Изготовление винтовых пар качения

Изготовление винтовых пар качения началось в конце 1960;х гг. с началом выпуска станков с ЧПУ. В стране четыре завода освоили централизованное производство этой высокотехнологичной продукции: Одесский завод «Микрон», Стерлитамакский, Савеловский и Рязанский станкостроительные заводы.

Поскольку ШВП большинством предприятий в настоящее время и в последующем будут закупаться у узкого круга изготовителей, остановимся укрупненно только на принципиальных вопросах изготовления ходового винта, основной детали передачи.

Винты проходят закалку до твердости свыше HRC 60. Можно встретить рекомендации по азотированию винтов. Вряд ли так стоит поступать, учитывая приобретение деталью повышенной хрупкости в результате зачастую происходящего наводороживания азотированного слоя. Хрупкость столь значительна, что винт может рассыпаться на несколько частей в результате непроизвольного удара, но нему при транспортировке, сборке или в процессе эксплуатации.

Закалка винтов может выполняться способами, показанными на рис. 16.25.

Рис. 16.25. Способы закалки винтов качения

Основная сложность состоит в значительном изменении длины винта при закалке. Если предварительно нарезать резьбу, закалить винт и пытаться выполнить чистовую обработку, то окажется, что припуска не хватит, так как произошло значительное изменение длины. Поэтому при использовании первых двух способов закаливают гладкий стержень, на котором нарезают резьбу при последующей обработке.

В процессе термической обработки, вследствие неодновременности структурных превращений, теплового расширения и сжатия, в разных точках обрабатываемой заготовки возникают внутренние напряжения. Внутренние напряжения могут быть двух видов — структурные и термические.

Термические внутренние напряжения возникают вследствие неравномерности охлаждения поверхности заготовки и ее внутренних слоев: поверхность охлаждается быстрее, а сердцевина — медленнее. В результате во время охлаждения будут иметься разные температуры и разный удельный объем в разных слоях поперечного сечения. Эта разность температур будет тем больше, чем больше различаются скорости охлаждения на поверхности и в центре детали.

При объемной закалке высокоуглеродистых сталей, нагретых выше критической точки, аустенит превращается в мартенсит, и эти превращения сопровождаются изменением объема (образование мартенсита всегда увеличивает объем). Поверхностные слои, где превращения заканчиваются рано, охлаждаясь, испытывают растягивающие напряжения относительно промежуточной зоны, в которой превращения продолжаются. С течением времени превращения охватывают все более глубокие слои в детали и доходят до сердцевины. Но этим превращениям в сердцевине препятствуют наружные остывшие слои, что определяет нарастание в сердцевине сжимающих напряжений. Длина заготовки уменьшается.

Утверждать, на какую величину изменится длина винта при закалке различными способами, практически невозможно. В связи с этим большинство изготовителей винтов предпочитают выполнять закалку гладкого стержня, а затем на нем нарезать резьбу. Это относится к закаленным винтам, как качения, так и скольжения.

Для объемной закалки хорошо подходит высоколегированная сталь марки 7ХГ2ВМ (табл. 16.4).

Таблица 16.4

Химический состав стали 7ХГ2ВМ, %

Нагрев прутка выполняют в вертикальном положении в шахтной печи. Для подвешивания используют центровое отверстие с резьбой, в которое ввинчивают рым-болт. Температура нагрева — 860—875°С. После выдержки заготовку извлекают из печи, охлаждение происходит на воздухе. Отпуск выполняют при температуре 210—230°С, твердость после закалки и отпуска HRC — 58—61.

Второй способ, закалку ТВЧ гладкой заготовки, выполняют с использованием машинного генератора с частотой до 10 кГц и мощностью до 1000 кВт. В зависимости от глубины профиля резьбы выбирают соответствующий генератор. Зависимость глубины закаленного слоя от частоты генератора приведена в табл. 16.5.

Закалку выполняют непрерывно-последовательным методом, который заключается в том, что индуктор непрерывно перемещается относительно заготовки, а за индуктором движется сблокированное с ним охлаждающее устройство в виде спрейера (водяного душа). Таким образом, последовательно нагревается и закаливается вся поверхность прутка, который для большей равномерности нагрева вращается вокруг своей оси.

