ? (рис. 4). При свободной кинематической связи ведущим элементом является хон, а при жесткой связи вращение хона и заготовки осуществляют раздельно с высокой точностью синхронизации с помощью электронной системы управления. Ширина хона больше ширины зубчатого венца. Кроме вращения зубчатый хон совершает радиальное движение подачи, а заготовка для улучшения условий резания осуществляет осевые осциллирующие движения, амплитуда которых должна быть не менее 3…4 мм.

Рис. 4. Схема обработки заготовки хоном с внутренним зацеплением.

Прочность зубьев хона с внутренними зубьями в среднем на 60% выше, чем хона с наружными зубьями. Это позволяет снимать большие припуски, а также хонинговать зубчатые колеса мелкого и среднего модуля. Большой коэффициент перекрытия при зацеплении хона с зубьями обрабатываемой заготовки способствует исправлению погрешностей зубьев и повышению точности их обработки.
Зубохонингование хоном с внутренним зацеплением применяют в серийном и массовом производстве для уменьшения шероховатости поверхности до Ra = 0,1…0,8 мкм, повышения точности зубьев (на 1,2 степени), снижения уровня шума при зацеплении зубьев и удаления небольших забоин и заусенцев.

Хоны для зубохонингования

Зубчатые хоны, используемые при зубохонинговании, могут быть правящими и неправящими. В качестве абразивного материала у правящих зубчатых хонов с внешним и внутренним зацеплением применяют электрокорунд высшего качества или микрокристаллический корунд с размером зерна 88…149 мкм. Наиболее важной структурной составляющей не только объемного строения хона, но и его технологических и эксплуатационных свойств является связка. Для правящих хонов используют связки: керамическую и из эпоксидной искусственной смолы. Благодаря хрупкости и низким демпфирующим свойствам этих связок абразивные зерна, имеющие критический износ, под действием силы резания выламываются из хона, открывая для работы лежащие ниже абразивные зерна. Таким образом обеспечивается самозатачивание инструмента.
Заготовки хонов изготавливают цилиндрической формы. Для обеспечения однородности и хорошей воспроизводимости хонов абразивная масса хорошо размешивается, прессуется в точной матрице при температуре до 190°C, после чего производится дисперсионное отвердевание. У полученной заготовки нарезают зубья 4 внутренние (рис. 5, б) или внешние (рис. 3, а) алмазными роликами. При необходимости производят обработку по контуру.

                                         а)                                        б)
Рис. 5. Алмазный и абразивный инструменты.

Часто применяют следующее соотношение объемных долей: абразив — 50%, связка — 40% и поры — 10%.
Перед хонингованием первой заготовки и периодически по мере изнашивания зубчатый хон с внутренним зацеплением профилируют с помощью алмазного колеса 1 и алмазного кольца 3, установленных на оправке одной 2 (рис. 5, а).

Оправку 4 с правящими элементами устанавливают в центрах станка вместо обрабатываемого колеса (рис. 6). Геометрия алмазного правящего колеса 1 точно соответствует размерам зубчатого колеса, т. е. зубья имеют такие же размеры и модификации по длине и профилю. Первоначально алмазным колесом 1 формируют профиль и дно впадины зубьев хона 3, а затем с помощью алмазного кольца 3 (рис. 5, а), установленного на конце оправки, протачивают внутренний диаметр хона. Правку, как и обработку, осуществляют в автоматическом режиме с использованием Сож, которую подают через два сопла 2 (рис. 6).

Рис. 6. Схема правки зубчатого хона с внутренним зацеплением.

Толщина слоя, снимаемого с хона в радиальном направлении, при однократном профилировании составляет 0,01…0,03 мм. За весь период работы абразивный зубчатый хон с внутренним зацеплением обрабатывает 2000…4000 заготовок, число профилирований 70…210.

Зубчатые правящие колеса

Доминирующим фактором для получения зубчатых колес высокого качества в процессе зубохонингования является высокая точность и хорошие режущие свойства правящего алмазного колеса. Наибольшее распространение в промышленности получили правящие алмазные зубчатые колеса с однослойным гальваническим негативным или позитивным покрытием из природных или синтетических алмазов.

Для изготовления правящих зубчатых колес с позитивным гальваническом покрытием применяют основной корпус 1 из стали, геометрические размеры которого точно соответствуют обрабатываемому зубчатому колесу, включая модификации по профилю и длине зуба, а точность значительно выше (рис. 7, а). Для надежного силового замыкания алмазных зерен 2 их гальванически закрепляют никелем на боковых поверхностях, во впадине и на вершине зубьев, при этом глубина слоя никеля должна составлять 0,4…0,8 высоты зерен. Так как нижняя часть алмазных зерен 2 установлена на точной металлической поверхности основного корпуса, то их верхняя рабочая часть расположена ступенчато и имеет грубый макрорельеф. Разность высоты вершин алмазных зерен соответствует разбросу их размера.

