автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Комплексные исследования, разработка и внедрение технологических процессов изготовления конических и гипоидных передач с криволинейными зубьями

Актуальность темы. Известно, что конические и гипоидные передачи с криволинейными зубьями применяют для передачи механической энергии между перекрещивающимися и пересекающимися осями валов. Высокий коэффициент полезного действия (50% - 98,5%), возможность передавать вращающие моменты под углом Е = 0 -180° между осями валов с большим диапазоном передаточных чисел (U = 1,0 - 100,0) и окружными скоростями до 125 м/с способствовали широкому распространению их в промышленности. Область применения этих передач достаточно разнообразна - от техники общего назначения до ответственных прецизионных приводов. Поэтому технология их изготовления, требующая сложное зубообрабатывающее оборудование, прецизионный инструмент и технологическую оснастку, существенно различается и вызывает необходимость решения сложных производственных вопросов. В этих условиях разработка эффективного технологического процесса изготовления качественной продукции, отвечающей требованиям эксплуатации, является весьма актуальной научной задачей, имеющей народнохозяйственное значение. Решение этой задачи не должно сводиться к слепому копированию известных отечественных и зарубежных процессов, оно требует проведение анализа и обобщения существующего опыта, теоретических и экспериментальных исследований, разработки и внедрения технологических процессов в производство зубчатых передач.

Цель работы. Целью настоящей работы является достижение высокой производительности и заданных параметров качества при изготовлении конических и гипоидных передач с криволинейными зубьями за счёт оптимальных технологических решений.

Общая методика исследований. Результаты работы изложены на основе совокупности ранее проведённых и опубликованных теоретических, экспериментальных и производственных исследований. Использовались фундаментальные научные положения технологии машиностроения и теории резания металлов. Кратко обобщённые теоретические положения технологических решений подтверждены опытным изготовлением образцов, экспериментальными и производственными исследованиями и последующим внедрением в механообрабатывающие цеха машиностроительного производства.

Научная новизна. На основе выполненных комплексных исследований, разработки и внедрения технологических процессов впервые предложены основные положения повышения эффективности изготовления криволинейных зубьев конических и гипоидных передач, содержащие в себе новые технологические решения.

Разработанные положения имеют внутреннее технологическое единство и позволяют:

- Изучить механизм влияния продольной кривизны круговых понижающихся зубьев (КПЗ) и циклоидальных равновысоких зубьев (ЦРЗ), выполненной в форме логарифмической спирали, архимедовой спирали и эвольвенты на достижение оптимальных технологических, конструктивно-технологических и эксплуатационных параметров;

- предложить новые решения получения качественного суммарного пятна контакта (без диагональности) при зацеплении ортогональных конических и гипоидных передач с КПЗ и ЦРЗ, имеющими различную кривизну;

- разработать новые схемы резания, позволяющие значительно расширить область применения малоотходных технологических процессов изготовления зубчатых передач с использованием станочных методов обкатывания и врезания;

- разработать теоретическую методику расчёта режимов зубонарезания обкатных конических и гипоидных передач с учётом достижения заданной точности единую для КПЗ и ЦРЗ, основанную на дискретной ширине реза одного резца;

- наметить пути совершенствования конструкции режущего инструмента и технологической оснастки, обеспечивающих высокую производительность, благоприятные условия резания, высокую точность обработки и низкие параметры шероховатости поверхности зубьев

- создать технологические схемы построения процессов зубонарезания для конических и гипоидных передач КПЗ и ЦРЗ в обкатном и полуобкатном исполнении в условиях серийного и массового производства.

Практическая ценность работы заключается в:

1. Расширении технологических возможностей при изготовлении конических и гипоидных передач с КПЗ и ЦРЗ в современных условиях производства

2. Разработке и внедрении высокоэффективных технологических и конструктивно-технологических решений, схем построения процессов зубонарезания, теоретической методики расчёта режимов резания при изготовлении зубчатых колёс с высокой точностью и производительностью

3. Разработке и внедрению руководящих технических материалов по применению зажимных приспособлений с жёстким и беззазорным центрированием, точности углового и радиального расположения резцов чистовых головок в зависимости от требуемой точности изготовления зубьев

4. Разработке и внедрении в отечественную промышленность технологических процессов, прогрессивных конструкций режущего инструмента и зажимных приспособлений, что позволило получить общий годовой экономический эффект 1 млн 932 тыс. рублей (в ценах до 1990 г.), снизить расход проката легированной стали на 1644 тонны в год, высвободить более 45 единиц оборудования и т.д.

Реализация результатов работы. Результаты работы реализо ваны на многочисленных зубообрабатывающих операциях АМО ЗИЛ и его филиалах,

ОАО КАМАЗ, МАЗ, ОАО БАЗ, ОАО Москвич, ОАО СИЗ и других предприятиях машиностроительной промышленности. Важнейшая часть работы опубликована в общемашиностроительных справочниках, учебниках и книгах, а также использована на предприятиях в качестве стандартов и РТМ, которые предназначены для инженерно-технических работников машиностроительных заводов, преподавателей и студентов технических ВУЗов и коледжей.

Апробация работы. Результаты работы были доложены на более чем 30 научно-технических симпозиумах, конференциях, семинарах в нашей стране и зарубежом. Основные этапы работы в качестве экспонатов демонстрировались на Московских, Всесоюзных и зарубежных выставках и были отмечены 6-ью медалями ВДНХ СССР и 11 дипломами. Работе по освоению высокоэффективных малоотходных технологических процессов в 1990 г. была присуждена премия Совета министров СССР. Публикации. По теме диссертации опубликовано более 100 научных трудов, в том числе 3 справочника, 3 учебника, 4 книги, 68 научно-технических статей и 28 авторских свидетельств на изобретение. Личный вклад автора. В диссертации представлены результаты плановых научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Министерства автомобильной промышленности, АМО ЗИЛ и других предприятий и учреждений промышленности за период 1968 - 2002 г.г. Автору принадлежит выбор направлений исследований, организация выполнения работ и внедрения в производства. Автором также решались вопросы информации о проделанной работе за счёт публикаций в печати, выступлений с докладами на семинарах и конференциях, демонстрацией экспонатов на выставках. Важное значение имела защита автором приоритета работ 28 авторскими свидетельствами. За внедрение в производство 20 авторских свидетельств получено звание "Лучший изобретатель Москвы". Доля творческого участия автора в работе составляет более 70%.

Работа выполнена при научной консультации заслуженного деятеля науки РФ, д.т.н., проф. Кузнецова А.М.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования

В отечественном машиностроительном производстве были достигнуты значительные успехи в области изготовления конических и гипоидных передач с криволинейными зубьями. В научных работах известных отечественных учёных Кедринского В.Н., Хлебалина Н.Ф., Овумяна Г.Г., Калашникова С.Н. Литвина Ф.Л., КабатоваН.Ф., Денисова В.М., Сегаля М.Г., Айрапетова Э.Л., Тайца Б.А., Булгакова Э.Б., Шевелёвой Г.И., Дусева И.И., Маркова Н.Н.

Лопато Г.А., Кринсберг Ц.З. и др. были подробно изложены результаты исследований, проведённых в этой области. Изготовлению конических и гипоидных передач с криволинейными зубьями посвящены также работы известных зарубежных авторов - Е. Вильдхабера, Ф. Роша, К. Кека, Е. Коттхауса, Г. Бранднера, В. Крумме, Р. Сейболда, Ю. Бакстера, В. Колемана, П. Вернера, В. Винера, Г. Штадтфельда и др. Однако, несмотря на выполненные работы, в отечественной и зарубежной научно-технической литературе практически отсутствуют обобщения и анализ последних достижений в области технологии производства конических и гипоидных зубчатых передач, в том числе малоотходного, с позиций достижения требуемых производительности, качества изготовления и необходимых эксплуатационных параметров.

Не разработана также концепция рациональной области применения технологических процессов изготовления зацеплений с КПЗ и ЦРЗ, что не позволяет эффективно использовать их в условиях современного машиностроительного производства. В опубликованных научных трудах нет обоснованных данных по разработке и исследованию процессов зубонарезания, режущего инструмента, технологической оснастки, методики расчёта режимов резания при изготовлении конических и гипоидных передач с заранее заданными параметрами качества. Отсутствуют также технические решения по созданию технологических схем построения процессов зубонарезания конических и гипоидных передач с КПЗ и ЦРЗ, охватывающих всю область их применения в машиностроении.

