Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Technologické parametry výroby ozubených kol Bakalářská práce
Vedoucí práce: Ing. Jiří Votava, Ph.D.
Vypracoval: Tomáš Mareček
Brno 2013
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma „Technologické parametry výroby ozubených kol“ vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně.
dne ………………………………… podpis bakalanta ……………………
PODĚKOVÁNÍ Chtěl bych poděkovat vedoucímu mé bakalářské práce Ing. Jiřímu Votavovi, Ph.D. za odborné vedení, užitečné připomínky, cenné rady, konzultace a pomoc při konečném zpracování práce.
ABSTRAKT Tato bakalářská práce je zaměřena na problematiku dokončovacích metod a výroby ozubení. Práce obsahuje rozbor jednotlivých metod dokončování ozubení včetně strojů a nástrojů. Obsahem práce je také rozbor řezného prostředí a použití ozubených kol. Závěrem práce je celkové zhodnocení a experimentální část.
Klíčová slova:
ozubené kolo, ozubení, ševingování, ševingovací stroj, broušení, brousící stroj, brusný kotouč, převod, soukolí, bok zubu, honování, trhlina
ABSTRACT This thesis is aimed at finishing gearing method problem and production toothing. Thesis contains particular finishing methods analysis including machines and tools. There is cutting medium analysis and using of gears. In resume there is general evaluation and experimental part.
Key words:
gearwheel, tooth system, shaving, shaving machine, grinding, grinding machine, grinding wheel, transfer, wheelworks, tooth flank, honing, crack
OBSAH 1
ÚVOD ....................................................................................................................... 8
2
CÍL PRÁCE .............................................................................................................. 9
3
VÝROBA OZUBENÍ ............................................................................................. 10 3.1
Rozdělení ozubených kol ................................................................................. 10
3.2
Obrábění čelních ozubených kol ...................................................................... 11
3.2.1
Frézování dělícím způsobem .................................................................... 11
3.2.2
Frézování odvalovacím způsobem............................................................ 14
3.3
4
3.3.1
Frézování tvarovou frézkou ...................................................................... 19
3.3.2
Způsob Oerlikon ....................................................................................... 20
DOKONČOVACÍ METODY OZUBENÍ OZUBENÝCH KOL ........................... 21 4.1
Ševingování ...................................................................................................... 21
4.2
Honování .......................................................................................................... 23
4.3
Broušení ........................................................................................................... 24
4.3.1
Broušení dělícím způsobem tvarovými kotouči ....................................... 25
4.3.2
Broušení dělícím způsobem s odvalem boku zubu ................................... 26
4.4
5
6
Obrábění kuželových kol ................................................................................. 18
Dokončování ozubení na 5-ti osých CNC frézách ........................................... 29
4.4.1
Výhody této metody.................................................................................. 29
4.4.2
Nevýhody této metody .............................................................................. 31
VYUŽITI OZUBENÝCH KOL V TECHNICKÉ PRAXI ..................................... 32 5.1
Převody ozubenými koly.................................................................................. 32
5.2
Druhy soukolí ................................................................................................... 33
5.2.1
Čelní soukolí s přímými zuby ................................................................... 33
5.2.2
Čelní soukolí se šikmými zuby ................................................................. 34
5.2.3
Kuželová soukolí s přímými a šikmými zuby .......................................... 35
5.2.4
Kuželová soukolí se zakřivenými zuby .................................................... 35
5.2.5
Šneková soukolí (globoidní) ..................................................................... 36
EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST .................................................................................. 37 6.1
Pittingové poškození ozubených kol ................................................................ 37
6.1.1
Makroskopické pozorování....................................................................... 37
6.1.2
Profil boku zubů poškozených pittingem ................................................. 39
6.2
Příprava metalografického preparátu ............................................................... 40
6.2.1
Dělení materiálu:....................................................................................... 40
6.2.2
Lisování metalografického preparátu ....................................................... 41
6.2.3
Broušení .................................................................................................... 41
6.2.4
Leštění ....................................................................................................... 41
6.2.5
Mikroskopické pozorování ....................................................................... 42
6.3
Analýza vzniku mikrotrhlin ............................................................................. 42
6.4
Diskuse ............................................................................................................. 45
7
ZÁVĚR ................................................................................................................... 47
8
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY .................................................................... 49
9
SEZNAM OBRÁZKŮ ............................................................................................ 51
10 SEZNAM TABULEK ............................................................................................ 52
1
ÚVOD Technologie je v obecném pojetí technický obor, který se zabývá aplikací
přírodovědných poznatků při zavádění, zdokonalování a optimalizaci výrobních postupů. Technologie je slovo řeckého původu, kde část „techné“ znamená dovednost a „logos“ nauka.
Strojírenská technologie jako věda analyzuje výrobní proces do všech podrobností tak, aby byly vytvořeny účelné a ekonomické podmínky pro aplikaci nejnovějších poznatků vědy a techniky ve výrobním procesu a ze všech technických věd má největší význam pro dosažení maximální produktivity a hospodárnosti výroby. V oboru „strojírenská technologie“ stojí na předním místě z hlediska rozsahu i významu aplikací technologie obrábění. Tato práce je zaměřena na výrobu ozubených kol, využití ozubených kol v technické praxi a na dokončovací operace při výrobě ozubení.
Obr. 1 Vytvoření evolventní křivky (Bondy s.r.o. Kusová výroba a malosériová výroba ozubených a šnekových převodů, 1999)
8
Dokončovací metody při obrábění ozubení mají za cíl zlepšit jakost povrchu zubů a maximálně se přiblížit ideálnímu tvaru jejich profilu. Nejrozšířenějším profilem ozubení je profil evolventní. Evolventní tvar profilu zubu je důležitý k otáčení spolu zabírajících ozubených kol bez rázů, pokud možno bez hluku a tření. Evolventa je křivka, která vznikne odvalováním vlákna nebo přímky po kružnici (Obr.1). U hřebenu zabírajícím s evolventním ozubeným kolem jsou boky zubů přímé. Ozubení může být též cykloidní, ale toho se ve stavbě strojů používá jen zřídka kvůli složitému způsobu výroby. Při výrobě ozubení se užívá dvou základních způsobů a to dělicí a odvalovací způsob. (Bondy s.r.o. Kusová výroba a malosériová výroba ozubených a šnekových převodů, 1999)
2
CÍL PRÁCE Cílem bakalářské práce na téma Technologické parametry výroby ozubených kol je
vytvořit ucelený přehled informací a rozdělení technologických postupů ve strojírenské výrobě ozubených kol. V jednotlivých kapitolách budou zpracovány poznatky o výrobě ozubení, použití ozubených kol v technické praxi a dokončovací metody ozubení ozubených kol pro lepší jakost povrchu a maximální přiblížení k ideálnímu tvaru jejich profilu. Práce by měla objasnit problematiku degradace stykových ploch ozubených kol a vzniku mikrotrhlin v podobě pittingového poškození.
