На правах рукописи

ЖУКОВ ЮРИЙ ИВАНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И ТОЧНОСТИ

ШЛИФОВАНИЯ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ

ВЫСОКОПОРИСТЫХ ЭЛЬБОРОВЫХ КРУГОВ

Специальность 05.02.08 – Технология машиностроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА – 2006 2

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

Научный руководитель – Заслуженный Деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор В.К. Старков

Официальные оппоненты – доктор технических наук А.В. Балыков кандидат технических наук В.К. Ермолаев Ведущее предприятие – ООО «МСЗ».

Защита диссертации состоится « 2006 г., в часов на заседании »

Диссертационного Совета К. 212.142.01 при ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» по адресу: 127055, Москва, Вадковский пер., д.3а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ «СТАНКИН».

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направить по указанному адресу.

Автореферат разослан « 2006 г.

»

Ученый секретарь Диссертационного Совета канд. техн. наук И.М. Тарарин

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Шлифование относится к наиболее производительному методу обработки зубчатых колес, обеспечивающему высокую точность изготовления. Современные зубошлифовальные станки работают по двум принципиально различным схемам – методом обката с периодическим или непрерывным делением и методом копирования (профильного шлифования). В отличие от кинематически сложных схем обкатного шлифования профильное зубошлифование заключается в переносе профиля рабочей поверхности шлифовального круга на поверхность впадины между соседними зубьями. При этом за счет участия в работе резания большего, чем в случае обката, количества абразивных зерен обеспечивается и более высокая производительность процесса.

Однако, вместе с повышением производительности обработки при профильном шлифовании возрастает риск появления дефектов в виде прижогов и микротрещин на обработанных поверхностях.

Одним из путей снижения интенсивности термодинамической напряженности в зоне резания и исключения вероятности дефектов на обработанной поверхности по вине процесса шлифования является использование высокопористых шлифовальных кругов.

Технология шлифования зубчатых колес, в том числе высокопроизводительного глубинного шлифования взамен зубофрезерования, высокопористыми абразивными кругами на керамической связке внедрена на ряде машиностроительных предприятий России. Однако возможности высокопористого инструмента из традиционных абразивных материалов с точки зрения повышения производительности при одновременном обеспечении высокой точности и качества шлифования зубчатых колес ограничены. Ситуация значительно усложняется в случае чистового шлифования зубчатых колес, имеющих высокую твердость поверхностей после химико-термической обработки (цементация, азотирование, нитроцементация), особенно при шлифовании крупномодульных зубчатых колес с полным охватом контура впадины. Удаление припуска с поверхностей зубьев таких зубчатых колес в зависимости от его величины происходит за 7 – 12 проходов с глубиной резания 0,01 – 0,005 мм за проход, при периодической правке шлифовального круга после определенного количества обработанных зубьев, что существенно увеличивает время обработки детали.

На сегодняшний день самые высокие показатели по производительности, качеству и точности обработки деталей из конструкционных сталей и сплавов обеспечивают круги из кубического нитрида бора (КНБ) – сверхтвердого материала, обладающего высокими режущими свойствами. Практика их применения свидетельствует о том, что круги из КНБ особенно эффективны при чистовом шлифовании труднообрабатываемых материалов, поверхностей деталей с повышенной твердостью и профильной обработке с большими площадями контакта круга с обрабатываемой поверхностью, в том числе и зубчатых колес.

Использование кругов из КНБ (эльборовых кругов), как правило, исключает риск появления дефектов шлифовочного характера.

Два важных обстоятельства ограничивают расширение областей и объемов применения эльборовых шлифовальных кругов. Первое из них – это высокая стоимость зерна КНБ. Второе обстоятельство заключается в том, что по причине высокой режущей способности эльборовые круги очень тяжело правятся даже алмазным правящим инструментом. Если учесть их высокую стоимость, то профилирование эльборовых шлифовальных кругов становится экономически невыгодной и технологически трудновыполнимой операцией.

Как показали ранее проведенные исследования, улучшить правящуюся способность эльборовых кругов можно за счет увеличения их номера структуры в сочетании с высокой пористостью.

Таким образом, повышение производительности при одновременном обеспечении требуемой точности и качества чистового профильного шлифования зубчатых колес за счет применения нового эльборового инструмента, обладающего высокими режущими свойствами в сочетании с легкой правящейся способностью, является актуальной задачей для любого современного производства в этой области.

Цель работы. Целью работы является повышение производительности, точности и качества профильного шлифования зубчатых колес ответственного назначения за счет применения правящихся высокопористых кругов из кубического нитрида бора.

Методика исследования. Основные положения и выводы работы разработаны и обобщены с позиций теории технологии машиностроения применительно к изготовлению зубчатых колес, теории абразивной обработки и научных основ создания абразивного инструмента, в частности высокопористых шлифовальных кругов. Достоверность полученных результатов подтверждается производственными испытаниями и внедрением.

Экспериментальные исследования и производственные испытания проводились с использованием современного технологического оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры.

Статистическая обработка данных выполнялась при помощи специальных компьютерных программ многофакторного корреляционного и регрессионного анализа.

