Obróbka kół zębatych
Wiadomości wstępne
1. Uwagi ogólne. Klasyfikacja uzębień
Grupa części maszyn ogólnie określana nazwą kół zębatych obejmuje szeroki asortyment przedmiotów różniących się między sobą kształtem, wymiarem oraz rodzajem uzębień.
Do kół zębatych zalicza się: koła zębate walcowe, stożkowe, ślimakowe, wałki uzębione, pierścienie zębate i różne części uzębione o różnej dokładności, występujące we wszystkich przekładniach. Przykłady różnych części należących do kół zębatych podano na rys.8.01
Rys 8.01. Typowe konstrukcje kół zębatych
Ta różnorodność wynika ze stosunkowo dużej liczby przekładni zębatych stosowanych w mechanizmach, przy czym przekładnie te ogólnie można podzielić na:
- równoległe,
- kątowe,
- wichrowate, zależne od tego czy osie kół zębatych są równoległe, czy przecinają się pod kątem lub są wichrowate.
Odpowiednio do tego podziału rozróżniamy koła zębate:
- walcowe,
- stożkowe,
- hyperboloidalne zastępowane ogólnie przez koła śrubowe walcowe i stożkowe. Szczególnym przypadkiem przekładni zębatej wichrowatej jest przekładnia ślimakowa utworzona przez ślimak i koło ślimakowe.
Z kinematycznego punktu widzenia rozróżniamy zazębienia :
czołowe, do których zaliczamy przekładnie o osiach równoległych i przecinających się pod kątem,
zazębienia śrubowe (o osiach wichrowatych), do których zaliczamy nie tylko walcowe i stożkowe przekładnie śrubowe, lecz również przekładnie ślimakowe.
Poza tym rozróżniamy przekładnie zewnętrzne, utworzone przez koła posiadające uzębienie zewnętrzne oraz przekładnie wewnętrzne, utworzone przez koło o uzębieniu zewnętrznym z kołem o uzębieniu wewnętrznym. W wymienionych przekładniach stosowane są następujące rodzaje i typy kół zębatych:
- walcowe z zębami prostymi, skośnymi, daszkowymi (strzałkowymi) i łukowymi,
- stożkowe z zębami: prostymi, skośnymi i hakowymi,
- zębatki z zębami: prostymi i skośnymi,
- ślimaki,
koła ślimakowe (ślimacznice).
Warunki pracy i charakter konstrukcji stawiają kołom zębatym bardzo różne wymagania, a więc i różne są wymagania dotyczące dokładności wymiarowej, jakości powierzchni, stosowanych materiałów i obróbki cieplnej.
Przy określaniu dokładności należy uwzględnić: błąd podziałki obwodowej i nierównomierność podziałek, bicie uzębienia, błąd zarysu boku zęba i chropowatość powierzchni bocznej zębów, błąd linii zęba.
Dla kół zębatych walcowych przyjęto 12 klas dokładności (najdokładniejsza jest klasa 1, najmniej dokładna — klasa 12), według PN/M-88521
Dobór klasy dokładności zależy od:
- obciążenia powierzchni,
- zakresu szybkości obwodowych.
Zakres stosowanych kół o określonej klasie dokładności podaje rys.8.02. Dopuszczalne wielkości odchyłek dla poszczególnych klas podają Polskie Normy.
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Koła kontrolne warsztatowe wzorcowe |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
samoloty |
|
|
|||||||
|
|
Samochody osobowe |
|
|
|||||||
|
|
|
Samochody ciężarowe |
|
|||||||
|
|
|
Pojazdy szynowe |
||||||||
|
|
|
Obrabiarki (koła hart.) |
|
|
||||||
|
|
|
Obrabiarki (koła niehart.) |
|
|
||||||
|
|
|
|
Maszyny rolnicze, dźwignice |
Rys.8.02. Wybór klasy dokładności w zależności od przeznaczenia. Klasą podstawową jest klasa 5
Wolno obracające się koła odlewane mogą mieć zęby w ogóle nie obrabiane, szybkoobrotowe silnie obciążone przekładnie mają natomiast koła o zębach szlifowanych.
Odpowiednio duża jest różnorodność stosowanych materiałów jak twardego drewna i skóry, tworzywa sztuczne, mosiądze i brązy, żeliwa szare, staliwo, stale węglowe, stale stopowe chromowe, chromowo-niklowe, chromowo-manganowo-molibdenowe itd.
Surówkami na koła zębate mogą być materiały prętowe, odkuwki, odlewy, spieki itd.
Materiały prętowe są stosowane na koła o prostych kształtach i niewielkich rozmiarach. Na ogół górną granicą średnicy zewnętrznej dla obróbki bez uprzedniego pocięcia prętów jest Ø 80 mm; dla większych średnic do ok. Ø150, pierwszą operacją jest cięcie materiału na piłach na krążki, będące surówkami do dalszej obróbki.
Odkuwki, umożliwiające znacznie lepsze wykorzystanie materiału, stosuje się na koła o kształtach bardziej złożonych oraz koła większe, o średnicach 150 - 500 mm.
Odlewy stosuje się na koła duże o średnicach powyżej 500 mm, jak również na koła wszystkich wielkości, mało dokładne, gdzie zęby otrzymane z odlewu mają dokładność wystarczającą i obróbka ich jest zbędna. Najczęściej są również odlewane koła zębate z mas plastycznych — przy dużej skali produkcji.
Niewielkie koła, mało obciążone, przy dużej skali produkcji są wykonywane również przy zastosowaniu metalurgii proszków.
Duże komplikacje do procesu obróbki kół zębatych wprowadzają wymagania dotyczące obróbki cieplnej. Koła zębate w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym najczęściej są wykonywane przy zastosowaniu nawęglania i hartowania; oprócz wprowadzenia wielu dodatkowych operacji powoduje to trudności utrzymania żądanych dokładności, wobec deformacji występujących przy obróbce cieplnej.
Przy obróbce kół zębatych można z reguły odróżnić dwa etapy:
1- początkowy ciąg operacji związany z nadaniem właściwego kształtu
i wymiarów aż do nacinania zębów,
2- nacinanie zębów i wszystkie dalsze operacje związane z wykańczaniem zębów i odtworzeniem baz w stosunku do naciętego wieńca zębatego.
Pierwszy etap procesu technologicznego praktycznie nie różni się od wykonania części klasy wały i tuleje.
