Способы шлифования зубчатых колес

Шлифование зубчатых колес

Финишное шлифование зубчатых колес – обязательный процесс обработки деталей, от которого во многом зависит дальнейшая работа механизмов, где будут использованы данные составляющие.

Перед тем, как направить вашу заявку на зубошлифовку в компанию «РПМ», ознакомьтесь с табличкой «Наши возможности» ниже, где вы можете найти информацию о габаритных размерах шлифуемых колес, модуле и достигаемой шероховатости на зубе обрабатываемой шестерни.

Отправить на расчет:

Наши возможности:

№	Параметр	Мин. значение	Макс. значение
1	Шероховатость поверхности	Ra=0,8 мкм	—

Для чего нужна шлифовка зубьев

Среди основных требований к составляющим зубчатых передач – повышенная твердость. Достигают ее с помощью термической закалки металлических частей. Но под воздействием температуры уже готовые детали могут деформироваться, незначительно изменять форму.

Исправить все возникающие отклонения и придать заготовке именно те параметры, которые требуют стандарты, позволяет шлифование. Правильно выполненная процедура дает возможность повысить точность зубчатой передачи до 6-й или даже 4-й степени точности.

Качественно отшлифованные детали впоследствии обеспечивают плавность хода зубчатого механизма, повышают его ресурс, КПД, нагрузочную способность. Таким образом, правильно выполненная обработка зубчатых колес значительно уменьшает риск простоев из-за поломки оборудования, сокращает затраты на ремонт и повышает производительность.

Методы зубошлифования

Современное развитие технологий позволяет выполнять шлифование зубьев зубчатых колес различными методами. При этом каждый из них имеет свои особенности и сферу применения.

Обкат

Технология, основанная на зацеплении обрабатываемого колеса с зубом рейки, воспроизводимой поверхностями шлифовального круга.
В процессе шлифования и абразивный круг, и заготовка непрерывно вращаются, скорости всех деталей связаны между собой. Одновременно, круг совершает движения вдоль оси обрабатываемой шестерни, в результате чего осуществляется шлифовка зубьев по всей их длине.
Метод обката, в свою очередь, подразделяется на четыре варианта в зависимости от вида и формы шлифовального инструмента.

Конусный круг

При шлифовке кругом, имеющим коническую форму, колесо или шлифовальная бабка совершают поступательные движения в направлении, перпендикулярном оси обрабатываемой детали. Одновременно с этим шестерня поворачивается, соответственно ее скатыванию по производящей рейке. После того, как шлифовка зуба шестерни завершается, заготовка поворачивается на угол, соответствующий одному или нескольким зубчатым элементам.

Плоский круг

В процессе обработки плоским кругом большого диаметра, рабочая торцевая часть абразивного инструмента воспроизводит профиль одной боковой стороны зуба исходного контура рейки. Процесс обеспечивают два одновременно производимых движения:

• вращение обрабатываемой детали вокруг своей оси;
• передвижение этой же детали вдоль производящей рейки.

Сам круг при таком методе обработки не перемещается вдоль зубьев, что позволяет шлифовать колеса с узкими зубчатыми венцами. После того, как завершается шлифовка поверхности одного зуба, происходит делительный поворот колеса на один или несколько элементов.
Вторая сторона зуба обрабатывается после того, как колесо переустанавливается на 180°.

Червячный круг

При таком методе шлифовки зубьев шестерен одновременно обрабатываются обе боковые поверхности элемента (зуба). В результате данный способ позволяет значительно сократить время на обработку, и повысить производительность процесса. Особенно, при работе с мелкомодульными зубчатыми колесами.

Данный метод имеет несколько особенностей. Во-первых, при использовании червячного круга число элементов, которые находятся одновременно в зацеплении с разных сторон, – различно. Поэтому при входе и выходе зубьев из зацепления может образовываться погрешность. Но непрерывность процесса сводит риск возникновения погрешностей шага практически к нулю.

Во-вторых, в процессе окружная скорость абразивного круга и скорость обката находятся в определенном отношении. В результате, уменьшается возможность варьировать их скорость и увеличивается риск появления шлифовочных прижогов.

Тарельчатые круги

Этот метод для шлифования зубчатых колес начали применять сравнительно недавно, но он практически сразу получил широкую известность и применение.

В процессе шлифовки абразивные круги могут занимать различное положение относительно обрабатываемой заготовки. Рабочей частью тарельчатых кругов является узкая кромка, благодаря чему шлифовка зубчатых колес выполняется при минимальном контакте инструмента с обрабатываемой поверхностью. Это обстоятельство в сочетании с обкатным движением и продольной подачей колеса позволяет быстро сменять место контакта, в результате чего заготовка почти не нагревается, а поверхность круга – не «засаливается». Поэтому при шлифовке тарельчатыми кругами нет необходимости использовать охлаждающие вещества, да и сам рабочий инструмент практически не нуждается в правке.

