CC BY
55
УДК 621.3.08
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛИ ПРИ ЗУБОФРЕЗЕРОВАНИИ СБОРНЫМИ ЧЕРВЯЧНЫМИ
ФРЕЗАМИ
Н.Д. Феофилов, И.А. Воробьев, Е.С. Янов
Рассмотрены вопросы, связанные с зубофрезерованием цилиндрических зубчатых колес, и процессы, протекающие в слоях металла под поверхностями резания. Оценена микротвердость исследуемых образцов. Рассмотрено влияние технологических параметров процесса зубофрезерования на шероховатость и волнистость нарезанных зубчатых колес.
Ключевые слова: зубофрезерование, сборная червячная фреза, шероховатость, волнистость. микротвердость, зубчатое колесо.
Определение взаимосвязей параметров технологической системы -станка, инструмента, зубчатого колеса, жесткости системы и точность нарезанных зубчатых колес, деформации поверхностного слоя, шероховатости и волнистости необходимо для повышения эффективности операции зубофрезерования. В связи с этим требуется проведение металлографических и технологических исследований, характеризующих силовые и термические процессы, проходящие в поверхностных слоях заготовки, которые формируются в результате контакта с зуборезным инструментом
Для металлографических исследований использованы образцы из стали 3сп, полученные в результате испытаний на экспериментальной установке [1]. Для оценки степени деформации в торцевом сечении зуба изготовлены шлифы. Приготовление металлографических шлифов включало в себя операции шлифования, механического полирования и химического травления 4 % раствором азотной кислоты HNO3. Исследование структуры проводилось на оптическом микроскопе Axio Observer Dim фирмы Ziess при увеличениях от х50 до х500 в светлом и темном полях. В рассматриваемых образцах наблюдалось два слоя (рис. 1, а): основной слой несдеф-рмированный в центре, представляюший собой равноосные зерна феритно-перлитной структуры и сдеформированный слой на поверхности образца, зернистая структура которого ориентирована в направлении подачи (встречной), что свидетельствует о локальных пластических деформациях, возникших во время зубофрезерования, которым подверглись исследованные образцы. Процесс пластической деформации сопровождался выделением большого количества тепла, двояко влияющего на упрочнение поверхностного слоя. Во-первых, при высоких температурах происходит повышение пластичности металла, что способствует росту наклепа, во-вторых, происходит разупрочнение обработанной поверхности.
Величина деформируемого слоя составила 71...120 мкм и различна по высоте зуба в зависимости от силы резания: минимальные деформации поверхностного слоя наблюдались при формировании вершины зуба, где сила резания минимальна, далее она возросла от вершины к основанию зуба и стала максимальна при формировании переходной кривой.
а
б
Рис. 1. Микроструктура боковых поверхностей зуба: а - схема исследования: 1 - торцевая плоскость зуба; 2 - исследуемый образец; 3 - общий вид схемы измерения микротвердости; б - схема позиций измерения микротвердости
163
Для оценки степени пластической деформации поверхностных слоев проведено измерение микротвердости на приборе ПМТ - 3 согласно ГОСТ 9450-76 [2] с выдержкой 10 с. Объектом измерения являлись фрагменты зубчатого колеса с модулем m = 2,5 мм и числом зубьев г о = 112. Результаты измерений представлены в табл. 1.
Таблица 1
Величина микротвердости в различных позициях, НУ
№ позиции Нагрузка, гр. ё1, мкм ё2, мкм ёср, мкм НУ
1 100 90,5 96 93,25 236,9024
2 100 93,5 102,5 98 214,494
3 100 108,5 104 106,25 182,4775
4 100 112,5 112,5 112,5 162,7654
5 100 101,5 102,5 102 198,0008
6 100 114,5 113,5 114 158,5103
7 100 97 95 96 223,5243
8 100 101,5 102 101,75 198,9749
9 100 96,5 98,5 97,5 216,6995
10 100 103 94,5 98,75 211,2482
11 100 99,5 102 100,75 202,9444
12 100 117 115,5 116,25 152,4338
13 100 110,5 110 110,25 169,4767
14 100 110,5 115 112,75 162,0444
15 100 113,5 111 112,25 163,4913
16 100 120 114 117 150,4858
Величина микротвердости определялась по формуле
1854 • Р1
ну=т-V, (1)
[0,3 • ]2
где Р[ - нагрузка в граммах; йСр - средний размер отпечатка.
