PL245935B1 - Urządzenie do umacniania nagniataniem powierzchni roboczych kół zębatych - Google Patents

Abstract

Urządzenie do umacniania nagniataniem powierzchni roboczych kół zębatych wyposażone w zespół chłodząco smarujący charakteryzuje się tym, że posiada co najmniej jedną tarczę roboczą (1) z zębami (3) posiadającymi utrzymywane w prowadnicach zewnętrznych i wewnętrznych chłodzone i smarowane cieczą kulki nagniatające, przy czym poniżej poziomej części ramy modułowej (11) znajduje się wanna (10) z wyprowadzoną rurą natryskową (6). Urządzenie jest przeznaczone do wykonywania efektywnego zabiegu umacniania warstwy wierzchniej kół zębatych w celu polepszenia ich odporności na obciążenie zmienne i zmęczenie powierzchniowe (pitting). Urządzenie umożliwia wykonywanie nagniatania powierzchni kół zębatych oraz stref przejściowych u podstawy zębów w jednym ciągłym procesie obróbczym z dużą skutecznością i wydajnością.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do umacniania nagniataniem powierzchni roboczych kół zębatych.

Urządzenie do umacniania nagniataniem kół zębatych przeznaczone jest do wykonywania w jednej operacji zabiegu obróbki zgniotem powierzchniowym wszystkich newralgicznych stref kół zębatych w celu uzyskania efektywnego wzrostu ich trwałości eksploatacyjnej. Umacnianiu przy użyciu urządzenia podlegają jednocześnie powierzchnie robocze oraz strefy przejściowe u podstawy zębów kół zębatych o zębach prostych i skośnych.

Koła zębate przekładni stosowanych w układach napędowych maszyn roboczych i pojazdów przenoszą cyklicznie zmienne obciążenie o dużej amplitudzie, co powoduje narażenie ich na zmęczeniowe złamania zębów, wykruszanie warstwy wierzchniej od wysokich nacisków stykowych i zużycie ścierne. Szczególnie intensywne oddziaływania niszczące dotyczą kół zębatych napędów maszyn roboczych, w tym górniczych, dźwigowych, budowlanych, drogowych i rolniczych. Oddziaływania te są przyczyną przedwczesnych zniszczeń eksploatacyjnych wspomnianych maszyn połączone często z zagrożeniem bezpieczeństwa. Istnieje więc potrzeba opracowania sposobów służących wydatnej poprawie trwałości kół zębatych. W rozwiązaniu według wynalazku ten cel osiągnięto przez zaproponowanie urządzenia obróbczego, które umożliwia uzyskanie dużego wzrostu trwałości kół zębatych w wyniku realizacji zabiegu nagniatania na zimno z wysoką intensywnością i wydajnością wszystkich krytycznych stref kół zębatych w trakcie jednej kompleksowej operacji technologicznej.

Znane liczne sposoby i urządzenia służące do obróbki zgniotem powierzchniowym elementów maszyn dotyczą powierzchni obrotowych, płaskich i krzywoliniowych.

W pracy A. Podolak-Lejtas „Obróbka powierzchniowa zgniotem jako źródło umocnienia warstwy wierzchniej po obróbce elektroerozyjnej”, Mechanik nr 1/2015, opisano metody obróbki powierzchniowej zgniotem wykorzystujących technologię mikromłoteczkowania oraz roto peenu. Wykorzystuje się w nich obrotowe głowice, które nie nadają się do nagniatania zębów w kołach zębatych.

W przypadku powierzchni o złożonym kształcie, jak to ma miejsce dla powierzchni roboczych kół zębatych znane urządzenia bazują prawie wyłącznie na wykorzystaniu strumienia kulek stalowych lub szklanych. Szeroki przegląd urządzeń tego rodzaju zawiera monografia: W. Przybylski „Technologia obróbki nagniataniem”, WNT Warszawa 1987. W pracy tej zaprezentowano na str. 419:420 głowicę ze stożkowymi rolkami do nagniatania powierzchni roboczych kół zębatych przemieszczaną wzdłuż linii zębów na strugarce. Urządzenie to nadaje się do nagniatania jedynie kół zębatych o dużych modułach tylko kół o zębach prostych. Ponadto nie umożliwia nagniatania strefy przejściowej u podstawy zębów, a mikro nierówności jakie tworzą się w wyniku obróbki tego rodzaju, mają kierunek wzdłuż linii zębów. Jest to niekorzystne, gdyż sprzyja powstawaniu ognisk zmęczeniowych złamań zębów i wykruszania się warstwy wierzchniej.

