Метод копирования и обкатки зубчатых колес. Шлифование зубьев Горячее и холодное накатывание

ООО "МЕХЛИТМАШ" изготавливает цилиндрические зубчатые пары до 6 класса точности до m-45,D- 6000мм.

Возможно изготовление из материала заказчика, а также изготовление по образцу.

Профиль зубьев цилиндрических колёс, как правило, имеет эвольвентную боковую форму. Однако, существуют передачи с круговой формой профиля зубьев (передача Новикова с одной и двумя линиями зацепления) и с циклоидальной. Кроме того, в храповых механизмах применяются зубчатые колёса с несимметричным профилем зуба.

Прямозубые колёса

Прямозубые колёса - самый распространённый вид зубчатых колёс. Зубья являются продолжением радиусов, а линия контакта зубьев обеих шестерён параллельна оси вращения. При этом оси обеих шестерён также должны располагаться строго параллельно.

Косозубые колёса

Косозубые колёса являются усовершенствованным вариантом прямозубых. Их зубья располагаются под углом к оси вращения, а по форме образуют часть спирали. Зацепление таких колёс происходит плавнее, чем у прямозубых, и с меньшим шумом.

При работе косозубого колеса возникает механическая сила, направленная вдоль оси, что вызывает необходимость применения для установки вала упорных подшипников;

Увеличение площади трения зубьев (что вызывает дополнительные потери мощности на нагрев), которое компенсируется применением специальных смазок.

В целом, косозубые колёса применяются в механизмах, требующих передачи большого крутящего момента на высоких скоростях, либо имеющих жёсткие ограничения по шумности.

Шевронные колеса

Шевронные колёса решают проблему осевой силы. Зубья таких колёс изготавливаются в виде буквы «V» (либо они получаются стыковкой двух косозубых колёс со встречным расположением зубьев). Осевые силы обеих половин такого колеса взаимно компенсируются, поэтому отпадает необходимость в установке валов на упорные подшипники. При этом передача является самоустанавливающейся в осевом направлении, по причине чего в редукторах с шевронными колесами один из валов устанавливают на плавающих опорах (как правило - на подшипниках с короткими цилиндрическими роликами). Передачи, основанные на таких зубчатых колёсах, обычно называют «шевронными».

Зубчатые колёса с внутренним зацеплением

При жёстких ограничениях на габариты, в планетарных механизмах, в шестерённых насосах с внутренним зацеплением, в приводе башни танка, применяют колёса с зубчатым венцом, нарезанным с внутренней стороны. Вращение ведущего и ведомого колеса совершается в одну сторону. В такой передаче меньше потери на трение, то есть выше КПД.

Секторные колеса

Секторное колесо представляет собой часть обычного колеса любого типа. Такие колёса применяются в тех случаях, когда не требуется вращение звена на полный оборот, и поэтому можно сэкономить на его габаритах.

Колёса с круговыми зубьями

Передача на основе колёс с круговыми зубьями (Передача Новикова) имеет ещё более высокие ходовые качества, чем косозубые - высокую нагрузочную способность зацепления, высокую плавность и бесшумность работы. Однако они ограничены в применении сниженными, при тех же условиях, КПД и ресурсом работы, такие колёса заметно сложнее в производстве. Линия зубьев у них представляет собой окружность радиуса, подбираемого под определённые требования. Контакт поверхностей зубьев происходит в одной точке на линии зацепления, расположенной параллельно осям колёс.

Храповые колеса

Храпово́й механи́зм (храпови́к) - зубчатый механизм прерывистого движения, предназначенный для преобразования возвратно-вращательного движения в прерывистое вращательное движение в одном направлении. Проще говоря, храповик позволяет оси вращаться в одном направлении и не позволяет вращаться в другом. Храповые механизмы используются достаточно широко - например, в турникетах, гаечных ключах, заводных механизмах, домкратах, лебёдках и т. д.

Храповик обычно имеет форму зубчатого колеса с несимметричными зубьями, имеющими упор с одной стороны. Движение колеса в обратную сторону ограничивается собачкой, которая прижимается к колесу пружиной или под собственным весом.

Изготовление зубчатых колёс

Метод обкатки

В настоящее время является наиболее технологичным, а поэтому и самым распространённым способом изготовления зубчатых колёс. При изготовлении зубчатых колёс могут применяться такие инструменты, как гребёнка, червячная фреза и долбяк.

Метод обкатки с применением гребёнки

Режущий инструмент, имеющий форму зубчатой рейки, называется гребёнкой. На одной из сторон гребёнки по контуру её зубьев затачивается режущая кромка. Заготовка нарезаемого колеса совершает вращательное движение вокруг оси. Гребёнка совершает сложное движение, состоящее из поступательного движения перпендикулярно оси колеса и возвратно-поступательного движения (на анимации не показано), параллельного оси колеса для снятия стружки по всей ширине его обода. Относительное движение гребёнки и заготовки может быть и иным, например, заготовка может совершать прерывистое сложное движение обката, согласованное с движением резания гребёнки. Заготовка и инструмент движутся на станке друг относительно друга так, как будто происходит зацепление профиля нарезаемых зубьев с исходным производящим контуром гребёнки.

Метод обкатки с применением червячной фрезы

Помимо гребёнки в качестве режущего инструмента применяют червячную фрезу. В этом случае между заготовкой и фрезой происходит червячное зацепление

Метод обкатки с применением долбяка

Зубчатые колёса также долбят на зубодолбёжных станках с применением специальных долбяков. Зубодолбёжный долбяк представляет собой зубчатое колесо, снабжённое режущими кромками. Поскольку срезать сразу весь слой металла обычно невозможно, обработка производится в несколько этапов. При обработке инструмент совершает возвратно-поступательное движение относительно заготовки. После каждого двойного хода, заготовка и инструмент поворачиваются относительно своих осей на один шаг. Таким образом, инструмент и заготовка как бы «обкатываются» друг по другу. После того, как заготовка сделает полный оборот, долбяк совершает движение подачи к заготовке. Этот процесс происходит до тех пор, пока не будет удалён весь необходимый слой металла.

Метод копирования (Метод деления)

Дисковой или пальцевой фрезой нарезается одна впадина зубчатого колеса. Режущая кромка инструмента имеет форму этой впадины. После нарезания одной впадины заготовка поворачивается на один угловой шаг при помощи делительного устройства, операция резания повторяется.

Метод применялся в начале XX века. Недостаток метода состоит в низкой точности: впадины изготовленного таким методом колеса сильно отличаются друг от друга.

Горячее и холодное накатывание

Процесс основан на последовательной деформации нагретого до пластического состояния слоя определенной глубины заготовки зубонакатным инструментом. При этом сочетаются индукционный нагрев поверхностного слоя заготовки на определенную глубину, пластическая деформация нагретого слоя заготовки для образования зубьев и обкатка образованных зубьев для получения заданной формы и точности.

Цилиндрические зубчатые передачи

Цилиндрические зубчатые колеса имеют основание в виде цилиндров и используются для параллельных валов. Колесо с меньшим количеством зубьев (шестерня) является ведущим, а с большим - ведомым. Если цилиндрические зубчатые колеса имеют одинаковые размеры и число зубьев, то их отношение частот вращения равно единице. Зубья в цилиндрических зубчатых парах могут располагаться как внутри, так и снаружи. При расположении зубьев снаружи цилиндрической зубчатой пары колеса движутся в противоположных направлениях. Если же они находятся внутри, то колеса движутся в одну сторону.

Виды цилиндрических зубчатых колес

Цилиндрические зубчатые колеса различаются по типу зубьев:

• шевронные - обладают V-образными зубьями;
• прямозубые - их оси находятся в радиальных плоскостях параллельно оси вращения;
• косозубые - имеют спиралевидные зубья, которые находятся под углом к вращающейся оси.

Существует еще и такой вид цилиндрических зубчатых пар как зубчатые колеса с внутренним зацеплением, зубья которого нарезаны с внутренней стороны. Они используются в условиях ограниченного пространства. Шестерня и колесо движутся в одну сторону, благодаря чему снижается трение и возрастает КПД.

Для заказа цилиндрических зубчатые колес обращайтесь к нам по телефонам со страницы "Контакты".

При шлифовании зубьев по методу копирования в случае зубчатых колес с большим числом зубьев имеет место значительный износ шли­фовального круга; если зубья шлифуются последовательно, то между первым и последним зубьями будет получаться наибольшая ошибка; для предотвращения этого рекомендуется повертывать зубчатое колесо не на один зуб, а на несколько; тогда влияние изнашивания шлифоваль­ного круга не будет давать большой ошибки между соседними зубьями. Достигаемая этим методом точность 0,010-0,015 мм.

Станки, работающие по методу копирования, получили довольно широкое распространение благодаря значительно большой производи­тельности по сравнению со станками, работающими по методу обкатки; однако эти станки, дают наименьшую точность.

Кроме этого метод копирования дает возможность шлифовать зубья различных профилей и форм, однако он требует применения сложных приспособлений для правки круга.

Метод обкатки - метод менее производительный, но дает большую точ­ность (до 0,0025 мм).

Шлифование методом обкатки производится по следующим схемам:

Схема I, II - шлифование двумя тарельчатыми кругами (рис. 25,а,б).

Схема III - коническим кругом (рис. 25,в).

Схема 1V - червячным кругом (рис. 25,г).

Схема V - плоским кругом (рис. 25,д).

Шлифование зубьев обкатыванием основано на принципе зацепления колеса с рейкой. Зубчатой рейкой служит профилированный дисковый или тарельчатый круг.

Распространенный способ шлифования зубьев методом обкатки осуществляется на зубошлифовальных станках с двумя тарельчатыми кругами расположенными один по отношению к другому под утлом 30 и 40°. Или образующими как бы профиль расчетного зуба, по которому

и происходит обкатка зубчатого колеса.

У тарельчатых кругов рабочей поверхностью является узкая кру­говая ленточка шириной 2-3 мм, поэтому давление и нагрев незначитель­ны, что повышает точность шлифования.

В процессе работы шлифуемое зубчатое колесо имеет возвратно-поступателъное движение вдоль своей оси, что обеспечивает шлифование профиля зуба по всей его длине.

Для шлифования или набор из нескольких зубчатых колес закрепля­ется в оправке, которая крепится в центрах бабок, расположенных на столе станка; стол имеет возвратно-поступательное движение на величи­ну, равную суммарной ширине зубчатых колес, увеличенной на вход и выход шлифовального круга. Автоматический поворот зубчатого колеса на один зуб происходит после одно,- двухкратного прохождения зубчато­го колеса под шлифовальным кругом. Припуск (0,1-0,2 мм на толщину зу­ба) снимается за два прохода и более.

Для предотвращения погрешностей, связанных с изнашиванием шли­фовальных кругов, станки снабжаются специальными приспособлениями для автоматической регулировки их. Круги правят алмазом 2, который закреплен в рычаге I (рис. 26).

Между алмазом и кругом имеется зазор. Через определенные промежутки времени ролик 3 попадает во впадину дис­ка 4, и рычаг I под действием пружины прижимает алмаз 2 к шлифоваль­ному кругу. Если износ круга в пределах допуска, то контакты 5 не за­мыкаются. При большом износе круга происходит замыкание контактов и включается механизм, автоматически смещающий шпиндель с кругом на величину износа. Этим обеспечивается постоянство положения рабочей кромки круга.

Шлифование зубьев двумя тарельчатыми кругами без продольной по­дачи осуществляется на специальных шлифовальных станках, на которых установлены тарельчатые круги большого диаметра (700-800 мм), шлифу­ющие зуб по всей длине без возвратно-поступаталъного движения зубча­того колеса вдоль своей оси.

При таком шлифовании основание впадины зуба колеса образуется не по прямой, а по дуге окружности с радиусом, равным радиусу шлифо­вального круга. На таких станках рекомендуется шлифовать узкие зуб­чатые колеса, т.е. имеющие зубья небольшой длины. Отсутствие продольной подачи, а следовательно, и потери времени на врезании кругов значительно повышают производительность этого метода по сравнению с предыдущим.

