Накатывание внутренних эвольвентных зубьев на порошковых спеченных заготовках Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

УДК 621.771.67.004

Накатывание внутренних эвольвентных зубьев на порошковых спеченных заготовках

В. Н. Востров, П. А. Кузнецов, А. В. Новиков, В. А. Ли

Цель работы — исследование технологических свойств зубчатых колес c накатанным профилем на пористых спеченных заготовках. Использование пористой заготовки под накатку зубчатого профиля потребовало разработки новой схемы формообразования. Установлены влияние технологического припуска на заготовке на изгибную прочность зубьев и распределение плотности материала накатанных зубчатых колес. Определены показатели точности и качества поверхности накатанных зубчатых профилей.

Ключевые слова: технология, накатка зубьев, порошковая металлургия, плотность материала, микро структура, точность, показатели качества поверхности.

Постановка задачи исследования

Цель работы — исследование технологических свойств эвольвентных зубчатых колес, формообразованных накатыванием на пористых спеченных заготовках.

Шестерни, изготовленные методами порошковой металлургии, широко используются в приборостроении, робототехнике, машиностроении и других областях, где требуется повышенная износостойкость и существуют ограничения по массе изделия и вибрационным характеристикам [1, 2]. Изготовление шестерен методами порошковой металлургии экономически целесообразно даже в условиях мелкосерийного производства [3]. Методы порошковой металлургии позволяют получать зубчатые детали сложной формы без дополнительной механической обработки по контуру всего изделия [4]. Для формирования зубчатых колес наружного зацепления из порошковых материалов разработаны научно обоснованные методики проектирования технологических процессов. Вопрос формирования объемной штамповкой порошковых шестерен с внутренними зубьями в настоящее время остается открытым. Одним из перспективных методов объемного формообразования зубчатых пористых колес внутреннего зацепления

является накатывание профиля на пористых спеченных заготовках.

Технология изготовления пористых заготовок под накатку зубьев включает следующие этапы: 1) приготовление шихты; 2) прессование в жесткой пресс-форме на гидравлическом прессе при давлениях от 600 до 800 МПа, соответствующих требуемой плотности; 3) спекание заготовок в электрической печи в защитной среде диссоциированного аммиака в засыпке из окиси алюминия. Режимы спекания представлены на рис. 1.

Т, K

1523 1423

1200 800 400

0 2 4 6 8 t, ч

Рис. 1. Режимы спекания исследуемых порошковых материалов:

1 — материал ПЖВ2.160.28; 2 — ПРХН2Г

1 1

/

// \

// V \ 2

/ \

Г \

Рис. 2. Накатывание внутренних зубчатых профилей на порошковых спеченных заготовках [5]: 1 — матрица; 2 — первая внутренняя эталонная шестерня; 3 — обойма; 4 — порошковая спеченная заготовка; 5 — накатник; 6 — вторая внутренняя эталонная шестерня; 7 — прижим

припуск По мере осевого перемещения накатника на деформированной до диаметра йа внутренней поверхности заготовки накатывается зубчатый профиль с помощью формообразующего участка 12 накатника. По окончании накатывания зубьев обойма 3 удаляет накатники 5 из зоны обработки и готовую деталь извлекают из матрицы 1.

На рис. 3 представлено колесо внутреннего зацепления модуля 2,0 мм с накатанными зубьями на заготовке из спеченного порошка ПРХН2Г.

Методика исследования технологических свойств зубчатых профилей, накатанных на пористых спеченных заготовках

Использование пористой заготовки под накатку зубчатого профиля потребовало разработки новой схемы формообразования (рис. 2) [5]. Согласно предложенной схеме цилиндрическую спеченную порошковую заготовку 4, имеющую наружный диаметр йп и внутренний диаметр устанавливают в матрицу 1 и закрепляют между первой 2 и второй 6 эталонными шестернями прижимом 7. Накатники 5, установленные с возможностью вращения в обойме 3, вводят в зацепление с эталонной шестерней 6, приводят во вращение и одновременно перемещают в осевом направлении. Калибрующий участок заход ной части накатника 5 деформирует внутреннюю поверхность заготовки 4 на технологический

Рис. 3. Колесо внутреннего зацепления

Технологический припуск t на заготовке существенно влияет на распределение плотности материала в накатанном зубчатом венце и на изгибную прочность зубьев, которые являются основными эксплуатационными характеристиками зубчатых колес. В работе получены зависимости этих характеристик от относительного технологического припуска t/m, где m — модуль зацепления. Накатанные эвольвентные зубчатые профили имеют модуль зацепления в диапазоне от 1,0 до 2,5 мм.