Научная новизна работы заключается в:

• выявленных зависимостях режущих свойств и правящейся способности эльборовых кругов от их характеристики, параметров режима шлифования и правки;

• в разработанных математических моделях связи усилия правки эльборовых кругов от скорости вращения круга, величины врезания правящего алмазного инструмента и коэффициента перекрытия;

• установленных зависимостях составляющих силы и мощности процесса профильного шлифования зубчатых колес высокопористыми эльборовыми кругами от параметров режима шлифования и правки круга.

Практическая ценность работы заключается в разработанных технологических рекомендациях по назначению характеристик высокопористых эльборовых кругов для профильного шлифования зубчатых колес, выбору параметров режимов шлифования и правки эльборового круга в зависимости от технологической схемы базирования заготовки на станке, марки обрабатываемого материала и параметров зубчатого зацепления;

Реализация работы. Разработанные технологические рекомендации по шлифованию высокопористыми эльборовыми кругами внедрены на ФГУП «ММПП «Салют».

Апробация работы. Основные положения работы были представлены на международном конгрессе «Конструкторско-технологическая информатика г. Москва, 2005), международной научно-технической конференции «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы» (г.

Волжский, Волгоградской обл., 2005), международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии» (г. Липецк, 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы /127 наименований/ и приложения. Объем диссертации 132 страницы машинописного текста, содержит 34 рисунка и таблиц.

Во введении обосновывается актуальность темы, дается общая характеристика работы, направленность исследований и основные положения диссертации, которые выносятся на защиту.

В первой главе приводится тематический обзор, сделанный на основе анализа отечественных и зарубежных литературных источников. Сформулирована цель и определены задачи исследования.

Явные преимущества метода профильного шлифования по отношению к обработке зубчатых колес ставят его в ряд наиболее перспективных процессов высокоточного и высокопроизводительного зубошлифования.

Вследствие специфики данного метода контакт шлифовального круга с обрабатываемой поверхностью происходит по достаточно большой площади, что негативно сказывается на условиях шлифования, сопровождающихся повышенной термодинамической напряженностью в зоне обработки. В сочетании с повышенной чувствительностью поверхностного слоя после химикотермической или химической обработки к воздействию температурнодинамических характеристик процесса это приводит к возможным структурным изменениям и появлению дефектов в виде прижогов, трещин, сколов и др.

Улучшение качества поверхностного слоя шлифованных деталей достигается в основном подбором режимов шлифования и соответствующей характеристики шлифовальных кругов, выбором СОЖ и способом подвода в зону резания, улучшением качества шлифовальных кругов и изысканием новых связок и материала для них.

В МГТУ «Станкин», под руководством проф. Старкова В.К. разработана и внедрена на ряде машиностроительных предприятий технология шлифования зубчатых колес и соединений высокопористым абразивным инструментом на основе электрокорунда или карбида кремния.

Новая технология включает в себя комплексную обработку шлифованием поверхности зубчатого профиля (предварительное формообразование и чистовое шлифование различными методами), а также предварительное и чистовое шлифование наружных и внутренних цилиндрических и плоских поверхностей зубчатых колес. Предварительное формообразование зубьев производится методами профильного глубинного и врезного шлифования по целому (аналог глубинной схемы), то есть без предварительной обработки лезвийным инструментом на зубошлифовальных станках различных типов с периодическим или непрерывным делением. Чистовое шлифование зубьев производится после химико-термической обработки поверхности методами профильного или обкатного шлифования.

Применение высокопористых шлифовальных кругов стало положительным фактором повышения производительности профильного шлифования и устранения дефектов шлифовочного характера – прижогов и микротрещин. Однако производственный опыт свидетельствует, что эффективность применения высокопористых кругов на основе традиционных абразивных материалов заметно снижается в случае профильного шлифования зубчатых колес из высоколегированных сталей после их химико-термической обработки: цементации, азотирования и нитроцементации.

Наиболее перспективным в настоящее время направлением в шлифовании деталей ответственного назначения, гарантирующем высокое качество обработанных поверхностей при высокой точности обработки в целом, является применение шлифовальных кругов из кубического нитрида бора (КНБ). Сочетание уникальных физико-механических и химических свойств кубического нитрида бора обеспечивает ему репутацию лучшего из известных абразивных материалов.

Круги из КНБ обеспечивают более высокие показатели по производительности, качеству и точности обработки деталей из конструкционных сталей и сплавов, чем все известные модификации корунда и карбида кремния. Оптимальное сочетание свойств КНБ обусловило применение абразивных кругов на его основе практически во всех отраслях машиностроительного производства при обработке шлифованием различных деталей в широком диапазоне режимов резания.

Из анализа литературных источников и промышленного опыта можно сделать вывод, что эльборовые шлифовальные круги, обладая более высокой режущей способностью в сравнении с инструментом на основе традиционных абразивов, могут обеспечить более высокие показатели по производительности, точности и качеству при профильном шлифовании зубчатых колес.

Однако для более эффективного применения эльборового инструмента при профильном шлифовании зубчатых колес в мелкосерийном или единичном производстве необходимо решить проблему их профилирования на заданный модуль, а также легкой правки в процессе обработки.

