Проблемы изготовления точных зубчатых колес со шлицевыми отверстиями

Марголит Р.Б., к.т.н., доцент, Близняков Е.В., ведущий технолог, Терехова О.А., инженер ОАО «Рязанский станкостроительный завод»

Исходя из конструкторских соображений, весьма привлекательно использовать шлицевые соединения для посадки зубчатых колес на валы в редукторах и коробках скоростей. Далее, с целью сохранения единства терминологии с ГОСТ 1139–80 на прямобочные шлицевые соединения втулками будем называть зубчатые колеса, зубьями - выступы шлицевых валов, пазами соответствующие впадины в отверстиях втулок.

Шлицевые соединения передают большой крутящий момент, на первый взгляд, хорошо центрируют втулки по цилиндрическим поверхностям и боковым сторонам пазов. Однако более внимательное изучение выявляет серьезные трудности именно с проблемой центрирования, что особенно важно при изготовлении точных зубчатых колес.

Стандарт на прямобочные шлицевые соединения предусматривает три вида центрирования: по наружному диаметру, по внутреннему диаметру и по боковым сторонам зубьев. В конструкциях машин обычно используют первые два, с учетом, что по боковым сторонам зубьев-пазов также происходит центрирование, но с несколько большими зазорами, чем по посадочному диаметру.

Для подвижных соединений зазор минимален между отверстием и валом только по одному из видов поверхностей: при центрировании по наружному диаметру минимален зазор между наружной поверхностью вала и наружной поверхностью шлицевого отверстия втулки, при посадке по внутреннему диаметру минимален зазор по внутренним поверхностям. По непосадочным поверхностям зазор максимален.

Соответственно с уменьшением величины зазора повышаются требования к точности поверхностей. Указанный стандарт рекомендует выполнять размеры диаметров посадочных поверхностей вала по 6-му – 7-му квалитетам и втулки по 7-му – 8-му, ширину зубьев валов по 7-му – 9-му и пазов втулки по 8 – 9 квалитетам. Размеры нецентрирующих диаметров нужно выполнять по 10 – 12 квалитетам точности.

Технологические соображения изменяют образ привлекательности шлицевых соединений для посадки зубчатых колес на противоположный. Это связано с тем, что у одной из двух деталей соединения, а именно у втулки, имеются нетехнологичные поверхности: наружные диаметры отверстий и пазы. Нетехнологичность определяется малодоступностью этих поверхностей для последующей обработки. А необходимость в такой обработке обязательно возникает, особенно, если зубчатые колеса подвергаются термической обработке. Рассмотрим это утверждение более подробно.

Основополагающие принципы достижения высокого качества обработки свидетельствуют о потере первоначальной точности ранее обработанных поверхностей при последующей обработке других поверхностей заготовки. Это связано с действием внутренних напряжений. Нарушения первоначально достигнутой точности будут более значительными при снятии больших объемов материала, а также при выполнении различных видов термообработки. Для повышения точности вынуждены проводить повторную чистовую обработку наиболее точных поверхностей.

Вначале рассмотрим механизм потери первоначальной точности шлицевых отверстий при обработке зубчатых колес. Затем рассмотрим, какими методами повторной обработки отверстий мы располагаем, и как они влияют на первоначально достигнутую точность. В заключение будет описан разработанный авторами способ обработки шлицевых отверстий с посадкой по внутреннему диаметру.

Механизм потери первоначально достигнутой точности

Шлицевые отверстия с центрированием по наружному диаметру протягивают окончательно, а при центрировании по внутреннему диаметру на нем оставляют припуск под последующую обработку. Затем выполняют токарную обработку наружных поверхностей, зубонарезание и закалку. Для проведения последующей качественной финишной зубообработки необходимо иметь качественные базы – отверстие и торцы. Однако имеющиеся в материале заготовки внутренние напряжения и дополнительные напряжения термической обработки вызывали деформации во всем объеме заготовки, которые затронули и поверхности шлицевого отверстия.

С целью уменьшения одной из составляющих деформаций целесообразно выполнять до протягивания отверстия первоначальную токарную обработку, оставляя на обработку после протягивания минимальный припуск. Но в большей степени отверстие деформируется при термической обработке, независимо от того является она объемной или касается только зубчатого венца (закалка ТВЧ). Ни один из видов и методов термообработки не может свести возникающие искажения до величины, исключающей необходимость последующей обработки поверхностей шлицевого отверстия.

Контроль шлицевых отверстий выполняют комплексными калибрами-пробками. Отверстие считается годным, если комплексный калибр-пробка проходит, а диаметр и ширина пазов не выходят за верхние пределы допуска. Размеры отдельных элементов можно контролировать как непроходными калибрами, так и измерительными приборами.

