PL218858B1

PL218858B1 - Sposób zwiększenia trwałości eksploatacyjnej wielkogabarytowych części maszyn, zwłaszcza kół zębatych i urządzenie do zwiększania trwałości eksploatacyjnej wielkogabarytowych części maszyn

Info

Publication number: PL218858B1
Application number: PL396878A
Authority: PL
Inventors: Andrzej Wieczorek
Original assignee: Patentus Spółka Akcyjna
Priority date: 2011-11-04
Filing date: 2011-11-04
Publication date: 2015-02-27
Also published as: PL396878A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób zwiększenia trwałości eksploatacyjnej wielkogabarytowych części maszyn, zwłaszcza kół zębatych i urządzenie do zwiększania trwałości eksploatacyjnej wielkogabarytowych części maszyn, zwłaszcza kół zębatych pracujących w trudnych warunkach pracy przejawiającej się znaczną dynamiką i zanieczyszczeniem oleju smarującego.

Stosowana obecnie technologia wytwarzania wielkogabarytowych części maszyn, zwłaszcza kół zębatych pracujących w trudnych warunkach pracy przejawiającej się znaczną dynamiką i zanieczyszczeniem oleju smarującego, nie zapewnia osiągnięcia ich wysokiej trwałości eksploatacyjnej, a tym samym może dojść do przedwczesnego uszkodzenia tych elementów. Obecnie w technice wytwarzania wielkogabarytowych kół zębatych stosuje się do zwiększenia trwałości utwardzanie ich powierzchni za pomocą nawęglania, azotowania lub hartowania powierzchniowego. W warstwie wierzchniej tych kół dochodzi do zwiększenie jej twardości, a ponadto wprowadzane są ściskające naprężenia własne, które oddziaływają szczególnie korzystnie na właściwości eksploatacyjne. Jednakże w wyniku wymienionych metod utwardzania dochodzi do odkształceń kształtu, co znacząco wpływa na dokładność wykonania elementu, a to z kolei bardzo istotnie wpływa negatywnie na współpracę z innym elementem. W celu przeciwdziałania skutkom odkształceń termicznych, w technice stosuje się szlifowanie powierzchni wielkogabarytowych kół zębatych. Szlifowanie, oprócz zwiększenia dokładności wykonania, może przyczynić się do obniżenia trwałości eksploatacyjnej na wskutek zmiany wartości naprężeń własnych z ściskających na rozciągające oraz wystąpienia przepaleń szlifierskich.

Oba czynniki istotnie zmniejszają właściwości eksploatacyjne powierzchni zębów i w celu ich przeciwdziałania w technice stosuje się obróbkę powierzchniową polegającą na poddaniu warstwy wierzchniej najczęściej w sposób dynamiczny zgniotowi. W wyniku tej obróbki dochodzi do częściowego odtworzenia ściskających naprężeń własnych, rozkładu austenitu szczątkowego i wzrostu twardości powierzchni. W wyniku tych zmian obserwuje się wzrost wytrzymałości zmęczeniowej kół na złamanie u podstawy, jak i też na wykruszenie warstwy wierzchniej, zwanej pittingiem. Należy także, dodać że obróbkę powierzchniową często stosuje się jako metodę regeneracji powierzchni zębów, na których doszło do niewielkich przepaleń szlifierskich. Po wykonaniu obróbki powierzchniowej dynamicznej dochodzi często do wzrostu chropowatości powierzchni zębów, co prowadzi do zwiększenia prawdopodobieństwa powstania wykruszeń powierzchni, wystąpienie których jest wykluczone w przypadku wielkogabarytowych elementów maszynowych, zwłaszcza kół zębatych i wałów uzębionych, pracujących pod dużym obciążeniem.

Znany jest w technice sposób zwiększenia trwałości polegający na zastosowaniu honowania, czyli obróbki powierzchniowej wykorzystującej specjalne narzędzie, ale metoda ta jest przeznaczona do małych kół.

Znany też jest w technice sposób polegający na przeprowadzeniu wstępnego docierania kół zębatych w sposób kontrolowany, odtwarzający rzeczywiste warunki pracy, ale w sposobie tym dotarta jest tylko jedna flanka zęba, a ponadto czasie docierania może dojść do odkształcenia powierzchni poprzez kontakt wierzchołów nierówności powierzchni.

