Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса
1.1. Влияние технологических способов обработки на нагрузочную способность зубчатых колес 8
1.2. Влияние качества поверхности на нагрузочную способность зубчатых колес 14
1.3 .Влияния способов упрочнения на нагрузочную способность зубчатых колес 19
1.5.1.Цементация 19
1.5.2.Азотирование 22
1.5.3.3акалкаТВЧ 23
1.5.4Комбинированная упрочняющая обработка 24
1.5.5.Электомеханическая обработка (ЭМО) 26
1.5.6.Упрочнение поверхностным пластическим деформированием 27
1.4.Анализ видов разрушений зубчатых колес 33
1.5.Влияние ППД на структуру поверхностного слоя и нагрузочную способность зубчатых колес 42
1.6.Постановказадачи и цели исследования 44
Глава 2. Методика проведения экспериментов
2.1. Методологические основы исследований 49
2.2 . Объект исследования и обрабатываемые материалы 51
2.3 .Характеристика инструментов для ППД роликовых образцов 53
2.4.Инструмент для обработки объемным пластическим деформированием выкружек зубчатых колес среднего модуля ...56
2.5. Инструмент для ОПД выкружек и ППД активного профиля зубьев 57
2.6. Образцы для исследования и моделирования технологических способов их обработки 62
2.7.Контроль качества поверхности образцов и зубчатых колес и измерение показателей точности 65
2.8. Оборудование для определения эксплуатационных свойств 66
2.9.Контроль износа методом поверхностной активации 68
2.10.Образцы для испытания на ударную вязкость 69
Глава 3. Теоретическое определение параметров комбинирорванной обработки
3.1. Теоретический расчет червячной фрезы для обеспечения рациональной формы припуска для ОПД зубчатых колес ...72
3.2. Определение силы деформирования и площади контакта с учетом упругопластического сжатия материала детали 78
3.3.Примеры расчета режимов пластического деформирования зубчатых колес различ ного модуля 81
ЗАРасчет шага и угла роликов деформирующего инструмента 83
ГЛАВА 4. Экспериметнальное исследование функциональных параметров качества поверхностного слоя, формируемого комбинированной обработкой
4.1 .Влияние КО на характеристики шероховатости 88
4.2. Влияние КО на характеристики волнистости 90
4.3.Влияние КО на упрочнение поверхностного слоя 93
4.4. Влияние КО на свойства поверхностного слоя азотированных сталей 95
5.5. Влияние КО на свойства поверхностного слоя выкружки 97
Глава 5. Исследование влияния комбинированной обработки на структуру поверхностного слоя зубчатых колес
Глава 6. Экспериментальное исследование нагрузочной способности зубчатых колес, обработанных комбинированной обработкой
6.1.Износостойкость 105
6.2. Ударная вязкость 108
6.3.Контактная прочность 109
6.4. Усталостная прочность 112
Общие выводы 116
Список литературы 118
Приложение 127
- Влияние качества поверхности на нагрузочную способность зубчатых колес
- Объект исследования и обрабатываемые материалы
- Определение силы деформирования и площади контакта с учетом упругопластического сжатия материала детали
- Влияние КО на характеристики волнистости
Введение к работе
Одной из тенденций развития мировой экономики является увеличивающийся рост требований к важнейшему фактору производства -качеству выпускаемой продукции.
Основной задачей современного машиностроения является повышение надежности и долговечности деталей машин, обусловленное возрастающими требованиями в отношении износостойкости, усталостной прочности, контактной жесткости, антикоррозионных свойств и сопротивления ударным нагрузкам. В связи с этим возникает необходимость непрерывного совершенствования технологии изготовления отдельных деталей и машин в целом. Особое внимание при этом обращается на обеспечение точности размеров и формы, а также приданию поверхностному слою необходимых физико-механических свойств. За последние годы разработано большое количество самых разнообразных способов упрочнения и отделочной обработки, имеющих свои особенности, преимущества и недостатки.
В транспортном машиностроении широко используют цилиндрические прямозубые зубчатые колеса с внешним зацеплением среднего модуля (от 2 до 6мм). В основном их изготавливают из цементируемых (12Х2Н4А, 20ХЗМВФ и др.) и азотируемых (40ХНМА, 38ХМЮА и др.) сталей по стандартным техпроцессам: 1) зубофрезерование, ХТО (цементация), зубошлифование; 2) зубофрезерование, зубошлифование, азотирование.