Рассмотрим в качестве примера обработку партии из 50 штук зубчатых колес (m = 3, z

= 45), имеющих восьмишлицевое отверстие с центрированием по наружному диаметру Ø54Н7. Эскиз детали приведен на рис.1. В качестве показателя точности был выбран наружный диаметр отверстия, который контролировали после следующих операций обработки:

• протягивания,

• токарной обработки и зубонарезания,

• закалки ТВЧ зубчатого венца,

• прошивания.

Результаты контроля отклонений размеров наружного диаметра от номинального значения 54,0 мм приведены в виде кривых распределения (рис.2). Замеры выполняли отдельно в каждой паре пазов: четыре замера в сечении под венцом и четыре замера в сечении на краю ступицы, всего по 400 замеров после каждой технологической операции. Использовали индикаторный прибор внутреннего измерения, у которого сняты центрирующие ножки.

На рис.2, а представлена кривая распределения отклонений после протягивания. Диаметры для сечения под зубчатым венцом и на противоположной стороне отверстия на краю ступицы практически одинаковы, поэтому точность выражена одной кривой распределения. После токарной обработки и зубофрезерования точность отверстия снизилась, кривая (рис.2, б) сместилась влево примерно на 5 мкм и несколько растянулась. При закалке ТВЧ зубчатого венца отверстие претерпело значительную деформацию, точность размеров диаметров под венцом и на краю ступицы отражена двумя кривыми распределения на рис.2, в. Под зубчатым венцом (кривая В) отверстие сжалось, а на стороне ступицы (кривая С) заметных деформаций нет.

Доработка отверстия

Возникшие погрешности вызвали необходимость выполнять операцию прошивания отверстия. Прошивка по конфигурации поверхностей схожа с протяжкой. В связи с необходимостью снятия малых припусков режущая часть прошивки имеет меньшие по величине шаги и подъемы между ними. Прошивку, установленную вертикально в центра, проталкивают через отверстие детали прессом. Заготовка лежит на площадке, перпендикулярной оси прошивки. Центрирование детали относительно режущего инструмента обеспечивается силами резания. В тех местах, где произошло уменьшение размера, деталь под действием сил резания занимает относительно прошивки вполне определенное положение. В тех местах по длине отверстия, где припуск отсутствует (под ступицей), определенности в положении детали нет. Точность размеров при такой обработке не только не улучшается, а даже ухудшается.

Рассмотрим, что произошло в нашем примере с отверстиями при прошивании. Во все отверстия входит комплексный калибр. Однако проверка размеров наружного диаметра отверстия показывает, что точность обработки неудовлетворительна. Больше половины замеров выходит за верхнюю границу поля допуска 30 мкм (рис.2 г). Отклонения от постоянства размеров наружных диаметров пазов в поперечном сечении под венцом составляет 10 мкм, а в сечении под ступицей – 25 мкм.

Неоднократные попытки улучшить качество обработки при прошивании не привело к существенным положительным результатам, нестабильность заключена в самой природе метода обработки.

Отверстие не высокой точности не может явиться хорошей базой для зубошлифования. Эти проблемы хорошо известны изготовителям зубчатых колес, которые справедливо считают, что изготавливать колеса со шлицевым отверстием при центрировании по наружному диаметру точнее 7 степени точности вообще невозможно.

Центрирование по внутреннему диаметру

Считается, что центрирование по внутреннему диаметру лишено описанных недостатков. В отверстии оставлен припуск, следовательно, путем последующей обработки можно ликвидировать погрешности. Большинство исполнителей снимает этот припуск шлифованием. При этом нужно решить не совсем простую задачу базирования обрабатываемой заготовки. Теоретически ответ однозначен: нужно обеспечить при обработке отверстия соосность обрабатываемой поверхности относительно имеющихся пазов. А вот практически задача не столь проста для решения по нескольким причинам.

Во-первых, пазы – это закрытые поверхности, непосредственная выверка по ним невозможна.

Во-вторых, шлицевые поверхности претерпели деформирование, и судить о положении единой оси, которая должна быть общей осью симметрии всех пазов, можно с большой долей приближенности.

Многие изготовители зубчатых колес поступают просто. Выверяют заготовку по внутреннему диаметру шлицевого отверстия и шлифуют его. Но ведь предшествующая деформация «развела» ось отверстия и ту единую ось пазов, о которой мы сказали выше.

Высокая точность соосности при таком подходе не обеспечивается, комплексный калибр не входит в отверстие. Прошивают повторно шлицевое отверстие специальной прошивкой, расширяя ширину пазов. Добиваются прохода калибра и легкой посадки на вал. Далеко не всегда ширина пазов остается в пределах допуска. Остаются также несоосными и непараллельными между собой ось отверстия и единая ось пазов. Появилась нормальная база для финишной зубообработки, можно получить зубчатый венец высокой степени точности. Но разве такое шлицевое соединение можно признать качественным? Хорошо работать в узле под нагрузкой зубчатое колесо, у которого непараллельны и неконцентричны между собой центрирующее отверстие и пазы шлицов, не сможет.