Анализ существующих технологических процессов зубообработки (рис. 1) показал, что качественные показатели и производительность операций притирки, хонингования и спаривания, имеющих свободную кинематическую связь заготовки с инструментом, в значительной степени зависят от качества зубчатых зацеплений, полученных при зубонарезании. При шлифовании и зубонарезании твердосплавными резцовыми головками, которые производят с жёсткой кинематической связью заготовки и инсрумента, эта зависимость проявляется в меньшей степени, хотя точность параметров зубьев, полученных при зубонарезании, должна выдерживаться в определённых границах. Так как зубонарезание является наиболее сложной, ответственной и трудоёмкой (время нарезания зубьев составляет 55 - 75% времени всей обработки) операцией технологического процесса, поэтому этой операции в работе уделено наибольшее внимание.

Для достижения поставленной в диссертации цели необходимо решить следующие задачи:

1. Систематизировать имеющуюся отечественную и зарубежную информацию о процессах изготовления конических и гипоидных передач с криволинейными зубьями и определить наиболее перспективные технологические и конструктивно-технологические решения, обеспечивающие высокие

Рис. 1. Последовательность операций изготовления конических и гипоидных передач параметры производительности, качества изготовления и эксплуатации.

2. Провести теоретические и экспериментальные исследования зависимости основных технологически^, конструктивно-технологических и эксплуатационных параметров от продольной кривизны КПЗ и ЦРЗ конических и гипоидных передач.

3. Провести разработку и осуществить внедрение новых эффективных технологических процессов, прогрессивных конструкций режущего инструмента и зажимных приспособлений при изготовлении зубчатых зацеплений.

4. Разработать и внедрить в машиностроительное производство методику расчёта режимов резания, технологические схемы построения процессов зубонарезания и технические материалы по режущим инструментам, зажимным приспособлениям и качественным показателям суммарного пятна контакта (без диатональности) элементов зацепления с учётом требуемой точности изготовления конических и гипоидных передач.

2. Теоретические и экспериментальные исследования взаимодействия продольной кривизны зубьев и технологических, конструктивно-технологических и эксплуатационных параметров 2.1. Методическая основа исследований

Конические и гипоидные передачи с углом наклона зубьев Вт = 0 .; 50°, внешним окружным модулем т te <30 мм, внешним диаметром вершин зубьев des > 1600 мм изготавливают с круговой, циклоидальной и эвольвентой продольной кривизной зубьев, В отечественном машиностроении передачи с эвольвентной кривизной, нарезаемые коническими червячными фрезами, не применяются и поэтому в данной работе не рассматриваются. Передачи с круговыми зубьями нарезают станочным методом прерывистого деления торцовыми головками с траекторией движения резцов по окружности. Они имеют переменную высоту зубьев, пропорционально понижающуюся от внутреннего к внешнему торцу. Эти передачи получили большое распространение в промышленности.

Передачи с циклоидальными зубьями нарезают методом непрерывного деления торцовыми головками с траекторией движения резцов по удлинённой эпициклоиде. Они имеют равновысокие теоретически точно сопряжённые зубья и в отечественной промышленности стали применяться с 70-ых годов прошлого столетия. Объём их применения постоянно растёт. Тесная взаимосвязь конструктивных значений криволинейных зубьев конических и гипоидных передач и станочных методов их обработки значительно осложняет оценку конкретного вида зацепления по технологическим и эксплуатационным параметрам. Это объясняется тем, что при изменении продольной кривизны зубьев проявляется многообразие технологических, конструктивно-технологических и эксплуатационных свойств.

Только тщательный теоретический анализ и экспериментальное исследование их взаимодействия, выполненные в данной работе, делают понятнее технологические основы, позволяющие оптимизировать процесс изготовления конических и гипоидных передач (рис. 2).

Рассматриваемые в работе технологические параметры по степени их воздействия на эксплуатационные параметры можно разделить на оказывающие прямое и косвенное влияние. Технологические параметры, имеющие прямое влияние: а) точность зубчатых передач по нормам кинематической точности, плавности работы, контакта зубьев и бокового зазора (ГОСТ 1758-81); б) шероховатость боковых поверхностей зубьев; в) анизотропное расположение волокон металла относительно впадины зубьев при малоотходном производстве; г) физическое состояние поверхностного слоя зубьев. Технологические параметры, имеющие косвенное влияние: а) производительность; б) склонность к образованию диагональности пятна контакта; в) обрабатываемость заготовок малоотходного производства; г) расположение резов на поверхности сопряжённых зубьев. Конструктивно-технологические параметры предназначены для изменения конструктивных свойств конических и гипоидных передач, они обеспечиваются технологическим процессом: а) продольная и профильная модификация зубьев; б) разность углов наклона зуба на внешнем и внутреннем торцах зуба; в) радиус закругления у корня зуба; г) обкатной (октоидный) или реечный профиль зуба образуется при изготовлении зубьев обкатыванием или копированием; д) чувствительность пятна контакта к смещениям базовых расстояний.

К основным эксплуатационным параметрам конических и гипоидных передач относятся 1): а) изгибная выносливость зубьев; б) контактная выносливость зубьев; в) виброакустическая активность зубчатой передачи; г) массогабаритные размеры зубчатой передачи.

В научных трудах В.Н. Кедринского, К.М. Писманика и др. было доказано, что наибольшее влияние на технологические, конструктивно-технологические и эксплуатационные параметры конических и гипоидных передач оказывает продольная кривизна криволинейных зубьев. Продольную кривизну принято оценивать в 3-х частных случаях при приближении её кри

1) Э.Л. Айрапетов. Совершенствование методов расчёта нагруженности и прочности передач зацеплением. Техника машиностроения. 2001, № 2 (30)

Рис. 2. Структура взаимодействия технологических, конструктивно-технологических параметров и эксплуатационных параметров конических и гипоидных зубчатых передач визны к логарифмической спирали, архимедовой спирали и эвольвенте. Радиус продольной кривизны зубьев, выполненной по логарифмической спирали, равен: где: Rm - среднее конусное расстояние

Зш - средний угол наклона линии зуба. Если продольная кривизна зубьев выполнена по архимедовой спирали (рис. 3), то радиус кривизны определяют по формуле:

Эвольвентная продольная кривизна характеризуется наименьшим радиусом кривизны зубьев: p$Er=Rm •Sinfim

2.2. Технологические параметры

Точность и шероховатость поверхности КПЗ и ЦРЗ в данной работе исследовались при нарезании 150 пар обкатных гипоидных передач (zi = 11, Z2 = 39, m=6,15 мм, Е = 44,45 мм, Bmi = 46°45', Вш = 22°Т8) Математическую обработку результатов измерений параметров шероховатости, отклонения шага, биения и накопленной погрешности шага производили по методике, разработанной проф. Я.И. Лукомским для статистического анализа существенно положительных величин. В результате исследований было установлено, что при соблюдении равных технологических условий (скорость резания, ширина реза, припуск на сторону зуба, физико-механические свойства обрабатываемого материала, техническое состояние станков, режущего инструмента и технологической оснастки и др.) их точность и шероховатость поверхности зубьев практически одинаковы и не зависят от продольной кривизны- зубьев [1].

При этом различия в кинематических схемах зубонарезания позволяют получать несколько лучшие показатели:

- при прерывистом делении по отклонению относительных размеров суммарного пятна контакта по длине и высоте зуба и колебанию бокового зазора в передаче;

- при непрерывном делении по отклонениям шага, накопленной погрешности шага и биению зубчатого венда.

Выходные параметры точности и шероховатости поверхносга зависят от применяемых методов финишной обработки [19,20,29,47]. Анизотропное расположение волокон металла в поперечном сечении зубьев, повторяющее очертание впадины, характерно для заготовок с формованными зубьями. Технологические процессы изготовления таких заготовок являются малоотходными.

Рис. 3. Продольная кривизна зубьев, выполненная по архимедовой спирали: 0i, 0m, 0е - внутренний, средний и внешний углы поворота спирали; Ri, Re -внутреннее и внешнее конусные расстояния; 1 - спираль; 2 - зубчатое колесо

В отечественной промышленности получили распространение разработанные НИИТАвтопром'ом методы получения заготовок с формованными зубьями:

- горячей штамповкой на кривошипных горячештамповочных прессах с номинальным усилием 16,25,40 и 63 МН в штампах "замковой" конструкции;

- горячим накатыванием инструментом, состоящим из плоского конического колеса с криволинейными зубьями, внутренней и наружной реборды, на специальных зубонакатных станах.