9
3
VÝROBA OZUBENÍ Výroba ozubení je velmi složitý a technologický proces. Převody ozubenými koly se
využívají ve většině převodových mechanizmů v různých variantách. Složitost obrábění ozubení souvisí s tím, že je nutno splnit teoretické poznatky plynoucí z teoretického odvalu a teoretického obtisku nástrojových ploch pro dosažení správného záběru ozubení. Podélnou a výškovou úpravu plochy boku zubu, tzv. modifikací, se dosáhne lokalizace záběru spoluzabírajících boků zubů. Tento zásah vyrovnávající nepřesnosti ozubení, uložení ozubených kol ve skříni a deformace spojené s přenosem kroutícího momentu, klade však zvýšené nároky na výrobu. Modifikované ozubení má vyšší životnost a menší hlučnost. Výrobu ozubení lze podle druhu ozubeného kola rozdělit na obrábění čelních kol s přímými nebo šikmými zuby, šnekových kol a šneků a kuželových kol s přímými, šikmými, a zakřivenými zuby. V uvedeném pořadí roste technologická náročnost obrábění jednotlivých druhů ozubení. Při obrábění těchto druhů ozubení ovlivňují kvalitu a přesnost ozubení stroj, nástroj, upnutí obrobku, řezná kapalina a řezné podmínky. (Vlach, 1990; Humár, 2003)
3.1 Rozdělení ozubených kol Ozubená kola jsou strojní součásti určené k plynulému přenášení otáčivého pohybu a kroutícího momentu. Používají se pro převody s pevně daným převodovým poměrem a s malou vzdáleností hřídelů. Ozubená kola se rozdělují podle dvou kriterií. První podle vzájemné polohy os obou hřídelů a druhé podle průběhu zubů. Dělení podle vzájemných os hřídelů rozeznáváme soukolí hřídele s rovnoběžnými, různoběžnými a mimoběžnými osami. Pro rovnoběžné osy hřídelů jsou čelní soukolí s vnějším nebo vnitřním ozubením. Jsou-li osy hřídelů různoběžné, používají se kuželové soukolí. U tohoto soukolí bývá nejčastěji úhel hřídelů 90 °, obecně však tento úhel může být ≠90 °. U hřídelů s mimoběžnými osami se používají šroubová soukolí válcová, soukolí šneková nebo soukolí hypoidní. Jedná-li se o rozdělení tvaru zubu, pak čelní kola mohou být s přímými, šikmými, šípovými a obloukovými zuby. Kola kuželová mívají přímé, šikmé,zakřivené a šípové zuby. (Koudelka-zastoupení, 2004) 10
3.2 Obrábění čelních ozubených kol Při obrábění čelních ozubených kol se používá frézování, obrážení a protahání. Čelní kola s přímými a šikmými zuby se obrábějí:
frézování - dělícím způsobem tvarovou frézou, odvalovacím způsobem odvalovací frézou,
obrážení - odvalovacím způsobem kotoučovým nožem nebo hřebenovým nožem.
Frézování dělícím způsobem a obrážení kotoučovým nožem je použitelné pro vnější a vnitřní ozubení. U kol bez tepelného zpracování se používá jako dokončovací metoda ševingování a u kol s kalenými zuby se používá broušení. Výběr některé z uvedených technologií závisí na počtu vyráběných ozubených kol, velikosti a typu kola (samostatné kolo nebo soukolí), umístění zubů (vnější nebo vnitřní ozubení) a jejich tvaru (přímé, šikmé, šípové). (Humár, 2004; Vlach, 1990)
3.2.1 Frézování dělícím způsobem
Čelní ozubená kola s přímými zuby se frézují kotoučovou (Obr. 2a) nebo čepovou (stopkovou) modulovou frézou (Obr. 2b). Profil frézy odpovídá profilu zubové mezery frézovaného ozubení. Profil ozubené frézy je u téhož modulu ozubení různý podle počtu zubů. Teoreticky by proto byl zapotřebí pro každý modul a počet zubů jiný nástroj. S ohledem na hospodárnost se používá jeden nástroj pro určitý rozsah zubů a všechny modulové frézy jsou dodávány v sadách, které obsahují 8 , 15 nebo 26 (Tab. 1) členů pro příslušný modul (závisí na požadavcích přesnosti obráběného ozubení). Kotoučové modulové frézy jsou vyráběny pro moduly m = 0,2 až 16 mm. (Humár, 2004; Vlach, 1990)
11
Obr. 2 Modulové frézy: a) kotoučová, b) čepová (stopková) (Humár, 2004)
Tab. 1 Rozložení počtu zubů pro osmičlennou sadu kotoučových fréz (Humár,2004) Číslo frézy
1
2
3
4
5
6
7
8
Pro počet zubů 12÷13 14÷16 17÷20 21÷25 26÷34 35÷54 55÷134 135÷
Při frézování dělícím způsobem se obrobí jedna zubová mezera, poté se obrobek upnutý v dělícím přístroji pootočí o jednu zubovou rozteč (tzo) a frézuje se další zubová mezera. Řezná rychlost se volí při frézování kotoučovou i čepovou frézou 10 až 20
, podélný posuv 70 až 180
. Tento způsob frézová-
ní čelních ozubených kol se používá zejména v kusové výrobě. K nevýhodám dělicího způsobu frézování patří malá přesnost a nízká výrobnost způsobená tím, že proces obrábění není plynulý. K výhodám patří nízká cena nástroje a možnost použití běžných obráběcích strojů, případně speciálních frézek a jednoduchost. (Humár, 2004; Vlach, 1990)
Obr. 3 Frézování čelního ozubení dělícím způsobem kotoučovou frézou a) přímé zuby, b) šikmé zuby (Humár, 2004) 12
Při frézování šikmých zubů kotoučovou modulovou frézou je pracovní stůl stroje s upnutým obrobkem natočen vzhledem k ose vřetena o úhel sklonu zubů 0 (Obr. 3b, Obr. 4). Zuby se pak vytvoří kombinací podélného posuvu stolu (vf) a rotačního pohybu obrobku (no), který je odvozen od posuvového šroubu stolu. Frézování šikmého ozubení čepovou frézkou je analogické, ale pracovní stůl se nenatáčí. Čepovými modulovými frézami lze frézovat i šípové ozubení. (Humár, 2004; Vlach, 1990)
Obr. 4 Frézování čelního ozubeného kola se šikmými zuby kotoučovou modulovou frézou (Humár, 2004)
Pro výkonné hrubování ozubených kol větších modulů (m = 12 až 20 mm) se používají hrubovací kotoučové frézy s odstupňovaným profilem a frézy se vsazenými noži z rychlořezných ocelí (až do m = 45 mm) nebo břitovými destičkami ze slinutých karbidů (až do
m = 50 mm). Čepové modulové frézy pro hrubování ozubení s modulem
m > 30 mm mají lichoběžníkový profil a břity ve šroubovici. Čepové frézy se používají zejména při výrobě ozubení s velkými moduly (m = 20 až 75 mm), kde by odvalovací frézy i odpovídající obráběcí stroje byly příliš nákladné. (Humár, 2004; Vlach,1990) 13
3.2.2 Frézování odvalovacím způsobem
Nástroj je odvalovací fréza (Obr.5). Princip obrábění je založen na záběru šneku (nástroj) s ozubeným kolem (obrobek). Nástroj má tvar jednochodého (dvouchodého) šneku, stejného modulu jako ozubené kolo. Břity odvalovací frézy jsou vytvořeny 8 až 12 drážkami, kolmými na stoupání šroubovice. Fréza je při práci natočena vzhledem k obrobku o úhel stoupání šroubovice frézy a otáčí se za jednu otáčku ozubeného kola tolikrát, kolik zubů má kolo. Jednou odvalovací frézou lze obrábět ozubená kola stejného modulu s libovolným počtem a sklonem zubů. (Ščerbejová, 1993)
Obr. 5 Nástroje na výrobu ozubení: 1 - frézy Klingelnberg, 2 - obrážecí nože Fellows, 3 - ševingovací kolo, ostatní nástroje - odvalovací frézy (Humár, 2004)
Řezný pohyb je vyvozen rotací frézy (n), obrobek rotuje otáčkami no tak, že se za jednu otáčku frézy pootočí o jednu zubovou rozteč, čímž se plynule frézují všechny zuby. Aby se vytvořilo ozubení po celé šířce frézovacího kola, musí se fréza současně pohybovat ve směru obráběných zubů rychlostí vf (Obr. 7). Smysl posuvu frézy se může shodovat se smyslem její rotace (nesousledné frézování), nebo může být opačný (sousledné frézování). Boky zubů se vytvářejí jako obalové plochy jednotlivých poloh nástroje (Obr. 8). (Humár, 2004; Mrkvica 2009)
14
Obr. 6 Kinematika pohybů při odvalovacím frézování čelního ozubení (Humár, 2004)
Obr. 7 Princip vytvoření evolventy při odvalovacím frézování (Humár, 2004)
15
Kinematika řezného pohybu vychází z podmínky:
[-] kde: no [min-1] jsou otáčky obráběného kola n [min-1] jsou otáčky odvalovací frézy zo [-] je počet zubů obráběného kola z [-] je počet chodů odvalovací frézy
Při frézování kol s přímými zuby se odvalovací fréza natáčí k rovině kolmé k ose kola o úhel nastavení η (Obr. 6, Obr. 8), který je roven stoupání šroubovice ω odvalovací frézy. Smysl natočení závisí na tom, zda jde o frézu pravochodou nebo levochodou. Při obrábění kol se šikmými zuby je úhel nastavení odvalovací frézy:
η = βo ± ω [°] kde: β [°] je úhel sklonu zubů obráběného kola, o
ω [°] je úhel stoupání odvalovací frézy.
