Технология изготовления зубчатых колес

Изложены основные сведения о зубчатых передачах, материалах, методах получения заготовок зубчатых колес и их термической обработки. Рассмотрены современные методы изготовления, транспортирования и контроля зубчатых колес. Приведены рекомендации по отделке базовых поверхностей и построению технологического процесса обработки зубчатых колес. Описаны новые зубообрабатывающие станки с ЧПУ и их технологические возможности, прогрессивные конструкции режущего инструмента и зажимных приспособлений. Даны рекомендации по выбору режимов резания при обработке зубчатых колес.
Для квалифицированных рабочих и наладчиков, занятых в производстве зубчатых колес. Книга будет полезна технологам машиностроительных предприятий
Введение
Современные механизмы и машины трудно представить без зубчатых передач, которые являются их важнейшими элементами. Применение зубчатых передач началось в глубокой древности. В Древнем Египте на берегах Нила для орошения плодородных земель использовались оросительные устройства, состоявшие из деревянной зубчатой передачи и колеса с большим числом ковшей. Такое устройство приводилось в действие быком. Вода поднималась на более высокий уровень и по каналам доставлялась к потребителю.
Первоначально зубчатые колеса (рис. 1, а) изготовлялись ремесленниками и имели простую форму. Вместо зубьев применяли деревянные цилиндрические 1 (рис. 1, б) или прямоугольные 2 пальцы, которые устанавливали по периферии деревянных ободьев 3 и 4.
Великий итальянский живописец, архитектор и изобретатель Леонардо да Винчи (1452-1519 гг.) разрабатывал и изготовлял зубчатые передачи. Они напоминали по конструкции современные червячные глобо-идную (рис. 2, б) и цилиндрическую (рис. 2, а) передачи.
До XVIII века зубчатые колеса изготовляли из дерева. Их зубья не
имели специальной формы. Поэтому зацепление вновь изготовленных зубчатых колес осуществлялось по точкам, линиям и поверхностям зубьев небольшой площади, что требовало больших сил для передачи вращения. В процессе эксплуатации контактирующие поверхности деревянных зубьев деформировались и сглаживались, приобретая необходимую для зацепления форму. Зацепление становилось более плавным, легче осуществлялось вращение колес.
В конце XVII в. начали разрабатывать теорию зацепления профилей зубьев. Первая, имеющаяся в литературе публикация о теоретически правильном зацеплении принадлежит члену французской академии, физику, математику и астроному Ф. Делахиру (1640-1718 гг.). Он изучил циклоидальную форму профиля зуба и обосновал необходимость ее применения для больших зубчатых колес насосов, ветряных установок и мельниц.
Французский ученый М. Камус (1690-1768 гг.) математически обосновал условия зацепления циклоидальных зубчатых колес в часах. Согласно его теореме были сформулированы условия, при которых профили зубьев, очерченные по циклическим взаимоогибаемым кривым, могут осуществлять передачу движений не только с постоянным, но и с переменным передаточным отношением.
Эвольвентная форма зубьев была предложена в 1765 г. профессором Петербургской академии Л. Эйлером (1707-1783 гг.). Он разработал теоретические основы эвольвентного зацепления зубьев с углом профиля 10-30°, а также графические и расчетные методы для определения кривизны точек боковых поверхностей зубьев при постоянном передаточном отношении.
Более ста лет продолжались споры между сторонниками эвольвентной и циклоидальной форм зубьев. Преимущество циклоидальной формы заключается в большой нагрузочной способности зубьев вследствие увеличенной зоны контакта выпуклой и вогнутой сопряженных боковых поверхностей. Однако для изготовления зубчатых колес с циклоидальным профилем требуется в 2-3 раза больше режущего инструмента, чем для изготовления колес с эвольвентным профилем.
В конце XVIII в. в условиях все расширяющегося применения зубчатых колес экономические соображения стали основной причиной постепенной замены циклоидального профиля зубьев эвольвентным. В настоящее время почти все зубчатые колеса изготовляют с эвольвентной формой зубьев.
Первый зубообрабатывающий инструмент предложил французский механик Ваукоусон (1782 г.). Этот профильный дисковый инструмент (рис. 3), имеющий большое число мелких зубьев и восьмигранное отверстие, по существу является вращающимся напильником. Применение этого инструмента для обработки зубьев деревянных моделей, по которым отпиливались зубчатые колеса, позволило значительно сократить время их изготовления.
К началу XIX в. были созданы и другие вращающиеся зубообрабатывающие инструменты, это обусловило необходимость создания специальных зубообрабатывающих станков.
В 1839 г. известный швейцарский инженер И.Г. Бодмер (1786-1864 гг.) изготовил в г. Манчестере (Англия) первый зубофрезерный станок. С помощью дисковой фрезы на станке обрабатывались как деревянные колеса моделей для литых зубчатых колес, так и металлические зубчатые колеса с небольшим модулем. Особый интерес представляла дисковая фреза, которая для большей жесткости снижения деформаций при закалке была разделена на секции (рис. 4). Дисковая фреза была не затылована, ее нельзя было перетачивать, что ограничивало срок ее службы.
