Повышение качества конструктивно-технологического обеспечения зубчатых муфт

МИХАЙЛОВ Александр, ГРУБКА Роман, ЛАГИН Алексей, НЕДАШКОВСКИЙ Александр

Донецкий национальный технический университет

Введение

Зубчатые муфты предназначены для передачи крутящих моментов между валами и компенсации монтажных погрешностей.

Одним из основных преимуществ зубчатых муфт является способность передавать значительные нагрузки при малых габаритах. Однако при нестационарных режимах работы муфт, например, при запуске, происходят радиальные смещения осей ступиц относительно втулки. Это приводит к снижению нагрузочной способности зубчатых муфт.

Нагрузочная способность и способность к компенсации монтажных погрешностей валов зависят от геометрии боковой поверхности зубьев муфт и физико-механических свойств материала, из которого они изготовлены. В зависимости от формы боковой поверхности различают зубья с прямолинейной образующей, зубья с продольной или профильной модификацией, а также различные пространственно модифицированные зубья [1, 2, 3]. Придание необходимых физико-механических свойств материалу заготовок осуществляется различными методами изготовления. Один из них – термомеханическая обработка. Известно, что термомеханическая обработка (ТМО) является эффективным способом упрочнения сталей, используемых в тяжелонагруженных условиях; ТМО повышает сопротивление хрупкому разрушению, ударную выносливость, предел прочности и износостойкость. Сущность ТМО заключается в том, что мартенсит наследует мелкозернистую структуру от переохлажденного аустенита, а также происходит «наследование» дефектов при учете термической деформации при упрочнении. Поэтому применение ТМО для повышения нагрузочной способности зубчатых муфт за счет увеличения предела выносливости зубьев на изгиб является одним из перспективных направлений. В связи со всем вышеизложенным, актуальной задачей является разработка способов одновременного получения заданной геометрии на боковых поверхностях зубьев зубчатых муфт и обеспечения требуемых физико-механических свойств материала изделия.

Цель работы – разработка технологических методов получения пространственной геометрии зубьев зубчатых муфт и обеспечения их требуемых физико-механических свойств.

Данная работа основана на решении задачи по разработке технологического обеспечения термомеханической обработки зубьев зубчатых муфт с пространственной геометрией.

Общая информация

Особенности применения ТМО для зубчатых муфт

Исходя из конструктивных особенностей, для обеспечения силового баланса зацепления муфты, ТМО проводят только для зубьев ступицы, так как их нагрузочная способность меньше, чем у зубьев втулки.

Применение ТМО для элементов зубчатых ступиц в промышленных масштабах представляет значительные трудности, поскольку требуется мощное оборудование для процессов формообразования. В связи с этим было предложено проводить ТМО зубьев ступиц на модернизированном прокатном стане.

Технологический процесс ТМО

Процесс пластической деформации профилей зубьев методом ТМО является процессом свободной обкатки, основанным на принципе плоского станкового зацепления. Обрабатываемая зубчатая ступица совершает вращение вокруг продольной оси, а инструмент совершает свободное обкатывающее движение и поступательное движение на определенную величину в радиальном направлении в зависимости от требуемой степени деформации зубьев. Опыт применения ТМО для зубчатых ступиц показал, что припуск на качество формообразования и упрочнение зубьев следует обеспечивать в пределах 30-40% допусков на колебание длины общей нормали.

Описание устройства для ТМО

На Рис. 1 представлена схема устройства для чистого горячего накатывания зубьев ступицы.

Здесь заготовка 1 с зубьями, нагретая и предварительно обработанная, надевается на шпиндель 2 и входит в зацепление с инструментом 3. Инструмент закреплен на верхнем шпинделе 4. Установка шпинделей в стойке 5 осуществляется на столбах 7, между которыми размещены упругие элементы 8. Зазоры между стойкой 1 и инструментом 3 регулируются винтами 6. Устройство снабжено дополнительным шпинделем 9 и двумя бандажами 10, между которыми вводится прижимной калибрующий элемент 11. Стойка 5 располагается на пространственной стержневой раме 9.

Порядок выполнения ТМО

ТМО зубьев зубчатой ступицы производится в следующем порядке:

1. Предварительный нагрев до 1200°С для создания однородности аустенита
2. Охлаждение до 1100-1000°С [1]
3. Установка заготовки на шпиндель
4. Деформация с обжатием зубьев ступицы инструментом
5. Прижатие заготовки к инструменту путем введения калиброванного элемента между бандажами

Особенности кинематики процесса

Вращательное движение для зацепления изделия с инструментом сообщается только зубчатой заготовке 1. При этом исключается передача погрешностей кинематической цепи и погрешностей установки на изделие. Отсутствие жесткой кинематической связи между заготовкой и инструментом, а также наличие жесткой технологической системы подачи заготовок способствует снижению технологических погрешностей изготовления изделий.

