Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования .
1.1. Зубчатые колеса ответственного назначения и технология их изго- 8 товления.
1.2. Нарезание зубьев зубчатых колес . 19
1.3. Абразивная обработка зубчатых колес. Методы зубошлифования. 32
1.4. Выводы. 50
1.5. Цель и задачи исследования. 52
Глава 2. Обоснование и выбор оптимальных технологических условий профильного глубинного шлифования зубчатых колес .
2.1. Предпосылки профильного глубинного шлифования зубчатых элементов. 56
2.2. Назначение абразивного инструмента для профильного зубошлифования . 66
2.3. Разработка высокопористых кругов повышенной прочности. 76
2.4. Выводы. 83
Глава 3. Формообразование зубчатых колес и соединений методом профильного глубинного шлифования .
3.1. Профильное глубинное шлифование прямозубой рейки.
3.2. Изготовление зубчатых колес методом профильного глубинного шлифования .
3.3. Примеры профильного глубинного шлифования зубчатых колес.
3.4. Оптимизация процесса глубинного шлифования. 103
3.5. Выводы. 109
Глава 4. Точность и качество обработки зубчатых колес профильным глубинным шлифованием .
4. 1. Точность обработки зубчатых колес.
4.2. Устранение прижогов. 115
4.3. Результаты металлографического анализа . 117
4.4. Остаточные напряжения в поверхностном слое. 124
4.5. Эксплуатационные испытания. 128
4.6. Выводы 128
Глава 5. Производственные испытания и оценка экономической эффективности от внедрения новой технологии изготовления зубчатых колес .
5.1. Производственные испытания и внедрение новой технологии. 130
5.2. Оценка экономической эффективности внедрения новой технологии изготовления зубчатых колёс. 142
5.3. Выводы. 150
Общие выводы. 152
Список литературы. 156
Приложение. 167
- Нарезание зубьев зубчатых колес
- Назначение абразивного инструмента для профильного зубошлифования
- Изготовление зубчатых колес методом профильного глубинного шлифования
- Результаты металлографического анализа
Введение к работе
В современных условиях конкурентоспособность машиностроительной продукции на мировом рынке определяется не только ее высокими потребительскими свойствами, но в большей степени - быстротой реакции на их возможное изменение за счет освоения новых конструкций, материалов, технологий и ужесточения требований к точности и качеству изготовления.
Все более очевидной становится тенденция на непрерывное и быстрое обновление продукции с небольшими объемами выпуска при одновременном поиске путей снижения ее себестоимости. В этой связи резко возрастает потребность в мобильности и высоком технологическом уровне производства,, его насыщенности прогрессивными наукоемкими технологиями для изготовления изделий лучше мировых аналогов.
В представленной работе дается описание технологии, которая, по мнению автора, отвечает современным требованиям гибкости, производительности, ресурсосбережения, экономичности и экологической безопасности применения. Оригинальность разработанной технологии изготовления зубчатых колес и соединений заключается в интеграции в одном технологическом процессе противоречивых и ранее считавшихся несовместимых на практике высоких показателей по производительности и качеству обработки при чрезвычайно высокой гибкости освоения новой продукции. Этого удалось достигнуть за счет разработки и освоения оригинальной схемы профилирования при согласованном назначении оптимальных параметров процесса как по характеристике разработанного в данной работе инструмента, так и по режимам обработки с учетом технических возможностей существующего оборудования.
Работа проводилась в рамках выполнения международного проекта EUREKA EI2339 EUROENVIRON GRINDING при участи фирмы Carborundum Electrite a.s. (Чехия). Работа изначально была ориентирована на исполь-
зование имеющегося в России оборудования, а рекомендации разрабатывались с учетом конкретных технологических возможностей зубошлифоваль-ных станков и применяемых технологических схем профилирования зубчатых колес и соединений. Такой подход обеспечил достаточно быстрое и эффективное внедрение полученных результатов в промышленную практику.