Rozpatrując bliżej przykłady kół zębatych pokazanych na rys.8.01, można zgrupować je w cztery podklasy.
I. Części nr 1, 2, 3, 4, 6, 10, 12, 13, 14, 17, 19, 22, 23, 24 charakteryzuje otwór współśrodkowy z powierzchnią zewnętrzną, a więc można je zaliczyć do podklasy tuleje i obróbkę ich prowadzić przy zachowaniu zasadniczych prawideł obróbki tulei. Bazami obróbkowymi przy nacinaniu zębów będzie otwór i czołowa powierzchnia piasty.
.
II. Części nr 7, 8, 9, 16, 21, 25 można zaliczyć do podklasy wały i odpowiednio ich obróbkę prowadzić wg zasad obróbki wałów.
Bazami dla obróbki tokarskiej, a w większości przypadków i dla nacinania zębów — są nakiełki. W specjalnych przypadkach, przy małej sztywności części, bazami są czopy łożyskowe, ewentualnie specjalne zatoczenia, będące bazami pomocniczymi.
III. Części nr 5, 11, 15 pod względem kształtu odpowiadają podklasie tulei, jednak ze względu na to, że bazami konstrukcyjnymi są zewnętrzne powierzchnie walcowe, nacinanie zębów wykonuje się wychodząc z tej bazy.
IV. Specjalny charakter mają części nr 18 i 20 — wycinki pierścienia zębatego i zębatki —- będące wycinkami pierścienia zębatego o nieskończenie wielkim promieniu.
W drugim etapie występują istotne cechy charakterystyczne technologii kół zębatych, związane z przyjętą metodą nacinania zębów.
Charakterystyka i klasyfikacja metod i sposobów obróbki uzębień
Rozróżniamy trzy metody nacinania uzębień:
- kształtową,
- kopiową,
- obwiedniową.
Obróbka zgrubna i kształtująca zewnętrznych uzębień kół walcowych
Metoda kształtowa -narzędzie ma kształt wrębu międzyzębnego
Metoda ta obejmuje następujące sposoby obróbki (rys. 8.1):
- frezowanie frezem tarczowym lub trzpieniowym (modułowym) rys.8.1, i 8.9,
- dłutowanie nożem kształtowym, (rys.8.1b),
- szlifowanie odpowiednio ukształtowaną ściernicą (8.1c).
Frezowanie uzębień walcowych zarówno wewnętrznych jak zewnętrznych frezami modułowymi krążkowymi i palcowymi może być prowadzone na frezarkach uniwersalnych lub narzędziowych i jest stosowane w 3 przypadkach:
- wykonywanie uzębień o niezbyt dużej dokładności na obrabiarkach nie przeznaczonych w zasadzie do obróbki uzębień,
- wykonywania uzębień, których nie można obrobić innymi narzędziami (uzębienia daszkowe przy użyciu frezów palcowych) lub gdy obróbka taka jest bardzo utrudniona (uzębienia wewnętrzne przy użyciu frezów krążkowych),
- wykonywanie uzębień o bardzo dużych modułach (do modułu normalnego m=50-60 mm).
Przy frezowaniu modułowymi frezami krążkowymi, które są narzędziami stosunkowo drogimi, dąży się do ograniczenia liczby typów i wymiarów frezów. W związku z tym ustalono dla każdego modułu trzy zespoły frezów liczące 8, 15 lub 26 frezów, przy czym każdemu numerowi freza w zespole odpowiada pewien zakres liczby zębów w kole obrabianym. Tak np. frez nr 5 z zespołu 8 frezów może obrabiać koła o liczbie zębów od 26 do 34 zębów, z zespołu 15 frezów — koła o liczbie zębów od 26 do 29, z zespołu 26 frezów — tylko koła o liczbie zębów od 26 do 27. Przy zastosowaniu tej metody można obrabiać zarówno zęby proste jak i śrubowe, przy czym w tym ostatnim przypadku modułowy frez krążkowy należy dobrać wg zastępczej liczby zębów koła nacinanego
- przeciąganie (rys.8.10),W głowicy tej znajduje się tyle noży kształtowych, ile ma być wykonanych zębów. Przedmiot obrabiany ma ruch posuwisto - zwrotny, natomiast noże przesuwają się promieniowo (ku środkowi koła), aż do uzyskania pełnej głębokości wrębu. Przesuwanie noży l odbywa się za pomocą dwóch pierścieni 2 i 3. Gdy oba pierścienie przesuną się w dół, noże przesuwają się w głąb materiału i odwrotnie, gdy pierścienie przesuną się ku górze, noże odsuwają się w kierunku na zewnątrz (rys. 8.10b). Przeciąganie odbywa się na specjalnej obrabiarce, przy czym obrabiać można koła stosunkowo nieduże o średnicy do ok. 100 mm i module 1,5 - 3,5 mm. Za pomocą przeciągania można uzyskać uzębienie o dokładności 10 -12 klasy.
Metoda kształtowa jest raczej stosowana do obróbki kół walcowych, niekiedy również do obróbki zgrubnej kół stożkowych.
Metodą kształtową mogą być obrabiane koła walcowe za pomocą:
Ogólnie biorąc metoda kształtowa nie zapewnia dużej dokładności (klasy 9 - 12).
Wynika to z dwóch zasadniczych powodów:
1 - istnieją duże trudności z uzyskaniem dokładnego zarysu krawędzi skrawającej narzędzia,
2 - są duże trudności z ustawieniem narzędzia ściśle w osi wrębu.
Metoda kopiowa
W metodzie kopiowej zarys zęba otrzymuje się przez przesuwanie narzędzia wraz z samami narzędziowymi odpowiednio do kształtu wzornika (rys. 8.2).
Metoda obejmuje w zasadzie tylko jeden sposób obróbki - struganie i jest stosowana do obróbki kół stożkowych, rzadziej do walcowych.
Metoda obwiedniowa
W metodzie obwiedniowej zarys zęba uzyskuje się jako obwiednię kolejnych położeń krawędzi skrawających narzędzia (rys. 8.3).