Применяется также шлифование зубьев методом обкатки одним дисковым кругом представляющим как бы зуб рейки (рис. 27,а). Шлифуемое зубчатое колесо имеет обкаточное движение и продольную подачу вдоль зуба. После обработки одного зуба зубчатое колесо поворачивается для обработки следующего зуба.

Ш
лифование зубьев таким методом обычно происходит за два оборо­та зубчатого колеса. Окончательное шлифование производят при втором обороте с уменьшенной продольной подачей круга. Между предваритель­ным и окончательным шлифованием круг автоматически правится. Простая форма круга и наличие движения обкатки позволяют получать довольно точные зубчатые колеса, но производительность такого зубошлифования невелика.

Более прогрессивным методом обкатки является шлифование зубьев на станках с двумя абразивными кругами, расположенными параллельно (рис. 27,б); производительность этих станков значительно выше, чем станков с одним таким кругом.

В течение длительного времени зубошлифование мелкомодулъных ко­лес применялось редко. Основные трудности, возникающие при зубошлифовании мелкомодульных колес, заключались в низкой стойкости рабочей части шлифовального круга и вследствие этого в низкой производитель­ности процесса зубошлифования.

В последние годы в приборостроительной промышленности широко применяются зубошлифовальные станки, на которых в качестве шлифоваль­ного инструмента используется абразивный червяк (рис. 25,г). Производительность таких станков в 3-5 раз выше, чем производительност: других типов зубошлифовальных станков, а стойкость абразивного червя­ка в 3-4 раза выше, чем производительность зубошлифовальных кругов. Эти станки обладают также наибольшей точностью. Абразивным кругом, заправленным в виде червяка шлифуют колеса модулем до 7 мм и диамет­ром до 700 мм.

Этим методом, осуществляемым на специальных станках, можно так­же прорезать зубья с модулем до I мм в сплошном металле, без предва­рительного нарезания их.

Это обстоятельство способствовало довольно широкому распростране­нию зубошлифовалъных станков с абразивным червяком. Рекомендуют этот метод для нарезания особо точных мелкомодульных колес.

Кроме того, следует отметить, что абразивный червяк, применяемый для шлифования зубчатых колес, - это частный случай абразивного чер­вяка как обкаточного инструмента. Придавая различную форму накатнику, профилирующему абразивный червяк можно шлифовать детали с различными профилями, например, храповые и фиксаторные колеса, кинобарабаны, фасонные протяжки, шлицевые валики, делительные диски и т.д.

В настоящее время на приборостроительных заводах применяются два способа шлифования зубчатых колес: многопрофильный и однопроход­ный.

Суть первого способа (рис. 28,а): заготовку 5 шлифуемого коле­са устанавливают на оправке I в центрах суппорта 3, который может перемещаться вертикально по направляющим стойки 4. Последняя, в свою очередь, может перемещаться горизонтально по направляющим станины. Средняя плоскость заготовки шлифуемого колеса устанавливается прибли­зительно по горизонтальной оси абразивного червяка. Гитара деления станка настраивается таким образом, что за один оборот абразивного червяка 2 шлифуемое колесо повернется на один зуб. Количество про­дольных ходов суппорта зависит от величины поперечной подачи и высо­ты шлифуемого зуба. Этот способ более точный, но менее производитель­ный.

В
торой способ зубошлифования абразивным червяком аналогичен однопродному способу нарезания цилиндрнческихзубчатых колес червяч­ной фрезой на зубофрезерном станке (рис. 28,б). За один ход суппор­та колесо шлифуется окончательно на полную высоту зуба. Править чер­вячный круг можно последовательно черновым и чистовым дисковыми мно­гониточными накатниками.

Шлифование прямых зубьев конических зубчатых колес по методу обкатки двумя дисковыми абразивными кругами производится на новых станках, сконструированных на базе зубострогальных (рис. 29,а).

Криволинейные зубья конических зубчатых колес шлифуются чашечный абразивным кругом (рис. 29,б). Сечение боковой стороны круга долж­но иметь профиль зуба рейки чашечный круг, вращаясь со скоростью 20-30 м/с, обкатывает рабочую поверхность профиля шлифуемого зуба.

З
убошлифовальные станки снабжаются устройствами для подачи ох­лаждающей жидкости (содовой эмульсии или масла) обычным способом или через шлифовальный круг, что предохраняет зубья шлифуемых колес от отпуска в процессе шлифования.

Зубохонингование

Зубохонингование - это новый высокопроизводительный технологический процесс, применяемый для обработки зубчатых колес после шевингования и термической обработки. Хонингованием устраняются небольшие дефекты закаленных зубьев (забоины, риски), удаляется окалина, снимаются заусенцы, снижаются погрешности основного шага и профиля, уменьшается биение, повышается чистота поверхности зуба, что значительно снижает шум в передачах.

Сущность процесса зубохонингования состоит в том, что абразив­ный инструмент (косозубый или прямозубый), находясь в плотном зацеп­лении с обрабатываемым зубчатым колесом (прямозубым или косозубым соответственно), получает вращение и колебательное движение, а обра­батываемое колесо, приводящееся во вращение инструментом, свершает возвратно-поступательное движение.

Кинематическая схема процесса та же, что и при шевинговании,но вместо металлического шевера используется абразивный хон, который изготовляют в виде зубчатого колеса из пластмассы, пропитанной мелко­зернистым абразивом. Зацепляется зубчатое колесо с хоном без зазора. Наибольшая эффективность процесса достигается при угле между осями хона и обрабатываемого колеса = 15-18°. Хонингование произво­дится при обильном охлаждении керосином.. Станки для хоншгования во многом аналогичны станкам для шевингования без устройства для ради­альной подачи.

Зубополирование

Эту обработку используют для отделки закаленных колес с числом зубьев менее 20 (трибов). Сущность процесса состоит в относительном скольжении профиля деревянного червячного полировального диска, сма­занного полировальной пастой, и профиля зуба, сцепляющегося с ним обрабатываемого зубчатого колеса (триба). В результате зубополирования происходит сглаживание микронеровностей и повышается качество поверхности зуба.

Снятие заусенцев, образование фасок и закруглений на торцах зубьев

Для улучшения качества и повышения долговечности зубчатых колес целесообразно образование фасок по контуру зубьев. При закалке колес без фасок на зубьях возможны перегрев острых кромок, а также образо­вание микротрещин, способствующих иногда поломке зубьев.

Наличие фасок по контуру зубьев уменьшает возможность появления прижогов при их шлифовании и улучшает также условия шевингования.

Перед снятием фасок целесообразно удалять крупные заусенцы (2-4 мм) в процессе нарезания зубьев при помощи специальных резцов, уста­навливаемых на станках. Заусенцы можно удалять и вращающимися метал­лическими щетками.

Переключаемые цилиндрические колеса имеют закругления торцов зубьев. Эта операция рассматривалась выше (см.рис. 14).

Операции образования фасок и снятия заусенцев выполняются метал­лическим инструментом следующими методами:

Обработка пальцевой фрезой.

Обработка дисковой фасонной фрезой.

Обработка пустотелой фрезой с внутренней конической поверхностью.

4. Обработка зубчатым накатником. Обрабатывают фаски также и абразивным инструментом:

абразивным червяком,

абразивным "плавающим" кругом.

Притирка

Притирка является доводочным процессом при котором профили зубьев подвергаются искусственному износу посредством специального инструмента - притира с использованием абразивных паст и жидких смесей

Притирка зубьев осуществляется в крупносерийном и массовом про­изводстве при изготовлении термически обработанных колес точных от­ветственных передач вместо шлифования, которое является операцией сравнительно малопроизводительной.

Процесс притирки заключается в том, что обрабатываемое зубчатое колесо вращается в зацеплении с чугунными шестернями-притирами, при­водимыми во вращение и смазываемыми пастами, состоящей из смеси мел­кого абразивного порошка с маслом. Помимо этого обрабатываемое зубчат колесо и притиры имеют в осевом направлении возвратно-поступательное движение друг относительно друга: такое движение ускоряет процесс обработки и повышает ее точность. Большей частью движение в осевом направлении придается притираемому зубчатому колесу.

Применяют два способа притирки:

оси обрабатываемого колеса и притира параллельны,

По первому способу притирка колеса I (рис. 30,а) производится одним притиром 2 того же модуля.

Наибольшее распространение получил второй способ притирки (рис 30.б). Здесь происходит взаимное обкатывание зубьев колеса I и зубьев трех чугунных притиров 2,3 и 4 одновременно. В большинстве случаев для притирки колеса с прямыми зубьями притиры 2 и 3 делают косозубыми с углом наклона зубьев 5-10°, причем у одного из притиров направление зубьев, правое, а у другого - левое. Притир 4 делают прямозубым. Для притирки косозубых колес притир 4 делают с косозубым одинаковым, но противоположно направленным наклоном зубьев: ось его остается па­раллельной оси колеса I, при этом колеса 3 и 4 также косозубые.

При таком расположении притиров зубчатое колесо работает как в винтовой передаче, и путем дополнительного осевого перемещения при­тираемого зубчатого колеса притирка происходит равномерно по всей боковой поверхности зуба. Притираемое зубчатое колесо получает вра­щение попеременно в обе стороны для равномерной притирки обоих сторон зуба, а необходимое давление на боковой поверхности зубьев во время притирки создается гидравлическими тормозами, действующими на шпинде­ли притиров.

Иногда применяют притирку зубьев зубчатых колес чугунными чер­вяками притирами диаметром 300-400 мм, используя для этого зубофрезерные станки.

Притирка - простой и дешевый способ отделки закаленных и сырых ответственных зубчатых колес. Она обладает высокой производительно­стью. Притирка дает поверхности высокого качества, сглаживает неров­ности и шероховатости и придает зеркальный блеск поверхности, значи­тельно уменьшая шум, увеличивая плавность работы зубчатых колес, улучшает контакт между зубьями и повышает долговечность зубчатых ко­лес. Притирка дает лучшую по качеству поверхность зубьев, чем шлифо­вание, но при условии правильного изготовления зубчатого колеса; при наличии же значительных погрешностей зубчатке колеса необходимо сна­чала шлифовать, а потом притирать.

Подбор и приработка зубчатых колес

В некоторых случаях для повышения нагрузочной способности пере­дач и уменьшения шума ограничиваются подбором или приработкой зубча­тых колес.

Подбор зубчатых колес ведется по уровню шума и величине площади ка­сания сопряженных поверхностей зубьев. "

Определение уровня шума осуществляется на контрольно-шумовых станках.

Подбор по пятну касания имеет целью достичь плавности и долго­вечности работ зубчатых колес. Здесь используется обкаточное приспо­собление.

Приработка зубьев отличается от притирки тем, что притираются не

зубчатое колесо с притиром, а два парных зубчатых колеса; изготов­ленных или подобранных для совместной работы в собранной машине. В результате приработки получается износ рабочих поверхностей, благо­даря чему улучшается контакт зубьев под нагрузкой. Приработка произ­водится при помощи абразивного материала, который ускоряет взаимную приработку зубьев зубчатых колес и придает им гладкую поверхность. Также для приработки применяют масла с противозадирными присадками.

Из вышеизложенного можно сделать вывод, что наиболее производи­тельным и рациональным способом получения точных зубьев является ше­вингование, применяемое после нарезания зуба, но до термической об­работки, после которой для искажения небольших искажений в профиле и шаге и получения чистовой поверхности зубьев целесообразно приме­нить притирку и только в случае значительной деформации прибегать к шлифованию зубьев.

Операции, предшествующие нарезанию зубьев.

Нарезание зубьев.

Шевингование зубьев.

Термическая обработка.

Притирка зубьев.

Методы контроля обработки зубьев зубчатых колес

Зубчатые колеса являющиеся основной частью механизмов и прибо­ров должны быть изготовлены точно, так как погрешность любого из от­дельных элементов зубчатого колеса может вызвать неравномерность его хода и вибрацию, что повлечет за собой преждевременный износ и выход из строя деталей, а иногда и самого прибора.

Целью контроля зубчатых колес помимо проверки их как готовой продукции является также определение погрешностей зуборезных и других станков, на которых производится обработка зубчатых колес и выявле­ние состояния применяемого для обработки режущего и измерительного инструмента.