Длительные стендовые и дорожные испытания конических и гипоидных передач малоотходного производства, проведённые в данной работе, показали, что изгибная выносливость круговых понижающих и циклоидальных равно-высоких зубьев с ориентированным относительно впадины расположением волокон металла повышается на 20 - 25 % [3,4,9, 10,12, 13,36,44, 50, 55, 56,59,65,66,70, 72,111]

Физическое состояние поверхностного слоя зубьев в зависимости от финишной операции обработки характеризуется наличием внутренних напряжений сжатия или растяжения. Известно, что образование в поверхностных слоях зубьев внутренних напряжений сжатия повышает сопротивление зубчатых зацеплений усталостным разрушениям и возникновению микротрещин, а образование внутренних напряжений растяжения снижает это сопротивление 2). При механической обработке образование внутренних напряжений происходит под действием механических и термических процессов. Действие химических процессов незначительно, и оно не рассматривается. Внутренние напряжения сжатия формируются при обработке с низкими скоростями резания или при коротком времени контакта инструмента и заготовки. Количество тепла и время его воздействия способствуют преобладанию механических процессов.

По известным исследованиям, которые проводились в основном на цилиндрических зубчатых предачах, при хонинговании, притирке и дробеструйной обработке закалённых зубьев в их поверхностных слоях возникают внутренние напряжения сжатия, величина которых достигает 1000 - 1200 МПа. Преобладание термических процессов не позволяло при зубошлифовании абразивными кругами получать внутренние напряжения сжатия, хотя и достигались высокие показатели точности (3-5 степень точности по ГОСТ 164381) и шероховатости поверхности зубьев (Ra 0,3 - 1,6 мкм). Исследования, проведённые в этой работе, при шлифовании цилиндрического зубчатого колеса (т = 2,0 мм, Z = 37, b = 36 мм, {5 = 22") многозаходным червячным абразивным кругом за счёт комбинации технологических параметров позволили снизить воздействие термических процессов и получить на поверхности зу

2) A. Giwerzew. Abrasive ZahnJBankenhartfeinbearbeitung mit niedriger Schnittgeschwindigkeit. Technologische Grundlagen. Seminar. Munchen, бьев внутренние напряжения сжатия 600 - 700 МПа [77,78, 79]. Производительность процесса зубонарезания. Принцип образования конических и гипоидных передач с КПЗ и ЦРЗ одинаков. Их нарезают при воспроизведении станочного зацепления с плоским или конусным воображаемым производящим колесом, роль зубьев которого выполняют резцы резцовой головки.

Основное различие в методах зубонарезания заключается в следующем:

- КПЗ нарезают с прерывистым делением однозаходными резцовыми головками, резцы в которых расположены по окружности

- ЦРЗ нарезают с непрерывным делением многозаходными резцовыми головками, резцы в которых расположены группами по эвольвенте.

Благодаря отсутствию потерь времени на деление, отвод и подвод заготовки (инструмента) производительность непрерывного зубонарезания выше прерывистого в 1,2 . 1,5 раза [1, 4, 8,15,18,19, 29,32,47]. С уменьшением радиуса продольной кривизны зубьев от логарифмической спирали до эвольвенты диаметр резцовой головки при нарезании обоих видов зацепления уменьшается. Уменьшается также количество резцов и жёсткость резцовых головок, что снижает их режущие свойства. Несколько улучшить ситуацию можно при использовании острозаточенных резцовых головок, имеющих большее число резцов по сравнению с затылованными [4,10, 88].

Склонность к образованию диагонального пятна контакта. Диагональность пятна контакта возникает вследствие несовпадения на контактирующих поверхностях зубьев угла наклона линии зуба и угла профиля. Различают диагональность пятна контакта с перекосом наружу и внутрь. Диагональное пятно контакта значительно ухудшает качество зацепления зубьев, хотя в отдельных случаях у малонагруженных зубчатых передач допускается диагональность с перекосом внутрь [10, 43, 45, 50]. Известно, что угол наклона линии зуба с кривизной, выполненной по логарифмической спирали, постоянен по всей длине:

А8 л= В е - В i = 0 где: Ре, pi - угол наклона на внешнем, внутреннем торце. С уменьшением ради продольной кривизны зубьев от логарифмичой к архимедовойирали и к эвольвенте разница между углом наклона на внешнем и внутреннем торцах возрает:

Д8л.с<ДВ а.с < ДВ эв Угол наклона линии зуба на внутреннем и внешнем торцах определяли по формуле: sin Si = 1/ru [ Ri + Rm(2ru- sin fim - Rm) / Ri ] sin Be = 1/ru [ Re + Rm(2ru • sin Bm - Rm) / Re ] где: Ги - радиус резцовой головки.

У конических колёс с КПЗ вследствие изменения высоты зуба по длине на внешнем и внутреннем торцах возникает отклонение нормального угла профиля:

Да и = (9fi + б£2) 0.5b/ru [1-ru sin Bm/Rm] где: 6fl, б£2 - угол ножки зуба шестерни, колеса.

Так как у ЦРЗ углы ножки зуба шестерни и колеса равны нулю, поэтому нормальный угол профиля постоянен по всей длине зуба. Эти зубья не склонны к образованию диагонального пятна контакта 3) за исключением случаев, когда неточно выполнены расчёты или неправильно произведена наладка станка и режущего инструмента [1,19, 20, 32,41,45,50]. С увеличением Д (3 склонность к образованию диагонального пятна контакта у КПЗ возрастает так, что даже сложная и длительная доводка пятна контакта одновременным порционным изменением нескольких наладок станка не позволяет получить существенного его улучшения. Наличие диагонального пятна контакта можно определить при визуальном осмотре суммарного пятна после обкатки пары на контрольно-обкатном станке под лёгкой нагрузкой. Однако для более точной оценки качества пятна контакта применяют метод V-H, который позволяет кроме наличия ди-агональности определить длину и ширину пятна контакта, а также его чувствительность к смещениям базовых расстояний (рис. 4, а). При контроле этим методом пятно контакта зубчатой передачи, установленной на теоретических базовых расстояниях, перемещали из центрального положения 2, заданного конструктором, на внутренний 1 и внешний торец 3 с помощью вертикальных V и горизонтальных Н смещений бабок контрольно-обкатного станка. Чтобы поддерживать пятно контакта в середине высоты профиля зуба, его перемещение из центрального положения на внутренний и внешний торец производили с помощью комбинированного (вертикального и горизонтального) смещения бабок станка.

Продолжительные теоретические и экспериментальные исследования, проведённые в данной работе, позволили определить отношения суммарных величин вертикальных V и горизонтальных Н перемещений пятна контакта [1,10, 45,47, 50].

Изложенные в табл. 1 и 2 данные обеспечивают получение качественного пятна контакта у конических (р m = 20е - 40') и гипоидных (|3 ш i= 40° - 50°) передач с круговыми понижающимися и ЦРЗ.

Когда отношения суммарных величин V и Н превышают рекомендуемые значения, то имеет место диагональное пятно контакта с перекосом внутрь.

3) Ф.Л. Литвин. Теория зубчатых зацеплений. Наука. М. 1968.

