CC BY
10
УДК 62-233.3:621.787
I. С. Грицай
МЕТОД В1БРОСИЛОВОГО ЗМ1ЦНЮВАЛЬНО-КАЛ1БРУВАЛЬНОГО ОБРОБЛЕННЯ ЗУБЧАСТИХ КОЛ1С
Наведено опис ефективного методу чистового зм1цнювального оброблення робочих поверхонь зубчастих кол1с.
Вступ
Зубчаст колеса та передачi е невiд'eмними компонентами бшьшост сучасних машин та ме-ханiзмiв, щорiчне виготовлення яких обчисляють сотнями тисяч одиниць. Серед великого рiзноман-iття iснуючих типiв i видiв передач найрозповсюд-женiшими за формою зубцiв е евольвентнi зубчаст передачi. Попри 'х найширше використання, ц пе-редачi мають ютотний недолiк - обмежену вантаж-ну здатнють, внас-лiдок чого 'х використовують, переважно, як швидкiснi, якi передають обмеженi за величиною обертовi моменти та навантаження. Окрiм того, присутнють тертя ковзання в евольвен-тному зачепленн негативно впливае на працез-датнiсть, зменшуючи ресурс цих передач.
Стан проблеми
Для покращення експлуатацйних властивостей зубчастих евольвентних передач використовують рiзноманiтнi змщнювальы технологи, якi у пд сумку забезпечують покращення фiзико-механiчних властивостей робочих поверхонь зубцв. На сьо-годнi методи змщнення поверхонь деталей машин загалом та зубчастих колю зокрема, здмснюють такими вщомими методами, як змiною структури, утворенням захисних плiвок, змiною хiмiчного складу, пiдвищенням енергетичного рiвня поверхнево-го шару тощо.
Внаслщок вщносно''' простоти розповсюдженим способом пдвищення вантажно!' здатностi деталей машин i зубчастих колiс шляхом змiни структури поверхневого шару, який використовують на фУшних операцiях, е поверхнево-пластичне де-формування (зокрема, дробоструминне i дробомет-не змiцнення, високо- i низькочастотне змщнення карбуванням, ротацiйне обкочування i розкочуван-ня, вiбрацiйнi змiцнювальнi процеси). До рiзновид-ностi процесiв ППД належить також фрикцйно-змiцнювальне оброблення та змцнення деталей, пiд час якого обробну поверхню змiцнюють диском iз загартовано! i низьковiдпущеноí стал^ що обер-таеться з високою частотою i коловою швидкiстю (50-100 м/с). За рахунок тертя на дтянц контакту вiдбуваеться iмпульсний нагрiв поверхневих шарiв металу до температур, вищих вщ температури фа-зових перетворень з одночасним и пластичним деформуванням i наступним швидким охолоджен-
© I. е. Грицай 2006 г.
ням.
Загалом у бшьшосп вщомих механiчних про-цесiв ППД основним недолгом е недостатнi показ-ники змiцнення поверхневих шарiв, а також те, що у бшьшосп iз них змiцненню пiдлягае не вся об-робна поверхня, а лише певн и фрагменти. Вiдомi методи характеризуються енергозатратнiстю, недо-статньою продуктивною, порiвняно невисокою стiйкiстю Ыструменпв, пiдвищеним рiвнем шуму. 1'х використання обмежено, в основному, оброблен-ням поверхонь простих форм.
Окрiм широкорозповсюджених методiв змщнен-ня-оброблення деталей загальномашинобудiвного призначення, для змiцнювально-викiнчувального ("оздоблювального") оброблення зубчастих колю розроблено низку специфiчних методiв. Наприклад, в автомобiльнiй промисловосп для чистового вию-нчування та змцнення робочих поверхонь колiс ав-тотракторних трансмiсiй використовують силове обкочування твердосплавними колесами-обкатника-ми. Цей метод замЫяе шевiнгування, забезпечую-чи вищу продуктивнють, економiю засобiв та кошпв, проте його недолiком е необхщнють пдви-щення жорсткостi устаткування i спорядження, iстотнi втрати енерги. Окрiм цього, особливiсть течи металу на бокових поверхнях зубцв внаслщок си-ловоТ дм вимагае особливого модиф^ування профiлiв зубцiв на операци попереднього зубонар-iзання.
У методi вiбронакатування зубцiв цилiндричних колiс, описаному Шнейдером Ю.Г., передбачено використання Ыструменту дуже складно''' конструкци [3]. 1нструмент - колесо мае на бокових поверхнях зубцв сепаратор з евольвентним профтем, в рядах отворiв якого встановлюють деформiвнi еле-менти - кульки, що опираються на загартован по-верхнi евольвентних зубцв. Складнiсть виготовлення та складання, проблеми з дотриманням необх^ дно''' точностi такого зубчастого колеса - Ыструмента роблять цей метод непридатним для широкого практичного використання. Ц ж недолги характернi також для подiбних до цього методiв змiцнювання та оздоблення зубчастих колю, розроблених на кафедрi технологи машинобудуванням НУ "„ЛП" пiд керiвництвом проф. 1.С. Афтаназiва.