Исследование пластических деформаций боковых поверхностей нарезанных зубчатых колес позволило в статическом положении определить микротвердость срезаемых слоев при зубофрезеровании. Величина деформации влияет на силу резания, и чем она больше, тем выше сила резания.
Шероховатость боковых поверхностей зубчатых колес формируется под влиянием конструктивных параметров (модуля, числа зубьев и материала колеса, твердости материала заготовки и их физико-механических свойств) и технологических факторов (скорости резания, подачи и износа
инструмента). Микрогеометрия неровностей связана с физико-механическими процессами разрушения металла при обработке резанием. Требования устанавливаются в зависимости от служебного назначения зубчатых передач и в основном определяются степенью точности колес.
Величина шероховатости боковых поверхностей зубьев (рис. 2), нарезанных червячной фрезой, зависит от обрабатываемого материала, состояния инструмента и станка, смазочно-охлаждающей жидкости, режимов резания (главным образом от подачи) и модуля.
К- РгоА1е аПдпес! РМег 1ЭО 11562(М1) 1_с = 0.250 тт
II А
/Ч] / /т п^А*-
уР] 1 V у лУ
(С ' 1 г
РгоЬе ТКиЗОО И = 1.50 тш 1_с = 0.250 тт У1 = 0.15тт/э
Рис. 2. Профилограмма шероховатости боковой поверхности зуба
Анализ табл. 2 позволил сделать следующие выводы: для экспериментального инструмента изменение переднего угла с 0 до 5° позволило снизить шероховатость боковых поверхностей зуба в 2,87 при измерении вдоль боковой поверхности зуба и в 1,1 раза при измерении поперек; по мере обработки партии экспериментальных образцов шероховатость поверхностей зубьев увеличивается.
Таблица 2
Величины шероховатости Яа
Схема измерения
вдоль боковой поперек боковой
№ поверхности зуба поверхности зуба
с ° У а = 5 , У а = 0 °, У а = 5 , У а = 0 °,
Яа, мкм Яа, мкм Яа, мкм Яа, мкм
1 0,17 0,43 0,76 0,81
2 0,17 0,45 0,76 0,83
3 0,17 0,54 0,76 0,84
4 0,19 0,57 0,77 0,86
5 0,21 0,57 0,77 0,86
6 0,24 0,58 0,78 0,91
7 0,24 0,86 0,78 0,91
При обработке червячными фрезами неизбежны огранка (рис. 3 а, б) в результате формирования зуба колеса рядом последовательных резов и волнистость боковой поверхности зуба с шагом, примерно равным подаче So. Волнистость оказывает влияние на контакт зубчатых колес больше, чем шероховатость обработанной поверхности, и занимает промежуточное положение между отклонениями формы и шероховатостью поверхности. Стандарта на волнистость нет, но есть рекомендации ISO, согласно которым предусмотрены два параметра: Sw - шаг волнистости; Wz - высота волнистости.
Волнистость определяется по формуле
S 2
Wz =-, (2)
4da ■ cos (yb)
где da - диаметр вершин инструмента; So - осевая подача, gь угол наклона винтовой инструмента на делительном диаметре.
В качестве инструмента использована экспериментальная фреза с
da = 90мм, gа = 5°, m = 2,5мм, нарезающая впадину зубчатого колеса с числом зубьев z = 112 на режиме резания So = 1 мм / об, V = 30 м / мин [3].
Р- Profile aligned Lc/Ls = 300 Poly 10.0 -I---
Probe TKU30Q Lt = 15.00 mm Lc = 2.500 mm Vt = 0.50 mm/s
б
Рис. 3. Волнистость: а - волнистость на боковой поверхности зубчатого колеса; б - профилограмма волнистости боковой поверхности зуба
Теоретическая величина волнистости, рассчитанная по формуле (2), составляет 2,7 мкм. Измеренная волнистость составляет 1,09 мкм, но не учтен угол наклона винтовой на делительном диаметре.
По полученным результатам можно заметить, что волнистость зависит от жесткости системы. Так как заготовка закреплена консольно и имеют место изгибающие силы, волнистость боковой поверхности получилось меньше. Увеличение жесткости системы повысило волнистость в среднем до 2,78 мкм, что соответствует расчетному значению.
