Червячные колеса и червяки

Червячная передача, состоящая из червяч­ного колеса 2 и цилиндрического червяка 1 (рис. 214, а), относится к передачам со скре­щивающимися осями, расположенными под углом 90º. Червячные передачи широко приме­няют в делительных механизмах зуборезных станков, подъемных механизмах, приборах, в которых требуется плавная, бесшумная ра­бота и высокая равномерность вращения. По сравнению с другими видами передач, чер­вячные передачи могут передавать крутящие моменты с большим передаточным числом при небольших габаритах. Линейный контакт между зубьями, относительно большое число зубьев, находящихся одновременно в зацепле­нии, позволяют им передавать большую на­грузку. Высокий коэффициент скольжения при зацеплении зубьев обеспечивает передаче бес­шумную и плавную работу. Точно изготовлен­ная червячная передача имеет высокую равно­мерность вращения. К недостаткам червячной передачи относятся: высокая затрата мощно­сти на преодоление трения в зацеплении, до­статочно высокий нагрев, быстрый износ зубь­ев, сравнительно низкий КПД (50 — 90%). Чем меньше угол подъема витка червяка и хуже ка­чество поверхности на профилях зубьев, тем больше потери мощности. Для уменьшения потери мощности необходимо выбирать со­ответствующий материал для изготовления червяков и червячных колес, использовать определенный смазочный материал; поверхность профиля зубьев должна быть гладкой. У малонагруженных червячных передач червяк обычно изготовляют из улучшенной стали, а колесо из чугуна. У нагруженных и ответ­ственных передач червяки изготовляют закаленными из цементуемых сталей, а колесо из бронзы. Особое внимание уделяют точности изготовления зубчатого зацепления червячной передачи. Высокая точность червячного колеса достигается при нарезании зубьев на станке с высокой кинематической точностью и отсут­ствием зазоров в кинематической цепи. Для облегчения правильного зацепления червячной передачи необходимо соблюдать следующее правило: червяк и червячное колесо должны иметь одинаковую форму профиля. Внешний диаметр червячной фрезы должен быть боль­ше диаметра червяка на удвоенный ра­диальный зазор, а толщина зуба фрезы боль­ше, чем у червяка, на боковой зазор в передаче. При фрезеровании за два хода чер­новая фреза должна иметь большую по срав­нению с чистовой фрезой высоту головки, а чистовая фреза — большую чем у черновой фрезы, толщину зуба. Для фрезерования зубь­ев червячных колес, которые сопряжены с многозаходными червяками, применяют многозаходные фрезы. При нарезании многозаходными фрезами число зубьев обрабаты­ваемого колеса и число заходов фрезы не дол­жны иметь общих множителей.

Нарезание зубьев червячных колес выпол­няют на универсальных зубофрезерных стан­ках методом обкатки и специально предназна­ченных для этой цели мастер-станках. Фреза и колесо вращаются при нарезании зубьев так же, как червяк и червячное колесо в собранном агрегате. Выбор метода обработки зави­сит от требуемого качества зацепления червяч­ной передачи. Червячные колеса с углом подъема винтовой линии червяка до 8° обра­батывают методом радиальной подачи. Чер­вячные передачи повышенной точности и имеющие большие углы подъема нарезают с тангенциальной подачей червячными фреза­ми с заборным конусом или фрезой-летучкой. При нарезании с радиальной подачей чер­вячных колес с углом подъема линии зуба свыше 8º и сравнительно большим обхватом червяка перед достижением номинального меж­осевою расстояния происходит срез металла с профиля зубьев колеса. Срезанный участок профиля зуба не участвует в зацеплении. По этой причине и вследствие лучшего образова­ния профиля зубьев червячных колес метод тангенциальной подачи часто применяют и для зубчатых колес с углом подъема мень­ше 8º.