При изготовлении зубчатых колес станки, инструмент и операции термической обработки являются источниками погрешностей отдельных элементов зубчатых колес; эксцентриситет начальной окружности явля­ется главным образом погрешности центрирования заготовки на зуборез­ном станке, или биения планшайбы ила шпинделя станка.

Неточность шага по начальной окружности может быть следствием

низкого качества зуборезного инструмента, а также погрешностей дли­тельного механизма станка.

Неточность профиля зуба может зависеть от станка, инструмента и установки зубчатого колеса на столе станка.

Равномерность шага зубьев цилиндрических зубчатых колес прове­ряют предельной или индикаторной скобой или микрометром, которыми измеряют расстояние между двумя параллельными плоскостями, касатель­ными к эвольвентным поверхностям зубьев. На основании данных измере­ний путем расчета можно определить толщину зуба. Индикаторная скоба дает возможность точно определять конусность и спиральностъ зубьев; в то время как предельными скобами это невозможно выявить.

Шаг зубьев в направлении линии зацепления часто измеряют с по­мощью шагомера. Шагомером проверяется расстояние между боковыми сто­ронами соседних зубьев; расстояние между наконечниками шагомера уста­навливается по эталону.

Толщину зуба по начальной окружности измеряют штангензубомером, ко­торый является универсальным инструментом, но даёт сравнительно не­высокую точность. Вертикальный движок его устанавливается на опре­деленном расстоянии, немного превышающем высоту головки зуба; эта величина определяется по табличным данным; после этого горизонталь­ным движком измеряют толщину зуба по начальной окружности. Более точ­ный промер дает оптический зубомер (с точностью до 0,02 мм). Профиль зуба проверяют - прибором-эвольвентометром со специальным эталонным диском, который меняется для различных зубчатых колес. Диаметр начальной окружности зубчатого колеса можно проверить при помощи роликов точного диаметра; число роликов равно 2 или 3 в зави­симости от числа зубьев - четного или нечетного.

Комплексная проверка зубчатых колес заключается в проверке правильно­сти зацепления; производится она на приборах, на которых проверяется зацепление с эталонным зубчатым колесом или зацепление парных, т.е. работающих вместе, зубчатых колес.

Принцип устройства таких приборов заключается в том, что инди­катор или самопишущий прибор регистрирует сдвиг проверяемого зубчато­го колеса в направлении, перпендикулярном его оси, когда оно находит­ся в неправильном зацеплении с эталоном или парным зубчатым колесом. Правильность зацепления часто проверяют по отпечатку при обкатке с эталонным зубчатым колесом. На поверхность зубьев эталонного зубчато­го колеса наносят тонкий слой краски и проворачивают его вместе с проверяемым зубчатым колесом. Полученные отпечатки указывают поверх-

ность контакта зубьев, и их сравнивают с формой отпечатка, который задан техническими условиями.

Правильность зацепления часто проверяют также по шуму. Чем пол­нее касание сопрягаемых поверхностей зубьев, тем меньший шум издают вращающиеся зубчатые колеса, поэтому с целью уменьшения шума подби­рают пары с лучшим прилеганием поверхностей зубьев. Проверка по шу­му производится на особых станках и заключается в прослушивании тока ^ и равномерности шума, издаваемого двумя совместно работающими коле­сами, на слух и с помощью измерения специальным звуковым индикатором или звукозаписывающими приборами (фонометрами и др.).

Измерение (контроль) всех основных элементов колеса - процесс чрезвычайно трудный. Кроме того, даже измерив погрешности элементов, невозможно в нужной мере достоверно судить о совокупном влиянии этих погрешностей на качество зацепления. Представление об этом дают лишь комплексные методы контроля, основанные на оценке результатов зацеп­ления проверяемого колеса с эталонным колесом измерительного прибо­ра. Поэтому стандартами (ГОСТ 1643-56 и др.) нормируются не допуски на элементы колеса, а допуски на разные показатели комплексной проверки (кинематическая погрешность, циклическая погрешность пятно контакта при контроле по краске и боковой зазор) по 12 степе­ней точности

(1-я степень - высшая)

Глава. ЗУБОНАРЕЗАШЕ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

Зубчатые зацепления

Зубчатая передача является механизмом, который с помощью зубчатого зацепления передает или преобразует движение с изме­нением угловых скоростей и моментов.

Зубчатые передачи применяются для преобразования и передачи вращательного движения между валами с параллельными, пересекаю­щимися и перекрещивающимися осями, а также для преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот.

Зубчатые передачи между параллельными валами осуществляются цилиндрическими колесами с прямыми, косыми или шевронными зубь­ями (рис.1,a).

В виду наклона зубьев в передачах с косозубыми колесами увеличивается плавность вращения колес и нагрузочная способность передачи. Недостатком их является возникновение при передаче вращения осевых усилий.

В шевронных колесах сохранены преимущества косозубых, но осевые усилия благодаря противоположному направлению наклона зубьев на каждой половине зубчатого венца оказывается уравнове­шенными.

В зубчатых передачах с пересекающимися осями применяются ко­нические колеса. Они могут быть прямозубыми и косозубыми (рис.1,б).

Широко распространены и червячные передачи вращения между перекрещивающимися осями (рис.1,в).

Они находят широкое приме­нение в приборах различных машин и особенно там, где необходимо получить точные плавные перемещения.

Зубчатые передачи составляют наиболее распространенную и важную группу механических передач. Широкое распространение они получили потому, что могут передавать большие мощности, обеспе­чивать постоянство передаточного отношения, плавность движения, высокий к.п.д. и т.д.

Большое применение зубчатые передачи получили и в оптике. Например, в бомбардировочных прицелах, секстантах, астрокомпасах и других оптических приборах.

Обработка зубьев резанием

Выбор метода зубообработки зависит от многих факторов. Ос­новными из них являются: тип и размер колес; заданная точность изготовления зубьев; наличие оборудование на заводе; размер пар­тии изготавливаемых однотипных колес, определяющий потребную производительность обработки.

Метод копирования

Сущность метода состоит в том, что режущим инструментом последовательно или одновременно нарезаются впадины зубчатого колеса, причем профиль инструмента точно соответствует контуру этих впадин.

Нарезать зубья колес можно на специальных станках, на неко­торых моделях универсальных станков, имеющих механизм единичного деления, и иногда на фрезерных станках с помощью делительной го­ловки.

Нарезание цилиндрических зубчатых колес дисковыми фрезами. Наре­зание цилиндрических зубчатых колес с прямым зубом можно выпол­нить на горизонтальных и универсальных фрезерных станках при по­мощи делительной головки модульными дисковыми фрезами.

Такие фрезы стандартизированы для всего ряда модулей от 0,3 до 16 мм. Для каждого модуля применяется комплект фрез из 8, 15 или 26 штук для чисел зубьев нарезаемых колес от 12 и более. Каж­дая фреза, входящая в набор, нарезает несколько зубчатых колес в определенном диапазоне чисел зубьев.

Профиль резьбы каждого номера соответствует профилю впадины колеса, имеющего наименьшее число зубьев для этого диапазона. Остальные колеса данного диапазона будут нарезаться такой фрезой с некоторыми погрешностями. Чем больше фрез в наборе, тем точнее будут нарезаны колеса. Чаще всего применяют набор фрез 8 штук, обработка которыми позволяет получать зубчатые колеса 9-й степе­ни точности, но для более точных колес берут наборы 15 и 26 штук.

Схема нарезания колеса дисковой фрезой показана на рис.2.

Зубчатые колеса обычно нарезаются по одной или по несколько штук на оправке, что увеличивает производительность за счет вре­мени, затрачиваемого на врезание или выход фрезы, а также за счет вспомогательного времени.

Если же на шпиндельной оправке положить две или три фрезы, каждая из которых будет прорезать впадины зубьев у одной группы заготовок, то производительность будет еще больше. В этом случае применяют многошпиндельные делительные головки. Применение для этих целей полуавтоматических станков, у которых все вспомога­тельные движения (подход заготовок к фрезам, отход их в исходное положение, поворот заготовок на один зуб и останов станка) совер­шаются автоматически, также повышает производительность. Значи­тельное повышение производительности достигается применением твердосплавных фрез.

Нарезание зубьев цилиндрических колес средних модулей 8-9-й степени точности можно производить одновременно двумя фрезами.

Дисковыми модульными фрезами можно также обрабатывать цилин­дрические зубчатые колеса с косым зубом, поворачивая фрезу на угол наклона зуба.

Нарезание пальцевыми модульными фрезами. Такими фрезами нарезают зубья средних и крупномодульных цилиндрических, шевронных колес, реек и др., которые в оптике практически не применяются, по­этому здесь нарезание пальцевыми модульными фрезами не рассматри­вается.

Контурное зубонарезание (рис.3).

В массовом производстве ци­линдрических зубчатых колес небольших размеров и средних модулей применяют метод одновременного долбления всех зубьев - контур­ное нарезание. Этот способ дает высокую производительность (в 8-10 раз выше, чем на обычных зубофрезерных станках) благодаря тому, что многорезцовой головкой со специальными профильными рез­цами одновременно обрабатываются все зубья.

Нарезание зубчатых колес протягиванием. Колеса с внутренними зубь­ями протягиваются на обычных протяжных станках. Для протягивания наружных зубьев используется специальное оборудование и кольцевые протяжки.

Однако, несмотря на высокую производительность и возможную точность нарезания зубьев, вследствие сложности изготовления про­тяжек этот метод не получил широкого распространения.

Метод обкатки

Сущность метода заключается в том, что режущему инструменту и заготовке колеса сообщаются такие взаимосвязанные движения, которые обеспечивают получение требуемого профиля зубьев.

В процессе обработки инструменту, кроме обкаточного движе­ния, дополнительно сообщается движение подачи. Воспроизводится

зацепление зубчатой пары.

Требование высокой точности и плавности зацепления зубчатых колес привели к созданию специальных зуборезных станков. Произ­водительность зубонарезания повысилась. Наиболее распространен­ными являются станки, образующие профиль зуба путем фрезерования или долбления режущими кромками инструмента в непрерывном процес­се обкатки. При обработке долблением получается более правильный профиль, чем при фрезеровании, так как в этом случае неточности инструмента значительно меньше отражаются на профиле зуба, но зато возникающие при обработке удары вредно влияют на станок и инструмент. Вследствие этого метод долбления применяется главным образом для чистового нарезания зубьев; метод фрезерования двух - или трехзаходными фрезами, как наиболее производительный, приме­няется главным образом для чернового нарезания, фрезерование одно - заходными фрезами применяется для чистового нарезания. Методом фрезерования можно нарезать большее количество видов зацепления, как-то: цилиндрические зубчатые колеса с прямыми и косыми зубья­ми, червячные зубчатые колеса, червяки, цепные колеса. Это основ­ной метод нарезания колес.

Зубонарезание червячными фрезами . Высокая производительность, точ­ность 8-9-й степени, универсальность обработки обусловили широкое распространение этого метода. В процессе обработки, движущиеся прямолинейные режущие кромки червячной Фрезы воспроизводят в пространстве зубья рейки, находящейся в зацеплении с колесом.

В результате взаимной обкатки фрезы и нарезаемого колеса, а также движение фрезы вдоль заготовки, на последней образуются прямые или косые зубья. Движение точно согласовано с числом обо­ротов фрезы. За время одного оборота фрезы заготовка должна по­вернуться на К зубьев, где К - число заходов фрезы.

Фреза закрепляется в суппорте, который должен быть повернут так, чтобы ось фрезы была наклонена под углом α подъема вин­товой линии витков фрезы. Нарезаемое зубчатое колесо устанавли­вается на столе станка; он имеет перемещение по станине для ус­тановки на глубину зуба и вращательное движение, благодаря кото­рому осуществляется обкатка зубчатого колеса по отношению к чер­вячной фрезе. Суппорт с фрезой осуществляет подачу движением вдоль зубчатого колеса. При фрезеровании зубчатых колес с косым зубом фреза устанавливается с учетом наклона винтовой линии вит­ков фрезы и угла спирали зуба зубчатого колеса. Если направление

наклона витков линии фрезы и нарезаемого зубчатого колеса одина­ковое, т.е. если фреза и зубчатое колесо правозаходные (рис.4,а) или левозаходные, то угол установки фрезы равен разности углов фрезы и зубчатого колеса, т.е.
; если же направление наклона винтовой линии фрез и зубчатого колеса различно (рис.4,б), то угол установки равен сумме углов, т.е.
.