В рамках международного проекта при финансовой поддержке Минпромнауки РФ по тематике данной работы было организовано сотрудничество с фирмами Carborundum Electrite a.s. (Чехия), Gleason-Pfauter, Dr. Kaiser, Stroh; институтом IWU-Fraunhofer (все - Германия) и др. Это позволило организовать изготовление опытных образцов специального абразивного и правящего алмазного инструмента для предварительных испытаний, а в ряде случаев и совместные исследования на новом оборудовании. В частности, на фирме Gleason-Pfauter на новом станке модели P400G были проведены сравнительные испытания вариантов технологии профильного глубинного шлифования зубчатых колес, разработанной автором, и аналога, применяемого в Германии. В техническом университете Магдебурга получены сравнительные данные по температурам шлифования, в Хемницком институте Фраун-хофер - результаты по многопроходному профилированию зубчатых колес различными высокопористыми кругами. Удалось, в этой связи, провести также сравнительный анализ технических возможностей большой номенклатуры и различных характеристик применяемого и нового оборудования, абразивного и алмазного правящего инструмента отечественного изготовления и зарубежных фирм. К указанным выше можно добавить зубошлифовальные станки фирм Reishauer, Oerlikon (Швейцария), Klingelnberg, Niles (Германия) и шлифовальные круги фирм Winterthur (Австрия), Burka Cosmos, Butzbach (Германия), Norton (Франция) и др.
В результате создана и внедрена в промышленность технология изготовления зубчатых колес и соединений, которая по производительности, качеству и гибкости не имеет аналогов в мире. Новая технология включает в
себя формообразование зубчатых колес и соединений из закаленных легированных сталей, а также жаропрочных никелевых и титановых сплавов глубинным шлифованием взамен методов лезвийной обработки, которое объединяет в одном технологическом процессе предварительное профилирование зубьев и их чистовое шлифование с обеспечением точности до СТ 4. Промышленная практика применения подтверждает ее универсальность для различных отраслей машиностроения.
Для реализации высокопроизводительной технологии зубошлифования на ОАО «Московский абразивный завод» организовано изготовление высокопористых кругов в промышленных масштабах. С учетом разработанных в работе рекомендаций ООО «Московский станкостроительный завод» освоил производство зубошлифовальных станков новых моделей МШ 441 и 5843Е, оснащаемых новым высокопористым инструментом.
На защиту выносятся:
теоретическое и экспериментальное обоснование возможности профилирования зубчатых колес и соединений глубинным шлифованием;
создание высокопористых абразивных кругов повышенной прочности для целей профильного глубинного шлифования;
технология изготовления зубчатых колес и соединений профильным глубинным шлифованием высокопористыми абразивными кругами;
результаты исследования точности, качества и ресурса зубчатых колес после профильного глубинного шлифования;
экономический анализ эффективности применения новой технологии;
примеры и результаты внедрения новой технологии на промышленных предприятиях.
Работа выполнялась при участии и поддержке специалистов из различных организаций. Автор выражает признательность и большую благодар-
ность своему научному руководителю проф., докт. техн. наук Старкову В.К., сотрудникам и аспирантам ШЩ «Новые технологии и инструменты» МГТУ «Станкин», начальнику отдела НТЦ НИИД канд. техн. наук Новикову B.C., а также всем сотрудникам ФГУП ММПП «Салют», оказавшим помощь при выполнении работы.
Нарезание зубьев зубчатых колес
Нарезание зубьев цилиндрических зубчатых колес ГТД является операцией предварительного зубопрофилирования, но от качества выполнения во многом зависит окончательное качество изготовленной детали /25, 39, 67, 68/. Нарезание зубьев производят двумя методами: зубофрезе-рованием и зубодолбдением. Фрезерование зубьев применяют для обработки зубчатых колес внешнего зацепления, конструкция которых обеспечивает свободный выход инструмента из зоны обработки. В настоящее время это наиболее распространенная операция предварительного формирования поверхности зубьев под последующие операции химико-термической обработки и шлифования зубьев. Метод нарезания зубьев фрезерованием заключается во взаимном непрерывном вращении (обкатке) инструмента и заготовки, общепринятом в авиационной промышленности методе зубофрезерования с использованием однозаходных червячных фрез за оборот фрезы заготовка поворачивается на один зуб.
