Абразивні та алмазні круги для шліфування високоточних зубчастих коліс

Для підвищення точності і надійності виготовлення зубчастих коліс останнім часом знаходить широке застосування фінішне шліфування профілів зубів, з використанням нових типів абразивних і алмазних кіл. Зубошліфування поширюється в різних галузях машинобудування при обробці коліс різних типів [1]. Рекомендації по вибору режимів обробки не охоплюють всі схеми зубошліфування і не враховують всього різноманіття факторів, властивих процесу шліфування бічних поверхонь зубів [2].

При сучасному розвитку технології можливе створення конструкцій абразивних інструментів з властивостями, необхідними для забезпечення обробки деталей з найбільшою ефективністю при заданих вимогах до якості і точності розмірів і розташування оброблюваних поверхонь. При розробці нових конструкцій абразивних інструментів важлива роль (поряд з вибором належних абразивних матеріалів і зв'язки) належить взаємним зв'язкам і співвідношенням між окремими елементами структури.

До абразивних матеріалів відносяться такі штучні матеріали: Карбід бору - абразивний матеріал сірувато-чорного кольору, що містить до 93% чистого карбіду бору. По твердості (по Моосу 9,32) поступається лише алмазу і КНБ. Карбід кремнію - абразивний матеріал чорного або зеленого кольору. Твердість по Моосу 9,1. Електрокорунд - абразивний матеріал, що складається з корунду і невеликої кількості домішок. Промисловість виробляє різні види електрокорунду: нормальний, білий, хромовий, титанистий, цирконієвий, монокорунд і різні суміші корундів. Останнім часом з'явилася особлива різновид монокорунду - золь-гелівая електрокорунд. Особливістю даного електрокорунду є мікро-сколювання зерен в процесі шліфування, що наближає його за якістю до зерен КНБ.

Матеріали надтверді - синтетичний алмаз і кубічний нітрид бору (КНБ). Алмаз є кристалічну модифікацію вуглецю. Кристалічна решітка алмаза кубічна. Алмаз найтвердіший абразивний матеріал. Кубічний нітрид бору (КНБ) - штучний матеріал, що не зустрічається в природі. Він синтезується з нітриду бору. При синтезі утворюється кристалічна решітка схоже не грати алмазу. По твердості КНБ поступається лише алмазу. Перевагою КНБ перед алмазом як інструментальним матеріалом є його висока теплостійкість і дифузійна стійкість.

В Європі існує велика кількість виробників абразивних кіл. Серед них виділяється невелика фірма з Чехії «BEST-BUSINESS as». Створена в 1950 році, як Моравський філія, Чеського абразивного комбінату «Карборундум Електрик» і названа «Моравіткарбо», швидко завоювала ринок в області абразивних кіл на керамічних зв'язках. Пройшовши довгий шлях від державного підприємства, в 1995 році фірма стала приватною і отримала нову назву «BEST-BUSINESS as». За цей час номенклатура кіл розширилася і сьогодні це відомий виробник абразивних матеріалів та інструменту в Європі. [3]. Останнім часом фірма «BEST-BUSINESS as» стала одним з лідерів у виробництві абразивних кіл для зубошліфування, як тарілчастими колами на верстатах «MAAG», конічними колами на верстатах «Gleason» і «Niles» і черв'ячними колами на верстатах «Reishauer».

Шліфування високоточних зубчастих коліс проводиться за методом Обкатился на зубошліфувальних верстатах, що працюють двома абразивними кругами (верстати типу «MAAG») (рис.1). Зубошліфування двома тарілчастими колами дозволяє отримувати зубчасті колеса 4-5-го ступеня точності з шорсткістю поверхні Ra = 1,0-0,3 мкм [4].

Істотними недоліками шліфування тарілчастими колами є низька продуктивність і висока вартість технологічного оснащення. Підвищення продуктивності зубошліфування при збереженні досить високої точності - основний шлях вдосконалення цього методу. У зв'язку з цим були створені кола для зубошліфування з надтвердих матеріалів [5].

Метою наших досліджень було вивчення працездатності і зносу тарілчастих кіл і розробка на їх основі технології фінішного шліфування зубчастих коліс.

Лабораторні дослідження здійснювали на спеціальному стенді, створеному на базі Зубошліфувальні верстата моделі 5891 [6].

