ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧАХ

Назначение зубчатых передач ГТД - отбор движения от ротора, его преобразование и передача по кинематическим цепям к функциональным элементам и агрегатам (винты турбовинтовых двигателей, насосы, генераторы и т.д.) с обеспечением необходимых скоростей, мощностей и крутящих моментов.

Особое место занимают редукторы, встроенные в турбовинтовые двигатели (для самолетов) и турбовальные двигатели (для вертолетов), так как при относительно малых габаритах, диктуемых конструкцией летательных агрегатов, они передают основную энергию двигателя либо на воздушные винты самолета, либо на трансмиссию и ротор вертолета.

Зубчатые передачи используются также для передачи движения от стартера к валу двигателя при его запуске.

 

 

Зубчатые передачи применяются для передачи вращательного движения и для его преобразования в поступательное, возвратно-поступательное, возвратно-вращательное и другие движения.

Преимущества зубчатых передач по сравнению с другими видами передач (гидравлические, ременные, фрикционные, с гибкой связью и т.д.):

- высокая надежность;

- высокий КПД, доходящий в одном зацеплении до 0,99;

- малые габариты при больших передаваемых мощностях;

- постоянное передаточное отношение (отсутствие проскальзывания);

- высокий ресурс работы;

- возможность использования зубчатых передач при малых и при сверхвысоких частотах вращения.

Недостатки зубчатых передач: шум при работе и сложность изготовления.

К зубчатым передачам, часто работающим в весьма напряженных условиях, предъявляются высокие требования по эксплуатации. Они должны обеспечивать необходимую прочность, сопротивляемость изнашиванию, плавность и бесшумность работы и т.д. Эти требования удовлетворяются за счет правильного выбора материала и режимов термической или химико-термической обработки, получением точной геометрической формы и оптимальной шероховатости профиля зуба.

Основные типы зубчатых передач приведены на рис. 17.1.

Цилиндрические зубчатые колеса служат для передачи вращательного движения между параллельными валами. При этом используются колеса с прямыми (а), косыми (б) и шевронными (в) зубьями.

Конические зубчатые колеса служат для передачи движения между валами с пересекающимися осями. При этом применяют колеса с прямыми (г), косыми (д) и винтовыми (е) зубьями, со скрещивающимися осями - червячные передачи с цилиндрическими (ж) и глобоидными (з) червяками, а также винтовые передачи (к).

Главными особенностями авиационных зубчатых передач являются: их высокая нагруженность при ажурности конструкции, высокие требо­вания по точности изготовления и качеству рабочих поверхностей.

Большое значение при изготовлении зубчатых колес, имеет операция химико-термической обработки: цементация, а для определенной номенклатуры зубчатых колес ГТД - ионное азотирование. Э ти операции формируют химический и фазовый состав поверхностного слоя, его структуру и основной уровень упрочнения и таким образом, от них в значительной степени зависит качество поверхностного слоя зубьев, определяющее ресурс зубчатого колеса.

Цементация в сочетании с последующим термическим упрочнением (закалкой) вызывает существенную деформацию зубчатых колес. Точность ажурных авиационных зубчатых колес снижается на 2... 3 и более степени. Восстановить точность можно с помощью зубошлифования - трудоемкой операции, усложняющей технологию и также влияющей на качество поверхностного слоя.

Ионное азотирование свободно от этого недостатка.

Основное достоинство этого процесса - отсутствие значительных деформаций и коробления при упрочнении поверхностного слоя зубьев, что дает возможность либо исключить зубошлифовальную операцию, либо заменить ее более производительным технологическим процессом - зубохонингованием.

Однако по сравнению с цементацией, при азотировании формируются диффузионные слои ограниченной толщины (как правило, не более 0,5 мм), что снижает уровень допустимых контактных нагрузок и как следствие сужает номенклатуру обрабатываемых деталей.

Рассмотрим два типовых маршрутных технологических процесса изготовления зубчатых колес ГТД, базирующиеся на использовании в качестве химико-термической обработки цементации и ионного азотирования.

В современном производстве авиационных зубчатых колес обычно применяется цементация рабочих поверхностей.

1. Техноло гический процесс цементованного зубчатого колеса состоит из следующих основных операций:

- получение заготовки;

- обработка баз;

- черновая обработка заготовки;

- нормализация (для снятия внутренних напряжений в заготовке и улучшения структуры материала);

- восстановление баз и предварительная обработка поверхностей после нормализации;

- нарезание зубьев и обработка торцевых и продольных кромок зубьев;

- цементация;

- обработка нецементируемых поверхностей, снятие напусков с по­верхностей, не требующих химико-термического упрочнения;

- закалка и отпуск;

- восстановление баз под окончательную обработку;

- окончательная обработка посадочных поверхностей;

- зубошлифование и отделка зубьев (зубохонингование);

- окончательный контроль.