Каждый зуб фрезы обрабатывает свой участок профиля, не перекрываемый другими зубьями. Следовательно, эвольвентный профиль будет состоять из множества прямолинейных участков, образованных серией резов. Таким образом, при одной частоте вращения и подачи фреза с большим числом зубьев (канавок) будет формировать более гладкий профиль. Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании инструмента (червячных фрез), так как качество последующей химико-термической обработки зависит от шероховатости поверхности зубьев.
Черновое зубофрезерование применяют для быстрого удаления основной массы металла, оставляя достаточно большой припуск на последующее фрезерование, при этом основное внимание обращается не на точность обработки, а на стойкость инструмента и его стоимость.
Получистовое зубофрезерование обычно выполняют с припуском под последующую механическую обработку, например, зубошевингование или зу-бошлифование.
Чистовое зубофрезерование применяют на деталях, не требующих последующей механической обработки, следовательно, окончательные размеры зубьев и требуемая точность должны быть получены на этой операции. В производстве зубчатых колес ГТД используют черновое и получистовое зубофрезерование. Это связано с особенностью конструкции зубчатых колес, которые выполняются с поднутренным основанием зубьев (выкружкой). Типовая конструкция зубчатого венца, имеющего поднутрение в основании, показана нарис. 1.4.
Назначение выкружки — обеспечение свободного выхода шлифовального круга, исключающее его касания дна впадины при выполнении операции зубошлифования. Выкружка формируется специально спроектированным элементом червячной фрезы, называемым протуберанцем. На рис. 1.5 приведен исходный производящий расчетный контур червячной фрезы с протуберанцем.
В процессе обработки зубьев такой фрезой на зубьях формируются две зоны - профиль зубьев, имеющий припуск по толщине зуба под последующее зубошлифование, и впадина, сформированная окончательно.
Червячные фрезы проектируют таким образом, чтобы обеспечить равномерный припуск по профилям зубьев для последующей финишной операции (зубошлифования). При этом необходимо помнить, что любая модификация инструмента приводит к изменению формы исходной рейки, таким образом, инструмент может быть использован только для обработки зубчатых колес с определенным числом зубьев.
Учитывая то, что основание зубьев является наиболее напряженным элементом зубчатого венца, к качеству выполнения выкружки предъявляются весьма жесткие требования. Прежде всего, это требование касается обеспечения шероховатости поверхности Ra 2,5 мкм симметричности ее расположения относительно впадины зубьев. К этому следует добавить и требование высокой точности к выполнению профилей, равномерности распределения по контуру зубьев упрочняющего слоя и ограниченность толщины слоя припуска, удаляемого на операции зубошлифования. Отсюда вытекают основные требования, предъявляемые к выполнению этой операции, а, следовательно, к оборудованию, на котором она выполняется: высокая точность обработки, обеспечивающая равномерность распределения припуска по зубчатому венцу; высокая жесткость станка, обеспечивающая заданную шероховатость поверхности; быстрая переналаживаемость станков, обеспечивающая высокую загрузку станков в условиях многономенклатурного производства.
Зубофрезерование выполняется на специализированных зубофрезер-ных станках. Зубофрезерный станок состоит из пяти основных элементов: шпиндель заготовки; шпиндель фрезы; механизм деления и обката, обеспечивающий синхронное вращение заготовки и инструмента в зависимости от числа зубьев нарезаемого колеса и числа заходов червячной фрезы; механизм перемещения фрезы в направлении оси обрабатываемого колеса; механизм перемещения фрезы на врезание для получения окончательного размера зубьев.
Основное правило фрезерования зубьев — усилие всегда должно быть направлено на стол, а не на контрподдержку. Различают три типа подач при зубофрезеровании —радиальная, осевая и тангенциальная. Во время машинного цикла возможно последовательное или непрерывное их комбинирование. Радиальная подача в чистом виде используется для нарезания червячных зубчатых колес и колес, конструкция которых не обеспечивает свободного выхода инструмента. Комбинирование осевой и тангенциальной подач применяется при обработке широких венцов, пакетов колес. При обработке зубчатых колес ГТД этот способ зубофрезерования позволяет повысить качество обработки, снизить шероховатость поверхности зубьев. Тангенциальное смещение фрезы в процессе нарезания зубьев (Shifting) позволяет использовать равномерно всю ширину фрезы, что существенно повышает период ее стойкости из-за равномерного износа зубьев по всей длине.