V tomto vztahu se použije znaménko plus v případech, kdy se pravochodé (levochodé) kolo frézuje levochodým (pravochodým) nástrojem. Znaménko mínus se uplatní při frézování pravochodého (levochodého) kola pravochodým (levochodým) nástrojem. Všechny kombinace (včetně frézování ozubených kol s přímými zuby) jsou dokumentovány na (Obr. 8).
16
Obr. 8 Vyklonění vřeteníku při odvalovacím frézování ozubených kol (Humár, 2004) Odvalovací frézování patří k velmi produktivním způsobům obrábění ozubených kol, složitý systém nastavování a řízení potřebných pohybů obráběcího stroje však klade vysoké nároky na kvalifikaci a zkušenost obsluhujícího pracovníka. (Humár, 2004, Vlach, 1990; Moravec, 2001)
17
3.3 Obrábění kuželových kol Obrábění ozubení kuželových ozubených kol se dělí podle tvaru zubů na obrábění kol s přímými, šikmými a zakřivenými zuby.
Pro obrábění ozubení přímých a šikmých ozubených kole se používá:
frézování tvarovou frézou
frézování nožovými hlavami
obrážení podle šablony
obrážení dvěma noži
protahování
Pro obrábění ozubení zakřivených ozubených kol se používá:
způsob Gleason - kruhově zakřivené zuby
způsob Oerlikon - zuby zakřivené podle prodloužené epicykloidy
způsob Klingelnberg - zuby zakřivené podle prodloužené evolventy nebo epicykloidy
Obr. 9 Kuželová ozubená kola se zakřivenými zuby (Humár, 2004)
18
3.3.1 Frézování tvarovou frézkou
Pro frézování se používá kotoučová a stopková tvarová fréza. Frézování se provádí na univerzálních frézkách dělícím způsobem. Po obrobení jedné zubové mezery se ozubené kolo pootočí o jednu rozteč a postup se opakuje. Tento způsob se používá u kol s malou přesností a k hrubování kol před dokončením odvalovacím způsobem. Při hrubování kotoučovou frézou se obrábí každy bok zubu zvlášť. Tvarovou frézou nelze vyrobit teoreticky správné kuželové ozubení, protože nástroj není schopen lineárně zmenšovat modul ozubení směrem k vrcholu kužele obráběného kola. Přímé a šikmé ozubení ozubených kol se vyrábí kotoučovou frézou(Obr. 10) . Šípové a zakřivené ozubení ozubených kol se vyrábí čepovou frézou. Čepové frézy se používají pro výrobu ozubení větších modulů. (Humár, 2004; Vlach, 1990,Moravec, 2001)
Obr. 10 Frézování ozubení kuželového kola kotoučovou tvarovou frézou (Humár, 2004)
19
3.3.2 Způsob Oerlikon
Jedná se o odvalovací frézování čelní nožovou hlavou (Obr. 11), která vytváří boky zubů obráběného kola plynulým odvalem. Kuželové ozubení vzniká kombinací tří na sobě navzájem závislých pohybů - rotačním pohybem nožové hlavy, rotačnímu pohybem obrobku, který je současně dělicím pohybem a natáčením unášecí desky, na níž je výstředně upnuta čelní nožová hlava. Jednotlivé břity čelní nožové hlavy (s přímkovým ostřím) jsou uspořádány po skupinách tak, že tvoří části samostatných spirál. (Humár, 2004)
Obr. 11 Frézování ozubení kuželových kol se zakřivenými zuby způsobem Oerlikon 1 - obráběné kolo, 2 - unášecí deska, 3 - pomyslné kolo, 4 - nožová hlava (Humár, 2004)
20
4
DOKONČOVACÍ METODY OZUBENÍ OZUBENÝCH KOL Aby se zlepšila funkce a prodloužila životnost ozubení, musí mít ozubená kola
přesný geometrický tvar a kvalitní povrch. Stopy po nástrojích, které zůstávají na bocích zubů, zvyšují při odvalování kol opotřebení, z čehož plyne snížení účinnosti převodu a zvýšení jeho hlučnosti. Dokončovací metody při obrábění ozubení mají za cíl zlepšit jakost povrchu zubů a maximálně se přiblížit ideálnímu tvaru jejich profilu. Pro dokončování ozubení ozubených kol se používají dokončovací metody:
ševingování
honování
lapování
broušení
dokončování ozubení na 5-ti osých CNC frézách
4.1 Ševingování Ševingování je progresivní způsob dokončování ozubených kol, který se používá hlavně v sériové výrobě u nekalených ozubených kol. Po ševingování mohou být kola ještě kalena. Podstatou ševingování je v ubírání velmi jemných vláskových třísek o tloušťce 0,005 až 0,001mm. Zlepšuje se profil zubu, zvyšuje jakost jejich povrchu snižuje úchylky v zubových roztečích. Tříska se ubírá ostrými hranami (břity) v radiálních drážkách na povrchu zubů nástroje. Nejpoužívanějším nástrojem je ševingovací kolo ve tvaru ozubeného kola (Obr. 12). Nástroj má tvar ozubeného kola nebo ozubené tyče (hřebenu).
21
Obr. 12 Ševingovací kola (Humár, 2004) Hlavní výhodou tohoto způsobu ševingování je jednodušší a levnější výroba ševingovacího kola než hřebenu. Ševingovací kolo lépe odvádí třísku a umožňuje obrábět kola s vnějším i vnitřním ozubením. Nástroj je ozubené kolo s korigovanými zuby, na jehož povrchu jsou radiální úzké drážky s ostrými hranami. Drážky mají (podle modulu) hloubku 0,6 až 1 mm a šířku 0,25 mm. U středních modulů je rozteč drážky 0,75 mm. Nástroj je při ševingování s obrobkem v záběru bez vůle. Záběr ševingovacího kola (hnací kolo) s obráběným kolem (hnané, brzděné kolo) lze modelovat jako záběr šroubového válcového soukolí, pro které platí kinematické závislosti šroubového pohybu. Jedno z kol vykonává navíc vratný posuvný pohyb (u menších kol to je obráběné kolo, u
větších
ševingovací
kolo).
Obvodová
rychlost
se
pohybuje
v
rozmezí
vn = 60 ÷ 140 m·min-1. (Samputensili Výrobce ozubárenské techniky, 2006)
Rozlišujeme ševingování v závislosti na kinematických poměrech na ševingování:
podélné (posuvný pohyb je rovnoběžný s osou obráběného kola),
diagonální ( osa obráběného kola svírá se směrem posuvového pohybu úhel (δ, 0 º < δ < 45 º ) tento způsob je vhodný pro úzká kola,
diagonálně příčné (45 º < δ < 90 º),
příčné (δ = 90 º),
zapichovací (nástroj koná radiální posuv) (Humár, 2004).