Одной из основных тенденций в производстве зубчатых колес данной группы является повышение их нагрузочной способности, т.е. износостойкости, контактной и изгибной прочностей. Технологическое обеспечение надежности зубчатых колес обусловлено совершенствованием методов механической и химико-термической обработки. При лезвийной обработке колес основная проблема заключается в обеспечении качества поверхности с заданными параметрами точности, шероховатости и повышении
6 стойкости зуборезного инструмента при обработке материалов с твердостью больше HRC 40.
Совершенствование методов химико-термической обработки зубчатых колес связано с разработкой и внедрением процессов ионной цементации, нитроцементации и азотирования, обеспечивающих высокие механические свойства поверхностного слоя зубьев при снижении уровня внутренних напряжений и коробления деталей. В качестве финишной операции остается операция шлифования зубьев, поскольку она не имеет аналогов при обеспечении точности выполнения всех элементов зацепления. Совершенствование процесса зубошлифования обусловлено использованием высокотемпературных и высокопористых шлифовальных кругов, а также с оптимизацией режимов шлифования и подбором оптимального состава СОЖ.
Среди дефектов зубчатых колес значительное место занимают контактные разрушения поверхности зубьев из-за шлифовочных дефектов (прижогов) и усталостные трещины у основания зубьев. Проблемы повышения нагрузочной способности зубчатых колес побуждают искать новые, экономически оправданные, конструкторско-технологические решения, обеспечивающие требуемое качество поверхностного слоя зубьев. Одним из эффективных решений является применение упрочняющей технологии.
В настоящее время наиболее распространенным является способ ППД цилиндрических зубчатых колес, при этом распространение получил способ накатывания их инструментом, изготовленным в виде реек или эвольвентных накатников. Производится также накатывание зубьев планерными головками, ролики которых при вращении и обкатке создают профиль образующего реечного инструмента. При этом повышение нагрузочной способности зубчатых колес достигается за счет упрочнения рабочих профилей, снижения шероховатости, создания сжимающих напряжений. Однако выкружка зубьев недостаточно упрочняется вследствие максимальной скорости скольжения деформирующего инструмента в области переходной кривой. Упрочнением выкружки можно создать резерв значительного повышения нагрузочной способности (за счет увеличения изгибной прочности).
В связи с непрерывно увеличивающимся выпуском зубчатых колес, решение вопросов, связанных с повышением нагрузочной способности имеет большое народнохозяйственное значение.
Влияние качества поверхности на нагрузочную способность зубчатых колес
Качество поверхности зубчатых колес определяется совокупностью характеристик шероховатости и волнистости, физико-химических свойств и микроструктуры поверхностного слоя.
При обработке зубчатых колес на зубообрабатывающих станках методом обкатки ошибки изготовления червяков делительных пар станков, шаговые ошибки винтов подачи и т.д. переносятся на боковые поверхности нарезаемых зубьев в форме волнистости [78]. Волнистость зуба возникает от колебания температуры окружающей среды, вибраций и ряда других факторов. При шлифовании зубьев на станках «Мааг», не редко возникает диагональная волнистость [35]. При наличии на рабочих поверхностях зубьев волнистости, даже при небольшой высоте волн, контакт зубьев под нагрузкой происходит не по всей рабочей длине образующих, а отдельными, изолированными друг от друга пятнами, т.е. становится прерывистым. При неблагоприятных сочетаниях волнистости на зубьях колес передачи могут возникнуть вибрации и даже поломки. Поэтому вопрос определения величины и характера волнистости зубьев имеет большое значение при оценке характеристик нагрузочной способности зубчатых передач.
В настоящее время в производственной практике шероховатость поверхности зубьев в основном определяется параметром, характеризующим лишь высоту неровностей. В то же время известно, что при постоянной высоте неровностей их форма, шаг и расположение могут значительно различаться между собой. Поэтому в условиях жестких требований к качеству изготовления зубчатых колес нельзя ограничиваться регламентацией лишь стандартных геометрических характеристик качества поверхности. Геометрические характеристики шероховатости оказывают существенное влияние на эксплуатационные свойства зубчатых колес. Например, площадь фактического контакта, определяемая кривой опорной поверхности, влияет на условия разделения контактирующих поверхностей смазочной пленкой [68] [89], отношение r/Rmax определяет сопротивление поверхности заеданию, угол наклона образующих выступов ( р ) влияет на контактную прочность шероховатых поверхностей [60].