Мировым лидером в производстве зубофрезерных станков в течение многих лет является фирма Pfauter, которая в 1997 г. вошла в состав фирмы Gleason, сохранив при этом свою торговую марку для этих станков. В настоящее время в мировом машиностроении используется около 28 000 зубофрезерных станков, из которых около 1000 станков оснащены системами ЧПУ.
Назначение абразивного инструмента для профильного зубошлифования
Абразивный инструмент является определяющим элементом технологической системы шлифования. От правильного назначения характеристики шлифовального круга в значительной степени зависит характер протекания процесса шлифования, уровень его производительности, интенсивность теплообразования, износостойкость инструмента, точность и качество обработки.
Работа резания при шлифовании - это в основном работа трения абразивных зёрен об обрабатываемую поверхность, удельный вес которой составляет до 70 - 80% от общих энергетических затрат на съём материала. Это обусловлено тем, что большая часть абразивных зёрен, которые находятся на рабочей поверхности шлифовального круга, не участвуют в процессе резания, а только деформируют (сминают) обрабатываемый материал, являясь существенным источником теплообразования при шлифовании.
В этой связи применение шлифовальных кругов с уменьшенным содержанием абразивных зёрен в объёме инструмента и, соответственно, на его рабочей поверхности, то есть с высокими номерами структур, является фактором снижения работы трения при шлифовании и, как следствие, интенсивности теплообразования. Например, на рабочей поверхности шлифовального круга со структурой №12 (объёмное содержание зёрен составляет 38%) находится абразивных зёрен одной и той же зернистости на 20%, а у круга со структурой №20 (объёмное содержание зёрен - 22%) в 1,73 раз меньше, чем у круга с нормальной структурой №6 (объёмное содержание зёрен - 50%). Естественно ожидать, что при меньшем количестве зёрен на рабочей поверхности инструмента, всё большее их число будет активно участвовать в работе резания и более полно будет использован их режущий потенциал для удаления материала.
Количество зёрен на рабочей поверхности инструмента взаимосвязано с его объёмным содержанием, которое регламентируется номером структуры. В свою очередь, при увеличении номера структуры возрастает объём порового пространства, поэтому абразивный инструмент с номерами структуры более 9 принято называть высокопористым.
Применение высокопористых кругов при шлифовании за счёт уменьшения опорной длины режущего профиля и увеличения среднего расстояния между зёрнами снижает силу резания и контактную температуру шлифования на 40 - 50% /27, 28, 65/.
Именно использование высокопористых абразивных кругов на керамических связках в сочетании с оптимальными режимами обработки;, правки инструмента и условиями охлаждения создает предпосылки реализации процесса профильного глубинного шлифования зубчатых колес и: делает благоприятной перспективу расширения областей эффективного применения новой технологии при обработке сложнопрофильного режущего и накатного инструмента, хвостовиков турбинных и компрессорных лопаток из жаропрочных и титановых сплавов и других деталей, сложных в конструктивном и технологическом исполнении.
При изготовлении высокопористых кругов, например, с номерами структуры №№ 12 - 20, объём порового пространства должен составлять 55 - 75% объёма инструмента и зависит от содержания керамической связки, необходимого для получения заданной твёрдости. Без введения в состав абразивной массы твёрдых порообразователей технологически обеспечить высокую структуру с небольшим содержанием абразивного зерна невозможно.
Вводимый в абразивную массу порообразователь должен, с одной стороны, обеспечить её достаточно однородную по объёму инструмента формуемость и прочность формы на всех этапах изготовления после прессования, включая устойчивость к деформации при высокотемпературном спекании. С другой стороны, этот порообразователь при нагреве может вступать в химическое взаимодействие с абразивом и керамической связкой, изменяя их свойства..Чаще всего в технологии производства высокопористого абразивного инструмента используются продукты искусственного (нафталин) или естественного (молотые фруктовые косточки) происхождения, при выгорании которых образуются газы. Продукты выгорания, вырываясь под давлением на поверхность инструмента, формируют в его объёме сквозную пористость, форма, размеры, и ориентация которых носит случайный характер. При этом вырывающиеся газы разрушают мостики связи между абразивными зёрнами, снижая твёрдость и прочность шлифовального круга. Создаются предпосылки формообразования неоднородной по объёму структуры "абразив - связка" шлифовального круга с флуктуациями плотности и соответственно с повышенной неуравновешенностью масс и нестабильностью твёрдости.