Шероховатость и волнистость измерялись на приборе для контроля шероховатости, волнистости и профиля HÜMMEL TESTER W55 (рис. 4). Результаты измерения сохранены на флэш-карте в формате *.PDF. Эксплуатация прибора проводилась в реальных цеховых условиях следующим образом: в специальном приспособлении на измерительном столе 2 прибора для контроля шероховатости 1 установлен и выставлен параллельно движению щупа экспериментальный образец 3, задается длина трассирования и шаг, далее в автоматическом режиме проводится измерение. Использовались образцы двух видов: полная впадина зубчатого колеса и разрезанная по дну впадины на две части.
Рис. 4. Схема измерения шероховатости и волнистости: 1 - прибор HÜMMEL TESTER W55; 2 - измерительный столик;
3 - исследуемые образцы
С уменьшением скорости резания происходит увеличение шероховатости из-за возможности образования наплывов. Также увеличение шероховатости происходит при обработке каждого последующего зубчатого колеса в партии. Увеличение переднего угла ведет к уменьшению силы резания, а следовательно, и к шероховатости из-за улучшений условия резания. Увеличение осевой подачи S0 инструмента увеличивает толщины срезаемых слоев, что приводит к росту силы резания при повышенном трении в зоне стружкообразования и увеличению волнистости. С увеличением силы резания происходит увеличение степени деформации металла в зоне резания, что так же вызывает рост фактической высоты микронеровностей.
Список литературы
1. Феофилов. Н.Д., Янов Е.С. Установка для проведения силовых исследований операции зубофрезерования // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. Вып. 11. Ч. 1. С. 184-189.
2. ГОСТ 9450-76. Измерение микротвердости методом вдавливания алмазных наконечников. М.: Изд-во стандартов, 1978. 56 с.
3. Общемашиностроительные нормативы режимов резания: справочник в 2 т. Т. 2 / А. Д. Локтев, И.Ф. Гущин, Б.Н. Балашов [и др.]. М.: Машиностроение, 1991. 304 с.
Феофилов Николай Дмитриевич, д-р техн. наук., проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Воробьев Илья Александрович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Янов Евгений Сергеевич, асп., dex aikarambier.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE STUDY OF DETAIL SURFACE LAYER DURING THE HOB CUTTING PROCESS
N.D. Feofilov, I.A. Vorobyov, E.S. Yanov
The work is devoted to the problems which are connected with cylindrical gears cutting and processes which pass in the layers of metal under the surfaces of cutting. The micro-hardness of samples is evaluated. The influence of technological parameters of gear cutting process on the roughness and undulation of cut gears.
Key words: gear cutting, hob, roughness, undulation, microhardness, gear.
Feofilov Nikolai Dmitrievich, doctor of technical sciences, professor, feofi-lovnd@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Vorobyov Ilya Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, feofi-lovnd@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Yanov Evgueny Sergeevich, postgraduate, dex aik(a),rambier, ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.892.2
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ МОТОРНЫХ МАСЕЛ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕСТРУКЦИИ
Б.И. Ковальский, В.Г. Шрам, О.Н. Петров, Е.Г. Кравцова, Г.Н. Химич
Представлены результаты испытания моторных масел различной базовой основы на температурную стойкость. Предложен коэффициент сопротивления температурной деструкции масел, позволяющий их сравнивать на соответствие группе эксплуатационных свойств и определить предельные температуры работоспособности.
Ключевые слова: температура термостатирования, коэффициент поглощения светового потока, коэффициент сопротивления температурной деструкции, предельная температура работоспособности, отработанное масло.
Моторные масла различают по классам вязкости и принадлежности группам эксплуатационных свойств. Однако принадлежность масел классу вязкости легко проверить, принадлежность к группе эксплуатационных свойств проверяется комплексно по методике квалификационных испытаний. Для решения этой проблемы в работе [1] предложен метод контроля температурной стойкости, предусматривающий определение коэффициента сопротивления температурной деструкции по формуле
= О)
где Ятд - коэффициент сопротивления температурной деструкции; Кп - коэффициент поглощения светового потока; Кс - коэффициент испарения.
Целью настоящей работы является апробация предложенного метода на моторных маслах различной базовой основы и групп эксплуатационных свойств.
Методика исследования заключалась в термостатировании моторных масел постоянной массы в диапазоне температур от 140 до 300 °С при атмосферном давлении без доступа воздуха с отводом конденсата в течении 8 часов с последующим увеличением температуры на 10 °С. После каждого испытания определялась масса испарившегося масла и отбиралась проба для фотометрирования и вычисления коэффициента поглощения светового потока. По полученным данным определяли по формуле (1) ко-
169