Uzyskujemy to dzięki ruchowi tocznemu, który powstaje w wyniku:
A - współpracy dwóch kół zębatych, z których jedno jest narzędziem a jedno kołem obrabianym (rys. 8.3b oraz 8.4 metoda Fellowsa), przy czym oba koła mają ruch obrotowy
B - współpracy obrabianego koła z narzędziem w kształcie zębatki prostej o zębach prostych lub skośnych w przypadku obróbki kół walcowych (rys. 8.3a oraz 8.5 metoda Maaga) lub zębatki pierścieniowej do obróbki kół stożkowych (rys. 8.6). W przypadku zębatki prostej ruch toczny składa się z ruchu obrotowego koła obrabianego i ruchu posuwowego bądź koła (rys. 8.5a), bądź narzędzia (rys. 8.5b metoda Sunderlanda), a w przypadku zębatki pierścieniowej oba elementy współpracujące wykonują ruch obrotowy,
C - współpracy obrabianego koła z narzędziem o kształcie ślimaka. Ruch toczny w tym układzie jest podobny do ruchu tocznego przy obróbce koła narzędziem - zębatką. W obróbce kół walcowych stosuje się frez ślimakowy, który jak wiadomo ma kształt walcowy, przy czym ostrza „wystają" z powierzchni walcowej, tworząc w przekroju osiowym „zębatkę" (rys. 8.7).
Metoda obróbki obwiedniowej obejmuje następujące sposoby obróbki uzębień:
a) w zakresie obróbki zgrubnej i kształtującej kół walcowych:
- dłutowanie narzędziem o kształcie zębatki, (metoda Maaga).
- struganie narzędziem o kształcie zębatki, (metoda Sunderlanda).
- dłutowanie narzędziem o kształcie koła zębatego, (metoda Fellowsa).
- frezowanie frezem ślimakowym,
b) w zakresie obróbki zgrubnej i kształtującej kół stożkowych:
- struganie zębów prostych i skośnych nożami lub głowicą,
- frezowanie zębów łukowych głowicą,
c) w zakresie obróbki wykańczającej:
- szlifowanie ściernicą tarczową lub ślimakową,
- wiórkowanie.
Przy wyborze sposobu obróbki uzębień istotne jest zwrócenie uwagi na możliwość wykonania danego uzębienia z żądaną dokładnością.
Za pomocą dłutowania, strugania i frezowania można uzyskać nawet 6 klasę dokładności, w przypadku gdy zęby kół będą miękkie.
Natomiast gdy zęby są utwardzone, to ze względu na nieuniknione odkształcenia, po obróbce zgrubnej i kształtującej za pomocą dłutowania, strugania lub frezowania, zęby należy wiórkować i hartować indukcyjnie, lub po zahartowaniu szlifować i docierać.
W obróbce wykańczającej uzębień obok dokładności wykonania (w zakresie dokładności kształtu i powierzchni) należy również niekiedy uwzględnić zagadnienie cichobieżności. Uzyskuje się to przez bardzo dokładne szlifowanie, dzięki czemu ogólny czas szlifowania jest około dwa razy dłuższy niż czas szlifowania kół tej samej klasy dokładności, o normalnej cichobieżności.
Obróbka zgrubna i kształtująca metodą obwiedniową zewnętrznych uzębień kół walcowych.
1) Dłutowanie za pomocą narzędzia - zębatki (metodaMaaga). Przy dłutowaniu za pomocą narzędzia w kształcie zębatki (metodą Maaga) samo narzędzie wykonuje jedynie roboczy ruch dłutujący, natomiast obrabiane koło ruch toczny, składający się z ruchu obrotowego dokoła swojej osi i jednoczesnego ruchu przesuwowego (rys. 8.11). Narzędzie ma ostrza o zarysie prostoliniowym (jeśli zarys ten nie jest specjalnie korygowany). Proces obróbki jest przerywany, to znaczy po obrobieniu jednego zęba (kilku zębów) następuje wyzę-bienie narzędzia z obrabianym kołem, obrót o jedną podziałkę (lub kilka podziałek), przesunięcie przedmiotu do położenia początkowego w stosunku do zębatki i rozpoczęcie obróbki następującego zęba (lub zębów). Zagadnienie ruchu toczonego przedstawiono schematycznie na rys. 8.12.
Rys. 8.12. Schemat ruchu tocznego przy dłutowaniu nożem - zębatką
W położeniu I pokazano początek nacinania pierwszego zęba, przy czym koło obrabiane wykonuje ruch obrotowy w kierunku strzałki a i przesuw w kierunku strzałki b. W położeniu II przedstawiono końcowy moment ruchu tocznego, to znaczy że koło przesunęło się o jedną podziałkę i jednocześnie obróciło się o kąt odpowiadający tej podziałce. Położenie III wskazuje przesunięcie koła w kierunku strzałki c ( w kierunku wstecznym), przy czym koło nie wykonuje ruchu obrotowego, a narzędzie zostało unieruchomione w górnym położeniu.
Przy użyciu tego samego narzędzia zębatkowego można obrabiać koła walcowe o uzębieniu śrubowym. Różnica polega na tym, że narzędzie wykonuje ruch roboczy wzdłuż linii zęba, co wymaga skręcenia suwaka narzędzia o kąt p0 (rys. 8.13) - kąt pochylenia linii zęba. Natomiast ruch obrotowy i przesuwowy koła odbywa się tak samo, jak przy obróbce zębów prostych, to znaczy w czasie jednego cyklu koło przesuwa się o jedną podziałkę czołową tc i jednocześnie obraca się o kąt odpowiadający tej podziałce.
Rys. 8.13. Dłutowanie zębów śrubowych nożem - zębatką: tc - podziałka czołowa, tn - podziałka normalna.
2) Struganie za pomocą narzędzia - zębatki (metoda Sunderlanda).
Przy struganiu za pomocą narzędzia o kształcie zębatki ruch toczny jest rozłożony na koło i narzędzie (rys. 8.14). Tak więc narzędzie oprócz normalnego ruchu roboczego - strugania, wykonuje ruch przesuwowy, który jest składową ruchu tocznego. Natomiast koło wykonuje tylko ruch obrotowy (druga składowa ruchu tocznego).
Między struganiem i dłutowaniem za pomocą narzędzia - zębatki (tj. między metodą Sunderlanda i Maaga) występują następujące różnice: przy dłutowaniu, jak to widać na rysunkach 8.11, 8.12, 8.13, ruch roboczy narzędzia jest pionowy lub skośny, natomiast przy struganiu ruch ten jest poziomy.