Нарезание с радиальной подачей осущест­вляется на зубофрезерных станках цилиндри­ческой фрезой (рис. 214,б), ось которой уста­навливают горизонтально, симметрично оси колеса. В процессе резания фреза 3 подается радиально на глубину зуба с подачей 0,08—0,50 мм/об стола и скоростью резания 20-25 м/мин. Чтобы зубья колеса были наре­заны полностью по всей окружности, после достижения полной высоты и выключения ра­диальной подачи необходим еще один полный оборот детали, прежде чем следует остановить станок. Из зацепления с колесом фрезу сле­дует выводить до выключения работы станка, чтобы не повреждать профиль зубьев колеса. При фрезеровании с радиальной подачей пара­метр шероховатости поверхности зависит от числа зубьев и заходов фрезы, а также диаме­тра колеса. Если диаметр колеса мал, а фреза имеет небольшое число зубьев, на профиле зубьев колеса остаются широкие следы оги­бающих резов. Для снижения параметра ше­роховатости по окончании радиальной подачи целесообразно применять чистовую обработку с тангенциальной подачей. Число резов на бо­ковой поверхности зуба можно регулировать путем изменения тангенциальной подачи. Путь тангенциальной подачи в этом случае равен примерно одному осевому шагу червяч­ной фрезы. Метод обработки с радиальной подачей обладает высокой производитель­ностью; его применяют для обработки чер­вячных колес невысокого качества и колес с относительно небольшим углом подъема зубьев.

Нарезание с тангенциальной подачей вы­полняют на зубофрезерных станках с про­тяжным суппортом, который сообщает фрезе осевую подачу. Обработка ведется червячной фрезой с заборным конусом или фрезой-летуч­кой. Червячная фреза состоит из двух ча­стей — заборной и цилиндрической. Заборная часть фрезы, выполненная в виде конуса, пред­назначена для черновой обработки зубьев ко­леса, В большинстве случаев угол конуса за­борной части выбирают равным 20-26°. Правозаходные червячные фрезы имеют заборную часть у правого конца, а левозаходные — соответственно у левого конца. За­борный конус фрезы при работе с осевой по­дачей необходим для распределения износа и уменьшения нагрузки на зубья фрезы. Ци­линдрическая часть фрезы, равная одному пол­ному витку, производит чистовую обработку зубьев.

Перед обработкой фрезу 4 устанавливают таким образом, чтобы ее заборная часть слег­ка касалась окружности выступов колеса (рис. 214, в). Резание начинается с внедрения забор­ного конуса в тело колеса при осевом переме­щении фрезы, а заканчивается, когда первый калибрующий зуб выходит из зацепления с зу­бом колеса. При нарезании зубьев колеса за один ход инструмент устанавливают на но­минальное межосевое расстояние червячной передачи. Если обработка ведется за два хода или с радиальной подачей, межосевое расстоя­ние увеличивают для обеспечения припуска под чистовую обработку. Тангенциальная по­дача должна быть направлена против враще­ния стола; .ее выбирают в пределах 0,08 — 0,5 мм/об стола для чернового и 0,5 — 0,12 мм/об стола для чистового нарезания зубьев; ско­рость резания 20 — 25 м/мин. Длину пути фрезы можно определить графически. Началь­ное положение — когда заборная часть фрезы начинает касаться тела колеса, конечное — ког­да первый зуб с полным профилем выходит из зацепления. Производительность метода фре­зерования с тангенциальной подачей ниже, чем с радиальной, а точность выше.

При нарезании с радиально-тангенциальной подачей (рис. 214, г) черновая обработка осуществляется заборным конусом при вне­дрении его на радиальной подаче до достиже­ния номинального межосевого расстояния ме­жду фрезой 5 и колесом. Затем происходит автоматическое переключение на чистовую обработку. Цилиндрическая часть фрезы при тангенциальной подаче снимает с боковых сторон зуба минимальный припуск. Тангенциальный путь фрезы значительно сокращает­ся. Толщина зуба заборной части фрезы де­лается меньше толщины цилиндрической ча­сти. Возможен другой вариант обработки. Если под чистовую обработку необходимо оставить припуск, радиальная подача выклю­чается раньше, чем будет достигнута полная высота зуба; станок автоматически переклю­чается на тангенциальную подачу для чистово­го нарезания зубьев. При нарезании с радиально-тангенциальной подачей можно при­менять цилиндрические фрезы той же длины, что и при фрезеровании с радиальной подачей. Метод с радиально-тангенциальной подачей более высокопроизводителен, чем метод с ра­диальной подачей, и обеспечивает лучшее фор­мообразование профиля зубьев, чем метод тангенциальной подачи.

