Детали машин

Материалы и термообработка

Практикой эксплуатации и специальными исследованиями уста - новлецо, что нагрузка, допускаемая по контактной прочности зу­бьев, определяется в основном твердостью материала. Высокую твердость в сочетании с другими характеристиками, а следователь­но, малые габариты и массу передачи можно получить при изготов­лении зубчатых колес из сталей, подвергнутых термообработке. Сталь в настоящее время — основной материал для изготовления зубчатых колес и в особенности для зубчатых колес высоконаг - руженных передач. Стали, рекомендуемые для зубчатых колес, виды их термообработки и механические характеристики приведены в табл. 8.7.

В зависимости от твердости (или термообработки) стальные зубчатые колеса разделяют на две основные группы: твердостью #^350 НВ — зубчатые колеса, нормализованные или улучшенные; Твердостью Н> 350 НВ — с объемной закалкой, закалкой ТВЧ, цементацией, азотированием и др. Эти группы различны по тех­нологии, нагрузочной способности и способности к приработке.

Твердость материала 350 НВ позволяет производить чисто­вое нарезание зубьев после термообработки. При этом можно полу­чать высокую точность без применения дорогих отделочных опера­ций (шлифовки, притирки и т. п.). Колеса этой группы хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению при ди­намических нагрузках. Для лучшей приработки зубьев твердость шестерни рекомендуют назначать больше твердости колеса не ме­нее чем на 10... 15 единиц:

#,>#2 + (10...15)НВ. (8.54)

Технологические преимущества материала при Н<350 НВ обес­печили ему широкое распространение в условиях индивидуального и мелкосерийного производства, в мало - и средненагруженных пе­редачах, а также в передачах с большими колесами, термическая обработка которых затруднена.

Механические свойства (при поверхностной закалке <тв и <гт относятся к сердцевине)

Твердость Н**

Предел прочности <тв, МПа

Ориентировочный режим термообработки (3 — закалка; О —т отпуск с указанием тем­пературы нагрева и охлаждающей среды; М — масло, В — вода; Н — нормализация)

Заготовка-поковка (штамповка или прокат)

192...228 НВ

170...217 НВ 192...240 НВ

241 ...285 НВ

179...228 НВ 228...255 НВ 230...260 НВ 260...280 НВ 50...59 HRC

230...280 НВ

163...269 НВ 163...269 НВ 230...300 НВ

>241 НВ

Улучшение

Нормализация Улучшение

Нормализация Улучшение

Азотирование

Улучшение »

» »

3, 840...860 °С, В, О, 550...620 °С Н, 850...870 °С, 3, 820...840 °С, В, О, 560...600 °С 3, 820...840°С, В, О, 520...530°С Н, 840...860 °С

3, 820...840°С, О, 560...620 °С 3, 830...850°С, О, 540...580 °С 3, 830...850°С, О, 500 °С То же, с последующим мягким азотированием 3, 840...860°С, М, О, 580...640 °С

То же

»

3, 820...840°С, М, О, 560...600 °С То же

При Н>350 НВ (вторая группа материалов) твердость выража­ется обычно в единицах Роквелла — HRC (1HRC«10 НВ, точнее см. рис. 8.40).

Специальные виды термообработки позволяют получить твер­дость Н = (50...60) HRC. При этом (см. табл. 8.8) допускаемые контактные напряжения увеличиваются до двух раз, а нагрузочная способность передачи — до четырех раз [см. формулу (8.11)] по сравнению с нормализованными или улучшенными сталями. Воз­растают также износостойкость и стойкость против заедания.

Применение высокотвердых материалов является большим резер­вом повышения нагрузочной способности зубчатых передач. Однако с высокой твердостью связаны некоторые дополнительные трудно­сти:

1. Высокотвердые материалы плохо прирабатываются, поэтому они требуют повышенной точности изготовления, повышенной же­сткости валов и опор, желательно фланкирование зубьев прямозу­бых колес.

2. Нарезание зубьев при высокой твердости затруднено, поэтому термообработку выполняют после нарезания. Некоторые виды тер­мообработки (объемная закалка, цементация) сопровождаются зна­чительным короблением зубьев. Для исправления формы зубьев требуются дополнительные операции: шлифовка, притирка, обкатка и т. п. Эти трудности проще преодолеть в условиях крупносерий­ного и массового производства, когда окупаются затраты на специ­альное оборудование, инструменты и приспособления. В изделиях крупносерийного и массового производства применяют, как прави­ло, колеса с высокотвердыми зубьями.

Объемная закалка — наиболее простой способ получения высо­кой твердости зубьев. При этом зуб становится твердым по все­му объему. Для объемной закалки используют углеродистые и ле­гированные стали со средним содержанием углерода 0,35...0,5% (стали 45, 40Х, 40ХН и т. д.). Твердость на поверхности зуба 45...55 HRC.

Недостатки объемной закалки: коробление зубьев и необходи­мость последующих отделочных операций, понижение изгибной прочности при ударных нагрузках (материал приобретает хруп­кость); ограничение размеров заготовок, которые могут восприни­мать объемную закалку (см. размер S в табл. 8.7). Последнее связано с тем, что для получения необходимой твердости при закалке скорость охлаждения не должна быть ниже критической. С увеличением размеров сечений детали скорость охлаждения пада­ет, и если она будет меньше критической, то получится так называ­емая мягкая закалка. Мягкая закалка дает пониженную твер­дость.

