ПРЕРЫВИСТЫЙ АЛМАЗНО-АБРАЗИВНЫЙ КРУГ ДЛЯ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНОЙ ОБРАБОТКИ КОЛЕС С КРУГОВЫМ ЗУБОМ Российский патент 2004 года по МПК B23F21/02 

Изобретение относится к использованию метода совмещенных технологий на основе обработки металлов резанием и может быть использовано в производстве колес с круговыми зубьями из материалов, предрасположенных к дефектообразованию в виде прижогов и трещин при глубинном зубошлифовании с нанесением активных импрегнаторов с целью совершенствования структуры поверхностного слоя.

Известна сегментная головка для шлифования спирально-конических колес, содержащая планшайбу, на которой с помощью сухарей закреплены абразивные сегменты [1].

Недостатком данного инструмента являются обусловленные наличием впадин резкое уменьшение виброустойчивости, прочности и площади рабочей поверхности инструмента, что, в свою очередь, снижает размерную стойкость головки, качество и производительность обработки. При этом различное в площадях контакта образующих поверхностей шлифовального круга с выпуклой и вогнутой сторонами зубьев обрабатываемой шестерни приводит к появлению прижогов на вогнутых поверхностях зубьев, либо к снижению производительности обработки в результате установления режимов резания, исходя из условий шлифования вогнутой стороны зубьев.

Кроме того, контактирование под нагрузкой зубчатых колес, из которых хотя бы одно - полукристаллическое, приводит к увеличенному образованию шероховатости поверхности и быстрому износу вследствие неоднородности деформации [2]. Различные структурные составляющие большинства сплавов неоднородны по поверхности и имеют разную ориентировку кристаллических зерен, выходящих на поверхность. В результате на отдельных площадках фактического контакта, даже при малых нагрузках, происходит внедрение твердых составляющих и кристаллов, обращенных к поверхности “сильными” гранями, в менее твердые структурные составляющие и “слабые” грани кристаллов. Глубина внедрения усугубляется с увеличением времени эксплуатации и зависит от физико-механических свойств материалов, шероховатости поверхности и нагрузки.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является шлифовальная сегментная головка для обработки колес с круговыми зубьями, содержащая корпус с закрепленными на нем абразивными сегментами, имеющими две образующие поверхности, профилирующие одновременно выпуклые и вогнутые стороны зубьев [3]. Кроме того, сегменты выполнены различной длины, причем длина сегмента, обрабатывающего вогнутую сторону зуба, меньше длины сегмента, обрабатывающего выпуклую сторону зуба, а максимальные площади контакта рабочей поверхности сегментов с различными сторонами зуба равны между собой.

Однако известная шлифовальная сегментная головка имеет существенный недостаток, обусловленный наличием впадин и выступов, которые резко уменьшают виброустойчивость, прочность и площадь рабочей поверхности, что, в свою очередь, снижает размерную стойкость инструмента, качество и производительность обработки. Кроме того, контактирование под нагрузкой зубчатых колес, из которых хотя бы одно - полукристаллическое, приводит к увеличенному образованию шероховатости поверхности и быстрому износу вследствие неоднородности деформации [2]. Различные структурные составляющие большинства сплавов неоднородны по поверхности и имеют разную ориентировку кристаллических зерен, выходящих на поверхность. В результате на отдельных площадках фактического контакта, даже при малых нагрузках, происходит внедрение твердых составляющих и кристаллов, обращенных к поверхности “сильными” гранями, в менее твердые структурные составляющие и “слабые” грани кристаллов. Глубина внедрения усугубляется с увеличением времени эксплуатации и зависит от физико-механических свойств материалов, шероховатости поверхности и нагрузки.

Задачей изобретения является повышение производительности зубошлифования колес из материалов, предрасположенных к дефектообразованию в виде прижогов и трещин при глубинном зубошлифовании с нанесением активных импрегнаторов, и получением обновленной оболочки с особыми свойствами, играющей роль упрочненного каркаса, что позволяет улучшить качественные и эксплуатационные свойства поверхностного слоя материалов.