Дальнейшим усовершенствованием процесса нарезания цилиндрических колес было изобретение дисковой затылованной фрезы с эвольвентным профилем зубьев (с углом профиля 14°30'); после переточки профиль зубьев фрезы не менялся. Комплект из восьми таких фрез позволял нарезать зубчатые колеса с модулем до 10 мм и числом зубьев свыше 12. В начале XIX в. нарезание зубьев проводилось методом копирования, каждый зуб нарезали отдельно с единичным делением. Точность зубчатых колес была невысокой, она зависела в основном от точности инструмента.
Одновременно с изобретением режущего инструмента разрабатывались различные мерительные инструменты и калибры, применяемые при изготовлении зубчатых колес, например, штангенциркуль для измерения диаметра впадины зубчатого колеса, штангензу-бомер для измерения калибра зуба.
Значительное повышение производительности и точности изготовления цилиндрических зубчатых колес было достигнуто в конце XIX в. благодаря внедрению эвольвентного зацепления и нарезания зубьев методом обката (огибания) червячными фрезами с прямолинейными режущими кромками на усовершенствованных станках. В 1856 г. была создана червячная фреза по английскому патенту.
Первый зубофрезерный станок, работающий методом обката, был разработан Г.Б. Грантом (США) в 1887 г. и применялся для нарезания червячной фрезой прямозубых и косозубых цилиндрических зубчатых колес.
Прочность зубьев и вращательный момент, который могут безопасно передавать зубчатые колеса, - одни из важнейших составляющих при проектировании механизмов с зубчатыми передачами. В США инженер В. Льюис в 1892 г. определил зависимость допустимой окружной силы зубчатых колес от прочности на изгиб применяемого материала, модуля, ширины зубчатого венца, числа зубьев и угла профиля.
Важнейшим событием в развитии обкатного зубофрезерования явилось создание в 1897 г. Г. Пфаутером (Германия) универсального зубофрезерного станка (рис. 5) с горизонтальным расположением осей заготовки и инструмента. На этом станке можно было обрабатывать прямозубые и косозубые цилиндрические колеса, червяки, а также червячные колеса с тангенциальным движением подачи.
Впервые в отечественной промышленности зубофрезерный станок мод. 532 был изготовлен в 1933 г. на станкозаводе "Комсомолец" (г. Егорьевск). Станок предназначался для обработки цилиндрических прямозубых и косозубых колес внешнего зацепления диаметром до 750 мм и модулем до 8 мм, а также для изготовления червячных колес.
Английский ученый Р. Виллис в 1840 г. разработал основную теорему зацепления зубчатых колес, определяющую условия сопряжения профилей зубьев, передающих движения с заданным изменением передаточного отношения. При этом профили зубьев, передающие вращение между параллельными осями, должны быть выполнены так, чтобы общая нормаль к профилям в точке их касания проходила через мгновенный полюс зацепления.
Приоритет в разработке и изготовлении первого зубодолбежного станка (рис. 6, а) принадлежит фирме "Феллоус" (США). Он появился в 1897 г. и предназначался для изготовления эвольвентных зубчатых колес. Одновременно был сконструирован долбяк с соответствующими режущими кромками. В процессе резания долбяк совершал возвратно-поступательные движения и вращался согласованно с обрабатываемым колесом. Вращение исполнительных узлов станка осуществлялось от привода (верхнего расположения) через ременную передачу. Станок обеспечивал высокие для того времени производительность и качество обработки. Большим преимуществом станка было и то, что на нем можно было обрабатывать зубчатые колеса как внешнего, так и внутреннего зацепления.
Большим достижением отечественной промышленности следует считать изготовление в 1933 г. на станкозаводе "Красный Пролетарий" (г. Москва) зубодолбежного станка мод. 512 для обработки цилиндрических колес внешнего и внутреннего зацепления с прямыми и косыми зубьями диаметром до 180 мм и модулем до 4 мм.
В связи с возрастающими требованиями промышленности к долговечности работы и точности зубчатых передач в начале XX в. возникла необходимость в создании метода финишной обработки зубьев закаленных колес. В 1913 г. М. Мааг (Швейцария) изготовил первый образец зубошлифовального станка. На этом станке эвольвентные боковые поверхности зубьев цилиндрических колес в процессе обкатки обрабатывались двумя тарельчатыми шлифовальными кругами. Возможность шлифования закаленных зубчатых колес с высокой точностью зубьев и низкими значениями параметров шероховатости боковых поверхностей способствовали широкому распространению этого метода обработки.
Известно, что для достижения продолжительного срока эксплуатации зубчатых передач, кроме прочности на изгиб, существенное значение имеет сопротивление зубьев износу. На износ зубьев большое влияние оказывает не общая передаваемая нагрузка, а максимальное напряжение в точке контакта. Эти выводы, сделанные инженерами в 1926 г. в Германии, способствовали широкому применению уравнения Герца для определения наибольшего давления между двумя сопрягающимися поверхностями зубьев под нагрузкой.