W technice znane są sposoby zwiększenia trwałości uzębień kół zębatych poprzez przeprowadzenie dogładzania. Taki sposób znany jest z patentu europejskiego EP 1646477 B1 i polega na poddaniu oddziaływaniu znanych z patentu amerykańskiego US 7005080 B2 związków chemicznych powierzchni kół zębatych i kształtek gładzących, których ruch jest wymuszony poprzez drgania misy urządzenia dogładzającego. Metoda ta wymaga zastosowania stosunkowo drogich związków chemicznych, które następnie należy poddać procesowi neutralizacji. Proces ten ponadto charakteryzuje się długim czasem trwania.

Znany też jest w technice sposób polegający na zastosowaniu obróbki powierzchniowej dynamicznej, najczęściej kulowania, i następującego bezpośrednio po nim dogładzania polegającego na oddziaływaniu kształtek szlifujących, których ruch jest wymuszony poprzez drgania misy urządzenia dogładzającego. W sposobie tym można dogładzać tylko jedno koło naraz i sposób ten przeznaczony jest tylko do jednego typu koła walcowego o uzębieniu zewnętrznym. Proces ten ponadto charakteryzuje się długim czasem trwania.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu zwiększenia trwałości eksploatacyjnej wielkogabarytowych części maszyn, zwłaszcza kół zębatych i urządzenie do zwiększania trwałości eksploatacyjnej wielkogabarytowych części maszyn, zwłaszcza kół zębatych. Sposób zwiększenia trwałości eksploatacyjnej wielkogabarytowych części maszyn, zwłaszcza kół zębatych, według wynalazku, charakteryzuje

PL 218 858 B1 się tym, że przeprowadza się strumieniową obróbkę powierzchniową poprzez kulowanie, o intensywności scharakteryzowanej wartością Almena na płytce kontrolnej typu A w zakresie od 0,2 do 0,4, stopniu pokrycia co najmniej 2 x 98% i parametrem chropowatości Ra po procesie obróbki strumieniowej nie większym niż 2 μm oraz następujący po niej proces dogładzania, aż do uzyskania chropowatości powierzchni R_a w zakresie 0,4 do 0,1 μm, który przeprowadzany jest jednocześnie dla koła o uzębieniu zewnętrznym i wewnętrznym i odbywa się w misie urządzenia dogładzającego poprzez ruch obrotowy zarówno kół zębatych jak i łopatek, z materiału odpornego na zużycie ścierne, z uwzględnieniem że odległość krawędzi zewnętrznej łopatek od średnicy wierzchołkowej obrabianego koła zębatego nie powinna być większa niż 2 moduły tego koła oraz mniejsza niż 0,5 modułu, przy czym korzystnie jest by koła obracały się w lewo i prawo w sposób przeciwbieżny i współbieżny względem siebie, przy czym łopatki mają możliwość zmiany głębokości zanurzenia w mieszaninie kształtek ściernych o udziale w całej objętości 5-40% i wielkości nie większej od 0,25 modułu obrabianego koła oraz pasty szlifiersko-polerującej, przy czym korzystnie jest by pasta złożona była z węglika krzemu SiC lub korundu o wielkości ziarna nie większej niż 2 μm i zawartości objętościowej 10-30% oraz oleju syntetycznego lub innych zagęszczaczy, oraz kąta nachylenia w każdej z trzech osi koła obrabianego, a także są tak uformowane by mieszanina kształtek i pasty była podnoszona od dołu misy do jej góry oraz kierowana po łuku w kierunku powierzchni obrabianych kół i mogły nagarniać mieszaninę kształtek i pasty przy obu kierunkach obrotu łopatek, z tym że w przypadku przeprowadzania procesu dogładzania jednocześnie dla koła o uzębieniu zewnętrznym i wewnętrznym, łopatki naprzemiennie kierują strugę mieszaniny w kierunku obrabianych kół.

