yandex.metrica
Прокатное производство

Зубопрокатные станы

Станы получили наибольшее применение при формообразовании зубьев крупномодульных зубчатых колес и звездочек цепных передач методом поперечной прокатки в горячем состоянии.

Идея формирования зубьев зубчатых колес пластической деформацией нагретого металла заготовки возникла еще в конце прошлого века. Изобретателями ряда стран были предложены различные способы осуществления этого процесса, наиболее перспективными из которых была прокатка в зубчатых валках.

При этом способе цилиндрическую заготовку, нагретую до температуры прокатки, помещают между двумя вращающимися зубчатыми валками. Заготовке сообщают принудительное вращение с определенной скоростью, соответствующей передаточному числу между валками и прокатываемой шестерней, а затем происходит сближение валков. При этом зубья валков углубляются в заготовку и образуют впадину в прокатываемой шестерне. Полученные на заготовке зубья, обкатываясь в зацеплении с зубьями валков, получают эвольвентный профиль.

В 1956 г. ВНИИметмашем на ЧТЗ был пущен первый промышленный стан для прокатки зубчатых колес, оборудованный высокочастотным нагревом. Заготовку, обработанную по торцу и наружному диаметру, устанавливали в зажимной механизм стана и нагревали за 25—30 с секторным индуктором, получающим питание от генератора ТВЧ частотой тока 2500 Гц, мощностью 250 кВт. Базой для установки заготовки служило окончательное обработанное центральное ее отверстие. Время и режимы нагрева подбирали таким образом, чтобы заготовка погревалась до 1100—1000 °С только на определенную глубину, а остальная часть ее имела бы более низкую температуру. Глубина прогрева — важный технологический фактор процесса; она значительно влияет на течение металла заготовки в процессе деформации прокатываемых зубьев. Практически установлено, что глубина прогрева должна находиться в пределах 2—3 модулей.

Рабочие валки стана по торцам имеют ограничивающие фаски, диаметр которых выбирают так, чтобы в зоне контакта заготовок и валков диски перекрывали прогретый участок заготовки. Таким образом, в очаге деформации нагретый металл ограничен холодными участками заготовки в радиальном направлении и ограничивающими дисками в осевом направлении; при прокатке обеспечивается всестороннее сжатие, являющееся наиболее выгодной схемой напряженного состояния. Во время прокатки нагрев заготовки продолжается, что исключает возможность резкого охлаждения деформируемого металла и создает благоприятные условия для течения металла во впадины валка. Такие условия обеспечили прокатку зубьев правильной формы с точностью, достаточной для дальнейшей обработки с припуском 0,5—0,5 мм по профилю.

Впоследствии был разработан принятый в настоящее время в промышленности способ прокатки зубьев крупномодульных зубчатых колес непосредственно из штампованной заготовки. При этом способе прокатку осуществляли двумя операциями (рис. 229): обкаткой штампованной заготовки в гладких валках с целью получения необходимых размеров по диаметру и ширине кольца; прокаткой обкатанной заготовки в зубчатых валках для получения зубьев. Процесс на стане заменяет две операции механической обработки: обточку поковки по наружному диаметру и торцам и предварительное зубофрезерование. Колебание длины прокатанных шестерен составляет 0,3—0,5 мм; в дальнейшем их подвергают чистовому зубофрезерованиго. Допускается припуск под чистовое зубофрезерование 0,8— 1,2 мм на сторону зуба.

Прокатка зубьев шестерен на штампованной заготовке с предварительной обкаткой поверхности, на которой будут накатаны зубья

Изготовление шестерен (m=5÷10 мм) с применением прокатки зубьев повышает производительность труда в 5—10 раз по сравнению с операцией чернового зубофрезерования, обеспечивает экономию металла, равную 15— 20 % массы заготовок, применяемых для зубофрезерования. Многочисленные стендовые испытания и результаты промышленной эксплуатации показали, что прочность и износостойкость прокатанных зубчатых колес на 20—25 % выше, чем фрезерованных. Это позволило уменьшить размеры зубчатых передач и соответственно понизить металлоемкость машины. Интересно отметить, что применение прокатанных зубчатых колес на Челябинском тракторном заводе дало возможность при переходе на производство более мощного трактора Т-100, повысив нагрузку редуктора на 30 %.

