Материалы зубчатых колес и методы их термической и химико-термической обработки.

При выборе материалов для зубчатых колес необходимо обеспечить прочность зубьев на изгиб, стойкость поверхностных слоев зубьев и сопротивление заеданию. Основными материала­ми являются термически обрабатываемые стали (табл. 1 !.3). До­пускаемые контактные напряжения в зубьях пропорциональны твердости материалов. Это указывает на целесообразность широ­кого применения для зубчатых колес сталей, закаливаемых до значительной твердости.

Твердость Η материала измеряют по Бринеллю (по отпечат­ку вдавливаемого шарика), когда Н<350НВ, или по Роквеллу HRC., (вдавливанием алмазного конуса), когда Н>350НВ (Η = 37 HRC,. Приближенно НВ »10 HRC, ).

При твердости Η < 350НВ шестерню выполняют с большей твердостью, чем колесо, Н[ = Н₂ + 10...15 единиц. Термическую обработку заготовки (нормализацию, улучшение) выполняют до нарезания зубьев. Такие передачи хорошо прирабатываются (Н₂ <Н,).

При твердости Н>350НВ химико-термическую обработку ведут после зубонарезания. При этом зубья коробятся и требуют­ся отделочные операции: шлифование, притирка с абразивными пастами. Шлифование — наилучший способ исправления профи­лей зубьев, но требует наличия специальных зубошлифовальных станков.

При объемной закалке шестерен, особенно, когда они имеют несимметричную форму, возникает коробление. Если это недопустимо, например, при изготовлении шестерен высокого класса точности для ответственных машин, то с целью предотвращения коробления закалку проводят в закалочных прессах . Для этого нагретая до закалочной температуры шестерня зажимается между штампами, укрепленными в прессе, и погружается в закалочную жидкость.

Цилиндрические шестерни, имеющие симметричную форму, менее склонны к короблению, чем конические. Однако, если диаметр цилиндрических шестерен значительно (более чем в 6—8 раз) превышает их толщину, то для уменьшения коробления нужно и такие шестерни закаливать в штампах. Если главным требованием является сохранение точных размеров отверстия шестерни, то следует применять довольно простой способ закалки на оправке. В этом случае шестерня нагревается в свободном состоянии, а перед погружением в закалочную жидкость в нee вставляется оправка, вместе с которой она закаливается. Рекомендуется делать диаметр оправки на 0,2 мм меньше минимально допустимого диаметра отверстия шестерни.

Закалка токами высокой частоты наряду с другими преимуществами позволяет свести к минимальной величине коробление шестерен. В зависимости от марки стали и размеров шестерен такая закалка осуществляется различными способами. Размер зубьев шестерен принято характеризовать величиной модуля, который представляет собой число, получающееся от деления шага зубьев на величину π (3,14). При изготовлении слабо-нагруженных шестерен с небольшим модулем (до 4 мм) производят сквозную закалку зубьев. С этой целью с помощью петлевого индуктора одновременно нагревают все зубья насквозь. Затем проводят охлаждение водяным душем или путем погружения всей шестерни в масло. При этом зубья прокаливаются насквозь и, кроме того, на небольшую глубину (до 5 мм закаливается обод шестерни). После закалки следует низкий отпуск. Если такие шестерни изготовлены из среднеуглеродистой стали типа 45 или 40Х, то после закалки твердость на поверхности зуба достигает HRC 60, а сердцевины — HRC 45—55. Это приводит к повышенной хрупкости зубьев, и потому делает непригодными такие шестерни для работы в условиях больших, особенно ударных нагрузок.

На многих заводах метод сквозного нагрева ТВЧ успешно применяется для тяжело нагруженных шестерен со средней величиной модуля (4—10 мм). Но в этом случае используют специальную сталь пониженной прокаливаемости марки 55ПП. Такой метод, разработанный К. З. Шепеляковским, известен под названием объемноповерхностной закалки при глубинном нагреве. Он позволяет получить на шестернях поверхностно-закаленный слой глубиной ~2 мм. Сердцевина же зуба при этом остается вязкой с твердостью HRC 30—35. Это обеспечивает высокую работоспособность таких деталей, и они по своим качествам не уступают дорогостоящим шестерням из хромоникелевой стали, которые подвергаются более сложной обработке (цементации и закалке).

