Абразивные и алмазные круги для шлифования высокоточных зубчатых колес

07_Statya_03-02

Для повышения точности и надежности изготовления зубчатых колес в последнее время находит широкое применение финишное шлифование профилей зубьев, с использованием новых типов абразивных и алмазных кругов. Зубошлифование распространяется в различных отраслях машиностроения при обработке колес различных типов [1]. Рекомендации по выбору режимов обработки не охватывают все схемы зубошлифования и не учитывают всего многообразия факторов, присущих процессу шлифования боковых поверхностей зубьев [2].

При современном развитии технологии возможно создание конструкций абразивных инструментов со свойствами, необходимыми для обеспечения обработки деталей с наибольшей эффективностью при заданных требованиях к качеству и точности размеров и расположения обрабатываемых поверхностей. При разработке новых конструкций абразивных инструментов важная роль (наряду с выбором надлежащих абразивных материалов и связки) принадлежит взаимным связям и соотношениям между отдельными элементами структуры.

К абразивным материалам относятся следующие искусственные материалы: Карбид бора — абразивный материал серовато-черного цвета, содержащий до 93 % чистого карбида бора. По твердости (по Моосу 9,32) уступает только алмазу и КНБ. Карбид кремния — абразивный материал черного или зеленого цвета. Твердость по Моосу 9,1. Электрокорунд — абразивный материал, состоящий из корунда и небольшого количества примесей. Промышленность производит различные виды электрокорунда: нормальный, белый, хромистый, титанистый, циркониевый, монокорунд и различные смеси корундов. В последнее время появилась особая разновидность монокорунда — золь-геливый электрокорунд. Особенностью данного электрокорунда является микро-скалывание зерен в процессе шлифования, что приближает его по качеству к зернам КНБ.

Сверхтвердые материалы — синтетический алмаз и кубический нитрид бора (КНБ). Алмаз представляет собой кристаллическую модификацию углерода. Кристаллическая решетка алмаза кубическая. Алмаз самый твердый абразивный материал. Кубический нитрид бора (КНБ) — искусственный материал, не встречающийся в природе. Он синтезируется из нитрида бора. При синтезе образуется кристаллическая решетка похожая не решетку алмаза. По твердости КНБ уступает только алмазу. Преимуществом КНБ перед алмазом как инструментальным материалом является его высокая теплостойкость и диффузионная устойчивость.

В Европе существует большое количество производителей абразивных кругов. Среди них выделяется небольшая фирма из Чехии «BEST-BUSINESS a.s.». Созданная в 1950 году, как Моравский филиал, Чешского абразивного комбината «Карборундум Электрик» и названная «Моравиткарбо», быстро завоевала рынок в области абразивных кругов на керамических связках. Пройдя долгий путь от государственного предприятия, в 1995 году фирма стала частной и получила новое название «BEST-BUSINESS a.s.». За это время номенклатура выпускаемых кругов расширилась и сегодня это известный производитель абразивных материалов и инструмента в Европе. [3]. В последнее время фирма «BEST-BUSINESS a.s.» стала одним из лидеров в производстве абразивных кругов для зубошлифования, как тарельчатыми кругами на станках «MAAG», коническими кругами на станках «Gleason» и «Niles» и червячными кругами на станках «Reishauer».

Шлифование высокоточных зубчатых колес производится по методу обката на зубошлифовальных станках, работающих двумя абразивными кругами (станки типа «MAAG») (рис.1). Зубошлифование двумя тарельчатыми кругами позволяет получать зубчатые колеса 4‑5‑й степени точности с шероховатостью поверхности Ra = 1,0‑0,3 мкм [4].

Существенными недостатками шлифования тарельчатыми кругами является низкая производительность и высокая стоимость технологической оснастки. Повышение производительности зубошлифования при сохранении достаточно высокой точности — основной путь совершенствования этого метода. В связи с этим были созданы круги для зубошлифования из сверхтвердых материалов [5].

Целью наших исследований было изучение работоспособности и износа тарельчатых кругов и разработка на их основе технологии финишного шлифования зубчатых колес.

Лабораторные исследования осуществляли на специальном стенде, созданном на базе зубошлифовального станка модели 5891 [6].