1. Отношение суммарных величин V и Н перемещений пятна контакта для ортогональных конических передач

Передаточное числоU Средний угол наклона линии зуба Р ш

20° - 30° 30°-40' 20' -30" 30°-40° 20° - 30° 30" -40°

Логарифмическая спираль Архимедова спираль Эвольвента

1 1-2 2-3 3-4 4-5 2,3 - 1,5 2,8 - 1,8 2,9 -1,9 3,0-2,0 3,0-2,0 1,5-1,1 1.8-1,4 1.9-1,4 2,0-1,5 2,0-1,5 2,0-1,2 2.5-1,5 2.6-1,6 2,7-1,7 2,7 - 1,7 1,2-0,8 1.5-1,1 1.6-1,1 1,7-1,2 1,7-1,2 1,8-1,0 2,3-1,3 2.4 - 1,4 2.5 - 1,5 2,5 - 1,5 1,0-0,6 1.3-0,9 1.4-0,9 1,5 -1,0 1.5-1,

2.Отношение суммарных величин V и Н перемещений пятна контакта для ортогональных гипоидных передач

Средний угол наклона линии зуба Р mi

Переда- 40° 50° 40° 50° 40" 50° точное число U Логарифмическая Архимедова спираль Эвольвента спираль

1 0,7 0,5 0,6 0,5 0,5 0,

1-2 1,1 0,7 0,9 0,7 0,8 0,

2-3 1Д 0,8 1,1 0,8 1,0 0,

3-4 1,1 0,8 1,1 0,8 1,0 0,

Если это отношение ниже приведённых в таблице рекомендаций, то пятно контакта имеет диагональность с перекосом наружу [10]. Использование этих таблиц в отечественном машиностроении позволило существенно повысить качество конических и гипоидных зубчатых передач. Обрабатываемость заготовок малоотходного производства. Малоотходные технологические процессы позволяют снизить расход металла и трудоёмкость изготовления, а также повысить изгибную выносливость зубьев. Обычно методами горячей штамповки и горячей накатки получают зубчатые передачи с точностью 9-11 степени (ГОСТ 1758-81), поэтому заготовки малоотходного производства имеют припуск под последующее зубонарезание. Обработка резанием заготовок малоотходного производства чрезвычайно затруднена. Объясняется это тем, что к трад иционным физико-механическим свойствам металла, влияющим на обработку резанием, добавляются повышенное колебание припуска по боковым поверхностям и дну впадины зуба, наличие частиц окалины и обезуглероженный слой.

В малоотходном технологическом процессе, разработанном и внедрённом на ЗИЛ'е совместно с НИИТАвтопромом, изготовление круговых понижающихся зубьев ведомого iawieca.(Z2 = 40, mte = 8 мм, b = 42,5 мм, р = ЗО'ЗГ) конической полуобкатной передачи производили зубопротягиванием с групповой схемой расположения резцов. При этой схеме резания износ черновых и получистовых резцов не оказывает существенного влияния на работу калибрующих резцов, что позволяет получать высокое качество обработки. Однако продолжительное время малоотходные процессы базировались исключительно на зубопротягивании ведомых колёс с КПЗ и требовалось совершенствование существующих методов зубонарезания 4). Разработанные и исследованные в данной работе схемы зубонарезания позволили значительно расширить область применения малоотходных технологических процессов [44, 55, 59,65, 66,90].

Согласно этим схемам вращающуюся головку на ускоренном ходу вводят во впадину отформованного зуба (рис. 5 , а).

Не доходя 1,0 - 1,5 мм до дна впадины, осуществляют рабочую подачу врезания. На первом этапе резание производят только вершинами резцов, при подаче врезания они углубляются на Ah во впадину зуба и получают дополнительную жёсткость в радиальном направлении (рис. 5 , б). Второй этап, при котором в резание вступают боковые режущие кромки резцов, можно производить с подачей врезания или обкатки (встречное резание). Такой способ нарезания зубьев требует согласования развода резцов резцовой головки и величин припусков по боковым поверхностям и дну впадины зубьев. Развод резцов определяют по формуле где: Stel - внешняя окружная толщина зубьев шестерни; AS - припуск на сторону по нормали; а - угол профиля исходного контура; hfe2 - внешняя высота ножки зуба колеса; Ah - припуск по дну впадины зуба; f = 0,4 . 0,5 мм-теоретический зазор между режущими кромками и боковыми поверхностями зубьев.

Проведённые в работе стойкостные испытания показали хорошие режущие свойства инструмента и высокую точность зубьев при использовании разработанных схем резания для обработки накатанных и штампованных круговых и циклоидальных зубьев. Применение данной схемы резания при внедрении малоотходного технологического процесса изготовления обкатного конического колеса (Z = 25, mte = 9 мм, |3т = 35°, he = 16,99 мм) из заготовок со штам

4) Суслов А.Г. Технология изготовления деталей машин. М. Машиностроение. 2000 г.

Рис. 5. Нарезание конических и гипоидных передач в малоотходном производстве: 1 - наружные резцы; 2-резцовая головка; 3 - внутренние резцы; 4 - средние резцы. пованными КПЗ позволило повысить стойкость режущего инструмента на 20% по сравнению с существующими схемами. Годовой экономический эффект составил 38 тыс. рублей (в ценах до 1990 г.), значительно сокращён расход проката стали 18ХГТ [44,55,59,66,70,72,90]. Расположение резов на поверхности зубьев может оказывать существенное влияние на плавность их зацепления. В трудах известных авторов основное внимание уделялось рассмотрению финишных операций 5). В данной работе акцент делается на образование резов на поверхности зубьев при нарезании с последующим их влиянием на плавность зацепления окончательно обработанных зубчатых передач.

Наиболее благоприятное расположение резов под углом к линии зацепления у ЦРЗ, нарезаемых методом непрерывного деления. Резы контактирующих поверхностей зубьев перекрещиваются друг с другом, что обеспечивает плавное зацепление зубьев при отсутствии высокочастотных вибраций. При нарезании КПЗ методом прерывистого деления резы располагаются перпендикулярно линии зацепления. Во время контакта поверхностей зубьев возникает так называемый эффект «стиральной доски», что снижает плавность зацепления и требует щадящего режима в начальный период эксплуатации. Подтверждением данных выводов являются результаты сравнительных испытаний закалённых и притёртых гипоидных передач с КПЗ и ЦРЗ. Уровень вибраций при обкатке на контрольно-обкатном станке в центральном положении был одинаков в обоих видах зацеплений. Однако при изменении базовых расстояний и смещении пятна контакта на внешний и внутренний торец зубьев виброактивность гипоидной передачи с КПЗ на третьей гармонике на 2 - 3 децибелла была выше. Это объясняется тем, что при притирке у зубчатых передач следы резов, особенно при больших подачах обкатывания, удаляются не полностью, они сохраняются на концах зубьев [1,19,20, 21].

2.3. Конструктивно-технологические параметры

Сложность продольной и профильной модификации зубьев. Продольная модификация предназначена для получения бочкообразной формы по длине зуба и уменьшения дщшы пятна контакта. Это позволяет избегать концентрации нагрузки на кромках зубьев и их преждевременной поломки. Продольную модификацию криволинейных зубьев конических и гипоидных передач получают изменением продольной кривизны зубьев, главным образом, за счёт регулирования образующих диаметров резцовых головок [1,10,13, 15, 52].

Профильную модификацию зубьев производят преимущественно изменением передаточного отношения обкатывания при зубонарезании. При этом ок-тоидный профиль зубьев получает дополнительную кривизну от линии делительного конуса к головке и ножке зуба, а ширина пятна контакта уменьшается [1,10, 15].

5) Г. Штадфельд. Спирально-конические колёса Эрликон, Цюрих.

Если при продольной и профильной модификациях не получают требуемой формы и положения пятна контакта на зубьях, то производят его доводку изменением наладочных установок станка и режущего инструмента, вводя исправления первого, второго и третьего порядков. Исправление пятна контакта является сложной задачей. Как правило, одновременно изменяют несколько установок станка и режущего инструмента.

