Применение высокопористых кругов для шлифования зубчатых колес

В статье приведены результаты комплексных производственных испытаний высокопористых шлифовальных кругов различных типоразмеров и характеристик при шлифовании зубчатых колес по технологическим схемам обката и копирования.

Ключевые слова: зубчатое колесо, шлифовальный круг, шлифование.

Особенностью известных методов зубошлифования является неравномерный съем припуска по длине и высоте зуба, что в сочетании с исходной погрешностью профиля приводит к существенным колебаниям глубины шлифования. Учитывая это, в производстве не редко возникают ситуации, когда на заключительном этапе изготовления зубчатых колес, вследствие действия различных факторов, могут появляться дефекты шлифовочного характера [1, 2].Неоднородный термодинамический режим шлифования зубчатого колеса создает предпосылки для формирования также неоднородного напряженно-деформированного состояния в поверхностных слоях обрабатываемых зубьев. При наложении его на упрочненный слой метала от предшествующей механической и химикотермической обработки, резко возрастает риск появления прижогов и трещин [3, 4].

Технологию финишной обработки зубчатого колеса необходимо строить таким образом, чтобы обеспечить минимальную термодинамическую напряженность, снижая риск появления дефектов. Это в значительной степени зависит от применяемой схемы обработки, режима шлифования и характеристики абразивного инструмента. Одним из направлений снижения термодинамической напряженности и повышения производительности процесса шлифования является использование абразивного инструмента с повышенной структурностью или высокопористых шлифовальных кругов [4–6].

На ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют» (г. Москва) проведена работа по повышению эффективности шлифования зубчатых колес за счет применения новых модификаций высокопористых шлифовальных кругов оригинальной отечественной разработки взамен импортных аналогов. Основные принципы технологии изготовления высокопористых кругов изложены в [2].

Испытания кругов кольцевого профиля типоразмера 2 220х80х20 с характеристикой 25А F120 H 12 V проводились на зубошлифовальных станках мод. 600PG Phoenix фирмы Gleason и мод. G30 фирмы Klingelnberg-Oerlikon, на которых осуществлялся полный цикл обработки конических зубчатых колес путем предварительного формообразования зубьев шлифованием «по целому» (взамен зубофрезерования) и чистового шлифования.

В ходе испытаний обрабатывали конические зубчатые колеса из стали марки 16Х3НВФМБ-Ш: с числом зубьев z = 37 и модулем m_n = 4,969 мм, и с числом зубьев z = 46 и модулем m_n = 2,9 мм.

Предварительное формообразование зубчатых колес выполнялось на заготовках, термообработанных на твердость 39…41 HRC, методом врезного глубинного шлифования с обкатом за 8 проходов при постоянной скорости шлифовального круга, равной 20 м/с для станка мод. G30, и 27м/с для мод. 600PG. При этом величина радиальной подачи шлифовального круга на врезание по проходам для зубчатого колеса с модулем m_n = 4,969 мм была следующей t₁ = 3,1мм, t_2,3 = 2 мм, t_4,5 = 1,5 мм, t₆ = 1,4 мм, t₇ = 0,1 мм, t₈ = 0,03 мм, а для зубчатого колеса с модулем m_n = 2,9 мм — t₁ = 2,0 мм, t₂ = 1,5 мм, t_3,4 = 1,0 мм, t_5,6 = 0,5 мм, t₇ = 0,1 мм, t₈ = 0,03 мм. Скорость обката на всех проходах предварительного формообразования была одинаковой и составляла 3º/с. Правка круга выполнялась алмазным правящим роликом производства фирмы Dr. Kaiser Diamantwerkzeuge (Германия) на черновых проходах после обработки 13 зубьев с подачей ролика S_рол = 0,1 мм и скоростью перемещения V_рол = 0,07 мм/об.кр., а перед окончательным проходом правка выполнялась один раз с той же величиной подачи, но со скоростью перемещения ролика V_рол = 0,03 мм/об.кр.