Z tych też względów przy struganiu, podczas dokonywania podziału, narzędzie odsuwa się ponownie w dół do początkowego położenia. To odsunięcie promieniowe jest potrzebne w tym celu, aby narzędzie w czasie przesuwu w dół (tj. w kierunku przeciwnym do ruchu odtaczania) nie zawadziło o obrabiane żeby, gdyż w czasie podziału narzędzie nie przestaje wykonywać ruchów roboczych, jak to ma miejsce przy dłutowaniu.
Poza stosunkowo niewielkimi różnicami w zasadach działania obu sposobów obróbki, istnieje szereg szczegółów konstrukcyjnych narzędzi i obrabiarek, które łącznie powodują, że dłutowanie jest wygodniejsze. Stąd ten sposób obróbki jest bardziej rozpowszechniony i stosowany jest przede wszystkim do obróbki kół o dużej średnicy i większych modułach.
Na ogół jednak zarówno struganie, jak i dłutowanie należą do sposobów obróbki obwiedniowej o małej wydajności.
Rys. 8.14. Położenie koła obrabianego i narzędzia - zębatki przy struganiu metodą Sunderlanda.
3) Dłutowanie za pomocą narzędzia o kształcie koła (metoda Fellowsa). Przy dłutowaniu narzędziem o kształcie koła ruch toczny składa się z ruchu obrotowego narzędzia i ruchu obrotowego koła obrabianego. Tak więc narzędzie ma dwa ruchy: roboczy ruch dłutujący i ruch obrotowy, zaś koło obrabiane tylko ruch obrotowy (rys. 8.15). Są to ruchy główne. Oprócz tego występują następujące ruchy pomocnicze:
-ruch wgłębny narzędzia występujący w okresie początkowym i mający na celu zagłębienie narzędzia na żądaną wysokość zęba,
- ruch przedmiotu odsuwający go od narzędzia (lub odsuwający narzędzie od przedmiotu), występujący w czasie powrotnego (jałowego) skoku narzędzia i mający na celu uniknięcie tarcia ostrzy narzędzia o materiał obrabiany, co przedłuża okres trwałości ostrza.
narządzie koło nacinane
.Rys. 8.15. Zasada dłutowania koła walcowego za pomocą narzędzia o kształcie koła metodą Fellowsa - ruchy główne.
Za pomocą dłutowania narzędziem o kształcie koła można obrabiać również koło o uzębieniu śrubowym. W tym przypadku narzędzie oprócz ruchu posuwisto - zwrotnego uzyskuje dodatkowy ruch obrotowy, a więc łącznie wykonuje ruch śrubowy. Ruch ten uzyskuje narzędzie przez zastosowanie śrubowej prowadnicy, po której przesuwa się suwak (krzywka) również o śrubowej powierzchni (rys. 8.16).
Rys. 8.16. Wrzeciono dłutownicy z suwakiem śrubowym i krzywką śrubową
Do obróbki zębów śrubowych stosuje się narzędzie o ostrzach śrubowych, przy czym do obróbki kół o prawej linii zębów należy użyć narzędzia o lewej linii ostrzy i na odwrót.
Tak wiec do obróbki zębów dla pary kół współpracujących należy mieć dwa narzędzia - jedno o prawej, a drugie o lewej linii ostrzy, gdyż w kołach współpracujących (przekładni równoległej) kierunki zębów są przeciwne. Dłutowanie zębów za pomocą narzędzia o kształcie koła w porównaniu z innymi sposobami obróbki (dłutowaniem i struganiem za pomocą narzędzia - zębatki lub frezowaniem obwiedniowym) ma następujące zalety:
- większą wydajność dla kół do modułu m < 2,5 mm (przy modułach większych, np. m = 5 mm większą wydajność uzyskujemy przy frezowaniu obwiedniowym),
- większą dokładność powierzchniową ze względu na ciągłość skrawania wzdłuż całej długości obrabianego zęba,
- możliwość nacinania uzębień wewnętrznych i strzałkowych, w których nie ma wybiegu dla narzędzia. Do wad tego sposobu obróbki zaliczamy:
- większe niż przy innych sposobach obróbki koszty (zwłaszcza obróbki zgrubnej -z wyjątkiem kół o modułach małych)
- trudność stosowania do obróbki kół o modułach dużych (metodę tę stosuje się najczęściej do modułów mniejszych od 5 mm)
- konieczność posiadania odpowiednich narzędzi i krzywek do obróbki kół o zębach śrubowych i różnych pochyleniach linii śrubowej.
4. Frezowanie obwiedniowe. Frezowanie obwiedniowe oparte jest, na zasadzie współpracy ślimaka z kołem ślimakowym, przy czym w tym przypadku ślimak jest zastąpiony modułowym frezem ślimakowym, którego zwoje mają w przekroju osiowym zarys zębatki.
Za pomocą freza ślimakowego można obrabiać koła o dowólnej liczbie zębów przy założeniu, ze moduł i kąt przyporu są takie same. Gdy frez jest jednozwojny, to przy jednym jego obrocie koło obrabiane obróci się o kąt odpowiadający jednej podziałce, gdy ma n - zwojów obróci się o n podziałek. Obrót freza nacinanego nie umożliwia obróbki zęba na całej szerokości wieńca. Z tych względów konieczny jest dodatkowy ruch narzędzia w kierunku równoległym do osi obrabianego koła.
Tak więc przy frezowaniu obwiedniowym występują następujące ruchy (rys. 8.17):
- obrót freza w kierunku strzałki a,
- obrót obrabianego koła (zsynchronizowany z obrotem freza) dookoła osi w kierunku b,
- przesuw freza w kierunku strzałki c równoległy do osi koła obrabianego. Oś freza ślimakowego ustawia się pod katem A, tj. pod katem równym kątowi wzniosu linii zwojów freza ślimakowego (rys. 8.17a). W przypadku nacinania w kołach walcowych zębów śrubowych, oś freza ślimakowego ustawia się pod katem p + A lub /- A, gdzie /jest katem pochylenia linii zębów w obrabianym kole (rys. 8.17b,c).
Analizując rysunki 8.17b i 8.17c widzimy, że w czasie frezowania zębów śrubowych występują takie same ruchy freza i koła obrabianego, jak przy obróbce zębów prostych, z tą różnicą, że koło obrabiane otrzymuje jeszcze dodatkowy ruch w kierunku MF (rys. 8.18).