Профильное копирование

В данном случае для обработки зубчатых деталей используются шлифовальные круги, поверхность которых повторяет впадины зубьев заготовки. Такой метод используется, в основном, для шлифовки цилиндрических колес с прямыми внешними зубьями и деталей с внутренними зубьями, в том числе, и расположенными под наклоном (косыми).

При обработке косозубых шестерен, для каждой из них применяется отдельная винтовая направляющая с ходом винтовой линии, который равен ходу зуба обрабатываемого колеса.

При профильном копировании используют способы радиальной (прямой) и осевой (продольной) подачи. Последний применяют при работе с крупномодульными заготовками.

Обязательные условия ведения зубошлифовальных работ по методу профильного копирования: постоянная правка круга и применение делительных устройств.

Сравнение методов обработки

Сравнивая различные стандартные технологии обработки зубчатых колес позволяет установить, что наиболее высокой точности (3 степень) шлифования можно добиться при использовании метода обкатки с периодическим делением двумя тарельчатыми кругами. Однако существенным недостатком данного метода является его сравнительно низкая производительность и высокая стоимость необходимой оснастки.

Немного уступает по точности обработки предыдущему способу – метод копирования профильным кругом. В данном случае точность готовой детали зависит от точности формы профиля абразивного круга. При этом простая кинематика оборудования практически исключает возникновение каких-либо погрешностей в процессе обработки, что является значительным «плюсом» технологии.

Что касается других вариантов обработки, то зубошлифовка зубчатых колес методом обкатки червячным кругом дает точность 5 степени, а обкатка коническим или плоским кругами – 6-й степени.

«Секреты» качественной обработки

Шлифование зубчатых деталей считается одной из наиболее сложных операций. Поэтому для повышения ее результативности специалисты используют несколько «хитростей».

1. Шлифовку производят на режимах, которые полностью исключают вероятность возникновения прижогов на поверхности зубчатых колес.
2. Процесс разбивают на два этапа: черновой и финальный. Между этапами дополнительно производят низкотемпературный отпуск деталей. Это позволяет избежать появления на обрабатываемых поверхностях трещин и сколов из-за высокой концентрации напряжений.
3. Избегают шлифования впадины.
4. После зубошлифовки зубчатые колеса дополнительно подвергают процессу дробеметного наклепа.

Важно! На производительность процесса и качество шлифовки влияет правильный выбор смазочно-охлаждающей жидкости. В качестве последней лучше всего подходят легкие минеральные масла с комплексом присадок. При этом предпочтение стоит отдавать составам, содержащим серу и другие элементы, которые позволят обеспечить качественное шлифование без прижогов и трещин.

Правильное и своевременное выполнение этих операций позволяет получать заготовки с точностью 4-5 степени.

Оборудование для зубошлифовки

Современные зубошлифовальные станки подразделяются на две большие категории. Оборудование первой категории работает по методу копирования и может быть:

• С раздельными движениями формообразования и деления (используется профильный шлифовальный круг).
• С совмещенными формообразовательными и делительными движениями (применяется абразивный круг типа глобоидного червяка).

Станки второй категории, работающие по методу обкатки также подразделяются на две группы:

• С раздельными движениями обката и деления (оснащаются одним или двумя кругами конического профиля либо тарельчатыми кругами).
• С совмещенными движениями (в качестве обрабатывающего инструмента используется червячный круг).

В последнее время большинство станков оснащаются системой ЧПУ, что значительно повышает качество обработки, уменьшая при этом риск воздействия человеческого фактора.

Выбор станков для шлифования шестерни зависит от особенностей поверхностей, которые необходимо отшлифовать и требований к качеству готовых изделий. При этом важно учитывать, что большая часть станков, работающих по технологии обката имеют более низкую производительность, чем те, что работают по методу копирования. Но точность обработки на первых гораздо выше, чем на вторых, так как обеспечить точное согласование вращательного и поступательного движений гораздо проще, чем точное позиционирование шлифкруга в радиальном и осевом направлениях.

Используемые материалы

Шлифовка зубьев осуществляется при помощи специальных абразивных материалов. Чаще всего для обработки зубчатых колес используются:

1. Алмазные абразивы. Позволяют обрабатывать закаленные металлы любой прочности и добиваться высокой точности процесса. Используются для шлифовки наиболее ответственных деталей.
2. Эльборовые абразивы (нитрид бора). По своей твердости этот материал близок к алмазу, а по ряду других характеристик и вовсе превосходит его. Например, он способен выдерживать более высокие температуры без окисления. При этом его структура позволяет проводить сравнительно мягкую обработку, снижая риск повреждения поверхности зубьев.