Основні фізико-механічні властивості абразивних матеріалів. Табл. 1

абразивний матеріал

Мікротвердість кгс / мм

щільність
г / см³

абразивна здатність

Насипна
маса, г / см³

Теплотривкість, С

карбід бору

4000-4500

2,5

0,5

1,04

700-800

Карбід кремнію зелений

3300-3600

3,2

0,45

1,48

1300-1400

Карбід кремнію чорний

3300-3600

3,2

0,40

1,48

1300-1400

електрокорунд

нормальний

1900-2000

3,9

0,145

1,76

1700-1800

білий

2000-2100

3,95

0,156

1,73

1700-1800

хромовий

2000-2200

3,95

0,101

1,77

1700-1800

титанистий

2200-2300

3,95

0,112

1,70

1700-1800

Цірконістий

2300-2400

4,10

1,90

1900-2000

монокорунд

2300-2400

3,97

0,150

1,99

1700-1800

алмаз

10000

3,49-3,54

800

кубічний
нітрид бору

9250

3,44-3,49

1400

Дослідження працездатності тарілчастих кіл типу 12А2-20 ° 225х3х3х40 з кубічного нітриду бору (КНБ) марки КР зернистістю 125/100 на органічної (В2-08), керамічної (С10) і металевої (М2-09) зв'язках виробляли при шліфуванні зубчастих коліс зі сталі ХВГ (59-61 HRC) модулем m = 6 мм, числом зубів z = 21 зуб, шириною вінця В = 20 мм. Їх працездатність порівнювали з колами з білого електрокорунду марки 24А 16 см2 6К5, найбільш використовуваними в промисловості при шліфуванні високоточних зубчастих коліс із залізовуглецевих сплавів.

Працездатність тарілчастих кіл оцінювали наступними показниками: потужністю шліфування (N), шорсткістю обробленої поверхні (R а), точністю евольвентного профілю зуба (ff), величиною знімання оброблюваного матеріалу і зносом кола.

Порівняння працездатності шліфувальних кругів з електрокорунду і КНБ з охолодженням і без нього від глибини різання і часу Обкатился показало, що охолодження знижує потужність шліфування при використанні кіл з КНБ в 1,5-2 рази. При використанні кіл з електрокорунду охолодження зменшує потужність шліфування на 20-50%. На всіх досліджуваних режимах обробки потужність шліфування при використанні кіл з КНБ менше, ніж при використанні кіл з електрокорунду на 20-30%. Причому ця різниця має тенденцію до збільшення при використанні охолодження і підвищення глибини різання. Процес шліфування кругами з електрокорунду супроводжувався інтенсивним зносом кола і втратою їх ріжучої здатності, що викликало необхідність виправлення кола через кожні 3-5 зубів. Правку кругів з КНБ здійснювали після повного обороту колеса. Зміни шорсткості поверхні зубчастих коліс показують, що більш висока шорсткість поверхні при шліфуванні зубчастих коліс колами з КНБ пояснюється великими розмірами зерен кубічного нітриду бору. На всіх досліджуваних режимах обробки характерно збільшення шорсткості поверхні при зменшенні часу Обкатился зубчастого колеса. Причому при роботі без охолодження шорсткість поверхні збільшувалася більше, ніж при роботі з охолодженням. Глибина різання на всіх досліджуваних діапазонах не чинила суттєвого впливу на шорсткість поверхні, хоча тенденція до зростання шорсткості поверхні спостерігалася, причому для кіл з електрокорунду це було більш характерне.

Працездатність тарілчастих кіл з КНБ на керамічних, металевих і органічних зв'язках виробляли при інтенсивному охолодженні зони шліфування. Попередні випробування показали, що при роботі без охолодження на поверхні зубчастого колеса утворюються «прижоги», а шліфувальні круги швидко втрачають ріжучу здатність. Аналіз результатів показав, що потужність шліфування кругами з КНБ на керамічній зв'язці на 30-40% вище в порівнянні з шліфуванням колами з КНБ на органічних зв'язках. При прямому і зворотному ході каретки верстата потужність шліфування практично не залежить від часу Обкатился зубчастого колеса, хоча невелике зростання потужності помітний при зменшенні часу Обкатился. Шліфування зубчастих коліс колами з КНБ на керамічній зв'язці забезпечувало високу точність (ffr = 4-5 мкм) профілю зуба в порівнянні з вихідним профілем (ffr = 8-14 мкм).