Obróbka zgrubna i kształtująca wewnętrznych uzębień kół walcowych
Uzębienia wewnętrzne walcowych kół zębatych można obrabiać metodą kształtową lub obwiedniową. W ramach metody kształtowej stosowane są następujące sposoby obróbki: frezowanie, dłutowanie i przeciąganie. Frezowanie frezem tarczowym lub palcowym można wykonać na frezarce poziomej lub obwiedniowej, która powinna być wyposażona w specjalne głowice (rys. 8.19 i 8.20).
Rys. 8.19. Głowica do frezowania uzębień wewnętrznych frezem krążkowym: l - frez, 2 - koło obrabiane.
Rys. 8.20. Głowica do frezowania uzębień wewnętrznych frezem palcowym: l - frez, 2 - koło obrabiane.
Podobnie jak przy frezowaniu uzębień zewnętrznych, po wykonaniu jednego wrębu frez wycofuje się do położenia początkowego i po dokonaniu podziału obwodu koła następuje frezowanie następnego wrębu. Przy dłutowaniu nożem kształtowym ważnym zagadnieniem jest prawidłowe ustawienie narzędzia względem otworu, co jest związane z poprawnością jego wykonania, tj. powinno być wykonane w ten sposób, aby boki narzędzia były symetrycznie rozłożone według osi zarysu kształtu narzędzia. Przykład ustawienia narzędzia względem otworu przedstawiono na rysunku 8.21.
Rys. 8.21. Ustawienie noża względem otworu przy nacinaniu uzębień wewnętrznych.
Przeciąganie uzębień wewnętrznych należy do bardzo wydajnych, zwłaszcza że za pomocą tego sposobu obróbki można jednocześnie obrabiać kilka wrębów. Jednak przeciąganie ma ograniczone zastosowanie, tzn. stosuje się tylko do kół o dużych średnicach, ze względu na duży koszt narzędzia i konieczność stosowania specjalnej przeciągarki, co jest opłacalne tylko w produkcji wielkoseryjnej.
Według metody obwiedniowej można obrabiać tylko narzędziem (nożem) o kształcie koła zębatego (metodą Fellowsa).
Na rysunku 8.22 przedstawiono rysunek tzw. nóża dzwonowego (czaszowego) do obróbki uzębień wewnętrznych metodą obwiedniową.
Ta specjalna konstrukcja narzędzia zabezpiecza przed uderzeniem nakrętki 3 o dno koła lub o powierzchnię stołu, przy czym szerokość rowka c może być niewielka i służy jako wybieg narzędzia, oprócz tego narzędzie powinno mieć znacznie mniej ostrzy niż liczba zębów koła obrabianego. Ma to na celu uniknięcie ścinania zębów u wierzchołków przy wychodzeniu narzędzia na skutek tzw. interferencji (wzajemnego przenikania zarysu uzębienia narzędzia i koła). Różnica między liczbą zębów w obrabianym kole i narzędziem zależy od rodzaju zębów (normalne, niskie, wysokie) oraz od kąta przyporu.
Rys. 8.22. Nóż dzwonowy do dłutowania uzębień wewnętrznych; l - podkładka, 2 - nóż, 3 - nakrętka.
Obróbka wykańczająca uzębień walcowych kół zębatych.
Uwagi wstępne.
Zęby obrabiane omówionymi dotychczas metodami i sposobami obróbki mają stosunkowo małą dokładność zarysu i podziałki oraz powierzchni. Jeżeli zęby poddane są obróbce cieplnej, to zmiany struktury materiału powodują powstanie dodatkowych odchyłek. Te wszystkie niedokładności są przyczyną hałasów przekładni zębatych, a co gorsze, mogą powodować dodatkowe przyspieszenia i opóźnienia mas wirujących, a w związku z tym - dodatkowe obciążenia dynamiczne.
Obróbka wykańczająca ma na celu powiększenie dokładności kształtu zarysu, podziałki i powierzchni. Obróbka ta może być przeprowadzona zarówno na kołach miękkich jak i utwardzonych (obrobionych cieplnie).
Dla kół miękkich stosujemy dogniatanie i wiórkowanie, a utwardzonych - szlifowanie i docieranie. Niekiedy docieranie może być również stosowane do kół miękkich.
Obróbka uzębień w stanie miękkim.
1.Dogniatanie. Dogniatanie polega na współpracy koła obrabianego z dokładnymi kołami hartowanymi (tzw. dogniatakami) o zębach korygowanych według schematu przedstawionego na rys. 8.23.
Rys. 8.23. Schemat urządzenia do dogniatania
Dogniatak 2 otrzymuje napęd od silnika i przenosi ten napęd na koło obrabiane l, a ono z kolei na pozostałe dwa dogniataki 3. Naciski międzyzębne wywołane są przez przesunięcie suportu łącznie z dogniatakami 3. Operacja dogniatania jest krótkotrwała. W czasie obróbki dogniata-niem wytwarza się dość duża ilość ciepła. Z tych względów oraz w celu uzyskania powierzchni o mniejszej chropowatości, do miejsc styku doprowadza się naftę. W wyniku dogniatania uzyskujemy gładką, błyszczącą powierzchnię zębów. Nie otrzymujemy natomiast poprawy zarysu zębów i podziałki lub tylko niewielką poprawę.
Z tych względów dogniatanie stosuje się do obróbki kół o niezbyt wysokiej dokładności. Wadą dogniatania jest konieczność wykonania dla każdego modułu i kąta przyporu odpowiednich trzech dogniataków.
Pewną odmianą dogniatania jest wstępna współpraca pary kół zębatych, które w przyszłości będą pracowały w mechanizmie. Sam proces odbywa się w ten sposób, że koło napędzane okresowo zostaje przyhamowane, co powoduje naciski międzyzębne. Proces trwa 5 -- 10 min. Metodę tę stosuje się dla przekładni o stosunkowo małej dokładności. Dogniataniu podlegają koła ze stali.
2) Wiórkowanie. Wiórkowanie polega na usuwaniu wiórków o małej grubości (rzędu 0,005-0,01mm) z powierzchni obrabianych zębów przez krawędzie rowków naciętych na powierzchni zębów (wzdłuż wysokości zęba) narzędzia.
