Контроль точности зубчатых колес

Содержание

Введение…………………………………………………………………………....3

1 Контроль точности цилиндрических зубчатых колес………………………...5

2 Современные тенденции в конструкции зубчатых колес и технология их обработки………………………………………………………………………….16

3 Зубоизмерительные машины…………………………………………………..20

Заключение………………………………………………………………………..31

Список литературы……………………………………………………………….32

Приложение А (обязательное) Справка об анализе  литературы …………… .33

Введение

      В большинстве современных изделий, выпускаемых предприятиями машиностроения и приборостроения, используются зубчатые передачи, которые в конструктивном, технологическом и метрологическом отношении являются одними из наиболее сложных элементов машин и механизмов. Рост требований к качеству зубчатых колес приводит к непрерывному совершенствованию и усложнению методов их проектирования, технологий изготовления, средств и методов контроля.

      Использование зубчатых колес по видам передач можно оценить примерно следующим образом: цилиндрические зубчатые колеса с внешними зубьями – 85…90% от общего количества, из них около 97% - прямозубые; цилиндрические колеса с внутренними зубьями, в основном прямозубые – 3…4%; конические прямозубые – 6…7%; конические с круговыми зубьями - около 1% [2].

       Высокое качество зубчатых и червячных передач можно обеспечить при применении современных методов и средств контроля, а также технического контроля на протяжении технологического цикла изготовления, - начиная с заготовки и кончая финишными операциями и сборкой. Для обеспечения взаимозаменяемости и надежности работы зубчатых и червячных передач погрешности изготовления зубчатых колес, червяков и передач ограничены допусками, установленными стандартами.

        При изготовлении червяков, зубчатых и червячных колес их подвергают производственному, выборочному и приемочному контролю.

        Производственный контроль осуществляется оператором или наладчиком непосредственно на производственном участке около станков на простейших, быстродействующих приспособлениях или приборах. Обычно контролируют длину общей нормали, размер по роликам (шарикам), толщину и высоту зубьев, колебание измерительного межосевого расстояния (угла) за оборот и на одном зубе, пятно контакта в паре с измерительным (сопряженным) колесом и т.д. Визуально определяют параметр шероховатости поверхности на профилях зубьев. Эти параметры контролируют периодически для оценки правильности работы станков, точности установки заготовки и износа режущего и правящего инструмента. Контролируют два первых зубчатых колеса с каждого станка в начале смены, после замены инструмента, подналадки станка, а также через каждые 1…2 ч работы станков [3].

         Выборочный контроль проводят контролеры с помощью приборов в специальных помещениях, расположенных на участке изготовления зубчатых колес или рядом с ним. Выборочный контроль заключается в систематическом поэлементном контроле зубчатых колес в процессе обработки, своевременном выявлении производственных неполадок с целью их оперативного устранения.

Кроме того, контролируют погрешности профиля и направления зуба, отклонение шага, накопленную погрешность шага, биение (радиальное) зубчатого венца, форму и расположение пятна контакта, размер зубьев, боковой зазор, уровень шума и т.д.

         Приемочный контроль осуществляют после термической обработки и шлифования баз. На этой стадии у каждого колеса проверяют базы (отверстия, торцы и шейки) после шлифования и параметры зубьев. Основные контролируемые параметры зацепления и средств для контроля выбирает завод-изготовитель зубчатых колес. Например, у зубчатых передач легковых, грузовых автомобилей основным параметром оценки качества является плавность зацепления и бесшумность работы.

Зубчатые  колеса в приборостроении, работающие с минимальным боковым зазором, изготовляют с жесткими допусками  по отклонению шага зубьев и биению зубчатого венца. Для колес обычной  точности при малом выпуске комплексный двухпрофильный контроль является достаточным средством проверки качества [2].

       1 Контроль точности цилиндрических зубчатых колес

        Для обеспечения высококачественного зацепления зубьев и взаимозаменяемости цилиндрических зубчатых передач погрешности их изготовления ограничены допусками по ГОСТ 1643. Стандартом установлено 12 степеней точности, более точные колеса имеют первые номера, менее точные - последние. Для 1 и 2-й степеней допуски еще не разработаны. Каждая степень содержит три нормы - кинематической точности, плавности работы и контакта зубьев в передаче, а также шесть видов сопряжений и восемь видов допусков на боковой зазор. Стандарт допускает комбинирование степенями точности по трем видам норм с определенными ограничениями. Каждая норма точности (кинематическая, плавности работы и пятна контакта), а также сопряжение по боковому зазору имеют несколько измеряемых параметров (табл. 1), которые являются равноправными. Завод-изготовитель может выбирать измеряемые параметры в зависимости от условий работы передачи, применяемых измерительных средств, размеров зубчатых колес, их степени точности и т.д. [3].

