2. Выбор материалов и термической обработки зубчатых колес

Расчет и проектирование зубчатых передач начинают с выбора материала и вида термической обработки. При этом учитывают условия работы передач, требования к весу и габаритам, технологические возможности производства (в том числе наличие необходимого оборудования), возможность выполнения принятой термической или химико-термической обработки и ее продолжительность, стоимость заготовки и ее обработки.

Для изготовления зубчатых колес ¹, в основном, применяют углеродистые и легированные стали. При недостатке смазки, например, в открытых передачах, а также в малонагруженных передачах можно использовать зубчатые колеса из серого или высокопрочного чугуна (при скоростях до 4-5 м/с). Неметаллические зубчатые колеса применяют сравнительно редко в слабонагруженных передачах для уменьшения шума и вибраций.

Механические свойства сталей, применяемых для изготовления зубчатых колес, приведены в табл. 2.1 (подробные сведения о сталях см. в литературе [10]).

Стальные зубчатые колеса передачи могут быть незакаленными (Н₁ и Н₂  350 НВ), иметь высокую твердость (Н₁ и Н₂  350 НВ) или большой перепад твердостей поверхностей зубьев (Н₁  350 НВ, Н₂  350 НВ).

 Зубчатые колеса, имеющие твердость Н_1,2  350 НВ(Н_1,2  40 HRC_э) легко поддаются механической обработке после нормализации или улучшения. Такие колеса чаще применяют в единичном и мелкосерийном производстве, а также для передач, к массе и габаритам которых не предъявляют особых требований, либо когда по условиям компоновки необходимо увеличение размеров колес. Благодаря невысокой твердости зубчатые колеса хорошо прирабатываются. При выборе материалов учитывают, что у шестерни число циклов нагружения и напряжения изгиба больше, чем у колеса. Поэтому для обеспечения равнопрочности, а также устранения задиров и заеданий, необходимо, чтобы у прямозубых передач с Н  350 НВ твердость шестерни превышала твердость колеса на 25-50 единиц НВ, а у косозубых и шевронных – на 50-100 единиц. При Н  350 НВ возможны, например, следующие сочетания марок сталей для шестерни и колеса (соответственно числитель и знаменатель):

.

 Зубчатые передачи с Н₁  350 НВ и Н₂  350 НВ могут иметь более значительную разность твердостей (более 100 единиц НВ). Шестерни при этом подвергают закалке, а колеса – улучшению. Применение таких пар позволяет повысить допускаемые напряжения, а у передач с внутренним зацеплением, кроме того, избежать закалки зубьев колеса, т. к. чистовая обработка закаленных колес с внутренними зубьями весьма затруднительна, а в ряде случаев практически невозможна. Передачи, имеющие большой перепад твердостей зубчатых колес, относят к числу прирабатывающихся.

Таблица 2.1

Марка стали	Диаметр заготовки, мм	b, МПа	Т 1, МПа	Твердость, НВ				Термическая обработка	Относительная стоимость стали
				сердце- вины, Нк			поверх- ности, Н0
1	2	3	4	5			6	7	8
35	Любой	470	245	140-179				Нормализация	1
40	до 100 100-300 300-500	530 530 470	275 275 245	156-197 156-197 143-179				Нормализация	1
	до 100 100-300 300-500	590 570 530	345 315 275	174-217 167-207 156-197				Улучшение
45	до 100 100-300 300-500	530 530 470	275 275 245	156-197 156-197 143-179				Нормализация	1
	60-90 90-120 120-250	785 735 685	441 392 343	207-236 194-222 180-207				Улучшение
	до 250	750	450	192-240	48-53HRCэ			Улучшение + закалка ТВЧ
50	до 100 100-300 300-500	620 600 580	320 300 290	180-229				Нормализация	1,01
	до 80	700-800	530	228-255				Улучшение
50Г	до 150 150-400	638 609	364 314	190-230				Нормализация	1,06
	до 100 100-200	736 686	412 392	241-285				Улучшение
50Г2	до 80 100-300	740 690	400 350	195-240				Нормализация
	до 100	790	440	269-320				Улучшение
35Х	до 200	740	490	220-260				Улучшение	1,05
35ХМ	до 200 200-315	920 800	790 670	269-302 235-262				Улучшение	1,46
	до 200	920	790	269-302		48-53HRCэ		Улучшение + закалка ТВЧ
40Х	до 60 100-200 200-300 300-600	981 765 736 686	785 490 490 441	200-230				Нормализация	1,29
	до 120 120-150 150-180 180-250	932 885 835 785	689 589 540 490	237-285 243-271 230-257 215-243				Улучшение

