graduate student
Perm, Russian Federation
employee
Perm, Perm, Russian Federation
employee
Perm, Perm, Russian Federation
employee from 01.01.2017 until now
Rostov-on-Don, Rostov-on-Don, Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 55.13 Технология машиностроения
The work purpose consists in the technological capacity updating of the method for cog-wheel continuous run-in gear grinding based on the purpose of efficient modes and characteristics of the worm disk. The investigation methods are based on mathematical modeling and planning experiments. Machining aircraft cylindrical cog-wheels and special samples was carried out on modern NC machines, benches and plants with the use of up-to-date test equipment: coordinate inspection machine KIM R-100 “Klingelnberg”, profile meter MarSurf M300S “Mahr”, optical microscope Axiovert 400MAT “Zeiss”, electronic scanning microscope Tescan Mira3 “Tescan”, micro-hardness gage Micro Met 5104 “Buehler”, X-ray diffractometer Xstress Robot “Stresstech OY”, Barkhausen digital nose analyzer Rollscan 350 “StresstechOY”, plant APOON on the well-known and developed techniques. The research results and novelty. Special strategy and cutting modes at the required characteristics of the combined polish-grinding worm allow ensuring gear profile roughness Ra=0.089 mkm keeping high accuracy of a ring gear (gear profile error Fa=1.6mkm) without gear honing thereby increasing productivity. The quality researches of gear surface layer give grounds for the application of the method for aircraft cog wheels.
gear grinding, run-in method, worm disk, degree, accuracy, surface layer
Введение
Задача совершенствования технологических операций, раскрытие потенциальных возможностей оборудования применительно к комбинированным способам воздействия решена для цилиндрического зубчатого колеса планетарной передачи главного редуктора, передающего мощность от пары газотурбинных двигателей на несущий винт вертолета. Конструкторской документацией определены требования, предъявляемые к зубчатому венцу с числом зубьев z=29, модулем m=6, углом профиля α=28° и шириной b=48 мм [1]. Твердость поверхностей зубьев обеспечивается цементацией на глубину 1,5 – 1,8 мм и последующей объемной закалкой до поверхностной твердости HRC³61. Контроль поверхности на шлифовочные прижоги травлением после операции зубошлифования. Зубчатый венец изготавливают по 5-5-4 степени точности согласно ГОСТ 1643-81. Шероховатость профилей зубьев не должна превышать Ra£0,16 мкм. Оптимальный контакт зацепления обеспечивается за счет применения модификации профиля по головке зуба, глубина которого составляет fKo=36...26 мкм, длина его развернутости 3,3...4,0 мм.
Для обеспечения вышеуказанных требований серийной технологией, предусмотрено выполнение двух операций. Зубошлифование направлено на нивелирование коробления после химико-термической обработки и обеспечение требуемой геометрической точности зубчатого венца, толщин зубьев и погрешности профиля зубьев. Несмотря на достигаемую точность (рис. 1а), сдерживающим фактором применения зубошлифования в качестве окончательной операции является получаемая шероховатость профиля зубьев Ra>0,2 мкм. Для обеспечения требуемой шероховатости Ra≤0,16 мкм выполняют зубохонингование алмазным хоном. При этом значительно ухудшается геометрическая точность эвольвенты – погрешность профиля зуба Fa и размер фланка fKo (рис. 1б). Анализ результатов измерений показал, что после операции зубохонингования погрешность профиля зуба ухудшается и в некоторых случаях может превышать допуск. Ухудшение погрешности профиля зубьев на операции зубохонингования обусловлено несовершенством профилей зубьев алмазного хона, которые переносятся на профиль зубьев, что ухудшает класс точности зубчатого венца по нормам плавности зацепления, достигнутого на операции зубошлифования. Правка алмазного хона позволяет несколько улучить показатели погрешности профиля зубьев до Fa=5,8 мкм. Однако, правка достаточно трудоемкий процесс шлифования профиля алмазного хона, который выполняется за несколько операций на основном технологическом оборудовании для обработки зубчатых колес.
Таким образом, при изготовлении зубчатого венца цилиндрического колеса возникает два противоречия. Первое противоречие заключается в том, что процесс обкатного зубошлифования позволяет достигать высокую степень точности зубчатых колес, не обеспечивая при этом требуемую шероховатость поверхности зуба. Второе противоречие заключается в том, что процесс зубохнингования позволяет обеспечить требуемую шероховатость поверхности профиля зуба, но при этом ухудшает степень точности зубчатого венца - увеличивается погрешность профиля зуба.