Задача дослiджень
Аналiз стану в галузi створених технолопчних методiв покращення експлуатацiйних властивостей зубчастих колю свщчить, що проблема розроблен-ня нових ефективних методiв керованого форму-вання заданих високих фiзико-механiчних властивостей поверхневих шарiв робочих поверхонь колю на сьогодн залишаеться актуальною. На пщст^ цього на кафедрi технологи машинобудування ве-дуться роботи зi створення та впровадження нового ефективного методу чистового оброблення i по-верхневого змiцнення деталей машин, зокрема, зубчастих колю.
Суть методу
Метод вiбросилового змiцнювально-калiбру-вального обкочування (ВСКО) полягае в тому, що зубчасте колесо пщдаеться силовому навантажен-ню в процес обкочування з обкатником, якому до-датково надають вiбрацiйного осцилювання в рад-iальному напрямку. Обкатником служить загарто-ване до твердостi 59-61 ИКС зубчасте колесо, ви-готовлене за 7 комплексним ступенем точность Ширина обкатника повинна перевищувати ширину колеса, яке пщлягае обробленню i змiцненню не менш, нiж на 0,25-0,5 значення модуля. Пюля 6-10 оберлв шпинделя з обробним зубчастим колесом у прямому напрямку виконуеться така ж ктькють оберлв шпинделя у зворотному напрямку. Для оброблення та змщнення колю невисоких ступеыв точност (9-10) замють обкатника можна використо-вувати парне зубчасте колесо.
Технолопя методу
На етапi дослiдження процес ВСКО реалiзова-но на токарно-гвит^зному верстатi, споряджено-му вiдповiдними пристроями та Ыструментом (рис. 1). Зубчасте колесо 1, яке пщлягае обробленню, установлюють на жорстку оправку 2 в центрах: зад-ньому 3 та передньому 4; обертовий момент пере-дають повiдковим патроном 5. Обкатник 6 мютить-ся у пристро''' 7, змонтованому на рiзцетримачi 8 токарно-гвинторiзного верстата. Перiодичнi коли-вання на осi обкатника з частотою коливань 50 (100) Гц генеруе електромагнп" 11 i рухома пластина 10, зв'язана з обкатником. Амплггуду коливань можна регулювати в межах 0,015-2,5 мм з допо-могою повiтряного зазору величиною А мiж сердечником електромагнп"а i пластиною. Навантажен-ня у зубчастому зачепленн створено радiальним зближенням супорта та незначним натягом у пере-дачк Величину навантаження можна регулювати в межах 35-120 Н залежно вщ модуля й твердост заготовки з допомогою таровано''' пружини 12. Для зменшення пружних деформацм верстата на су-портi передбачено установлення мехаызму, незалежного вщ вiбпроприводу та коливно''' системи з одним або двома зубчастими колесами того ж модуля, що й обробне колесо для сприймання i ком-
пенсування радiальноí сили. Процес здмснюеться за швидкостей обкочування 10-90 м/хв.: обробленню i змiцненню пiдлягають i сир^ i гартованi зуб-частi колеса з поверхневою твердютю зубцiв до 350 НВ. Перед опера^ею поверхн зубчастого колеса очищають вiд сл^в iржi, промивають та знежирю-ють.
Рис. 1. Схема установки
Фiзика процесу
Процес, який вщбуваеться протягом одного циклу перемЦення поверхн iнструменту-обкатника по поверхнi деталi, можна в першому наближеннi розглядати у двох послщовних етапах. На першому етап пiд час руху обкатника на довжинi ампл-пуци осцилювання поверхня обкатника контактуе з поверхнею зубця деталi по поверхнях мiкронер-iвностей, тому в дтянках фактичного контакту по 'х вершинах виникають високий тиск, нормалью та дотичн напруження, величина яких перевищуе межу текучост металу заготовки. Пщ дiею дотич-них напружень в точках рухомого контакту поверхонь вщбуваеться тонке пластичне деформуван-ня поверхневого шару обробно''' поверхнi заготовки, зминання та "затирання" мiкроне-рiвностей.
На другому етапi iнструментальна поверхня в коливному цикл виконуе робочий рух у зворотно-
55Л/ 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006
- 155 -
му напрямку. Контактування поверхонь вщбуваеть-ся за меншого тиску на елементарнiй дшянц внас-лiдок покращення ïï якост та бiльшоï поверхнi контакту, в результат чого збшьшуеться механчне зчеплення та зростае сила тертя. За незмЫного значення нормально!' сили у зачепленн це рiвноз-начне збшьшенню кута тертя та коефiцieнта тертя мiж спряженими поверхнями. На рис. 2 наведено фрагмент моделювання величини та глибини про-никнення напружень в тiлi зубця заготовки в про-цесi обкочування з попереднм натягом.