Нарезание фрезой-летучкой применяется в единичном производстве. При обработке точных червячных колес и колес крупного мо­дуля вместо одного резца в оправке установле­но несколько резцов (рис. 214, д). Резцы 6, 7 предназначены для черновой обработки впа­дины зубьев, а резец 8 - для чистовой. Фре­зой-летучкой работают только при методе тангенциальной подачи. Червячные колеса, сцепляющиеся с однозаходным червяком, фре­зеруют с подачей 0,9—0,15 мм/об стола. По­дача уменьшается, когда фрезеруют колеса, сопряженные с многозаходными червяками. Скорость резания 12—18 м/мин. Нарезание фрезой-летучкой — процесс длительный с низ­ким периодом стойкости. Для повышения производительности черновое нарезание осущест­вляют с радиальной подачей на 0,2 мм глубже полной высоты зуба, а чистовое нарезание — фрезой-летучкой с тангенциальной подачей; припуск снимается только с боковой стороны зуба. Возможность регулирования резца в оправке по высоте позволяет получить одно­родное качество зацепления червячных колес.

Чистовая отделка зубьев червячных колес осуществляется после чистового фрезерования, с помощью червячных шеверов. Шевер пред­ставляет собой червяк, на вершине и боковых сторонах которого нанесено большое число узких незатылованных зубцов. Шевер обычно шлифуют на том же станке и теми же метода­ми, что и червяк; червячный шевер по диаме­тру равен диаметру сопряженного червяка. Для увеличения срока службы и получения ло­кализованного пятна контакта в середине зуб­чатого венца диаметр шевера должен быть не­сколько больше диаметра применяемой перед этим червячной фрезы для чистовой обработки. При работе таким шевером соответствен­но увеличивают межосевое расстояние на станке и дополнительно повертывают фрезер­ную головку на разность углов подъема обоих инструментов. Червячный шевер трудоемок и сложен в изготовлении, его применяют для обработки ответственных червячных передач. При снятии мелкой стружки уменьшается па­раметр шероховатости поверхности на профи­лях зубьев и, таким образом, улучшаются ан­тифрикционные свойства червячной передачи. Шевингование выполняют двумя методами: с радиальной подачей посредством сближения инструмента с деталью до достижения номи­нального межосевого расстояния и осевой подачей на номинальном межосевом расстоя­нии. Как при радиальной, так и при осевой подаче ведущим элементом является червячный шевер; колесо должно свободно вра­щаться на своей оси. Кинематическая связь между шевером и колесом отсутствует. При шевинговании с осевой подачей качество по­верхности лучше, чем при работе с радиальной подачей. При работе с радиальной подачей возможно также небольшое срезание с профи­ля зуба колеса. Радиальная подача (ступенча­тая) 0,03—0,06 мм/об стола. Припуски под чи­стовое фрезерование и шевингование приве­дены в табл. 39. При изготовлении червячных колес возможны погрешности формы и распо­ложения пятна контакта. Червячная фреза с завышенным диаметром обеспечивает огра­ниченное пятно контакта в середине зубчатого венца колеса (рис. 215, а). По мере переточки фрезы до номинального диаметра контакт уд­линяется и располагается по всей длине зуба (рис. 215, б). При использовании фрезы с зани­женным после заточки диаметром пятно кон­такта располагается на концах зуба червячно­го колеса (рис. 215, в), что недопустимо. При расположении пятна контакта на головке или ножке зуба колеса имеется разница в углах профиля фрезы и червяка из-за неправильной заточки фрезы или неправильного изготовле­ния профилей.