Бурное развитие автомобильной промышленности в середине XX в. вызвало необходимость создания экономичного метода чистовой обработки незакаленных зубьев прямозубых и косозубых цилиндрических колес после зубофрезерования или зубодолбления. В 1932 г. фирмой "Нейшенл Броуч" (США) был разработан высокопроизводительный метод - шевингование дисковым шевером - и зубошевинговальный станок (рис. 6, б). Для обеспечения большей жесткости станка основание станины, вертикальная колонка и кронштейн для установки шевинговальной головки были выполнены как единое целое. Подъем стола для загрузки-выгрузки заготовки, ее зажима между правой и левой бабками осуществлялся вручную. На станке можно было производить обработку только методом параллельного шевингования.
В отечественной автомобильной промышленности использование процесса шевингования зубьев началось в 1936 г. на Московском автомобильном заводе им. Лихачева (ЗИЛе).
В 1937 г. на станкозаводе "Комосомлец" (г. Егорьевск) был изготовлен первый отечественный зубошевинговальный станок мод. 571 для цилиндрических зубчатых колес с диаметром до 200 мм и модулем до 6 мм.
Благодаря хорошему качеству и высокой производительности зубо-шевинговальные станки получили широкое применение в автомобильной промышленности.
Значительным событием в совершенствовании технологии финишной обработки высокопрочных зубчатых колес явилось создание в 1945 г. швейцарской фирмой "Рейсхауэр" зубошлифовального станка мод. ZA. Этот станок, работавший методом непрерывного обкатного шлифования червячным шлифовальным кругом, на долгие годы обеспечил быстрое высококачественное изготовление зубчатых колес для механизмов и машин различного назначения.
В области обработки конических зубчатых колес первый станок был разработан фирмой "Глисон" (США) в 1875 г. Он нарезал прямозубые конические колеса методом строгания по копиру.
В начале XX в. возникла большая потребность в прямозубых конических колесах. Это вызвало необходимость создания нового станка. В 1905 г. фирмой "Глисон" (США) был изготовлен зубострогальный станок для обработки прямозубых конических колес методом обката двумя резцами. Каждый резец обрабатывал одну сторону зуба. При возвратно-поступательном движении резцы сходились в одной точке на оси колеса, благодаря чему профиль зубьев имел правильную форму по всей длине. Этот метод обработки значительно повысил точность, производительность и уменьшил шероховатость поверхности зубьев. Принцип работы этого станка применяется в станках, выпускаемых в настоящее время.
Изготовление зубострогального станка мод. 526 (рис. 7) для обработки конических колес с прямыми зубьями методом обката с двумя строгальными резцами Саратовским заводом зубострогальных станков в 1939 г. охарактеризовало начало становления отечественного станкостроения. Станок был универсальным, на нем можно было выполнять черновую обработку методом врезания, а чистовую - методом обката.
Станок и режущий инструмент для изготовления конических колес с круговыми зубьями, имеющими более сложную конструкцию по сравнению с колесами с прямыми зубьями, были изготовлены в 1913 г. на фирме "Глисон". Обработка проводилась методом обката с единичным делением.
Неоценимый вклад в разработку конструкций новых зубчатых передач и методов их изготовления внес швейцарский инженер и изобретатель Э. Вильдгабер. Созданные им полуобкатные конические и гипоидные передачи, а также метод кругового протягивания прямозубых конических колес дифференциалов широко применяются в промышленности в настоящее время.
Метод нарезания конических колес червячной конической фрезой был разработан в 1921 г. Этот метод значительно усовершенствован и применяется в промышленности в настоящее время. В 1923 г. был создан первый зуборезный станок. В 1944 г. был разработан новый, более универсальный метод нарезания конических колес с циклоидальной линией зубьев разъемными резцовыми головками методом непрерывного деления.
Первый станок для нарезания зубьев методом непрерывного деления был создан в 1946 г. в Италии. Режущий инструмент и заготовка вращаются непрерывно, одновременно обрабатываются не одна, а все впадины зуба колес. Продольная кривизна зубьев имеет форму удлиненной эпициклоиды, высота зуба постоянная.
Первый отечественный зуборезный станок мод. 527 для обработки конических колес с круговыми зубьями был изготовлен в 1940 г. Большой вклад в создание и последующее развитие отечественных станков для обработки конических зубчатых колес внес известный советский ученый В.Н. Кедринский (1906-1978 гг.).
В 1954 г. в нашей стране были изобретены новые зубчатые передачи - с зацеплением Новикова, - получившие название по имени их автора М.Л. Новикова. Эта передача может быть только косозубой, линия контакта расположена перпендикулярно направлению зуба. Одно колесо имеет зубья с вогнутыми профилями, другое - с выпуклыми. Передачи Новикова по сравнению с эвольвентными имеют повышенную контактную прочность.
В связи с постоянно возрастающими требованиями к геометрии зубчатых передач и условиям их эксплуатации в настоящее время создаются новые и совершенствуются существующие методы обработки зубчатых колес, оборудование, режущий и измерительный инструменты, а также технологическая оснастка