Inna praca opisująca urządzenie do nagniatania to S. Szulc, A. Stefka „Obróbka powierzchniowa części maszyn” WNT Warszawa 1976. Strumień kulek w znanych urządzeniach jest wywoływany sprężonym powietrzem lub przy zastosowaniu wirnikowych wyrzutników mechanicznych. Sposoby te mają swoje ograniczenia fizykalne jeśli chodzi o uzyskiwanie dużych prędkości kulek, co jest warunkiem wymaganej intensywności obróbki uzależnionej od energii kinetycznej kulek uderzających w obrabiane powierzchnie. W przypadku kół zębatych, zwłaszcza wykonywanych ze stali stopowych poddawanych obróbce cieplnej lub cieplno-chemicznej w celu uzyskania dużej twardości warstwy wierzchniej uzębień, znane urządzenia nie zapewniają uzyskania wymaganej głębokości zgniotu powierzchniowego, a więc dostatecznej skuteczności obróbki zgniotowej. W przypadku znanych urządzeń śrutujących nie ma możliwości skutecznej obróbki strefy przejściowej u podstawy zębów, która jest szczególnie newralgiczna z punktu widzenia wytrzymałości zmęczeniowej zębów na złamanie. Znane urządzenia nagniatające nie umożliwiają ponadto skutecznego chłodzenia elementów roboczych i strefy nagniatanej. Niedostateczne chłodzenie strefy odkształconej plastycznie powoduje niekorzystne zjawiska rekrystalizacji struktury stali poddanej zgniotowi praz relaksacji naprężeń własnych będących głównym celem obróbki nagniataniem części maszyn.

Istotą wynalazku jest urządzenie do umacniania nagniataniem powierzchni roboczych kół zębatych wyposażone w zespół chłodząco-smarujący charakteryzujące się tym, że posiada co najmniej jedną tarczę roboczą z zębami posiadającymi utrzymywane w prowadnicach zewnętrznych i wewnętrz nych chłodzone i smarowane cieczą kulki nagniatające, przy czym poniżej poziomej części ramy modułowej znajduje się wanna z wyprowadzoną rurą natryskową. Kulki nagniatające znajdują się w prowadnicach zewnętrznych i wewnętrznych w układzie zamkniętym.

Urządzenie umożliwia obróbkę nagniataniem kół o zębach prostych i skośnych zapewniając efektywne chłodzenie i smarowanie układów roboczych. Uzyskiwany w toku obróbki mikrorelief powierzchni nagniatanych polepsza warunki smarowania kół zębatych w toku eksploatacji. Zastosowanie urządzenia pozwala na uzyskanie wydatnego wzrostu trwałości eksploatacyjnej kół przekładni zębatych napędów maszyn i pojazdów.

Urządzenie do nagniatania kół zębatych według wynalazku w przykładzie wykonania ilustruje rysunek, na którym fig. 1 przedstawia schemat ogólny urządzenia, fig. 2 to szczegół współpracy zębów tarczy roboczej z zębami obrabianego koła zębatego, fig. 3 pokazuje przekrój w płaszczyźnie A - A przez ząb tarczy roboczej, a fig. 4 to szczegół osadzenia w zębach tarczy roboczej prowadnic wewnętrznych umożliwiających ruch obiegowy kulek nagniatających.

Tarcza robocza 1 i umacniane koło zębate 2 osadzone są obrotowo w regulowanej ramie modułowej 11 umożliwiającej wywoływanie poprzecznego obciążenia P między kołem zębatym 2 a tarczą roboczą 1. Obciążenie to korzystnie jest realizować siłownikiem hydraulicznym 12 działającym poprzez układ podatny złożony przykładowo ze sprężyn talerzowych 13. Obciążenie P powoduje wystąpienie sił nacisku Pz działających poprzez elementy nagniatające, korzystnie kulki nagniatające 5, na dwa sąsiednie boki zębów 3 nagniatanego koła zębatego 2. Kulki nagniatające 5 rozmieszczone są na zębach 3 tarczy roboczej 1 w taki sposób, że obwiednia zewnętrzna kulek nagniatających 5 tworzy zarys ewolwentowy koła zębatego 2 o module odpowiadającym modułowi zębów 3 obrabianego koła zębatego 2 oraz zarys strefy przejściowej między sąsiednimi zębami 3 koła zębatego 2. Zespoły kulek nagniatających 5 utrzymywane są przez prowadnice zewnętrzne 4 oraz prowadnice wewnętrzne 7 umożliwiające swobodny ruch obiegowy kulek nagniatających 5 wokół zębów 3 tarczy roboczej 1. Po nadaniu układowi ruchu obrotowego kulki nagniatające 5 stalowe lub z węglików spiekanych kolejno przetaczają się pod obciążeniem Pz po bokach obrabianego koła zębatego. Na stopie zęba obrabianego koła toczenie odbywa się w jednym kierunku, natomiast na głowie zęba 3 kierunek toczenia zmienia się na przeciwny. Wywołuje to obiegowy ruch kulek nagniatających 5 z przejściem kulek nagniatających 5 na drugą stronę zębów 3 tarczy roboczej 1 w prowadnicach wewnętrznych 7. Charakter współpracy zębów 3 kół zębatych 2 powoduje, że do pracy w czasie obrotów wprowadzane są stale nowe pary kulek nagniatających 5, zaś ruch obiegowy kulek nagniatających 5 jest okresowy. Po wyjściu z zazębienia określonego zęba 3 tarczy roboczej 1 do pracy wchodzą kolejne zęby 3, a ząb 3 który wyszedł z zazębienia ma dogodne warunki do schłodzenia. Do pracy wejdzie on dopiero po prawie pełnym obrocie tarczy roboczej 1, już z innymi bokami zębów 3 umacnianego koła zębatego 2, gdy liczby zębów 3 tarczy roboczej 1 i koła zębatego 2 są różne. W opisany sposób obróbce podlegają wszystkie zęby 3 wraz ze strefą przejściową u podstawy zębów 3 obrabianego koła zębatego 2.