У КПЗ сложность исправления пятна контакта возрастает с уменьшением радиуса их продольной кривизны. При нарезании ЦРЗ сложность продольной и профильной модификации не изменяется с уменьшением продольной кривизны зубьев и соответствует средним значениям сложности для КПЗ. Точность сопряжения реечного и обкатного профиля в полуобкатных передачах. Известно, что с возрастанием числа зубьев их профиль приближается к прямолинейному. Из уравнения прямолинейности по методу Тредгольда:

Z«2=Zk2VIP+ 1 ' где: Zitf, Zk2 - число зубьев эквивалентного цилиндрического, конического колеса, следует, что октоидный профиль конических и гипоидных колёс с повышением числа зубьев приближается к прямолинейному более интенсивно, чем эвольвентный у цилиндрических колёс. Это свойство используют при изготовлении полуобкатных предач с U > 2,5. Полуобкатная передача характеризуется тем, что зубья колеса имеют реечный профиль, их изготавливают протягиванием или врезанием, производительность которых в 3 - 5 раз выше обкатного зубонарезания. Зубья сопряжённой шестерни нарезают обкатыванием, они имеют октоидный профиль с большей кривизной, чем у шестерни обкатных передач [10,12,13,15,74,49, 52]. У полуобкатных передач боковые поверхности зубьев не могут быть теоретически точно сопряжены, они склонны к образованию диагонального пятна контакта. Производственные испытания показали, что у КПЗ с уменьшением радиуса продольной кривизны точность сопряжения полуобкатных передач снижается [54,69]. Из-за чрезмерной диагональности пятна контакта круговые понижающиеся зубья с эвольвентой продольной кривизной не целесообразно использовать в полуобкатном исполнении. Зубчатые зацепления с ЦРЗ в меньшей степени склонны к образованию диагонального пятна контакта в полуобкатном исполнении. Поэтому уменьшение радиуса продольной кривизны зубьев этих зацеплений от логарифмической спирали до эвольвенты практически не влияют на их качество. Чувствительность пятна контакта к смещениям базовых расстояний является одним из важнейших свойств, определяющих эксплуатационные параметры конических и гипоидных зубчатых передач. Она характеризует допустимые величины смещения зубчатых передач при работе в собранном механизме без существенного ухудшения качества пятна контакта. Оценку чувствительности пятна контакта зубчатой передачи производили при контроле методом

V - Н на контрольно-обкатном станке под лёгкой нагрузкой. С уменьшением радиуса продольной кривизны зубьев от логарифмической спирали к эвольвенте суммарные значения вертикальных V и горизонтальных Н перемещений пятна контакта увеличиваются. Направление вертикального V перемещения 4 на выпуклой и вогнутой сторонах зубьев не изменяется, а направление горизонтального Н перемещения 6 занимает положение 5, образуя с вертикальным направлением острый угол X (рис. 4, б). Проведённые в работе исследования показали, что с уменьшением радиуса продольной кривизны круговых понижающихся зубьев с р = 114,3 мм до р = 95,25 мм суммарные значения V и Н увеличились в 1,17 - 1,6 раза (табл. 3).

3. Величина перемещений V - Н (мкм)

Ход V Н

Внутренний торец Внешний торец Всего Внутренний торец Внешний торец Всего р =95,25 мм

Передний Задний + 300 -300 тбОО + 400 900 700 -400 + 300 + 400

Р = 114,3 мм

Передний Задний + 300 -300 -300 +300 600 600 - 400 + 400 + 100

Это свидетельствует о снижении чувствительности пятна контакта к смещениям базовых расстояний по мере уменьшения продольной кривизны как у КПЗ, так и у ЦРЗ [1,2, 10,13,20,29, 45,50].

Разность углов наклона линии зуба на внешнем и внутреннем торцах ДР = Ре - pi увеличивается с уменьшением радиуса продольной кривизны зубьев. С увеличением Д[3 снижается чувствительность пятна контакта к смещениям базовых расстояний [10,43,46, 50].

Радиус закругления у корня зуба оказывает существенное влияние на изгиб-ную выносливость зубьев и стойкость режущего инструмента, которые повышаются с увеличением радиуса закругления. Величина его равна или несколько больше (при обкатном зубонарезании) радиуса закругления вершины резца. Максимальный радиус закругления вершины резца Rp лимитируется шириной вершины резца Wp и минимальной шириной впадины зуба [4]

Rp = (Wp - Д ) cosa / (I - sina ) где: Д = 0,4 мм - площадка д ля установки калибра при контроле радиуса закругления.

Ширина пна впадины зуба определяет ширину вершины резца и радиус его закругления. У передач с КПЗ наиболее благоприятные условия имеют место при нарезании двусторонним способом (ДС), когда ширина дна впадины постоянная по всей длине зуба. В этом случае ширина вершины резца и радиус его закругления достигают максимальных значений. При нарезании ЦРЗ двусторонним способом вследствие неэквидистантности циклоидальных кривых, образованных резцами с различными радиусами, ширина дна впадины равномерно расширяется от внутреннего к внешнему торцу (прямое сужение). Критической является узкая часть впадины на внешнем торце. Наиболее сложная ситуация возникает при нарезании зубьев шестерни способом постоянных установок (СПУ).

Если ширина дна впадины зубьев колеса, нарезаемого ДС, постоянная

Wm2 = (Rm/Re) Stel COS{3m - 2tg0to hfe2, то у сопряжённой шестерни она изменяется в зависимости от кривизны зубьев. Теоретические исследования, проведённые в работе, показали, что для шестерни фт= 10°+ 43°) с продольной кривизной близкой к логарифмической спирали, критической является ширина дна впадины зуба на внутреннем торце [10,43,46,50].

Wil=(Ri cospi Ршп/Rm cosPm) - (hfil + hfi2) 2tgctn

- Wm2 + (Ri cospi jmin / Re cosP cosa) где: Stel - внешняя окружная толщина зубьев шестерни; hfel, hfe2, - внешняя высота ножки зуба шестерни, колеса; Рмп - средний нормальный шаг; hfil, h£2 - внутренняя высота ножки зуба шестерни, колеса jmin-минимальный боковой зазор

Когда продольная кривизна выполнена близкой к эвольвенте, то критической для шестерни является ширина дна впадины на внешнем торце (обратное сужение):

Wei = (Re cos|3e Ршп/Rm cosPm) - (hfel + hfe2) 2tgan

- Wm2 + ( jmin / COSa)

При этом было установлено, что у шестерни с Рт=35° - 43° с продольной кривизной, выполненной по архимедовой спирали, ширина дна впадины равномерная.

По результатам теоретических исследований у конической передачи с КПЗ (Zl = 11, Z2 = 19, mte=9 мм;Ъ = 33 мм; Р m = 4Г35') редуктора ведущего моста грузового автомобиля ЗИЛ-131 был уменьшен радиус продольной кривизны с р = 1 14,3 мм (логарифмическая спираль) до р = 95,2 мм (архимедова спираль). У шестерни, обрабатываемой СПУ и являющейся наиболее слабым элементом передачи, ширина впадины зуба стала равномерной, что позволило увеличить радиус закругления у корня зуба с 0,8 до 1,5 мм.

Сравнительные стендовые испытания показали, что у конических передач с профильной кривизной, близкой к архимедовой спирали, и увеличенным радиусом закругления у корня зуба изгибная выносливость повысилась на 30 -35% (рис. 6). Благодаря этому долговечность работы конической передачи в редукторе автомобиля ЗИЛ-131 повысилась более чем в 2 раза, годовой экономический эффект при внедрении в народном хозяйстве составил 1061 тыс. рублей (в ценах до 1990 г.) [10,43,45, 50].

2.4. Эксплуатационные параметры

Изгибная выносливость зубьев характеризуется сопротивлением зубчатого зацепления усталостным поломкам под действием напряжений в основании зуба. Проведённые теоретические и экспериментальные исследования позволили установить степень влияния технологических и конструктивно-технологических параметров на изгибную выносливость конических и гипоидных зубчатых передач.

Изгибную выносливость можно повысить получением анизотропного расположения волокон металла в поперечном сечении зуба (малоотходные технологические процессы), повышением радиуса закругления у корня зуба, созданием внутренних напряжений сжатия в основании зуба, а также уменьшением радиуса продольной кривизны круговых и циклоидальных зубьев [24, 44, 45,50, 55].

Контактная выносливость зубьев характеризуется сопротивлением типовым отказам рабочих поверхностей зубьев - питингу., микропитингу, износу под действием контактных напряжений. Полученное с помощью профильной и продольной модификаций пятно контакта должно удерживаться в границах зуба в реальных условиях работы. Поэтому из рассмотренных параметров доминирующее влияние на контактную выносливость зубьев оказывает чувствительность пятна контакта к смещениям базовых расстояний. Исследованиями установлено, что по мере уменьшения радиуса продольной кривизны от логарифмической спирали к эвольвенте чувствительность пятна контакта снижается [21,32,43,45, 50].

Контактная выносливость повышается также при образовании в поверхностных слоях зубьев внутренних напряжений сжатия и повышения качества (отсутствие диагональности) суммарного пятна контакта [15]. Виброакустическая активность зубчатой передачи определяется уровнем её вибраций под воздействием спектра собственных частот и спектра возмущающих сил. Локализованная форма пятна контакта и погрешность изготовления зубьев является основной причиной возникновения разницы угловых скоростей сопряжённых элементов зубчатой передачи. Поэтому при зацеплении зубьев периодически возникают угловые ускорения. Силы, действующие в зацеплении зубьев, пропорциональны этому угловому ускорению, они передаются через валы, подшипники, корпус редуктора, вызывая вибрацию.