Основные физико-механические свойства абразивных материалов. Табл. 1

Абразивный материал

Микротвердость кгс / мм²

Плотность
г / см³

Абразивная способность

Насыпная
масса, г / см³

Теплоустой­чивость, С

Карбид бора

4000‑4500

2,5

0,5

1,04

700‑800

Карбид кремния зеленый

3300‑3600

3,2

0,45

1,48

1300‑1400

Карбид кремния черный

3300‑3600

3,2

0,40

1,48

1300‑1400

Электрокорунд

Нормальный

1900‑2000

3,9

0,145

1,76

1700‑1800

Белый

2000‑2100

3,95

0,156

1,73

1700‑1800

Хромистый

2000‑2200

3,95

0,101

1,77

1700‑1800

Титанистый

2200‑2300

3,95

0,112

1,70

1700‑1800

Цирконистый

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

Кубический
нитрид бора

9250

3,44‑3,49

1400

 

Исследование работоспособности тарельчатых кругов типа 12А2‑20° 225х3х3х40 из кубического нитрида бора (КНБ) марки КР зернистостью 125 / 100 на органической (В2-08), керамической (С10) и металлической (М2-09) связках производили при шлифовании зубчатых колес из стали ХВГ (59‑61 HRC) модулем m = 6 мм, числом зубьев z = 21 зуб, шириной венца В = 20 мм. Их работоспособность сравнивали с кругами из белого электрокорунда марки 24А 16 СМ2 6К5, наиболее используемыми в промышленности при шлифовании высокоточных зубчатых колес из железоуглеродистых сплавов.

Работоспособность тарельчатых кругов оценивали следующими показателями: мощностью шлифования (N), шероховатостью обработанной поверхности (Rа), точностью эвольвентного профиля зуба (ff), величиной съема обрабатываемого материала и износом круга.

07_Statya_03

Сравнение работоспособности шлифовальных кругов из электрокорунда и КНБ с охлаждением и без него от глубины резания и времени обката показало, что охлаждение снижает мощность шлифования при использовании кругов из КНБ в 1,5‑2 раза. При использовании кругов из электрокорунда охлаждение уменьшает мощность шлифования на 20‑50 %. На всех исследуемых режимах обработки мощность шлифования при использовании кругов из КНБ меньше, чем при использовании кругов из электрокорунда на 20‑30 %. Причем эта разница имеет тенденцию к увеличению при использовании охлаждения и повышении глубины резания. Процесс шлифования кругами из электрокорунда сопровождался интенсивным износом круга и потерей их режущей способности, что вызывало необходимость правки круга через каждые 3‑5 зубьев. Правку кругов из КНБ осуществляли после полного оборота колеса. Изменения шероховатости поверхности зубчатых колес показывают, что более высокая шероховатость поверхности при шлифовании зубчатых колес кругами из КНБ объясняется большими размерами зерен кубического нитрида бора. На всех исследуемых режимах обработки характерно увеличение шероховатости поверхности при уменьшении времени обката зубчатого колеса. Причем при работе без охлаждения шероховатость поверхности увеличивалось больше, чем при работе с охлаждением. Глубина резания на всех исследуемых диапазонах не оказывала существенного влияния на шероховатость поверхности, хотя тенденция к возрастанию шероховатости поверхности наблюдалась, причем для кругов из электрокорунда это было более характерно.

Работоспособность тарельчатых кругов из КНБ на керамических, металлических и органических связках производили при интенсивном охлаждении зоны шлифования. Предварительные испытания показали, что при работе без охлаждения на поверхности зубчатого колеса образуются «прижоги», а шлифовальные круги быстро теряют режущую способность. Анализ результатов показал, что мощность шлифования кругами из КНБ на керамической связке на 30‑40 % выше по сравнению со шлифованием кругами из КНБ на органических связках. При прямом и обратном ходе каретки станка мощность шлифования практически не зависит от времени обката зубчатого колеса, хотя небольшой рост мощности заметен при уменьшении времени обката. Шлифование зубчатых колес кругами из КНБ на керамической связке обеспечивало высокую точность (ffr = 4‑5 мкм) профиля зуба по сравнению с исходным профилем (ffr = 8‑14 мкм).