На Рязанском станкостроительном заводе разработана технология изготовления шлицевых отверстий с посадкой по внутреннему диаметру, позволяющая удачно решить описанную проблему.

После закалки ТВЧ зубчатого венца шлицевое отверстие прошивают. Назначение этой операции: поправить боковые стороны пазов. Затем деталь одевают на специальную оправку, на которой она базируется только по боковым сторонам пазов. Оправку с деталью устанавливают в центрах круглошлифовального станка, и шлифуют на детали две технологические поверхности: цилиндрическую и торцовую. На детали такие поверхности могут быть и на ступице, и на венце. Важно, что обеспечивается правильность взаимного положения этих поверхностей и единой оси боковых сторон пазов.

Для обработки внутреннего отверстия зубчатого колеса эти две поверхности используют в качестве промежуточных технологических баз. Можно поступить двояко. Установить деталь цилиндрической базой в зажимные кулачки высокоточного трехкулачкового самоцентрирующего патрона, прижать торцовой базой к опорным рабочим поверхностям кулачков. При хорошей подготовке рабочих поверхностей кулачков, выполненной перед началом обработки партии, можно стабильно получить концентричность осей внутреннего отверстия и пазов в пределах 0,02 мм. Второй подход состоит в выверке детали по промежуточным технологическим базам перед обработкой отверстия в кулачках четырехкулачкового патрона. При определенных навыках в выверке можно получать более высокую точность по концентричности осей.

Описанная методика обработки шлицевых отверстий с центрированием по внутреннему диаметру прошла испытания и внедрена в серийном производстве зубчатых колес шестой степени точности. Отверстия стабильно получаются годными как по комплексному калибру, так и по всем элементам шлицов.

Оправка для центрирования по боковым сторонам пазам шлицов

Остается рассказать, как выглядят шлицевые оправки для базирования деталей по боковым сторонам пазов.

Первоначально были изготовлены оправки с уклонами по зубьям шлицов (рис.3, а). Общая длина оправок составляет 350 мм, из них на длине 250 мм имеются зубья. С тонкой части, с которой одевают заготовку, зубья шлицов по ширине имеют номинальный размер, а с противоположного конца на 0,1 мм больший. Одной десятой достаточно для посадки с натягом при допусках размеров пазов от Н8 до F8. Наружный и внутренний диаметры шлицов занижены на несколько десятых долей миллиметра.

Для образования уклона по зубьям их боковые стороны шлифуют на шлицешлифовальном станке, подняв центр задней бабки относительно оси передней на соответствующую величину. Имеются определенные сложности. Правильное деление, а следовательно и точность оправки, будут обеспечены только при передаче вращения от шпинделя изделия шлицешлифовального станка на оправку через специальную эластичную муфту. Может подойти сильфон или многозвенная пластинчатая муфта.

Более технологична конструкция оправки, у которой ширина зубьев ступенчато возрастает через каждые 25 мм на 0,01 мм (рис.3, б). Зубья такой оправки также шлифуют на

шлицешлифовальном станке. Вначале шлифуют зубья в самую большую ширину, затем последовательно, отступая на 25 мм, шлифуют поочередно остальные ступени меньшей ширины. Такая конструкция оправок не создает проблем при выполнении шлицешлифования. Оправку шлифуют как обычный шлицевый вал.

Выводы:

1. Шлицевые поверхности с центрированием по наружному диаметру не являются достаточно точной базой для чистовой зубообработки.

2. Шлицевые поверхности с центрированием по внутреннему диаметру могут улучшить качество зубчатых колес только при обеспечении концентричности оси отверстия и пазов шлицев.

3. Разработана методика получения высокой точности взаимного расположения элементов шлицевых поверхностей с центрированием по внутренней поверхности. Сущность этой методики состоит в образовании на детали двух промежуточных технологических баз, из которых одна концентрична единой оси пазов, а вторая ей перпендикулярна.

4. Промежуточные технологические базы шлифуют при установке зубчатого колеса на оправку с центрированием по боковым сторонам пазов.

5. Разработана конструкция оправок для центрирования зубчатых колес по боковым сторонам пазов.

6. Технология, обеспечивающая получение высокого качества шлицевых отверстий с центрированием по внутреннему диаметру, внедрена в серийном производстве зубчатых колес на Рязанском станкостроительном заводе.

Сведения об авторах:

1. Марголит Ремир Борисович, к.т.н., доцент, ведущий технолог отдела главного технолога ОАО «Рязанский станкостроительный завод»,

////////////////////////////////////////////////