Как правило, конструкцией зубчатых колес предусматривается цементация только зубчатых венцов и посадочных мест под подшипники, следовательно, остальные поверхности колеса должны быть защищены от цементации.

Рассмотренный технологический процесс имеет ряд недостатков, главный из которых - значительные и нестабильные деформации и усадки заготовок.

Учет деформаций зубчатого колеса приобретает особое значение при окончательном зубошлифовании, так как в современных конструкциях зубчатых колес чертежами оговаривается максимально допустимый съем припуска на данной операции - 0,2 мм на сторону. Коробление детали после химико-термической обработки приводит к неравномерному распределению припуска, что создает предпосылки для появления шлифовочных дефектов.

Защита от цементации выполняется:

- напусками (припусками, превышающими по толщине глубину цементируемого слоя),

- гальваническим меднением.

Защита неупрочняемых поверхностей напуском надежна, но вызывает нерациональный расход материала, особенно в тех случаях, когда на детали имеются поверхности с различными глубинами упрочняемых слоев. Кроме того, защита напуском приводит к увеличению трудоемкости механической обработки и дополнительному расходованию режущего инструмента.

В практике производства зубчатых колес ГТД принято назначать величину напуска равной 1,3... 1,5 глубины упрочненного слоя.

 

При защите поверхностей гальваническим покрытием ( меднением ) требуется высококачественная подготовка поверхностей, что увеличивает трудоемкость обработки. В то же время такая защита, не гарантируя надежность из-за пористости покрытия и его частого отслаивания, увеличивает расход энергоресурсов и цветных металлов, удорожая производство продукции.

При цементации и закалке твердость сердцевины и твердость упрочненных поверхностей взаимосвязаны. Для современных сталей, используемых при изготовлении зубчатых колес ГТД, твердость сердцевины достигает HRC 39... 42,5, что значительно затрудняет точную обработку внутренних поверхностей и шлицевых венцов лезвийным инструментом.

В последние годы в ряде конструкций зубчатых колес современных ГТД в качестве химико-термического упрочнения используется процесс ионного азотирования.

2. Технологический процесс азотированного зубчатого колеса состоит из следующих основных операций:

- получение заготовки;

- обработка баз и черновая обработка заготовки;

- нормализация;

- обработка баз под зубонарезание;

- нарезание зубьев и обработка торцевых и продольных кромок зубьев;

- закалка с высоким отпуском для обеспечения твердости сердцевины;

- чистовая обработка детали;

- термостабилизирующий отпуск;

- обработка баз под зубошлифование;

- зубошлифование;

- ионное азотирование;

- доводка посадочных мест под подшипники;

- зубохонингование (финишное зубошлифование);

- окончательный контроль.

Принципиальным отличием этого технологического маршрута обработки от традиционного является использование зубошлифования в качестве предварительной операции, а зубохонингования - в качестве финишной, выполняемой после ионного азотирования.

Зубошлифование как предварительная операция имеет ряд особенностей (преимуществ). Шлифование поверхностей зубьев выполняется на материале, твердость которого составляет HRC 30... 41,5, что позволяет существенно снизить требования к качеству поверхностного слоя на данной операции и исключить из технологического процесса операцию низкотемпературного стабилизирующего отпуска. Кроме того, шлифование поверхности с пониженной твердостью дает возможность использовать повышенные режимы зубошлифования, применять шлифовальные круги повышенной твердости. Последние за счет того, что длительное время могут сохранять свою форму, обеспечивают более высокую и стабильную точность обработки при сокращении количества правок за цикл.

Кроме отмеченного преимущества, указанный технологический процесс имеет еще несколько преимуществ.

1.Лезвийная обработка деталей выполняется при наиболее благоприятной твердости материала, и это позволяет повысить точность обработки при жестких режимах резания, сохраняя при этом стойкость инструмента. Так как поверхности, не требующие азотирования, имеют простую и надежную защиту экранами, технологический процесс не предусматривает введения, а следовательно, и удаления напусков, что повышает коэффициент использования материала заготовки на 15... 20 % и снижает трудоемкость механической обработки на 12... 15 %.