. Zasada tego sposobu obróbki opiera się na współpracy obrabianego koła z narzędziem w kształcie zębatki lub koła zębatego, przy czym osie ich (tzn. koła obrabianego i narzędzia) są skrzyżowane. Tak więc ta współpracująca para tworzy przekładnię śrubową, dzięki czemu uzyskuje się wzdłuż linii zębów poślizg, jako wypadkową prędkości koła obrabianego i wiórkownika. Prędkość poślizgu jest prędkością skrawania. W zależności od kształtu narzędzia - wiórkownika rozróżniamy dwie odmiany wiórkowania. W pierwszej narzędzie ma kształt zębatki, która składa się z pojedynczych zębów z naciętymi wzdłuż boków rowkami (rys. 8.24).
Rys. 8.24. Zęby wiórkownika w kształcie zębatki.
Krawędzie rowków stanowią ostrza skrawające, przy czym grubość każdego segmentu odpowiada podziałce czołowej c Segmenty te są osadzone w imaku 2 (rys. 8.25) ustawionym na stole obrabiarki 3. Koło obrabiane 4, po osadzeniu na trzpieniu, umieszcza się w kłach imaka 5. Koło to zazębia się z narzędziem - zębatką l i znajduje się pod stałym naciskiem wywieranym przez tłok 6. Oś obrabianego koła jest ustawiona pod kątem do zębatki, co powoduje powstawanie składowej prędkości wzdłuż linii zębów w czasie ruchu posuwisto - zwrotnego stołu obrabiarki. W celu równomiernego zużycia narzędzia, po każdym ruchu wzdłużnym stołu, koło obrabiane otrzymuje posuw poprzeczny względem narzędzia - zębatki.
Rys. 8.25. Schemat wiórkowania za pomocą narzędzia zębatki.
Rys. 8.26. Zasada wiórkowania narzędziem o kształcie koła zębatego. Ząb narzędzia
Rys. 8.27. Schemat wiórkowania za pomocą narzędziem o kształcie koła zębatego.
Obrabiarka pracuje w cyklu półautomatycznym, przy czym proces jest krótki, gdyż dla przeprowadzenia operacji potrzeba 12 -- 24 podwójnych skoków stołu.
Wiórkowanie za pomocą wiórkownika - zębatki ma następujące wady:
- małą wydajność ze względu na małą prędkość ruchu posuwisto - zwrotnego stołu,
- wstrząsy występujące przy zmianach kierunku posuwu stołu, co odbija się na dokładności koła,
- możliwość obróbki koła o określonej średnicy, co wynika z określonej długości stołu i jego skoku.
Wad tych nie ma odmiana wiórkowania za pomocą narzędzia o kształcie koła zębatego i z tych względów jest bardziej rozpowszechniona, mimo że wykonanie narzędzia jest kosztowniejsze. Na bocznej powierzchni narzędzia, którego zęby są korygowane, są nacięte rowki w kierunku promieniowym (rys. 8.26) o szerokości 0,25 mm i głębokości 0,6 -i- 1,0 mm. Odległość rowków wynosi około 0,75 mm (dla średnich modułów).
Napęd obrotowy (jak wynika ze schematu na rysunku 8.27) obrabiane koło l otrzymuje od narzędzia 2, które jest napędzane od silnika poprzez przekładnie zębate. Osie koła obrabianego i narzędzia tworzą kąt 10 - 15°. Ponieważ styk między kołami o wichrowatych osiach jest punktowy, więc koło obrabiane musi mieć dodatkowy ruch przesuwowy, gdyż w przeciwnym przypadku ząb zostałby obrobiony tylko na niewielkiej szerokości. Istnieją dwa rozwiązania tego ruchu:
- koło obrabiane wykonuje ruch posuwowy wzdłuż własnej osi i wtedy droga przesunięcia równa jest szerokości wieńca zębatego,
- koło obrabiane wykonuje ruch posuwowy pod kątem do osi obrotu.
W pierwszym przypadku czas przesuwu jest dłuższy, lecz szerokość wiórkownika może być
dowolna, natomiast w drugim czas przesuwu jest znacznie krótszy, lecz szerokość wiórkownika
musi być dobrana w zależności od szerokości obrabianego koła, odległości miedzy osiami wiór-
kownika i koła oraz kąta przesuwu. Prędkość przesuwu wynosi 0,15 -s- 0,3 mm na obrót koła.
Punktowe zetknięcie zębów narzędzia i koła obrabianego umożliwia nadanie zębom wiórkowa-
nym kształtu beczkowatego (rys. 8.28a), co znacznie polepsza cichobieżność przekładni oraz
zmniejsza zużywanie się zębów. Ma to specjalne znaczenie w przypadkach, gdy osie otworów
w skrzynkach przekładniowych nie są równoległe (w granicach tolerancji), dzięki czemu koła
przekładni dolegają tylko częścią powierzchni zębów.
Rys. 8.28. Schemat urządzenia do nadawania zębom beczkowatego kształtu.
Nadanie zębom kształtu beczkowatego umożliwia poprawną pracę przekładni nawet przy zwichrowanych osiach, co ma specjalne znaczenie przy dużych prędkościach obwodowych. Beczkowatość zęba można uzyskać za pomocą specjalnego przyrządu ustawionego na wiórkarce, którego schemat przedstawiono na rys. 8.28b. Płyta 2 przyrządu w czasie przesuwu stołu w kierunku a wykonuje ruch wahadłowy dookoła osi l w kierunku b. Ruch wahadłowy nadawany jest płycie za pomocą palca 3 wchodzącego w rowek tarczy 4. Amplituda wahań zależy od kąta pochylenia rowka a, który może być regulowany. Przy wzdłużnym posuwie stołu w kierunku a płyta 2 będzie odpowiednio podnosić i obniżać jedną lub drugą stronę wiórkowanego zęba, wskutek czego otrzyma on kształt beczkowaty. Wypukłość boków zęba a - a1 (rys. 8.28a) wynosi 0,01 -f- 0,025 mm na 100 mm szerokości wieńca. Wiórkowanie stosuje się do zębów o twardości HRC < 35. Kół zębatych, które mają być poddane obróbce cieplnej (poza hartowaniem powierzchniowym), nie należy wiórkować z uwagi na odkształcenia, jakie powoduje obróbka cieplna. Ze względu na stosunkowo wysoki koszt narzędzia, wiórkowanie stosuje się w produkcji wielkoseryjnej i masowej.