Изготовление цилиндрических червяков. В цилиндрических червячных передачах червя­ки разделяют на следующие основные виды (ГОСТ 18498-73): архимедовы (ZA), имеющие прямолинейный профиль в осевом сечении и архимедову спираль в торцовом; конвалютные (ZN), имеющие прямой профиль в нормальном к витку сечению и удлиненную эвольвенту в торцовом сечении; эвольвентные (ZI), имеющие криволинейный профиль в нор­мальном сечении, эвольвентный в торцовом и прямолинейный в сечении плоскостью, каса­тельной к основному цилиндру. В единичном производстве червяки с формами боковых по­верхностей ZA, ZN, ZI как предварительно, так и окончательно могут быть изготовлены на токарном станке. Архимедовы червяки (ZA) нарезают резцами с прямолинейными режу­щими кромками, установленными в осевом се­чении червяка (рис. 216,а). Обе стороны витка одновременно обрабатывают при черновом нарезании и раздельно каждую сторону при чистовом. По этой же технологии обрабаты­вают конвалютные червяки, с той разницей, что резцы с прямолинейными кромками для червяка ZN1 устанавливают в нормальном се­чении витка (рис. 216, б), а для червяка ZN2— в нормальном сечении впадины (рис. 216, в). При обработке эвольвентных червяков ZI важное значение имеет установка токарных резцов. Чистовое нарезание эвольвентного червяка выполняют двумя резцами: один ре­зец — для обработки правой, другой — для обработки левой стороны витка. Резцы, имею­щие прямолинейные режущие кромки, устанавливают один выше, другой ниже оси червяка, в плоскостях, касательных к основному цилин­дру червяка (рис. 216, г).

В серийном производстве используют бо­лее эффективные методы. Обработка ведется на резьбофрезерных и специально-фрезерных станках дисковыми или пальцевыми фрезами, профиль которых определяют для каждого конкретного типа червяка. Возможно также точение витков червяков (типа ZA и Z1) на зубофрезерных станках долбяком. Многозаходные эвольвентные червяки нарезают мето­дом обкатки на зубофрезерных станках чер­вячными фрезами. В крупносерийном и массо­вом производстве широко применяют вихре­вой метод обработки червяков в специальном приспособлении, установленном на резьбофрезерном станке. Этот метод обладает большой производительностью. Подобно изготовлению резьбы, червяки небольших размеров, с малым углом подъема витка и небольшой глубиной профиля накатывают в холодном со­стоянии без снятия стружки.

У термически обработанных архиме­довых, кон валютных и эвольвентных червяков окончательную обработку профиля витка осу­ществляют на специальных резьбошлифовальных станках или станках для шлифования червяков. Для повышения производительности шлифование осуществляют дисковыми шлифовальными кругами большого диаметра на скорости резания 40 — 45 м/с. Шлифовальный круг правят соответственно профилю червяка и наклоняют его (рис. 216, д) на делительный угол подъема витка. Оба профиля шлифоваль­ного круга правят алмазами по шаблону, которые изготовляют по заданным координатам на профильно-шлифовальных станках. Про­филь шлифовального круга соответствует шлифуемому профилю червяка в осевом сече­нии. При изготовлении червяков высокой точ­ности необходимо использовать контрольно-измерительные приборы соответствующей точности. Окончательное шлифование осу­ществляют в термоконстантных помещениях. Соседние станки устанавливают на достаточном удалении от шлифовального, чтобы уменьшить влияние вибрации, нагрева и т. д. На современных станках, имеющих короткую кинематическую цепь, установлены механизмы устранения зазоров во время изменения напра­вления вращения, что позволяет проводить шлифование в обоих направлениях: при дви­жении в одном направлении шлифуют одну сторону профиля, а при обратном — противо­положную. Припуски на обработку профиля червяков приведены в табл. 40.