22
Obr. 13 Princip podélného ševingování (Humár, 2004)
Ševingováním se zvyšuje přesnost evolventy. Lze dosáhnout čtvrté i vyšší třídy přesnosti.(Humár, 2004)
4.2 Honování Tento dokončovací proces navazuje na ševingování. Tento proces bývá označován jako brousící ševingování. Používá se u kalených kol pro zlepšení geometrie ozubení a jakosti povrchu. Lze dosáhnout touto technologii na funkčních plochách ozubení drsnosti až Ra 0,2 μm. Zvyšuje se účinnost převodů, zvětší se pásmo dotyku na bocích zubu, sníží se hlučnost a nebezpečí pittingu. Honování je často lepší než broušení z hlediska drsnosti povrchu. Broušeni je zase přesnější z hlediska dalších parametrů, úchylek povrchu, rovnosti, úchylek sousedních roztečí, které se honováním jen těžko ovlivňují.
23
Obr. 14 Nástroj na honování ozubených kol (Fässler. Výrobce ozubárenské techniky, 2005) Řezná rychlost je 0,5÷10 m·s-1. Rychlost je o proti broušení velmi malá. Nedochází k vysokým teplotám. (Fässler, Výrobce ozubárenské techniky, 2005)
Broušení
4.3
Broušeni je jedním nejrozšířenějším způsobem dokončování ozubení ozubených kol. Broušením se odstraňují nepřesnosti po předchozím obrábění a deformace po tepelném zpracováním ozubených kol. Ozubená kola se brousí:
dělícím způsobem tvarovými kotouči,
dělícím způsobem s odvalem zubu,
odvalovacím způsobem (Humár, 2004).
24
4.3.1 Broušení dělícím způsobem tvarovými kotouči
Broušení se provádí:
S dvěma kotouči s profilem ve tvaru boku zubu, kterými se brousí odpovídající boky všech zubů kola (jedním kotoučem levé boky, druhým kotoučem pravé boky). Tento způsob broušení je přesnější a výkonnější, než způsob kotoučem ve tvaru zubové mezery.
S jedním kotoučem s profilem ve tvaru zubové mezery, který brousí oba boky zubu současně. Profil zubu obráběného kola se vytváří přenášením profilu zubu brusného kotouče na obráběné kolo. Tvar kotouče je závislý na modulu, na počtu zubů a na úhlu záběru. Tento způsob je méně přesný.
Po vybroušení zubové mezery nebo boku zubu se obrobek upnutý v dlícím zařízení automaticky pootočí o jednu zubovou rozteč. (Humár, 2004)
Obr. 15 Broušení čelních ozubených kol dělícím způsobem: a) dvakotouče s profilem ve tvaru boku zubu, b) jeden kotouč s profilem ve tvaru zubové mezery (Humár, 2004) Uvedený způsob broušení ozubených kol je vysoce produktivní. K nevýhodám ale patří nižší přesnost a vyšší provozní náklady. Profily brousících kotoučů se orovnávají diamantovým orovnávačem podle zvětšené šablony nebo pomocí speciálního tvarovacího zařízení, u kterého je profil kotouče vytvořen z geometrického hlediska zcela přesně. (Humár, 2004; LIEBHERR. Gear Cutting Technology, 2008) 25
4.3.2 Broušení dělícím způsobem s odvalem boku zubu
Broušení čelního ozubení dělícím způsobem s odvalem boku zubu se v závislosti na konstrukčním uspořádáním brusek realizuje dvěma způsoby:
systém Maag - broušený zub se odvaluje po dvou brousících kotoučích,
systém Niles - broušený zub se odvaluje po jednom brusném kotouči
U systému Maag je odvalovací pohyb vytvářen superpozicí příčného a rotačního pohybu obrobku. Otáčení obrobku se dosahuje odvinováním ocelových pásů z kotouče (nebo kruhového segmentu), jehož poloměr je roven poloměru základní kružnice broušeného kola, zmenšeného o tloušťku odvinovaných pásů. Střídavým pohybem příčného suportu je zajištěno postupné odvalování a broušení zubové mezery. Podélný suport koná pohyb ve směru osy kola, tím je dosaženo obroušení zubu po celé délce zubu. Cyklus se opakuje po dokončení jedné zubové mezery, kdy se broušené kolo pootočí o jednu rozteč.
Obr. 16 Broušení čelního ozubení s odvalem boku zubu a) broušení Maag pomocí kotoučů skloněných pod úhlem záběru, b) broušení Maag kolmo postavenými kotouči, c) broušení Niles, 1-obrobek, 2-brousící kotouč, 3-příčný suport, 4-podélný suport, 5- odvalovací kotouč, 6-ocelový pás, 7-stojan odvalovacího zařízení (Humár, 2004)
26
Můžeme brousit kotouči, které jsou skloněny pod úhel záběru α (Obr.16a) a kolmo postavenými kotouči (Obr. 16b). Skloněné kotouče mají dva pracovní postupy:
broušení hranou (Obr. 17a)
broušení plochou kotouče (Obr. 17b)
Při broušení plochou kotouče je jeho podélná osa mírně vykloněná vůči podélné ose zubu. Brousící kotouče jsou po každém cyklu automaticky orovnány a nastaveny do správné polohy. Při broušení ozubených kol se šikmými zuby se vřeteník s brousícími kotouči natočí vzhledem k ose ozubeného kola pod úhlem sklonu zubů.
Obr. 17 Broušení Maag pomocí skloněných kotoučů a) hranou kotouče, b) plochou kotouče (Humár, 2004) Při broušení kolmo postavenými kotouči vytvářejí pracovní plochy kotoučů rovnoběžné plochy dvou zubů pomyslného hřebene s úhlem záběru nula stupňů. Brousicí kotouč se dotýká boku zubu v jediném bodě, takže dokončený povrch zubu nemá křížový výbrus, ale podélné rovnoběžné stopy, jak je tomu v případě, kdy skloněné kotouče brousí plochou (Obr.17b). Pomocí zvláštního zařízení lze při tomto způsobu broušení upravit (modifikovat) zuby výškově i podélně (Obr.16). Úprava evolventy na hlavě a patě, tj. modifikace profilu, se uskutečňuje tak, že se obrysová křivka profilu odsune za evolventu v místech hlavy a paty, a tím se omezuje dotyk hlavy zubů jednoho kola se zuby druhého kola. Úpravou po délce zubu se odsunuje obrysová čára na obou koncích zubu, takže zub dostane soudečkovitý tvar, který zabraňuje nosnému styku na hranách zubu. (Humár, 2004)
27
Systém Niles je uveden na obrázku (Obr. 16c). Na bruskách typu Niles se brousí jedním brusným kotoučem, jehož profil se shoduje s profilem zubu ozubeného hřebene (Obr.18a). Dotyk brousícího kotouče s bokem broušeného zubu je bodový, přičemž se tento bod při odvalování postupně posunuje po úsečce u (Obr.18b). Z toho plyne malá dráha nástroje H pro rovnoměrné obroušení celé plochy zubu. Brousící kotouč koná přímočarý vratný pohyb ve směru osy broušeného kola. Odvalovací pohyb v obou smyslech vzniká otáčením broušeného kola kolem jeho osy, při současném posuvu ve směru osy brousícího kotouče. Brousí se postupně od paty k hlavě zubu bok po boku, dělící pohyby vykonává obráběné ozubené kolo. (Humár, 2004; Technická univerzita v Košiciach, 2007)
Obr. 18 Princip broušení ozubení na odvalovacích bruskách typu Niles (Technická univerzita v Košiciach, 2007)
Obr. 19Broušení kol se šikmými zuby systémem Niles (Bondy s.r.o., 1999)
28
4.4 Dokončování ozubení na 5-ti osých CNC frézách Tato metoda zahrnuje výrobu a dokončovací metodu. O masovější rozšíření této metody se snaží firma DMG (Deckel Maho Gildemaister). Jako první z výrobců ozubení dotáhli technologii do samého konce. Praktickými testy určili potřebný stupeň výbavy strojů a vyvinuli kompletní software od výroby až po dokončení ozubení. Prakticky se předvádí ozubení Klingelbberk a čelní ozubení s rovnými a šikmými zuby.