В литературе подробно рассмотрены достоинства и недостатки высокопористого абразивного инструмента на основе выгорающих или вспучивающихся порообразователей (см., например, /65/). Можно только отметить, что эта технология не позволяет обеспечить экономичное производство качественного высокопористого инструмента с твердостью более, чем Ml - М2 и рабочей скоростью более 50 м/с. Сложной проблемой остаётся и изготовление крупногабаритных шлифовальных кругов со структурами 12-16 и выше. В МГТУ "СТАНКИН" /31, 34, 79, 80, 81, 82, 86, 88, 90/ разработана новая технология изготовления высокопористых шлифовальных кругов, у которых структура формируется с применением экологически безопасных, невыгорающих порообразователей в виде микросфер различного состава, размеров и свойств. Новая технология изготовления высокопористого абразивного инструмента оригинальна, прежде всего, своим составом абразивной массы. Оптимизация различных композиций по составу и количеству порообразователей в абразивной массе должна обеспечить заданные свойства инструмента по твёрдости, пористости (номеру структуры), разрывной прочности и неуравновешенности масс (дисбалансу). Подбор порообразователей должен удовлетворять требованиям экологической безопасности производства, а состав абразивной массы в целом должен гарантировать хорошие технологические свойства, включая повышенную прочность сырца, минимальные значения деформации инструмента при его сушке и высокотемпературном спекании, а также дисперсии твёрдости в объёме круга.
Предложенный состав высокопористой абразивной массы представ ляет собой сложную многокомпонентную и полиморфную композицию, в состав которой может входить до 10 — 12 компонентов в виде абразива, порообразователей и связующих, различных по своему химсоставу, плотности, форме, размерам и электростатическим свойствам.
Изготовление зубчатых колес методом профильного глубинного шлифования
Профилирование зубчатых колес с m = 3 мм иг = 35 проводилось на заготовках с размерами 110x60x60 из стали 16ХЗНВФМБ - Ш с объемной закалкой на твердость 29 32 HRC. Были изготовлены для испытаний 3 высокопористых шлифовальных круга типоразмера 1 300x20x127 с характеристиками: 25А 16П ВМ2 14 К, 25AS 16П ВМ2 16 К, 25А 16П Ml 12 К . Круги были изготовлены и протестированы на рабочую скорость шлифования 60 м/с (круг 25 AS 16П ВМ2 16 К с использованием микрокристаллической модификации SG имел рабочую скорость 35 м/с). Испытания проводились на профилешлифовальном станке с ЧПУ модели P400G фирмы Gleason - Pfauter (рис. 3.3) с правкой шлифовального круга на эвольвентный профиль m - 3 мм алмазными правящими роликами 0 150 мм с вставками PCD с R = 0,5 мм. Шлифование производилось с обильным охлаждением масляной эмульсией.
Испытывались варианты обработки по попутной и встречной схемам шлифования. Оценка эффективности процесса производилась по фактической мощности шлифования (в % от мощности главного привода, равной 15 кВт), погрешностей профиля и направления зуба, степени точности, шероховатости обработанной поверхности на различных участках профиля и радиуса впадины после обработки.
Сравнительные испытания 3 - характеристик высокопористых кругов на одинаковом режиме глубинного шлифования: VK = 35 м/с, SK = 200 мм/мин и t = 6 мм показали, что круги с характеристиками 25А 16П ВМ2 14 К и 25А 16П Ml 12 К на исследованном режиме обработки обеспечили формирование профиля m = 3 мм с погрешностями эвольвентного профиля до 4 мкм и направления зуба до 2,7 мкм.
При шлифовании кругом 25А 16П Ml 12 К мощность процесса была только на 4 % больше, чем при обработке кругом 25А 16ПВМ2 14 К, что объясняется его более высокой твердостью (соответственно Ml и ВМ2) и более низкой структурой (соответственно 12 и 14).
