ШЛИФОВАНИЕ. ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

2.1. Эвольвентное зацепление.

Способы и схемы зубошлифования

Эвольвентное зацепление. В зависимости от формы кривых профиля зуба различают три вида зацепления зубчатых колес: эвольвентное, Новикова и циклоидаль­ное. В машиностроении применяют в основном зубча­тые колеса с профилем зуба, образуемым симметрич­ными эвольвентными кривыми. Эвольвентой (рис. 2.1) называется кривая, которая описывается точкой А, при­надлежащей прямой линии КК при ее обкатывании без скольжения по окружности диаметра db. В эвольвент — ном зацеплении двух зубчатых колес (рис. 2.2) окруж­ность, по которой «обкатывается» прямая при образо­вании эвольвентного профиля, называется основной окружностью. Диаметры основных окружностей сопря­женных колес обозначаются db и db2.

Прямая NN — общая касательная к основным ок­ружностям, которая является линией зацепления обеих эвольвент, а ее отрезок между точками касания назы­вается длиной линии зацепления и обозначается g. Пря­мая, соединяющая центры двух сопряженных зубчатых колес, называется межосевой линией, а длина отрез­ка между их центрами 0 и О2 — межосевым рас­стоянием и обозначается аш. Точка Р пересечения межосевой линии и линии зацепления называется полюсом зацепления. Окружности, проходящие через полюс зацепления, называются начальными окружностя­ми, их диаметры обозначаются dw. Эти окружности об­катываются без скольжения. Линейные скорости ле­жащих на них точек одинаковы. Острый угол между линией зацепления NN и прямой, перпендикулярной к оси колеса, называется углом зацепления и обозна­чается а/ш — При вращении зубчатых колес ножка зуба ведущего колеса, обозначенного на рис. 2.2 стрелкой, вступает в контакт с зубом ведомого колеса в точке /. Затем точка касания сопряженных профилей переме­щается и в точке 2 выходит из контакта. Отрезок 1—2 называется активной линией зацепления и обозна­чается ga.

Рис. 2.1. Образование эвольвенты:

/—5 — последовательные положения прямой К—К при обкатывании
без скольжения по окружности dl,

Рис. 2.2. Эвольвентное зацепление зубчатых колес

Для определения размеров зубчатых колес исполь­зуют зубчатую рейку, с которой связано понятие «ис­ходный контур». Принятый в нашей стране исходный контур зубчатой рейки (рис. 2.3) соответствует стан­дарту СЭВ 308— 76. Стандарт устанавливает следую­щие параметры и коэффициенты зубчатого зацепления.

Угол главного профиля а = 20°, коэффициент высоты головки зуба ha= 1, коэффициент высоты ножки hj =1,25; коэффициент граничной высоты tij=2, коэффициент ради­уса кривизны переходной кривой pf=0,38; коэффициент глубины захода зубьев в паре исходных контуров ha=2, коэффициент радиального зазора в паре исход­ных контуров С* = 0,25.

Линейные размеры исходного контура рейки полу­чают умножением коэффициентов зубчатого зацепления

на его модуль, обозначаемый буквой т (см. рис. 2.3). Модуль — это линейная величина, в л раз меньшая шага зацепления Р — расстояния между одноименными профилями зуба зубчатой рейки: Р—лт.

У отдельно взятого зубчатого колеса рассматривают делительную окружность, на которой шаг и угол зацепле­ния колеса соответственно равны шагу и углу зацеп­ления зубчатой рейки. При нарезании зубьев делитель­ная окружность колеса обкатывается без скольжения по делительной прямой рейки. При этом боковая сторона профиля зубчатой рейки описывает эвольвенту.

Диаметр делительной окружности определяют по формуле d=Pz/n, где Р — шаг зубчатой рейки; z — число зубьев колеса. Отсюда через модуль и по числу зубьев можно определить d — mz.

Основными достоинствами эвольвентного зацепле­ния являются: 1) возможность образования профиля зубьев колеса инструментом с прямолинейными режу­щими кромками; 2) сохранение контакта зубьев по нормали к профилю боковой поверхности зуба при изме­нении межосевого расстояния.

