Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Финишная обработка зубьев зубчатых колёс

Содержание

Введение

В современном мире большинство машин и механизмов трудно представить без зубчатых колес. Хотя имя изобретателя зубчатого колеса неизвестно, определенно его можно назвать одним из великих изобретателей. Свое применение зубчатые колеса нашли еще в глубокой древности. Их применение обуславливалось необходимостью преобразования и передачи механической энергии от природного источника к потребителю. Изначально они отличались своей формой от современных и изготавливались из дерева. Начиная с XVIII в., с развитием таких наук как геометрия, кинематика и механика, профиль зубьев совершенствовался, приобретая более рациональную форму и очертания.

Сейчас зубчатые передачи являются одним из важнейших элементов различных приборов, машин и механизмов. От их качества зависят эксплуатационные свойства и надежность этих машин. Они применяются для преобразования вращательного движения в поступательное, а также для передачи вращательного движения между осями валов. Применение зубчатых передач обусловлено рядом преимуществ по сравнению с остальными видами передач. Этими преимуществами являются:

Зубчатые колеса классифицируются в зависимости от конструктивного исполнения: цилиндрические, червячные, конические.

1. Актуальность темы

Зубчатые передачи являются наиболее распространенным видом силовых передач. Качество их работы зависит от точности и качества поверхностей зубьев зубчатых колес, которые достигаются главным образом на этапах отделочной и упрочняющей обработки. Зубчатый венец является элементом со сложным периодическим профилем и получается путем механической обработки. Это требует высоких затрат трудоемкости механической обработки и назначения дополнительных припусков, связанных с достижением требуемой точности и качества зубьев. Финишная и отделочная обработка зубьев, ввиду большой площадь поверхности зубчатого венца, требует не меньших затрат трудоемкости, которая значительно увеличивается при повышении требований к точности зубчатых колес. Поэтому в настоящее время актуальной является задача повышения производительности и качества отделочной обработки зубьев зубчатых колес.

На основании вышеизложенного, данная работа актуальна, и посвящена решению вопросов повышения производительности и качества отделочной обработки зубчатых колес перед нанесением покрытий.

2. Цель и задачи исследования

Цель работы: Повышение производительности и качества обработки зубьев зубчатых колес за счет совершенствования технологии финишной обработки зубьев и нанесения специальных покрытий.

Основные задачи исследования:

  1. Выполнить анализ условий работы зубчатых колес, определить основные требования предъявляемые к зубчатым колесам для обеспечения надежной и безотказной их работы
  2. На основе морфологического анализа, определить наиболее рациональные методы отделочной и упрочняющей обработки зубьев.
  3. Разработать общую структуру технологического процесса отделочной и упрочняющей обработки зубьев, обеспечивающего повышение эксплуатационных характеристик зубчатых колес.
  4. Предложить рациональный метод финишной обработки зубьев, обеспечивающий повышение производительности полирования боковых поверхностей зубьев.
  5. Выполнить исследование влияния входных параметров финишной обработки на качество получаемой поверхности зубьев.
  6. Разработать рекомендации по повышению производительности финишной обработки зубьев и качеству обрабатываемых поверхностей.

3. Обзор исследований

3.1 Требования, предьявляемые к зубчатым передачам

На работоспособность зубчатого зацепления влияют такие внешние факторы [1]:

  1. Значение фактической прилагаемой силовой нагрузки, поскольку расчетная, номинальная нагрузка не приводит к изменению формы зуба и не оставляет значительных следов деформации на рабочей поверхности зубчатой передачи.
  2. Наличие абразивных частиц, способствующих абразивному износу или химических веществ вызывающих коррозию поверхностей зубьев, способствующих возникновению газовой или жидкостной эрозии. Основная причина коррозии – наличие воды в смазочном материале – проявляется в виде равномерного или неравномерного слоя ржавчины на поверхности зубьев. Степень коррозии может быть различной.
  3. Степень взаимного перемещения зубчатого колеса относительно вала. Неподвижность посадочных поверхностей зубчатого колеса и вала удовлетворяет проектным требованиям в том случае, если сопрягаемые детали остаются неподвижными при приложении нагрузки. Появление малых перемещений сопрягаемых деталей приводит к фреттинг-коррозии, проявляющейся в виде темных пятен на посадочной поверхности детали.
  4. Характер взаимодействия контактирующих поверхностей, которая определяется видом трения на контактирующих поверхностях. Если преобладает жидкостное трение, обеспечивающее минимальный коэффициент трения, и происходит полное разделение контактирующих поверхностей слоем масла, то состояние оценивают как хорошее. В этом случае преобладающим является окислительный износ. Возникновение граничного трения приводит к контакту двух деталей, проявляясь в полировании рабочих поверхностей зубьев. Наиболее часто граничное трение проявляется на начальной стадии приработки новых зубчатых колёс.