Распределение плотности материала накатанных зубьев исследовалось путем измерения объема и массы характерных областей зубчатого профиля. Изгибная прочность зубьев определена на испытательном стенде, представленном в работе [6].

Микроструктура зубчатого профиля, накатанного на пористой спеченной заготовке, получена на растровом электронном микроскопе МИМ-8М. Точность накатанных зубчатых профилей оценивалась по ГОСТ 1643-81. Показатели качества поверхности накатанных профилей соответствуют ГОСТ 25142-82.

Результаты эксперимента

Зависимости распределения плотности материала в накатанном зубчатом венце от относительного технологического припуска t/m и исследуемой области, расположенной на вы-

1,0

0,9

0,8

1

2

3

0,2

0,4

0,6

0,

t/m

Рис. 4. Зависимости распределения плотности р в накатанном зубчатом венце от относительного технологического припуска t/m при пористости исходной спеченной заготовки 0,8:

1 — область h = 0,5m; 2 — область h = 1,0m; 3 — область h = 1,5m

соте h от впадины зуба при пористости исходной спеченной заготовки 0,80, показаны на рис. 4.

Наиболее опасной с точки зрения разрушения является область основания зуба. Максимальная плотность накатанного зубчатого профиля в этой области достигает 0,960-0,980 в зависимости от модуля зацепления, что обеспечивает изгибную прочность в размере 90-95 % от прочности зубьев из компактных материалов.

Плотность зуба уменьшается по его высоте, на делительной окружности составляет 0,950-0,970, на вершине зуба — 0,930-0,960. С увеличением относительного технологического припуска t/m изгибная прочность накатанных зубьев возрастает, что связано с повышением их плотности.

Влияние модуля зацепления m и относительного технологического припуска t/m на изгибную прочность накатанных зубьев показано на рис. 5.

Влияние относительного технологического припуска t/m на точность эвольвентного зубчатого профиля, накатываемого на пористой заготовке, представлено в табл. 1.

Наиболее высокая, 8-я, степень точности по ГОСТ 1643-81 накатанных порошковых зубчатых колес обеспечивается относительным технологическим припуском в интервале 0,25 < t/m < 1,0. При накатывании зубчатого профиля с технологическим припуском t/m < 0,25 точность профиля падает, так как

1000

800

600

400

// f

/

4 /

3

// 2

Л / 1

/ А

4 / /

0,5

1,0

1,5

t/m

Рис. 5. Влияние модуля зацепления m и относительного технологического припуска t/m на изгибную прочность накатанных зубьев аиз:

1 — m = 0,6 мм; 2 — m = 1,0 мм; 3 — m = 1,5 мм; 4 — m = 2,0 мм

Таблица 1

Влияние относительного технологического припуска t/m на точность эвольвентного зубчатого профиля, накатываемого на пористой заготовке

Параметр Степень точности по ГОСТ 1643-81

t/m < 0,25 0,25 < t/m < 1,0 t/m > 1,0

Наибольшая кинематическая погрешность зубчатого колеса 9 8 10

Радиальное биение зубчатого венца ¥гг 9 8 9

Накопленная погрешность шага зубчатого колеса ¥ рг 10 8 10

Колебание длины общей нормали ¥ ± wг 9 8 9

Погрешность обката ¥сг 9 8 9

Отклонение шага ^ри 8 7 8

Отклонение шага зацепления ^рЬг 8 8 8

Погрешность профиля зуба ffг 9 8 10

Колебание измерительного межосевого расстояния на одном зубе fiг 9 8 9

р

°из, МПа

ЕТАППООБРАБОШ

LTU

упругие деформации материала соизмеримы с пластическими деформациями.

