Материалы, конструкция цилиндрических колес и методы образования зубьев

Материалыдля изготовления зубчатых колес в машиностроении – стали, чугуны и пластмассы; в приборостроении зубчатые колеса изготовляют также из латуни, алюминиевых сплавов и др. Выбор материала определяется назначением передачи, условиями ее работы, габаритами колес и даже типом производства (единичное, серийное или массовое) и технологиче­скими соображениями.

Общая современная тенденция в машиностроении – стремление к снижению материалоемкостиконструкций, увеличению мощности, быстроходности и долговечности машины. Эти требования приводят к необходимости уменьшения массы, габаритов и повышения нагрузочной способности силовых зубчатых передач. Поэтому основные материалыдля изготовления зубчатых колес – термообработанные углеродистые и легированные стали, обеспечивающие высокую объемную прочность зубьев, а также высокую твердость и износостойкость их активных поверхностей.

В зависимости от твердости активных поверхностей зубьев стальные колеса делятся на две группы, а именно: колеса с твердостью Н ≤ 350 НВ, зубья которых хорошо прирабатываются; колеса с твердостью Н ≥ 350 НВ, зубья которых прирабатываются плохо, а при твердости активных поверхностей обоих колес Н ≥ HRCэполагаются неприрабатывающимися.

Кроме способности к приработке эти группы различны по технологии механической обработки, а также по нагрузочной способности.

Колеса первой группы, изготовляемые из средне- и высокоуглеродистых сталей, подвергают нормализации или улучшению; чистовое нарезание зубьев производят после термообработки, и применения отделочных операций не требуется. Эти технологические преимущества колес первой группы обеспечивают их широкое применение при единичном или мелкосерийном производстве мало- и средненагруженных передач, а также передач с крупногабаритными колесами.

Колеса второй группы изготовляют из легированных сталей, подвергаемых различным видам термической и химико-термической обработки (цементация, объемная или поверхностная закалка, азотирование, планирование, нитроцементация), и применяют для быстроходных и высокона­груженных передач.

Зубья колес второй группы нарезают до термической обработки, при которой происходит коробление зубьев и снижение точности зубчатого венца. Для исправления формы зубьев требуются дорогостоящие отделочные операции (шлифовка, обкатка, притирка зубьев и др.), поэтому колеса с зубьями высокой твердости применяют в изделиях крупносерийного и массового производства. При прочих равных условиях масса колес второй группы в 3–4 раза меньше, чем первой.

Для изготовления тихоходных, преимущественно открытых передач работающих с окружной скоростью до 3 м/с, применяют серые, модифицированные и высокопрочные чугуны, обладающие хорошими литейными свойствами, низкой стоимостью при минимальных отходах материала в стружку.

Нагрузочная способность зубчатых колес из неметаллических материаловзначительно ниже, чем стальных, поэтому их используют в слабонагруженных передачах, к габаритам которых не предъявляется жестких условий, но требуются снижение шума и вибраций, самосмазываемость или химическая стойкость. Зубчатые колеса из неметаллических материалов чаще всего используют в паре с металлическими. Для изготовления неметаллических колес применяют текстолит, древесно-слоистые пластики, капрон, нейлон и др.

При выборе материалов и назначении их термообработки необходимо учитывать, что зуб шестерни в и (передаточное число) раз чаще входит в зацепление, чем зуб колеса. Поэтому для стальных колес первой группы в целях выравнивания долговечности и улучшения прирабатываемости следует твердость активных поверхностей зубьев шестерни делать большей, чем у колеса, причем рекомендуется иметь

Н1срН2ср ≥ 20.

Для изготовления шестерни и колеса первой группы целесообразно использовать сталь одной марки, а разность твердости обеспечивать за счет термообработки.

Для колес с неприрабатывающимися зубьями обеспечивать разность твердостей зубьев шестерни и колеса не требуется.

Конструкция цилиндрических колесзависит от их материала, размеров и способа изготовления.

Стальныезубчатые колеса диаметром до 150 мм (рис.1.62) изготовляют из прутка или поковки и выполняют в виде сплошных дисков с двусторонней (а), односторонней (б) ступицей либо без нее (в).Стальные колеса диаметром до 500 мм чаще всего изготовляют коваными или штампованными; они имеют обод и ступицу, соединенные диском с отверстиями (рис.1.62, г). Шестерни, диаметр которых меньше удвоенного диаметра вала, изготовляют как одно целое с валом и называют вал-шестерня (рис.1.62, д). В коробках скоростей применяют несколько шестерен, изготовленных из одного куска металла; такие зубчатые колеса называют блоками шестерен. Колеса диаметром более 500 мм обычно изготовляют отливкой; обод и ступицы соединяются спицами крестообразного (рис.1.63, а),овального, таврового и других сечений. В единичном производстве колеса большого диаметра делают сварной конструкции (рис.1.63,б). В целях экономии высококачественной стали колеса больших диаметров нередко делают бандажированными (рис.1.63, в), когда стальной обод насаживается на чугунный центр; применяют также конструкции, в которых обод и центр соединяют крепежными болтами.

Рис. 1.62. Виды стальных зубчатых колес

Рис. 1.63. Варианты изготовления зубчатых колес большого диаметром

Чугунныезубчатые колеса независимо от их размера изготовляют отливкой с последующей механической обработкой.

Неметаллическиезубчатые колеса изготовляют цельными или составными. На рис.1.64 показано составное зубчатое колесо из склеенных пластин текстолита, надетых на металлическую втулку и скрепленных дисками с помощью болтов. Зубчатые колеса из капрона и нейлона изготовляют отливкой под давлением; нередко венец из этих материалов отливают вместе со стальным центром или насаживают на центр с натягом и скрепляют винтами.