Продолжение табл. 2.1

1	2	3	4	5	6	7	8
40Х	до 250	900	750	262-302	51-56HRCэ	Улучшение + закалка ТВЧ	1,29
	до 125	981	835	–	46-51HRCэ	Объемная закалка 1
40ХН	до 200 200-315 315-500 3	920 800 750	750 630 560	269-302 235-262 230-260		Улучшение	2,01
	до 200	920	750	269-302	52-58HRCэ	Улучшение + закалка ТВЧ
18ХГТ	до 200	1000	800	300-400	57-64HRCэ	Улучшение + цементация + закалка	1,16
12ХН3А							2,38
20ХН2М							2,13
25ХГМ	до 200	1000	800	300-400	57-64HRCэ	Улучшение + цементация + закалка ТВЧ	1,81
40ХНМА	до 125	980	780	269-302	51-57HRCэ	Улучшение + азотирование	2,92
38ХМЮА	Любой	980	830	302-341	59-66HRCэ	Улучшение + азотирование	2,27
35Л 2	Любой	550	270	163-207		Нормализация	–
38ХНЛ	Любой	500	300	145-180		Нормализация	–
45Л	до 315	680	440	207-235		Улучшение	–
50ГЛ	до 315	850	600	235-262		Улучшение	–

 Зубчатые колеса с твердостью поверхностного слоя Н_1,2  350 НВ (Н_1,2  40 HRC_э) используют для средне- и тяжелонагруженных передач, чтобы уменьшить габариты колес. Повышенной твердости достигают, применяя поверхностную или объемную закалку, цементацию (насыщение углеродом) с последующей закалкой, азотирование (насыщение азотом на глубину 0,15-0,7 мм) и другие виды химико-термической обработки. Твердость рабочих поверхностей зубьев шестерни и колеса у передач с Н  40 HRC_э отличается не очень значительно. Для обеспечения равнопрочности необходимо, чтобы Н₁ несколько превосходило Н₂. Для этого можно предварительно принимать нижний предел твердости Н₁ у шестерни примерно равным верхнему пределу Н₂ у колеса (табл. 2.1), например, Н₂ = 48-53 HRC_э, Н₁=51-56 HRC_э; Н₂=52-58 HRC_э, Н₁=57-64 HRC_э и т. д. Передачи относят к числу неприрабатывающихся. Открытые передачи, даже с колесами высокой твердости, относят к числу прирабатывающихся и выполняют чаще прямозубыми.

У колес, подвергаемых цементации, глубина цементированного слоя принимается равной (0,2 – 0,25)·m_n при нормальном модуле m_n  4 мм и при m_n  4 мм, но не более 1,4-2,0 мм. Зубчатые колеса, подвергаемые цементации, применяют при жестких требованиях к габаритам и весу передачи.

При назначении вида термической обработки нужно стремиться к тому, чтобы твердость сердцевины зуба не превышала Н  45-50 HRC_э, дно впадины для увеличения изгибной прочности было закалено на глубину до (0,5-1)·m_n, а закаленный слой повторял очертания впадины (рис. 2.1, а). При закалке токами высокой частоты (ТВЧ) необходимая глубина закаленного слоя может быть найдена из зависимости мм. Она не должна превышать 4 мм. Следует учитывать, что даже при использовании ТВЧ сквозная закалка вместо контурной может получаться в колесах с модулем m_n  4,5 мм (рис. 2.1, б). В этом случае целесообразно применять стали с пониженной прокаленностью, например, сталь 58, У6 и др.

При закалке только по боковым поверхностям (рис. 2.1, в) в зубе возникают значительные внутренние напряжения, поэтому закалка боковых поверхностей зубьев без охвата дна впадины крайне нежелательна.

Рис.2.1. Обработка рабочих поверхностей зубьев

Азотирование зубчатых колес обеспечивает высокую твердость при ничтожно малом короблении зубьев. Это позволяет избегать их шлифования после термообработки, что важно, например, для колес с внутренними зубьями, для крупных колес (более 1 – 1,5 м) и ответственных передач. Азотированию обычно предшествует закалка с высоким отпуском. Увеличение твердости сердцевины предотвращает продавливание твердого, но хрупкого азотированного слоя толщиной 0,2 – 0,5 мм в процессе работы. Твердость и износостойкость азотированных зубьев не уменьшается даже при нагреве до 400 – 500. Длительность процесса азотирования составляет 30 – 60 ч. Стоимость азотируемых сталей высока.

Для упрочнения зубчатых колес наряду с термической или химико-термической обработкой могут применяться различные методы поверхностного механического упрочнения, такие как обкатка роликами или валками-шестернями, дробеструйная обработка, чеканка и др. [11].