Таблица 1 -  Основные измеряемые параметры  цилиндрических зубчатых колес.

Окончание таблицы 1

          Кинематическая погрешность колеса F’_ir разность между действительным и номинальным (расчетным) углами поворота зубчатого колеса 1 (рисунке 1,а) на его рабочей оси, ведомого измерительным зубчатым колесом 2 при номинальном взаимном положении осей вращения этих колес. Наибольшую кинематическую погрешность измеряют на приборе в однопрофильном зацеплении за один оборот проверяемого колеса. В качестве измерительного зубчатого колеса используют сопряженное или точно изготовленное зубчатое колесо. Погрешность проверяемого зубчатого колеса вызывает периодическое ускорение или замедление его вращения [2].

Рисунок 1.1 -Схемы измерения цилиндрических зубчатых колес.

        Накопленная погрешность шага колеса F_Pr — наибольшая алгебраическая разность значений накопленных погрешностей окружных шагов в пределах зубчатого колеса (рисунок 1.1, б). Она определяется расчетом результатов измерений окружных шагов по всей окружности зубчатого колеса.

При контроле накопленной погрешности  шага у зубчатых колес с большим  числом зубьев можно производить  измерения через три - пять зубьев, что значительно ускоряет процесс  контроля.

        Накопленная погрешность k шагов F_Pkr - наибольшая разность диcкретных значений кинематической погрешности зубчатого колеса при номинальном его повороте на А целых угловых шагов. На рисунке 1.1, б приведена схема возникновения накопленной погрешности F_Pkr трех окружных шагов Р_t, следующих друг за другом [3].

        Радиальное биение зубчатого венца F_rr - разность действительных предельных положений исходного контура в пределах зубчатого колеса (от его

 рабочей оси). Радиальное биение определяют по наибольшей разности

положений измерительного наконечника  индикатора, который вводится последовательно  во все впадины зубьев, расположенных в любом торцовом сечении оси колеса. Чаще всего в качестве измерительного наконечника применяют шарик 1 (рисунке 1.2, а) или конус 2. Размеры наконечника выбирают таким образом, чтобы его контакт с боковыми поверхностями зубьев происходил вблизи делительной окружности.

Рисунок 1.2- Схемы измерения радиального биения (а), длины общей нормали (б), колебания измерительного межосевого расстояния (в) и профиля зуба (г).

        Колебание длины общей нормали F_uWr - разность между наибольшей и наименьшей действительными длинами общей нормали в одном и том же зубчатом колесе. Действительная длина общей нормали W (рисунке 1.2, б) представляет собой отрезок прямой, расположенный касательно к основной окружности диаметром d_b, между двумя разноименными боковыми поверхностями зубьев. Контроль колебания длины общей нормали проводят на измерительных центрах или вручную микрометрами с измерительными

поверхностями, охватывающими несколько зубьев. Результаты измерений позволяют оценить толщину зуба и припуск под последующую обработку зубьев шевингованием, шлифованием и другими методами.

       Колебание измерительного межосевого расстояния за оборот колеса F_ir”— разность между наибольшим и наименьшим действительными межосевыми расстояниями при двухпрофильном зацеплении измерительного зубчатого колеса 2 (рисунке 1.2, в) с контролируемым зубчатым колесом 1 при повороте последнего на полный оборот. Вследствие неточности проверяемого зубчатого колеса при взаимном обкате под давлением пружины 4 происходит

изменение межосевого расстояния A_a”, которое фиксирует индикатор 3. На колебание измерительного межосевого расстояния оказывают влияние погрешности профиля, отклонения шага и толщины зуба, радиальное биение и другие неточности зубьев (см. таблицу 2). При контроле в одно- и двухпрофильном зацеплении точность измерительного зубчатого колеса имеет большое значение, ее определяют в зависимости от точности проверяемых зубчатых колес [1].

Таблица 2 – Зависимость степени точности измерительного колеса от проверяевого

        Местная кинематическая погрешность колеса f_ir’ — наибольшая разность между местными соседними экстремальными (минимальными и максимальными) значениями кинематической погрешности зубчатого колеса в пределах его оборота (см. рисунок 1.1, а)[3].