Во второй главе рассмотрены особенности создания правящихся высокопористых кругов из кубического нитрида бора для условий профильного зубошлифования и выполнен сравнительный анализ эксплуатационных свойств эльборовых кругов с нормальной и высокопористой структурами. С целью выявления технологических особенностей профильного шлифования высокопористыми эльборовыми кругами выполнен анализ результатов испытаний кругов при обработке зубчатых колес с базированием по двум наиболее распространенным схемам с консольным креплением и при установке в центрах, в том числе для крайне неблагоприятного условия профильного зубошлифования с полным охватом контура впадины между соседними зубьями.

При создании и изучении свойств высокопористых кругов были изготовлены композиции с номерами структуры в диапазоне 8 19, что соответствовало суммарному объемному содержанию КНБ и абразивных зерен в качестве наполнителя от 46 до 25 %.

Диапазон исследованных характеристик инструмента по зернистости составил 80/63, 125/100, 160/125 и 200/160, по твердости от М1 до СТ2, с концентрацией кубического нитрида бора в рабочем слое 50, 60, 75 и 100%.

Для увеличения номера структуры и пористости рабочего слоя кругов в его состав вводились различные порообразователи, как выгорающие (молотые фруктовые косточки), так и невыгорающие в виде полых сферических частиц различного химического состава и размеров.

В одинаковых условиях были проведены сравнительные испытания высокопористых эльборовых кругов и круга из КНБ нормальной структуры, изготовленного по традиционной технологии. По зернистости и твердости круги имели одинаковые характеристики.

В ходе испытаний определялось усилие, возникающее при правке кругов алмазным инструментом, составляющие силы резания, потребляемая мощность, уровень звуковых колебаний (акустическая эмиссия), при шлифовании закаленной быстрорежущей стали марки Р6М5К5-МП (63…66 HRC), а также шероховатость обработанной поверхности в зависимости от характеристики круга, параметров режима правки и шлифования.

Для измерения выходных характеристик процесса координатношлифовальный станок модели 4S фирмы Mikromat был оснащен динамометрической платформой, электронным ваттметром и системой контроля звуковых колебаний (рис. 1). На динамометрической платформе были расположены обрабатываемая заготовка, правочное устройство – пневмотурбина со специальной алмазной чашкой и датчик акустической эмиссии.

В результате анализа экспериментальных данных установлены закономерности и выявлены зависимости усилий правки от выбранного режима и характеристики шлифовальных кругов из кубического нитрида бора.

Разработаны математические модели связи усилия правки эльборовых кругов от скорости вращения шлифовального круга (Vкр), величины врезания алмазного инструмента (ad) и коэффициента перекрытия (Ud). Возникающее при правке усилие определялось по разнице амплитуды динамических колебаРис.1. Общий вид наладки станка модели 4S Mikromat ний правочного устройства (A) при свободном вращении турбины и под действующей нагрузкой.

В качестве примера на рис. 2 представлено графическое отображение зависимостей усилия правки, от коэффициента перекрытия, полученных на режиме: Vкр = 33 м/с, ad = 0,01 мм. Как видно из графика в одинаковых условиях процесс правки высокопористого круга из кубического нитрида бора до 30 – 40% меньшим изменением амплитуды колебаний правочного устройства по сравнению с правкой круга нормальной структуры. Это свидетельствует о меньшей нагрузке, действующей со стороны шлифовального круга и о более благоприятных условиях работы его работы правящего инструмента.

По результатам исследований также получены зависимости составляющих силы резания, потребляемой мощности, амплитуды звуковых колебаний при шлифовании и шероховатости обработанной поверхности образца для сравниваемых эльборовых кругов.

На рис. 3 в качестве примера приведены экспериментально полученные зависимости составляющих силы резания и потребляемой мощности от коэффициента перекрытия при правке с величиной врезания алмазной чашки ad = 0,01мм для режима шлифования: Vкр = 33 м/с, t = 0,01 мм/ход, Sпр = мм/мин. Как видно из графиков высокопористый эльборовый круг в одинаковых условиях обеспечивает меньшую до 25% величину нормальной составляющей силы резания, а тангенциальной составляющей и мощности шлифования до 40% ниже, чем круг из КНБ с нормальной структурой.

По качеству обработанной поверхности оба шлифовальных круга после правки с коэффициентом перекрытия в диапазоне от 16 до 32 обеспечивают близкие между собой значения параметров шероховатости.

При профильном зубошлифовании, в зависимости от конструкции станка может применяться схема установки заготовки на станке с горизонтальной или вертикальной осью. При шлифовании высокопористыми эльборовыми кругами были испытаны две наиболее распространенные схемы базирования заготовки с Рис. 3. Зависимости составляющих силы (а) и мощности (б) шлифования закаленной стали Р6М5К5-МП (63…66 HRC) для кругов:

горизонтальным консольным закреплением и при вертикальной установке в жестких центрах.

Чистовое профильное шлифование косозубых цилиндрических зубчатых колес из стали 16MnCr6 после цементации и закалки на твердость 60HRC производилось на зубошлифовальном станке с ЧПУ модели КХ-1 фирмы КАРР.

Обрабатываемое колесо модулем 2 мм, числом зубьев 37 и шириной зубчатого венца 15мм устанавливалось на оправке с горизонтальным консольным креплением (рис. 4).