Рис. 1.64. Вариант изготовления неметаллического зубчатого колеса

Методы образования зубьевможно разделить на две основные группы: накатывание и нарезание (кроме того, иногда изготовляют колеса с литыми зубьями).

Накатывание зубьевстальных колес производится накатным инструментом путем пластическойдеформации венца колеса. Накатывание зубьев с модулем до 1мм производится в холодном состоянии; при большем модуле венец нагревается токами высокой частоты.

Зубонакатывание применяется в массовом производстве и является высокопроизводительным методом, обеспечивающим минимальные отходы металла в стружку и повышение прочности зубьев, так как волокна металла в заготовке не перерезаются, а изгибаются.

Нарезание зубьеввыполняют методом копирования и методом обкатки.

Метод копированиязаключается в том, что впадины зубчатого венца прорезаются инструментом, профиль режущей части которого точно или приблизительно соответствует очертаниям впадины. На рис.1.65 показано фрезерование зубьев цилиндрического колеса модульными фрезами: дисковой (а) и концевой (б).После прорезания одной впадины заготовка возвращается в исходное положение, поворачивается на величину углового шага, и процесс повторяется.

Рис. 1.65. Фрезерование зубьев цилиндрического колеса

Так как с изменением числа зубьев колеса меняется и форма впадины, то для каждого модуля и числа зубьев нужно иметь свою фрезу, что практически невозможно. Поэтому фрезой одного модуля прорезают впадины в определенном диапазоне чисел зубьев (например, фрезой для 30 зубьев обрабатывают колеса с числом зубьев от 24 до 36), в результате чего зубья не всегда будут иметь точный профиль. Фрезерование зубьев методом копирования является простым, но недостаточно точным и весьма малопроизводительным методом, применяющимся в основном в единичном производстве.

К методу копирования можно отнести способы образования зубьев колес протягиванием, холодной или горячей штамповкой, а также прессованием и литьем под давлением.

Метод обкатки(огибания) является весьма точным, высокопроизводительным, универсальными наиболее распространенным способом образования зубьев. Рассмотренный ранее процесс накатывания зубьев можно отнести к методу обкатки.

Процесс нарезания зубьев на зубообрабатывающих станках уподобляется процессу зацепленияпары зубчатых колес или колеса с рейкой, когда одно из колес или рейка снабжены режущими элементами и превращены таким образом в режущий инструмент, называемый производящим колесом. Зубчатое зацепление производящего колеса с обрабатываемым зубчатым колесом называется станочным зацеплением. На рис.1.66 показаны основные виды станочных зацеплений и соответствующие движения инструмента и заготовки: а – нарезание зубьев инструментальной рейкой (зуборезной гребенкой) на зубодолбежном станке; б – нарезание зубьев зуборезным долбяком на зубодолбежном станке; в – нарезание зубьев червячной модульной фрезой на зубофрезерном станке (червячная модульная фреза в осевом сечении имеет профиль инструментальной рейки).

Зуборезный инструмент профилируют на основе стандартных исходных контуров, один из которых (для цилиндрических эвольвентных зубчатых колес с модулями более 1 мм) показан на рис.1.57. Одним и тем же инструментом можно нарезать колеса данного модуля с разным числом зубьев,что является весьма существенным достоинством метода обкатки. На зубодолбежных станках долбяком обрабатывают колеса как с внешними, так и внутренними зубьями. Червячными фрезами на зубофрезерных станках можно нарезать прямозубые, косозубые и шевронные колеса с дорожкой посередине (для выхода режущего инструмента); шевронные колеса без дорожки нарезают специальными косозубыми долбяками или гребенками. Наиболее производительным способом нарезания зубьев является фрезерование червячной фрезой. Как правило, зуборезные станки – полуавтоматы.

При необходимости получения весьма точных и чистых поверхностей зубьев применяют отделочные операции: шевингование, обкатку (для зубьев невысокой твердости) или шлифование, притирку (для закаленных зубьев).

Зубчатые колеса со смещением.Необходимость снижения материалоемкости конструкций и получения минимальных габаритов приводит к необходимости создания передач с возможно меньшим числом зубьев. Однако при нарезании шестерен с малым числом зубьев в станочном зацеплении возникает явление интерференции зубьев, когда часть пространства оказывается одновременно занятой зубьями производящего и обрабатываемого колес.

Интерференция приводит к срезанию части номинальной поверхности у основания зуба обрабатываемого колеса (подрезание зубьев) или срезанию части номинальной поверхности у вершины зуба (срезание зубьев, свойственное колесам с внутренними зубьями).

Рис. 1.66. Основные виды станочных зацеплений

На рис. 1.67, а показано изменение формы зуба в зависимости от числа зубьев колеса.

Рис. 1.67. Схемы изменения формы зуба и смещения инструментальной рейки в станочном зацеплении

При уменьшении числа зубьев их толщина у основания уменьшается, у вершины зуб заостряется, а кривизна эвольвентного профиля увеличивается, – все это приводит к уменьшению прочности зуба. При числе зубьев, меньшем zmin, в станочном зацеплении возникает явление интерференции, и происходит подрезание зубьев. Для того чтобы избежать подрезания зубьев в станочном зацеплении, производят смещение инструментальной рейки на величину хт, где х – коэффициент смещения; т – модуль зубьев (рис.1.67, б).

Смещение рейки от оси колеса считают положительным, а к оси – отрицательным. На рисунке показано предельное положение рейки, при котором подрезание зубьев прекращается, т.е. положение, когда линия АВ вершины инструментальной рейки (заштрихованная закругленная часть рейки в образовании активного профиля зубьев не участвует) будет проходить через точку В на линии зацепления. Так как размеры зуба инструмента стандартизованы, то при прочих равных условиях опасность возникновения подрезания определяется числом зубьев колеса.