        Погрешность  профиля зуба f_fr - расстояние по нормали между двумя ближайшими друг к другу номинальными торцовыми профилями зуба, между которыми размещается действительный торцовый активный профиль зуба зубчатого колеса. Погрешность профиля измеряют с помощью эвольвентомеров или измерительных центров. Теоретически точный эвольвентный профиль 3 (рисунок 1.2, г) зубьев, записанный измерительным прибором в увеличенном масштабе представляет собой прямую линию 1. Как правило, эвольвентный профиль 4 имеет отклонения от теоретической точной формы в «+» или «-» и его форма изображается в виде кривой линии 2. Диаметры N_a и N_f ограничивают активную линию профиля соответственно на головке и ножке зуба на длине измерения L_a.

        Многие производители цилиндрических зубчатых колес для более точной оценки погрешности профиля f_fr рассматривают ее состоящей из погрешности формы профиля f_fa и угла профиля f_Ha . Наряду с числовыми значениями погрешностей профиля зубьев очень важна также аналитическая оценка графически записанной формы профиля: длины активной линии профиля и его угла, наличия необходимых модификаций, волнистости и т.д.

        Отклонение  шага зацепления f_Pbr - разность между действительным и номинальным шагами зацепления (см. рисунок 1.1, б). Перед измерением прибор устанавливают на номинальное значение шага зацепления и контролируют отклонения каждого шага от этого значения.

        Отклонение шага f_Ptr - дискретное значение кинематической погрешности, зубчатого колеса при его повороте на один угловой шаг (см. рисунок 1.1, б). Измеряют отклонения всех окружных шагов на правых и левых боковых поверхностях зубьев относительно первого измеренного шага. Отклонения шага могут иметь как положительные, так и отрицательные значения [2].

        Разность шагов f_uPtr - разность между двумя отклонениями шагов в любых участках зубчатого колеса (см. рисунок 1.1, б). При определении разности шагов их отклонения на соседних зубьях с разными знаками (положительные и отрицательные) складываются, а с одинаковыми знаками - вычитаются из большего меньшее. Плавность зацепления зубьев цилиндрических передач в значительной степени зависит от наибольшей разности соседних окружных шагов.

        Колебание измерительного межосевого расстояния на одном зубе f_ir” - разность между наибольшим и наименьшим действительными межосевыми расстояниями при двухпрофильном зацеплении измерительного зубчатого колеса с контролируемым колесом при повороте последнего на один угловой шаг. Измерение осуществляют на приборах для комплексного двухпрофильного контроля в беззазорном зацеплении (см. рисунок 1.2, в).

        Погрешность направления зуба Fb_r - расстояние между двумя ближайшими друг к другу номинальными делительными линиями зуба в торцовом сечении, между которыми размещается действительная делительная линия зуба, соответствующая рабочей ширине зубчатого венца или полушеврона. Контроль на измерительных центрах позволяет установить числовые значения погрешности направления зуба, а также по графической записи оценить продольную форму зуба на длине измерения (рисунок 1.3, а) - наличие конусности, бочкообразности, вогнутости, среза или фаски. При измерении теоретически точное прямолинейное направление зуба представляет собой прямую линию 1. Изогнутая линия 2 характеризует направление зуба с суммарной погрешностью Fb_r, которая может быть рассмотрена как погрешность формы f_fb и погрешность угла f_Hb [3].

        Контроль суммарного пятна контакта на зубьях проверяемого колеса обычно проводят при взаимном обкате в паре с сопряженным или измерительным колесом на контрольно-обкатном станке на номинальном межосевом расстоянии под нагрузкой. Относительные размеры суммарного пятна контакта задают в процентах от длины и высоты зуба. Для высоконагруженных зубчатых передач длину пятна контакта выбирают короче, чем для низконагруженных. Пятно контакта должно располагаться в центре по высоте и длине зуба и быть одинаковым на всех зубьях (рисунок 1.3, б).

     Правильная модификация зубьев предохраняет пятно контакта от выхода его на кромку зуба под нагрузкой. Суммарное пятно контакта, имеющее отклонения по форме и расположению, является причиной повышенного уровня шума и снижения долговечности работы зубчатой передачи [2].

Рисунок 1.3 -Схемы измерения норм контакта зубьев и бокового зазора.

        Гарантированный боковой зазор j_n min - наименьший предписанный боковой зазор (рисунок 1.3, в).

         Контроль бокового зазора между зубьями двух сопряженных колес выполняют на контрольно-обкатном станке (при номинальном межосевом расстоянии) с помощью индикатора.