Станы для прокатки зубчатых колес могут быть с успехом применены для прокатки и других зубчатых деталей, в частности для звездочек цепных передач. Прокатку производят двумя зубчатыми валками с радиальной подачей. Заготовку устанавливают по внутреннему отверстию на оправку центрального шпинделя и нагревают кольцевым индуктором ТВЧ; нагретую заготовку передают в рабочие валки для прокатки (рис. 230).

Прокатка звездочек для цепных передач

Валки для прокатки звездочек имеют профиль, сопряженный с профилем прокатываемой звездочки, и нарезаются специальным долбяком. Для ограничения осевого течения металла и получения заданного размера звездочек по толщине на торцах валков устанавливают ограничивающие диски. Изготовление звездочек прокаткой позволяет значительно уменьшить толщину центральной части диска звездочки при сохранении толщины по зубчатому зацеплению в заданных размерах. Так, звездочки с толщиной по зубьям 11 мм успешно прокатывают на исходной заготовке толщиной 8 мм. Это дает на одной заготовке диаметром 177 мм экономию металла 0,86 кг. При годовой программе 250 тыс. шт. экономия составит 215 т. Но если учесть при этом, что прокатанные звездочки на 20 — 30 % прочнее фрезерованных, то экономия металла будет еще больше.

Процесс прокатки заменяет операции зубофрезерования и округления радиусов головки зубьев. Время, затрачиваемое на изготовление звездочки, сокращается в 5—7 раз. Во ВНИИметмаше для прокатки звездочек созданы специализированные станы, серийное изготовление которых налажено на АЗТМ.

Для прокатки мелкомодульных шестерен применяют способ прокатки с осевой подачей заготовки между двумя вращающимися зубчатыми валками, установленными на постоянном межцентровом расстоянии (рис. 231).

Схема поперечной прокатки шестерен с осевой подачей (прутковым методом)

Заготовки нагревают в кольцевом индукторе ТВЧ, установленном перед валками по оси прокатки. Привод заготовки осуществляется от делительной шестерни, находящейся в зацеплении с валками. Для облегчения захвата заготовки входная часть рабочих валков имеет конусную форму, так называемый заборный конус.

Станы для прокатки шестерен работают на Коиотопском заводе «Красный металлист». На них прокатывают прутковым способом шестерни для электробуров с модулем 1,5—2 мм и диаметром до 200 мм с прямыми и косыми зубьями. Предварительная механическая обработка заготовок перед прокаткой заключается в обработке посадочного отверстия, торцов и наружного диаметра. Машинное время прокатки одной шестерни равно 4—6 с. Дальнейшая механическая обработка заключается в окончательной расточке посадочного отверстия, снятия фасок, зачистке заусенцев и протягивании шпоночного паза. За время эксплуатации стана на нем прокатано более 1,5 млн. шестерен. Их точность лежит в пределах 9-го класса.

Еще более значительный эффект достигается при формировании зубьев методами холодной прокатки. При этом отпадает надобность в последующем шевинговании или фрезеровании. Прочность зубьев при этом повышается благодаря наклепу. Во ВНИИметмаше разработаны два оригинальных метода холодной прокатки зубьев, нашедших промышленное применение. Оба метода основаны на использовании продольной прокатки зубьев роликами, что дает возможность полностью ликвидировать последующую обработку.

Один из этих способов (разработан Н. А. Целиковым) основан на таком же принципе, как и известные станы для холодной прецизионной прокатки труб роликами. Большая протяженность зоны деформации обусловливает малые частные обжатия и соответственно уменьшение усилий, действующих на рабочий инструмент (ролики и планки).

Исследования, проведенные во ВНИИметмаше, показали, что новый способ наиболее эффективен для производства шлицевых валов и зубчатых колес с числом зубьев
6—30 и модулем 1,5—5 мм.

Первый стан, работающий по новому способу, был сдан в промышленную эксплуатацию на Павловском автобусном заводе. Стан предназначен для прокатки шестерен с Z=6, m=2,25 мм из калиброванного прутка. На нем ежегодно прокатывают около 1,7 млн. штук шестерен. Внедрение этой конструкции позволило на участке зубообработки повысить производительность труда втрое, уменьшить расход металла в 2,7 раза, снизить расходы на инструмент на 90 %.

В настоящее время во ВНИИметмаше продолжаются работы по усовершенствованию конструкции станов данного типа с целью обеспечения возможности прокатки зубчатых профилей 8-го класса точности.