Зубчатые колеса из улучшаемых сталей

Зубчатые колеса из улучшаемых сталей.

Зубчатые колеса изготовляют  из улучшаемых сталей, например 45, 40Х, 40ХН и др., а также из стали 55ПП пониженной прокаливаемости. В зависимости  от условий работы зубчатые колеса подвергают различной термической  обработке: нормализации, улучшению, закалке  и низкому отпуску, цианированию (нитроцементации) с последующей  закалкой и отпуском.

Зубчатые колеса, работающие при низких скоростях и малых  давлениях, изготовляют из стали 45 и  подвергают нормализации при 850 - 870В° С (твердость НВ 170 - 217) или улучшению - закалке в воде от 820 - 840В° С и  отпуску при 520 -550В° С (НВ 220 - 250). Зубчатые колеса, работающие при значительных изгибающих нагрузках и небольших  скоростях, изготовляют из легированных среднеуглеродистых сталей и подвергают улучшению - закалке в масле и  отпуску при 600 - 650В° С (НВ 230 - 260). Зубчатые колеса, работающие при средних скоростях, средних давлениях н небольших  ударных нагрузках, изготовляют  из легированных среднеуглеродистых сталей.

Режимы термической обработки  зубчатых колес из этих сталей следующие:

 
а) закалка в масле и отпуск прн 180 - 200В° С (HRC 50 - 55);  
б) цианирование (нитроцементация) при 830 - 850В° С, закалка в масле и отпуск при 180 - 200В° С (HRC 55 - 60); толщина слоя должна быть в пределах 0,2 - 0,3 мм, для чего необходима выдержка 30 - 50 мин при цианировании и 1 - 2 ч при нитроцементации.

Большое распространение  в заводской практике получила поверхностная  закалка зубчатых колес при индукционном нагреве. Закалка в этом случае проводится двумя методами:

 
1) со сквозным нагревом зубьев;  
2) с нагревом только контактных поверхностей зуба (закалка <<по зубу>>) или с одновременным нагревом контактных поверхностей и впадины (закалка <<по впадине>>).

При закалке со сквозным нагревом зубьев зубчатых колес из сталей, например 45, 40Х, в индукторе нагреваются (до 850 - 870В° С), а затем охлаждаются (водяным  душем или погружением зубчатого  колеса в масло) сразу все зубья  зубчатого колеса. Зубья прокаливаются  насквозь. На некоторую глубину (до 5 мм) закаливается также и обод зубчатого  колеса. После закалки осуществляют низкий отпуск; твердость поверхности  зуба HRC 58 - 60, а сердцевины - HRC 45 - 55. Этот метод применяют при закалке  зубчатых колес, слабо нагруженных  и малого модуля (до 4 мм), так как  весь зуб имеет высокую твердость  и возможны его поломки в процессе эксплуатации. Зубчатые колеса с модулем  более 4 мм закаливать этим способом нецелесообразно. Методом закалки со сквозным нагревом зубьев можно упрочнять и тяжелонагруженные  зубчатые колеса (среднего модуля 4 - 10 мм), изготовленные из стали пониженной прокаливаемости. В этом случае применяют  объемно-поверхностную закалку (при  глубинном индукционном нагреве) - способ, разработанный проф. Шепеляковским  и применяемый на многих заводах.

 
Рис. 148. Закалочное устройство с подачей  охлаждающей воды параллельно закаливаемой поверхности в зазор между  индуктором и зубчатым колесом (охлаждение потоком воды)

При поверхностной закалке  с глубинным нагревом необходимым  является применение интенсивного охлаждения быстродвижущейся водой (потоком воды или душем). Для выполнения такого охлаждения применяют специальные  закалочные устройства, одно из которых  показано на рис. 148. Устройство предназначено  для закалки цилиндрического  зубчатого колеса с модулем 6 мм и  наружным диаметром 300 мм. Вода подается по трубопроводу 1 диаметром 150 мм; проходит по кольцевому пазу 2, который направляет ее в зазор между обрабатываемым зубчатым колесом 3 и индуктором 4. До включения закалочная вода находится  на уровне 5. Такая система охлаждения дает хорошие результаты при закалке  зубчатых колес модулем 6 - 10 мм. Режим  закалки зубчатых колес с модулем 6 мм следующий; частота тока 2650 Гц, общее  время нагрева 90 с, температура нагрева 850В° С, длительность охлаждения (закалка  с самоотпуском при 200 - 210В° С, что  эквивалентно отпуску в печи при 150 - 160В° С) 6,5 с, расход охлаждающей воды 100 л/с, производительность 30 деталей  в час.

 
Рис. 149. Макроструктура зубчатого колеса из стали пониженной прокаливаемости, закаленного при глубинном нагреве 

В результате такой закалки  получается слой высокой твердости (HRC 59 - 61) толщиной (у корня зуба) 1,9 мм, расположенный по контуру зубьев и впадин (рис. 149), обеспечивающий большую  износостойкость, контактную и усталостную  прочность зубьев. Сердцевина зуба имеет твердость HRC 30 - 35, что обеспечивает его высокую прочность. Зубчатые колеса из стали пониженной прокаливаемости, упрочненные объемно - поверхностной  закалкой (при глубинном индукционном нагреве), по статической, динамической и усталостной прочности зубьев превосходят такие же зубчатые колеса из хромомарганцетитановых, хромоникелевых и других сталей, подвергнутые цементации и закалке.