        Измерительный  наконечник индикатора устанавливают перпендикулярно поверхности зуба. Покачивая колесо в пределах зазора при неподвижном сопряженном колесе, по индикатору определяют боковой зазор. Измерение осуществляют на четырех равномерно расположенных по окружности зубьях. Разность между наименьшим и наибольшим значениями будет соответствовать колебанию бокового зазора в передаче.

        Отклонение толщины зуба Е_Сs от заданного значения измеряют прямыми и косвенными методами. При больших допусках на боковой зазор и наладочных работах часто применяют прямой метод измерения кромочным зубомером. У прямозубых цилиндрических колес в торцовом сечении, а у косозубых в нормальном сечении измеряют толщину зуба по хорде на высоте зуба до хорды (рисунке 1.3, г). Так как контроль производят от поверхности вершин зубьев диаметром d_a, изготовляемой с отклонениями, то результаты измерения не отличаются высокой точностью.

        Косвенные методы измерения являются более точными. Отклонение толщины зуба можно определить при измерении длины общей нормали. Контроль выполняют между двумя (левой и правой) боковыми поверхностями зубьев, расположенными между несколькими зубьями, что исключает влияние погрешности изготовления заготовки. Измерения можно проводить непосредственно на зубообрабатывающем станке. При модификациях по длине зуба и несимметричных модификациях профиля измерять длину общей нормали не рекомендуется.

        Если зубчатая передача имеет маленький боковой зазор, то отклонение толщины зуба контролируют косвенно с установкой проверяемого колеса 4 (рисунке 1.3, д) по оси вращения, чтобы учесть биение и другие погрешности зубьев. При последовательном заглублении измерительного шарика 3 диаметром D_м во впадины вращающегося колеса определяют радиальный

размер по шарику М_rk. При этом шарик контактирует с поверхностями зубьев по окружности d_м .

        Измерительные приборы могут быть стационарными и переносными для контроля колес непосредственно на зубообрабатывающих станках.

        Косвенные измерения отклонения толщины зуба можно осуществлять приборами для комплексного двухпрофильного контроля в паре с измерительным колесом.

        У косозубых цилиндрических колес с узкими венцами невозможно точно измерить длину общей нормали. Отклонение толщины зуба у таких колес можно оценить контролем диаметрального размера М по роликам(шарикам). Измерение зубчатых колес с внешним и внутренним зацеплением выполняют микрометрами 1 (рисунке 1.4, а) со сменными вставками 2 или стационарными измерительными устройствами [3].

Рисунок 1.4 -Схемы измерения диаметрального размера по роликам (шарикам):

d_k – диаметр окружности, проходящей через центры роликов (шариков);

a_k – угол профиля на окружности d_k

     При четном числе зубьев колеса 4 (рисунок 1.4, 6) измерительные ролики 3 и 5 (шарики) устанавливают в две диаметрально противоположные впадины зубьев. При нечетном числе зубьев колеса 7 (рисунок 1.4, в) один ролик 6 смещают относительно другого ролика на угол π/2z . Этим методом можно контролировать зубья с модификациями по профилю и по длине зуба.

       Затруднительно  измерение зубьев в торцовом сечении непосредственно на станке. Диаметры роликов (шариков) можно принять: для колес внешнего D_м ≥ 1,68 т и внутреннего зацепления D_м > 1,5 т [2].

2 Современные тенденции в конструкции зубчатых колес и технологии их обработки

        Требования к точности изготовления зубчатого венца определяются эксплуатационными требованиями к зубчатому зацеплению. К этим требованиям укрупненно можно отнести: износостойкость, виброустойчивость, шумность, передаваемый крутящий момент, надежность и плавность. Все эти требования ужесточаются по мере развития техники. Соответственно, ужесточаются и требования по точности к зубчатым венцам и совершенствуются методы контроля этих требований.

        В настоящий момент совершенно  четко прослеживаются несколько  тенденций в изменении технологических  и точностных требований к зубчатым колесам. В основе лежит ужесточение требований к зубчатым передачам, обусловленное повышенными требованиями к конечному продукту, куда входят детали с зубчатым венцом (редукторам, коробкам передач):

• снижение стоимости;
• снижение уровня шума;
• снижение веса;
• снижение габаритных размеров;
• повышение надежности;
• увеличение передаваемого момента, мощности;
• улучшение динамических характеристик;
• повышение коэффициента полезного действия;
• увеличение срока службы;
• увеличение ремонтопригодности.

        Повышенные требования к изделиям  определяют соответствующее повышение  требований к зубчатым колесам, входящим в состав современных изделий. Отклонения отдельных параметров зуба и зубчатого венца влияют на функциональные возможности зубчатого колеса или пары колес в зубчатом зацеплении. Проще говоря, только зубчатое колесо с правильным эвольвентным профилем и точным шагом обеспечивает передачу вращения с постоянной угловой скоростью.