Исследования российских и зарубежных ученых отражают значимость финишной обработки [2-7]. Авторы работы [3, 4] после экспериментальных исследований доказали, что долговечность зубчатой передачи связана с толщиной масляной пленки, которая, в свою очередь, зависит от шероховатости. Уменьшение шероховатости является одним из способов увеличения удельной толщины масляной пленки. В материалах исследований [3] приводятся сведения об испытаниях на износостойкость и выносливость зубчатых колес с шероховатостью профилей Ra=0,44 мкм после операции зубошлифования и зубчатых колес с шероховатостью Ra=0,07 мкм после виброабразивной обработки. Шлифованные зубчатые колеса к концу испытаний на износостойкость имели 79% повреждения поверхности микропиттингом, отклонения формы профиля составило 28 мкм. После испытания на выносливость потеря веса эти зубчатых колес составила 129 мг. Поверхности зубьев дополнительно обработанные виброфинишированием не имели повреждений микропиттингом, отклонения формы профиля к концу испытаний на износостойкость составило 0,5 мкм. Потеря веса составила 13 мг после испытания на выносливость. В статье [4] ученые проводили исследования на износостойкость зубчатой передачи двухступенчатой коробки передач аэрокосмической отрасли. В испытании участвовали две группы зубчатых колес. Первая группа зубчатых колес обработана по технологическому процессу, включающего операции зубошлифования, дробеструйной обработки, зубохонингования. Шероховатость поверхности профиля зубьев после этой технологической цепочки составила Ra=0,335 мкм. Вторая группа зубчатых колес вместо операции зубохонингования была подвергнута виброабразивной обработке, после которой шероховатость составила Ra=0,087 мкм. Зубчатые колеса после виброабразивной обработки имели меньшие поверхностные повреждения после 2000 часов испытаний, чем хонингованные после 150 часов. В исследовании [5] приводятся данные полирования зубчатых колес в среде структурно-вязкой жидкости, содержащую абразив, мультигидроксильный полимер и диспергатор. Экспериментальные результаты показали, что шероховатость может достигать Ra=12 нм после 25 минут полировки. Авторы [5] доказали, что этот метод улучшает качество поверхности и механические свойства материала, снижает концентрацию напряжений у основания зуба, увеличивает сопротивление усталости. Таким образом, исследования [3-5] позволяют заключить, что снижение шероховатости увеличивает нагрузочную способность поверхностей зубьев при любой финишной обработке.
|
Профиль зуба |
а)
|
Профиль зуба |
|
Профиль зуба |
б)
Рис. 1. Протокол измерения параметров погрешности профилей зубьев
на зубоизмерительной машине P-40 Klingelnberg после операций:
а – зубошлифования; б - зубохонингования
В работе [6] приводит данные исследовательских проектов, которые подтверждают, что зубчатые колеса после виброабразивной обработки имеют четырехкратный срок службы по сравнению с только шлифованными. А виброабразивная обработка в сочетании с дробеструйной улучшает несущую способность боковых поверхностей зубчатых колес. Кроме того, в работе [6] приведены данные снижения показателей трения на 15% в зубчатой передаче после зубошлифования комбинированным кругом с получением шероховатости Ra<0,1мкм сопоставимой с виброабразивной обработкой при минимальном времени цикла. В работе [7] отмечается негативное воздействие вибрационной отделочной обработки на геометрические параметры профилей зубьев.
Основная часть и результаты
Каждая вид финишной обработки зубчатых колес имеет свои преимущества и недостатки. В данной статье для решения выявленного противоречия, основываясь на серийности авиационного производства и имеющихся мощностях, проведены испытания комбинированного червячного круга производства Reishauer AG 1-275х125х160A80G8V 0167/EK800. Комбинированный червячный круг позволяет объединить две операции зубошлифования и зубополирования, за счет присоединения полировального круга к классическому червячному шлифовальному кругу. Подобные технические решения использования переменной абразивной способности в осевом направлении для повышения производительности, за счет объединения стадий черновой, чистовой и отделочной обработки на бесцентровых шлифовальных станках приводится в работах российских ученых [8]. В работах [6, 7] автором представлены общие сведения об испытаниях комбинированного червячного круга, но не раскрыты стратегия обработки, режимы резания, характеристики абразивного круга, получаемые параметры точности зубчатого венца и шероховатости поверхностей профиля зубьев, параметры качества поверхностного слоя. Таким образом данные работ [6, 7] носят демонстрационный характер технологических возможностей комбинированного червячного круга производства Reishauer AG.