Условия работы зубчатых колес определяются их быстроходностью, уровнем контактных и изгибающих нагрузок.

В процессе эксплуатации зубья зубчатых колес подвергаются [1]:

В связи с этим зубьям зубчатых колес предъявляются следующие требования:

Эти требования могут быть реализованы с помощью термической, химико-термической, чистовой, отделочной обработки, упрочнения методом ППД.

Вместе с этими требованиями приписываются требования по точности зубчатых колес. Допуски на цилиндрические зубчатые передачи определены стандартом. ГОСТ 1643-81 устанавливает 12 степеней точности зубчатых колес и передач [2].

Для каждой степени точности установлены независимые нормы допускаемых отклонений параметров, которые определяют: кинематическую точность, плавность работы, контакт зубьев в передаче [2].

Также ГОСТ 1643-81 установлено шесть видов сопряжений, определяющих гарантированный боковой зазор. Боковой зазор – это расстояние, измеренное по нормали между нерабочими профилями зубьев сопряженных колес.

Минимальная величина бокового зазора необходима для:

Точность изготовления зубчатых колес и передач задается степенью точности, а требования к боковому зазору – видом сопряжения по нормали бокового зазора [2].

Зубчатая передача (анимация: 8 кадров, 65 Кбайт)

Рисунок 1 – Зубчатая передача (анимация: 8 кадров, 65 Кбайт)

3.2 Признаки снижения работоспособности зубчатых передач

Основные признаки снижения эксплуатационных свойств зубчатых передач [3]:

  1. Шум в работе. Возникает вследствие ударов и трения сопряженных пар зубьев. Причинами могут быть: повышенные боковые зазоры, пульсирующие знако-переменные нагрузки, взаимное скольжение профилей, кромочный контакт.;
  2. Механический. Возникает вследствие трения рабочих профилей при отсутствии или недостаточном количестве смазочного материала в пятне контакта зубьев. Наличие твердых частиц продуктов износа в смазочном материале.;
  3. Выкрашивание. Причиной могут быть контактные напряжения, гидродинамические явления в смазочном материале.
  4. Усталостный износ. Сопровождается появлением трещин на рабочем профиле зубьев. Причины: контактные напряжения, динамические нагрузки различные по величине и направлению.;
  5. Окислительный износ. Причина: работа зубчатых передач в агрессивных средах и в условиях повышенной влажности.;
  6. Деформационный износ. Проявляется в виде пластической деформации поверхностного слоя зубьев. Причины: несоответствие формы сопрягаемых зубьев теоретическому профилю. Кромочный контакт. Неравномерное распределение нагрузки по длине зуба.;
  7. Заедание. Ограничение свободного обкатывания сопрягаемых зубьев.;
  8. Поломка – выламывание отдельных зубьев. Действие повышенных изгибных напряжений у ножки зуба, неравномерное распределение нагрузки по отдельным зубьям, вызванное погрешностью окружного шага, действие пульсирующих знако-переменных нагрузок.

Среди рассмотренных признаков, шум в работе, поломка и заедание вызваны главным образом нарушениями нормальных условий работы зубчатой передачи, а износ является постепенной утратой ЗК первоначальной формы, размеров и свойств, и может стать причиной остальных признаков нарушения эксплуатационных характеристик. Таким образом основной задачей современных технологий является снижение скорости распространения износа различных элементов ЗК [3].

Последствия заедания зубчатого колеса

Рисунок 2 – Последствия заедания зубчатого колеса

3.3 Обработка зубчатых колёс

Обработка зубчатого венца происходит в три этапа:

  1. предварительная;
  2. чистовая;
  3. отделочная.

Отделочная или финишная обработка зубьев. На этом этапе осуществляется абразивная обработка зубьев с целью обеспечения точности и качества поверхности, нарушенных при выполнении упрочняющей обработки, и дальнейшего достижения точности для приведения зубчатого колеса к соответствию требованиям чертежа. Используется зубошлифование (методом копирования или обкатки), зубохонингование и притирка зубьев.

