Россия
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
Рассмотрены вопросы повышения эффективности шлифования высокоточных зубчатых колес (3–4 степени точности) путем использования инструмента из кубического нитрида бора (КНБ). Исследована работоспособность тарельчатых шлифовальных кругов из КНБ на различных связках и даны рекомендации по их применению при зубошлифовании.
шлифование, зубчатые колеса, тарельчатые круги, кубический нитрид бора
В машиностроении одним из путей реализации задач повышения производительности обработки является широкое применение новых абразивных и алмазных инструментов. Алмазно-абразивная обработка позволяет обеспечить требуемые точность и качество деталей при высокой производительности, а значит, высокую надежность и долговечность машиностроительной продукции в процессе эксплуатации [1]. Все это в полной мере относится к процессам обработки зубчатых колес. Обеспечение качества и производительности обработки высокоточных (3–4 степень) зубчатых колес связано с разработкой новых технологий и инструментов для шлифования. Главной проблемой шлифования зубчатых колес является повышение производительности обработки при сохранении качественных параметров и точности их зубьев.
Анализ предыдущих исследований зубошлифования
Зубошлифование является одним из основных способов финишной обработки закаленных зубчатых колес. Шлифованием обеспечивается 3–6 степень точности зубчатых колес и шероховатость поверхности Ra 0,20–1,2 [2].
Шлифуют зубчатые колеса методами обката с непрерывным или периодическим делением и методом копирования с периодическим делением [3]. Метод копирования основан на воспроизведении рабочей поверхностью шлифовального круга впадины зубьев шлифуемого колеса. Метод обката предусматривает зацепление обрабатываемого колеса с зубом рейки, воспроизводимой поверхностями шлифовального круга. Наиболее производителен метод непрерывного шлифования абразивным червяком. При шлифовании зубьев методом обката с периодическим делением применяют различные типы абразивных кругов: один конусный круг, один плоский круг, два тарельчатых круга. Шлифовальные круги могут занимать различные положения относительно обрабатываемого колеса, а именно располагаться параллельно между собой на расстоянии, равном длине общей нормали обрабатываемого колеса (0-градусный метод шлифования), или под различными углами (как правило, 15 или 20º) [3].
При шлифовании методом обката с периодическим делением двумя тарельчатыми кругами (на станках типа Maag) обеспечивается точность колес начиная с 3 степени. Методы непрерывного шлифования червячным кругом (на станках типа Reishauer) и обката с периодическим делением коническим шлифовальным кругом (на станках типа Niles) уступают по точности шлифованию зубчатых колес двумя тарельчатыми кругами.
Анализируя результаты сравнения различных методов зубошлифования, следует отметить, что метод шлифования двумя тарельчатыми кругами наиболее низкопроизводителен. Такой метод предназначен для шлифования высокоточных колес (3–4 степень точности), что не обеспечивается другими методами. Исключением является метод копирования, однако обеспечение высокой точности сопряжено с большими затратами по подготовке шлифовального инструмента.
Перспективный путь дальнейшего развития методов шлифования высокоточных зубчатых колес в значительной степени связан с применением инструмента из кубического нитрида бора (КНБ) [4]. Шлифование кругами из КНБ по сравнению с обработкой обычными абразивами имеет определенные особенности [4]: шлифовальные круги из КНБ - существенно более высокой износостойкости; их использование обеспечивает повышение качества поверхностного слоя обработанных изделий; создается возможность шлифования без правки кругов или при минимальном ее использовании.
Цель исследований - повышение эффективности шлифования высокоточных зубчатых колес с использованием абразивных кругов из кубического нитрида бора (КНБ).
Результаты исследований
В настоящем исследовании зубчатые колеса шлифовали на специальном стенде, созданном на базе зубошлифовального станка модели 5891, работающего с одним тарельчатым кругом. Станок модернизировали для шлифования зубчатых колес с охлаждением и правкой кругов электроэрозионным методом [5]. При этом применялись тарельчатые круги формы 12А2-20° из КНБ зернистостью 125/100. Шлифовали зубчатые колеса из стали ХВГ (62 HRC) с модулем 6 мм, количеством зубьев 21, шириной венца 20 мм.
Работоспособность тарельчатых кругов из КНБ при шлифовании зубчатых колес оценивали по следующим показателям: мощности шлифования (N), шероховатости обработанной поверхности (Rа), точности эвольвентного профиля зуба (ff), величине съема обрабатываемого материала и износу круга. Износ тарельчатого круга оценивали по изменению профиля слепка, оставленного на тонкой металлической пластине режущей частью вращающегося круга. Износ круга определяли по двум параметрам: износу по торцу h и диаметру l.
Предварительно испытали на работоспособность круги из КНБ на органической связке (12А2 225´3´1,5´40 КРС 125/100 100 % В2-08), белого электрокорунда (12 225х3х40 24А 16 СМ2 6К5) и хромистого электрокорунда (12 225х3х40 А89 16 СМ2 6К5). В качестве охлаждающей жидкости использовали масло «Индустриальное 12».
Анализ результатов шлифования показал, что эффективная мощность шлифования зубчатых колес при обработке кругами из КНБ в 2 раза ниже по сравнению с кругами из белого электрокорунда и в 1,5 раза ниже в сравнении с кругами из хромистого электрокорунда. Процесс шлифования кругами из электрокорунда сопровождался интенсивным износом круга и потерей его режущей способности, что вызывало необходимость правки круга через каждые 3–5 зубьев. Правку кругов из КНБ осуществляли после полного оборота колеса.