Припуск t/m > 1,0 способствует уменьшению точности формообразованных профилей, так как значительно возрастают плотность заготовки, неравномерность распределения деформаций по высоте накатанного зуба, усилия деформирования и упругие перемещения инструмента относительно заготовки.

Накатывание зубчатого профиля на пористой спеченной заготовке с технологическим припуском t обеспечивает возможность предварительного калибрования внутренней цилиндрической поверхности заготовки под накатку зубьев, что позволяет использовать заготовку, не обработанную по внутреннему диаметру, значительно повышает производительность процесса и сокращает потери материала [6].

Микроструктуры в характерных областях зубчатого профиля, накатанного на пористой спеченной заготовке, показаны на рис. 6 и 7. Получены на растровом электронном микроскопе МИМ-8М.

По всей поверхности контакта инструмента с заготовкой частицы материала приобрели форму, отличную от равноосной. Наибольшая разноосность частиц достигается во впадинах зубьев (см. рис. 5), так как эта область деформируется интенсивнее других. Зерна феррита приобрели форму вытянутой строчной ориентации в тангенциальном направлении. По мере удаления от деформированной поверхности степень разноосности зерен уменьшает-

Рис. 6. Микроструктура в области вершины зуба колеса с накатанными зубьями на заготовке из спеченного порошка ПРХН2Г (х500)

ся и прослеживается до глубины (8 - 10) т, где т — модуль зацепления.

В накатанном зубчатом венце уменьшились количество и размеры пор по сравнению с исходной спеченной пористой заготовкой, что является результатом интенсивного сдвига материала в процессе его деформирования. При этом вследствие пластического течения происходит дробление окисных пленок и межчастичных включений, образуются прочные контакты между частицами, что и обусловливает высокие прочностные свойства полученных зубчатых колес.

На основании анализа микроструктуры можно сделать вывод, что предварительное уплотнение и холодное деформирование пористых заготовок при накатывании зубчатого профиля благоприятно сказываются на формировании структуры и способствуют достижению необходимого уровня прочностных свойств изделия.

Для оценки микрогеометрии накатанной поверхности профилей используем следующие параметры: Яа — среднее арифметическое отклонение профиля; у — угол наклона образующих выступов; г/.йтах, где г — радиус закругления вершин неровностей; Ятах — наибольшая высота неровностей; Бт1 — средний шаг неровностей по длине зуба; Бт2 — средний шаг неровностей по периметру зуба в торцевом сечении; — площадь опорной поверхности. Параметр Яа характеризует высоту микронеровностей, величины г и у —

Рис. 7. Микроструктура в области впадины зуба колеса с накатанными зубьями на заготовке из спеченного порошка ПРХН2Г (х500)

Таблица 2

Показатели качества поверхности эвольвентных профилей, изготовленных накатыванием на пористых спеченных заготовках

Показатель Угол Р рабочего участка накатника,

6 10 15 20 25

Ra, мкм 25-40 2,42-2,00 2,40-1,94 2,38-1,91 2,12-1,74

r, мкм 100-130 150-180 150-180 140-170 190-210

r/Rmax 8-12 18-22 20-24 20-24 23-28

g, 18-24 11-14 11-14 11-14 9-12

^оп, % 28-38 36-49 36-49 36-49 42-51

Sm^ мм 0,15-0,16 0,12-0,13 0,12-0,13 0,13-0,14 0,10-0,11

Sm2, мм 0,54-0,43 0,47-0,31 0,49-0,34 0,43-0,30 0,37-0,27

форму микрорельефа. Средний шаг неровностей Sml и Sm2 влияет на условия удержания смазочного материала и опасность схватывания. Отношение r/Rmax характеризует фактическую поверхность трущихся поверхностей и влияет на сопротивление износу, схватыванию, работу трения. Значение Fоп оказывает влияние на контактные напряжения и износостойкость изделий.

Показатели качества поверхности эвольвентных профилей, изготовленных накатыванием на пористых спеченных заготовках, в зависимости от угла Р рабочего участка накатника приведены в табл. 2. Угол Р существенно влияет на качество поверхно-

сти зубьев. Наиболее эффективно использовать накатники с 12 < Р < 18 ° при t/m = 1,0 и 10 < Р < 15° при t/m = 0,25.