Таблица 165

Глубина закаленного слоя в зависимости от частоты генератора

На рис. 16.26 приведена фотография установки для закалки ТВЧ шариковых винтов длиной до 4 м.

Установка (справа налево) имеет следующие рабочие элементы:

• 1) привод продольной подачи и вращения заготовки;
• 2) блок закалки и отпуска;
• 3) секцию правки заготовки.

Рис. 16.26. Установка закалки ТВЧ шариковых винтов

Разогрев выполняет кольцевой индуктор, охватывающий заготовку. Внутрь индуктора подается вода для охлаждения самого индуктора и для подачи охлаждающей жидкости из спрейера на заготовку через большое число отверстий небольшого диаметра.

Осуществляется режим самоотпуска. С этой целью интенсивность охлаждения такова, что в заготовке сохраняется теплота, которая обеспечивает нагрев закаленного слоя до температуры низкого отпуска.

На выходе (рис. 16.27) заготовка с температурой около 200 °C поступает в секцию правки, которая состоит из трех обжимных клетей. При такой температуре материал сохраняет повышенную пластичность. Заготовка в каждой клети центрируется по оси четырьмя роликами.

Наиболее подходящим материалом для изготовления винтов с закалкой ТВЧ является инструментальная легированная сталь марки 8ХФ (табл. 16.16).

Рис. 16.27. Секция правки заготовок винтов на установке закалки ТВЧ.

Химический состав стали 8ХФ %

Таблица 16.6

Рис. 16.28. Схема контурной закалки ТВЧ

При третьем способе, контурной закалке, резьбу на заготовке из стали 8ХФ предварительно нарезают с небольшим припуском под чистовую обработку. Закалочный индуктор 2 небольшой протяженности осуществляет индукционный нагрев радиусного профиля и прилегающих с двух сторон участков наружного диаметра заготовки 1 (рис. 16.28). Закалить эту часть заготовки важно, так как по ней перекатываются шарики, возвращаясь через канал возврата во вкладыше в предыдущий виток.

Используются ламповые генераторы более высокой частоты, чем машинные, что обеспечивает глубину закаленного слоя 1,4—1,6 мм, твердость HRC 60—62 и уменьшенные деформации.

Рис. 16.29. Установка контурной закалки ТВЧ.

Отличительной особенностью контурной закалки является выполнение ее под слоем жидкости. Заготовка находится в полностью погруженном состоянии. Благодаря этому уменьшена скорость охлаждения при температурах мартенситного превращения, что дополнительно приводит к уменьшению внутренних напряжений и деформации закаливаемого винта.

В закалочной ванне размещен люнет с закалочным устройством. Закаливаемый винт 3 укладывается на два вращающихся направляющих ролика 1, каждый длиной во всю ванну, и получает от них вращение. Подвижная каретка 8 закалочного устройства с помощью четырех фигурных роликов 2 опирается на направляющие ролики. На каретке смонтированы индуктор 7 и два шариковых фиксатора 4, которые входят упорами в резьбовую канавку упрочняемого винта. При вращении винта в процессе закалки эти фиксаторы смещают каретку вдоль оси винта, обеспечивая точное расположение индуктора относительно резьбовой канавки.

Закалочный трансформатор 5 укреплен на суппорте закалочного устройства и перемещается одновременно с кареткой. Если возникает рассогласование в перемещении суппорта станка и закалочной каретки, то оно компенсируется за счет использования гибких шлангов 6, соединяющих трансформатор с индуктором.

На гладких стержнях резьбу нарезают по закаленному материалу.

Используют два вида режущих инструментов, определяющих два различных способа обработки:

• 1) лезвийную обработку твердым сплавом;
• 2) глубинное шлифование многониточными абразивными кругами.

Можно предложить взамен твердого сплава резцы из поликристал;

лических пластин композита, что даст повышение производительности, но такие резцы окажутся слишком дорогими. Черная режущая керамика также способна работать по закаленному до высокой твердости материалу, но она не обладает необходимой надежностью, так вход в металл осуществляется на высокой подаче, равной шагу резьбы за один оборот заготовки.