Способы зубошлифования. Зубошлифование — одна из разновидностей операций отделочно-доводочной об­работки профиля зубчатых колес, его применяют с целью достичь требуемой точности и шероховатости рабочих поверхностей термически обработанных зубча­тых колес и выполняют на специальных зубошлифо­вальных станках. Шлифование зубьев, как и другие виды профильного шлифования, выполняют двумя спо­собами: копированием и обкаткой.

Шлифование по способу копирования выполняют фасонным кругом, контур которого соответствует про­филю впадины между зубьями колеса (рис. 2.4, а). Кру­гу сообщают вращательное движение, соответствующее

Рис. 2.4. Шлифование профиля зубчатых колес: а — по методам копирования и обкатывания; б — двумя тарельчатыми кругами; в — коническим кругом; г — плоским кругом

скорости шлифования, и возвратно-поступательное пере­мещение (продольную подачу) вдоль направления зуба. Подачу на глубину шлифования осуществляют пери­одически на каждый двойной ход. После шлифования каждой впадины зуба производят деление, т. е. поворот заготовки на угол, определяемый числом зубьев ко­леса. Перед шлифованием следующей впадины про­филь круга восстанавливают правкой. Для шлифования по способу обкатки кругу и колесу придают те же дви­жения, что и при зацеплении зубчатого колеса с зубчатой рейкой (рис. 2.4, б, в).

Перемещаясь относительно колеса, шлифовальный круг формирует профиль зуба. Обработку зубьев по способу обкатки можно выполнять двумя тарельча­тыми кругами (рис. 2.4, б), коническим кругом (рис. 2.4, в), плоским кругом (рис. 2.4, г), червячным абразивным кругом (рис. 2.5). Круги правят по прямо­линейному контуру, соответствующему профилю зуб­чатой рейки. Для обеспечения съема припуска шли­фовальному кругу сообщают движение, определяющее скорость резания — вращение вокруг своей оси, и воз­вратно-поступательное перемещение вдоль зуба колеса. Формообразующие движения придают заготовке, кото­рая получает вращение вокруг своей оси и поступатель­ное перемещение в направлении, перпендикулярном к оси. Оба движения заготовки согласуют так, как

если бы заготовка катилась по воображаемой рейке. При обработке профиля зубьев шлифовальный круг касается одной стороны впадины меж­ду зубьями. Для шлифова­ния второй стороны изменя­ют направление вращения и связанное с ним направ­ление поступательного пере­мещения колеса. За один цикл окончательно шлифуют обе стороны одной впадины. После завершения одного цикла круги отводят из впа­дины, а обрабатываемое ко­лесо поворачивают на один Рис. 2.S. Шлифование зубьев или несколько зубьев. Пово-

/-абрГзГнТчер4;шР“обра- РОТ «а НЄСКОЛЬКО 3УбьЄВ батываемое косозубое колесо уменьшает верОЯТНОСТЬ При

жога, так как обработке подвергается впадина «холод­ного» зуба, не подвергающегося нагреву от предыдущей обработки. Правку кругов производят автоматически после одного или нескольких циклов обработки. Шлифо­вание по способу копирования характеризуется высокой производительностью, но из-за сложности наладки приме­няют только в крупносерийном производстве. Шлифование по способу обкатки с периодическим делением обеспечи­вает высокую точность и универсальность. Станки, рабо­тающие по этому методу, применяют в мелкосерийном производстве.

Разновидностью метода обкатки является обработка кругом, выполненным в виде абразивного червяка (см. рис. 2.5). Движение деления в этом случае явля­ется непрерывным и совмещается с обкаточным вра­щательным движением заготовки. Поступательное пере­мещение заготовки отсутствует и заменяется переме­щением витка абразивного червяка. Шлифование абра­зивным червяком обеспечивает высокую точность и про­изводительность вследствие непрерывности процесса об­работки, однако из-за сложной наладки и правки шли­фовальных кругов его применяют преимущественно в крупносерийном производстве.