                   а)                      б)
Рис. 7. Правящие зубчатые колеса с позитивным и негативным алмазным покрытием.

С целью повышения точности изготовления зубчатого правящего колеса его боковые режущие поверхности зубьев дополнительно шлифуют (сглаживают) алмазным кругом.

Величина съема за один рабочий ход составляет 1…2 мкм, а за весь цикл обработки 5…15 мкм. Большая часть алмазных зерен сглаживается, их вершины выравниваются в плоскости резания, и повышается размерная точность правящих зубчатых колес. Однако затупление вершин алмазных зерен повышает площадь их контакта при правке, увеличивая трение и силу при резании.
Характерным для гальванически позитивно покрытых правящих алмазных колес является то, что из-за разности высот только 50…60% алмазных зерен при правке активно участвуют в резании. Поэтому для позитивных правящих колес часто применяют алмазные зерна с незначительным разбросом размеров основной фракции с зернистостью 90…126 мкм и максимальным значением 180 мкм.

При негативном гальваническом покрытии на алюминиевую или графитовую базовую оболочковую форму 4, которая является негативной копией обрабатываемого колеса, с помощью центрифуги наносят один слой алмазно-никелевого смеси 5. Этот слой равномерно покрывает всю поверхность полых зубьев.

После затвердевания никелевого покрытия вовнутрь негативной формы точно устанавливают металлическую ступицу 3. В качестве связующего звена между слоем никеля и металлической ступицей заливают смолу 6. В заключение на шлифовальном или токарном станке срезают негативную алюминиевую или графитовую оболочковую форму и химически удаляют оставшийся слой.

Несмотря на более высокую стоимость изготовления правящих колес с гальваническим негативным покрытием и длительный срок поставки их стойкость превышает в 3…8 раз стойкость правящих инструментов с положительным покрытием. Это объясняется тем, что практически все алмазные зерна участвуют в резании, обеспечивая правящим инструментам высокие режущие свойства.

Хонингование зубьев правящим абразивным хоном с внутренним зацеплением выполняют за 4…8 рабочих ходов стола с углом скрещивания осей 8…15° для открытых зубчатых венцов и 3…8° для закрытых венцов. Режимы обработки: скорость подачи стола 150…250 м/мин, радиальная подача составляет 0,001…0,010 мм на ход стола, число обработанных заготовок между двумя правками 30…50 заготовок, время правки хона 1,5…1,8 мин. Ориентировочное значение припусков и машинного времени при хонинговании в зависимости от предварительной обработки приведены в табл. 1.

Таблица 1. Припуски и машинное время при хонинговании абразивным хоном.

Обработка зубьев перед зубохонингованиемПрипуск на сторону зуба, ммМашинное время зубохонингования, минФрезерование, химико-термическая обработка (ХТО), шлифование0,003…0,0050,5…0,6Фрезерование, шевингование, ХТО0,015…0,0200,8…1,0Фрезерование, ХТО0,025…0,0451,0…1,2

Большое значение для снижения времени зубохонингования имеет адаптивная система подвода хона к заготовке. При максимальном припуске ускоренный подвод 4 хона в зацепление с заготовкой минимальный (рис. 8). После касания инструмента и заготовки включается радиальная подача хона и продоль-ная подача стола с длиной хода 7.
Если припуск минимальный, то величина ускоренного подвода возрастает. Машинное время при минимальном припуске уменьшается за счет ускоренного подвода хона и сокращения времени выполнения черновых рабочих ходов 6 по сравнению с аналогичным временем 3 при максимальном припуске. Время выполнения получистовых 2 и чистовых 1 рабочих ходов остается неизменным.

Максимальный припуск    Минимальный припуск

Рис. 8. Система адаптивного подвода хона к заготовке.

Рис. 9. Схема подрезания ножки зуба перед зубохонингованием.

Предварительную обработку заготовок зубчатых колес под зубохонингование необходимо выполнять инструментом 1 (червячной фрезой или зубчатым долбяком) с протуберанцем 5 (усиком), который прорезает углубле-
ние 4 в ножке зуба 3, превышающее припуск 2 под зубохонингование (рис. 9).
При обработке неправящимся хоном с гальванически закрепленным алмазным покрытием или покрытием из кубического нитрида бора заготовок зубчатых колес с модулем 0,8…3,5 мм, внешним диаметром до 250 мм, шириной зубчаного венца до 70 мм, твердостью HRC 58…63 и припуском 0,03…0,008 мм на сторону зуба применяют режимы резания: угол скрещивания осей ? = 5…15°; скорость резания 0,8…5,0 м/с; скорость радиальной подачи при врезании до 2 мм/мин, при хонинговании до 0,5 мм/мин. Зубохонингование производят при синхронизированном вращении заготовки зубчатого колеса и хона с внутренним зацеплением, управляемым ЧПУ станка, что позволяет оперативно устранять погрешности зубьев заготовки, полученные на предыдущих операциях. Обработка характеризуется постоянным качеством и коротким машинным временем. Однако достигаемая при однократном хонинговании шероховатость поверхностей зубьев Ra = 0,6…1,25 мкм не всегда удовлетворяет требованиям прецизионного производства, поэтому часто зубохонингование проводят за две операции — черновую и чистовую.