Urządzenie do zwiększania trwałości eksploatacyjnej wielkogabarytowych części maszyn, zwłaszcza kół zębatych, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że złożone jest z misy, w której znajduje się ułożyskowany stół, do rozłącznego mocowania obrabianych zębatych kół o uzębieniu wewnętrznym i zewnętrznym, który jest napędzany elektrycznym silnikiem poprzez kątową przekładnię i kłowe sprzęgło i ma mocowane do ramy ramiona, do których umocowane są łopatki z materiału odpornego na zużycie. Łopatki są napędzane silnikiem elektrycznym poprzez przekładnię pasową i wał. Wał ramy ustalany jest za pomocą ramienia zakończonego panwią łożyska, a ramię ma możliwość przesuwu w górę po prowadnicy.

Urządzenie do zwiększania trwałości eksploatacyjnej wielkogabarytowych części maszyn, zwłaszcza kół zębatych zostało pokazane w przykładzie wykonania na rysunku, na którym na fig. 1 pokazano jego schemat kinematyczny, a na fig. 2 pokazano misę urządzenia podczas jednoczesnej obróbki koła o uzębieniu zewnętrznym i wewnętrznym.

Sposób zwiększenia trwałości eksploatacyjnej wielkogabarytowych części maszyn, zwłaszcza kół zębatych według wynalazku przeprowadza się w urządzeniu do zwiększania trwałości eksploatacyjnej wielkogabarytowych części maszyn, zwłaszcza kół zębatych. W urządzeniu przeprowadza się strumieniową obróbkę powierzchniową w postaci kulowania, o intensywności scharakteryzowanej wartością Almena na płytce kontrolnej typu A w zakresie od 0,2 do 0,4 i stopniu pokrycia co najmniej 2 x 98%, gdzie parametr chropowatości R_a po procesie obróbki strumieniowej nie powinien być większy niż 2 μm, i następującego po niej procesu dogładzania. Następnie mocuje się obrabiane koło zębate o uzębieniu zewnętrznym 2 w misie 1 urządzenia (fig. 1) do stołu obrotowego 3, następnie wypełnia się urządzenie mieszaniną 4 kształtek ściernych o wielkości nie większej od 0,25 modułu obrabianego koła oraz pasty szlifiersko-polerującej złożonej korzystnie z węglika krzemu SiC lub korundu o wielkości ziarna nie większej niż 2 μm i zawartości objętościowej 10-30%, oraz oleju syntetycznego. Tak określona pasta szlifiersko-polerująca ma w ogólnej objętości mieszaniny kształtek i tej pasty udział 5-40%, zależny od wielkości zęba. Po zamocowaniu koła 2 wprowadza się ramę 5 z zamocowanym w niej ułożyskowanym wałem 11, wyposażonym w ramiona 12 z łopatkami 6. Napęd wału 11 jest realizowany przez silnik 13 i przekładnię pasową 14. Wał 11 jest prowadzony łożyskiem umieszczonym w ramieniu 23, które ma możliwość przesuwania się względem prowadnicy 22. Pozycja ramienia 23 po ustaleniu zamocowaniu koła 2 jest blokowana. Silnik 13 powinien być zasilany z falownika 15 umożliwiającego zmianę prędkości obrotowej. Z falownikiem może współpracować komputer lub sterownik w celu zmiany w ustalony sposób prędkości obrotowej i kierunku wirowania wału tego silnika. Konstrukcja silnika 13 powinna umożliwiać jego pionową zabudową wałem do góry. Rama 5 na końcu bliższym misie 1 urządzenia powinna być wyposażona w ułożyskowany kieł 16, który będzie oparty na wale prowadzącym 18, stabilizującym układ ramy 4 z ramionami 12 i łopatkami 6. Łopatki 6 powinny mieć możliwość zmiany głębokości zanurzenia w mieszaninie kształtek i pasty oraz kąta nachylenia w każdej z trzech osi koła obrabianego 2. Łopatka 6 powinna być uformowana tak by mieszanina kształtek