Контроль червячных передач можно разде­лить на три этапа: раздельный контроль коле­са и червяка после их окончательной обработ­ки, контроль комплекта (пары) колеса и червяка перед сборкой, контроль червячной передачи в собранном агрегате. У червячного колеса контролируют; погрешность шага я накопленную погрешность шага, толщину зуба, форму и расположение пятна контакта в паре с червяком, кинематическую точность на приборе в однопрофильном зацеплении с сопряженным червяком или со специальным эталоном для передач высокой точности и комплексную погрешность в двухпрофильном зацеплении для передач невысокой точно­сти. Погрешность окружного шага червячного колеса чаще определяют специальным прибо­ром непосредственно на зуборезном станке в процессе нарезания зубьев, Во время медлен­ного вращения стола станка с обрабаты­ваемым червячным колесом два измери­тельных штифта прибора последовательно вводятся в соседние впадины зуба на полный оборот колеса. Результаты измерения автома­тически вычисляются и записываются; на одном графике — погрешность шага от зуба к зубу, на другом — накопленная погрешность. Например, показатели точности червячного колеса (d_e = 250 мм: m = 3 мм) для зуборезно­го станка: погрешность шага 2 мкм, накоплен­ная погрешность 10 мкм. Контроль погрешно­сти шага и накопленной погрешности выпол­няют также на специальных приборах вне станка. У червяка контролируют: форму про­филя, погрешность угла подъема витка, шаг между витками, толщину зуба, радиальное биение, Основные параметры контролируют на приборе для контроля червячных фрез. Ряд параметров можно контролировать на эвольвентомере, шагомере и т. д. Перед сборкой у червячного колеса и сопряженного червяка в паре контролируют форму и расположение пятна контакта на зубьях колеса и кинемати­ческую точность. Первый параметр опреде­ляет качество зацепления, второй — точность изготовления червячной передачи. Пятно кон­такта и кинематическую точность червячной передачи в однопрофильном зацеплении про­веряют на специальном контрольном приборе с электронным и записывающим устройствами при номинальном межосевом расстоянии. Перед контролем пятна контакта зубья колеса покрывают тонким слоем краски (суриком с маслом), затем при легком торможении передачу вращают в обоих направлениях. Пят­но контакта, характеризующее правильность зацепления, должно располагаться в средней части ширины зубчатого венца без выхода на головку, ножку и концы зубьев (см. рис. 215, г). Для высоконатруженных передач длина пятна контакта равна примерно половине ши­рины зубчатого венца колеса. У скоростных передач больших ограничений в размере пятна контакта не делают, чтобы не вызвать повы­шения уровня звукового давления вследствие уменьшения коэффициента перекрытия. При изготовлении точных червячных передач осо­бое значение приобретает контроль кинемати­ческой точности в однопрофильном зацепле­нии, Этот метод позволяет сравнивать точ­ность и равномерность вращательного движе­ния контролируемой передачи с точностью и равномерностью почти идеальной исходной передачи. Измерение осуществляют с по­мощью двух электронных устройств: одно устанавливают на шпинделе червячного коле­са, другое — на шпинделе червяка. Сравнение проводят с предварительно установленным передаточным числом. Отклонения регистри­руются на графике, по которому можно опре­делить погрешности отдельных параметров зубчатого зацепления. Контроль кинематиче­ской точности червячной передачи в сочетании с проверкой пятна контакта позволяют выя­вить погрешности зубчатого зацепления и иметь представление о характеристике чер­вячной передачи в рабочих условиях. На при­боре можно контролировать боковой зазор в червячной передаче и погрешности межосевого угла. Сборка является наиболее ответ­ственной операцией, которая в значительной степени определяет работоспособность червяч­ной передачи в собранном агрегате. При сбор­ке высоконагруженных червячных передач главное внимание уделяют форме и располо­жению пятна контакта. Контакт проверяют после определенного периода прикатки, он должен быть таким же, как при обкатке чер­вячной передачи на контрольном приборе перед сборкой. На этом этапе пятно контакта зависит не только от качества изготовления передачи, но и от правильности сборки пере­дачи в корпусе и точности изготовления дета­лей агрегата. При сборке прежде всего нужно следить за соблюдением расстояния между осями, так как изменение межосевого расстоя­ния существенно влияет на расположение пят­на контакта. При выходе пятна контакта на кромки зубьев уменьшаются основные пре­имущества червячной передачи в отношении предельно допустимой нагрузки, плавности хода и равномерности вращения. Если пятно контакта расположено на одном конце обеих сторон зуба, — колесо неправильно расположе­но относительно оси червяка. Если пятно кон­такта расположено на противоположных кон­цах зуба (см. рис. 215, д), причиной может быть неправильное межосевое расстояние или неправильный угол между осями колеса и чер­вяка. Прецизионные станки для нарезания чер­вячных колес, шлифования червяков и кон­трольно-измерительные приборы устанавли­вают в специальных термоконстантных поме­щениях с постоянной температурой воздуха 20ºС (±0,5°C), влажность воздуха 54-58%.