Схемы зубошлифования. Для шлифования профиля зуба по способу обкатки заготовке зубчатого колеса и кругу придают два вида движений: 1) необходимых для воспроизведения зацепления зубчатого колеса с рей­кой; 2) движения деления, необходимого для осуществ — вления самого процесса шлифования. К движениям первого вида относят прямолинейное движение колеса или шлифовальной бабки в направлении, перпендику­лярном к оси колеса, и связанный с этим движением поворот колеса на угол, на который бы оно поверну­лось, если бы находилось в зацеплении с рейкой. К дви­жениям второго вида относят вращение круга вокруг своей оси со скоростью резания (скоростью шлифова­ния) и продольную подачу вдоль впадины зуба, необ­ходимую для обработки зуба по всей длине. Шлифо­вание профиля зуба выполняют кругами тарельчатой, плоской, конической формы и абразивным червяком. В трех первых случаях обработки шлифовальный круг воспроизводит только один зуб рейки. Поэтому дви­жения обкатки должны быть реверсивными. После вы­хода шлифуемого зуба из контакта с кругом меняется направление прямолинейного движения оси заготовки и связанное с ним направление поворота заготовки

вокруг своей оси. Таким образом, прямолинейное дви­жение заготовки является возвратно-поступательным. В соответствии с изменением направления поступатель­ного перемещения заготовки меняется направление ее поворота, причем угол поворота соответствует тому углу, на который бы повернулось зубчатое колесо, если бы находилось в зацеплении с рейкой.

Для перехода к шлифованию следующей впадины между зубьями круги должны выйти из впадины, а за­готовка — повернуться при помощи делительного ме­ханизма на угол, равный или кратный шагу между зубьями. В первом случае будет обрабатываться сле­дующая впадина, во втором — впадина, отстоящая на несколько зубьев от прошлифованной. Таким образом, для шлифования зубьев по способу обкатки наряду с дви­жениями, воспроизводящими зацепление зубчатого ко­леса с воображаемой рейкой, заготовке необходимо придать движение деления. Для восстановления профи­ля кругов и компенсации их износа станки для шлифо­вания зубчатых колес должны быть оснащены меха­низмами правки. При этом чаще всего правку произво­дят алмазами, установленными неподвижно относительно детали, а круги при правке подают на алмаз. При таком способе правки независимо от толщины слоя абразива, срезаемого алмазом, ориентация рабочей поверхности круга относительно детали остается постоянной.

В зависимости от способа осуществления обкатки при работе кругами тарельчатой, конической или плоской формы различают следующие схемы зубошлифования: обкатка при помощи цилиндрического обкатного бара­бана, реечной передачи, червячной делительной пары, эвольвентного кулачка.

Схема шлифования с обкатным барабаном показана на рис. 2 6. Шлифуемое колесо установлено на одном шпинделе с цилиндрическим барабаном 3. К барабану и станине прикреплены две тонкие гибкие стальные ленты /. Наружный диаметр барабана с учетом толщины ленты равен диаметру делительной окружности шли­фуемого колеса. При возвратно-поступательном переме­щении В каретки стальные ленты поворачивают бара­бан 3, а вместе с ним и шлифуемую заготовку. Натя­жение лент обеспечивает отсутствие люфтов при изменении направления перемещения каретки. Дви­жения обкатки (возвратно-поступательное перемеще­ние каретки и поворот барабана А) осуществляют
быстро. Продольная по­дача С происходит мед­ленно за счет переме­щения каретки вдоль оси шпинделя. Шлифо­вание профиля выпол­няют плоскими поверх­ностями двух тарельча­тых кругов 2.

Рабочая поверхность Кругов (см. рис. 2.4, б, а), Рис. 2.6. Схема шлифования зубьев воспроизводящая зуб с приводом движений обкатки при рейки, наклонена К ллос — помощи цилиндрического обкатного г барабана

кости, перпендикуляр­ной направлению продольного перемещения каретки, под углом ат, примерно равным углу исходного кон­тура колеса. При шлифовании косозубых колес каретку поворачивают под углом наклона зубьев и под этим углом она движется по направляющим. Вывод круга из зацепления с колесом выполняют в радиаль­ном направлении. После вывода круга совершают дели­тельный поворот зубчатого колеса.