PL 218 858 B1 i pasty była podnoszona od dołu misy do jej góry oraz kierowana po łuku w kierunku powierzchni obrabianych kół. Łopatki powinny być także tak ukształtowane, by mogły właściwie realizować swą funkcję przy obu kierunkach obrotu łopatek. Następujące po sobie łopatki powinny różnić się kątem kierowania strugi mieszaniny kształtek i pasty na powierzchnię zębów kół zębatych. W przypadku obróbki jednoczesnej koła o uzębieniu zewnętrznym 2 i koła o uzębieniu wewnętrznym 2A (fig. 2) łopatki 6 powinny naprzemiennie kierować strugę mieszaniny w kierunku obrabianych kół. Materiał łopatek 6 powinien być odporny na zużycie ścierne. Odległość krawędzi zewnętrznej łopatek 6 od średnicy wierzchołkowej koła zębatego nie powinna być większa niż dwa moduły tego koła oraz mniejsza niż 0,5 modułu. Następnie wprowadza się w ruch obrotowy zarówno obrabiane koło 2 i/lub 2A jak i ramę z łopatkami. Łopatki 6 jak i koło powinny obracać się w lewo i prawo w sposób przeciwbieżny lub współbieżny względem siebie. Napęd obrotowego stołu 3, do którego jest zamocowane koło 2 realizowany jest przez silnik 7 i kątową przekładnię 17 połączony poprzez kłowe sprzęgło 8 z ułożyskowanym wałem 9, który jest połączony wielowypustem ze stołem 3. Silnik 7 powinien być zasilany z falownika 10 umożliwiającego zmianę prędkości obrotowej. Z falownikiem 10 może współpracować komputer lub sterownik w celu zmiany w ustalony sposób prędkości obrotowej i kierunku wirowania wału silnika 7. Konstrukcja silnika 7 powinna umożliwiać jego pionową zabudową wałem do góry. Silnik 7 powinien być zamocowany do konstrukcji wsporczej 21, do której zamocowana jest misa 1 urządzenia. Wał 18 powinien być nagwintowany. Jedno lub więcej kół 2 powinny być dociśnięte nakrętką mocującą 19 i nakrętką kontrującą 20 celem pewnego ich zamocowania do misy 1 urządzenia. Obrotowy stół 3 powinien być ułożyskowany łożyskiem wzdłużnym i być wyposażony w otwory mocujące koło o uzębieniu wewnętrznym 2A. W przypadku nie wykorzystywania tych otworów w trakcie obróbki powinny być one zabezpieczone korkiem.

W czasie prowadzenia obróbki należy kontrolować chropowatość powierzchni kół. W celu zapewnienia odpowiedniej kombinacji nośności powierzchni i warunków smarowania parametr chropowatości R_a powinien być w zakresie 0,4 do 0,1 pm. Tak określona chropowatość powinna zapewnić warunki smarowania elastohydrodynamicznego, nie wystąpienie tarcia mieszanego lub granicznego między współpracującymi powierzchniami zębów i zwiększyć rzeczywistą powierzchnię styku.

P r z y k ł a d.

Koła 2 i/lub 2A po utwardzaniu cieplnym polegającym na nawęglaniu gazowym oraz hartowaniu pojedynczym w oleju mineralnym i odpuszczaniu niskim z temperatury poddaje się oczyszczeniu w myjce. Następnie przeprowadza się szlifowanie powierzchni zębów znanymi metodami w celu zwiększenia dokładności wykonania i usunięcia deformacji powierzchni spowodowanych obróbka cieplną. Po szlifowaniu wykonuje się proces strumieniowej obróbki powierzchniowej poprzez kulowanie śrutem kulowym, o intensywności scharakteryzowanej wartością Almena na płytce kontrolnej typu A w zakresie od 0,2 do 0,4 i stopniu pokrycia co najmniej 2 x 98%. Po obróbce powierzchniowej kontroluje się chropowatość powierzchni, parametr chropowatości Ra po tym procesie powinien być w zakresie 1,8-2,0 pm. W przypadku uzyskania po procesie strumieniowej obróbki powierzchniowej parametru chropowatości Ra większego niż 2,0 pm przeprowadza się dodatkowy zabieg kulowania kulkami szklanymi, by uzyskać parametr Ra mniejszy niż 2,0 pm. Po tak przeprowadzonym procesie koła zębate 2 i/lub 2A wprowadza się do misy urządzenia opisanego w wynalazku i wypełnia się misę mieszaniną opisaną w wynalazku do wysokości 2-5 cm powyżej powierzchni bocznej koła. Do misy wprowadza się łopatki na wysokość 1 cm od dna, a następnie wprowadza się w ruch obrotowy koła obrabiane i ramę z łopatkami zgodnie z wynalazkiem i dokonuje się pomiaru parametru chropowatości Ra co godzinę w trakcie pierwszych 4 godzin, później kontroluje się proces częściej co 20 min i po osiągnięcie zakładanej chropowatości w zakresie 0,4 do 0,1 pm proces kończy się.