Также при шлифовке шестерни из сложнолегированных сталей и сплавов при помощи эльборовых кругов исключены процессы диффузии и адгезии зерен материала.

Кроме того, эльборовые инструменты гораздо доступнее (дешевле) алмазных.
Для связки абразивных зерен алмазных и эльборовых кругов используют, как правило, металлическую или бакелитовую связки.

Стоимость зубошлифования

Для расчета цены зубошлифования принимают в расчет не только размер партии обрабатываемых деталей, но и используемое оборудование.
Выбор последнего, в свою очередь зависит от нескольких факторов:

• материала изготовления зубчатой передачи;
• формы и типа колес;
• требуемой точности.

Также при расчетах могут учитываться и другие нюансы, в зависимости от того где и как планируется использовать зубчатые передачи.

Сфера применения

Механизмы с зубчатыми передачами широко применяются в самых различных сферах промышленности и в быту, поэтому шлифовка самых различных шестерен – один из наиболее востребованных процессов металлообработки.

Особенно зубошлифование востребовано при изготовлении:

• Высокоточных цилиндрических зубчатых передач и редукторов со степенью точности от 5 до 3 степени с диаметром колеса до 2500 мм.
• Шевронных зубопередач с диаметром до 2500 мм.
• Высокоскоростных цилиндрических передач и редукторов до 100000 об/мин.
• Зубчатых передач для различных насосов.
• Планетарных зубопередач.
• Беззазорных червячных передач и редукторов с диаметром колеса до 2000 мм.

Наибольшая потребность в качественно обработанных высокоточных зубчатых передачах имеется в машино- и станкостроении, при создании различных видов оборудования.

Более 8 лет на рынке инжиниринговых услуг во всех сферах машиностроения.

Источник

Способы шлифования зубчатых колес

Как основоположник метода непрерывного обкатного шлифования зубчатых зацеплений начиная с 1945 года, фирма Reishauer до сегодняшнего дня остается лидером в области финишной обработки зубчатых колес. Среди многочисленных разработок компании последними наиболее известными являются обкатное шлифование с непрерывным шифтингом, шлифование с шифтингом по методу LowNoise и шлифование с контролируемым скрещиванием профилей.
Разработанная в последние годы технология шлифования с последующим полированием расширяет перечень технологических опций оборудования.

Рис. 1. Сравнение поверхностей зубьев обработанных по методу непрерывного обкатного шлифования (слева) и с опцией шлифования с последующим полированием (справа)

Рис. 2. Кинематика непрерывного обкатного зубошлифования

Зубчатые зацепления, обработанные по методу обкатного шлифования, отличаются высокой точностью и последующее полирование обеспечивает повышение качества поверхности, уменьшает шероховатость и увеличивает несущую способность зубьев.
Снижение энергопотребления и, как следствие, выбросов CO₂ автомобилей требует дальнейшего развития двигателей. Одновременно с этим такое сокращение ставит задачу увеличения удельной мощности трансмиссии. Это, в свою очередь, требует большей нагрузочной способности зубьев и снижения потерь мощности трансмиссии. Улучшение свойств материала поверхности зубьев и комплексная модификация геометрии профиля зубьев способствуют оптимизации работы зубчатого зацепления под нагрузкой. Следует отметить, многочисленные исследования показали, что уменьшение шероховатости поверхности профиля зуба оказывает действительное влияние на нагрузочную способность и снижает потери мощности трансмиссии. Эффект от улучшения шероховатости поверхности, отражающийся в положительном изменении соответствующих показателей, был изучен в ходе нескольких проектов в центре исследования шестерен Мюнхенского технического университета. Эскпериментальные работы подтвердили, что уменьшение шероховатости поверхности зубьев со стандартных показателей Ra ≈ 0.4 мкм до Ra 0.15 мкм увеличивает нагрузочную способность зацепления приблизительно на 14 %. Это увеличение в большой степени объясняется снижением показателя микропиттинга поверхности. Как и в большинстве предшествующих научных экспериментов, испытания проводились на шестернях, которые были обработаны методом вибрационного суперфиниширования.