Обкатка при помощи реечной передачи является конструктивным вариантом обкатки с использованием цилиндрического барабана и осуществляется обкатыва­нием эталонного зубчатого колеса 2 по рейке 3 (рис. 2.7). Шлифуемое колесо 6 установлено на одном валу 4 с эталонным колесом 2. Поперечное переме­щение В каретки 7 приводит к качению А эталонного колеса 2 по рейке 3, закрепленной на стойке /. При этом шлифуемое колесо 6 совершает обкаточное дви­жение относительно шлифовальных кругов 5. Карет­ка 7 вместе со стойкой / совершает движение про­дольной подачи D. Подачу на глубину и вывод кру­гов из зоны обработки производят в направлении С.

Рис. 2.7. Схема шлифова­ния зубьев с приводом движений обкатки при помощи эталонного колеса и рейки

Рис. 2.8. Схема шлифования профиля зубьев с при­водом движений обкатки при помощи червячной пары

При шлифовании зубчатых колес с малой шириной зубчатого венца обработку производят кругами с двусто­ронним рабочим конусом больших диаметров без про­дольной подачи. Это значительно повышает производи­тельность шлифования профиля. Число зубьев эталон­ного зубчатого колеса, зацепляющегося с рейкой, должно быть кратно или равно числу зубьев шлифуемого колеса. Для предотвращения погрешностей нарезания зацеп­ление эталонного колеса и рейки должно быть безза­зорным.

Схема шлифования на станках с червячной дели­тельной парой показана на рис. 2.8. Червячная пара осуществляет обкаточное вращение В шлифуемого ко­леса, а винт с гайкой — связанное с ним поступатель­ное перемещение С стола, вместе с которым перемеща­ется ось колеса (рис. 2.8, а). Шлифовальный круг вра­щается вокруг своей оси и совершает поступатель­ное перемещение вдоль направления зубьев колеса. Движение обкатки является медленным, движение про­дольной подачи —- быстрым.

На станках с червячной делительной парой приме­няют два способа шлифования зубьев. Первый способ — раздельное шлифование профиля. При каждом направ­лении обкатывания шлифуется тот профиль, в направ­лении которого производится выборка зазора в зацеп­лении круг — шлифуемое колесо (рис. 2.8, б). Этого до­стигают благодаря отводу рабочей поверхности круга от одного из профилей при реверсировании (изменении

направления) обкатывания. Рабочая толщина шли­фовального круга несколько меньше ширины впадины зубьев колеса по делительной окружности. Делитель­ный поворот колеса осуществляют при ускоренном от­воде кругов в тангенциальном направлении в конце двойного хода обкатки. Второй способ — одновремен­ное шлифование обоих профилей двух (рис. 2.8, в) со­седних зубьев при рабочем движении обкатывания (рис. 2.8, в). Кругу наряду с вращением и перемеще­нием вдоль направления зуба придают движение ввода и вывода в радиальном направлении. При изменении направления обкатывания круг отводят от заготовки. При этом происходит деление заготовки. По первому способу работают зубошлифовальные станки фирмы «Модуль» (Найльс) и отечественные станки модели 5А841, по второму способу — станки модели 584М, 583. Станки, работающие по первому способу, обеспечивают шлифование колес 5-й и 6-й степеней точности, по вто­рому — 6-й и 7-й степеней точности [ГОСТ 1643—81 (СТ СЭВ 643—77)].