Obr. 20 Hrubování Milling-Technology)
a
jemné
frézování
zubu
Klingelnberk
(DMG
Czech.
4.4.1 Výhody této metody
Malá zastavovací plocha: CNC fréza zabírá málo desítek metrů čtverečních. Na stroji lze ozubení jak hrubovat, tak i dokončovat. Naproti tomu klasická výroba Klingelnberk mnoho strojů na frézování, zvláštní stroj na broušení ozubení, brusku nožů frézovacích hlav atd, a to vše na minimální ploše 150 m2.
Laciné nástroje: Metoda používá stopkové frézy malých rozměrů. Ceny těchto fréz se pohybují v řádu desítek někdy stovek EUR. Nejlevnější frézovací hlavy Klingelnberk o proti tomu stojí od 3000 EUR a výše.
29
Přesně definována geometrie zubu: O proti odvalovacím metodám je profil zubu popsán programem, například včetně patního rádiusu, podélných a přímých modifikací apod.
Možnost dokončení po tepelném zpracování: Dokončení po tepelném zpracování lze provádět u ozubení, které se po tepelném zpracování již nebrousí (Oerlikon; kuželová kola s přímými zuby). Při dokončování čelního ozubení může být technologie přínosem. Především u větších rozměrů, na které nejsou často brusky dimenzovány. Produktivitou se bruskám nemůže rovnat, ale rozsahem svých parametrů je však předčí. CNC frézka pojme bez problémů kolo o průměru 1 metr o libovolném modulu.
Obr. 21 Pastorek těžky 650kg (DMG Czech. Milling-Technology)
Jakost a přesnost povrch: Lze dosáhnout touto metodou velmi vysoké třídy přesnosti a jakosti povrchu. Kola velkých modulů mohou dosahovat stupně přesnosti IT 4 a drsnosti na zubu Ra 0,55. Těchto parametrů by bylo těžké dosáhnout i broušením.
Obr. 22 Hrubování kuželového kola (DMG Czech. Milling-Technology) 30
Univerzálnost: I když výroba ozubení se děje na strojích k tomu přímo určených, stále zůstávají svou podstatou 5-ti osými frézovacími centry, na kterých lze provádět veškeré frézařské práce, u dražších modelů i práce soustružnické.
Obr. 23 Detail vyhrubovaného zubu (DMG Czech. Milling-Technology)
4.4.2 Nevýhody této metody
Limit rozměrů: Bezproblémové obrobení je až do modulu 5 výše. U kuželového kola s modulem 1, je nemyslitelné, aby byly jeho zuby obrobeny frézou, až třeba jen o průměru 2 mm - nástroj nedosáhne patu, především v oblasti malého hlavového průměru.
Malá produktivita: Tato metoda nemůže svou rychlostí soupeřit s jednoúčelovými stroji pro obrábění a dokončení ozubení. Kolo s ozubením Klingelnberk trvá na klasickém stroji ozubit a dokončit maximálně desítky minut. Při 5-ti osém frézování až 5 hodin. Metoda není moc vhodná pro sériovou výrobu. Příprava je velmi rychlá - software je maximálně komfortní a do cca 60 minut může být napsán program, obrobek upnut, zaměřen a zahájena výroba. Oproti tomu trvá příprava linky na Oerlikon či Klingelnberk podstatně déle (broušení nožů, sestavení hlav, seřízení strojů, zkušební páry), rozdíl se ale maže již po několika vyrobených kusech. Metoda 5-ti osého frézování je tedy vhodná pro kusovou výrobu.
31
Speciální výbava strojů: Stroje musí splňovat nadstandardní podmínky. Stroje na ozubení jsou vyráběny ve zvýšené přesnosti - selekcí těchto nejpřesnějších dílců při montáži. Dalším z požadavků konstrukce byla klimatizovaná místnost, kde stoj bude osazen. Od toho se upustilo kvůli obtížnému uvádění do praxe a optimální tepelné podmínky se dosáhly chlazením řezné emulze.
VYUŽITI OZUBENÝCH KOL V TECHNICKÉ PRAXI
5
Využití ozubených kol v technické praxi má velké zastoupení. Ozubená kola se používají ve strojírenství pro plynulý chod obráběcích strojů. Ale především se ozubená kola využívají v mechanickém převodovém ústrojí mobilních energetických prostředků. Pod pojmem převodová ústrojí se rozumí všechna ústrojí spojující spalovací motor s koly hnacích náprav. Dále převodové ústrojí uskutečňují přenos točivého momentu nebo jeho přerušení, změnu velikosti nebo smyslu. Převodová ústrojí jsou vzájemně spojována do společných celků, které mohou být součástí samostatné konstrukce. Mechanické převody zůstávají stále nejrozšířenějším způsobem přenosu výkonu motoru. Tyto převody se používají pro svoji vysokou účinnost, provozní spolehlivost a přijatelnou cenu. (Bauer, 2006; Jan, Ždánský Automobily 2, 2004)
5.1
Převody ozubenými koly
Ozubený převod přenáší otáčivý pohyb jednoho hřídele na druhý se stálým převodovým poměrem. Používá se pro převody s malou osovou vzdáleností hřídelů. Dvě spolu zabírající kola tvoří soukolí. Kolo s malým počtem zubů se nazývá pastorek. Podle tvaru křivek tvořící profil zubu rozeznáváme několik druhů ozubení - evolventní a cykloidní. Ozubení ve tvaru evolventy je výrobně jednodušší a používá se pro větší síly. Ozubení ve taru Cykloidy se používá pro přenos malých sil. (Jan, Ždánsk Automobily 2, 2004; www.strojirenstvi-mechanika.blogspot.cz)
32
Převody ozubenými koly rozdělujeme na :
1) dle tvaru bočních křivek zubů
čelní s přímými zuby
se šikmými zuby
se šípovými zuby
kruhové zuby
šroubové zuby
2) dle relativního pohybu soukolí
valivá soukolí - čelní, kuželová
šroubová soukolí - šneková, šroubová, hypoidní
3) dle vzájemné polohy os
osy rovnoběžné
osy různoběžné
osy mimoběžné
5.2 Druhy soukolí
5.2.1 Čelní soukolí s přímými zuby
Tato soukolí jsou nejčastěji používaná. Zpravidla zabírá jen jeden zub. Nevznikají zde axiální síly. Otáčení není rovnoměrné. Tato soukolí bývají hlučná. Spolu zabírající
33
kola mají tvar válcový. Zuby, které jsou umístěny na obvodu kola, jsou rovnoběžná s osou otáčení. (FSI VUT Brno: www.uk.fme.vutbr.cz , 2007)
Obr. 24 Čelní soukolí s přímými zuby (www.strojirenstvi-mechanika.blogspot.cz)
5.2.2 Čelní soukolí se šikmými zuby
Čelní kola s evolventními šikmými zuby mají ve skutečnosti zuby šroubovité. Šroubovité zakřivení zubů zlepšuje vlastnosti čelních kol. Zuby jsou skloněny pod úhlem 8 ° až 20 ° k ose hřídele. Zuby mohou mít pravé i levé stoupání. Od jednoho konce zubu ke druhému je chod plynulý. V záběru jsou dva až tři páry zubů, na které se rozloží zatížení. Ozubení může přenášet větší výkon. Tato soukolí mají tichý až bezhlučný chod. Nevýhodou je axiální síla, která působí nepříznivě na ložiska. (FSI VUT Brno: www.uk.fme.vutbr.cz , 2007)
Obr. 25 Čelní ozubení se šikmými zuby (FSI VUT Brno: www.uk.fme.vutbr.cz , 2007)
34
5.2.3 Kuželová soukolí s přímými a šikmými zuby
Umožňují přenášet kroutící moment mezi dvěma různoběžnými hřídeli. Pohyb kol se děje odvalováním po roztečných kuželích. U přímých zubů se všechny povrchové přímky sbíhají ve vrcholu základního kužele. Úhel mezi osami kuželových kol bývá z praxe většinou 60 °, 90 ° a 120 °. O proti válcovým kolům je výroba a montáž složitější.