Шлифовальный круг с характеристикой 25 AS 16П ВМ2 16 К при испытаниях имел катастрофический износ, «потерял» свой профиль и не обеспечил формирование профиля за один проход.
Основные испытания и окончательная обработка двух зубчатых колес проводились в дальнейшем шлифовальным кругом с характеристикой 25А16ПВМ2 14К.
При испытаниях, помимо оценки эффективности назначения параметров режима профильного глубинного шлифования, оценивались также целесообразность повышения скорости глубинного шлифования от 35 до 60 м/с и выбор оптимального цикла «обработка - правка круга» для различных условий шлифования.
Установлено, что при скорости круга 35 м/с и глубине шлифования 6 мм обеспечивается точное профилирование при скорости вертикального перемещения круга от 50 до 200 мм/мин (скорость съема металла увеличи-вается от 5 до 20 мм /ммхс) с возрастанием мощности процесса от 3,75 до 4,7 кВт или на 25%. На предельной скорости перемещения круга, равной 200 мм/мин, возможен цикл обработки с правкой инструмента после шлифования 2 - впадин: в этом случае сохраняется точность профилирования, а мощность процесса при бесприжоговом шлифовании 2-й впадины кругом без правки возрастает только на 17 %.
При увеличении скорости круга от 30 до 60 м/с было установлено, что при высоких скоростях шлифования существенно возрастают мощность процесса и вероятность появления прижогов на обработанной поверхности.
При скорости шлифования 50 м/с, скорости перемещения круга 200 м/мин и глубине 6 мм, мощность увеличилась с 4,7 (при VK = 35 м/с) до 5,3 кВт, а при шлифовании 2 й впадины на обработанной поверхности появились сильные прижоги.
Мощность профилирования N впадины увеличивается пропорционально скорости круга (рис. 3.4, а), а тангенциальная составляющая силы резания Pz при этом уменьшается (рис. 3.4, б). Соответствующим образом повышается и предельная мощность профилирования за один проход. При этом возможность пропорционального увеличения скорости подачи детали одновременно с повышением скорости круга ограничена из-за интенсивного нагрева зоны резания и появления прижогов на обрабатываемых поверхностях зубьев. Уже при обработке 2-й впадины без правки шлифовального круга при скорости 50 м/с и 5д = 200 мм/мин появляются отдельные слабые прижоги, при VK = 60 м/с и Бд = 250 мм/мин прижоги на обрабатываемых поверхностях становятся очевидными даже при визуальном осмотре.
При обработке впадины с глубиной 6 мм на скорости круга 60 м/с со скоростью его вертикального перемещения 250 мм/мин наблюдается интенсивный рост мощности (более 9,5 кВт), процесс съема металла протекал N, кВт
После предварительных испытаний были выбраны два варианта изготовления зубчатых колес с m = 3 мм и Z = 35 методом профильного глубинного шлифования. 1 вариант: черновая обработка (встречная схема шлифования - подача круга вверх) на режиме: VK = 35 м/с, SK = 200 мм/мин, t = 6 мм с черновой правкой круга после обработки 2 - впадин; чистовая обработка (встречная схема) на режиме: VK = 35 м/с, SK = 800 мм/мин, t = 0,75 мм с чистовой правкой круга после обработки 5 впадин. Ускоренное перемещение круга вниз после обработки впадины во всех случаях составляло 2000 мм/мин. 2 вариант: черновая обработка при VK = 35 м/с и SK = 600 мм/мин включает последовательное увеличение глубины шлифования на 2,4 мм (1— проход -встречная схема), 2 мм (2 - проход - попутная схема) и 2 мм (3 - проход - встречная схема) с черновой правкой круга после обработки 2 — впадин; чистовая обработка при VK =35 м/с за 2 прохода при t = 0,25 мм и SK = 2000 мм/мин (встречная схема) и t = 0,1 мм, SK= 1500 мм/мин (попутная схема) с чистовой правкой круга после обработки 18 впадин.
Время правки шлифовального круга для станка модели P400G составляет: черновая правка (профилирование рабочей поверхности) - 0,18 мин, чистовая - 0,27 мин.