Рис. 4. Профильное шлифование зубчатого колеса на станке модели KX- Удаление припуска величиной 0,1 мм на сторону зуба за один двойной ход выполнялось при постоянной скорости круга 35 м/с и при изменяемой скорости продольного перемещения круга относительно заготовки в диапазоне от 200 до 4000 мм/мин, что соответствовало удельной производительности шлифования Qw = от 1 до 20 мм3/мм*с.

Исследованные условия соответствуют производственной практике, когда стремятся припуск на обработку удалить за один проход за минимально возможное время с выполнением необходимых требований по точности и качеству обрабатываемого зубчатого колеса.

В процессе обработки измерялись составляющие силы резания: Px - осевая (направлена вдоль оси оправки) и Py – нормальная (к центру обрабатываемого колеса) и эффективная мощность на приводе главного движения станка.

Особенностью данного исследования было стремление достичь максимальной производительности процесса по съему материала при указанной схеме шлифования по всему периметру впадины между соседними зубьями.

Такой вариант шлифования применительно к зубчатым колесам является крайне неблагоприятным из-за большой площади контакта круга с обрабатываемой поверхностью и недоступности зоны резания для охлаждения водными растворами. В результате даже на мягких режимах обработки высокопористыми абразивными кругами велик риск появления дефектов шлифовочного характера, особенно поверхностей после химико-термической обработки.

Обычно, чтобы снизить риск появления дефектов во впадине применяют различные конструкции зубчатых колес по форме дна. Наиболее распространенным вариантом является подвнутрение основания зуба (выкружка). Выкружка формируется отдельной технологической операцией специальной червячной фрезой с протуберанцем (рис. 5). Наличие выкружки уменьшает площадь обработки и способствует лучшему охлаждению зоны резания, но снижает изгибную прочность и усталостную выносливость зуба.

Поэтому, как правило, в процессе шлифования зубчатых колес обрабатываются только боковые поверхности зубьев.

Рис. 5. Схема профильного шлифования зубчатых колес:

Если рассматривать динамические характеристики процесса шлифования по их значениям, усредненных по зубчатому колесу, то оказывается, что их изменение от Qw тоже подчиняется определенной закономерности (рис. 6). До Qw=12,5мм3/мм*с нормальная составляющая Py силы резания практически постоянна, а составляющая Px (соответственно и Pz) вместе с мощностью N увеличиваются пропорционально увеличению удельной производительности. Затем значения составляющих силы резания и мощности заметно уменьшаются, несмотря на возрастание скорости съема материала.

Рис. 6. Зависимость составляющих силы и мощности процесса профильного шлифования зубчатого колеса высокопористым эльборовым кругом от величины удельной В табл. 1 приведены результаты измерения мощности N, составляющих Px и Py силы резания при шлифовании зубчатого колеса на двух режимах, которые обеспечивают удельную производительность в 5 и 12 мм3/мм*с.

Статистические характеристики этих динамических параметров процесса показаны по результатам обработки 1-го и 15-го зубчатых колес. Они включают в себя среднее значение N, P x и P y, диапазон рассеяния в период шлифования одного колеса и степень рассеяния в % как отношение диапазона изменения к средней величине.

Таблица 1. Стабильность динамических характеристик процесса шлифования зубчатых колес высокопористым эльборовым кругом Несмотря на динамическую податливость схемы консольного крепления в отличие от более жесткой вертикальной схемы закрепления зубчатого колеса в центрах, высокие режущие свойства эльборового круга не провоцируют упругих деформаций в системе резания, которые могли бы заметным образом снизить точность шлифованного профиля зубьев.

Сравнение данных табл. 2 и 3 показывает, что величина измеренной погрешности формы зубчатого профиля f f зависит от уровня приложенной нагрузки: чем большие значения мощности и силы резания, тем больше величина погрешности формы зуба. Следовательно, размерный износ по боковым поверхностям шлифовального круга, который мог бы исказить погрешность формы зуба в сторону ее увеличения относительно настроечного размера, отсутствует.

Таблица 2. Стабильность формирования погрешности формы зубчатого Таблица 3. Стабильность шероховатости обработанных поверхностей зубьев Проведены производственные испытания высокопористого эльборовго круга при чистовом профильном шлифовании цилиндрических зубчатых колес на профилешлифовальном станке модели Р600G фирмы Gleason-Pfauter с вертикальным.

Третья глава посвящена сравнительному анализу работоспособности высокопористых эльборовых и корундовых кругов.

В сравнении участвовали высокопористые круги из эльбора, электрокорунда белого и микрокристаллического SG-корунда. Микрокристаллический корунд как абразивный материал по своим режущим свойствам находится между кубическим нитридом бора и электрокорундом белым. Благодаря своему строению зерно SG – корунда при большей, до 3-х раз, чем у электрокорунда прочности обеспечивает работу шлифовального круга в режиме умеренного самозатачивания с постоянным обновлением режущих свойств. Это позволяет использовать инструмент из SG – корунда при шлифовании фасонных поверхностей деталей из закаленных инструментальных и конструкционных сталей, а также ряда других труднообрабатываемых материалов, обеспечивая при этом высокую размерную стойкость и качество обработанной поверхности. По своей стоимости он на порядок выше, чем электрокорунд, но значительно дешевле эльбора.