        Основные характеристики зубчатых колес, которые должны быть обеспечены конструктивными и технологическими методами:

• точность (динамика, плавность работы);
• долговечность;
• надежность;
• передача больших моментов (трение, высокие нагрузки,знакопеременные нагрузки);
• минимальная стоимость;
• дополнительные функции (синхронизация — наличие дополнительных венцов).

        Эти требования должны быть обеспечены соответствующим контролем в процессе изготовления деталей с зубчатыми венцами.

         Для обеспечения указанных требований к зубчатым колесам изменяется конструкция самих колес. В первую очередь это касается точности: сегодня в мире основную массу составляют колеса 5…7-й степеней точности. Другой тенденцией является наличие модификаций по профилю и линии зуба  (конструктивных заданных отклонений от исходных параметров). В отдельных случаях вводятся топографические модификации на всей поверхности зуба.

         Ужесточение требований к деталям с  зубчатыми венцами привело к тому, что за прошедшие 30 лет существенно изменилась технология обработки зубчатых колес. Появилась возможность реализовать более высокие требования к точности колес, что, в свою очередь, привело к дальнейшему ужесточению допусков. Попутно отметим, что новые технологии не только обеспечивают более высокое качество обработки, но и существенно увеличивают ее производительность. Мировые тенденции в увеличении точности и производительности обработки зубчатых колес представлены на рисунке 2.1 [5].

Рисунке 2.1 -Тенденции повышения качества и производительности обработки

        Применение цифровых систем управления позволило напрямую применить результаты измерения зубчатых колес для повышения качества. В традиционных технологиях повышение точности требовало изменения технологии, изменения конструкции приспособлений, ремонта и модернизации станков. Для станков с ЧПУ достаточно ввести в корректоры значения погрешности обработанной детали и при обработке следующей детали погрешности уже будут скомпенсированы. Таким образом, полученные в результате измерения зубчатого венца значения отклонений применяются в современной технологии для корректировки наладки станка. Целью этой корректировки может быть не только повышение качества обработанного  венца, но и оптимизация параметров зубчатого зацепления. Как следствие, методы и оборудование для контроля зубчатых венцов все глубже интегрируются в производственный процесс механической обработки.

          Еще одной причиной глубокой интеграции современных методов контроля является необходимость паспортизации и сертификации изготавливаемых деталей, особенно при изготовлении деталей по кооперации. Получатель продукции хочет быть уверен в ее качестве и требует предоставления сертификатов международного образца, дающих исчерпывающую информацию о качестве зубчатого венца. В конечном итоге получатель готового изделия (редуктора, коробки передач) должен быть уверен в качестве отдельных компонентов и иметь соответствующее документальное подтверждение. Кроме этого, должна быть обеспечена прослеживаемость результатов контроля качества, т. е. методы контроля, применяемые различными поставщиками, должны иметь единую основу и, при повторении измерений в другом месте, результаты измерений должны быть идентичны. Традиционные средства контроля не могут обеспечить подобную сертификацию и прослеживаемость.

         Подводя итог, сформулируем основные современные тенденции в измерении зубчатых колес:

• не просто измерение детали с заключением «годная — негодная», а анализ отклонений с обратной связью с производством
• более высокая точность измерений
• более высокая скорость измерения (в автомобильной промышленности не более 3 минут на деталь)
• возможность контроля непосредственно в производстве (сокращение времени ожидания решения)
• возможность измерения модификаций и топографии зуба
• внедрение новых стандартов измерения и оценки
• достоверность измерений
• выдача стандартизованных протоколов (прослеживаемость результатов
• на различных стадиях производства и при поставке изделия потребителю).

Эти тенденции привели к появлению новых методов контроля зубчатых венцов – зубоизмерительные машины [6].

3 Зубоизмерительные машины

        Зубоизмерительная машина является средством аналитического контроля отклонений зубчатого венца. Применение этого средства контроля обеспечивает оптимальное качество контроля и представления результатов проверки параметров зубчатого венца. Получаемые результаты дают полную информацию о причинах возникновения погрешностей и позволяют использовать эту информацию для соответствующей корректировки технологии изготовления детали. К недостаткам данного метода проверки следует отнести длительный цикл измерения и сложность в применении зубоизмерительной машины непосредственно около станка - являясь метрологическим средством очень высокой точности, машина требует установки в специально подготовленное помещение.