Представленные в табл. 2 показатели качества накатанных профилей соответствуют классам 6а...6Ь по ГОСТ 25142-82.

Из рассмотрения таблицы можно отметить следующие особенности микрорельефов накатанных профилей. Эвольвентный профиль имеет средний шаг неровностей по периметру зуба в нормальном сечении, превосходящий средний шаг неровностей по длине зуба. Это можно объяснить особенностями формообразования профилей. В процессе накатывания эвольвентных профилей зона контакта поверх-

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

рошковых спеченных заготовках [8]:

1 — поршень; 2 — шток поршня; 3 — копир; 4 — кривошип; 5 — опорный ролик; 6 — шатун; 7 — шток; 8 — пружина; 9 — накатник; 10 — гидроцилиндр; 11 — поршень гидроцилиндра; 12 — шпонка; 13 — наружная эталонная шестерня; 14 — корпус; 15 — вторая внутренняя эталонная шестерня; 16 — порошковая спеченная заготовка; 17 — первая внутренняя эталонная шестерня; 18 — матрица; 19 — ось; 20 — обойма; 21 — фиксатор; 22 — шток фиксатора

ЕТАПЛООБРАБОТК]

ностей заготовки и инструмента перемещается по высоте зубьев. Отношение радиуса закругления вершин неровностей к наибольшей высоте неровностей профиля на поверхности накатанных зубьев в 2-4 раза больше, чем обработанных резанием (зубодолблением, протягиванием, фрезерованием) [7]. Величина у накатанных профилей в 1,5-2,0 раза меньше нарезанных. Увеличение г/Ятах и уменьшение угла у обеспечивают пологую обтекаемую форму неровностей, повышают сопротивление износу. Опорная поверхность ¥оп, образованная при накатке профилей, в 2-3 раза больше, чем изготовленная резанием при одних и тех же классах шероховатости. Это обусловлено особенностями микрорельефа накатанной поверхности: высокой однородностью неровностей по высоте и пологой обтекаемостью их формы.

Показатели точности и качества поверхности накатанных профилей удовлетворяют техническим требованиям, предъявляемым к порошковым зубчатым колесам.

На основании исследований предложенного способа накатки внутренних зубьев на порошковых спеченных заготовках спроектирована опытно-промышленная установка, выполненная на базе токарного станка (рис. 8) [8].

В исходном состоянии спеченная порошковая заготовка 16 устанавливается в матрице 18 между первой 17 и второй 15 внутренними эталонными шестернями. Матрица 18 закреплена в обойме 20. На оси, соединяющей кривошип 4 и шатун 6, установлен опорный ролик 5, который перемещается по копиру 3. Поршень 1 находится в крайнем левом положении и при помощи рычажной системы деталей 2, 4, 6 и 15 прижимает заготовку 16 к эталонной шестерне 17. Поршень 11 гидроцилиндра 10 прижимает наружную эталонную шестерню 13 к оси 19. Вращению эталонной шестерни 13 препятствует шпонка 12. Шток 22 фиксатора 21 удален от отверстия обоймы 20. Последняя приводится во вращение. Накатники 9 совершают планетарное движение и при помощи корпуса 14, перемещаясь влево в осевом направлении, накатывают зубчатый профиль на заготовке 16.

После окончания накатывания зубьев корпус 14 выводит накатники 9 из зоны контакта с заготовкой. Обойма 20 отключается от двигателя и вращается на холостом ходу. Фиксатор

21 подводит шток 22 к обойме 20. В момент, когда отверстие обоймы 20 находится напротив штока 22, он под действием пружины заходит в это отверстие и прекращает вращение обоймы 20. Поршень 11 перемещается вправо и выводит наружную эталонную шестерню 13 из зоны заготовки 16. Поршни 1, 11 и корпус 14 начинают двигаться вправо синхронно. Заготовка 16 удаляется из матрицы 18. Движение вправо поршней 1, 11 и корпуса 14 прекращается. Поршень 1 перемещается вправо. Заготовка 16 удаляется из матрицы 18. Захваты робота (на рисунке не показаны) зажимают заготовку 16 и выводят из зоны обработки. Пружина 8, установленная на штоке 7, препятствует перемещению второй внутренней эталонной шестерни 15 вправо.