Для прямого сопоставления режущих свойств эльбора марки ЛКВ, микрокристаллического корунда SG/25А и электрокорунда белого марки 25А на их основе были изготовлены высокопористые круги прямого профиля с размерами 70122010. Все круги имели 12 структуру, один и тот же состав керамической связки и обжигались при одинаковом температурном режиме. Количество абразивных зерен определялось в соответствии с принятыми составами для конкретных абразивных материалов.

Расчетные характеристики кругов составили: ЛКВ 160/125 С1 12 К, SG80/25A С1 12 К и 25А 12 С1 12 К с близкой зернистостью абразива и одинаковой твердостью.

Все круги в одинаковых технологических условиях были испытаны при плоском шлифовании стали марки 100Cr6 (60 HRC) на координатношлифовальном станке типа «Helitronic Power» фирмы Walter. В качестве охлаждения зоны резания использовалось масло Shell Macron 2429S-8.

Шлифовальные алмазные круги правились алмазным обтачивающим алмазным роликом типа NC с радиусом R = 0,19 мм производства фирмы Dr.

Kaiser Diamantwerkzeuge перед сменой условий шлифования. Режим правки был принят постоянным со следующими параметрами: отношение скоростей алмазного ролика и круга 0,9 (попутная правка); коэффициент перекрытия Ud = 4; глубина правки за проход ролика ad = 0,003 мм; количество проходов Nd = 25.

Каждая серия испытаний по выбранной схеме шлифования состояла из нескольких повторяющихся циклов: 5 циклов для маятникового шлифования с удельным съемом металла по Vw = 100 мм3/мм за цикл и 3 цикла для глубинного шлифования с Vw = 150 мм3/мм за цикл. Суммарный удельный объем металла, отнесенный к высоте круга и сошлифованный при маятниковой схеме, составлял 500 мм3/мм, а при глубинной – 450 мм3/мм.

В ходе обработки на станке измерялись нормальная (Py) и тангенциальная (Pz) составляющие силы шлифования, а после шлифования – шероховатость обработанной поверхности и величина радиального износа круга.

При попутной схеме маятникового шлифования испытания проводились со скоростью круга 30 м/с с размерами обрабатываемой поверхности образца 6150 мм, глубиной резания 0,01 мм и скоростью стола 6000 мм/мин. Производительность по съему материала составила Qw = 1 мм3/мм*с.

Значения Py и Pz для эльборового круга и круга из микрокристаллического корунда практически близки друг к другу с разницей 14…15% для их средних величин, а для круга из электрокорунда белого средние значения этих составляющих силы резания оказались в 2,2…2,3 раза больше, чем при шлифовании эльборовым кругом.

Исследования кругов из различных абразивных материалов проводились также при профильном шлифовании зубчатых колес на профилешлифовальном станке модели P600G фирмы Gleasson-Pfauter.

Было изготовлено 4 шлифовальных круга прямого профиля с размерами 1002051 – корундовые круги с характеристиками 25А 16 М1 12 К, SG/25А СМ2 12 К и эльборовые круги с характеристиками ЛКВ 160/125 СМ2 12 К и ЛКВ 100/80 СМ1 8 К.

Круги на фасонную рабочую поверхность под m = 3 мм профилировались алмазным обкатывающим роликом с радиусом 0,6 мм производства фирмы Dr.

Kaiser Diamantwerkzeuge. Режим правки выбирался в зависимости от характеристики круга (табл. 4) при постоянных значениях отношения скорости ролика к скорости круга, равным 0,8, и коэффициента перекрытия 10.

Таблица 4. Параметры режима профилирования шлифовальных кругов Характеристика круга При сравнении условий правки установлено, что для профилирования рабочей поверхности высокопористого круга 12 структуры для шлифования зубчатого колеса с модулем 3 мм необходимое время в 2 раза меньше, чем у эльборового круга 8 структуры.

Время профилирования высокопористого эльборового круга в сравнении с абразивными кругами сохраняется достаточно большим: оно в 1,9 раза больше, чем при правке круга из микрокристаллического корунда и в 3,7 раза больше, чем при правке круга на основе электрокорунда белого.

В результате экспериментальных исследований установлен диапазон возможного изменения скорости продольного перемещения шлифовального круга при заданной глубине прохода, а также значения потребляемой мощности, шероховатости обработанной поверхности и точности обработки профиля зуба.

Для производственных испытаний были изготовлены два шлифовальных круга с размерами 35025127 и с характеристиками ЛКВ 125/100 М2 12 К и 99SA 80 J 9 V. При изготовлении кругов был учтен опыт предшествующих испытаний, поэтому размеры и характеристики высокопористого эльборового круга и круга из микрокристаллического корунда лучшим образом соответствуют профильному шлифованию зубчатых колес из высоколегированных закаленных сталей.

Указанными кругами на профилешлифовальном станке модели P600G обрабатывались зубчатые колеса с параметрами: m = 4 мм, z = 21, b = 30 мм, = 20о. Колеса из стали 16Х3НВФМБ-Ш были цементованы и закалены до твердости 60 HRC.