Obróbka uzębień w stanie twardym.
l) Szlifowanie kształtowe. Jak widać ze schematu przedstawionego na rys. 8.1c, zarys zęba przy szlifowaniu kształtowym jest dokładnym odtworzeniem zarysu przekroju ściernicy. Tak więc wszystkie błędy ostrzenia oraz błędy spowodowane nierównomiernym jej zużyciem mają wpływ na dokładność kształtu zęba (odchyłki zarysu wynoszą 10 -s- 15 pm). Natomiast dokładność podziałki obrabianego koła zależy od dokładności urządzenia podziałowego oraz ustalającego przedmiot w położeniu roboczym.
Istnieje kilka odmian szlifowania kształtowego, które różnią się między sobą sposobem ukształtowania ściernicy oraz sposobem zbierania naddatku na obróbkę. Oprócz więc odmiany przedstawionej na rys. 8. l c, gdzie jest przedstawiona odmiana szlifowania tarczą dwustronną, istnieją odmiany szlifowania kształtowego, polegające na szlifowaniu jednego boku zęba jedną tarczą lub dwóch boków zębów dwiema tarczami, albo dwóch wrębów dwiema tarczami. Schematy tych odmian wraz ze sposobem zdejmowania naddatku na obróbkę przedstawiono na rys. 8.29.
Rys. 8.29. Odmiany szlifowania kształtowego (strzałki wskazują kierunek posuwu): a) szlifowanie przy dostosowaniu bocznym zęba do tarczy ściernej, b) obustronnie ukształtowana tarcza - równoległy naddatek na obróbkę, c) obustronnie ukształtowana ściernica - naddatek o kształcie przecinka, d) szlifowanie dwiema tarczami - naddatek równoległy (druga tarcza nie jest pokazana), e) szlifowanie dwiema tarczami - naddatek o kształcie przecinka (druga tarcza nie jest pokazana).
Zaletami szlifowania kształtowego są:
- duża wydajność,
- możność nadawania zarysowi dowolnego kształtu,
- możność szlifowania uzębień wewnętrznych. Natomiast do wad należy zaliczyć:
- małą dokładność (zwłaszcza w porównaniu ze szlifowaniem obwiedniowym),
- trudność ustawienia ściernicy względem obrabianego koła,
- konieczność stosowania bardzo dokładnych urządzeń podziałowych,
- możliwość powstawania pęknięć powierzchniowych wskutek intensywnego wydzielania się ciepła,
- ograniczony zakres szlifowania (do m = 6 mm).
2) Szlifowanie obwiedniowe. Szlifowanie obwiedniowe oparte jest na tych samych zasadach co dłutowanie lub struganie za pomocą narzędzia - zębatki (metoda Maaga lub Sunderlanda) bądź frezowania obwiedniowego.
Na rysunku 8.30 Przedstawiono schematy najczęściej stosowanych odmian szlifowania obwiedniowego, a więc za pomocą dwóch ściernic tworzących ząb zębatki płaszczyznami przechodzącymi przez krawędzie szlifujące (metoda Maaga - rys. 8.30a), za pomocą jednej ściernicy, której nadano kształt trapezowy jednego zęba zębatki (metoda Niles Werke - rys. 8.30b) i za pomocą ściernicy w postaci ślimaka (metoda Reis-hauera - rys. 8.30c).
Tak więc w przypadku pierwszym (rys. 8.30a) szlifowanie jest oparte na tej samej zasadzie co dłutowanie za pomocą narzędzia - zębatki, z tym że tym razem występuje zębatka wyobrażalna, wyznaczana płaszczyznami tarcz ściernych. Ogólnie biorąc kąt zarysu, który tworzą ściernice, nie musi być taki sam jak kąt zarysu zębatki współpracującej ze szlifowanym kołem, gdyż różnice w kątach przyporu ściernic i koła można skompensować przez dobór odpowiedniego koła tocznego w czasie szlifowania.
Rys. 8.30. Odmiany szlifowania obwiedniowego: a) metodą Maaga, b) metodą Niles Werke, c) metodą Reishauera.
W starych rozwiązaniach szlifierek firmy Maaga ściernice były pochylone pod kątem przyporu około 15° (rys. 8.31 a). Obecnie ta sama firma produkuje szlifierki do kół zębatych, w których płaszczyzny ściernic są równoległe i pionowe (kąt przyporu równy zeru) oddalone od siebie o wielkość równą tzw. wymiarowi przez N - zębów koła (rys. 8.31 b). To nowe rozwiązanie umożliwia na szlifierkach Maaga przeprowadzanie modyfikacji zarysu zęba (tj. poprawy głowy lub stopy zęba) lub modyfikacji linii zęba (np. nadanie kształtu beczułkowatego).
Rys. 8.31. Stara i nowa zasada szlifowania zębów na szlifierkach firmy Maag
W szlifierce do kół o małych i średnich modułach wszystkie ruchy wykonuje koło obrabiane (zarówno toczne jak i posuwów wzdłuż osi koła). W szlifierkach do kół o większych modułach ruchy te wykonuje ściernica, a koło tylko podział. Zasadę szlifowania kół o małych i średnich wyjaśniono bliżej na rys. 8.32.
Rys. 8.32. Zasada szlifowania uzębień metodą Maaga.
Koło obrabiane l jest osadzone na trzpieniu 2, który z kolei osadzony jest we wrzecionie obrabiarki. Na drugim końcu wrzeciona zamocowana jest rolka 3. W czasie posuwem suportu górnego 6 w kierunku a - a' rolka 3, która połączona jest stalowymi taśmami 4 z nieruchomym stojanem 5, przekręca się w kierunku c - c'. W celu obrobienia zęba wzdłużnie stół 7 ma prze-
suw posuwisto - zwrotny w kierunku b - b'. Po wykonaniu podwójnego skoku w kierunku b - b', następuje podział i cykl ruchów rozpoczyna się na sąsiednim zębie. W kołach o modułach większych ściernice mieszczą się w jednym wrębie (rys. 8.30a), zaś w kołach o modułach małych w dwóch sąsiednich (lub bardziej oddalonych) wrębach.
Największą zaletą szlifierki Maaga jest automatyczna kompensacja zużycia ściernicy. Szlifowanie odbywa się ostrymi krawędziami ściernic i gdyby nie urządzenie do automatycznego ostrzenia ściernicy, zęby traciłyby szybko jednakową grubość.