Шероховатость, остаточные напряжения, технико-экономические показатели при различных методах зубообработки

Особенностью процесса зубохонингования является достижение высоких показателей шероховатости поверхности зубьев. На рис. 10 приведены параметры, полученные при различных методах зубообработки. Пунктирными линиями показана шероховатость поверхности, получаемая в результате увеличения времени обработки и использования дополнительных технологических средств.

Рис. 10. Шероховатость поверхности зубьев, получаемая при различных методах зубообработки: 1 — хонинговании; 2 — фрезеровании после ХТО; 3 — шлифовании; 4 — шевинговании; 5 — фрезеровании и долблении до ХТО.

Совокупность неровностей с относительно малыми шагами, образующих микрорельеф боковых поверхностей зубьев, является важнейшим показателем качества зацепления зубчатых передач и оказывает существенное влияние на качество эксплуатации зубчатых передач:
— виброакустическую активность под воздействием высоких частот;
— удержание смазочной пленки на поверхности зубьев;
— продолжительность периода обкатки зубчатой передачи, при котором технологический рельеф зубьев становится эксплуатационным.
Благодаря углу скрещивания зубчатый хон и заготовка при зацеплении образуют винтовую передачу. На поверхности зубьев возникает скольжение со скоростью V1 по длине и V2 по профилю (рис. 11).

Рис. 11. Схема расположения следов резов на поверхности зуба.

Так как скорость скольжения по профилю V2 изменяется от нуля на делительной окружности 2 до максимальных значений на головке и ножке зуба, то результирующее скольжение V и следы резов 1 имеют специфическое веерное расположение, способствующее удержанию смазочной пленки на поверхности зубьев при эксплуатации.
Скорость результирующего скольжения

V = v V12+ V22 .

Для определения влияния шероховатости поверхности зубьев на условия их контакта при зацеплении и воздействия гидродинамической смазки были проведены сравнительные испытания коробок перемены передач легкового автомобиля при средних нагрузках. Чистовую обработку зубьев цилиндрических колес (модуль m = 2 мм, угол профиля a = 20°) производили фрезерованием, шевингованием, шлифованием и хонингованием.

У окончательно фрезерованных до ХТО методом обката цилиндрических колес шероховатость боковых поверхностей зубьев составляла Ra = 2,5–3,8 мкм. Она определялась следами огибающих резов червячной фрезы. Испытания таких колес показали значительный износ поверхности зубьев в результате металлического трения (рис. 12, в).
Зубчатые колеса, изготовленные шевингованием (Ra = 1,25–2,0 мкм) и шлифованием (Ra = 0,5–2,0 мкм) имели незначительный износ зубьев, главным образом, по вершинам микронеровностей в результате смешанного трения (рис. 12, б).

                      а)                                             б)                                   в)
Рис. 12. Схема образования гидродинамической смазочной пленки.

Боковые поверхности хонингованных зубьев цилиндрических колес имели самый низкий параметр шероховатости Ra 0,25–0,5 мкм и при испытании у зубьев практически отсутствовал металлический контакт и износ (рис. 12, а).

В результате проведенных испытаний было установлено, что микрорельеф хонингованных зубьев, а также веерное расположение следов резов позволяет при зацеплении стабильно удерживать на поверхности зубьев смазочную пленку толщиной 3–5 мкм и тем самым минимизировать износ.

Зубохонингование относится к группе методов, выполняющих микрорезание твердых поверхностных слоев зубьев большим числом не ориентированных в пространстве режущих элементов. Вследствие низких скоростей резания
(V = 0,5…13,0 м/с) мощность зубохонингования достаточно высокая. Поэтому в зоне резания преобладают не термические, а механические процессы. Соответственно, отсутствуют термическое разрушение поверхностей зубьев и термические изменения свойств поверхностных зон, а в поверхностных слоях зубьев образуются остаточные внутренние напряжения сжатия на глубину до 150 мкм.

На рис. 13 показан уровень остаточных внутренних напряжений сжатия, возникающих в поверхностном закаленном слое зубьев после хонингования абразивными 3, алмазными 1 и хонами из кубического нитрида бора 2.