Wytworzone według sposobu wielkogabarytowe koła zębate będą się cechować zwiększoną wytrzymałością na zmęczeniowe złamanie zęba u podstawy i wytrzymałością stykową oraz odpornością na zużycie ścierne, a tym samym wysoką trwałością eksploatacyjną. Warstwa wierzchnia tych elementów będzie się charakteryzować:

- naprężeniami ściskającymi w warstwie wierzchniej elementów maszynowych, które zostały usunięte zabiegiem szlifowania,

- zmniejszonym wpływem ewentualnych przepaleń szlifierskich, możliwych do wystąpienia w czasie procesu szlifowania,

- mniejszą chropowatością powierzchni elementów maszynowych,

- mniejszą emisją efektów wibroakustycznych powstających podczas współpracy elementów maszynowych, zwłaszcza kół zębatych i wałów uzębionych.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób zwiększenia trwałości eksploatacyjnej na powierzchni wielkogabarytowych części maszyn, zwłaszcza kół zębatych, znamienny tym, że przeprowadza się strumieniową obróbkę powierzchniową poprzez kulowanie, o intensywności scharakteryzowanej wartością Almena na płytce kontrolnej typu A w zakresie od 0,2 do 0,4, stopniu pokrycia co najmniej 2 x 98% i parametrem chropowatości R_a po procesie obróbki strumieniowej nie większym niż 2 μm oraz następujący po niej proces dogładzania, aż do uzyskania chropowatości powierzchni R_a w zakresie 0,4 do 0,1 μm, który przeprowadzany jest jednocześnie dla koła o uzębieniu zewnętrznym i wewnętrznym i odbywa się w misie urządzenia dogładzającego poprzez ruch obrotowy zarówno kół zębatych jak i łopatek, z materiału odpornego na zużycie ścierne, z uwzględnieniem że odległość krawędzi zewnętrznej łopatek od średnicy wierzchołkowej obrabianego koła zębatego nie powinna być większa niż 2 moduły tego koła oraz mniejsza niż 0,5 modułu, przy czym korzystnie jest by koła obracały się w lewo i prawo w sposób przeciwbieżny i współbieżny względem siebie, przy czym łopatki mają możliwość zmiany głębokości zanurzenia w mieszaninie kształtek ściernych o udziale w całej objętości 5-40% i wielkości nie większej od 0,25 modułu obrabianego koła oraz pasty szlifiersko-polerującej, przy czym korzystnie jest by pasta złożona była z węglika krzemu SiC lub korundu o wielkości ziarna nie większej niż 2 μm i zawartości objętościowej 10-30% oraz oleju syntetycznego lub innych zagęszczaczy, oraz kąta nachylenia w każdej z trzech osi koła obrabianego, a także są tak uformowane by mieszanina kształtek i pasty była podnoszona od dołu misy do jej góry oraz kierowana po łuku w kierunku powierzchni obrabianych kół i mogły nagarniać mieszaninę kształtek i pasty przy obu kierunkach obrotu łopatek, z tym że w przypadku przeprowadzania procesu dogładzania jednocześnie dla koła o uzębieniu zewnętrznym i wewnętrznym, łopatki naprzemiennie kierują strugę mieszaniny w kierunku obrabianych kół.

2. Urządzenie do zwiększania trwałości eksploatacyjnej wielkogabarytowych części maszyn, zwłaszcza kół zębatych, znamienne tym, że złożone jest z misy (1), w której znajduje się ułożyskowany stół (3), do rozłącznego mocowania obrabianych zębatych kół (2) i/lub (2A) o uzębieniu wewnętrznym i zewnętrznym, który jest napędzany elektrycznym silnikiem (7) poprzez kątową przekładnię (17) i kłowe sprzęgło (8) i ma mocowane do ramy (5) ramiona (12), do których umocowane są łopatki (6) z materiału odpornego na zużycie.

3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że łopatki (6) są napędzane elektrycznym silnikiem (13) poprzez pasową przekładnię (14) i wał (11).

4. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że wał (11) ramy (5) ustalany jest za pomocą ramienia (23) zakończonego panwią łożyska, a ramię (5) ma możliwość przesuwu w górę po prowadnicy (22).