Дослідження працездатності тарілчастих кіл з КНБ на металевій зв'язці виробляли з використанням правки круга електроерозійним методом. Встановлено, що потужність шліфування кругами з КНБ на металевій зв'язці при прямому і зворотному ході каретки верстата на 15-20% вище в порівнянні з шліфуванням колами з КНБ на органічних зв'язках. Шорсткість поверхні зубчастого колеса при всіх досліджуваних режимах відповідала Ra = 0,7-0,75 мкм, при цьому її більшого значення визначалося меншим значенням часу Обкатился (τ = 3 с). Глибина різання на шорсткість не чинила суттєвого впливу.

Шліфування зубчастих коліс колами з КНБ на металевій зв'язці забезпечує високу точність евольвентного профілю зуба (f = 5-6 мкм) в порівнянні з вихідним профілем (f = 11-12 мкм). Для отримання високої точності профілю необхідне проведення 2-3 чистових проходів з подальшим виходжування. Шліфування зубчастих коліс колами з КНБ на металевих зв'язках забезпечує різницю сусідніх кроків зубчастого колеса рівним 2-4 мкм, що є показником високої точності обробки.

Вивчення зносу кіл і його вплив на похибки евольвентного профілю зубчастого колеса вироблялося при чорновому Зубошліфування (глибина t = 0,05 мм) і чистовому Зубошліфування (глибина t = 0,02 мм). Перед проведенням експериментів шліфувальний круг правили. Залежність похибки евольвенти від числа оброблених зубів за 16 проходів шліфування приведена на рис.2. Зміна потужності шліфування наведено на рис.3.

Аналіз проведених експериментів показав, що лімітуючим параметром точності обробки зубчастого колеса є розмірний знос тарельчатого кола, який практично пропорційний кількості оброблених зубів без правки. Величина зносу визначає точність оброблюваного зубчастого колеса. Зміна зносу показує, що після прискореного періоду підробітки кола протягом першого проходу величина його в подальшому стабілізується. Протягом всієї обробки потужність різання практично залишається на одному рівні. Не змінюється і фактичний знімання матеріалу, перебуваючи в межах 0,61-0,50. Ця обставина говорить про те, що в процесі шліфування зубчастих коліс тарілчастий коло з КНБ працює в режимі самозатачіванія. Змінюються тільки геометричні параметри шліфувального круга за рахунок його зносу.

Для здійснення процесу шліфування зубчастих коліс на верстатах «MAAG» в виробничих умовах був проведений вибір характеристик абразивних кіл з рубін-корунду A89, зернистістю по FEPA - F60 (по ГОСТ - 25), твердістю по ISO - H (по ГОСТ - М1), структурою 10. Після уточнення форми тарілчастих кіл, для випробувань балу рекомендована форма кола CSN Т586 розмірами 280 / 145х33 / 17 / 3х155 / 110/90 мм.

Випробування кіл проводилися на Зубошліфувальні верстаті фірми «MAAG» SD-32X при шліфуванні цементованих і загартованих зубчастих валів модуля зуба m = 5 число зубів z = 15 і модуля зуба m = 6 число зубів z = 16 кіл. Було проведено шліфування 4 зубчастих коліс одним комплектом кіл (2 штуки). Виправлення кіл вироблялося через 5 зубів. На підставі проведених випробувань отримані наступні результати: шорсткість евольвентної поверхні зуба Ra = 0,6-0,65 мкм, точність евольвентного профілю зуба f = 5-6 мкм.

Аналогічні характеристики кіл були використані при шліфуванні зубчастих коліс конічними колами з рубін-корунду діаметром 400 мм на верстатах «Niles ZSTZ-12».

Перспективним напрямком є ​​використання високопористих абразивних кіл при шліфуванні зубчастих коліс на верстатах «Niles», «Gleason», «Reishauer» і «Orkut».

Успішно використовуються високопористі абразивні круги при Зубошліфування зубчастих коліс редукторів авіаційних двигунів на верстатах «Gleason-Pfauter». Використовувані діаметри конічних кіл типу Т4 350, 300, 200 і 60 мм, зернистість кіл 60 (по FEPA), структура 12. Кола показали високу ефективність шліфування і повна відсутність шлюбу після обробки зубчастих коліс.

С.В. Рябченко
технічний директор
ДП «Бест-Бізнес».