2. Благодаря низкому уровню деформаций колес после ионного азотирования удается уменьшить припуски на финишную зубошлифовальную операцию (если она производится) до 0,05 мм при обработке высокоточных колес и заменить ее операцией зубохонингования при изготовлении колес среднего уровня точности.

Для цементируемых зубчатых колес ГТД применяют достаточно узкую группу комплексно-легированных теплостойких сталей.

В производстве зубчатых колес современных авиадвигателей применяются преимущественно 16Х3НВФМБ-Ш (350°С) и 20Х3МВФ-Ш (300°С).

Из хромоникелевых сталей ограниченное применение находит лишь сталь 12Х2Н4А-Ш.

Для ионного азотирования наиболее целесообразно использовать сталь 16Х2НЗМФБАЮ-Ш (ВКС-7). Ее комплексное легирование создает благоприятные условия для формирования качественных азотированного слоя и сердцевины.

Заготовки зубчатых колес ГТД, как правило, получают двумя методами:

- горячей штамповкой,

- ручной ковкой.

 

Колеса, выполненные из горячекатаного пруткового материала, можно использовать только в малонагруженных передачах.

 

Штамповки целесообразно применятьв серийном производстве зубчатых колес, что повышает коэффициент использования материала за счет рационализации формы. Малые припуски для последующей механической обработки способствуют снижению общей трудоемкости изготовления деталей.

Ручной ковкой получают заготовки зубчатых колес в условиях опытного производства и в случае, разовых заказов на из­готовление малых партий деталей, когда расходы на проектирование и изготовление штамповой оснастки не могут быть окуплены.

Основную долю механической обработки зубчатых колес составляет токарная обработка.

Заготовки (штамповки и поковки) после соответствующей термической обработки и очистки от окалины поступают на первичную (обдирочную) токарную обработку, во время которой зажим деталей осуществляется в кулачковых патронах по необработанным поверхностям.

Далее следуют получистовые и чистовые операции (токарные, фрезерные, сверлильные и т.д.) под химико-термическую обработку, после чего осуществляются окончательные операции механической обработки: токарные, фрезерные, сверлильные, шлифовальные и т.д.

В настоящее время механическая обработка точением, сверлением, шлифованием, фрезерованием производится на универсальном оборудовании повышенной и высокой точности, которое укомплектовано специальными приспособлениями и инструментом. Тем не менее, на таком оборудовании невозможно решить на современном уровне проблему производства высокоточных зубчатых колес повышенного ресурса работы.

Современным решением проблем механической обработки зубчатых колес является использование токарных станков с ЧПУ и обрабатывающих центров, созданных на их базе.

Применительно к условиям производства зубчатых колес ГТД заслуживают внимание токарные станки, выпускаемые фирмой BEHRINGER. Станки этой фирмы серии VDF D предназначены для использования в условиях мелкосерийного и штучного производства. Они отличаются высокой точностью обработки, не уступающей во многих случаях шлифованию. Эта серия включает в себя три типа станков: DUS, DUC и DUE, отличающиеся уровнем автоматизации и системами управления. В зависимости от требований заказчика станки выполняются с ручным, цикловым управлением или с управлением от системы ЧПУ. Так, станки серии DUS являются универсальными прецизионными токарными станками. В их конструкции использованы последние достижения в области приводной и управляющей техники. Станки содержат все элементы управления, присущие обычному токарному станку.

Комплексное решение задач механической обработки заготовок зубчатых колес связано с применением токарных обрабатывающих центров. В качестве примера рассмотрим технические возможности токарных обрабатывающих центров серии MILLТURN фирмы WFL. Технологические возможности указанных центров обеспечивают выполнение следующих операций:

- точение,

- фрезерование,

- сверление,

- глубокое сверление,

- нарезание наружных и внутренних шлицев,

- круговое фрезерование резьб,

- зубофрезерование методом обката,

- измерение размеров с помощью контактного датчика.

Обрабатывающие центры имеют два рабочих шпинделя с независимым управлением. В процессе обработки деталь может автоматически передаваться с одного шпинделя на другой. Интегрированная в систему управления измерительная система не только оценивает точность разме­ров при обработке, но и служит для ориентации деталей при их автоматической или ручной установке в кулачковый патрон. Кроме того, с помощью измерительной системы производится компенсация изменения размеров, связанная с износом инструмента, и корректировка его положения. С целью обеспечения высокой точности обработки центры оснащаются специальными системами термостабилизации и автоматической компенсации погрешностей обработки, связанных с колебанием температуры, изменением усилий резания и веса детали.