Чистовое шлифование зубьев производилось после цементации и закалки на твердость поверхностного слоя 62…64 HRC также за 8 проходов со скоростью шлифовального круга 20 м/с и 27м/с в зависимости от модели станка (см. выше). Первые пять проходов выполнялись с радиальной подачей круга, равной 0,1 мм, шестой проход с врезанием на величину 0,05 мм, а последние два прохода выхаживающие без подачи на врезание. Скорость обката на рабочих проходах была одинаковой и составляла 8º/с, на выхаживающих проходах — 5 º/с.

При контроле точности и качества зубчатых колес, обработанных испытанными кругами, установлено полное соответствие всех параметров требованиям чертежа и технологии обработки зубчатого колеса со степенью точности 4. Шероховатость обработанных поверхностей зубьев не превышала допустимой величины Ra = 0,8 мкм. Прижогов и трещин травлением и магнитно-порошковым контролем на них не выявлено. Аналогичные результаты ранее были получены только при использовании шлифовальных кругов фирмы Norton.

При профильном шлифовании зубчатых колес методом копирования на станке мод. P600G фирмы GLEASON-PFAUTER были испытаны высокопористые круги прямого и конического профиля с различными характеристиками. В качестве примера ниже приведены результаты испытаний кругов наиболее распространенных типоразмеров и характеристик среди используемого на заводе инструмента для зубошлифования.

Испытания круга 1 350х25х127 c характеристикой 25А F80 H 12 V проводились при профильном шлифовании зубчатого колеса с модулем m = 3 мм и числом зубьев z = 22, изготовленного из стали марки 16Х3НВФМБ-Ш с цементированной и закаленной на твердость 60…62 HRC поверхностью. Обработка зубьев выполнялось за два черновых и два чистовых прохода с постоянной скоростью круга V_к = 28 м/с. При этом черновые проходы выполнялись по встречной схеме шлифования с глубиной врезания круга, равной 0,113 мм за проход со скоростью продольного перемещения S_пр = 2655 мм/мин. Первый чистовой проход выполнялся также по встречной схеме с подачей на врезание, равной 0,03 мм и S_пр = 2700 мм/мин, а за последний проход попутным шлифованием удаляли оставшийся припуск — 0,02 мм со скоростью перемещения круга S_пр = 1350 мм/мин. Профилирование рабочей поверхности шлифовального круга на требуемый модуль и его периодическая правка перед началом шлифования зубчатого колеса и между черновым и чистовым циклами обработки осуществлялась алмазным роликом типа NC80 производства фирмы Dr. Kaiser Diamantwerkzeug (Германия) с радиусом при вершине режущей кромки R = 1,0 мм.

В процессе шлифования зубчатых колес фиксировали токовую нагрузку на приводе главного движения станка (% от мощности привода), а после шлифования на специальном измерительном центре фирмы KLINGELNBERG измеряли геометрическую точность профиля и шаговую погрешность зубьев, а с помощью профилометра-профилографа измеряли микронеровность обработанной поверхности с оценкой по величине параметра шероховатости Ra.

Токовая нагрузка на черновых проходах была зафиксирована в диапазоне от 10,5 % в начале цикла обработки до 13,5 % при обработке последней впадины. При этом ее максимальная величина не превышала значений, установленных ранее для шлифовальных кругов, используемых на этой операции.

По точности профиля, накопленной погрешности шага зубьев, а также по шероховатости поверхности обработанные зубчатые колеса полностью удовлетворяли требованиям чертежа.

Прижогов на шлифованных поверхностях зубьев методом травления не выявлено, а магнитопорошковый контроль показал также отсутствие на них шлифовочных трещин.

Производственные испытания партии шлифовальных кругов типоразмера 1 72,5х10х25 с характеристикой 25А F120 L 10 V проводились при формообразовании «по целому» зубчатого венца внутреннего зацепления с модулем m = 1,25 мм и числом зубьев z = 118, изготовленного из стали марки 20Х3МВФА термообработанной на твердость 40,5…43 HRC.

Обработка всех зубьев велась с постоянной скоростью круга V_к = 30 м/с за три цикла, каждый из которых соответствовал одному полному обороту детали и состоял из 19 двойных ходов предварительного шлифования и 2-х проходов чистового шлифования. При этом предварительное шлифование выполнялось с глубиной врезания круга, равной 0,06 мм за проход со скоростью продольного перемещения S_пр = 2950 мм/мин. Чистовые проходы выполнялись со скоростью перемещения круга 1350 мм/мин. Общая глубина врезания круга при профилировании зубчатого колеса составила 2,81 мм.