На рис. 16.30 изображено нарезание резьбы в заготовке 1 твердым сплавом. Используется цилиндрический столбик 2 твердого сплава марки ВКЗМ. В державке резца 3 имеется гнездо для размещения твердого сплава, наклоненное под углом 5°. Такой угол создает наиболее благоприятные условия резания и схода стружки по задней и передней граням. Прижим пластины осуществляется сверху (на эскизе не показан). После затупления пластину многократно поворачивают вокруг оси, затем переворачивают. И только после использования режущих возможностей обеих сторон выполняют заточку шлифованием торцов. Под столбиком размещают более толстую подкладку 4.

Рис. 16.30. Нарезание резьбы в закаленной заготовке винта

Рис. 16.31. Канавка во впадине резьбы

Скорость резания при работе твердым сплавом ВКЗ-М по стали с твердостью HRC 60 должна составлять 25 м/мин. Частота вращения при обработке винта диаметром 80 мм составит 99,5 об/мин. При шаге резьбы 10 мм за минуту резец будет проходить путь в 1 м. Глубина резания вначале составит несколько десятых долей миллиметра, а завершающий рабочий ход будет иметь глубину резания в 0,03 мм. Полную глубину можно прорезать за 8 рабочих ходов, следовательно, всю глубину на длине 1 м — за 8 мин. Можно резать со скоростью 50 м/мин, но стойкость инструмента будет в 4 раза ниже.

На дне радиусной резьбы необходимо прорезать разгрузочную канавку (рис. 16.31). Размеры ее согласно ОСТ 2Р31—5—89 зависят от шага резьбы Р (табл. 16.7). Разгрузочную канавку можно так же, как и основную резьбу, прорезать резцами-столбиками, но значительно меньшего диаметра: 1,1; 1,7; и 3,2 мм.

Размеры разгрузочной канавки, мм.

Таблица 16.7

На рис. 16.32 показано ирорезание закаленной резьбы глубинным шлифованием широким многониточным кругом. У шлифовального круга несколько первых шагов предназначены для прорезки, последние шаги — калибрующие. Существуют шлифовальные круги, специально предназначенные для глубинного шлифования. Структура таких кругов чрезвычайно пориста.

Рис. 1632. Прорезание резьбы многониточным кругом

Полную прорезку профиля резьбы с малым припуском под последующее шлифование можно выполнить в отдельной операции за один рабочий ход. Трудоемкость глубинного шлифования при наличии таких кругов будет несколько меньше, чем прорезка лезвийным инструментом.

Правка многониточного круга производится алмазным роликом в режиме радиальной подачи с помощью устройства, встроенного в конструкцию резьбошлифовального станка. Алмазный ролик при правке выполняет роль режущего инструмента, а шлифовальный круг вращается с малой скоростью.

Стойкость роликов чрезвычайно велика, а износ настолько равномерен, что роликом можно выполнить сотни тысяч правок без утраты точности и работоспособности.

Предварительное и окончательное шлифование производится с обильным охлаждением. Применение СОЖ снижает трение и прилипание стружки к рабочей поверхности шлифовального круга, сохраняет его режущие свойства, способствует отводу тепла и образующейся стружки.

Окончательное резьбошлифование выполняют однониточным кругом.

Для обеспечения высокой точности при обработке ходовых винтов качения и скольжения требуется следующее:

• 1) высокоточные станки, на которых выполняется финишная обработка резьбы;
• 2) режущие инструменты соответствующего качества, как лезвийные, так и абразивные, и контроль их состояния;
• 3) постоянство температуры помещения, оборудования и заготовки.

Вопросы для самопроверки

• 1. Какие виды резьбовых передач используются в машиностроении, из каких материалов изготавливают винты и гайки?
• 2. Какое устройство имеет винтовая пара качения?
• 3. Каким образом создается предварительный натяг в винтовой паре качения?
• 4. В чем состоят особенности изготовления винтовых пар скольжения?
• 5. Как осуществляется охватывающее резьбофрезерование?
• 6. В чем состоят особенности изготовления винтовых пар качения?
• 7. Какими способами выполняется закалка ходовых винтов?
• 8. Как достигается точность изготовления винтовых передач?