Предложенные варианты принципиально отличаются своими подходами к назначению условий профильного глубинного шлифования зубчатых колес. По первому варианту профилирование зубьев обеспечивается минимально возможным количеством проходов: черновой проход заменяет зубофрезерование, чистовой проход - чистовое шлифование. По второму варианту количество проходов увеличивается за счет перераспределения припуска на обработку с минимизацией нагрузки при одновременном совмещении рабочих и холостых ходов и увеличении их скоростей.
2 - вариант обработки аналогичен процессу профильного глубинного шлифования зубчатых колес шлифовальными кругами из КНБ на металлических связках, который применяется на фирме Gleason - Pfauter. Результаты сравнения приведены в табл. 3.1.
Результаты металлографического анализа
При многопроходном профилировании паза зубчатой рейки большое влияние на качество обработки оказывает технологическая наследственность от предыдущих проходов и их количество. В этой связи не всегда чистовые завершающие проходы шлифовального круга могут обеспечить формирование поверхностного слоя с минимальными искажениями его структуры. В качестве примера можно сравнить результаты обработки двух различных вариантов (см. п.п.1 и 3 табл. 4.2). При первом варианте за 4 прохода несмотря на большую плотность затрачиваемой энергии - 16,2 Дж/мм качество обработки лучше, чем при другом варианте за 6 проходов при меньшем уровне затрачиваемой энергии - 7,68 Дж/мм Этот вывод подтверждает и пример 4 табл. 4.2.
Как дополнительный фактор при анализе рассмотренных вариантов обработки необходимо учитывать и схему крепления заготовки, и направление движения и вращения шлифовального круга относительно неё. Эксперименты проводились на прямоугольной рейке, которая консольно крепилась в тисках, обеспечивая возможность реализации горизонтальной и вертикальной схем профилирования. Безусловно, что для этих условий более предпочтительной для глубинного шлифования является горизонтальная схема, при которой достигается более высокая жесткость технологической системы резания.
При назначении характеристики высокопористого шлифовального круга целесообразней использовать инструмент с большей зернистостью и меньшей структурой, чем с более мелким зерном и большим номером структуры.
После анализа приведенных в табл. 4.2 результатов можно сделать заключение, что оптимальными условиями профильного глубинного шлифования зубчатых колес с точки зрения формирования поверхностного слоя с минимальными структурными изменениями является горизонтальная встречная схема обработки с минимальным количеством проходов шлифовальным кругом с характеристикой 25А 16П М2 12 К5.
Помимо многопроходного профилирования паза зубчатой рейки были проведены эксперименты по оценке прямого влияния режима глубинного шлифования на формирование свойств поверхностного слоя. Профилирование паза шириной 2 мм выполнялось при оптимальных условиях шлифования кругом с характеристикой 25А 16П М2 12 К5 при горизонтальной встречной схеме обработки. Глубина прохода изменялась от 0,5 до 3 мм, скорость продольного перемещения стола выбиралась таким обра-зом, чтобы обеспечить постоянство произведения txSfl, равным 60 мм /мин.
Результаты металлографического исследования поверхностного слоя после обработки показаны на рис. 4.3. Несмотря на то, что сохраняется постоянным произведение t SA, глубина измененного слоя h и степень наклепа обработанной поверхности N увеличивается с возрастанием глубины прохода t. Это объясняется тем, что глубина резания при профилировании зубьев неявным образом влияет на фактический съем материала несоответственно, на термодинамическую напряженность процесса глубинного шлифования.
В процессе формообразования профиля после каждого прохода на обработанных поверхностях зубьев визуально фиксировались повреждения шлифовочного характера - прижоги, следы дробления и др.