Поставленная задача решается с помощью прерывистого алмазно-абразивного круга чашечной цилиндрической формы для электроконтактной обработки колес с круговыми зубьями, содержащего впадины и выступы с двумя образующими поверхностями, профилирующими одновременно выпуклые и вогнутые стороны зубьев, при этом длина впадины составляет половину длины выступа, причем впадины заполнены импрегнатором в виде медно-графитового сплава, кроме того, к инструменту и обрабатываемой детали подводится электрический ток безопасного низкого напряжения.

На фиг.1 показана схема обработки цилиндрических колес с круговыми зубьями прерывистым алмазно-абразивным чашечным цилиндрическим кругом с впадинами, заполненными импрегнатором; на фиг.2 - разрез по А - А на фиг.1; на фиг.3 - элемент Б на фиг.2, износ рабочих поверхностей Н и В при врезании выступа круга.

Предлагаемый прерывистый чашечный цилиндрический абразивно-алмазный круг 1 для обработки колес 2 с круговыми зубьями содержит впадины 3 и выступы 4, имеющие две образующие поверхности: наружную Н и внутреннюю В, профилирующие одновременно выпуклые и вогнутые стороны зубьев, при этом длины выступов взяты в два раза больше длин впадин, согласно рекомендациям [4]. При вращении инструмента рабочие поверхности Н и В выступов описывают в пространстве кольцо, воспроизводящее впадину производящего колеса, сцепляющегося с обрабатываемым.

С целью безударного плавного входа и выхода режущих кромок выступов из зоны резания и повышения виброустойчивости, качества и изменения свойств обрабатываемой поверхности впадины заполнены медно-графитовым сплавом, играющим роль активного импрегнатора [2].

По мере износа круга производится самооформление профиля, т.е. на выступах рабочих поверхностей Н и В образуются заборные участки, которые заполняются импрегнатором (фиг.3).

С помощью предлагаемого прерывистого шлифовального круга для обработки колес с круговыми зубьями появляется возможность управлять температурой в зоне контакта. В зависимости от требуемых условий обработки возможно варьирование числом впадин и выступов. На круге сделан ряд чередующихся выступов и впадин, при котором период работы одного режущего выступа будет меньше периода времени теплового насыщения. При этих условиях шлифования температура в зоне контакта из-за прерывистости процесса резания будет уменьшаться.

На практике, как бы не шлифовали зубчатые поверхности, контактирование под нагрузкой зубчатых колес при эксплуатации, из которых хотя бы одно - полукристаллическое, приводит к увеличенному образованию шероховатости поверхности и быстрому износу вследствие неоднородности деформации [2]. Различные структурные составляющие большинства сплавов неоднородны по поверхности и имеют разную ориентировку кристаллических зерен, выходящих на поверхность. В результате на отдельных площадках фактического контакта, даже при малых нагрузках, происходит внедрение твердых составляющих и кристаллов, обращенных к поверхности “сильными” гранями, в менее твердые структурные составляющие и “слабые” грани кристаллов. Глубина внедрения усугубляется с увеличением времени эксплуатации и зависит от физико-механических свойств материалов, шероховатости поверхности и нагрузки.

С целью улучшения качественных и эксплуатационных свойств поверхностного слоя материала в предлагаемой конструкции круга применен метод абразивно-алмазного электроконтактного избирательного шлифования с подводом напряжения в зону резания с помощью прерывистого токосъемника 5, обеспечивающего контакт только абразивно-алмазного круга с обрабатываемым материалом. По знаку потенциалы внешнего источника совпадают с поверхностными потенциалами импрегнаторов и обрабатываемого материала.

В системе абразивно-алмазное зерно - связка - импрегнатор - СОТС (смазочно-охлаждающие технологические средства) - обрабатываемая деталь касающиеся шлифуемой поверхности зерна связка и импрегнатор испытывают упругую деформацию, вследствие чего площадь контакта с обрабатываемым материалом увеличивается. При отсутствии импрегнатора поверхности зерен круга и обрабатываемой детали контактируют на очень малой площади, составляющей 0,01...0,0001 номинальной площади сопряженной поверхности. От режущих зерен и импрегнатора, у которого коэффициент температуропроводности выше, чем у обрабатываемого материала, в деталь поступает небольшая доля тепла. Кроме того, дополнительное внезонное охлаждение и очистка (не показаны) импрегнированного шлифовального круга снижают температуру рабочей поверхности круга, тем самым уменьшая температуру в зоне контакта с импрегнатором и с обрабатываемым материалом. Остальное тепло, поступающее в результате поверхностного трения скользящих зерен, связки, импрегнатора и стружки, приводит к непроизвольному разогреву металла (фиг.3). Таким образом, работающий импрегнированный круг можно представить как сплошной источник тепла со всеми особенностями, характерными для подвижного контакта.