Объемную закалку во многих случаях заменяют поверхност­ными термическими и химико-термическими видами обработки, которые обеспечивают высокую поверхностную твердость (высо­кую контактную прочность) при сохранении вязкой сердцевины зуба (высокой изгибной прочности при ударных нагрузках).

Поверхностная закалка токами высокой частоты (ТВЧ) или пламенем ацетиленовой горелки обеспечивает H=(48...54)HRC и применима для сравнительно крупных зубьев (т^5 мм). При малых модулях опасно прокаливание зуба насквозь, что делает зуб хрупким и сопровождается его короблением. При относительно тонком поверхностном закаливании зуб искажается мало. И все же без дополнительных отделочных операций трудно обеспечить сте­пень точности выше 8-й. Закалка ТВЧ требует специального обору­дования и строгого соблюдения режимов обработки. Стоимость обработки ТВЧ значительно возрастает с увеличением размеров колес. Для поверхностной закалки используют стали 40Х, 40ХН, 45 и др.

Цементация (насыщение углеродом поверхностного слоя с по­следующей закалкой) — длительный и дорогой процесс. Однако она обеспечивает очень высокую твердость (58...63HRC). При за­калке после цементации форма зуба искажается, а поэтому требу­ются отделочные операции. Для цементации применяют низкоуг­леродистые стали простые (15 и 20) и легированные (20Х, 12ХНЗА и др.). Легированные стали обеспечивают повышенную прочность сердцевины и этим предохраняют продавливание хрупкого поверх­ностного слоя при перегрузках. Глубина цементации около 0,1...0,15 от толщины зуба, но не более 1,5...2 мм.

При цементации хорошо сочетаются весьма высокие контактная и изгибная прочности. Ее применяют в изделиях, где масса и габа­риты имеют решающее значение (транспорт, авиация и т. п.).

Нитроцементация — насыщение углеродом в газовой среде. При этом по сравнению с цементацией сокращаются длительность и стоимость процесса, упрочняется тонкий поверхностный слой (0,3...0,8 мм) до 60...63 HRC, коробление уменьшается, что позволя­ет избавиться от последующего шлифования. Нитроцементация удобна в массовом производстве и получила широкое применение в редукторах общего назначения, в автомобилестроении и других отраслях — материалы 25ХГМ, 25ХГТ и др.

Азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом) обес­печивает не меньшую твердость, чем при цементации. Малая тол­щина твердого слоя (около 0,1...0,6 мм) делает зубья чувствитель­ными к перегрузкам и непригодными для работы в условиях повы­шенного абразивного износа (например, плохая защита от загрязне­ния). Степень коробления при азотировании мала. Поэтому этот вид термообработки особенно целесообразно применять в тех слу­чаях, когда трудно выполнить шлифование зубьев (например, коле­са с внутренними зубьями). Для азотируемых колес применяют молибденовую сталь 38ХМЮА или ее заменители 38ХВФЮА и 38ХЮА. Заготовку зубчатого колеса, предназначенного для азо­тирования, подвергают улучшению в целях повышения прочности сердцевины.

При отсутствии абразивного износа целесообразно применять так называемое мягкое азотирование на глубину 10... 15 мкм. Оно значительно проще, обеспечивает минимальное коробление и позво­ляет получать зубья 7-й степени точности без отделочных операций. Для мягкого азотирования применяют улучшенные хромистые ста­ли типа 40Х, 40ХФА, 40Х2НМА.

Как было отмечено, высокая твердость зубьев значительно по­вышает их контактную прочность. В этих условиях решающей может оказаться не контактная, а изгибная прочность. Для повыше­ния изгибной прочности высокотвердых зубьев рекомендуют прово­дить упрочнение галтелей путем дробеструйного наклепа, накатки и т. п.

В зависимости от способа получения заготовки различают ли­тые, кованые, штампованные колеса и колеса, изготовляемые из круглого проката. Стальное литье обладает пониженной прочно­стью и используется обычно для колес крупных размеров, работа­ющих в паре с кованой шестерней.

Чугун применяют главным образом для изготовления крупнога­баритных, тихоходных колес и колес открытых зубчатых передач. Основной недостаток чугуна — пониженная прочность по напряже­нию изгиба. Однако чугун хорошо противостоит усталостному выкрашиванию и заеданию в условиях скудной смазки. Он не дорог и обладает хорошими литейными свойствами, хорошо обрабатыва­ется. Разработанные новые сорта модифицированного чугуна по­зволяют чугунному литью конкурировать со стальным литьем так­же и в закрытых передачах. Для изготовления зубчатых колес применяют серый и модифицированный чугун, а также магниевый чугун с шаровидным графитом (см. ГОСТ 1412 — 85).

Из пластмасс для изготовления зубчатых колес находят приме­нение главным образом текстолит (£=6000...8000 МПа) и лигно - фоль (2?= 10000... 12000 МПа), а также полиамиды типа капрона. Из пластмассы изготовляют обычно одно из зубчатых колес пары. Из-за сравнительно низкой нагрузочной способности пластмассо­вых колес их целесообразно применять в малонагруженных и кине­матических передачах. В силовых передачах пластмассовые колеса используют только в отдельных случаях, например при необходи­мости обеспечить бесшумную работу высокоскоростной передачи, не прибегая к высокой точности изготовления, и вместе с тем при условии, что габариты этой передачи допускают повышенные раз­меры колес. Пластмассовые колеса целесообразно применять и в тех случаях, когда трудно обеспечить точное расположение валов (нет общего жесткого корпуса). Эти колеса менее чувст­вительны к неточностям сборки и изготовления благодаря малой жесткости материала.