Введение. Исследования отечественных и зарубежных ученых показывают, что радиус профиля резьб оказывает существенное влияние на эксплуатационные характеристики шарико-винтовых передач (ШВП): нагрузочную способность, жесткость, плавность работы и долговечность и поэтому к точности профиля резьбы предъявляют высокие требования (допуск на радиус профиля канавки 0,007…0,015 мм в зависимости от типоразмера). Однако даже при выполнении этих требований, изменения размеров резьбовой поверхности в пределах поля допуска приводят к изменению нагрузочной способности передачи в 1,6 раза, ее жесткости в 1,4 раза и долговечности в 2,1 раза [1–6 и др.].
Постановка проблемы. Для обеспечения высокого качества функционирования передачи очень важно получить минимальное отклонение на всей длине винта таких параметров как момента холостого хода, изменения которого характеризуют плавность работы, и жесткости, от которой зависит точность перемещения и установки в требуемое положение рабочих органов станка. Поэтому особое внимание при изготовлении винтов и гаек уделяется обеспечению стабильности радиуса профиля резьбы. Как следует из технических требований, у винтов с шагом резьбы 10 мм изменения радиуса профиля не должны превышать 5 мкм, а у винтов с шагом резьбы 5мм – 2,5 мкм. При выполнении этого условия расчетные поле рассеивания нагрузочной способности, жесткости и долговечности передачи не превышает 20% от их нормальных значений.
Высокие требования к нагрузочной способности и долговечности передач обусловливают необходимость в использовании для изготовления винтов и гаек высококачественных материалов, имеющих высокую контактную прочность и выносливость, таких как стали 9ХС, 8ХФ, ШХ15, ХВГ и др. с упрочнением рабочих участков резьбы до твердости HRCэ 59..63. Приповерхностные дефекты, которые могут появиться в процессе обработки, приводят к ухудшению эксплуатационных свойств деталей и к дальнейшему ухудшению их долговечности [7-10 и др.]. Поэтому задачей технологического процесса является не только обеспечение точности и шероховатости резьбовой поверхности, но и сохранение качества металла поверхностного слоя, полученного при термоупрочнении.
Изложение основного материала. Резьбы винтов формируют в настоящее время следующими основными методами [11-17 и др.]: нарезание лезвийным инструментом; пластическим деформированием; шлифованием; электрохимическим шлифованием. Рассмотрим возможности этих методов с точки зрения обеспечения заданной точности и шероховатости поверхности резьбы.
Пластическое деформирование резьбы ходовых винтов качения осуществляется способом поперечно-винтовой прокатки [17-20 и др.], которая позволяет получать резьбы с точностью шага до 2 – 3 мкм, с точностью профиля, соответствующей точности профиля калибрующих витков накатных валков, и шероховатостью поверхности до Ra=0,32 – 0,63 мкм, и является более чем в 10 раз производительнее других методов формирования резьбы. Однако М.И. Писаревским показано, что область использования этого метода ограничивается твердостью металла заготовки HRC≤ 36…39 [17]. Поэтому способ поперечно-винтовой прокатки при изготовлении ходовых винтов качения применяется только при предварительном формировании резьбы до термоупрочнения заготовок.
Обработка резьбы лезвийным инструментом является наиболее распространенным и изученным методом образования резьбы. Он является в настоящее время основным при изготовлении винтов из незакаленных сталей и позволяет при высоком качестве заточки резца получить требуемое для ходовых винтов качения точность профиля и шероховатость поверхности резьбы [2, 3, 9, 18 и др.]. Однако, как установлено в работе Э.Н. Гулиды [21], при обработке резьбы незакаленных винтов твердосплавными резцами в течение 90…120 мин. износ по задней поверхности составляет 0,2…0,6 мм, что соответствует размерному износу резцов 0,05…0,16 мм. Так как изменения радиуса профиля резьбы на длине не должны превышать 5 мкм у винтов с шагом резьбы 10 мм, то стойкость резцов составляет всего 3…9 мин. При обработке среднего винта (~20 м резьбовой поверхности) инструмент необходимо менять после нескольких рабочих ходов.
С увеличением твердости обрабатываемого материала стойкость режущего инструмента уменьшается. Это объясняется более высокой истирающей способностью закаленных сталей [22] и приводит к увеличению износа резца. Исследованиями А.Д. Макарова [23] при обработке стали ХВГ установлено, что с увеличением твердости металла от HRC25 до HRC65 износ резца увеличивается более чем в 16 раз. Это приводит к тому, что размерная стойкость резца при обработке резьбы ходовых винтов качения составляет менее одной минуты. Кроме того, обработка лезвийным инструментом не позволяет получить требуемую точность профиля и шероховатость поверхности резьбы винтов, т.к. в процессе резания наблюдаются значительные упругие и пластические деформации металла поверхностного слоя. А.Д. Макаровым установлена зависимость величины упругого восстановления поверхности резания ty при обработке стали ХВГ от её твердости: ty=0.134(HRC)1.1 мкм. Отсюда следует, что при увеличении твердости металла с HRC=25 до HRC=60 величина упругого восстановления металла увеличивается от 4,6 до 12,1 мкм. Так как величина упруго-пластических деформаций зависит от радиуса округления режущей кромки [7, 22], который по профилю резца неравномерен, то получить требуемую точность профиля и шероховатость поверхности резьбы практически невозможно. Работы [24-26 и др.], посвященные исследованию возможностей использования лезвийной обработки для прорезки резьбы в закаленных заготовках, показали, что ее целесообразно применять лишь на предварительных операциях взамен шлифования однониточными кругами.