Obr. 26 Kuželové soukolí s přímými zuby (FSI VUT Brno: www.uk.fme.vutbr.cz , 2007)
5.2.4 Kuželová soukolí se zakřivenými zuby
Obr. 27 Kuželové soukolí se zakřivenými zuby (FSI VUT Brno: www.uk.fme.vutbr.cz , 2007) Odstraňují nedostatky kuželových kol s přímými zuby, jejichž používání v provozu je omezeno. Rotační pohyb soukolí je rovnoměrný, má klidný chod a delší trvání 35
záběru. Tato soukolí mají lepší kluzné vlastnosti. V provozu se obrací měrný skluz v celé šířce ozubení na valovém kuželu, kde je čisté odvalování a měrný skluz roven nule. Namáhaní je oproti kuželovým kolům s přímými zuby menši, protože dochází na jednom konci k dotyku paty zubu a díky postupnému otáčeni se záběr přenáší diagonálně (úhlopříčně) po boku zubu k hlavě druhého konce zubu. (FSI VUT Brno: www.uk.fme.vutbr.cz , 2007; www.strojirenstvi-mechanika.blogspot.cz )
5.2.5 Šneková soukolí (globoidní)
U šnekového soukolí jsou osy mezi dvěma spolu zabírajícími hřídeli mimoběžné. Hnacím kolem je šnek, který má počet zubů 1 až 10. Hnané kolo je šnekové. Tímto soukolím lze přenášet velké výkony. Výhodou soukolí je tichý chod důsledkem většího počtu zubů v záběru a možnost dosažení samosvornosti. Nevýhodou jsou axiální síly, složitá a drahá výroba, nutné mazání a chlazení. Druhy šnekových soukolí:
šnek válcový a šnekové kolo válcové (dohází k obvodovému dotyku, přenáší malé výkony)
šnek válcový a šnekové kolo globoidní (nejčastější provedení, pro přenos středních výkonů)
šnek globoidní a šnekové kolo globoidní ( podmínky odvalování záběru jsou nejvhodnější)
Obr. 28 Šnekové soukolí (FSI VUT Brno: www.uk.fme.vutbr.cz , 2007)
36
6
6.1
EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST
Pittingové poškození ozubených kol Degradační proces boků ozubených kol patří mezi jeden ze základních problémů
převodu ozubeným kolem. Fragmentaci materiálu lze pozorovat u všech druhů ozubení. Příčinou je cyklické zatížení v místě dotyku boků zubů i smykové napětí vyvolané v důsledku odvalování jednotlivých zubů.
Experimentální část bakalářská práce je zaměřena na monitorování vzniku trhlin zubů s evolventním ozubením. Pro zkoumání bylo zvoleno ozubené kolo s čelním přímým ozubením. Výřez zubů je znázorněn na (Obr. 29).
Obr. 29 Výřez zubů z poškozeného ozubeného kola
6.1.1 Makroskopické pozorování
Identifikace oblasti opotřebení je základním prvkem makroskopického pozorování ve světelné metalografii. K tomuto účelu lze použít světelné mikroskopy bez vlastního 37
zdroje světla se zvětšením max. 48x. Nevýhodou tohoto pozorování je ovšem hloubka ostrosti jednotlivých opotřebených rovin.
parametry ozubeného kola:
materiál- ocel 12061 (ČSN 41 2061)
profil zubu- evolventní křivka
počet zubů- 9
modul-2
Tepelné zpracování ozubeného kola bylo provedeno dle charakteru základního materiálu. Jedná se o kalení a popouštění na sorbitickou strukturu.
Metalografické pozorování bylo provedeno na binokulárním mikroskopu Meopta s kombinací digitálního fotoaparátu Olympus 50-60. Na podélném řezu jednotlivých zubů byla změřena jejich přesná délka. Jednotlivé zuby byly očíslovány v pořadí směru otáček ozubeného kola. Hlavním parametrem ovšem bylo vyhodnocení skutečné hloubky záběru jednotlivých zubů viz (Obr. 30).
Obr. 30 Profil zubu poškozený pitingem
38
Na podélném řezu byla změřena skutečná hodnota profilu zubu. Jak je patrné z (Obr. 30), délka celého profilu zubu je 3,9 mm. Výška zubu je 6 mm. Je rovněž zřejmé, že přenos kroutícího momentu ovšem nebyl přenášen profilem celého zubu, ale pouze jeho částí. Naměřené hodnoty délky záběru jsou uvedeny v (Tab. 2). Tab. 2 Hodnota skutečného záběru ozubeného kola Měření č.1
Měření č.2
Měření č.3
Měření č.4
Měření č.5
Průměr
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
[mm]
Zub č. 2
2,65
2,71
2,78
2,62
2,68
2,68
Zub č.6
2,73
2,88
2,79
2,64
2,81
2,77
Zub č. 9
2,67
2,78
2,77
2,85
2,63
2,74
Nadměrné opotřebení profilu zubu může být rovněž způsobeno jeho nevhodným uložením, a tím přetěžováním pouze části zubu. Jak je patrné z naměřených hodnot, profil zubu je opotřebován pouze ve 2/3 své délky.
6.1.2 Profil boku zubů poškozených pittingem
Povrchová degradace fragmentovaného materiálu byla pozorována metalografický mikroskopem MTH- 2-T se zvětšením 100 . Jedná se o identifikaci ložisek již devastovaného a vytrhaného základního materiálu.
Obr. 31 Jamková degradace profilu zubu
39
Vytrhaný materiál je charakterizován na (Obr. 31). Jedná se o přechod mezi konvexní částí zubu směrem k patní kružnici zubu. Lze pozorovat jak masivní důlky, tak i vznik nových potenciálních ložisek poškození.
Obr. 32 Jamková degradace (tmavé pole) Mikrostruktura tmavého pole viz (Obr. 32) znázorňuje počátky mikrotrhlin působících jako iniciátor vzniku důlkového poškození. Značný vliv na rozvoj trhlin má i mazací médium, které je při záběru neustále vtlačováno do již vzniklých mikroskopických trhlin.
6.2 Příprava metalografického preparátu Metalografie patří mezi vědní disciplínu, bez které by se dnešní strojírenská výroba neobešla. Přípravu metalografického preparátu lze rozdělit na několik dílčích operací. V následujícím sledu bude popsána příprava jednoho ze zubů dle dané technologie.
6.2.1 Dělení materiálu:
V metalografické praxi je tato operace řazena mezi nejdůležitější. K dělení musí být vždy použita technologie, aby nebyla znehodnocena původní struktura dělených vzorků. 40
Nejčastěji je použito metalografických pil s dostatečným výkonem pro chlazení řezné plochy. Jedná se o speciální výrobky firem Struers, Leco MTH, Geco atd.
6.2.2 Lisování metalografického preparátu
Tato operace je zařazena u vzorků, které by nebylo možno vybrousit z důvodu jejich malé velikosti. Pro tuto operaci je nejrozšířenější dvousložková metylmetakrylátová licí pryskyřice (Dentacryl). Požadovaný vzorek je do této pryskyřice zalit a následně broušen.
6.2.3 Broušení
Jedná se o sled brusných cyklů, kdy základní zrnitost brusných papírů je 220 až 2 500. Uvedené hodnoty se pohybují v počtu zrn na čtverečný palec. Tato operace musí být prováděna pod tekoucí vodou, aby byla zachována čistota daného vzorku a brusné částice mohly být plynule odplavovány. Broušení je prováděno tzv. do kříže, aby byla zaručena kolmost vzorku. Jestliže dochází k výměně brusného papíru, musí být dodrženo správné vložení na hnací kotouč celé soustavy, jelikož by mohlo dojít k podbroušení celého vzorku.