Urządzenie do automatycznej kompensacji ściernicy (rys. 8.33) składa się z dźwigni l z osadzonym na jej końcu płaskim diamentem 2, który styka się ze ściernicą. Dźwignia l jest sterowana krzywką 5, po której przesuwa się rolka 4, dzięki czemu wychyla się co 1,5 sekundy dookoła osi 3. Docisk krawędzi do dźwigni powoduje sprężyna 6. Krzywka 5 jest napędzana od silnika elektrycznego, który jednocześnie napędza ściernicę. W momencie, gdy zużycie ściernicy przekroczy 0,001 -5- 0,002 mm i płaski diament nie dotknie ściernicy, wtedy odpowiednio ustawiona śruba 7 dotknie styku 8 i w obwodzie popłynie prąd. Prąd ten wprawi w ruch urządzenie do przesuwania ściernicy w kierunku diamentu o wielkość zużycia. Ż chwilą dotknięcia diamentu, obwód prądu zostanie przerwany. Opisane urządzenie umożliwia uzyskanie wysokiej dokładności zarysu zębów.
Rys. 8.33. Urządzenie do automatycznej kompensacji zażycia tarczy
Szlifowanie ściernicą o kształcie trapezowym (metoda Niles Werke - rys. 8.30b) oparta jest na tej samej zasadzie co odmiana omówiona poprzednio (metoda Maaga) z tą różnicą, że zamiast zębatki wyobrażalnej utworzonej przez płaszczyzny ściernic występuje tarcza ścierna o kształcie pojedynczego zęba zębatki (o kształcie trapezowym). Podczas ruchu tocznego obrabiane koło przesuwa się w ten sposób, że najpierw jest obrabiany lewy bok zęba - lewą stroną ściernicy, a następnie prawy - prawą stroną ściernicy. Po zakończeniu obróbki jednego wrębu, następuje podział i przebieg szlifowania powtarza się. Szlifowanie za pomocą ściernicy o kształcie ślimaka jest oparte na tej samej zasadzie co frezowanie obwiedniowe (rys. 8.30c). Ściernicę o kształcie ślimaka jednozwojnego ustawia się podobni jak frez ślimakowy. Jedyną różnicą jaka występuje między szlifowaniem a frezowaniem obwiedniowym jest to, że ściernica ma tylko ruch obrotowy, natomiast koło obrabiane wykonuje ruch toczny i przesuw wzdłuż własnej osi. Poza tym jest to odmiana szlifowania bardziej wydajna od poprzednio omówionych (ściernica pracuje co najmniej dwoma zwojami) i o stosunkowo dużej dokładności pod warunkiem prawidłowego ukształtowania ściernicy. Wadą tej odmiany jest dość kłopotliwe ostrzenie ściernicy.
Docieranie. Docieranie ma na celu przede wszystkim powiększenie dokładności powierzchniowej (zmniejszenie chropowatości). Poza tym za pomocą docierania można uzyskać (podobnie jak przy wiórkowaniu) beczkowaty kształt zęba.
Docieranie przeprowadza się po obróbce cieplnej, zwłaszcza gdy po tej obróbce zęby nie będą szlifowane, lub w stanie miękkim. Istnieje szereg odmian docierania, przy czym jedne z nich przewidują docieranie za pomocą koła żeliwnego (docieraka), inne zaś są oparte na wzajemnym docieraniu kół współpracujących. W pierwszym przypadku osie docieraka i koła obrabianego są wzajemnie wichrowate (kąt między osiami 10-5-15°), a sam proces odbywa się na tej samej zasadzie co wiórkowanie.
Do najbardziej rozpowszechnionych odmian grupy drugiej należą docierania przedstawione na rysunkach 8.34 i 8.35 (metodą Frik - Wernera i Klingelnbergera).
koło2
Rys. 8.34. Zasada docierania zębów metodą Frik - Wernera.
Rys. 8.35. Zasada docierania zębów metodą Klingelnbergera.
Jak widać z rysunku 8.34, koło l i 2 poza ruchem obrotowym otrzymują dodatkowe ruchy posuwisto - zwrotne: koło l w kierunku b - ruchy bardzo szybkie i na krótkiej drodze, zaś koło 2 w kierunku a - ruchy wolne.
W odmianie przedstawionej na rys. 8.35 koło l otrzymuje ruch obrotowy w kierunku a od silnika przekazując ten ruch kału 2, które obraca się w kierunku b. Koło l wykonuje jednocześnie ruch posuwisto - zwrotny w kierunku c (równolegle do własnej osi) zaś koło 2 ruch wahadłowy w kierunku d w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny przechodzącej przez osie, co umożliwia uzyskanie beczkowatego kształtu zęba (rys. 8.35b). Do docierania zębów stosuje się specjalne pasty lub mieszaniny bardzo drobnego proszku ściernego (np. SiC) z gliceryną. Na docieranie zostawia się mały naddatek na obróbkę (0,02 - 0,06 mm). Wadą docierania jest możliwość wciśnięcia proszku ściernego w powierzchnię zębów, co powoduje przyspieszenie zużycia zębów przekładni.
Zaokrąglanie zębów i usuwanie zadziorów.
Koła, które mają być włączone w ruch przez przesuwanie, czyli tzw. koła przesuwne, powinny mieć zęby zaokrąglone od strony czoła. Zaokrąglenia te wykonuje się wg schematów przedstawionych na rys. 8.36 na specjalnych frezarkach. Z dwóch przedstawionych na rys. 8.36 odmian bardziej wydajna jest odmiana frezowania frezem drążonym (kielichowym - rys. 8,36b), która wymaga jednak droższego narzędzia i dlatego jest stosowana rzadziej.
Podczas strugania lub dłutowania na jednym z czół koła powstają zadziory, które należy usunąć. W produkcji jednostkowej zadziory te usuwa się za pomocą pilnika lub skrobaka ręcznie. Natomiast w produkcji wielkoseryjnej i masowej do tego celu stosuje się specjalne przyrządy i narzędzia a nawet obrabiarki do usuwania mechanicznego. Tak np. w dłutownicy do usuwania zadziorów stosuje się przyrząd z dodatkowym frezem. W przemyśle motoryzacyjnym do usuwania zadziorów stosuje się specjalne szlifierki.
Rys. 8.36. Zaokrąglanie zębów: a) frezem trzpieniowym, b) frezem drążkowym.
13