При обработке материалов импрегнированными кругами, которая отличается от обработки традиционным инструментом тем, что тепло от тока выделяется избирательно в зоне резания и именно в тех местах, где дефектность (или плотность дислокации) выше, чем в среднем по объему, крупные карбиды растворяются в связи с образованием микроучастков высоких температур. Это объясняется тем, что локальная температура у какой-либо точки может быть в тысячи раз больше, чем на соседнем микроучастке, но это, как раз, приводит к тому, что среда нормализуется, а большие карбиды замещаются меньшими и притом “знающими свое место”. Благодаря такой короткой обработке мелкие карбиды соединяются с металлической решеткой по правилам той самой последовательности когерентной связи, которая не разрушает структуру, а, напротив, заставляет ее упрочняться: карбиды “вплетаются” в решетку.

В результате применения активных импрегнаторов при обработке поверхность металла получает обновленную оболочку с особыми свойствами. На поверхности образуется слой, который играет роль упрочняющего каркаса, что улучшает качественные и эксплуатационные свойства поверхностного слоя материалов.

Пример. Обработка цилиндрических колес с круговыми зубьями осуществлялась на модернизированном зубошлифовальном станке типа "Niles" мод. ZSTZ 315х6С (ГДР). Модернизация заключалась в развороте оси шлифовального шпинделя перпендикулярно направлению обката. Были отшлифованы зубья партии роторов шестеренных насосов ШФ8-25 с числом зубьев 10, модулем 4 мм и шириной венца 70 мм. Шлифование проводилось чашечным цилиндрическим прерывистым алмазным с медно-графитовым импрегнатором кругом с номинальным ⊘130 мм. Длина выступа - 45 мм, длина впадины - 22,5 мм.

Характеристика круга: АСВ 100/8- M1. Припуск на зубошлифование на толщину зуба - 0,3 мм; допуск припуска на толщину зуба (в тело) - 0,07 мм. Режимы зубошлифования: подача при обкатке - 0,65 мм/дв.ход; подача на глубину шлифования: предварительная - 0,10 мм/ход; окончательная - 0,02 мм/ход.

После обработки проводился контроль круговых зубьев, который осуществлялся в среднем сечении колеса на универсальном зубоизмерительном приборе фирмы Zeiss (ГДР), эвольвентомере типа КЭУ и биениемере мод. Б-10М. Точность шлифованных роторов по всем параметрам (отклонение и накопленная погрешность шага, радиальное биение зубчатого венца, колебание длины общей нормали, погрешность профиля зуба) была не ниже 7 степени точности по ГОСТ 1643-81.

Расположение пятна контакта проверялась по краске. Оно занимало середину зуба и не выходило на торцы. Длина пятна контакта и приведенные зазоры, замеренные щупом на торце зуба, соответствовали расчетным приведенным зазорам.

Проведенный рентгеноструктурный анализ поверхностных слоев показал, что происходит нагрев в зоне их обработки. В результате применения активных импрегнаторов при обработке поверхность металла получила обновленную оболочку с особыми свойствами. На поверхности образовался слой в виде упрочняющего каркаса, что улучшает качественные и эксплуатационные свойства обработанных шестерен.

Применение предлагаемого прерывистого шлифовального круга повысило производительность обработки в 1,5 раза, позволило исключить операцию получистового шлифования благодаря улучшению шероховатости на 1,5-2 класса. При этом расход абразивного инструмента снизился на 20%.