90, 120 ISO Время испытания, мин

Рис. 6. Сравнительные стендовые испытания всей конструкции. Частота вибрации равна основной частоте зубчатого зацепления или кратна ей, т.е. равна её гармоникам

Известно, что в системе привода конические и гипоидные передачи действуют как генератор вибраций, частота которых зависит от числа зубьев и скорости их вращения. В широкополосном частотном спектре вибраций доминирующими являются основная частота (первая гармоника), а также вторая и третья гармоники, которые составляют 98% вибраций, создаваемых зацеплением конических и гипоидных передач б).

Первая гармоника (основная частота) характеризуется частотой пересопряжения зубьев, её величина зависит от конструкции зубчатой передачи (коэффициент суммарного перекрытия, ширина зубчатого венца, угол наклона зуба, высота зуба и т.д.). Вторая гармоника (удвоенная основная частота) определяется формой и положением пятна контакта, она проявляется при очень широком и длинном пятне контакта и может быть более мощной, чем первая. Третья гармоника (утроенная основная частота) связана с шероховатостью боковых поверхностей зубьев, её снижают тщательным проведением финишной операции.

Известные исследования объясняют причины возникновения вибраций конических и гипоидных зубчатых передач и проводят рекомендации по их уменьшению. Однако в этих исследованиях не рассматривается влияние радиуса продольной кривизны зубьев на виброакустическую активность зубчатых зацеплений.

Изучение этого вопроса в данной работе потребовало проведение теоретических и дорогостоящих экспериментальных исследований. Были изготовлены полуобкатные гипоидные передачи Zl = 9; Z2 = 38; mte = 4,58 мм; Ъ2 = 27 мм; Re = 89,931 мм; Е = 32 мм) с круговыми зубьями, имеющими продольную кривизну, расположенную

- между логарифмической и архимедовой спиралью (р = 95,25 ) мм

- между архимедовой спиралью и эвольвентой (р = 76,2 мм) Результаты исследования на контрольно-обкатном станке показали (рис. 7), что при изменении базового расстояния шестерни и гипоидного смещения уровень звукового давления на первой гармонике у передач с р = 95,25 (обозначены пунктирной линией) повышается значительно интенсивнее, чем у передач с р = 76,2 мм (обозначены сплошной линией). Эта же закономерность наблюдается и на второй и третьей гармониках. Уровень звукового давления при изменении окружной скорости значительно выше у передач с большим радиусом кривизны зубьев р = 95,25 мм.

Для объективной оценки зубчатых передач в собранном виде в редукторе использовали вибрационный метод, который позволяет свести к минимуму помехи окружающей среды. Исследования проводили на легковом автомобиле при его движении со скоростями 40, 50,60, 70,80, 90 и 100 км/ч.

6) E.W.Newton. Medsuring Rolling Vibrations of Hypoid Gears. Automotive Engineering Congress. Detroit,

Рис. 7. Влияние изменения базового расстояния А шестерни (а) и гипоидного Е смещения (б) на уровень шума гипоидных зубчатых передач

Результаты измерений вибраций на 1,2 и 3 гармониках при испытании пяти редукторов каждой модификации приведены на рис. 8. Гипоидные передачи с р = 76,2 мм (рис. 8, б) имеют более низкий уровень вибрации, чем с р = 95,25 мм (рис. , а), особенно с частотой первой и второй гармоник, причём разница на отдельных скоростях достигает 5-6 <1В. Уровень вибраций с частотой третьей гармоники у обеих модификаций гипоидных передач приблизительно одинаковы.

Результаты исследований показывают, что с уменьшением радиуса продольной кривизны зубьев от логарифмической спирали к эвольвенте виброакустическая активность зубчатых передач снижается. Эти выводы действительны для КПЗ и ЦРЗ [10,21,24,43,45, 50].

Массогабаритные размеры зубчатой передачи обеспечиваются комбинированием технологических и конструктивных параметров. К технологическим и конструктивно-технологическим параметрам, способствующим минимизации массогабаритных размеров зубчатых передач, следует отнести: точность зубчатых передач, шероховатость боковых поверхностей зубьев, анизотропное расположение волокон металла, физическое состояние поверхностного слоя зубьев, качество суммарного пятна контакта и радиус закругления у корня зуба,

Существенное влияние на уменьшение массогабаритных размеров зубчатых передач оказывает чувствительность пятна контакта к смещениям базовых расстояний, которая снижается с уменьшением радиуса кривизны зубьев от логарифмической спирали до эвольвенты.

2.5. Концепция определения продольной кривизны зубьев

Так как взаимосвязь продольной кривизны КПЗ и ЦРЗ конических и гипоидных передач с технологическими, конструктивно-технологическими и эксплуатационными параметрами достаточно разнообразна и не может быть представлена однозначно в чёткой аналитической форме, поэтому в каждом конкретном случае её необходимо определять, исходя из требований экономической целесообразности изготовления и эксплуатации (табл. 4). Если перед зубчатыми зацеплениями не ставятся специальные условия, то определение продольной кривизны можно производить по табл. 5.

W 50 60 70 80 ■90 ккм/я б)

Рис. 8. Влияние скорости движения автомобиля на уровень L вибраций редуктора заднего моста с гипоидными передачами

4. Зависимость технологических, конструктивно-технологических и эксплуатационных параметров от геометрической формы зуба

Технологические, конструктивно технологические и эксплуатационные параметры Продольная кривизна зубьев круговых понижающихся циклоидальных разновысоких

Логарифмическая спираль Архимедова спираль Эвольвента Логарифмическая спираль ill Эвольвента

Точность зубчатых передач при зубонарезании Практически одинаковая при соблюдении равных технологических условий

Шероховатость поверхности зубьев при зубонаре-зании Практически одинаковая при соблюдении равных технологических условий

Расположение ре-зов на поверхности зубьев Параллельно линии контакта Под углом к линии контакта

Анизотропное расположение волокон металла при малоотходных технологических процессах

Физическое состояние поверхностного слоя зубьев Определяется финишной операцией обработки зубьев

Производительность процесса зубонарезания Ниж Ф ев 1,2. 1,5 Ф раза ФФ £ыи Ф аев 1,2. 1,5 * раза ФФ

Склонность к образованию диагонального пятна контакта Ф Ф ФФ Теоретически отсутствует

ОбрабагыЕемость заготовок малоотходного производства Ф Ф ФФ Ф Ф ФФ

Сложность продольной и профильной модификации зубьев Ф Ф ФФ Ф Ф Ф

Точность сопряжения реечного и обкатного профиля в полуобкатных передачах Ф Ф ФФ Ф Ф Ф

Чувствительность пятна контакта к смещению базовых расстояний f Ф ФФ Ф Ф ФФ

Продолжение таблицы

Разность углов наклона линий зуба на внешнем и внутреннем торцах ФФ Ф Ф ФФ Ф Ф

Радиус закругления у корнл зуба СПУ * ДС-ш СПУ ф ксимально вс СПУ ф змоясный Максимально возможный

Ширина дна впадины зуба СПУ- прямое сужение ДС СПУ-равномерна* -равноыерн, ОТУ- обратное сужение ая Прямое сужение

Изгибная выносливость зубьев Ф Ф ФФ Ф Ф ФФ

Контактная выносливость зубьев Ф Ф ФФ Ф Ф ФФ

Виброакустическая активность зубчатой передачи Ф Ф ФФ Ф Ф ФФ

Массо габаритные размеры зубчатой передачи Ф Ф ФФ Ф Ф ФФ где: ф - высокая; фф - очень высокая; Ф - низкая; ФФ - очень низкая

5. Область применения конических и гипоидных зубчатых передач

Конические и гипоидные зубчатые передачи Продольная кривизна зубьев

Логарифмическая спираль Архимедова спираль Эвольвента

М.П. СЛ. MIL С.П. в.п. С.П. В.П.

Круговые понижающиеся зубья + +/- + +/- +/-

Циклоидальные равно-высокие зубья - +/- +/- + +/- +/- + где: + • рекомендуется применять;

- - рекомендуется провести технико-экономический анализ;

- не рекомендуется применять М.П. - малонагруженные передачи; С.П. - средненагруженные передачи; В.П. - высоконагруженные передачи.