Число проходов фрезы устанавливается в зависимости от вели­чины модуля: зубчатое колесо с модулем до 2,5 мм обычно нарезают за один ход начисто; зубчатое колесо с модулем более 2,5 мм наре­зают начерно и начисто в два и даже в три хода.

Для черновых ходов применяются двух- или трехзаходные фрезы, которые увеличивают производительность, но снижают точность об­работки по сравнению с однозаходными. Поэтому они используются главным образом для предварительного нарезания зубьев.

При нарезаний колес подача фрезы производится в радиальном или осевом направлении (рис. 5).

Радиальное врезание позволя­ет существенно сократить затрату времени работы станка при обра­ботке червячными фрезами больших диаметров.

Для повышения точности зубофрезерования и чистоты обработан­ной поверхности, а также увеличения стойкости червячной фрезы рекомендуется в процессе резания перемещать червячную фрезу вдоль оси из расчета 0,2 мкм за один оборот ее.

Современные станки имеют специальное устройство для осевого перемещения фрезы. Это перемещение может осуществляться:

после нарезания определенного числа колес,

после каждого цикла зубофрезерования, во время смены заготовок,

непрерывно при работе фрезы.

В последнем случае происходит диагональных подача фрезы как ре­зультат сложения подач вдоль оси заготовки и вдоль собственной оси фрезы.

Нарезание червячных зубчатых колес . При нарезании червячных зуб­чатых колес ось фрезы устанавливается перпендикулярно оси обраба­тываемого колеса и точно по центру ее ширины. Нарезать червячные зубчатые колеса можно;

способом радиальной подачи,

способом тангенциальной подачи,

комбинированным способом.

Нарезание червячных колес способом радиальной подачи более рас-пространено, чем другими способы. При этом способе (рис.6,а.) фреза I и нарезаемое зубчатое колесо 2 вращаются; скорости их вращения рассчитываются так, чтобы за один оборот фрезы зубчатое колесо повернулось на число зубьев, равное числу заходов червяка. В отличие от нарезания цилиндрических зубчатых колес суппорт с фрезой стоят на месте, стол же с укрепленным на нем нарезаемым зубчатым колесом осуществляет горизонтальную подачу на глу­бину зуба по направлению к фрезе, т.е. в радиальном направлении.

В зубофрезерных станках, работающих по методу обкатки, пред­назначенных для нарезания зубчатых колес большого диаметра, го­ризонтальная подача осуществляется не столом с заготовкой, а стойкой несущей суппорт с фрезой.

Способ радиальной подачи применяется главным образом для нарезания червячных зубчатых колес однозаходных и реже - двухзаходных.

Способ тангенциальной подачи применяется главным образом для на­резания червячных зубчатых колес к многозаходным червякам; он выполняется при помощи специального суппорта, позволяющего осу­ществлять тангенциальную

(
т.е. по касательной линии к зубчатому колесу), подачу фрезы (рис.6,б).

Стрелка А указывает вращение червячной фрезы, стрелка Б - подачу фрезы по касательной линии к зубчатому колесу, стрелка В - вращение зубчатого колеса. Нарезание зубчатого колеса заканчи­вается, когда все зубья фрезы перейдут за ось зубчатого колеса. При нарезании способом тангенциальной подачи получается более пра­вильный профиль, но себестоимость фрезы значительно выше нормаль­ной и, как сказано, требуется наличие специального суппорта.

Нарезание червячных зубчатых колес комбинированным способом применяется при нарезании единичных ненормализованных червячных зубчатых колес, для которых изготовление червячных фрез экономи­чески не оправдано. Нарезание производится последовательно дву­мя резцами - черновым и чистовым; резец закрепляется в оправке (рис. 7,а), представляя собой как-бы однозубую фрезу. Чистовой резец изготовляется точно по профилю, а черновой уже чистового, благодаря чему остается припуск (≈ 0,5 мм на сторону зуба). Черновой резец врезается на установленную глубину с радиальной подачей, после чего чистовой дорезает зуб с тангенциальной пода­чей. Резцы - черновой и чистовой можно менять; часто закрепляют оба резца в одной оправке (рис. 7,б), на определенном расстоя­нии один от другого.

Нарезание зубьев червячного глобоидного колеса обычно состо­ит из двух операций: предварительного нарезания при радиальной подаче и чистового нарезания при круговой подаче и точно задан­ном межосевом расстоянии. Инструментом для предварительного и окончательного нарезания зубьев глобоидного колеса в индивидуаль­ном и мелкосерийном производствах являются два "летучих" резца (рис. 7,в). Кроме тих резцов, как предварительное, так и окон­чательное нарезание можно производить глобоидной гребенкой или глобоидной фрезой (рис. 7,г).

Нарезание зубьев долбяками . В процессе обработки воспроизводится зубчатое зацепление двух колес одинаковой формы и одного и того же модуля, одно из которых является режущим инструментом (долбяком), а другое - заготовкой. Долбян совершает возвратно-поступа­тельное движение, при этом и долбяк и заготовка вращаются, как бы находясь в зацеплении.

Схема нарезания зубьев цилиндрических колес с прямыми и ко­сыми зубьями приведена на рис. 8.

Поступательное движение долбяка вниз является движением резания, а поступательное движе­ние вверх - холостым ходом. Чтобы предохранить обрабатываемую поверхность зубьев от повреждения во время холостого хода, дол­бяк и заготовка отводятся друг от друга на величину

мм.

При нарезании косозубых колес косозубыми долбяками применя­ют винтовые копиры.

Для нарезания зубчатых колес с винтовым зубом применяется долбяк тоже с винтовым зубом и тем же углом подъема винтовой ли­нии. Долбяк получает добавочное вращение по винтовой линии от специального копира, помещающегося в верхней части шпинделя дол­бяка.

Горизонтальная подача долбяка осуществляется двумя способами:

при помощи ходового винта специального и автоматического делительного механизма (крупных станках),

при помощи одного из трех специальных копиров, из которых применяется тот или другой в зависимости от числа ходов, не­ обходимого для нарезания полного профиля зубьев.

Обработка за один ход применяется для зубчатых колес с моду­лем 1-2 мм, за два хода - с модулем 2,25 - 4 мм и за три хода - при модулях, превышающих 4 мм, а также при меньших модулях, но при повышенных требованиях к точности ж чистоте обработки.

Обычно зубчатые колеса даже средних модулей предварительнообрабатываются на зубофрезерных станках, а чистовая обработка

производится на зубодолбежных станках за один и (реже) за два

Предварительное нарезание зубьев на зубофрезерных станках часто бывает более производительным, чем на зубодолбежных стан­ках. При обработке зубьев модулем 5 мм и более, когда снимается значительное количество металла, зубофрезерные станки более про­изводительны, чем зубодолбежные. При нарезании зубьев с модулем до 2,5 мм, когда металла снимается сравнительно мало, более про­изводительными и точными являются зубодолбежные станки.

Следует отметить, что быстрозаходные зубодолбежные станки с числом ходов долбяка 600-700 в минуту обладают высокой произво­дительностью зубонарезания.

Производительность зубодолбления значительно повышается при совмещении черного и чистового нарезания зубьев с одновременным применением двух или трех долбяков, установленных на зубодолбежном станке.

С целью увеличения производительности зубодолбежных станков при нарезании зубчатых колес малых и средних модулей применяют комбинированные долбяки, которые производят последовательно чер­новое и чистовое нарезание зубьев за один оборот долбяка. У таких долбяков часть зубьев, имеющих уменьшенную толщину, служит для чернового долбления, другая часть - для чистового окончательного. Кроме того, на долбяке имеется участок без зубьев, позволяющий снимать обработанное зубчатое колесо с оправки и надевать заго­товку на оправку без отвода шпинделя с долбяком.

Комбинированные долбяки пригодны только для нарезания зубча­тых колес с определенным числом зубьев, вследствие чего их целе­сообразно применять главным образом в крупносерийном и массовом производстве. Они непригодны для зубчатых колес с большим числом зубьев, так как число зубьев нарезаемого колеса, ввиду чего дол­бяки получаются больших размеров.

Зубодолбежные станки наряду с высокой производительностью дают чистую обработанную поверхность зубьев 7-8-й степеней точно­сти. На специальных зубодолбежных станках можно нарезать двумя специальными долбяками шевронные колеса, а также зубья на блоках зубчатых колес с 2-4 венцами при тесном расположении их, когда фрезерование их невозможно.

Обработка долбяками в виде гребенок на зубострогальном станке . В процессе обработки воспроизводится зубчатое зацепление гребенки

(рейки) с колесом. Нарезаемым колесом является заготовка, а ре­жущим инструментом - гребенка, которую изготовлять и затачивать проще, чем долбяк. Этот способ используется для нарезания цилин­дрических прямозубых и косозубых колес. В последнем случае суп­порт с гребенкой повертывается на угол наклона зуба.

Гребенки изготовляются трех типов в зависимости от модуля и характера обработки:

обдирочная - для чернового нарезания,

отделочная - для чистового нарезания,

шлифовочная.

Обдирочные гребенки изготовляются меньшей ширины, чем отделочные; после обдирки остается припуск 0,5 мм на сторону зуба.

Н
арезание гребенкой ввиду меньшей производительности по срав­нению с нарезанием дисковым долбяком и червячной фрезой применя­ется редко.

Обработка резцами (рис.12).

При нарезании конических колес воспроизводится зацепление конической пары колес, одно из кото­рых (воображаемое) - плоское. В качестве зубьев плоского кони­ческого колеса можно применять резцы с прямолинейно режущими кромками, закрепленные в поворачивающейся люльке. При нарезании колесо как-бы находится в зацеплении с воображаемым плоским ко­ническим колесом, зубьями которого являются эти резцы. Резцы со­вершают вращательное и прямолинейное возвратно-поступательное движение, постепенно прострачивая на заготовке соответствующие впадины.

После нарезания одного зуба люлька и заготовка поворачивают­ся в исходное положение. Затем заготовка поворачивается на угло­вой шаг, и процесс повторяется. Существует много способов наре­зания конических колес методом обкатки; режущим инструментом при этом может быть один или два резца, дисковые фрезы, резцовые го­ловки.

Метод зуботочения

Новый метод нарезания зубьев, называемый зуботочением, пред­назначен для нарезания прямых и косых зубьев цилиндрических зуб­чатых колес на зубофрезерных станках с помощью долбяка, исполь­зуемого в качестве многорезцового инструмента.

Зацепление инструмента с нарезаемым зубчатым колесом рас­сматривается как зацепление двух винтовых зубчатых колес, при котором происходит продольное скольжение поверхностей зубьев, являющееся в данном случае движением, осуществляющим процесс реза­ния. На зубофрезерном станке вместо червячной фрезы устанавлива­ется долбяк под углом (рис. 9,а) к оси заготовки. Углы долбяка и заготовки подбираются таким образом, чтобы разность между углами винтовой линии инструмента и заготовки не была равной нулю.

Нарезание прямых зубьев производится косозубым долбяком (рис. 9,а), а нарезание косозубых колес с углом наклона 45° -прямозубым долбяком (рис. 9,б).

Производительность этого метода в 2-4 раза выше производительности зубофрезерования однозаходной фрезой.

Нарезание зубьев конических зубчатых колес

Некоторые методы нами уже были рассмотрены выше.

Для нарезания зубьев конических зубчатых колес 7-8-й степе­ней точности требуются специальные зуборезные станки; при отсут­ствии их конические зубчатые колеса с прямым и косым зубом можно нарезать на универсально-фрезерном станке при помощи делительной головки дисковыми модульными фрезами; конечно, точность обработ­ки при этом способе ниже (9-10-я степень).

По назначению, конструктивным и технологическим признакам конические колеса можно разбить на три типа:

У колес первого типа отверстие может быть шлицевым, со шпон­кой или гладким. У колес второго типа - отверстия гладкие. Так как торец и отверстие колес второго типа являются технологически­ми базами, то их обычно обрабатывают с одной установки; базовые поверхности А 1 и Б 1 у колес - валов подготовляются шлифованием до нарезания зубьев.