Крупные шестерни с модулем более 10 мм закаливают одним из двух методов: по зубу или по впадине. При закалке по первому методу нагревается и закаливается только боковая поверхность зуба, а по второму — нагревается и закаливается боковая поверхность и впадина (рис. 67). В условиях эксплуатации, когда зуб одной шестерни давит на зуб другой, наиболее опасные растягивающие напряжения испытывает основание зуба, у впадины, поэтому второй метод, при котором закаливается не только боковая поверхность зуба, но и впадина, дает наибольший эффект упрочнения. Но его можно применять лишь для шестерен с достаточно крупным модулем, чтобы во впадине мог разместиться индуктор.

Если длина зуба сравнительно небольшая, то нагрев индуктором производится одновременно по всей длине. В крупномодульных шестернях, когда зуб имеет большую длину, нагрев осуществляется последовательно, путем перемещения индуктора по всей длине зуба.

Наибольшее распространение для упрочнения зубчатых колес получили методы химико-термической обработки — цементация и нитроцементация. В массовом производстве, особенно в автомобилестроении, преимущественно применяется нитроцементация. При обработке крупных зубчатых колес, работающих при высоких давлениях, когда необходима сравнительно большая глубина слоя, применяется цементация. Для газовой цементации и нитроцементации используется однотипное оборудование — шахтные печи, камерные универсальные автоматизированные печи и безмуфельные агрегаты непрерывного действия.

Классы прочности резьбовых соединений

Вопрос прочности резьбового соединения является одним из самых важных при выборе таких крепёжных элементов как болт, винт, шпилька или гайка. Прочность этих изделий зависит не только от механических свойств исходного материала, но также и от технологического процесса изготовления, в ходе которого эти свойства могут изменяться. При производстве крепёжного изделия заданной прочности подбирается не только определённый материал, но и задаются необходимые режимы термообработки.

Все производимые из углеродистой стали крепёжные изделия, имеющие наружную метрическую резьбу: болты, винты, шпильки - принято подразделять по прочности на 10 классов:

3.6

4.6

4.8

5.6

5.8

6.8

8.8

9.8

10.9

12.9

Эти классы прочности обозначаются двумя числами, разделёнными между собой точкой.

Первое число – это уменьшенное в 100 раз минимальное значение предела прочности (отношения разрушающей растягивающей нагрузки к площади напряжённого поперечного сечения), выраженного в Н/мм². Так, например, у класса прочности 8.8 первое число означает, что у изделия, относящегося к этому классу, предел прочности будет не менее 800 Н/мм².

Второе число – это увеличенное в 10 раз отношение минимального предела текучести (напряжения, при котором уже начинается пластическая деформация) к пределу прочности. Например, у класса прочности 10.9 второе число означает, что у изделия, относящегося к этому классу, минимальный предел текучести будет равен 90% от значения предела прочности на растяжение, то есть будет равен: 1000х0,9=900(Н/мм²). Если, например, сравнить два класса прочности 4.6 и 4.8, то можно сказать, что у изделий, изготовленных по этим классам, минимальный предел прочности будет одинаков – 400 Н/мм², а вот пластическая деформация у изделия по первому классу начнётся раньше, чем у изделия по второму, то есть в первом случае минимальный предел текучести будет 400х0,6=240(Н/мм²), а во втором – 400х0,8= 320(Н/мм²).

Согласно существующим международным нормам, изготавливаемые из углеродистой стали болты, винты и шпильки с диаметром резьбы более М5, по возможности маркируются соответствующим классом прочности на головке или торце изделия.

Гайки нормальной высоты (0,8 d), изготовленные из углеродистой стали, также маркируются соответствующим классом прочности, но при этом используется только одно число.

Классы прочности гаек:

4

5

6

8

10

12

Число, обозначающее класс прочности гайки, - это уменьшенное в 100 раз минимальное значение предела прочности болта, в паре с которым гайка может работать и полностью выдерживать нагрузку, то есть, например, гайка класса прочности 10 может использоваться в паре с болтом, у которого минимальный предел прочности равен 1000 Н/мм², т.е. с болтом класса прочности 10.9.

Болты, винты, шпильки и гайки, изготавливаемые из нержавеющих сталей, также классифицируются по прочности, но система обозначения классов прочности отличается от системы обозначения классов прочности для изделий из углеродистой стали. Так для изделий из нержавеющей стали существуют только три класса: -50, -70 и -80. Эти числа – уменьшенные в 10 раз минимальные значения пределов прочности, т.е. 500, 700 и 800 Н/мм². Кроме числового обозначения предела прочности у изделий из нержавеющей стали в маркировке присутствует ещё и марка стали. Например, маркировка А4-70 на головке болта означает, что данный болт изготовлен из аустенитной нержавеющей стали А4 (обозначение в системе EN ISO), минимальный предел прочности – 700 Н/мм².