Появление у червячного шлифовального круга нового свойства – полирования раскрывает для существующего зубошлифовального оборудования новые возможности при обеспечении требований точности и шероховатости поверхности зубьев. Общеизвестно, что внедрение новых технологий обработки связано с затратами [9], при этом стоимость инструмента от общих затрат составляет лишь порядка 1%, примерно 3% составляют затраты на СОТС, 10% - затраты на обеспечение качества, 19% - заработная плата рабочих, 32% - стоимость обслуживания оборудования и 35% - стоимость оборудования. Поэтому внедрение нового инструмента считается обоснованным вложением, при обеспечении качества и повышении производительности.
Работа комбинированного червячного круга (рис.2а) заключается в снятии основного припуска шлифовальной частью круга, при обеспечении заданной точности [1], и срезании вершин микронеровностей полировальной частью (рис.2б), при этом впадины шероховатости остаются нетронутыми для удержания масляной пленки в эксплуатации зубчатых колес. Шлифовальная часть состоит из мелкокристаллических соединений зерен Al2O3, смешанных с белым оксидом алюминия, размер частиц при самозатачивании ≤30 мкм (рис. 2в). Каждое отдельное зерно размером 150-200 мкм состоит из агломерата острых частиц, которые легко самозатачиваются при высокой скорости удаления материала, поддерживают устойчивый процесс. Полировальная часть круга состоит из электрокорунда белого EK800 с размерами зерна 10-20 мкм на вспененной полиуретановой связке, обеспечивающей полирующий эффект.
а) б) в)
Рис. 2. Моделирование резания комбинированным кругом:
а - комбинированный червячный круг; б - образование шероховатости
после шлифовальной и полировальной частей; в - схема самозатачиваниях [6]
Методика проведения экспериментальных исследований, стратегия и режимы резания процесса зубошлифования комбинированным шлифовально-полировальным кругом на станке Reishauer RZ basic отражены в работе [10]. На операцию зубошлифования цилиндрическое зубчатое колесо поступает после химико-термических операций с шероховатостью профиля зубьев Ra=3,05 мкм (рис. 3а). Шероховатость после зубошлифования первой частью комбинированного круга составляет Ra=0,242 мкм (рис.3б). После обработки полировальной частью круга величина микронеровности профиля зуба составляет Ra=0,089 мкм (рис. 3в).
а) Ra=3,050 мкм, Rz=15,82 мкм, Rmax=21,84 мкм
б) Ra=0,242 мкм, Rz=1,818 мкм, Rmax=2,609 мкм
в) Ra=0,089мкм, Rz=0,579 мкм, Rmax=0,721 мкм
Рис. 3. Профилограммы шероховатости поверхностей после: а - химико-термической обработки;
б - зубошлифования; б - зубополирования
Достигнутая погрешность профиля зуба после обработки комбинированным кругом составляет Fa=1,6 мкм при допуске Fa=6 мкм. Согласно DIN 3962-1-1978 первой степени точности соответствует допуск погрешности профиля зуба равный Fa=2,5 мкм.
|
Профиль зуба |
Рис. 4. Протокол измерения параметров погрешности профилей зубьев
после зубошлифования комбинированным кругом
Заключение
На основании полученных результатов исследований, можно сделать вывод о том, что применение комбинированного шлифовально-полировального червячного круга на станке RZ basic обеспечивает высокую степенью точности Fa=1,6 мкм и шероховатости поверхности Ra=0,089 мкм. А значит снимаются противоречия, выявленные при зубохонинговании. Анализ исследования остаточных напряжений, микроструктуры и микротвердости, в ранее проведенных исследованиях [11], дает основания для использования комбинированного червячного круга на авиационных зубчатых колесах. Таким образом, комбинированный червячный шлифовально-полировальный круг повышает технологические возможности метода непрерывного обкатного зубошлифования без значительных вложений - обработка производится на том же зубошлифовальном станке, при этом повышается производительность и исключаются затраты, связанные с дополнительной операцией зубохонингования.