Метод копирования из-за погрешностей в самой кинематической схеме образования зуба применяется только для предварительного нареза­ния или для получения колес невысокой точности.

Заготовку I конического зубчатого колеса устанавливают на оправке в шпиндель делительной головки 2 (рис. 11,а), который поворачивают в вертикальной плоскости до тех пор, пока образуются

впадина между двумя зубьями не займет горизонтального положения. Нарезаются зубья обычно за три хода и только при малых модулях за два хода.

При первом ходе фрезеруется впадина между зубьями шириной b 2 (рис. 11,б);

форма фрезы соответствует форме впади­ны на ее узком конце; второй проход производят модульной фрезой, профиль которой соответствует наружному профилю зуба, поворачивая при этом столик с делительной головкой на угол :

где b 1 - ширина впадины между зубьями на ее широком конце,мм,

b 2 - то же, на узком конце, мм,

l - длина впадины.

При таком положении фрезеруются все левые бока зубьев (площадка I - рис. 11,б). За третий ход фрезеруются все правые бока зубь­ев (площадка 2), для чего

делительную головку поворачивают на тот же угол, но в другую сторону.

Этот способ нарезания зубьев малопроизводителен.

Метод обкатки (огибация) - основной, наиболее точный и производи­тельный метод нарезания конических зубчатых колес.

Этот метод был уже рассмотрен. Схема нарезания прямозубого конического колеса приведена на рис. 12. Процесс нарезания основан на принципе зацепления обрабатываемой детали I с вообра­жаемым плоским колесом 2, одним из зубьев которого как бы являют­ся два строгальных резца 3. При этом деталь устанавливается та­ким образом, чтобы образующая конус впадина зуба была параллельна направлению резания.

При обработке зубьев с модулем свыше 2,5 их предварительно прорезают дисковыми модульными фрезами; таким образом, сложные зубострогальные станки не загружаются предварительной грубой об­работкой и, следовательно, они лучше, используются для точной обработки. Для повышения производительности в крупносерийном и массовом производстве одновременно обрабатывают несколько заготовок (обычно три) и автоматизируют технологический процесс.

Для обработки прямых зубьев небольших конических колес при­меняют производительный метод - круговое протягивание зубьев на специальных зубопротяжных станках (рис. 13). Режущим инструмен­том служит круговая протяжка I, состоящая из нескольких секций фасонных резцов (15 секций по пяти резцов в каждой секции).

Резцы с изменяющимся профилем расположены в протяжке в последовательном порядке для чернового получистового и чистового

нарезания зубьев. Каждый резец при вращении круговой протяжки снимает определенный слой металла с заготовки 2 в соответствии с величиной припуска. Протяжка вращается с постоянной угловой скоростью и в то же время совершает поступательное движение, ско­рость которого различна на отдельных участках проходимого пути. При черновом и получистовом нарезании протяжка имеет поступатель­ное движение от вершины начального конуса к егв основанию, а при чистовом - в обратном направлении, от основания к вершине. За один оборот протяжки она полностью обрабатывает одну впадину зуб­чатого колеса.

Во время резания обрабатываемая заготовка неподвижна, для обработки следующей впадины она поворачивается на один зуб в то время, когда подходит свободный от резцов сектор круговой протяж­ки.

Этот способ нарезания зубьев отличается высокой производи­тельностью (в 2-3 раза более высокой по сравнению со строганием), в то же время точность обработки соответствует точности, дости­гаемой при нарезании методом обкатки.

Нарезание конических зубчатых колес с криволинейными зубья­ми производится на специальных станках, работающих методом копи­рования и методом обкатки. Режущим инструментом являются резцовые головки двух типов: цельные и со вставленными резцами. Различа­ются одно-, двух- и трехсторонние резцовые головки.

Назначение зубчатой передачи – передавать движение от одного вала к другому с изменением угловых скоростей и моментов по величине и направлению. Такая передача состоит из двух колес. Передача вращающего момента в зубчатой передаче осуществляется благодаря давлению зубьев, находящихся в зацеплении, одного колеса на зубья другого. Зубчатые передачи широко распространены в России и за рубежом благодаря их достоинствам по сравнению с другими механическими передачами.

Преимущества: большая долговечность и высокая надежность; высокий КПД (до 0,98); постоянство передаточного отношения; возможность применения в широком диапазоне моментов, скоростей и передаточных отношений; малые габаритные размеры; простота эксплуатации.

Недостатки: наличие шума; невозможность плавного изменения передаточного отношения; необходимость высокой точности изготовления и монтажа, что увеличивает их стоимость.

По исходному контуру зубчатые передачи делят:

• на эвольвентные – преимущественно распространены в промышленности;
• с круговым профилем (зацепление М. Л. Новикова) – применяются для передач с большими нагрузками.

У эвольвентного зацепления рабочая поверхность зуба имеет эвольвентный профиль. В дальнейшем будем рассматривать лишь передачи с эвольвентным зацеплением.

К зубчатым передачам относятся цилиндрические, конические, планетарные, волновые и др.

Цилиндрические зубчатые передачи

Цилиндрической зубчатой передачей называется передача с параллельными осями. Они бывают с прямым зубом (рис. 4.13, а), косым зубом, (рис. 4.13, б), и шевронные, (рис. 4.13, в) (β – угол наклона зуба). Рекомендуется максимальные передаточные числа в одной ступени не превышать, так как в противном случае габаритные размеры механизмов увеличиваются но сравнению с двухступенчатой передачей с тем же передаточным числом.

Преимущества передач с шевронным и косым зубом по сравнению с прямым: бо́льшая прочность зуба на изгиб (бо́ль-

Рис. 4.13

шая нагрузочная способность); большая плавность зацепления и малый шум, а также меньшие динамические нагрузки.

Недостатки , наличие осевой силы у косозубых передач; большая сложность изготовления.

Косозубые передачи применяют при окружных скоростяхм/с; шевронные передачи – преимущественно в тяжело нагруженных передачах.

Кинематика и геометрия цилиндрические зубчатых колес. Передаточное отношение, где– угловая частота вращения i-го вала.

Для наружного зацепления (см. рис. 4.4, а – вращение колес в разные стороны) i берется со знаком "–", для внутреннего (см. рис. 4.4, б – вращение в одну сторону) со знаком "+". Из кинематического условия – равенства скоростей в месте контакта зубьев колес, , получаем ,

где– частота вращения i-ro колеса;– делительный диаметр зубчатого колеса.

Принимая ( – количество зубьев г-го колеса) и учитывая соотношение (4.3), получаем

(4.4)

где– передаточное число (всегда величина положительная). Принято меньшее из зубчатых колес в паре называть шестерней и обозначать "ш" или "1", а большее – колесом ("к" или "2"),

Различают понижающие передачи (рис. 4.14, а), которые понижают частоту вращения и используются в редукторах;

Рис. 4.14

повышающие передачи (рпс. 4.14, б ), которые повышают частоту вращения и используются в мультипликаторах.

Зубчатые колеса в основном используются с эвольвснт- ным зацеплением, которое обеспечивает постоянное передаточное отношение, малые скорости скольжения в зацеплении и несложное изготовление. Так как в передаче преобладает трение качения, а трение скольжения мало, то она имеет высокий КПД. Это зацепление мало чувствительно к отклонению межосевого расстояния. В эвольвентном зацеплении рабочая поверхность зуба имеет форму эвольвенты. Эвольвентой называют кривую, которую описывает точкаобразующей прямой N–N, перекатывающаяся без скольжения по основной окружности диаметра. Образующая прямая всегда перпендикулярна к эвольвенте, а отрезок является ее радиусом кривизны (рис. 4.15).

Перейдем к рассмотрению геометрии эвольвентных зубчатых колес.

На рис. 4.16 показано косозубое колесо, для которого нормальный шаг определяют по формуле

где– окружной делительный шаг – расстояние между одноименными профилями соседних зубов, измеряемое по дуге делительной окружности зубчатого колеса;– угол наклона зуба.

Рис. 4.15

Рис. 4.16

Окружной модуль– это величина, враз меньшая окружного шага:

Разделив формулу (4.5) на π, получаем

где– нормальный модуль, уточняется по ГОСТу, что обеспечивает возможность использования стандартного инструмента, например модульных фрез.

Модуль является основным параметром зубчатого зацепления.

Длина делительной окружности зубчатого колеса определяется по формуле

Разделив обе части равенства на π, получаем выражение для определения делительного диаметра

что подтверждает соотношение, принятое в формуле (4.4).

Нарезание зубчатых колес производится инструментальной рейкой. Окружность зубчатого колеса, на которой шаг р и угол зацепления соответственно равны шагу и углу профиля а инструментальной рейки, называют делительной (d ). На рейке делительной плоскостью называют плоскость, на которой толщина зубьев равна ширине впадины. Сопряженные пары зубчатых колес касаются друг друга в полюсе зацепления. Окружности, проходящие через полюс зацепления Р и перекатывающиеся одна по другой без скольжения, называются начальными (рис. 4.17, а, где, – диаметры начальных окружностей;– угол зацепления). Отрезок АВ линии зацепления, ограниченный окружностями вершин зубьев шестерни и колеса, называется активным участком линии зацепления Эта линия определяет начало входа пары зубьев в зацепление и выхода из него.

Расстояние между начальной и делительной окружностями называют смещением исходного контура Отношение этого смещения к т называют коэффициентом

Рис. 4.17

смещениях (рис. 4.18). Приделительный и начальный диаметры равны,.Припроисходит подрезание зуба, что устраняется введением положительного смещениях Если призадать смещение,то суммарный коэффициент смещения будет равен

В этом случае зубья колес имеют одинаковую высоту, но высота головки и ножки зуба, диаметры окружностей вер-

Рис. 4.18

шин и впадин различны. Толщина зубьев шестерни увеличивается, а колеса уменьшается. Если условиене вы

полняется, то нужно вводить коэффициент уравнительного смещения .

Основные геометрические характеристики косозубой цилиндрической передачи внешнего зацепления при х = О приведены на рис. 4.17, б:

Делительный диаметр

Участок зацепления зубчатых колес показанна рис. 4.19, где– ширина зубьев шестерни и колеса;– рабочая ширина зуба, на которой происходит их контакт:

где– относительная ширина зуба (большее значение для больших нагрузок);

(4.12)

– межосевое расстояние ("+" – для внешнего зацепления, "-" – для внутреннего).

Рис. 4.19

Геометрические параметры эквивалентного колеса для косозубой передачи. Аналитическое определение напряжений изгиба в опасном сечении косых зубьев затруднено из-за их криволинейной формы и наклонного расположения контактных линий. Поэтому переходят от косозубых колес к эвольвентным с прямым зубом. Напряжения, как и для прямых зубьев, можно определить, рассматривая нормальное сечениекосых зубьев (рис. 4.20).

В нормальном сеченииполучаем эллипс с полуосями а и b:

Используя известное из геометрии выражение, определяем радиус окружности эллипса в точке контакта Р с сопрягаемым колесом:

Делительный диаметр эквивалентного зубчатого колеса

Принимаяполучаем формулу . Подставив в нее , определяем количество зубьев у эквивалентного колеса

Расчеты косозубых колес на прочность производят для эквивалентных цилиндрических прямозубых колес с диаметром делительной окружностии числом зубьев .

Изготовление зубчатых колес. Существует два метода нарезания зубьев: копирование и обкатка.

Метод копирования заключается в прорезании впадин между зубьями модульными фрезами дисковыми (рис. 4.21а) или пальцевыми (рис. 4.21, б). После прорезания каждой

Рис. 4.20

Рис. 4.21

впадины заготовку поворачивают на шаг зацепления. Профиль впадины представляет собой копию профиля режущих кромок фрезы. Для нарезания зубчатых колес с разным числом зубьев необходим разный инструмент. Метод копирования малопроизводительный и менее точный, чем при обкатке.

При шлифовании фрезу заменяют шлифовальным кругом соответствующего профиля.