W celu zapewnienia obróbki zębów 3 na pełnej szerokości koła zębatego 2 należy zapewnić ruch posuwowy tarczy roboczej 1 względem koła zębatego 2 wzdłuż linii zębów 3. Urządzenie według wynalazku umożliwia obróbkę kół o zębach prostych i kół o zębach skośnych. Możliwe jest zestawianie większej liczby tarcz roboczych 1 rozmieszczonych równolegle na jednej osi, co zwiększa wydajność procesu. Korzystne jest, zwłaszcza przy obróbce kół zębatych o zębach skośnych, swobodne ułożyskowanie wszystkich tarcz roboczych 1 na jednej osi, co umożliwia samoczynne dostosowywanie się tarcz w przypadku odchyłek wykonawczych kół zębatych, zwłaszcza błędów kąta pochylenia zębów.

Ciepło, na które zamienia się praca odkształcenia plastycznego nagniatania kół zębatych, 2 może być efektywnie odbierana przez układ, na który składa się wanna 10 z filtrem 9 poprzez który pompa 8 zasysa ciecz chłodząco-smarującą podawaną następnie poprzez zawór regulacyjny 14 rurą natryskową 6 z dyszą 6a bezpośrednio w strefę obróbki nagniataniem. Pozwala to uniknąć niekorzystnych zjawisk rekrystalizacji odkształconych plastycznie struktur materiałów kół zębatych 2 oraz relaksacji naprężeń własnych ściskających, będących szczególnie istotnym celem obróbki zgniotem powierzchniowym. Jako ciecz chłodząco-smarująca może być użyta emulsja olejowo-wodna z inhibitorami korozji. Smarowanie zmniejsza opory ruchu oraz minimalizuje zużycie ścierne elementów roboczych urządzenia.

Mikrorelief powierzchni umocnionej nagniataniem w postaci wielu nachodzących na siebie kulistych mikroodcisków stwarza korzystne warunki smarowania kół zębatych 2 w eksploatacji, sprzyjając tworzeniu się mikrokieszeni smarnych, co zmniejsza opory ruchu i minimalizuje zużycie ścierne kół zębatych 2. Dla uzyskania jednorodności umocnienia zębów 3, można stosować zmiany kierunku obrotów urządzenia. Jest to pożądane zwłaszcza dla kół zębatych pracujących w układach nawrotnych.

Dzięki konstrukcji urządzenia zastosowane jest pełne wyrównoważenie tarczy roboczej, mimo przemieszczających się kulek nagniatających 5. Pozwala to na stosowanie wyższych prędkości obrotowych urządzenia bez niekorzystnych zjawisk dynamicznych.

Doboru najkorzystniejszych parametrów pracy urządzenia takich jak wielkość siły nacisku, prędkość obrotowa, posuw wzdłużny, liczbę przejść obróbczych należy dobrać w toku prób w zależności od materiału kół zębatych, rodzaju obróbek poprzedzających, przeznaczenia kół systemu smarowania kół i innych.

Urządzenie według wynalazku pozwala na uzyskanie wydatnego wzrostu odporności kół na zmęczeniowe złamanie zębów i wykruszenie warstwy wierzchniej (pitting) oraz zużycie ścierne przy niewielkim zużyciu energii i dużej wydajności zabiegu. Umożliwia więc uzyskanie dużych efektów technicznych i ekonomicznych oraz wzrost bezpieczeństwa pracy układów napędowych z kołami zębatymi.

Claims (2)

1. Urządzenie do umacniania nagniataniem powierzchni roboczych kół zębatych wyposażone w zespół chłodząco-smarujący, znamienne tym, że posiada co najmniej jedną tarczę roboczą (1) z zębami (3) posiadającymi utrzymywane w prowadnicach zewnętrznych (4) i wewnętrznych (7) chłodzone i smarowane cieczą kulki nagniatające (5), przy czym poniżej poziomej części ramy modułowej (11) znajduje się wanna (10) z wyprowadzoną rurą natryskową (6).

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że kulki nagniatające (5) znajdują się w prowadnicach zewnętrznych (4) i wewnętrznych (7) w układzie zamkniętym.