На основании проведенных опытов с применением материалов, предрасположенных к прижогам и к появлению шлифовочных трещин, установлено, что круги с прерывистой поверхностью по сравнению с обычными кругами при сочетании длин впадин и выступов l_вп/L_вс=0,5; (в нашем примере L_вс=45 мм; L_вп=22,5 мм.):

- снижают температуру в зоне контакта на 25-35%;

- позволяют шлифовать колеса с более форсированными режимами, не вызывая появления прижогов и микротрещин. За счет этого производительность обработки возрастает в 2-3 раза;

- сохраняют длительное время хорошую режущую способность зерен (работающие в режиме самозатачивания). Число правок кругов с прерывистой поверхностью уменьшается в 2-3 раза. Общая стойкость кругов с прерывистой рабочей поверхностью возрастает в 2-3 раза;

- в результате применения активных импрегнаторов при обработке поверхность металла получает обновленную оболочку с особыми свойствами, на поверхности образуется слой, который играет роль упрочняющего каркаса, что улучшает качественные и эксплуатационные свойства поверхностного слоя материалов.

Обработка предлагаемым прерывистым абразивно-алмазным импрегнированным кругом выгодно отличается повышенной виброустойчивостью, благодаря плавному и безударному входу и выходу режущей абразивной поверхности в зону резания, высокой прочностью инструмента, что повышает размерную стойкость инструмента, предотвращает поломку и выкрашивание абразива, а снижение температуры в зоне шлифования позволяет повысить интенсивность процесса, производительность и качество обработки, улучшить эксплуатационные свойства поверхностного слоя материалов.

Преимуществом обработки цилиндрических колес с круговыми зубьями предлагаемым импрегнированным прерывистым чашечным цилиндрическим кругом является сравнительная простота движений, а следовательно, простота конструкции станка и простота настройки. При шлифовании широковенцовых колес, с увеличенной зоной контакта круга с заготовкой, зона резания прерывается, и хотя сила резания возрастает, но снижается теплонапряженность процесса и улучшаются условия подвода охлаждающей жидкости в зону резания. В результате гарантируется бесприжоговая обработка поверхности зубьев, повышение производительности и точности зубообработки. Вследствие этого появляется возможность интенсивности процесса и получение на поверхности обновленной оболочки с особыми свойствами, которая играет роль упрочняющего каркаса.

Источники информации, принятые во внимание

1. Якимов А.В., Смирнов Л.П. Качество изготовления зубчатых колес. - М.: Машиностроение, 1979. С.143-144.

2. Чирков Г.В. Расчет теплового баланса при алмазном шлифовании с нанесением активных импрегнаторов. Ж. Техника машиностроения. 2000 г. № 3 (25). С.76-79.

3. А.с. 1096060 СССР, МКИ B 23 F 21/02. Шлифовальная сегментная головка / И.А. Коганов, Г.М. Шейнин, М.Н. Бобков и С.В. Кувшинов (СССР). - Опубл. 07.06.84. Бюл. № 21 - прототип.

4. Якимов А.В. Оптимизация процесса шлифования. - М.: Машиностроение, 1975,. - С.45-58.

Изобретение относится к обработке металлов резанием с использованием метода совмещенных технологий и может быть использовано в производстве колес с круговыми зубьями из материалов, предрасположенных к дефектообразованию. Прерывистый алмазно-абразивный круг выполнен чашечным цилиндрической формы. Его впадины и выступы имеют две образующие поверхности для одновременного профилирования выпуклых и вогнутых сторон зубьев. Предусмотрен токосъемник для подвода электрического тока безопасного низкого напряжения к кругу и обрабатываемому колесу. При этом впадины заполнены импрегнатором в виде медно-графитового сплава, а их длина составляет половину длины выступа. Такая конструкция повышает производительность обработки и обеспечивает получение обновленной оболочки с особыми свойствами, способствующей улучшению качественных свойств материала. 3 ил.

Прерывистый алмазно-абразивный круг чашечной цилиндрической формы для обработки колес с круговыми зубьями, выполненный с впадинами и выступами, имеющими две образующие поверхности для одновременного профилирования выпуклых и вогнутых сторон зубьев, отличающийся тем, что он снабжен прерывистым токосъемником для подвода электрического тока безопасного низкого напряжения к кругу и обрабатываемому колесу и осуществления электроконтактной обработки, а впадины заполнены импрегнатором в виде медно-графитового сплава, при этом длина впадины составляет половину длины выступа.