3. Совершенствование конструкции режущего инструмента и технологической оснастки

Производительность и достигаемые качественные показатели технологических процессов изготовления конических и гипоидных передач с криволинейными зубьями в значительной степени зависят от применяемого инструмента и технологической оснастки. Поэтому в работе уделено большое внимание разработке новых конструкций, исследованию точности и режущих свойств и внедрению в промышленность режущего инструмента и зажимных приспособлений.

3.1. Исследование влияния отклонения угла профиля резцов на точностные показатели зубчатых зацеплений

Известно, что точность расположения резцов в резцовых головках оказывает существенное влияние на точностные показатели зубчатых зацеплений. Однако проведённые в работе исследования показали, что даже безупречно точное радиальное и торцевое расположение резцов в корпусе головки не гарантирует высокого качества при нарезании зубчатых колёс с обкатным профилем. Разработанная схема обкатного зубонарезания (рис. 9, а, б) показывает, что в резании участвует режущая кромка резца с длиной, близкой к высоте зуба. В этих условиях большое значение приобретает точность углового расположения резцов в головке. Если режущие кромки резцов точно установлены в радиальном направлении, но имеют отклонение по углу профиля друг относительно друга (линии ab и cd), то на поверхностях зубьев образуется ярко выраженная огранка с увеличенной шероховатостью, точность зубьев и плавность зацепления снижаются, повышается виброакустическая активность зубчатых передач (рис. 9 , в, г).

Влияние погрешности углового расположения режущих кромок резцов на точностные показатели конических и гипоидных передач не было изучено. В отечественной и зарубежной литературе не приводятся научно-обоснованных данных по допустимым отклонениям профиля резцов чистовых резцовых головок.

Если фирма Глисон (США) задаёт допуск на отклонения профиля резцов для всех диаметров резцовых головок в пределах 0,00127 мм, что в два раза грубее допуска на радиальное биение этих же резцов, то по ГОСТ 11906-77 допустимое отклонение профиля для различных диаметров головок составляет 0,012 - 0,05 мм и в 5 - 12 раз превышает точность по радиальному биению. Для определения оптимальных величин допустимых угловых отклонений

Рис. 9. Нарезание зубьев методом обкатывания: а - схема нарезания; б - отклонение угла профиля резцов; в - схема расположения резцов по длине и г- по профилю зуба профиля резцов в работе были проведены исследования точностных параметров конических и гипоидных зубчатых передач после зубонарезания. Для этого была разработана резцовая головка с регулируемыми в радиальном и угловом направлении резцами.

На основании полученных результатов исследований (рис. 10) впервые были составлены научно-обоснованные нормы точности расположения резцов в зависимости от требуемых точностных показателей конических и гипоидных зубчатых передач с КПЗ и ЦРЗ (табл. б).

6. Точность углового расположения и радиального биения резцов чистовых резцовых головок

Отклонения резцов чистовых резцовых головок Степень точности по ГОСТ 1758

5 6 6-7 7

Радиальное биение резцов по середине режущей кромки, мкм 0,5 1,0 2,5 2,

Погрешность углового расположения режущих кромок резцов, мкм 1,0 2,0 5,0 10,

Разработанные нормы точности были внедрены на ЗИЛе, Рязанском и Петровском автоагрегатных заводах, Минском автомобильном заводе [38, 57, 63].

3.2. Разработка и внедрение резцовых головок для чернового зубонарезания

Большинство конических и гипоидных передач обрабатывают с использованием предварительных (черновых) операций. При черновом нарезании из впадин зубьев удаляют свыше 80% металла. Зубонарезние имеет прерывистый характер и проходит в условиях повышенных вибраций с выделением большого количества тепла в зоне резания.

С целью повышения производительности и стойкости режущего инструмента при черновой обработке зубьев в рамках данной работы была создана новая конструкция черновой резцовой головки, имеющей повышенную жёсткость и массу, увеличенное число резцов с клиновым закреплением, изменённую геометрию режущей части резца. Сравнительные стойкостные испытания показали, что стойкость черновых резцовых головок новой конструкции при работе методами обкатывания и врезания в 1,5 - 5 раз выше по сравнению со стандартными головками (ГОСТ 11902-77).

Внедрение этих резцовых головок на ЗИЛе и Рязанском автоагрегатном заводе позволило повысить производительность зубонарезания на 32 - 37% и получить годовой экономический эффект 78 тыс. рублей (в ценах до 1990 г.) [25,26, 27,28, 35,38, 40,42]. го to. eo ы ю ко no т ш гоо, гго ш гм т м .п tftumeanio ■ <фг&ммш fcmaiti f J

Рис. 10. Влияние точности расположения резцов резцовой головки: а - шероховатость поверхности зубьев; б - биение зубчатого венца; в - отклонение шага зубьев; 1,2, 3,4 и 5 - порядковый номер эксперимента

3.3. Разработка, исследование и внедрение групповой схемы чистового протягивания зубьев

Характерной особенностью полуобкатных передач является различие в формах профиля зубьев сопряжённых шестерни и колеса, обусловленное методами их чистового зубонарезания. Это различие может быть потенциальным источником возникновения неправильного зацепления, которое усиливается неточностью изготовления зубьев.

С целью повышения качества зубопротягивания круговых зубьев колёс полуобкатных передач была разработана схема резания реализуемая получисго-выми, чистовыми и калибрующими резцами. Различный угловой шаг и высота резцов в группах создают благоприятные условия резания, особенно калибрующим резцом [91].

Достигнуто повышение: стойкости резцовых головок - протяжек с новой схемой резания в среднем на 20%, точности окружных шагов зубьев на 12% и накопленной погрешности окружного шага на 10% [31,37,40, 42,49, 54]. Внедрение в производство РЗАА и ПЗА резцовых головок - протяжек с групповой схемой резания наряду с повышением качества изготовления полуобкатных передач позволило снизить затраты на режущий инструмент.

3.4. Разработка, исследование и внедрение зажимных приспособлений с беззазорным центрированием

Заслуживает специального рассмотрения вопрос о влиянии на точность изготовления зубьев конструкций зажимных приспособлений. Зажимные приспособления с жёстким центрированием не обеспечивают требуемой точности установки заготовок на зуборезном станке. На рис. 11 показан механизм возникновения погрешности радиального биения:

Fru = Ad/2 cosSu где: 81,2 - угол делительного конуса шестерни, колеса

Ad - зазор между поверхностями заготовки и приспособления Разработанные зажимные приспособления с беззазорным центрированием для колёс-дисков и колёс-валов за счёт разжимных центрирующих элементов обеспечивают высокую точность нарезания зубьев.

Внедрение приспособлений с беззазорным центрированием в производство ЗИЛа, РЗАА и АЗЖ позволило в среднем на 30 - 35% повысить точность нарезания зубьев по биению зубчатого венца, разности соседних окружных шагов, предельному отклонению шага и накопленной погрешности окружного шага [10, 52,64,94,101]. На основании результатов исследований и опыта эксплуатации разработаны общемашиностроительные руководящие технические материалы по применению зажимных приспособлений при чистовом

Рис. 11. Погрешность установки в приспособлении с жёстким центрированием: а - шестерня; б - колёса; в - биение зубчатого венца; ds - диаметр вала; do - диаметр отверстия нарезании зубьев конических и галоидных передач с КПЗ и ЦРЗ (табл. 7).

7. Применение зажимных приспособлений

Центрирование заготовки в приспособлении Конические и гипоидные зубчатые передачи

Прецизионные (точнее 5-й степени) Повышенной точности (5-6-й степени) Точные (78-й степени) Обычные (грубее 8-й степени)

Жёсткое + Не обеспечивает точности Не обеспечивает точности +

Беззазорное + + + Экономически нецелесообразно

Примечание: + рекомендуется применять; - не рекомендуется

4. Теоретическая разработка методики расчёта режимов резания и её экспериментальные исследования

Станочный метод обкатывания, как окончательная стадия нарезания, оказывает непосредственное влияние на точность и шероховатость поверхности зубьев. Существующий в отечественной практике расчёт режимов резания базируется на производственном опыте с учётом применяемого зуборезного оборудования, режущего инструмента, обрабатываемого материала и т.д. 7> При этом совершенно не учитываются требования, предъявляемые к качеству нарезаемых зубчатых колёс с криволинейными зубьями. Теоретические и экспериментальные исследования, про ведённые в работе, позволили создать методику расчёта режимов резания, основанную на дискретной ширине реза М (рис. 12).