При расчете допускаемых параметров шероховатости поверхностей зубьев используют коэффициент р [29].
Оценка качества поверхности зубчатых колес производится только по высотным параметрам шероховатости, что явно недостаточно [11], [78].
Риски от механической обработки особенно опасны в зоне повышенной концентрации напряжений, что представляет собой выкружка зубчатого колеса. Очевидно, что уменьшение шероховатости переходной поверхности и впадины зубчатых колес является одним из способов повышения времени их безотказной работы. Зависимость средней наработки до отказа ведомого зубчатого колеса трактора от шероховатости переходной кривой и впадины представлены на рис. 1.2. Среднюю наработку до отказа зубчатых колес тракторов, например, можно увеличить на 20-60% за счет уменьшения шероховатости в области выкружки [63].
В работе [63] рекомендуется уточнять коэффициент формы зуба Yp, учитывая таким образом влияние высоты микронеровностей на напряжения изгиба. Показано, что для наиболее распространенных параметров силовых зубчатых колес уточнение YF может составлять 4-6%. В ГОСТе 21354-87 введен коэффициент YR, учитывающий шероховатость переходной
поверхности. Этот коэффициент увеличивает допускаемое напряжение при полировании на переходной поверхности зуба в 1,05-1,2 раза.
А.В.ГГитухин предложил подход к оценке закона распределения циклической долговечности зубчатых колес с позиции механики разрушения. В качестве трещиноподобного дефекта принималась крупная риска механической обработки глубиной Rz/2, перпендикулярная к переходной поверхности и расположенная в зоне действия максимальных местных напряжений.
Объект исследования и обрабатываемые материалы
Для исследования были выбраны тяжелонагруженные зубчатые колеса газотурбинных двигателей и тяговых редукторов подвижного состава с т=2; 2,5; 2,75; 3; 5 с различным числом зубьев, изготовленных из сталей 12Х2Н4А, 20ХЗМВФ и 40ХНМА широко используемые для изготовления зубчатых передач исследуемой группы. Для определения эффективности применения комбинированной обработки использован метод сравнительного анализа свойств поверхностного слоя и нагрузочной способности зубчатых колес, обработанных по различным технологиям. В соответствии со стандартным и разработанным техпроцессами были изготовлены зубчатые колеса по нескольким вариантам: Сталь12Х2Н4Аи20ХЗМВФ: 1 вариант: (стандартный техпроцесс), зубофрезерование, цементация, закалка, зубошлифование. 2 вариант: (разработанный), зубофрезерование, КО, цементация, закалка, зубошлифование). Сталь 12Х2Н4А и 20ХЗМВФ (зубчатые колеа, обработанные по двухзаходным техпроцессам, когда после цементации до закалки детали отправляют в цех для окончательной механической обработку т.е.нарезание, шлицев, пазов и др.): 1 вариант: зубофрезерование, цементация, закалка, зубошлифование (стандартный); 2 вариант: зубофрезерование, цементация, КО, закалка, зубошлифование (разработанный). Сталь 40ХНМА: вариант: (стандартный), зубофрезерование, зубошлифование, азотирование. 2 вариант: (разработанный), зубофрезерование, КО, азотирование. Для исследования влияния методов обработки на нагрузочную способность зубчатых колес в разработанный техпроцесс включен метод комбинированной обработки (КО). Для тяжелонагруженных зубчатых колес, работающих при высоких скоростях и знакопеременных нагрузках, КО заключается в чистовом зубофрезеровании фрезой с модифицированным производящим контуром (с протуберанцем) и формообразовании выкружки объемной пластической деформацией (ОПД). Комбинированную обработку выполняли на зубофрезерных станках модели 5К328, Объемную пластическую деформацию выкружек зубчатых колес методом обкатки производили разработанным и изготовленным специальным инструментом. Для зубчатых колес, работающих при высоких скоростях и нагрузках и испытывающих интенсивный износ рабочих профилей, метод комбинированной обработки (КО) включает зубофрезерование фрезой с протуберанцем и совмещение в одном технологическом цикле ППД активного профиля и ОПД выкружки. Для этого применен специальный деформирующий инструмент.