Соотношения между твердостями, выраженными в единицах Бринелля (НВ), Роквелла (HRC_э) и Виккерса (HV) приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

ННВ	НHRCэ	Н HV	ННВ	НHRCэ	Н HV	ННВ	НHRCэ	НHV
1	2	3	4	5	6	7	8	9
146 149 153 156 159 163 166 170 174 179 183 187 192 196 202 207 212 217 223	– – – – – – – – – – – – – – – 20,2 21,2 22,2 23,1	147 149 152 154 159 162 165 171 174 177 183 186 190 197 201 209 213 217 221	229 235 241 248 255 262 269 277 286 293 302 311 321 332 340 351 364 375 387	24,0 25,0 26,0 27,0 28,0 29,0 30,0 31,0 31,9 32,9 34,8 35,8 36,8 37,7 38,7 39,6 40,6 41,6 42,5	226 235 240 250 255 261 272 278 285 291 305 312 320 335 344 361 380 390 401	402 418 430 444 460 477 495 512 532 555 578 600 627 652 – –	44,5 45,4 46,4 48,4 49,3 50,3 52,2 53,2 55,2 57,1 59,0 60,0 62,0 63,9 65,8 67,8	423 435 460 474 502 534 551 587 606 649 694 746 803 867 940 1021

Примечание. В технической документации, на чертежах и в расчетах значения Н_HRCэ округляют обычно до целых чисел.

Зубья колес с твердостью Н  40 HRC_э до термической обработки подвергают черновой механической обработке, а после закалки – чистовой (зубошлифованию, хонингованию, электрохимической обработке и др.), что усложняет и удорожает изготовление.

Зубошлифование позволяет устранить неточности предварительной механической обработки, а также искажения профиля после термической или химико-термической обработки. Шлифование, однако, нередко сопровождается (особенно при нарушении режимов обработки) образованием таких поверхностных дефектов, как прижоги, остаточные напряжения, трещины, изменения структуры и др. Шлифованию подвергается либо только рабочая поверхность зубьев (рис.2.1, г), либо вся поверхность, включая переходную поверхность и дно впадины (рис. 2.1, д). В первом случае на поверхности зуба образуется ступенька, являющаяся концентратором напряжения и потенциальным источником усталостных трещин, во втором случае во впадинах нередко наблюдается отпуск металла, появляются трещины, поэтому дно впадины шлифовать нежелательно.

Зубья ответственных передач нередко подвергают продольной или профильной модификации. Она заключается в преднамеренном отклонении поверхности зуба от главной поверхности. Такие виды модификации, как бочкообразная и профильная (называемая прежде «фланкированием»), выполняют с целью уменьшения концентрации нагрузки по ширине зубчатых колес, снижения динамических нагрузок, устранения некоторых дефектов, появляющихся при механической обработке. Так, например, высоконапряженные зубчатые колеса, нарезаемые специальным модифицированным инструментом (червячные фрезы или долбяки с протуберанцем [12, с. 35-39, 363-364]), имеют переходную поверхность зуба, выполненную с поднутрением (рис. 2.1, е). При окончательной обработке таких зубьев шлифовальным кругом (после закалки) или шевером достигается плавное сопряжение рабочей поверхности и переходной кривой. Переходная кривая при отделочной обработке не затрагивается, что позволяет повысить точность обработки, стойкость инструмента и изгибную прочность зуба. Стоимость модифицированного инструмента высока.

Увеличение твердости зубчатых колес приводит к существенному уменьшению их массы и габаритов, но затрудняет равномерное распределение нагрузки по зубьям, особенно в неприрабатывающихся передачах. Это приводит к необходимости повышать их точность, а следовательно, увеличивает трудоемкость и стоимость обработки, т. к. передачи 7-й и более высокой степеней точности требуют применения зубошлифовального и другого специального оборудования и инструментов. В редукторах общего назначения степени точности обычно не выходят за пределы 6-8, металлорежущих станках – 3-7, автомобилях и тракторах – 5-9, крановых механизмах 7-12. Рекомендации по выбору степени точности даны в табл. 2.3; для закрытых передач редукторов обычно принимают степень точности не ниже 8.

Таблица 2.3

Степень точности по ГОСТ 1643-81	Окружные скорости v, м/с, вращения колес (см. п. 1.8)
	прямозубых		непрямозубых
	цилиндри-ческих	конических	цилиндри-ческих	конических
5 и более точные 6 7 8 9	 15 до 15 до 10 до 6 до 2	 12 до 12 до 8 до 4 до 1,5	 30 до 30 до 15 до 10 до 4	 20 до 20 до 10 до 7 до 3

Примечание. На чертежах деталей зубчатых и червячных передач указывают цифрами нормы точности (кинематическая точность, плавность работы, нормы контакта зубьев), а буквами – вид сопряжения и вид допуска на боковой зазор, например, 8-8-7-В_а [13, c. 215-217]. При совпадении трех указанных норм точности, вида сопряжения и вида допуска обозначение упрощается – 8-В. Аналогичное обозначение норм точности используется в табл. 2.3.