Промышленный опыт и многочисленные исследования [25-29 и др.] показывают, что требуемые точность и шероховатость поверхности резьбы закаленных винтов качения в настоящее время обеспечиваются способами абразивной обработки. На финишных операциях формирования резьбы с шероховатостью поверхности Ra≤0.63 мкм применяется шлифование – наиболее производительный способ абразивной обработки. При более высоких требованиях к шероховатости поверхности после финишного шлифования вводится операция микродоводки, которая, не меняя формы профиля резьбы, позволяет уменьшить микронеровностей до Rа=0,16…0,32 мкм.
Шлифование, благодаря малым радиусам закругления вершин абразивных зерен, наличию на них острых граней микровыступов, позволяет резко уменьшить величину упругопластических деформаций поверхностного слоя заготовки по сравнению с лезвийной обработкой. В результате профиль обработанной поверхности соответствует производящей поверхности абразивного круга. Шлифование резьбы ходовых винтов осуществляется одно- и многониточными кругами. Обработка однониточными кругами [30, 31], благодаря малым тепловым и силовым воздействиям на заготовку, позволяет получить высокую точность и качество поверхности резьбы. Однако этот способ формирования резьбы характеризуется низкой производительностью, быстрым износом кругов, увеличенными затратами времени на их правку, замену и балансировку, приходящимися на одну заготовку. В работах [16, 31-33 и др.] повышение производительности шлифования резьбы предлагается осуществлять за счет увеличения числа ниток круга. При этом производительность по сравнению с однониточным шлифованием увеличивается пропорционально числу ниток круга, а число правок и время на замену изношенного круга, приходящихся на одну деталь, уменьшается. Основным недостатком процесса обработки резьбы винтов многониточными кругами является низкая точность шага резьбы из-за больших тепловых деформаций винтов [34, 35]. Поэтому шлифование многониточными кругами используется на предварительных операциях, а однониточными – при окончательном формировании резьбы ходовых винтов. Следует отметить важное достоинство обработки профильных поверхностей шлифованием по сравнению с другими методами – это быстрое восстановление потерянной точности профиля круга путем его правки. Современные резьбошлифовальные станки позволяют осуществлять правку круга во время холостых ходов, в результате чего уменьшается трудоемкость изготовления винта.
Шлифование резьбы ходовых винтов имеет особенности, обусловленные большой длиной резьбовой канавки, от которых зависят точность и качество резьбовой поверхности. В процессе обработки в результате трения, силовых и тепловых воздействий абразивные зерна изнашиваются, приводя к изменению размера обрабатываемой заготовки. Исследованию износа абразивных кругов посвящены работы Маслова Е.Н., Лурье Г.Б., Филимонова Л.Н. и других ученых [36-39 и др.]. Результаты этих исследований показывают четкую связь износа круга от интенсивности съема металла и позволяют определить режимы шлифования, обеспечивающие требуемую точность профиля круга. По данным Г.Б. Лурье [37] при шлифовании конструкционных сталей кругами из электрокорунда удельный износ кругов равен 0,01…0,04 мм3/ мм3. Л.Н. Филимоновым [38] при чистовом шлифовании закаленных сталей кругами 24А зернистостью F54…F90/80 и твердостью K…O установлено, что удельный износ составляет 0,015…0,04 мм3/ мм3. Используя эти данные и приняв допускаемый размерный износ круга равным 5 мкм, получим, что обработку резьбы «среднего» винта (~20 м пути шлифования) необходимо производить при глубине резания менее 0,01 мм. Это значение допускаемой глубины резания совпадает с рекомендуемым на последнем переходе операции финишного шлифования в производстве ходовых винтов качения [9, 13, 23]. В то же время глубина резания при бесприжоговом шлифовании резьбы ходовых винтов качения составляет 0,11…0,12 мм [40-43]. Следовательно, для обеспечения необходимой точности профиля резьбы приходится снижать производительность обработки более чем в 10 раз.
В работах [32, 44, 45] в качестве перспективного метода формирования резьбы в сплавах повышенной твердости (более HRC45) предлагается электрохимическое шлифование. Стойкость круга при использовании этого метода увеличивается в 2…10 раз [46] (по данным работы [25] − в 8…12 раз), т.к. в результате микрорезания удаляется лишь 10…15% всего количества металла, а остальная часть – за счет электрохимического растворения [25, 36]. Поэтому получение требуемой точности профиля резьбы в этом случае облегчается. Кроме того, исключается возможность появления шлифовочных прижогов и трещин на поверхности детали. Однако сведения о применении электрохимического шлифования при изготовлении ходовых винтов, оборудовании и инструменте, а также рекомендации по введению процесса практически отсутствуют.
Заключение. Выполненный анализ методов формирования резьбы для шарико-винтовых передач показывает, что высокопроизводительные способы лезвийной обработки и пластического деформирования позволяют обеспечить требуемую точность и шероховатость поверхности резьбы только на деталях из незакаленных сталей. Основным методом, обеспечивающим необходимую точность профиля и качества поверхности резьбы на закаленных деталях, является шлифование. При использовании этого метода, достижение требуемой точности профиля и качества поверхности резьбы реализуется с учетом интенсивности съема металла, допустимой из условия бездефектного шлифования (интенсивность съема металла снижается более чем в 10 раз).
Для повышения производительности процесса шлифования при условии обеспечения точности формирования резьбовой поверхности ходового винта шарико-винтовых передач, необходимо выполнить оценку влияния технологических факторов на производительность процесса.
