Материал и термическая обработка зубчатых колес

Основными материалами для зубчатых колес являются углеродистые и легированные стали, которые термически упрочняются до высокой твердости, марок 45, 20Х, 40Х, 40ХН, 35ХМ и пр.

Термическая обработка применяется для повышения твердости зубьев. С повышением твердости растет несущая способность передач по контактной прочности. Поэтому закалку используют для повышения твердости зубьев в силовых передачах. В кинематических передачах, предназначенных для точной передачи вращательного движения между валами при небольших значениях крутящего момента, зубчатые колеса закалке не подвергаются. Основными видами упрочняющей термической обработки зубчатых колес являются:

Объемная закалка является наиболее простым способом термообработки колес. К ее недостаткам следует отнести высокую прокаливаемость материала, что уменьшает сопротивление усталости материала при изгибе зубьев.

Поверхностной закалкой обеспечивается высокая твердость поверхности зубьев при вязкой сердцевине. Нагрев колес при поверхностной закалке производится в индукторах токами высокой частоты (ТВЧ).

Химико-термическая обработка (ХТО) заключается в насыщении поверхности металла различными химическими элементами. В настоящее время применяются следующие виды ХТО:

Цементация – насыщение стали углеродом с последующей закалкой обеспечивает высокую твердость поверхности зубьев при вязкой сердцевине. Для цементации применяются легированные стали с низким содержанием углерода: 20Х, 12ХН3А, 20ХНМ, 15ХФ и пр.

Азотирование – насыщение стали азотом обеспечивает высокую твердость поверхности зубьев без последующей закалки. Сталями для азотирования являются 38Х2МЮА, 40ХФА, 40ХНА и пр. Зубья после азотирования не шлифуют. В этой связи азотирование применяют для упрочнения колес зубчатых передач с внутренним зацеплением. Недостатком азотирования является длительность процесса (до 60 час.) и малая толщина упрочняемого слоя до 0,5 мм.

Нитроцементация – насыщение стали углеродом и азотом с последующей закалкой протекает при более высоких скоростях диффузии (до 0,1 мм/час). Сталями для данного вида ХТО являются 40Х, 18ХГТ и пр.

Стальное литье применяют для колес большого диаметра. Литейными марками сталей являются: 35 – 55Л, 40ХЛ, 30ХГСЛ и пр. Литые колеса подвергают нормализации.

Чугуны применяют для изготовления зубчатых колес открытых тихоходных передач. Чугуны проявляют хорошую стойкость к заеданию. Поэтому чугунные зубчатые колеса могут работать без смазки. Для изготовления чугунных колес используют серые чугуны марок СЧ25 - СЧ45, а также высокопрочные чугуны с шаровидным графитом.

 

2.3.4. Методы получения заготовок

 

Заготовки для зубчатых колес в мелкосерийном производстве изготавливают из проката или свободной ковкой. В крупносерийном и массовом производстве - штамповкой на молотах, прессах и горизонтально-ковочных машинах (ГКМ). Металл перед ковкой и штамповкой нагревают до температуры 1200 - 1300 градусов.

Заготовки из проката получают их отрезкой от прутка на заданный размер. Максимальный диаметр проката, который выпускает промышленность, составляет 250 мм. Поэтому диаметр вершин зубьев не превышает этого размера.

Свободную ковку осуществляют на молотах или прессах между плоскопараллельными плитами. Этим методом можно получать заготовки диаметром свыше 250 мм. Однако форма заготовки лишь приближена к профилю зубчатого колеса. Для снижения трудоемкости при механической обработке в крупных заготовках прошивают посадочное отверстие. При механической обработке заготовок полученным из проката и свободной ковкой расходный коэффициент металла является наиболее высоким по сравнения с штампованными заготовками.

Штамповку на прессах или молотах заготовок для зубчатых колес производят в подкладных или закрепленных штампах. Заготовку в подкладных штампах деформируют с торца (рис. 2.82, а). Закрепленные штампы могут быть закрытыми или открытыми (рис. 2.82, б; в). В открытых штампах в плоскости разъема образуется заусенец – облой, который удаляют затем в обрезных штампах в холодном или горячем состоянии. В закрытых штампах образуется торцовый заусенец, который удаляют точением. Штамповку в закрепленных штампах производят с торца, когда разъем штампа перпендикулярен оси заготовки, или с разъемом штампа вдоль оси заготовки (рис. 2.83, а; б).

Штамповкой (высадкой) на ГКМ получают заготовки из прутков для блоков зубчатых колес или валов – шестерен, т.е. когда заготовки имеют участки с большим перепадом по диаметру (рис. 2.84). Схема работы ГКМ показана на рис. 2.85. Матрица ГКМ имеет разъем. Одна часть матрицы подвижная другая неподвижная. Пуансон при высадке перемещается в горизонтальном направлении. Штамповка производится в следующей последовательности:

I – пруток закладывается в разъемную матрицу до упора; II – упор отводится, пруток зажимается в матрице и деформируется пуансоном; III – процесс деформации заканчивается, IV – подвижная часть матрицы пуансон отводятся в исходное положение, поковка извлекается из штампа.

 

2.3.5. Базирование зубчатых колес при механической обработке

 

Задачей базирования является обеспечение соосности делительной окружности колеса и посадочных поверхностей (центрального отверстия колеса или шеек вала-шестерни). От этого зависят такие параметры точности зубчатых колес и передачи, как колебание межосевого расстояния, боковой зазор и радиальное биение зубчатого венца.