При скорости круга 30 м/с припуск на обработку удалялся за один проход по схеме попутного профильного шлифования с радиальной подачей на врезание 0,385 мм с охлаждением.

Шлифовальные круги правились алмазным роликом типа NC 80 с радиусом 0,5 мм фирмы Dr. Kaiser Diamantwerkzeuge с глубиной врезания 0,01 мм, скоростью перемещения 60 мм/мин при отношении окружных скоростей вращения ролика и круга равным 0,8.

При шлифовании продольная скорость круга изменялась, начиная от мм/мин, и ее предельная величина достигала значений 4500 мм/мин (Qw = 28, мм3/м·с) для высокопористого эльборового круга и 3000 мм/мин (Qw = 19, мм3/м·с) для круга из микрокристаллического корунда. При более высоких скоростях появлялись видимые прижоги на обрабатываемых поверхностях зубьев.

В одинаковых условиях профильного шлифования цементованных и закаленных зубчатых колес из высоколегированных сталей высокопористый эльборовый круг обеспечил производительность в 1,5 раза выше, чем круг из микрокристаллического корунда при очень высокой скорости съема материала.

Достигнутый уровень по производительности шлифования высокопористым эльборовым кругом превысил в 2,4 раза скорость съема в аналогичных условиях обработки высокопористым кругом из электрокорунда белого.

В четвертой главе приведены результаты исследования точности и качества профильного шлифования зубчатых колес высокопористыми эльборовыми кругами.

Сравнительный анализ точности зубчатых колес после профильного чистового шлифования высокопористым эльборовым кругом с характеристикой ЛКВ 160/125 М2 12 К и высокопористым кругом из электрокорунда белого с характеристикой 25А 16 М3 12 К проводился автором в производственных условиях ФГУП «ММПП «Салют».

Испытания проводились на профилешлифовальном станке модели P600G при обработке цилиндрических зубчатых колес планетарного редуктора. Зубчатые колеса имели характеристику: модуль m = 6 мм, число зубьев z = 41, ширина венца b = 105 мм, угол профиля = 20° с цементированной и закаленной до твердости 60…62 HRC поверхностью зубьев.

Обработка велась в полном соответствии с технологией, принятой для профильного шлифования данного типа зубчатых колес.

Припуск с боковых сторон зубьев удалялся при постоянной скорости круга, равной 30 м/с, по схеме маятникового шлифования за семь предварительных проходов с радиальным врезанием 0,108 мм за проход с продольной подачей Sпр = 2778 мм/мин и за два чистовых прохода с радиальным врезанием 0, мм при Sпр = 2700 на первом и 1350 мм/мин на последнем проходе. Величина удельной производительности при предварительном получистовом шлифовании составила Qw = 5 мм3/(мм*с), а при чистовом - 1,26 и 0,63 на первом и на последнем проходе соответственно.

Круг правился один раз перед началом обработки и после предварительного шлифования каждой шестой впадины зубчатого колеса. Чистовое шлифование всех зубьев колеса осуществлялось только с одной предварительной правкой круга.

Возможная степень изнашивания шлифовального круга оценивалась по изменению погрешности профиля зуба и накопленной погрешности шага зубчатого колеса.

Контроль обработанных зубчатых колес выявил полное соответствие параметров качества техническим требованиям заказчика (см. табл. 5). При контроле на прижоги и трещины указанных дефектов на всех обработанных зубьях не выявлено.

Таблица 5. Результаты контроля точности и шероховатости поверхности Наименование Погрешность в мкм от характеристики круга направления окружного шага погрешность шага Производственными испытаниями установлено, что высокопористым эльборовым кругом обеспечивается более высокая степень приближения к заданному конструктивному образу зубчатого колеса, чем высокопористым кругом из электрокорунда белого. По величине измеренной погрешности точность изготовления зубчатого колеса профильным шлифованием высокопористым эльборовым кругом повышается до 2-х раз. При этом обеспечиваются более стабильные характеристики по точности.

Качество профильного шлифования зубчатых колес оценивалось по результатам металлографического анализа микроструктуры поверхностного слоя, включая изменение микротвердости, и измерений остаточных напряжений.

При металлографическом анализе сравнивались два варианта шлифования: высокопористым эльборовым кругом и кругом из микрокристаллического корунда, который является лучшей модификацией корунда для чистового шлифования закаленных сталей.

Для изучения микроструктуры поверхностного слоя были взяты цилиндрические зубчатые колеса с модулем m = 4 мм, числом зубьев z = 21 и шириной венца b = 30 мм из цементованной и закаленной стали марки 16Х3НВФМБ-Ш.

Зубчатые колеса были обработаны высокопористым эльборовым кругом с характеристикой ЛКВ 125/100 М2 12 К и кругом из микрокристаллического корунда с характеристикой 99SA 80 J 9 K. Шлифование выполнялось на профилешлифовальном станке модели P600G. Весь припуск под окончательную обработку зубьев удалялся за один проход круга с постоянной во всех случаях скоростью 30 м/с и радиальной подачей на врезание 0,385 мм. Изменяемым параметром режима шлифования при испытаниях была скорость продольной подачи (табл. 6.).