Профилирование рабочей поверхности шлифовального круга на требуемый модуль и его периодическая правка осуществлялась алмазным роликом типа NC80 производства фирмы Dr. Kaiser Diamantwerkzeug (Германия) с радиусом при вершине режущей кромки R = 0,5 мм. Правка круга на предварительных проходах выполнялась после шлифования 2-х впадин, а на чистовых проходах — через 23 зубчатых впадины.

После шлифования на специальном измерительном центре фирмы KLINGELNBERG контролировали геометрическую точность профиля и шаговую погрешность всех обработанных зубьев [7].

При контроле точности и шероховатости поверхности было установлено, что обработанное зубчатое колесо по измеренным параметрам полностью соответствовало требованиям чертежа: отклонение эвольвентного профиля зуба не превышало допустимую величину, равную 0,007 мм; максимальная накопленная погрешность шага составляла не более 0,024 мм; погрешность направления линии зуба была меньше допустимой величины 0,008 мм.

В процессе производственных испытаний прижогов и других дефектов шлифовочного характера на обработанных поверхностях зубчатого колеса не обнаружено.

Таким образом, в результате проведенных комплексных производственных испытаний новых высокопористых шлифовальных кругов установлено их полное соответствие требованиям заводской технологии шлифования зубчатых колес по производительности, точности и качеству обработки.

Высокопористые шлифовальные круги рекомендованы к использованию на операциях предварительного формообразования профильным и обкатным шлифованием зубчатых колес из сталей марок 16Х3НВФМБ-Ш, 20Х3МВФА и их аналогов с твердостью 39…43 HRC, а также для чистового шлифования зубчатых колес после химико-термической обработки и закалки на твердость 62…64 HRC.

Шлифовальные круги разработанных характеристик и составов могут эффективно использоваться взамен аналогичного инструмента других зарубежных и отечественных фирм при зубошлифовании на станках мод. P600G фирмы GLEASON-PFAUTER, мод. 600PG Phoenix фирмы Gleason и мод. G30 фирмы Klingelnberg-Oerlikon, а также аналогичных станках для зубошлифования по технологическим схемам копирования и периодического обката.

Литература:

1.      Производство зубчатых колес газотурбинных двигателей. Производственно-практическое издание / Ю. С. Елисеев, В. В. Крымов, И. П. Нежурин, В. С. Новиков, Н. М. Рыжов. М.: Высшая школа. 2001. 493с.

2.      Новая репрезентативная технология изготовления зубчатых колес и соединений. В. А. Поклад, В. С. Новиков, В. К. Старков, С. А. Рябцев // Технология машиностроения. 2004. № 4. С.14–20.

3.      Greep-feed grinding: an overview of kinematics, parameters and effects on process efficiency / S. N. Grigoriev, V. K. Starkov, N. A. Gorin, P. Krajnik, J. Kopac // Strojniški vestnik — Journal of Mechanical Engineering. 2014. Volume: 60, Issue: 4. Pages: 213–220.

4.      Старков В. К. Шлифование высокопористыми кругами. — М.: Машиностроение, 2007. — 688с.

5.      Высокоструктурные шлифовальные круги и их эффективное применение / В. К. Старков, С. А. Рябцев, С. В. Костров, А. Н. Довгаль, Т. П. Бондарчук.; Под ред. В. К. Старкова -М.: ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», 2013. — 213 с.

6.      Starkov V. K., Ryabtsev S. A., Polkanov E. G., Kiskin O. S. Comparative analysis of performance of cubic boron nitride and microcrystalline alumina tools in profile grinding of form cutters // Journal of Superhard Materials, 2014. Volume: 36. Issue: 1. Pages: 43–48.

7.      Grigoriev, S.N., Teleshevskii V. I. Measurement problems in technological shaping processes // Measurement techniques 2011. Volume: 54, Issue: 7. Pages: 744–749.