Определение силы деформирования и площади контакта с учетом упругопластического сжатия материала детали
В данной работе проводилось исследование влияния комбинированной обработки (КО) на изменение основных параметров шероховатости профиля зубчатых колес, подвергаемых азотированию. Для исследования влияния силы деформирования на изменение микрорельефа поверхности была проведена пластическая деформация образцов с различными силами. На рисунке 4.1 представлена последовательность изменения исходного микрорельефа, полученного зубофрезерованием, в зависимости от силы деформирования при последующей КО, где а)-исходная шероховатость, б)-д)-шероховатость после КО с различными силами. Если форма отдельных неровностей образцов, обработанных зубофрезерованием, представляла собой конус с закругленными вершинами (рис.4. L), то уже при начальной силе Р=300 кгс - усеченный конус. Высота неровностей при этом уменьшилась с Rz 10 мкм до Rz 5 мкм, т.е. в 2 раза; резко изменились геометрические параметры отдельных неровностей: радиусы закругления вершин, углы наклона образующих, а также распределение вершин по высоте, т.е. параметры, в первую очередь определяющие условия работы трущихся пар. С увеличением силы (Р=400 кгс) происходит постепенное уменьшение неровностей, но их форма - усеченный конус - не изменилась. При дальнейшем увеличении силы Р=500-600кгс металл выступов полностью заполняет впадины, поверхность выравнивается, образуется новый микрорельеф, отличающийся от исходного не только высотой неровностей, но их формой и шагом.
При изучении влияния КО на изменение шероховатости поверхности опытным путем было установлено, что сила в 6 кН является оптимальной или близкой к оптимальной, так как при силе равной 8 кН поверхностная твердость активного профиля у образцов несколько снижается. В этом случае появляется перенаклеп [4]. В таблице 7 приведены основные геометрические характеристики шероховатости поверхностей, обработанных различными методами (зубофрезерованием, зубодолблением, зубошлифованием, КО и др.), широко применяемыми для обеспечения качества поверхности профилей зубчатых колес. Как следует из данных, приведенных в таблице, после КО создается микрорельеф по своим геометрическим характеристикам превосходящий не только все известные способы обработки резанием, но и такие эффективные способы, применяемые только для ответственных передач, как зубохонингование и притирка. Одна из таких важных геометрических характеристик формы микронеровностей, принятая за критерий оценки геометрии шероховатости - TIR (отношение радиуса закругления выступов к их максимальной высоте) у образцов, обработанных КО на несколько порядков больше, чем у образцов, обработанными другими технологическими методами.
Влияние КО на характеристики волнистости
В данной работе исследовалось влияние КО на изменение волнистости для зубчатых колес, подвергаемых азотированию. На рис. 4.2 показаны поверхности зубчатых колес, обработанные шлифованием и КО после зубофрезерования. На поверхностях, обработанных шлифованием после приработки появилась рябь, вследствие контакта по вершинам волн и засветления этих участков (а). На образцах после КО поверхность контакта наблюдается в виде сплошной полоски без разрывов (б). Из сопоставления фотографий видно, что у образцов после КО, фактическая площадь контакта значительно больше, чем у шлифованных.
На рис. 4.3. приведены волнограммы, снятые с поверхностей этих образцов в тангенциальном направлении (поперечная волнистость): а)-зубофрезерование + зубошлифование, б)КО. Как видно из приведенных волнограмм, образцы, обработанные шлифованием, имеют волнистость значительно большую, чем после КО. а).
В таблице 8 даны геометрические характеристики продольной и поперечной волнистости, полученные в результате обработки волнограмм, снятых с образцов после различных методов зубообработки.
Таким образом, поверхности образцов, обработанные КО, имеют волнистость во много раз меньшую, чем образцы, обработанные зубофрезерованием, зубодолблением и зубошлифованием.
Для исследования влияния комбинированной обработки (КО) на изменение микротвердости в поверхностном слое зубчатых колес были изготовлены роликовые образцы, обработанные по 2 вариантам: разработанному и стандартному (глава 2, стр.52).
Распределение микротвердости образцов представлено на графиках рис.4.5. Как видно из графиков, образцы, обработанные по предлагаемой технологии (с применением КО) имеют большую поверхностную твердость, чем образцы, обработанные по стандартной технологии. Наибольшее изменение поверхностной твердости имеют слои близкие к поверхности. Это соответствует экспериментам М.А.Балтер [4], выполненными на стали ХНМФА, согласно которым наибольшее изменение микрострукруры в результате ППД происходит в слоях до 0,5... 1,0мм от поверхности.