Таблица 6. Скорость продольной подачи и удельная производительность Металлографическое исследование проводилось на оборудовании и по методике центральной заводской лаборатории ФГУП «ММПП «Салют».

Первоначально были измерены фактическая твердость цементированной поверхности. Зубчатое колесо, обработанное высокопористым эльборовым кругом имело твердость поверхности 62,7 HRC, а колесо, обработанное кругом из микрокристаллического корунда с твердостью 61,9 HRC.

Толщина цементованного слоя в обоих случаях была одинаковой и равнялась 1,05 мм.

Для оценки качества цементованного слоя после шлифования были приготовлены поперечные темплеты перпендикулярно вершинам зубьев №№ 3, 7, 11, 15 и 19 от каждого зубчатого колеса. На шлифованных образцах прижогов не обнаружено, что подтверждается распределением микротвердости по цементованному слою на эвольвентных поверхностях зубьев (табл. 7).

Таблица 7. Изменение микротвердости по глубине цементованного слоя На указанном режиме шлифования степень наклепа обработанной поверхности составила 13,2% после шлифования эльборовым кругом и 20,1% после обработки кругом из микрокристаллического корунда, или в 1,52 раза больше.

Высокопористый эльборовый круг позволяет вести обработку на более форсированном режиме шлифования – до 4500 мм/мин. На этом режиме он обеспечивает степень наклепа, равную 15,6%, что почти на 30% меньше, чем после шлифования кругом из микрокристаллического корунда.

Были выполнены измерения величины и знака остаточных напряжений на обработанной поверхности зуба в зависимости от условий шлифования. Остаточные напряжения определялись рентгенографическим методом на установке XRD3000P.

Из рис. 7, где представлены результаты измерений, следует, что увеличение удельной производительности шлифования сопровождается прогнозируемым снижением уровня наводимых остаточных напряжений.

Такой характер изменения поверхностных напряжений обусловлен снижением интенсивности силового воздействия на обрабатываемую поверхность зубчатого колеса.

Во всем исследованном диапазоне условий шлифования высокопористым эльборовым кругом на поверхностях зубьев наводились сжимающие напряжения, что является благоприятным фактором для эксплуатации зубчатых колес.

Средний уровень поверхностных напряжений уменьшается от 810 до 90 МПа по мере увеличения скорости съема обрабатываемого материала.

Формирование сжимающих напряжений на обработанной поверхности является результатом преобладающего действия силового фактора. Для пластической деформации поверхностного слоя при шлифовании, если отсутствует его нагрев, необходимо зарождение в большом количестве новых дислокаций и их перемещение, что в итоге приводит к необратимому искажению кристаллической решетки. Чем больше действующее напряжение и время его действия, тем больше степень деформации и выше уровень наводимых остаточных напряжений.

Рис. 7. Зависимость величины остаточных напряжений в поверхностном слое зубьев зубчатого колеса от удельной производительности профильного шлифования высокопористым эльборовым кругом Можно принять в качестве силового фактора произведение силы резания на время, в течение которого она действует на элементарный объем поверхностного слоя. Оказывается, что с увеличением Qw от 2,0 до 20 мм3/мм*с произведение силы резания на время ее действия уменьшается с 0,181 до 0, или в 9,1 раз, что соответствует экспериментальным данным по снижению уровня остаточных напряжений.

Достоинством зубошлифования высокопористым эльборовым кругом является формирование поверхностного слоя с остаточными напряжениями сжатия, что наряду с повышенной точностью и заданной шероховатостью обработанной поверхности, гарантирует улучшение эксплуатационных свойств.

В пятой главе приведены результаты внедрения технологических процессов шлифования и рекомендации по профильному шлифованию зубчатых колес высокопористыми эльборовыми кругами.

На ФГУП «ММПП «Салют» внедрена технология профильного шлифования зубчатых колес, кроме того, разработанные высокопористые эльборовые круги нашли широкое применение на других операциях шлифования деталей из легированных сталей, жаропрочных никелевых и титановых сплавов.

Производственные испытания и внедрение нового инструмента проводились на координатно-шлифовальных станках моделей 40, 50 и 55 фирмы HAUSER, модели HTG22 фирмы TSCHUDIN, TST 250 – 4R фирмы TRIPET, 1250 CNC фирмы BRAND, RG 500 фирмы REISHAUER при шлифовании деталей из различных марок легированных сталей, титановых и жаропрочных никелевых сплавов.

При изготовлении зубчатых колес ответственного назначения из высоколегированных сталей типа 16Х3НВФМБ-Ш, 12ХН3А, 18Х2Н4ВА и др. их предварительное шлифование перед химико-термической обработкой выполнять абразивными кругами на основе электрокорунда белого, а окончательную обработку – высокопористыми эльборовыми кругами.

В качестве инструмента для чистового шлифования рекомендуется эльборовый круг с характеристикой из зерна ЛКВ с размерами в диапазоне от 125/100 до 160/125, с твердостью М2…С1 и структурой №12 на керамической связке. Зернистость круга назначается в зависимости от модуля зубчатого колеса и требуемой шероховатости шлифованной поверхности, а твердость круга – в зависимости от требований к его износостойкости. При назначении твердости необходимо учитывать следующее обстоятельство: чем тверже круг, тем выше его износостойкость и, тем больше расход алмазов при его профилировании и промежуточных правках. Шлифование твердым кругом имеет больше вероятности получить дефекты на обработанной поверхности.