Практически во всех случаях профильного глубинного шлифования зубчатой рейки из стали 16ХЗНВФМБ-Ш ее исходная структура мартенсита отпуска трансформируется в структуру вторичной закалки в тонком приповерхностном слое с повышением микротвердости с последующим переходом в зону вторичного отпуска. При неблагоприятных условиях глубинного шлифования в поверхностном слое наблюдается структура вторичной закалки с повышенной микротвердостью по впадинам и из закалённой стали 16ХЗНВФМБ-Ш п/п Условия шлифования Режим обработки Глубина измененного слоя, мм Микротвёрдость, Степень наклёпа, % Примечание t, мм мм/мин N, кВт Поверхность Сердцевина 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1 Шлифовальный круг 25А 12П ВМ2 14 К5 Схема вертикальная встречная Ширина впадины 4 мм 1,0 1,0 1,0 2,0 20 20 30 30 1,08-1,26 1,26 1,08 3,24 0,19-0,23 533 449 18,7 После первых 3-х проходов обработанная поверхность чистая, после 4-го прохода - сильный прижог
2 2,6 1,0 1,0 0,5 30 30 30 30 2,16 1,26 1,62 1,26 0,23 533 449 18,7 После первого прохода сильный прижог, в дальнейшем формируется чистая поверхность
3 Шлифовальный круг25А 12П ВМ2 14 К5Схема вертикальнаяпопутнаяШирина впадины 2 мм 2,0 1,5 1,0 0,5 0,7 0,1 40 50 60 100 100 100 1,44-1,62 2,16 1,26 1,26 2,16 0,72 0,61-0,86 533 449 18,7 Прижог кромок зубьев Прижог увеличился Формируется чистая поверхность То жеПоявился прижог Прижог удалён
4 1,5 1,0 1,0 0,7 0,7 0,3 40 50 50 60 60 90 0,9-1,081,08 1,26-1,441,08 1,26-1,440,72 0,13-0,61 533 412-449 18,7-29,4 Прижог на выходе круга Прижог сохраняется Формируется бесприжоговая поверхность
5 Шлифовальный круг25А 12П ВМ2 14 К5Схема горизонтальнаяпопутнаяШирина впадины 2 мм 2,0 1,5 1,5 1,0 40 50 50 70 0,8-1,08 1,26 1,08 1,26 0,023 560 449 24,7 На всех проходах формируется чистая поверхность
6 2,5 1,5 1,0 1,0 40 50 70 70 1,08-1,261,8 1,98-2,162,16 0,01 560 412-449 24,4-35,9 Во всех случаях прижоги не наблюдались
7 Шлифовальный круг 25А 12П ВМ2 14 К5 Схема горизонтальная встречная Ширина впадины 2 мм 2,0 1,5 1,5 1,0 ОД 40 40 40 60 60 1,08 1,26-1,44 1,98 3,72 0,72 Изменений в структуре не обнаружено 533 449 18,7 Прижог на поверхности Поверхность чистая
8 Шлифовальный круг 25А 12П М2 16 К5 Схема горизонтальная встречная Ширина впадины 2 мм 2,0 1,5 1,5 1,0 40 40 30 20 1,8-2,161,8-2,881,981,98 0,01 481 412-449 7,1-16,7 Следы дробления и прижог наповерхностиПоверхность чистая без прижо-гов
9 2,5 1,5 1,5 0,5 20 20 30 50 1,8-2,441,8 1,8-2,88 1,26-1,44 Изменений в структуре не обнаружено 481 412-449 7,1-16,7 Следы дробления на обработанной поверхностиПоверхность чистая
10 3,0 1,5 1,0 0,5 20 30 40 70 2,16-2,7 1,8 1,982,8-3,6 Изменений в структуре не обнаружено 481 412-449 7,1-16,7 Следы дробления на поверхности Следы дробления, прижог
11 Шлифовальный круг 25А 16П М2 12 К5 Схема горизонтальная встречная Ширина впадины 2 мм 3,0 1,5 1,0 0,5 20 30 40 70 2,44 1,62 1,8 1,98 Изменений в структуре не обнаружено 491 412-449 9,3-19,2 Во всех случаях прижоги и следы дробления не наблюдались профилю зуба в виде эллипса с шириной по центру от 0,2 до 0,86 мм и длиною от 1,28 до 5 мм.
Результаты металлографического исследования микроструктуры пазов после профильного шлифования свидетельствуют о том, что геометрия паза (площадь сечения), схема и режимы обработки, а также характеристика шлифовального круга оказывают большое влияние на характер формирования поверхностного слоя - глубину измененного слоя и степень его наклепа.