Максимальные значения внутренних напряжений сжатия получают при обработке металлическими зубчатыми хонами с однослойным покрытием зернами кубического нитрида бора. Такие хоны обладают высокой жесткостью и допускают большие радиальные и окружные подачи при низкой окружной скорости.

Рис. 13. Остаточные внутренние  напряжения после хонингования различными инструментами.

Достигаемая точность и сравнительная стоимость (в процентах) обработки зубчатых колес при использовании финишных методов: зубошевингования 1, зубохонингования 2, зубофрезерования твердосплавными червячными фрезами 3 и зубошлифования червячными абразивными кругами 4 приведены на рис. 14.

Рис. 14. Точность и стоимость финишной обработки зубчатых колес.

Для сравнения экономической эффективности финишной обработки зубчатых колес был проведен технико-экономический анализ (табл. 2). Объектом являлось зубчатое колесо коробки перемены передач легкового автомобиля: модуль m = 2 мм, число зубьев z = 35, угол профиля ? = 20°, угол наклона линии зуба ? = 33°, внешний диаметр вершин зубьев da = 91 мм, сталь 18ХГТ (HRC 58–63), годовой выпуск 300000 штук. В связи с современными требованиями автостроения точность изготовления зубчатых колес должна быть не ниже 6 степени (ГОСТ 1643–81).

Таблица 2. Экономические показатели (рубли) финишных методов обработки зубьев.

Метод финишной обработкиЗубоше-вингованиеЗубохонин-гование
правящимся
абразивным хономЗубохонин-гование неправящимся
хоном с покрытием КНБЗубофрезе-рование твердосплавной
червячной фрезойНепрерывное обкатное зубошливование
абразивным червяным кругомСтоимость оборудования
(станков)12,824,860,85863,6Затраты на заработанную
плату11,620,828,829,228,8Расходы на инструмент
и его содержание2,810,430,84212,8Обкатка после ХТО, удание
забоин и заусенцев4,8    Стоимость финишной
обработки3256120,4129,2105,2

Так как затраты на материал для всех вариантов финишной обработки были постоянны, поэтому рассматривались только заработная плата производственных рабочих и накладные цеховые расходы: стоимость эксплуатации и амортизации оборудования (включая технологическую оснастку) и инструмента. Из всех рассматриваемых методов дополнительная операция по обкатке зубчатых колес, удалению забоин и заусенцев требуется только для зубошевингования.

Выводы

При анализе эффективности применения финишных операций получили:
1. Наименее затратным методом является зубошевингование. При этом требуется достижение высокой точности (выше 5-й степени) при зубошевинговании и снижение точности в результате деформаций при ХТО не более, чем на одну степень по ГОСТ 1643–81. Такой процесс является не стабильным и в массовом производстве для обработки зубчатых колес с точностью не ниже 6-й степени практически не применяется.
2. Самым эффективным с экономической точки зрения в данном примере является метод зубохонингования абразивным правящим хоном. В качестве недостатков зубохонингования следует отметить высокую чувствительность к колебанию припусков после ХТО, что не позволяет обеспечивать стабильную воспроизводимость.
3. Непрерывное обкатное зубошлифование абразивным червячным кругом экономически менее эффективно, чем зубохонингование абразивным хоном, но менее зависимо от качества предварительной обработки и более стабильно в достижении точностных параметров зубьев.
4. Зубохонингование неправящимся хоном с покрытием КНБ и зубофрезерование твердосплавной червячной фрезой по стоимости существенно превышают остальные методы, поэтому они применяются значительно реже.

д. т.н., профессор А. С. Калашников
Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)
e-mail: alexandr_kalashnikov45@rambler.ru

Литература

  1. Калашников А. С., Моргунов Ю. А., Калашников П. А. Современные методы обработки зубчатых колес. Издательский дом «Спектр», Москва, 2012, 238 с.
  2. Шандров Б. В., Моргунов Ю. А., Калашников П. А. Экспериментальные исследования припусков при непрерывном обкатном зубошлифовании. Справочник. Инженерный журнал. М.: Машиностроение. С. 3–7.
  3. Максимов Ю. В., Абрамова А. Р., Кузьминский Д.Л., Мокринская А. Ю. К вопросу об обеспечении качества обработки сложнопрофильных деталей на станках с изменяющими элементами. Известия Московского государственного технического университета МАМИ. 2012. № 1 (13).С. 168–174.
  4. Калашников А. С. Технология изготовления зубчатых колес. М.: Машиностроение, 2004. 479 с.
  5. Bausch Tomas. Innovative Zanradfertigung. Expert verlag GmbH, D-71268, Reningen, Germany, 2006, 778 s.
     

<