Рекомендуемый диапазон по режимам профильного шлифования высокопористыми эльборовыми кругами следующий: по скорости круга - 25…35 м/с, по продольной подаче - 1250…6000 мм/мин, по глубине резания - 0,05…0,2 мм за двойной ход.

В работе показано, что профильное шлифование зубчатых колес может выполняться при двух схемах их крепления. Очевидно, что вертикальная схема крепления зубчатого колеса отличается более высокой жесткостью технологической системы резания в сравнении с консольным креплением.

Уровень режимов профильного шлифования зависит также от химикотермической обработки зубчатых колес. Самый высокий уровень используется при обработке цементованных и закаленных зубчатых колес, далее в порядке убывания – нитроцементованных и азотированных зубчатых колес.

Разработанные специальные составы высокопористых эльборовых кругов с пониженной концентрацией кубического нитрида бора позволили при сохранении высокого уровня режущих свойств снизить стоимость изготовления инструмента до 2-х раз.

На правящуюся способность эльборового круга существенное влияние оказывают параметры его характеристики: твердость, номер структуры и величина концентрации эльбора, а также скорость и величина правки и коэффициент перекрытия.

Характеристика эльборового круга и параметры режима шлифования в зависимости от принятой схемы крепления заготовки оказывают существенное влияние на выходные параметры процесса шлифования, такие, как сила, мощность, а также на точность и качество обработки зубчатого колеса.

Достоинством высокопористого эльборового инструмента в сравнении с эльборовыми кругами нормальной структуры является его более легкая правка на сложный профиль при снижении усилия правки до 30…40%, а при шлифовании снижение силы резания до 25…40% по сравнению с инструментом нормальной структуры.

В одинаковых условиях профильного чистового шлифования цементованных и закаленных зубчатых колес высокопористым эльборовым кругом достигается производительность в 1,5 раза выше, чем кругом из микрокристаллического корунда и в 2,4 раза выше, чем высокопористым кругом из электрокорунда белого.

Разработанная технология профильного шлифования высокопористыми эльборовыми кругами обеспечивает повышение точности обработанных зубчатых колес до 2-х раз в сравнении с чистовой обработкой корундовыми кругами. При этом время шлифования уменьшается до 8 раз, а размерная стойкость шлифовального круга увеличивается в 5 раз.

При шлифовании высокопористым эльборовыми кругами степень наклепа обработанной поверхности до 52% меньше, чем после обработки кругом из микрокристаллического корунда. В поверхностном слое зуба наводятся сжимающие остаточные напряжения, что благоприятно сказывается на ресурсе обработанных зубчатых колес.

Преимуществом новой технологии является возможность шлифования зубчатых колес по всему профилю впадины между соседними зубьями.

Бездефектное профильное шлифование зубчатых колес повышенной точности без подвнутрения ножки зуба дает возможность повысить прочность и выносливость зубчатых передач, исключить дополнительную операцию зубофрезерования для формирования выкружки и сократить номенклатуру применяемых червячных фрез.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Высокопроизводительная гибкая технология формообразования зубчатых колес и соединений // В.К. Старков, С.А. Рябцев, В.С. Новиков, Ю.И. Жуков // Труды V межд. конгресса «Конструкторско-технологическая информатика - 2005». М.: ИЦ ГОУ МГТУ «Станкин», «Янус-К» 2005. С. 73 – 75.

2. Жуков Ю.И., Рябцев С.А. Профильное шлифование зубчатых колес высокопористыми кругами из микрокристаллического корунда // Сб. статей межд.

научно-технической конференции «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы». Волжский: ВИСИТ (филиал) ВолгГАСУ. 2005. С.

3. Старков В.К., Рябцев С.А., Жуков Ю.И. Сравнительный анализ шлифовальных кругов из кубического нитрида бора с нормальной и высокопористой структурами // Технология машиностроения. 2005. №9. С. 10 – 14.

4. Производственные испытания высокопористого эльборового круга при профильном шлифовании зубчатых колес // В.А. Поклад, В.С. Новиков, Ю.И.

Жуков, В.К. Старков, С.А. Рябцев. // Технология машиностроения. 2006. №5.

5. Профильное шлифование высокопористым эльборовым кругом зубчатых колес // М. Кайзер, Д. Хессель, В.К. Старков, С.А. Рябцев, Ю.И. Жуков // Вестник машиностроения. 2006. №3. С. 45 – 51.

6. Жуков Ю.И., Рябцев С.А. Повышение производительности профильного шлифования закаленных зубчатых колес за счет применения высокопористых эльборовых кругов // Сб. научных трудов межд. научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии». Липецк: ЛГТУ. 2006г. С. 95 – 98.

Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук Жуков Юрий Иванович

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И ТОЧНОСТИ ШЛИФОВАНИЯ

ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ ВЫСОКОПОРИСТЫХ ЭЛЬБОРОВЫХ КРУГОВ

Специальность 05.02.08 – Технология машиностроения Отпечатано в издательстве «Станкин»

127055, Москва, Вадковский пер., д3а ПЛД №