Метод обкатки основан на воспроизведении зацепления зубчатой пары, одним из элементов которой является режущий инструмент – червячная фреза (рис. 4.22, а ), долбяк (рис. 4.22, б ) или реечная гребенка (рис. 4.22, в ). При нарезании зуборезной гребенкой заготовка вращается вокруг своей оси, а инструментальная рейка 1 совершает возвратно-поступательное движение параллельно оси заготовки 2 и поступательное движение параллельно касательной к ободу заготовки. Гребенками нарезают прямозубые и косозубые колеса с большим модулем зацепления. При нарезании червячной фрезой, имеющей в осевом сечении форму инструментальной рейки, заготовка и фреза вращаются вокруг своих осей, обеспечивая непрерывность процесса. Долбяк имеет форму шестерни с режущей кромкой. Он совершает возвратно-поступательное движение вдоль оси заготовки и вращается вместе с заготовкой. Для нарезания цилиндрических колес

Рис. 4.22

с внешним расположением зубьев используют фрезу и гребенку, для нарезания колес с внутренним и внешним расположением зубьев – долбяки.

Материалы зубчатых колес. Если механическая обработка производится после термической, то твердость зубчатых колес должна быть НВ 350. Такой материал применяется в мелкомодульных передачах и в передачах с модулем т< 2. Для уменьшения размеров зубчатых колес (обычно при т> 2) необходимо упрочнить рабочую поверхность зуба, что увеличивает допускаемые контактные напряжения. Объемная закалка используется для среднеуглеродистых сталей (например, 40Х, 40ХН и др.) до твердости HRCa > 45÷55. Такая закалка делает сердцевину менее пластичной, что способствует поломке зубьев. У современных зубчатых колес сохраняют вязкую сердцевину, а упрочняют лишь рабочую поверхность зуба термическими (поверхностная закалка ТВЧ), химико-термическими методами (цементация и азотирование), методом физического воздействия высоких энергий (лазерная закалка, ионное азотирование) и др. При цементировании сталей 12ХНЗА, 18Х2НМА, 15ХФ твердость поверхности 56–62 HRC3; при азотировании сталей 38Х2Ю, 38Χ2ΜΙΟΛ – 50–55 HRC3; при ионном азотировании – 80–90 HRCэ; при лазерном упрочнении – 56–60 HRCэ; при поверхностном упрочнении рабочей поверхности зуба масса редуктора снижается в 1,5–2 раза и соответственно уменьшаются его габаритные размеры.

Точность зубчатой передачи. В стандарте предусмотрены степени точности зубчатых передач 1–12 (от более точной к наименее точной). Наибольшее распространение имеют следующие точности: 6 – повышенная точность (до v = 20 м/с); 7 – нормальная точность (до v = 12 м/с); 8 – пониженная точность (до v = 6 м/с); 9 – грубая точность (до v = 3 м/с). Значения наибольших допустимых скоростей v приведены для прямозубых передач, а для косозубых их необходимо увеличить примерно в 1,5 раза. Степень точности назначается с учетом условий работы передачи и предъявляемых к ней требованиям.

Степень точности характеризуется следующими основными показателями:

• нормой кинематической точности колеса, устанавливающей величину полной погрешности угла поворота зубчатых колес за один оборот. Она является важным показателем для высокоточных делительных механизмов;
• нормой плавности работы колеса, определяющей величину составляющих полной погрешности угла поворота зубчатого колеса, многократно повторяющихся за один оборот передачи. Она связана с неточностью изготовления по шагу π профилю и вызывает дополнительные динамические нагрузки в зацеплении;
• нормой контакта, характеризующей полноту прилегания боковых поверхностей сопряженных зубьев. Она оценивается следом на рабочей поверхности зуба после контакта с вращающимся колесом, зубья которого смазаны краской (рис. 4.23).

Степень точности должна соответствовать окружной скорости в зацеплении: чем она выше, тем выше должна быть точность передачи. В зависимости от степени точности и размеров на отдельные элементы зацепления и передачи установлены допуски.

Боковой зазор между зубьями(рис. 4.24, где – допуск; – минимальный и максимальный боковые зазоры) должен обеспечивать свободное вращение колес и устранить заклинивание. Он определяется видом сопряжения колес от Л до Н. Наибольший зазор у А, а наименьший у Н. Для передач с модулем т> 1 установлены виды сопряжений А, В, С, D, E, Н. Обычно используется сопряжение В, а у реверсивных передач С. Для мелкомодульных передач (т < 1) виды сопряжений D, E, F, G, H. Чаще используют Е, а в реверсивных передачах F. Допускается применять раз-

Рис. 4.23

Рис. 4.24

личные степени точности но отдельным показателям, например при т ≥ 1 7-6-7-В (7 – норма кинематической точности, 6 – норма плавности, 7 – норма контакта), а при одинаковой точности по всем показателям (7-7-7-В) записывают 7-В.

Виды разрушений зуба. При работе цилиндрических зубчатых передач возможны различные повреждения зубьев колес: механическое и молекулярно-механическое изнашивание, а также поломка зубьев.

Механическое изнашивание. Оно включает:

• выкрашивание рабочих поверхностей (рис. 4.25, а). Это наиболее частая причина выхода из стоя зубчатых передач, работающих со смазкой. Разрушения носят усталостный характер. Трещины развиваются до выкрашивания в основном на ножке зубьев в местах неровностей, оставшихся после окончательной обработки. В процессе работы от нагружения зуба число ямок растет и их размеры увеличиваются. Профиль зуба искажается, поверхность становится неровной, возрастают динамические нагрузки. Процесс выкрашивания усиливается, и рабочая поверхность на ножке зуба разрушается. Опасно прогрессивное выкрашивание – трещины от ямок могут распространяться и поражать всю поверхность ножек. Если смазочный материал отсутствует или его количество незначительно, выкрашивание наблюдается редко, так как образовавшиеся повреждения сглаживаются. Сопротивление выкрашиванию увеличивается с увеличением твердости поверхности зубьев, чистоты обработки и правильным подбором смазочного материала;
• износ, зубьев (рис. 4.25, 6) – изнашивание рабочих поверхностей зубьев, которое возрастает с увеличением контактных напряжений и удельного скольжения. Износ искажает эвольвентный профиль, возрастают динамические

Рис. 4.25

нагрузки. Так как наибольшее скольжение происходит в начальных и конечных точках контакта зубьев, то наибольший износ наблюдается на ножках и головках зубьев. Износ сильно увеличивается из-за неровностей на рабочих поверхностях зуба, после обработки, а так же при загрязнении зубчатой передачи абразивными частицами (абразивный износ). Он наблюдается при работе у открытых механизмов. Если неровности меньше толщины масляной пленки, износ уменьшается, а при недостаточной смазке увеличивается. Его можно понизить уменьшением контактных напряжений σΗ, увеличением износостойкости поверхности зубьев (повысить твердость рабочих поверхностей зубьев, правильно выбрать смазочный материал).

Молекулярно-механическое изнашивание. Такое изнашивание проявляется как заедание (рис. 4.25, в) при действии высоких давлений в зоне, где нет масляной пленки. Сопряженные поверхности зубьев сцепляются друг с другом настолько сильно, что частицы поверхности более мягкого зуба привариваются к поверхности зуба другого колеса. Образовавшиеся наросты на зубьях наносят на рабочие поверхности других зубьев борозды. Заедание особенно интенсивно в вакууме или когда рабочие поверхности зуба подвергаются высокому давлению. Заедание предупреждают повышением твердости и снижением шероховатости поверхностей, правильным подбором противозадирных масел.

Для предотвращения выкрашивания рабочих поверхностей зубьев нужно проводить расчет передачи на контактную прочность.

Поломка зубьев. Это наиболее опасный вид повреждения. Она носит усталостный характер и обычно отсутствует у зубчатых колес редукторов, когда их рабочие поверхности не упрочнены. Излом зубьев является следствием возникающих в них повторно-переменных напряжений от изгиба при перегрузках. Усталостные трещины образуются у основания зуба на той стороне, где от изгиба возникают наибольшие напряжения растяжения. Излом происходит в сечении у основания зуба.

Поломку предупреждают расчетом на прочность по напряжениям изгиба.

Силы в зацеплении цилиндрических передач. Приложенную к зубу косозубого колеса силу F можно разложить на три составляющие F t, F r, F a (рис. 4.26):

где– окружная сила (Г – расчетный вращающий момент на колесе);– радиальная сила; осевая сила;– углы зацепления в торцевом и нормальном сечениях.

У прямозубого колеса отсутствует осевая сила, т.е.

Расчетные силы в зацеплении. При передаче нагрузки в зацеплении возникают, кроме статической, дополнительная динамическая составляющая силы, а также имеет место неравномерность распределения нагрузки по ширине зуба и распределение нагрузки между зубьями. Все изменения в нагрузке по сравнению с исходной учитывают коэффициенты нагрузкии

Удельная, окружная и расчетная силы. В расчетах на контактную выносливость определяется по формуле

(4.17)

В расчетах на выносливость при изгибе

Рис. 4.26

– коэффициент нагрузки при изгибе;– коэффициент распределения нагрузки между зубьями;, – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки но ширине зуба;– коэффициент, учитывающий дополнительную динамическую нагрузку на зубья при изгибе.

При работе привода динамические внешние нагрузки увеличивают силы и моменты. В расчетах на прочность необходимо использовать расчетную силу Fu расчетный момент Т:

где – коэффициент динамичности внешней нагрузки; – номинальная сила и вращающий момент.

Удельные окружные динамические нагрузки действующие на зубья колес, возникают при взаимодействии зубьев в зацеплении из-за неточности изготовления по шагу и их деформации. Эти силы определяют с учетом погрешности зацепления по шагу, зависящей от степени точности по нормам плавности и модуля передачи.

Удельная окружная динамическая нагрузка для цилиндрических передач при расчете на контактную прочность

(4.21)

где – коэффициент, учитывающий твердость рабочих поверхностей и угол наклона зуба (табл. 4.6); – коэффициент, учитывающий погрешность зацепления по шагу

Таблица 4.6

Таблица 4.7

(табл. 4.7);– окружная скорость в зацеплении, м/с;– межосевое расстояние, мм; и – передаточное число зубчатой пары;– предельное значение окружной динамической силы, Н/мм (см. табл. 4.7).

В расчетах прочности зубьев на изгиб пдя цилиндрических передач

(4.22)

Величиныте же, что при проверочном расчете на контактную прочность (см. табл. 4.7), а значенияприведены в табл. 4.6.

С увеличением степени точности по нормам плавности передачи дополнительные динамические нагрузки снижаются. То же происходит при переходе от прямых зубьев к косым. При повышении твердости зубьев нагрузки можно увеличивать. Отметим, что динамическая нагрузка с увеличением скорости растет, но до определенного предела.

Коэффициенты внутренней динамической нагрузки на зубья. Для расчетов на контактную и изгибистую прочность эти коэффициенты определяются по формулам

(4.23)

где ;– окружная сила в зацеплении;– рабочая ширина зуба.

Коэффициентыучитывают распределение на

грузки между зубьями в расчетах на контактную и изгибистую прочность. Эти коэффициенты связаны с погрешностью изготовления. Для прямозубых передач; для косозубых передачзависят от точности зацепления и твердости рабочей поверхности зубьев: (табл. 4.8), так как у косозубых передач одновременно в зацеплении находится не менее двух пар зубьев. Без нагрузки у одной из пар появляется зазор, который устраняется при увеличении нагрузки за счет упругих деформаций.

Коэффициентыучитывают неравномерность распределения нагрузки по ширине зубчатых венцов, связанной с деформацией валов, опор и с погрешностью их изготовления. Прогибы валов в местах расположения колес приводят к их перекосу и неравномерному распределению нагрузки по линии контакта. Концентрация нагрузки зависит от рас-

Таблица 4.8

положения опор и твердости материала. Значения коэффициентов практически одинаковы при расчете на контактную и изгибную прочности:

гдедля прямых зубьев,для косых зубьев;– коэффициент относительной твердости контактных поверхностей, учитывающий приработку зубьев:

– коэффициент, учитывающий влияние прогиба вала, на который влияет расположение колес относительно опор: при симметричном расположении, при несимметричном>, при консольном .

Наибольший перекос при нагружении возникает у валов с консольным расположением опор, а наименьший при симметричном.