6.2.4 Leštění
Tato fáze přípravy metalografických vzorků patří již do finálních úprav. Odstraňují se poslední zbytky stop po broušení a povrch musí vykazovat známky zrcadlového lesku. Rýhy, které jsou způsobeny brusnými zrny, musí být odstraněny. Tato technologie se provádí pomocí diamantové pasty o zrnitosti 1 µm. Tato pasta může být použita buď v kombinaci s emulzí OPS, kdy je daný preparát vlhčen vodou anebo muže být aplikována na speciální leštící plátno, které je vlhčeno etanolem.
41
6.2.5 Mikroskopické pozorování
Pro světelnou mikroskopii se používají metalografické mikroskopy do max. zvětšení 2 000x. Tento limit je dán vlnovou délkou světla, která prochází objektivem daného mikroskopu. Vyleštěný metalografický preparát připravený na identifikaci podpovrchových trhlin je znázorněn na (Obr. 33).
Obr. 33 Metalografický preparát zubu v příčném řezu
6.3 Analýza vzniku mikrotrhlin
Pro tuto analýzu byly použity tři zuby (metalografické preparáty) z ozubeného kola (celkem 9 zubů). Toto množství metalografických preparátu je naprosto dostatečné, jelikož se jedná pouze o hodnocení vzniku ložiska s rozvojem jamkového poškození.
42
Vznik nitkové trhliny uvnitř materiálu je znázorněn na (Obr. 34).
Obr. 34 Šíření mikrotrhlin ze sirníkových vměstků
Obr. 35 Trhliny na patě zubu Z metalografického výbrusu je patrné šíření trhlin od hrany zubu do jeho vnitřní části. Výrazným elementem je vtlačování mazacího tuku či oleje do již vzniklé trhliny.
43
Obr. 36 Trhliny na boku zubu Metodika pitingového poškození spočívá i v šíření mikrotrhliny v základním materiálu (ze sirníku nebo vměstku) směrem k hraně zubu. Navzájem pak dochází ke spojení obou trhlin viz (Obr. 36). Měření trhlin bylo provedeno na evolventě jednotlivých zubů. Křivka byla rozdělena na hlavovou, boční a patní část viz (Tab. 3). V těchto částech bylo provedeno měření délkových rozměrů pomocí metalografického programu DP-soft. Tab. 3 Délky trhlin v částech zubů
Zub č. 1
Zub č. 3
Zub č.9
Měření
Měření
Měření
Měření
Měření
Průměr
č.1[µm]
č.2[µm]
č.3[µm]
č.4[µm]
č.5[µm]
[µm]
Hlava
–
–
–
–
–
–
Bok
189
245
261
238
277
242
Pata
144
123
187
127
164
149
Hlava
–
–
–
–
–
–
Bok
210
277
264
289
231
254
Pata
131
185
143
165
177
160
Hlava
–
–
–
–
–
–
Bok
267
285
288
219
249
262
Pata
155
158
145
182
179
164
44
Délky trhlin v částech zubu 300 Délka trhliny [µm]
250 200 Bok
150
Pata
100 50 0 Zub č. 1
Zub č. 3
Zub č. 9
Obr. 37 Grafické znázornění délky trhliny v částech zubu
6.4 Diskuse Stykové plochy ozubených kol podléhají degradačním procesům v podobě pittingového poškození. Jedná se o nevratný proces degradace materiálu, který posléze vede k celkové destrukci ozubeného kola.
Experimentální část bakalářské práce je zaměřena na monitoring i vznik mikrotrhlin v profilu boku zubu. K analýze bylo použito ozubené kolo s přímým ozubením, jehož opotřebení již přesáhlo tolerovanou mez (viditelné důlky). Na této strojní součásti byl proveden metalografický rozbor. Jednalo se o makroskopické pozorování jamkových útvarů na profilu boku zubu i analýza vzniku mikrotrhlin pod povrchem základního materiálu.
Dle metalografického rozboru je zřejmé, že počátky únavového poškození boků zubů na povrchu i pod povrchem materiálu vznikají při vzájemném valivě kluzném pohybu. Nejvíce zatěžovanou částí je tedy bok zubu, ve své středové části viz. (Tab. 3). 45
V tomto místě dochází k tzv. bodovému kontaktu dvou těles, kde nastává vysokocyklické únavové pnutí. Odezvou jsou mikrotrhliny, které při delším zatěžovacím cyklu prorůstají hlouběji do materiálu. Na tento aspekt ovšem navazuje i zatěžování vnitřní mikrostruktury, která je následně deformovaná. V případě, že se v základním materiálu vyskytují nehomogenity či sirníkové vměstky viz (Obr. 34), dochází ke vzniku mikrotrhlin i v základním materiálu. Důsledkem je propojení obou ložisek kumulovaného napětí a vznik celkové trhliny.
Dalším fakrotem rozvoje degradace je i mazací médium v dané soustavě. Při každém záběru nastává vtlačování (oleje, mazacího tuku) do již vytvořených trhlin. V tomto případě dochází k neustálému rozvoji podpovrchových mikrotrhlin (spalling), které vedou k vytrhávání povrchového materiálu a vzniku jamkové degradace.
46
7
ZÁVĚR Bakalářskou práci lze rozdělit na teoretickou a experimentální část. V teoretické
části jsou popsány technologické postupy při výrobě ozubených kol, použití ozubených kol v technické praxi a dokončovací metody ozubení ozubených kol. V experimentální části je popsána problematika pittingového poškození ozubených kol.
V teoretické části této práce je popsáno rozdělení dokončovacích metod. Dokončovací metody jsou nedílnou součástí výroby ozubených kol a slouží ke zvětšení přesnosti, zlepšení účinnosti a zmírnění hluku. V bakalářské práci jsou popsány tyto metody: ševingování, honování a broušení. Broušení se dále dělí na broušení dělícím způsobem tvarovými kotouči, broušení dělícím způsobem s odvalem boku zubu. V bakalářské práci je také popsané dokončování ozubení na 5-ti osých frézkách.
Ševingování ozubených kol se provádí u nekalených kol s tvrdostí menší než 36 HRC. Hlavní využití ševingování je sériové nebo hromadné výrobě ozubených kol. Ševingováním se zvyšuje přesnost evolventy.
Broušení ozubených kol je zvlášť nutné, je-li přídavek po předchozím obrábění větší než 0,12 mm. Při zvolení správných pracovních podmínek se broušením dosahuje největších přesností. Dělící způsob je méně přesný. Nepřesnost je způsobena nerovnoměrným opotřebením brusného kotouče. Rovněž je tento způsob plně závislý na přesnosti dělícího zařízení. Odvalovací způsob broušení ozubených kol je v dnešní době nejrozšířenější dokončovací metodou ozubených kol. Používá se v hromadné a sériové výrobě.
Experimentální část je zaměřena na degradační proces boků zubů ozubených kol, který patří mezi nejčastější problémy u převodů ozubeným kolem. Při tomto poškození vzniká smykové napětí vyvolané v důsledku odvalovaní jednotlivých zubů. Pro měření a zkoumaní bylo použito kolo s přímým čelním a evolventním ozubením. Po metalografickém rozboru bylo zjištěno, že únavové poškození boků zubů vzniká při vzájemném kluzném pohybu. Nejvíce zatíženou je středová část boku zubu kde v tomto 47
místě dochází ke kontaktu a nastává vysokocyklické únavové pnutí. Díky tomuto pnutí vznikají mikrotrhliny, které se dále šíří a postupem dochází k celkové destrukci ozubeného kola. Pitting můžeme eliminovat tepelným zpracováním (cementace, nitridace aspoň 0,5 mm), nepřetěžováním převodovek, vhodným uložením ozubených kol.
48
8
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY
BAUER, František, Pavel SEDLÁK a Tomáš ŠMERDA. Traktory. 1. vyd. Praha: Profi Press, 2006, 192 s. ISBN 80-867-2615-0.
Bondy s.r.o. Kusová a malosériová výroba ozubených a šnekových převodů, 1999. Dostupný z WWW:
.