07_Statya_03-01Исследование работоспособности тарельчатых кругов из КНБ на металлической связке производили с использованием правки круга электроэрозионным методом. Установлено, что мощность шлифования кругами из КНБ на металлической связке при прямом и обратном ходе каретки станка на 15‑20 % выше по сравнению со шлифованием кругами из КНБ на органических связках. Шероховатость поверхности зубчатого колеса при всех исследуемых режимах соответствовала Ra = 0,7‑0,75 мкм, при этом ее большее значение определялось меньшим значением времени обката (τ = 3 с). Глубина резания на шероховатость не оказывала существенного влияния.

Шлифование зубчатых колес кругами из КНБ на металлической связке обеспечивает высокую точность эвольвентного профиля зуба (f = 5‑6 мкм) по сравнению с исходным профилем (f = 11‑12 мкм). Для получения высокой точности профиля необходимо проведение 2‑3 чистовых проходов с последующим выхаживанием. Шлифование зубчатых колес кругами из КНБ на металлических связках обеспечивает разность соседних шагов зубчатого колеса равным 2‑4 мкм, что является показателем высокой точности обработки.

Изучение износа кругов и его влияние на погрешности эвольвентного профиля зубчатого колеса производилось при черновом зубошлифовании (глубина t = 0,05 мм) и чистовом зубошлифовании (глубина t = 0,02 мм). Перед проведением экспериментов шлифовальный круг правили. Зависимость погрешности эвольвенты от числа обработанных зубьев за 16 проходов шлифования приведена на рис.2. Изменение мощности шлифования приведено на рис.3.

Анализ проведенных экспериментов показал, что лимитирующим параметром точности обработки зубчатого колеса является размерный износ тарельчатого круга, который практически пропорционален количеству обработанных зубьев без правки. Величина износа определяет точность обрабатываемого зубчатого колеса. Изменение износа показывает, что после ускоренного периода приработки круга в течение первого прохода величина его в дальнейшем стабилизируется. В течение всей обработки мощность резания практически остается на одном уровне. Не изменяется и фактический съем материала, находясь в пределах 0,61‑0,50. Это обстоятельство говорит о том, что в процессе шлифования зубчатых колес тарельчатый круг из КНБ работает в режиме самозатачивания. Изменяются только геометрические параметры шлифовального круга за счет его износа.

Для осуществления процесса шлифования зубчатых колес на станках «MAAG» в производственных условиях был проведен выбор характеристик абразивных кругов из рубин-корунда A89, зернистостью по FEPA — F60 (по ГОСТ — 25), твердостью по ISO — H (по ГОСТ — М1), структурой 10. После уточнения формы тарельчатых кругов, для испытаний бала рекомендована форма круга CSN Т586 размерами 280 / 145х33 / 17 / 3х155 / 110 / 90 мм.

Испытания кругов проводились на зубошлифовальном станке фирмы «MAAG» SD-32X при шлифовании цементированных и закаленных зубчатых валов модуля зуба m=5 число зубьев z=15 и модуля зуба m=6 число зубьев z=16 кругов. Было проведено шлифование 4 зубчатых колес одним комплектом кругов (2 штуки). Правка кругов производилось через 5 зубьев. На основании проведенных испытаний получены следующие результаты: шероховатость эвольвентной поверхности зуба Ra = 0,6‑0,65 мкм, точность эвольвентного профиля зуба f = 5‑6 мкм.

Аналогичные характеристики кругов были использованы при шлифовании зубчатых колес коническими кругами из рубин-корунда диаметром 400 мм на станках «Niles ZSTZ-12».

Перспективным направлением является использование высокопористых абразивных кругов при шлифовании зубчатых колес на станках «Niles», «Gleason», «Reishauer» и «Orkut».

Успешно используются высокопористые абразивные круги при зубошлифовании зубчатых колес редукторов авиационных двигателей на станках «Gleason-Pfauter». Используемые диаметры конических кругов типа Т4 350, 300, 200 и 60 мм, зернистость кругов 60 (по FEPA), структура 12. Круги показали высокую эффективность шлифования и полное отсутствие брака после обработки зубчатых колес.

С.В. Рябченко
технический директор
ДП «Бест-Бизнес».



Комментарии (0)