Длина резания профиля одного зуба определя-ются по формуле:

1 = (b/cos Pm -(- he /tg y) sin где: b - ширина зубчатого венца; \|/ - угол наклона линии резов; he-внешняя высота зуба.

7) Общемашиностроительные нормативы режимов резания, нормы износа и расхода зуборезного инструмента при обработке конструкционных углеродистых сталей и чугунов. Москва, 1986.

Рис. 12. Схема расположения реза на профиле зуба -39

Ширину реза для конических и галоидных передач с круговыми и циклоидальными зубьями определяют аналитически:

М = 1 zJ Тобк ко n= [(b sin y/cos (Jm + he cos у) z] / Тобк ко n где: ко - число одноимённых профилирующих резцов резцовой головки; п - частота вращения резцовой головки. Время обкатного нарезания всех зубьев шестерни и колеса:

- при непрерывном нарезании ЦРЗ

Тобк = [(b sin *y/cos pm+he cos v) z] / M ko n

- при прерывистом нарезании круговых понижающихся зубьев

Тобк = [(b sin v|//cos Pm+he cos 4/) z Ek] / M ko n где: Ek - коэффициент полезного использования копира подач в зависимости от конструкции станкаЕк= 1,3 . 2,0.

Экспериментально апробированные рекомендации по определению ширины реза резца для конических и гипоидных передач с КПЗ и ЦРЗ в зависимости от требуемой точности зубонарезания и твёрдости обрабатываемого материала приведены в табл. 8 [1,10,15,18,19,20,29].

3- Ширина реза резца, мм

Модуль, мм Твёрдость обрабатываемой стали НВ

160 - 200 200

1-4 5-8 9-12 Степень точности - 6 (ГОСТ 1758-81)

0,10-0,15 0,13-0,18 0,16-0,21 0,05 - 0,10 0,08-0,13 0,11-0,

1-4 5-8 9-12 Степень точности 6

0,20-0,25 0,23-0,28 0,26-0,31 0,15-0,20 0,18 - 0,23 0,21 - 0,

1-4 5-8 9-12 Степень точности 7

0,30-0,35 0,33-0,38 0,36-0,41 0,25 - 0,30 0,28 - 0,33 0,31-0,

5. Разработка технологических схем построения процессов зубонарезания конических и гипоидных передач с криволинейными зубьями

К основным станочным методам, используемым для нарезания конических и гипоидных передач с криволинейными зубьями, относятся: обкатывание, врезание, комбинированный и протягивание. Эти методы применяют для обработки КПЗ и ЦРЗ обкатных и полуобкатных передач. Среди технологических способов чистового зубонарезания наиболее часто применяют: двухсторонний, постоянных установок, двойной двухсторонний ддс).

Большое число станочных методов и технологических способов, разнообразие геометрических форм зубьев по длине и профилю значительно затрудняют выбор процесса зубонарезания. Традиционно сложилось, что разработку процесса зубонарезания производят на основе опыта эксплуатации существующего станочного оборудования и не учитывают всего спектра технологических факторов. Такие процессы, как правило, являются не совершенными и не позволяют получить требуемое качество и производительность зубонарезания. Для решения этих задач в работе были созданы технологические схемы построения процессов зубонарезания конических и гипоидных передач с круговыми и циклоидными зубьями в условиях серийного и массового производства (табл. 9,10). Эти схемы продолжительное время отрабатывались на ЗИЛе, они соответствуют современному уровню технологии зубонарезания и могут быть использованы как на зуборезных станках с механическими связями, так и на современных станках с ЧПУ [10, 18]. Таблицы 9 и 10 предназначены для обкатных и полуобкатных передач с размерами, охватывающими практически всю область применения конических и гипоидных передач в машиностроении. Согласно проведённым исследованиям, для достижения минимальной шероховатости поверхности зубьев, указанной в таблице 9, обкатное нарезание зубьев колеса необходимо производить резцовой головкой с уменьшенным числом резцов так, чтобы в резании участвовал только один резец - внутренний или наружный. Число резцов в головке определяют по формуле:

К < я dH cos Р / b где: сЬ-номинальный диаметр резцовой головки.

Нарезание зубчатых зацеплений с обкатным профилем производят с попутной подачей, при которой создаются благоприятные условия для резания -отсутствует скольжение резцов по обработанной поверхности, уменьшается нагрузка на резцы.

9. Основные технологические схемы построения процессов зубонарезания КПЗ и ЦРЗ с обкатным профилем

Схема зубонарезания Конические и гипоидные пере* дачи Метод / способ зубонарезания Зубонаре-зание Движение подачи обкатывания Расположение заусенца и место схода стружки Направление главной силы резаНИЯ Направление вращения резцовой головки при нарезании зубьев с Точность зубьев (ГОСТ 1758-81), шероховатость поверхности левым наклоном правым наклоном с предварительной обработкой

- г. Обкатные и по-луобкапше mte >2,5 мм 2) Одно кратное обкатывание/ СПУ. Попутное К внутреннему торцу У внешнего торца К торцу зажимного приспособления левое щшюе Степень точности 5-7, Ra2-7MKM без предварительной обработки

Обкатные и полуобкатные mte < 2,5 мм Однократное обкатывание /ддс Попутное К внутреннему торцу У внешнего торца К торцу зажимного приспособления левое правое Степень точности 6-8, Ra 3—8 мкм э— Обкатные пие-2,5-4,0мм Врезание к однократное обкатывание /ддс Попутное К внутреннему торцу У внешнего торца К торцу зажимного приспособления левое правое Степень точности 7—9, Ra 5 - 10 мкк

1 ЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧ^^у Обкатные mte >4 мм, 5 >25° Врезание и двухкратное обкатывание /ддс Попутное (встречное)!} К внешнему (внутреннему)!) торцу У внутреннего торца Отторц а зажимного приспособления правое левое Степень точности 6-8, ИаЗ-вмкм с |\ЧЧЧ\ЧЧ\\\\Ч\Л.ЧЧМ . Обкатные mte > 4 мм, 8 <25° 2) 8 >25° и 8 < 25° 3) Двухкратное обкатывание /ддс Попутное (встречное)]) К внутреннему (внешнему)1) торцу У внешнего торца К торцу зажимного приспособления левое правое Степень точности 6-8, Ra2-8M«M

4 я . Полуобкатные mte > 2,5 мм Двухкратное обкатывание /ддс. Попутное (встречное)!) К внутреннему (внешнему)!) торцу У внешнего торца К торцу зажимного приспособления левое право Степень точности 6-8, Ra 2 - 8 мхм

10. Основные технологические схемы построения процессов зубонарезания КПЗ и ЦРЗ с реечным профилем

Схема зубонарезания Конические и гипоидные передачи Метод / способ зубонарезания Подача Расположение заусенца н место схода стружки Направление главкой силы резания Направление вращения резцовой головки при нарезании зубьев с Точность зубьев (ГОСТ 1758-81), шероховатость поверхности левым наклоном правым наклоном с предварительной обработкой

-ЧГ- 7771 nil ГГГ?7. - ; Полуобкатные mte < 16 мм 2) Протягивание <й>рмейг/ДС У внешнего-торца К торцу зажимного приспособления левое правое Степень точности 5-7, Ra 1,0-5,0 мкм в— Полуобкатные mte < 10 мм 2) Протягивание Геликсформ/ ДС Осевая на зуб инструмента У внешнего-торца К торцу зажимного приспособления левое правое Степень точности 5-6, Ra 0,5-4,0 мкм

Полуобкатные пйе< 1025,4 мм Врезание/ ДС Осевая У внешнего-торца К торцу зажимного приспособления левое правое Степень точности 6-8, Ra 5,0 -10,0 мкм без предв. фительной обработки

Полуобкатные mte < 16 мм Врезание/ ДС Переменная прерывистая осевая У внешнего-торца К торцу зажимного приспособления левое правое Степень точности 7-9, Ra 8,0-15 мкм

Примечание: 1) в скобках указана черновая часть операции

2) для круговых понижающихся зубьев

3) для циклоидальных равновысоких зубьев