Следует отметить что зубчатые колеса, подвергаемые нанесению износостойких покрытий, хоть и не требуют дорогостоящей термической обработки, однако имеют некоторые особенности обработки рабочих поверхностей зубьев, поскольку в дальнейшем они являются подложкой под покрытие.

Основным требованием к поверхности подложки является ее низкая шероховатость (до Ra=0,16…0,08 мкм) и достаточная чистота поверхности, исключающая присутствие в поверхностном слое неорганических включений и масляных пленок. Последнее достигается ультразвуковой мойкой и обезжириванием непосредственно перед помещением изделий в камеру для нанесения покрытий. Достижение требуемой шероховатости поверхностей зубьев вводит дополнительные этапы отделочной механической обработки. После достижения точности зубчатого венца, выражаемой комплексом параметров соответствующих заданному классу точности, производится дальнейшая отделочная обработка зубьев. Шероховатость после размерной обработки зубьев не должна быть более Ra=1,6 мкм, что может быть достигнуто зубошлифованием, шевингованием или зубохонингованием. Дальнейшая обработка должна быть направленна главным образом на сглаживание микронеровностей поверхности с целью достижения более низкой шероховатости. Для этого используется полирование [4]. Причем для достижения указанной шероховатости под нанесение покрытия требуется 3 этапа. На первом этапе – предварительное полирование, в качестве инструмента используется хлопчатобумажный или фетровый круг, накатанный абразивным порошком электрокорунда белого зернистостью 6-3. В результате достигается шероховатость Ra=0,63-0,32 мкм. Скорость круга 25-30 м/с, скорость подачи 4-6 м/мин, давление полировального круга 0,2 МПа. Окончательное полирование до шероховатости Ra=0,32-0,16 мкм производится мягкими хлопчатобумажными кругами пасмами на основе окиси хрома или окиси железа, или накатанные микрошлифпорошком зернистостью М28-М14. Скорость круга 30-35 м/с, подача 6 м/мин, давление 0,1-0,15 Мпа. Третий этап – глянцевание до шероховатости Ra=0,08&-0,04 мкм производится мягким войлочным кругом пастой на основе окиси хрома с зернистостью микрошлифопорошка М10–М7. Скорость круга 30-35 м/с, скорость подачи – 6-8 м/мин, давление инструмента на деталь 0,05-0,1 Мпа [5].

4. Выводы

В работе рассмотрены: требования, предъявляемые к зубчатым передачам, причины выхода из строя и снижения эксплуатационных свойств зубчатых колёс, особенности отделочной обработки зубьев зубчатых колес, подвергаемых нанесению износостойких покрытий. Проведен анализ рассмотренных признаков снижения свойств зубчатых передач, и способы их устранения. Поставлены цели и задачи будущих исследований.

Список источников

  1. Александров Л. И., Артеменко Л. П., Костюк Д. И. Зубчатые передачи. Харьков: Издательство харьковского университета, 1964. 276 с.
  2. Бароне, Тордьон Точное распределение напряжений в стандартных зубьях и геометрические коэффициенты.//Труды американского общества инженеров – механиков, Серия В, 1973. № 4. С. 271–176.
  3. Аттиа Шум эвольвентных косозубых колес//Труды американского общества инженеров –механиков, Серия В, 1969. № 1. С. 179–186.
  4. Адам Я. И., Антонов О. И., Жарков В. В., Копф И. А., Овумян Г. Г. Чистовая обработка зубьев крупных закаленных колес // Вестник машиностроения, 1980. № 9
  5. Айрапетов Э. Л., Апархов В. И., Мельникова Т. Н., Филимонова Н. И. Неравномерность распределения статической нагрузки в косозубых и шевронных зубчатых передачах // Вестник машиностроения, 1997. № 10.
  6. Айрапетов Э. Л., Афонский Б Д., Генкин Б. Д., Луценко В. И., Мдинарадзе Н. И. Об анализе кинематической погрешности зубчатых передач с использованием фильтрации// Вестник машиностроения, 1985. № 3.
  7. Байков А. Н., Шрайбман С. М. Нарезание колес с малым числом зубьев на зубодолбежном станке // Вестник машиностроения, 1973. № 7.