После обработки результатов исследования эффективной мощности пришли к выводу, что мощность зубошлифования зависит от глубины резания и продолжительности обката. Графики мощности шлифования зубчатого колеса кругами из белого электрокорунда и КНБ с охлаждением показаны на рис. 1а, без охлаждения – на рис. 1б.
Анализ результатов показал, что в случае интенсивного охлаждения мощность шлифования при использовании шлифовальных кругов из КНБ снижается в 1,5–2 раза. В случае использования кругов из электрокорунда при охлаждении мощность шлифования снижается на 20–50 %. На всех исследуемых режимах обработки мощность шлифования при использовании кругов из КНБ ниже в 1,5–2 раза, чем при использовании кругов из электрокорунда. Причем эта разница имеет тенденцию к увеличению при применении охлаждения и увеличении глубины резания.
Параллельно с исследованием кругов на работоспособность по критерию мощности шлифования оценивали шероховатость (Ra) эвольвентной поверхности зубчатых колес. Графики изменения шероховатости поверхности зубчатых колес после обработки без охлаждения показаны на рис. 2а, с охлаждением – на рис. 2б.
Результаты исследования шероховатости показали повышение шероховатости эвольвентной поверхности зубьев (Ra 1,0) при шлифовании кругами из КНБ. Это обусловлено содержанием агрегированных зерен КНБ с покрытием стеклом размером до 0,5–
Результаты испытания кругов из КНБ с металлопокрытием зерен (12А2 225´3´3´40 КРМ 125/100 100% В2-08) показали, что шероховатость зуба при их применении снижалась в 2 раза по сравнению с кругами из КНБ с покрытием стеклом и составляла Ra 0,65. Мощность шлифования повышалась на 10–20%, износ кругов достиг уровня с применением кругов из КНБ с покрытием стеклом.
График изменения погрешности профиля ff в зависимости от количества обработанных зубьев показан на рис. 3. Увеличение погрешности профиля до ff = 14±0,1 мкм после шлифования первых двух-трех зубьев обусловлено деформацией технологической системы от усилий резания. При дальнейшем шлифовании зубчатого колеса на первом проходе погрешность профиля составила ff = 10,0±0,5 мкм.
Плавное снижение погрешности на последующих проходах обусловлено компенсацией этих деформаций вследствие износа круга, что подтверждается резким отрицательным отклонением профиля, полученным в результате выхаживающих проходов после десяти циклов с глубиной резания t =
Характер изменения мощности по проходам свидетельствует о снижении мощности на первом проходе с 150±1,0 до 130 ±1,0 Вт и затем до 120±1,0 Вт, а также стабилизации мощности шлифования после четырех проходов на уровне 105±1,0 Вт.
Исследование износа тарельчатых кругов и его влияния на точность эвольвентного профиля зубчатого колеса проводилось при черновом (с глубиной t =
Установлено, что после ускоренного износа круга в течение первого прохода величина интенсивности износа в дальнейшем стабилизируется (рис. 4, 5). Шлифовальный круг работает равномерно без наступления критического износа. Это характерно как для чернового, так и для чистового зубошлифования. В то же время характер изменения погрешности профиля и мощности шлифования говорит о том, что правка круга на чистовых режимах не требуется.
Анализ проведенных экспериментов показал, что лимитирующим параметром точности обработки зубчатого колеса является размерный износ тарельчатого круга, который практически пропорционален количеству обработанных зубьев без правки. Изменение износа показывает, что после ускоренного периода приработки круга в течение первого прохода величина его в дальнейшем стабилизируется.
Установлено, что при черновом шлифовании после первого прохода на режущей кромке круга формируется площадка износа h = 30–50 мкм, что соответствует приработочному износу. Аналогичный результат получен при финишном шлифовании зубчатых колес, однако площадка износа гораздо меньшая - до h = 30 мкм.
Заключение
Исследованиями шлифования зубчатых колес кругами из КНБ установлено, что после наступления приработки шлифовального круга мощность резания в дальнейшем не изменяется. Не изменяется и фактический съем шлифуемого металла после приработки круга. Все это говорит о стабилизации процесса шлифования и работе круга в режиме самозатачивания. Установлено, что для уменьшения периода приработки шлифовального круга из КНБ на режущей кромке необходимо предварительно формировать фаску размером до h = 30 мкм. Также установлено, что на всех исследуемых режимах обработки мощность шлифования при использовании кругов из КНБ ниже в 1,5–2 раза, чем при использовании кругов из электрокорунда. Шлифование кругами из КНБ обеспечивает необходимую точность обработки зубчатых колес (3-4 степень) и шероховатость поверхности Ra 0,65.
1. Резников, А.Н. Абразивная обработка материалов: справочник / под ред. А.Н. Резникова. - М.: Машиностроение, 1977. - 391 с.
2. Бенкин, В.А. Прогрессивные методы финишной обработки цилиндрических зубчатых колес: обзор / В.А. Бенкин. - М.: Изд-во НИИмаш, 1989. - 40 с.
3. Сильвестров, Б.Н. Зубошлифовальные работы / Б.Н. Сильвестров. - М.: Высш. шк., 1985. - 272 с.
4. Мишнаевский, Л.Л. Износ шлифовальных кругов / Л.Л.Мишнаевский. - Киев: Наукова думка, 1982. - 192 с.
5. Рябченко, С.В. Исследование качества обрабатываемой поверхности зубчатых колес после шлифования кругами из КНБ / С.В. Рябченко, Я.Л. Сильченко, В.Т.Федоренко, Л.Г. Полонский, В.А. Яновский // Процеси механічної обробки в машинобудуванні: зб. наук. праць. - Житомир: ЖДТУ, 2015. - Вип. 15. - С. 167-177.