 
Рис. 150. Схемы закалки зубчатых колес:  
а <<по зубу>>;  
б - <<по впадине>>;  
1 - магнитопровод;  
2 - индуктирующий провод;  
3 - нагретый слой

Крупногабаритные зубчатые колеса закаливают методом <<по зубу>> (рис. 150, а) или <<по впадине>> (рис. 150, б). Недостаток метода закалки - <<по зубу>> - снижение усталостной прочности  зуба. Причина этого недостатка - концентрация напряжений на границе  закаленного слоя и поверхности  зуба. При закалке по впадине наиболее нагруженное место зубчатого  колеса закаливается, выход растягивающих  напряжений на поверхность вершины  зуба не опасен, так как это место  зуба не испытывает каких либо нагрузок. Для поверхностной закалки зубчатых колес применяют различные индукторы, позволяющие проводить закалку  методом <<по зубу>> или <<по впадине>> одновременным или непрерывно-последовательным способом.

 
Рис. 151. Установка для высокочастотной  закалки крупногабаритных зубчатых колес 

Поверхностная закалка зубчатых колес осуществляется на специальных  станках и установках. На рис. 151 показана установка для высокочастотной  закалки крупногабаритных зубчатых колес с модулем 10 - 50 мм, диаметром  начальной окружности 2000 - 5000 мм, числом зубьев 40 - 500, шириной венца до 1000 мм, массой до 15 000 кг. Установка состоит  из двух закалочных станков и механизированной тележки. Зубчатое колесо 1 устанавливают  на механизированную тележку 2 в механическом цехе и транспортируют на закалочный участок. Закалку проводят с противоположных  сторон, одновременно двумя закалочными  станками 3 и 4. По окончании закалки  всех зубьев закаленное зубчатое колесо вывозят на той же тележке. Применяя различные индукторы, можно проводить  закалку по впадине одновременным  способом (зубчатых колес с модулем 10 - 16 мм при длине зуба не свыше 200 мм) и непрерывно-последовательным способом (зубчатых колес с модулем 16 мм и выше).

 
Рис. 152. Схема закалки зубчатого  колеса <<по впадине>> при одновременном  нагреве 

При закалке <<по впадине>> одновременным способом индуктор 1 (рис. 152) вводят между зубьев с зазором  между индуктором и нагреваемой  поверхностью 2 - 2,5 мм. При этом нагреваются  впадина и обе соседние поверхности  по всей длине зуба. Спрейеры 2 подстуживания  непрерывно охлаждают наружные поверхности  нагреваемых зубьев во избежание  отпуска ранее закаленных поверхностей. По окончании нагрева, продолжающегося  несколько секунд, индуктор 1 выводят  из впадины, и после паузы (для  выравнивания температуры) из закалочных спрейеров 3 нагретая поверхность охлаждается  водой в течение времени, обеспечивающего  закалку с самоотпуском. По окончании  закалки зубчатое колесо 4 поворачивают на один зуб, индуктор вводят в очередную  впадину между зубьями и процесс  повторяют.

Иногда при закалке  крупномодульных зубчатых колес  на некоторых зубьях на стороне, противоположной  предшествующей закалке, из-за возникновения  тепловых и структурных напряжений появляются трещины. Чтобы избежать появления трещин, целесообразно  применять способ закалки <<по впадине  через зуб>>, заключающийся в  следующем. Сначала проводят первую индукционную закалку <<по впадине  через зуб>> (рис. 153). После первой закалки зубчатое колесо подвергают отпуску при 180 - 200В° С. После отпуска  закаливают необработанные стороны  зубьев, а затем вновь проводят низкий отпуск. При таком способе  трещины на поверхности зубьев не возникают.

 
Рис. 153. Схема закалки зубчатого  колеса <<по впадине через зуб>>

В качестве примера предложен  технологический процесс термообработки зубчатых колес коробки передач  в безмуфельном агрегате. Материал - сталь 25ХГМ (диаметр колеса 194 мм).

Нитроцементация.

Температура I зоны не выше 780 oС, II и III зон 840+/-10 градусов. Расход газа (м3/ч): эндогаз 25-30; городской газ 1,5-2,5; аммиак 0,8-1,2. Время пребывания в печи 5 ч 15 мин.

Закалка от температуры 830+10oС  в масле с температурой 180+10 градусов.

Контроль твердости (поверхность HRC60-65, сердцевина HRC35-45) и глубины  нитроцементованного слоя (0,5-0,7 мм).

Промывка в воде (45 мин).

Отпуск при 240+/-10 градусов, выдержка 2 ч 15 мин.

Дорновка шлицевого отверстия.

Упрочнение стальной дробью (30 мин).

Зачистка двух противоположных  зубьев для проверки твердости, 5% от партии.

Контроль:

 
а) внешний осмотр - выборочно;  
б) проверка твердости тарированным напильником - 100% (проверять вершины всех зубьев);  
в) проверка твердости па приборе ТК - 5% из числа принятых по напильнику - проверять вершины двух зубьев с противоположных сторон (HRC57 - 60);  
г) проверка шлицевого отверстия - выборочно.