Схема шлифования зубьев на станках с обкаткой при помощи эвольвентного кулачка показана на рис. 2.9. На шпинделе изделия закрепляют с одной стороны шли­фуемое зубчатое колесо 4, с другой — обкатной кула­чок эвольвентного профиля. Шпиндель имеет возмож­ность покачиваться, а каретка, на которой он закреплен, перемещаться поступательно. При равномерном пово­роте 1 или 2 шпинделя обкатной кулачок, упираясь своей эвольвентной поверхностью в торец упора, ото­двигает каретку вместе с закрепленными на ней шпин­делем изделия и шлифуемым колесом. Обработку про­филя зуба колеса производят торцовой поверхностью плоского круга большого диаметра, который воспроиз­водит зуб рейки и профи­лирует эвольвентный про­филь колеса. Рассматри­ваемую схему шлифова-

Рис. 2.9. Схема шлифования про-
филя зубьев с приводом дви-
жений обкатки при помощи
эвольвентного кулачка:

/ — колесо; 2 — шлифовальный
круг; 3 — обкатной кулачок; 5—б —
направления вращения кулачка

ния применяют на станках моделей 5891, 5892А, 5893, 5892, 5А893, а также на станках фирмы «Нейшенел Тул» (National Tool). Эти станки предназначены в основном для шлифования профиля инструментов — долбяков, шеверов, эталонных колес, имеющих узкий венец. Обработка профиля колес ведется без продольной подачи за счет применения круга большого диаметра. Шлифовальную бабку устанавливают симметрично зубчатому венцу с перекрытием рабочей поверхностью круга всей ширины зубчатого венца. Обкатной кулачок является сменным, его выбирают в зависимости от диаметра основной ок­ружности шлифуемого колеса. Длина хода обкатывания обеспечивает полное профилирование зуба и вывод круга из зацепления с ним для делительного поворота зубчатого колеса.

Обкатку при помощи червячной передачи (см. рис. 2.8) применяют на станках с вертикальной осью шпинделя изделия, в остальных рассмотренных выше схемах шли­фования — на станках с горизонтальной осью изделия. В этих схемах шлифования деление является дискрет­ным и выполняется после шлифования профиля каж­дого зуба. Шлифование зубьев при непрерывном деле­нии и обкатке выполняют абразивным червяком (см. рис. 2.5). Его получают путем профилирования шлифовального круга большого диаметра, на перифе­рии которого наносят виток с прямолинейными боко­выми образующими, воспроизводящими зубчатую рей­ку. Шаг витка соответствует модулю шлифуемого коле­са. Для профилирования круга применяют стальные ролики — накатники с кольцевыми витками, алмазные ролики. Правящему инструменту придают поступа­тельное движение, согласованное с вращением шли­фовального круга. Это приводит к образованию на круге винтового витка. Правку витка осуществляют при ско­рости вращения круга значительно меньшей скорости шлифования. Предварительное профилирование витка абразивного червяка может быть осуществлено на спе­циальных станках, например на станке модели 5033.

Шлифование зубьев по способу копирования (см. рис. 2.4, а) производят фасонным кругом, эволь — вентный профиль которого получают правкой алмазами по шаблону. Обработку профиля проводят перемеще­нием круга вдоль впадины между зубьями. После окон­чания обработки одного зуба происходит деление колеса на один или несколько зубьев. Полную обработку колеса выполняют за несколько оборотов (проходов).

Обычно делительный поворот колеса осуществляют пос­ле каждого двойного хода круга. В некоторых станках новых моделей в целях сокращения времени шлифо­вания в цикле черновой обработки деление производят после нескольких проходов. При этом радиальную по­дачу круга осуществляют при шлифовании одной и той же впадины между зубьями в конце каждого продоль­ного хода. При достижении межосевого расстояния, соответствующего припуску на чистовую обработку, оси круга и колеса быстро разводятся. После вывода круга из зацепления с колесом в радиальном направлении про­исходит делительный поворот колеса.

Периодическую правку шлифовального круга осуще­ствляют автоматически или вручную после заданного числа проходов. Правка обеспечивает компенсацию из­носа круга в процессе шлифования. Для правки при­меняют устройство, в котором движение двум алмазам, правящим боковые поверхности круга, передается от эвольвентных копиров при помощи пантографа. Для каж­дого типоразмера шлифуемого колеса требуется спе­циальный копир. Поэтому шлифование по методу копи­рования применяют только при массовом и крупносерий­ном производстве колес.