Улучшенное качество поверхности

На основании этих исследований и с целью уменьшения шероховатости поверхности на шлифованых поверхностях зубьев, производители автомобильных трансмиссий начали поиски более подходящего метода обработки в сравнении с вибрационным финишированием. Непрерывное обкатное зубошлифование широко известно как один из наиболее производительных методов обработки зубчатых колес автомобильных трансмиссий. По этой причине автопроизводители фокусируют свое внимание на вариантах расширения этого процесса, которые позволяют достигать показателей качества поверхности при использовании альтернативных технологий обработки. Отработанная технология Reishauer Low Noise Shifting позволяет модифицировать структуру шлифованной поверхности с целью снижения шума, возникающего в трансмиссии при зацеплении шестерен. Теперь же фирменный метод шлифования с последующим полированием обеспечивает значительное увеличение нагрузочной способности зубьев и кпд зубчатой передачи в целом. Метод шлифования с последующим полированием фирмы Reishauer был специально разработан с целью уменьшения начальной шероховатости поверхности фланков зубчатого зацепления, обработанных методом непрерывного обкатного зубошлифования, до уровня, сравнимого с показателями после обработки вибрационным финишированием. При этом в отличие от вибрационного суперфишинирования, новый метод не имеет негативных воздействий на геометрию и характеристики поверхностной зоны зубьев.

Рис. 3. Комбинированный червячный шлифовальный круг для метода шлифования с последующим полированием Reishauer. Часть круга слева презназначена для непрерывного обкатного шлифования. Правая секция круга используется для тонкого шлифования или полирования.

Рис. 4. Шероховатость поверхности зуба после обкатного шлифования

Рис. 5. Шероховатость поверхности зуба после шлифования с последующим полированием

Процесс

Метод шлифования с последующим полированием фирмы Reishauer поцизионируется как последняя технологическая операция обработки, при этом операция полирования следует сразу после стандартного обкатного зубошлифования. Во время цикла полирования пики шероховатости удаляются с поверхности, что ведет к уменьшению высоты профиля шероховатости поверхности и, как следствие, увеличению площади контакта зубьев в зацеплении. По сравнению с достигаемым качеством обработки использовавшегося до этого метода, геометрическая точность фланков зубьев в активной области также увеличивается. Во время операции шлифования с последующим полированием в общем случае достаточно одного дополнительного прохода для достижения требуемой шероховатости поверхности. Для использования нового метода обработки заказчикам требуется специальный комбинированный червячный шлифовальный круг с приклееной полировальной частью. Такие оригинальные шлифовальные круги изготавливаются инструментальным подразделением фирмы Reishauer AG.
В зависимости от выбранной спецификации комбинированного круга и соответствующей технологии обработки, процесс шлифования с последующим полированием позволяет достигать значений шероховатости поверхности Ra 0.15 мкм и менее.
С точки зрения кинематики процесса, шлифование с последующим полированием Reishauer значительно отличается от различных методов вибрационного финиширования, используемых в предшествующих экспериментальных работах и исследовательких проектах. По этой причине фирма Reishauer провела независимую экспертизу в мюнхенском техническом университете с целью исследовать воздействие от различных вариаций финишной обработки во время непрерывного обкатного зубошлифования на работоспособность зубчатых колес в трансмиссии. Эта оценка подтвердила 15% снижение потерь общей мощности на образцах, обработанных по методу шлифования с последующим полированием, вследствие снижения трения в передаче под нагрузкой в сравнении с образцами, обработанными классическим методом обкатного шлифования. Этот же результат был в дальнейшем подтвержден на испытательном стенде по показаниям температуры масла в установившемся режиме.

Впечатляющие результаты

Внедрение метода шлифования с последующим полированием как следующего шага в процессе непрерывного обкатного зубошлифования требует минимальных инвестиционных затрат в случае наличия у заказчика зубошлифовальных станков Reishauer. При этом алмазный правящий инструмент остается неизменным как и для классического метода обкатного шлифования. Кроме того, данная опция требует минимального дополнительного обучения рабочего персонала. Небольшое увеличение времени цикла обработки вследствие введения дополнительного прохода на полирование компенсируется значительным увеличением качества обработки. Для сравнения, использование метода вибрационного суперфиниширования требует двух станков: зубошлифовального станка и станка для вибрационного финиширования, то есть дополнительного технологического процесса со всеми сопровождающими его затратами. Необходимые дополнительные инвестиции включают в себя обновление программного обеспечения и заказ специальных комбинированных шлифовальных кругов, имеющих две секции: одну для шлифования и одну для полирования. Более высокая по сравнению с классическим обкатным шлифованием стоимость процесса и необходимые инвестиции в оборудование в значительной степени перевешиваются снижением потерь крутящего момента, увеличением несущей способности зубчатых венцов и удельной мощности трансмисии.

Walter Graf, ©, Switzerland,
июнь 2016

Источник