1. Vorozhcova, N.A. Povyshenie proizvoditel'nosti obrabotki satellitov putem sovmescheniya operaciy zuboshlifovaniya i zubopolirovaniya / N.A. Vorozhcova, A.S. Gorbunov, V.F. Makarov // Innovacii v mashinostroenii: sb. tr. X Mezhdunar. nauch.-praktich. konf./ Kuzbasskiy gos. tehn. un-t im. T.F. Gorbacheva; pod red. V.Yu. Blyumenshteyna. - Kemerovo, 2019. - S.23-29.
2. Tamarkin, M.A. Analiz sovremennogo sostoyaniya finishnyh metodov obrabotki v srede svobodnyh abrazivov detaley, imeyuschih malye pazy i otverstiya / M.A. Tamarkin, E.V. Smolencev, E.N. Kolganova // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. - 2019. - № 1. - S.122-129.
3. Winkelmann, L. The effect of superfinishing on gear micropitting / L. Winkelmann, O. El-Saeed, M. Bell. - Tekst : elektronnyy // Gear technology : elektronnyy zhurnal. - 2009. URL: http://geartechnology.com/articles/0309/The_Effect_of_Superfinishing_on_Gear_Micropitting (data obrascheniya: 01.02.2021).
4. Blake, G. Case study involving surface durability and improved surface finish / G. Blake, J. Reynolds. - Tekst : elektronnyy // Gear technology : elektronnyy zhurnal. - 2012. URL: https://www.geartechnology.com/issues/0812x/blake.pdf (data obrascheniya: 01.02.2021).
5. Duc-Nam Nguyen. Machining parameter optimization in shear thickening polishing of gear surfaces / Duc-Nam Nguyen, Thanh-Phong Dao, Chander Prakash [i dr.]. - Tekst : elektronnyy // Jmr&T. Elsevier: elektronnyy zhurnal. - 2020. URL: http://researchgate.net/publication/339814754_Machining_Parameter_Optimization_in_Shear_Thickening_Polishing_of_Gear_Surfaces (data obrascheniya: 01.02.2021).
6. Walter, G. Polish grinding of gears for higher transmission efficiency / G. Walter. - Tekst : elektronnyy // Gear solutions : elektronnyy zhurnal. - 2016. URL: http://gearsolutions.com/features/polish-grinding-of-gears-for-higher-transmission-efficiency (data obrascheniya: 01.02.2021).
7. Walter, G. Shlifovanie i polirovanie zubchatyh koles / G. Walter - Tekst : elektronnyy // Ritm mashinostroeniya : elektronnyy zhurnal. - 2016. URL: https://ritm-magazine.ru/ru/public/shlifovanie-i-polirovanie-zubchatyh-koles (data obrascheniya: 10.05.2020).
8. Patent № 2240913 Rossiyskaya Federaciya, MPK V24V 5/18 (2006.01), V24V 1/00 (2006.01). Sposob bescentrovogo shlifovaniya : № / 2303108147/02 zayav. 24.03.2003 : opubl. 27.11.2004 / Svirschev V.I., Flegentov V.K., Makarov V.F., Podbornov I V. zayavitel' OAO "PAO Inkar". - 4 s.
9. Ermolaev, V.K. Tochnost', klassifikaciya i stoimost' zuboshlifovaniya / V.K. Ermolaev - Tekst : elektronnyy // Ritm mashinostroeniya : elektronnyy zhurnal. - 2018. URL: https://ritm-magazine.ru/en/node/2515 (data obrascheniya: 19.05.2020).
10. Vorozhcova, N.A. Obrabotka zubchatyh koles sbornymi shlifoval'no-poliroval'nymi krugami / N.A. Vorozhcova, V.F. Makarov, M.V. Pesin // Vestnik PNIPU. Mashinostroenie, materialovedenie. - 2020 - №1. S.79-87.
11. Vorozhcova, N.A. Obespechenie kachestva zubchatogo venca cilindricheskih koles pri obrabotke kombinirovannym shlifoval'no-poliroval'nym chervyachnym krugom / N.A. Vorozhcova, A.S. Gorbunov, V.F. Makarov // Naukoemkie tehnologii v mashinostroenii. - 2019. - № 2. S.22-28.