Выводы

1. Разработанный способ накатки зубчатых профилей внутреннего зацепления на заготовках из спеченных порошковых материалов расширил технологические возможности процессов объемной штамповки пористых материалов и повысил эксплуатационные характеристики порошковых зубчатых колес. Предварительное калибрование исходной заготовки коническим участком накатника способствует получению зубьев с плотностью, обеспечивающей их прочность, соизмеримую с прочностью зубчатых венцов из компактных материалов. Точность накатанных зубчатых профилей, отвечающая 8-9-й степеням по ГОСТ 1643-81, и показатели качества поверхности зубьев, соответствующие классам 6а...6Ь по ГОСТ 25142-82, удовлетворяют техническим требованиям, предъявляемым к порошковым зубчатым колесам.

2. Разработанная опытно-промышленная установка для накатки внутренних зубьев на порошковых спеченных заготовках обеспечила возможность автоматизации исследуемого процесса.

Литература

1. Востров В. Н., Халюзов С. А. Применение в машиностроении зубчатых колес из пористых материалов и требования, предъявляемые к их качеству // Материалы

межвузовской научной конференции «XXXVII Неделя науки СПбГПУ» / Под ред. А. И. Рудского. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2008. С. 52-54.

2. Применение спеченных конструкционных деталей в транспортном и сельскохозяйственном машиностроении / А. А. Аваков, Э. Н. Попов, С. С. Рухадзе [и др.] // Порошковая металлургия. 1974. № 2. С. 5-8.

3. Васильчиков С. А., Дутов Е. И., Грингауз М. Н. Исследование технологических процессов и основ изготовления мелкомодульных шестерен методом порошковой металлургии // Вестн. машиностроения. 1982. № 8. С. 42-46.

4. Кроха В. А., Баховкин А. Н. Прогрессивный метод производства зубчатых колес // Порошковая ме-таллургия.1983. № 1. С. 21-24.

5. 1530314, МКИ В 21 Н 5/00. Способ накатывания зубчатых профилей на кольцевых заготовках и инструмент для его осуществления / В. Н. Востров, П. А. Кузнецов, А. В. Новиков [и др.] // А. с. СССР. Опубл. 23.12.1989 г. Бюл. № 47.

6. Накатывание внутренних зубчатых профилей на пористых заготовках / В. Н. Востров, П. А. Кузнецов, А. В. Новиков [и др.] // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2002. № 5. С. 10-19.

7. Производство зубчатых колес / Под ред. Б. А. Тай-ца. М.: Машиностроение, 1975. 708 с.

8. Устройство для накатывания зубчатых профилей /

A. с. СССР 1368093, МКИ В 21 Н 5/02 / В. Н. Востров,

B. А. Ли, А. В. Новиков [и др.] // Опубл. 23.01.1988. Бюл. № 3.

АО «Издательство "Политехника"» предлагает:

Мурашкина Т. И. Техника физического эксперимента и метрология: учеб. пособие — СПб. : Политехника, 2015. — 138 с. : ил.

ISBN 978-5-7325-1051-5 Цена: 180 руб.

Рассматриваются основные разделы теоретической метрологии: теории измерительных процедур и физического эксперимента, теории обработки экспериментальных данных при проведении измерительного эксперимента, теории планирования физического измерительного эксперимента, с которой тесно связаны такие вопросы, как разработка методик выполнения измерительного эксперимента и метрологическое обеспечение физического эксперимента.

Учебное пособие подготовлено на кафедре «Приборостроение» и предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 200500 «Лазерная техника и лазерные технологии», «Приборостроение», может быть полезно инженерам и научным работникам, занимающимся организацией и проведением измерительного физического эксперимента

Гриф: Рекомендовано Федеральным государственным автономным учреждением «Федеральный институт развития образования» (ФГАУ «ФИРО») в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки «Лазерная техника и лазерные технологии», «Приборостроение».

Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 710-62-73, тел./факсу: (812) 312-57-68, e-mail: [email protected], на сайт: www.polytechnics.ru.