Контактные напряжения. Характер сопряжения некоторых деталей машин отличается тем, что передаваемая ими по малой поверхности нагрузка в зоне контакта вызывает высокие напряжения. Контактные напряжения характерны для зубчатых колес и подшипников качения. Контакт бывает точечным (шар на плоскости) и линейным (цилиндр на плоскости). При нагружении происходит деформация и зона контакта расширяется до области, ограниченной кругом, прямоугольником или трапецией, в которой возникают контактные напряжения. При больших контактных напряжениях, превышающих допускаемые, на контактной поверхности возможны повреждения поверхностей, которые появляются в виде вмятин, борозд, трещин. Такие повреждения могут возникнуть в зубчатых передачах и у подшипников, контактные напряжения которых изменяются во времени но прерывистому циклу. Переменные напряжения являются причиной усталостного разрушения рабочей поверхности зубьев: выкрашивания, износа, заедания. При больших контактных напряжениях статическое нагружение может вызвать пластическую деформацию и появление на поверхности вмятин.

Решение контактной задачи. Решение контактной задачи было получено Г. Герцем. При ее решении использовались следующие допущения: материалы соприкасающихся тел однородны и изотропны, площадка контакта весьма мала, действующие силы направлены нормально к поверхности контакта, нагрузки создают в зоне контакта только упругие деформации и подчиняются закону Гука. В реальных конструкциях соблюдаются не все сформулированные условия, однако экспериментальные исследования подтвердили возможность использования формулы Герца для инженерных расчетов. Рассмотрим контактные напряженияпри сжатии двух цилиндров (рис. 4.27, а). На цилиндры действует удельная нарузка

где F – нормальная сила; h – ширина цилиндров.

В зоне контакта на участке шириной 4 наибольшее контактное напряжение определяется (при V ≠ v 2) по формуле

(4.26)

где– приведенный радиус кривизны для цилиндров с радиусамии– коэффициенты Пуассона для цилиндров;– модули упругости материалов цилиндров;;– удельная окружная сила (рис. 4.28).

Рис. 4.27

Рис. 4.28

Приведенные модуль упругости и радиус

(4.27)

В формуле длязнак "+" ставится при контакте двух выпуклых поверхностей; знак "-" – для одной вогнутой, а другой выпуклой поверхности (рис. 4.27, б).

Если коэффициенты Пуассона цилиндров равны, то формулу (5.26) можно записать гак:

(4.28)

Формулу (4.28) называют формулой Герца.

Выражения (4.26) или (4.28) используются при выводе формул для контактных напряжений.

Проверочный расчет цилиндрической прямозубой передачи на контактную прочность

Расчетные контактные напряжения Для определения наибольших контактных напряжений в качестве исходной принимают формулу Герца (4.28). Подставив в выражения (4.27) значения,получим

Подставивв формулу Герца, имеем

(4.29)

(знак "+" используется при внешнем зацеплении, а "-" – при внутреннем). Здесь Z, – коэффициент, учитывающий форму сопряженных поверхностей зубьев в полюсе зацепления,

(для прямых зубьев , при , а – углы зацепления в торцевой плоскости у косозубых и прямозубых передач соответственно), значениядля косозубых передач приведены в табл. 4.9; коэффициент, учитывающий механические свойства материалов сопряженных зубчатых колес. Для стальных зубьев МПа1/2.

Таблица 4.9

Коэффициент Z учитывает суммарную длину контактных линий: для прямых зубьев , а для косых, где – коэффициент торцевого перекрытия. Он равен отношению активного участка АВ линии зацепления к окружному шагу (см. рис. 4.17, я). Он определяется количеством зубьев колес, находящихся одновременно в контакте (прив зацеплении находится одна пара, а при то одна, то две). Коэффициентεα влияет на плавность работы передачи. Для прямозубых передач он должен быть больше единицы (), иначе работа передачи может нарушиться (движение не будет передаваться). Коэффициентможно приближенно определить по формуле

(4.30)

где– число зубьев колес.

Здесь знак "+" используется для внешнего зацепления, а "-" – для внутреннего.

Для расчета косозубых передач можно принять среднее значениеI.

Предельные контактные напряжения. Кривая выносливости для предельных контактных напряжений в логарифмических координатах приведена на рис. 4.29, где – пре-

Рис. 4.29

дельные контактные напряжения за расчетную долговечность для числа циклов переменных нагружений. Кривая выносливости в пределах

(участок Л/)), где – предел контактной выносливости при базовом числе циклов нагружений , а назначается из условия отсутствия пластического течения материала или хрупкого разрушения на рабочей поверхности зуба при, описывается формулой:

(4.32)

Отметим, что , а , что связано с отнулевым циклом нагружения па поверхности зуба и с локальным действием нагрузки. Значения предельных напряжений выбирают по табл. 4.10.

Таблица 4.10

Твердость материала шестерни делают больше, чем у колеса, на 10–50 НВ. Базовое число циклов изменений напряжений для стальных колес определяется по формуле

Число циклов изменения контактных напряжений на поверхности зуба, где– время работы цикла; с – число контактов одной поверхности зуба за один оборот; п – частота вращения, об/мии;– число циклов нагружения.

При работе зуба двумя сторонами профиля у реверсивных передач в расчет принимают времяработы во время цикла одной из сторон, где нагрузка больше, так как контактные напряжения действуют лишь вблизи поверхности зуба и нагрузка одной рабочей поверхности не влияет на другую (рис. 4.30, а , где– время нагружения одной стороной зуба за один цикл;– время цикла нагружения), а при вращении в одну сторону– полное время нагружения (рис. 4.30, б). Если задан ресурс, то

При наличии реверса, а при одностороннем вращении

После определения значенийих подставляют в неравенство (4.31). Если значение функции, то следует принять, если, то. Выбираем из двух значений для шестерни σ//Пт i и колесаминимальное .

Допускаемые контактные напряжения определяют по формуле

где– запас прочности при расчете зуба на

контактную прочность. Для механизмов с высокой надежностью следует принимать бо́льшие значения

Рис. 4.30

Условие контактной прочности:

Если условие прочности не выполняется и , то при малом отклонении (менее 10%) нагрузки на зуб можно снизить, увеличивая ширину колес: , где – первичное и уточненное значения ширины зубчатого венца. При большем отклонении нужно увеличить модуль и повторить расчеты.

Проектировочный расчет цилиндрической зубчатой передачи по контактным напряжениям

Из формул для проверочного расчета по контактным напряжениям (4.29), (4.34), выразив удельную окружную силу через вращающий момент, получаем выражение для приближенного значения межосевого расстояния:

(4.35)

где – расчетный вращающий момент на шестерне, Н ∙ мм. В формуле знак "+" – для внешнего зацепления, знак "-" – для внутреннего.

Выбор метода обработки зубчатых колес находится в непосредственной зависимости от установленной нормы точности различных их элементов, а также от основных требований к передачам в процессе их эксплуатации. С этой точки зрения зубчатые передачи можно разбить на следующие группы:

• силовые передачи больших мощностей и высоких скоростей; основное требование - обеспечение высоких КПД;
• силовые промышленные и транспортные передачи при средних скоростях; требования - надежность и плавный ход;
• силовые передачи в станкостроении; требования - постоянство передаточного отношения и плавность хода;
• передачи в автомобилестроении; требования - плавность и легкость хода, отсутствие шума;
• кинематические передачи в точных приборах; требования - обеспечение постоянства передаточных отношений, отсутствие мертвого хода.

Установленные ГОСТом степени точности учитывают эти условия, допуская высокие технические показатели в одном направлении и низкие в другом.

Зубчатые колеса обрабатывают на разнообразных зубообрабатывающих станках. Зубья на колесах нарезают двумя способами : копированием (рис. 206, α, б) и обкаткой (огибанием; рис. 206, в). При копировании режущему инструменту придают форму впадины между зубьями, а затем производят обработку. При этом профиль инструмента копируется на обрабатываемой поверхности.

Зубонарезание способом копирования можно выполнять: последовательным нарезанием каждого зуба колеса модульной дисковой или пальцевой фрезой на универсальном фрезерном станке; одновременным долблением всех зубьев колеса; одновременным протягиванием всех зубьев колеса; круговым протягиванием. Способ копирования применяется главным образом при изготовлении зубчатых колес невысокой точности.

Современным, точным и производительным способом изготовления зубчатых колес является нарезание зубьев по способу обкатки червячной фрезой, круглым долбя ком, реечным долбяком (гребенкой), зубострогальными резцами, резцовой головкой, накатыванием зубчатыми валками.

Способ обкатки заключается в том, что зубья на зубчатом колесе образуются при совместном согласованном вращении (обкатке) режущего инструмента и заготовки. Так, при зубофрезеровании прямолинейные боковые режущие кромки зубьев червячной фрезы, имеющие в осевом сечении трапецеидальную форму, поочередно касаются нарезаемого зуба (рис. 207). Рассматривая последовательные положения зубьев фрезы (1, 2, 3 и т.д.), видим, что профиль впадины получается постепенно и состоит из множества прямолинейных участков, образованных зубьями фрезы. Эти прямолинейные участки накладываются один на другой и практически образуют не ломаный, а криволинейный (эвольвентный) профиль зуба.

Зубчатые колеса 3…8-й степеней точности нарезают методом обкатки. Сырые колеса 3…5-й степеней точности далее подвергают тщательной обработке шевингованием, шлифованием и последующей отделке на притирочных станках, после чего их закаливают токами высокой частоты (ТВЧ), исключающими деформацию поверхности. Зубчатые колеса, изготовленные по 6…8-й степеням точности, обычно подвергают закалке в закалочных печах, дающих значительное искажение формы . Затем для сохранения формы у колес с б-й и 7-й степенями точности шлифуют боковые профили зубьев с базированием по отверстию, а у колес с 8-й степенью точности шлифуют отверстие с базированием по впадине зуба. Зубчатые колеса, изготовляемые по 8…10-й степеням точности, нарезают в мелкосерийном производстве на фрезерных станках в делительной головке, причем для колес, изготовляемых с 8-й степенью точности, фрезы тщательно-профилируют по форме зубьев колеса.

Зубчатые колеса с 10-й и 11-й степенями точности могут быть получены точной отливкой с последующей обработкой зубьев по шаблону.

Фрезерование зубьев цилиндрических колес и реек дисковыми и пальцевыми модульными фрезами . Фрезерование зубьев колес представляет собой разновидность фасонного фрезерования. В процессе работы фреза переносит (копирует) свой профиль во впадину зубьев, создавая, таким образом, две половины профилей двух соседних зубьев. После нарезания одной впадины заготовка поворачивается на размер шага с помощью делительного механизма, фреза снова врезается и проходит по новой впадине между зубьями.

Такой способ применяют в единичном и мелкосерийном производстве, а также при ремонтных работах. Процесс ведут на горизонтально-фрезерных станках с делительными головками. Недостатками этого способа являются:

1. Низкая точность обработки зуба, так как дисковые модульные фрезы изготовляют с приближенными профилями зубьев, причем каждый типоразмер фрезы рассчитан на несколько смежных чисел зубьев нарезаемых колес в определенном интервале.

Обычно для каждого модуля изготовляют наборы дисковых фрез, охватывающие все числа зубьев и диаметры нарезаемых колес. По стандарту имеется три набора из 8, 15 и 26 дисковых фрез, которыми с небольшой погрешностью, укладывающейся в пределы допуска, можно нарезать зубчатые колеса с разным числом зубьев. Для более точных работ применяют набор из 15 дисковых фрез, а для самых точных - из 26 дисковых фрез. Таким образом, при этом способе нарезания получается лишь приближенный профиль зубьев на нарезаемом колесе.

1. Низкая производительность и высокая себестоимость обработки (большое машинное и вспомогательное время). Низкая производительность определяется прерывностью процесса обработки, вызывающей потери времени на врезание фрезы при изготовлении каждого очередного зуба, на индексирование (поворот) заготовки, на подвод заготовки к фрезе, а также относительно малым числом зубьев фрезы, работающих одновременно.