Внаслiдок iнтенсивного тертя на контактних поверхнях пд час осцилювання ¡нструментально'Г поверхнi в поверхневому шарi заготовки зростае температура та пщвищуеться пластичнiсть металу, завдяки чому зменшуються витрати енерги на фор-мування поверхневого шару та його змщнення на значну глибину, пщвищуеться поверхнева твердють i згинна мщнють зубцiв, зростае опiр матерiалу циклiчнiй втомi, у поверхневому шарi формуються напруження стиску. На вщмЫу вiд методу силового обкочування, внаслщок перiодичного зворотно-поступального руху iнструментальноï поверхнi об-катника в процес вiброколивань вiдбуваеться рiвномiрне розподшення металу мiкронерiвностей, його "затирання" в западини профшю, тому немае потреби модифкувати профiль зубцiв обробного колеса на операци зубофрезерування.
Глибина проникнення зони пластичного дефор-мування, ступнь ïï змiцнення та якiсть поверхн визначаються зусиллям попереднього натягу в за-чепленнi, матерiалом, геометрiею колеса-обкатни-ка, режимами обкочування (зокрема, швидкстю, рис. 3) i вiбрацiй, фiзико-хiмiчними властивостями та початковим структурно-фазовим станом зубцв колеса, видом МОС.
. 250
;200
1&0
100
50
S V fi 4 3 у. ■
vx \ ч И
—д- J —д
1*1
140 Un
120
100
80
SO
40
20
20
40
60
SO
V , ll/ïB
Рис. 2. Розподшення напружень на поверхн та в ïini зубця пщ Aieio в процесi силового обкочування та осцилювання: 1 - зубець заготовки; 2 - зубець калiбрувального колеса; 3 поверхня контакту
Рис. 3. Вплив швидкост обкочування на глибину змщнено-го шару (h) та ступнь змщнення (Un)
Результати
Псля операци виконання ЗВКО висота мiкроне-рiвностей на робочих поверхнях зубцiв зменшуеть-ся з Ra 7-10 мкм до Ra 0,15-0,25 мкм., глибина змщненого шару досягае 1,0-2,15 мм пд час оброблення вуглецевих i легованих сталей. Мiкрот-вердють пiдвищуеться на 80-100 %, в деяких ви-падках - до 150%. Порiвняно iз абразивним оброб-ленням умови перебiгу процесу у ЗВКО краще впливають на структуру поверхневого шару зубцв внаслiдок вщсутносл припалiв. Загалом, наведений метод змщнювального вiброкалiбрувального силового обкочування пдвищуе якiсть робочих поверхонь, дае змогу надати Ум антифрикцiйних властивостей, зменшити тертя в передачi та швидксть ïï спрацювання, пiдвищити зносот-ривксть, мiцнiсть на згин та цишчну мiцнiсть зубцiв, збiльшити вантажну здатнють i ресурс передач.
Переваги методу
Уыверсальнють, ¡стотне покращення експлуа-тацйних параметрiв зубчастих колiс при техно-лопчн iй простот та економi ï засоб i в завдяки вико-ристанню стандартного устаткування та споряджен-ня; зниження вимог до точност попереднього зу-бонар i зання, в ¡дсутн i сть потреби модиф i кування робочих проф ¡л i в зубцв; висока продуктивн ¡сть та ефективн сть, можлив i сть автоматизаци процесу. Метод дае змогу у 1,5-2 рази зменшити необх ¡дну потужн i сть головного приводу в результат присут-ност в i брац i й та додатковоУ енерги, яку вносять в i броколиваня, що в ¡д i грае роль додаткового дже-рела теплоти на поверхнях контакту.
Список лторатури
1. Любвин В.И. Обработка металлов радиальным обжатием. - М.: Машиностроение, 1975. -248 с.
2. Рыковский Б.П., Смирнов В.А. и др. Местное упрочнение деталей поверхностным наклепом.
3
1
Л.: Машиностроение, 1985. - 152 с. Машиностроение, 1982. - 248 с.
3. Шнейдер Ю.Г. Эксплуатационные свойства „ , „,
н г ' ^ , Поступила в редакцию 24.05.2006 г. деталей с регулярным микрорельефом. - Л.:
Приведено описание эффективного метода чистовой упрочняющей обработки рабочих поверхностей зубчатых колес.
Description of effective method of clean strengthening treatment of working surfaces of gears is given.
ISSN 1727-0219 Вестникдвигателестроения № 2/2006
- 157 -