Конструкция инструмента

Инструмент для чистого горячего накатывания зубьев ступицы показан на Рис. 2. Инструмент состоит из:

Формообразующего зубчатого венца 1

Двух торцевых дисков 2 и 3, между которыми закреплен венец

Для обеспечения простоты установки зубчатой ступицы в зацепление с инструментом, по периметру внешнего торцевого диска 2 выполнены вырезы 4. Благодаря наличию вырезов и заданному межосевому расстоянию исключается возможность брака из-за соударения вершин зубьев ступицы с вершинами зубьев инструмента при их сближении.

Наличие торцевых дисков улучшает процесс деформации и предотвращает смещение заготовки в осевом направлении в период приработки, что благоприятно сказывается на качестве продукции и повышает производительность.

После деформации заготовки проводится немедленная закалка. Это позволяет предотвратить развитие рекристаллизации и зафиксировать особое структурное состояние металла, вызванное деформацией. В результате ТМО аустенитная сталь приобретает мартенситную микроструктуру с зазубренными границами зерен и имеет блоки внутри зерен. Эффект упрочнения для ряда аустенитных сталей сохраняется до 900-950°С.

Таким образом, применение ТМО зубчатого венца ступицы по описанной схеме с использованием горячей деформации способствует повышению нагрузочной способности зубчатых муфт за счет увеличения предела выносливости зубьев на изгиб и обеспечения силового баланса.

Согласно технологическим соображениям, предусмотрено, что при накатывании форма боковой поверхности зубьев будет реализована с оптимальными параметрами линии вершинной модификации. Форма линии аппроксимируется к оптимальным параметрам пространственно-модифицированного зуба и модифицируется только по образующей.

Такие действия позволяют уменьшить и выровнять припуски на последующие чистовые операции механической обработки (шлифование, зубодолбление). Накатной ролик, изготовленный для этого, с оптимальной линией вершинной модификации зубьев, при деформации боковых поверхностей зубьев ступиц, будет воспроизводить их форму, обеспечивая при этом оптимальные параметры линии вершинной модификации.

Методика расчета оптимальных геометрических параметров линии вершинной модификации основана на сечении пространственно-модифицированной поверхности ?? [4] плоскостью ?? (рис. 3), проходящей через точку А под углом ?/z, и последующем определении проекции линии их пересечения C-C на плоскость ??, которая проходит через продольную ось изделия и точку центроида касания (рис. 4, a).

Линия вершинной модификации зубьев является касательной в точке P к делительному цилиндру зубьев.

Выводы

В работе разработан способ термомеханической обработки зубьев зубчатых муфт с получением пространственной геометрии зубьев и обеспечением требуемых физико-механических свойств. Для реализации данного способа разработана принципиальная схема устройства и специальный инструмент для чистого горячего накатывания пространственно-модифицированных зубьев. Для формообразования боковой поверхности зубьев инструмента предложена методика расчета геометрических параметров линии вершинной модификации зубьев инструмента.

Обработка данным способом позволяет получить пространственную геометрию, которая обеспечивает повышение нагрузочной и компенсирующей способности зубчатых муфт благодаря тому, что в соединении обеспечивается линейный контакт рабочих поверхностей зубьев ступицы и втулки, а также выравнивание характеристик распределения нагрузки в зацеплении.

Литература

1. Д.Б. Мирзажанов Конструктивные методы выравнивания зазоров и скоростей скольжения на боковых поверхностях зубьев муфт. Вестник машиностроения. 8, (1986) 15-18.
2. А.Н. Михайлов, С.А. Рыбина, Д.В. Перов, Т. Оливер Основы синтеза геометрии внутренних пространственных зацеплений с равным числом зубьев внутреннего и внешнего колес. / Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Международный сборник трудов. Донецк: ДГТУ (2000). Вып. 10. 149-161.
3. Р.М. Грубка, А.Н. Михайлов Структурный синтез зубьев пробок зубчатых муфт групповой пространственной геометрии, Прогрессивные технологии и системы машиностроения Донецк, ДНТУ Вып. 27. (2004) 71-75.
4. А.Н. Михайлов, Зубчатая муфта А.С. 1425374 СССР F 16 D 3/18, 4138360/31-27 1988.