Для нарезания зубчатых колес крупных модулей (больше 20 мм) способом копирования, особенно шевронных колес*, применяют модульные пальцевые фрезы, так как дисковые фрезы подрезают зуб встречного наклона. На зубчатых рейках зубья нарезают с помощью дисковых модульных фрез, на длинных рейках - на станках специального назначения, имеющих механизм деления для продольного движения рейки. Фрезеруют одной или двумя (и даже тремя) установленными рядом фрезами . При нескольких одновременно работающих фрезах одна (или соответственно две) из набора дисковых фрез служит для предварительной прорезки, а другая - для окончательного профилирования зубьев.

* Указанный способ обработки шевронных колес применяют главным, образом в единичном производстве; более производительным методом является образование зуба тремя резцами на специальном зубострогальном станке, долбяком по методу обкатки двух цилиндрических колес и методом обкатки зубчатой пары рейка - зубчатое колесо.

В современном машиностроении применяют зубодолбежные станки , производительность которых значительно выше, чем при нарезании зубьев на фрезерных станках. Высокая производительность достигается тем, что в работе одновременно участвует столько резцов (долбяков), сколько нужно нарезать зубьев на заготовке, причем резцы имеют форму впадин зубчатого колеса. Многорезцовую обработку ведут по схеме, приведенной на рис. 208. Резцы 1 расположены радикально по отношению к заготовке 2. Процесс резания совершается при возвратно-поступательном вертикальном движении заготовки 2. Радиальная одновременная подача резцов 1 происходит в нижнем положении заготовки 2, когда заготовка выходит из зацепления с резцами.

Фрезерование зубьев цилиндрических колес червячными фрезами наиболее широко применяется в промышленности. Червячная фреза представляет собой червяк, имеющий профиль осевого сечения винтовых ниток в виде зубчатой рейки, и продольные канавки, образующие режущие зубья рейки (см. рис. 206, в).

Зубчатая рейка обеспечивает зацепление с эвольвентными колесами любого числа зубьев, и червячная фреза может нарезать колеса с любым числом зубьев (того же модуля и угла зацепления) одинаково точно. В этом заключается одно из больших преимуществ нарезания зубьев колес червячной фрезой.

В процессе нарезания червячная фреза и нарезаемое колесо находятся в состоянии относительного движения зацепления, соответствующего червячной передаче с передаточным числом:

i = n ф /n 3 = z 3 /z ф,

где n ф и n 3 - частоты оборотов фрезы и зубчатого колеса; z ф и z 3 - число заходов червячной фрезы и число зубьев нарезаемого зубчатого колеса.

При резании червячная фреза вращается и движется поступательно в соответствии с вращением нарезаемого зубчатого колеса (рис. 209). Ось червячной фрезы 1 устанавливается под углом к плоскости торца нарезаемого колеса 2, равным углу подъема нитки фрезы на ее делительном цилиндре. Червячная фреза кроме вращения имеет еще и поступательное движение подачи вдоль образующей боковой цилиндрической поверхности нарезаемого колеса. Процесс резания при этом происходит непрерывно и в нем участвует одновременно несколько режущих зубьев, благодаря чему этот способ нарезания зубьев является одним из наиболее производительных.

Червячную фрезу устанавливают или на полную высоту зуба (т. е. глубину резания) при нарезании зубьев за один рабочий ход, или при нарезании зубьев с модулем более 8 мм за два рабочих хода - на 0,6 высоты зуба при первом и на 0,4 при втором рабочем ходе. Для чистового рабочего хода оставляется припуск от 0,5 до 1 мм на толщину зуба по начальной окружности (для размеров модуля 8…15 мм). Обычными червячными фрезами нарезают зубья как с нормальным, так и с корригированным профилем. В последнем случае фрезу соответственно условиям корригирования смещают при установке, приближая ее к заготовке или удаляя от нее.

Зубофрезерование можно производить при продольной (рис. 210, α), осевой (рис. 210, б) и диагональной (рис. 210, е) подачах. При продольной подаче червячная фреза перемещается вдоль оси обрабатываемой детали, при осевой - вдоль собственной оси. Диагональная подача - это сочетание вертикальной подачи вдоль обрабатываемой детали и осевой подачи фрезы вдоль своей оси. При диагональной подаче выше стойкость инструмента и качество поверхности рабочего профиля зубьев колес.

На зубофрезерных станках можно производить нарезание зубьев попутным (рис. 211, α) или встречным (рис. 211, б) фрезерованием; при этом попутное фрезерование эффективнее, так как оно обеспечивает более благоприятные условия стружкообразования, меньшие колебания сил резания, меньшие вибрации при резании, что повышает стойкость инструмента и качество обработанной поверхности.

Значительная часть времени зубофрезерования расходуется на врезание, особенно при применении червячных фрез большого диаметра, так как с увеличением диаметра фрезы возрастает длина врезания. Для прямозубых колес средних модулей время врезания составляет 30…40% машинного времени. При осевом врезании подачу обычно несколько понижают по сравнению с последующей подачей при резании. Трудоемкость врезания можно уменьшить примерно на 30% заменой осевого врезания (рис. 212, б) радиальным (рис. 212, α), сохраняя последующую продольную подачу; в этих условиях станок и инструмент в течение всего процесса обработки загружаются более равномерно

Червячными фрезами нарезают как прямые, так и косые зубья цилиндрических колес. В последнем случае ось фрезы устанавливают под углом к торцу нарезаемого колеса, равным сумме углов подъема винтовой нитки фрезы и винтовой нитки (угла наклона зуба) нарезаемого колеса (при разных направлениях винтовых линий фрезы и колеса) и разности этих углов, если направления винтовых линий фрезы и нарезаемого колеса одинаковы.

Наиболее распространенным зубообрабатывающим станком является зубофрезерный станок для нарезания зубчатых колес с прямыми и косыми зубьями, а также червячных колес и червяков методом обкатки. Станок выполняет три движения: вращения червячной фрезы, вертикальную подачу фрезы, вращение заготовки.

На рис. 213 дан общий вид зубофрезерного станка. На станине 1 коробчатой формы установлены кронштейн 2, стол 11 и опорная стойка 8. Главный привод 3, смонтированный на кронштейне 2, приводит в движение все механизмы станка.

Для ускоренного перемещения суппорта 5 на торце кронштейна 2 расположен дополнительный привод 4. Червячная фреза 6 установлена в суппорте, перемещаемом по направляющим кронштейна. Круглый стол станка с оправкой 10, на которой закрепляют заготовку колеса 9, может перемещаться по горизонтальным направляющим станины в поперечном направлении с помощью специального механизма. Верхний конец оправки поддерживается опорой 7.

Нарезание зубьев цилиндрических колес долбяком . Способ нарезания цилиндрического зубчатого колеса методом обкатки с помощью круглого долбя ха заключается в том, что в процессе обработки колеса воспроизводится зубчатое зацепление двух цилиндрических колес, одно из которых является режущим инструментом, а другое - заготовкой. Для обработки колеса необходимо (рис. 214), чтобы одно из колес 1 или 2 зубчатой пары (на практике - долбяк 1) совершало при обкатке возвратно-поступательное движение, в результате чего на заготовке образуются зубья.

Долбяк представляет собой зубчатое колесо, на торце которого заточкой образованы режущие кромки. Долбяк с прямыми зубьями, изображенный на рис. 215, а, предназначен для нарезания колес с прямыми зубьями, а дисковый косозубый долбяк (рис. 215, б) -для нарезания зубчатых колес с косыми зубьями.

На рис. 216 показан общий вид зубодолбежного станка. На станине 1 установлен стол 8 с оправкой 7 для закрепления заготовки 6. В верхней части станины расположена траверса 5, предназначенная для перемещения в горизонтальном направлении (при изменении диаметра нарезаемого колеса) долбежной головки 4 с оправкой 2. Движение всех механизмов станка осуществляется от главного привода 3, расположенного в верхней части траверсы. На конце оправки закреплен дол-бяк 9, который совершает возвратно-поступательное движение с одновременным вращением вокруг своей вертикальной оси согласованно с вращением заготовки. В период врезания долбяка в заготовку горизонтально перемещается долбежная головка.

При нарезании зубьев с помощью реечного долбяка (гребенки) воспроизводится зубчатое зацепление цилиндрического колеса с рейкой. При этом зубья можно нарезать двумя способами: обкаткой зубчатого колеса по гребенке (колесо совершает вращательное и поступательное движения при неподвижной гребенке) или гребенки по зубчатому колесу (колесо совершает вращательное движение, а гребенка - поступательное). Более распространен первый способ.

Зубонарезание прямозубых конических колес. Для обработки конических зубчатых колес применяют зубострогальные станки, работающие по методу обкатки одновременно двумя резцами.

На рис. 217 приведен общий вид зубострогального станка. В нижней части станины 9 расположен электродвигатель 11, приводящий в движение рабочие органы станка. На плоской части станины размещены основные узлы станка: люлька 5 для крепления заготовки 4 и суппорт 1, на котором размещены резцовые салазки 2, совершающие возвратно-поступательные движения в радиальном направлении к центру заготовки, а суппорт 1 приводит в движение резцы и совершает движение обкатывания, вращаясь вокруг своего центра. Люльку 5 с заготовкой устанавливают под заданным углом на направляющих 8. Заготовка с помощью зубчатой передачи 6 совершает в период обкатки вращательное движение, а при отводе резцов 3 механизм 7 выполняет операцию деления. Салазки 10 подводят заготовку к резцам и отводят от них.

На рис. 218 приведена схема перемещения резцов в процессе зубострогания. Заготовка 1 обкатывается по плоскому зубчатому колесу 2 (суппорт), на котором размещены резцовые салазки с резцами 3, в свою очередь вращающимися вместе с колесом. В правой части рисунка показаны направления движения резцовой головки относительно вращающейся заготовки.

При обработке небольших прямозубых конических колес применяют круговое протягивание на специальных станках, где режущим инструментом является круговая протяжка. Круговая протяжка состоит из нескольких секций фасонных резцов (обычно 15 секций по пяти резцов в каждой), расположенных в порядке изменения профиля по периферии протяжки. На рис. 219 показаны черновые резцы 1, чистовые резцы 2 и зона 3 поворота заготовки на один зуб. Профиль и расположение вершин резцов изменяются по определенному закону.

Круговая протяжка, вращаясь с постоянной угловой скоростью, одновременно перемещается поступательно с различной скоростью на отдельных участках своего пути. Угловая скорость и характер поступательного движения круговой протяжки зависят от профиля копира станка, подбираемого применительно к обрабатываемому зубчатому колесу 4. Таким образом, траектория рабочего движения каждого фасонного резца является совокупностью скоростей вращательного и поступательного движений протяжки.

При черновом протягивании круговая протяжка движется от вершины начального конуса зубчатого колеса к его основанию, а при чистовом - от основания к вершине.

За один, оборот протяжки полностью обрабатывается одна, впадина зуба конического зубчатого колеса. Во время протягивания заготовка неподвижна; для обработки следующей впадины заготовку поворачивают на один зуб вокруг своей оси при подходе свободного от резцов сектора круговой протяжки.

Нарезание конических зубчатых колес с криволинейными зубьями . Конические колеса с криволинейными зубьями обладают более высоким КПД, обеспечивают плавность и бесшумность работы передачи. Наиболее распространенным способом получения криволинейных профилей зубьев конических колес является нарезание зубьев резцовыми головками. Станки для нарезания зубчатых колес этим способом весьма производительны и обеспечивают высокое качество изготовления колес.

На рис. 220 приведена схема формообразования конических колес с криволинейными зубьями (с профилем по дуге окружности). Резцовая головка 1, представляющая собой режущую часть производящего колеса 2, обкатываясь по поверхности конической заготовки 3, образует на последней криволинейные зубья, осевая линия которых представляет собой дугу окружности.

Резцовая головка (рис. 221) представляет собой диск со вставленными по его периферии резцами, обрабатывающими профиль впадины с двух сторон (половина резцов обрабатывает одну сторону, половина - другую). В корпусе 6 головки прорезаны пазы, в которые вставлены наружные 2 и внутренние 1 резцы, прикрепленные к корпусу винтами 5 и регулируемые винтами 3 с помощью клиньев 7 и прокладок 4.

В табл. 18 и 19 приведены технологические варианты нарезания зубьев цилиндрических и конических колес, применяемых на заводах крупносерийного и массового производства.