Базовыми поверхностями зубчатых колес на большинстве операций при механической обработке (токарных, зубонарезных, зубоотделочных) являются торцевые поверхности и посадочное (центральное) отверстие, которое может быть гладким с пазом под шпонку, шлицевым или профильным контуром (рис. 2.86). Эти поверхности обрабатываются точно в первую очередь.

Усталостная прочность валов с профильным контуром в пять раз выше прочности шлицевых и шпоночных соединений за счет снижения концентрации напряжений, в то время как затраты на изготовление уменьшаются в два раза.

Базовыми поверхностями зубчатых колес типа валов являются центровые отверстия. Обработка этих деталей начинается с фрезерования торцов и сверления центровых отверстий.

 

2.3.6. Структура технологического процесса при обработке цилиндрических зубчатых колес

 

Технология изготовления зубчатых колес зависит от следующих факторов: программы выпуска, конструкции, размеров, метода получения заготовок, материала, точности и термической обработки. Основными факторами являются точность и конструкция зубчатых колес.

Типовой технологический процесс изготовления зубчатых колес включает изготовление штамповок или поковок, токарную обработку наружных поверхностей и торцов; обработку центрального отверстия, зубонарезание, термическую обработку, отделочные и доводочные операции базовых и зубчатых поверхностей. Особенностью технологического процесса изготовления зубчатых колес – валов является наличие операций по обработке зубьев, а в остальном он тот же, что и при изготовлении ступенчатых валов.

 

 

2.3.7. Токарная обработка

 

В мелкосерийном производстве зубчатые колеса до нарезания зубьев обрабатываются на универсальных токарно-винторезных и токарно-револьверных станках. Схема технологической наладки для обработки зубчатого колеса на токарно-револьверном станке представлена на рис. 2.87. При обработке деталь зажимают в трехкулачковом самоцентрирующем патроне. В позиции 1 револьверной головки двумя резцами обтачивают наружную поверхность заготовки. Одновременно одним резцом растачивают внутреннюю поверхность, другим резцом снимают внутреннюю фаску. После отвода револьверного суппорта, двумя резцами Б с поперечного суппорта подрезают торцы. В позиции 2 револьверной головки широкими пластинами подрезают внутреннюю торцовую поверхность. Резцом А поперечного суппорта снимают фаску на наружной поверхности. В позиции 3 револьверной головки растачивают центральное отверстие. В позиции 4 с помощью специального приспособления прорезают внутреннюю канавку. В позициях 5 и 6 револьверной головки центральное отверстие развертывают черновой и чистовой развертками.

В крупносерийном производстве зубчатые колеса обрабатывают на токарных и токарно-револьверных станках с ЧПУ моделей 16К20Ф3, 16К30Ф305, 16К20Т1, 1В340Ф3, 1Е365ПФ3 и пр. Общий вид токарного станка с ЧПУ показан на рис. 2.88. Станок имеет следующие основные узлы: 1 – привод; 2 – передняя шпиндельная бабка; 3 и 7 - верхний и нижний суппорты; 4 и 6 – поворотные резцедержатели; 5 – задняя бабка; 8 – станина с направляющими. Для повышения производительности применяются двухшпиндельные токарные станки с ЧПУ, у которых вместо задней бабки установлена шпиндельная бабка с приводом рис.2.89. Это дает возможность одновременно обрабатывать зубчатое колес с двух сторон.

Еще большая производительность обеспечивается применением токарных многорезцовых полуавтоматов (ТМП) моделей 1А720, 1А730 и пр. Схема наладки для обработки блока зубчатых колес на одношпиндельном ТМП представлена на рис.2.90. В данном случае обработка цилиндрических поверхностей производится с переднего продольного суппорта, а обработка торцев, канавок и большинства фасок с заднего поперечного суппорта.

В массовом производстве применяют многошпиндельные токарные полуавтоматы моделей 1К282, 1283, 1Б284, 1А286-6 и пр. Наибольший диаметр обрабатываемой заготовки на станке модели 1А286-6 составляет 630 мм. Схема наладки для обработки зубчатого колеса показана на рис. 2.91.Станок имеет поворотный стол, в центре которого расположена восьмигранная колонна. На гранях колонны установлены суппорта трех типов: продольного, поперечного и продольно-поперечного точения. Последний суппорт имеет салазки для продольного и поперечного перемещения резцов. Напротив каждой грани колонны размещены вращающиеся шпиндели с патронами для закрепления заготовок. Согласно рис. 2.91 обработка на станке ведется по следующей схеме. На позиции I производится установка заготовки. В этой же позиции со станка снимается готовая деталь. На позициях II – IV заготовка обрабатывается с одной стороны. На позиции V заготовка переустанавливается и обрабатывается с другой стороны. Для точной обработки отверстия на позиции VI применяют плавающую развертку. На позициях VII и VIII для сверления и зенкерования восьми отверстий используют специальные многошпиндельные головки.

Токарную обработку крупных цилиндрических колес диаметром свыше 500 мм для тяжелом машиностроения выполняют на токарно-карусельных станках (ТКС). Колеса 8 степени точности и менее точные обрабатываются на ТКС окончательно. Колеса 7 степени точности и более точные обрабатываются на ТКС с припуском для окончательной обработки после сборки с валом. Диаметр заготовок, обрабатываемых на ТКС, достигает 20 м. По своей компоновке ТКС делятся на одностоечные (моделей 1508, 1510, 1512 и пр.) и двухстоечные (моделей 1520, 1525, 1540 и пр.). Широко применяются ТКС с ЧПУ моделей 1512Ф3, 1516Ф3, 1525Ф3 и пр. При чистовой обработке на ТКС достигается точность по 7-8 квалитетам и шероховатостью поверхности 3,2-6,3 мкм.