DMG Czech. Milling-Technology Dostupný z WWW:
. Fässler. Výrobce ozubárenské techniky. c2005. Dostupný z WWW: .
HUMÁR, Anton. TECHNOLOGIE I: TECHNOLOGIE OBRÁBĚNÍ – 1. část s.138.: Vysoké učení technické v Brně, fakulta strojního inženýrství, 2003. Dostupné z WWW: . HUMÁR, Anton. TECHNOLOGIE I: TECHNOLOGIE OBRÁBĚNÍ – 2. část s.95. Vysoké učení technické v Brně, fakulta strojního inženýrství, 2004. Dostupné z WWW: . JAN, Zdeněk a Bronislav ŽDÁNSKÝ. Automobily. 3. vyd. Brno: Avid, 2004, 129 s. ISBN 80-239-6478-X
Koudelka-zastoupení. Dostupný z WWW: . LIEBHERR. Gear Cutting Technology : Practice handbook. 2008. 230 s. MORAVEC, Vladimír. Konstrukce strojů a zařízení II: čelní ozubená kola, teorie, výpočet, výroba, kontrola. Ostrava: Montanex, 2001, 291 s. ISBN 80-722-5051-5.
MRKVICA, Ivan. Speciální technologie: výroba ozubených kol I. 1. vyd. Ostrava: VŠB - Technická univerzita Ostrava, 2009, 92 s. ISBN 978-80-248-1931-0. 49
Převody ozubenými koly, přednáška 1. Ustav konstruováni FSI VUT Brno, 2007. Dostupné na: < http://www.uk.fme.vutbr.cz >. Samputensili. Výrobce ozubárenské techniky. c2006. .
Dostupný
z
WWW:
TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH STROJNÍCKA FAKULTA KATEDRA VÝROBNEJ TECHNIKY A ROBOTIKY. STROJE NA VÝROBU OZUBENIA : Študijný materiál.: [s.n.], 2007. 37 s. Dostupný z WWW: <www.sjf.tuke.sk/kvtar/1/files/15_Stroje_na_Vyrobu_Ozubenia.pdf>. ŠČERBEJOVÁ, M. Strojírenská technologie. Brno: Vysoká škola zemědělská v Brně, 1993. 132 s. ISBN 80-7157-083-4.
VLACH, Bohumil. Technologie obrábění a montáží. Vyd. 1. Praha: SNTL, 1990, 464 s. ISBN 80-030-0143-9.
http://strojirenstvi-mechanika.blogspot.cz/2010/11/16-prevody-ozubenymi-koly.html
50
9
SEZNAM OBRÁZKŮ
Obr. 1 Vytvoření evolventní křivky (Bondy s.r.o. Kusová výroba a malosériová výroba ozubených a šnekových převodů, 1999) ............................................................................ 8 Obr. 2 Modulové frézy: a) kotoučová, b) čepová (stopková) (Humár, 2004)................. 12 Obr. 3 Frézování čelního ozubení dělícím způsobem kotoučovou frézou a) přímé zuby, b) šikmé zuby (Humár, 2004) .......................................................................................... 12 Obr. 4 Frézování čelního ozubeného kola se šikmými zuby kotoučovou modulovou frézou (Humár, 2004) ..................................................................................................... 13 Obr. 5 Nástroje na výrobu ozubení: 1 - frézy Klingelnberg, 2 - obrážecí nože Fellows, 3 - ševingovací kolo, ostatní nástroje - odvalovací frézy (Humár, 2004) ....................... 14 Obr. 6 Kinematika pohybů při odvalovacím frézování čelního ozubení (Humár, 2004) 15 Obr. 7 Princip vytvoření evolventy při odvalovacím frézování (Humár, 2004) ............. 15 Obr. 8 Vyklonění vřeteníku při odvalovacím frézování ozubených kol (Humár, 2004) . 17 Obr. 9 Kuželová ozubená kola se zakřivenými zuby (Humár, 2004) .............................. 18 Obr. 10 Frézování ozubení kuželového kola kotoučovou tvarovou frézou (Humár, 2004) ........................................................................................................................................ 19 Obr. 11 Frézování ozubení kuželových kol se zakřivenými zuby způsobem Oerlikon 1 - obráběné kolo, 2 - unášecí deska, 3 - pomyslné kolo, 4 - nožová hlava (Humár, 2004) ................................................................................................................ 20 Obr. 12 Ševingovací kola (Humár, 2004) ....................................................................... 22 Obr. 13 Princip podélného ševingování (Humár, 2004) ................................................ 23 Obr. 14 Nástroj na honování ozubených kol (Fässler. Výrobce ozubárenské techniky, 2005) ............................................................................................................................... 24 Obr. 15 Broušení čelních ozubených kol dělícím způsobem: a) dvakotouče s profilem ve tvaru boku zubu, b) jeden kotouč s profilem ve tvaru zubové mezery (Humár, 2004) ... 25 Obr. 16 Broušení čelního ozubení s odvalem boku zubu a) broušení Maag pomocí kotoučů skloněných pod úhlem záběru, b) broušení Maag kolmo postavenými kotouči, c) broušení Niles, 1-obrobek, 2-brousící kotouč, 3-příčný suport, 4-podélný suport, 5- odvalovací kotouč, 6-ocelový pás, 7-stojan odvalovacího zařízení (Humár, 2004) .. 26 Obr. 17 Broušení Maag pomocí skloněných kotoučů a) hranou kotouče, b) plochou kotouče (Humár, 2004) ................................................................................................... 27 Obr. 18 Princip broušení ozubení na odvalovacích bruskách typu Niles (Technická univerzita v Košiciach, 2007) ......................................................................................... 28 Obr. 19Broušení kol se šikmými zuby systémem Niles (Bondy s.r.o., 1999) .................. 28 Obr. 20 Hrubování a jemné frézování zubu Klingelnberk (DMG Czech. Milling-Technology) ....................................................................................................... 29 Obr. 21 Pastorek těžky 650kg (DMG Czech. Milling-Technology) ................................ 30 Obr. 22 Hrubování kuželového kola (DMG Czech. Milling-Technology) ...................... 30 Obr. 23 Detail vyhrubovaného zubu (DMG Czech. Milling-Technology) ..................... 31 Obr. 24 Čelní soukolí s přímými zuby (www.strojirenstvi-mechanika.blogspot.cz) ....... 34 Obr. 25 Čelní ozubení se šikmými zuby (FSI VUT Brno: www.uk.fme.vutbr.cz , 2007) 34
51
Obr. 26 Kuželové soukolí s přímými zuby (FSI VUT Brno: www.uk.fme.vutbr.cz , 2007) ........................................................................................................................................ 35 Obr. 27 Kuželové soukolí se zakřivenými zuby (FSI VUT Brno: www.uk.fme.vutbr.cz , 2007) ............................................................................................................................... 35 Obr. 28 Šnekové soukolí (FSI VUT Brno: www.uk.fme.vutbr.cz , 2007) ........................ 36 Obr. 29 Výřez zubů z poškozeného ozubeného kola ....................................................... 37 Obr. 30 Profil zubu poškozený pitingem ......................................................................... 38 Obr. 31 Jamková degradace profilu zubu ...................................................................... 39 Obr. 32 Jamková degradace (tmavé pole) ...................................................................... 40 Obr. 33 Metalografický preparát zubu v příčném řezu .................................................. 42 Obr. 34 Šíření mikrotrhlin ze sirníkových vměstků......................................................... 43 Obr. 35 Trhliny na patě zubu .......................................................................................... 43 Obr. 36 Trhliny na boku zubu ......................................................................................... 44 Obr. 37 Grafické znázornění délky trhliny v částech zubu ............................................. 45
10 SEZNAM TABULEK Tab. 1 Rozložení počtu zubů pro osmičlennou sadu kotoučových fréz (Humár,2004) ... 12 Tab. 2 Hodnota skutečného záběru ozubeného kola....................................................... 39 Tab. 3 Délky trhlin v částech zubů .................................................................................. 44
52
