ФГАУ ВПО
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина
Кафедра «Термообработки и физики металлов»
Проектирование участка термической обработки зубчатых колес
Курсовая работа
Пояснительная записка
Руководитель
доцент, к.т.н. С.Л.Демаков
Студент:
Группа Мт-47071 Н.В.Белоногова
Екатеринбург
2010
ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Разработать участок термической обработки зубчатых колес.
Дано: зубчатое колесо тяжелонагруженное, модуль 4, Ø внешний 168 мм, Ø внутренний 40 мм, толщина 32 мм, твердость наружная 58..60 HRC.
РЕФЕРАТ
Пояснительная записка содержит 22с., 6 табл., 8 лит. Ист., 1 прил.
ЗУБЧАТОЕ КОЛЕСО, ТВЕРДОСТЬ, ЦЕМЕНТАЦИЯ, ДЕФОРМАЦИЯ, ТОЛКАТЕЛЬНАЯ ПЕЧЬ.
Объектом работы является разработка технологии термической обработки тяжелонагруженного зубчатого колеса и выбор оборудования для осуществления разработанной технологии.
ВВЕДЕНИЕ……………...………………………………………………………...5
1ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ……………………………...6
1.1Описание детали……………………………………………………………….6
1.2Требования предъявляемые зубьям шестерен.………………………………6
1.3 Обоснование выбора материала……………………………………………...6
1.4 Выбор и обоснование режима термической обработки…………………..10
1.5 Контроль качества цементованных деталей………………………………...12
1.6 Деформация зубчатых колес при термической обработки………………...14
1.7 Методы и средства контроля зубчатых колес………………………..……15
2 ВЫБОР ОБОРУДОВАНИЯ………………………….………………………..16
2.1 Поточная толкательная печь для цементации……………………………..16
2.2 Закалочный бак……………………………………………………………....18
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….20
ПРИЛОЖЕНИЕ 1………………….…………………………………………….21
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ……………………...…….22
ВВЕДЕНИЕ
Современные машины и механизмы трудно представить без зубчатых колес. В технике используют огромное количество шестерен. Лишь в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении общее количество ежегодно изготовляемых шестерен составляет около 50 млн. штук. Крупнейшими производителями шестерен являются также автомобильная промышленность и станкостроение. Основной объем производства составляют цилиндрические шестерни (прямозубые и косозубые), в большом количестве изготавливают также конические шестерни, значительно меньше – шестерни червячных и комбинированных передач. Наиболее массовыми являются шестерни коробок передач и трансмиссий автомобилей и тракторов, шестерни механизмов газораспределения двигателей внутреннего сгорания шестерни металлообрабатывающих станков.
1 Технология термической обработки
1.1Описание детали
Зубчатое колесо (шестерня) — основная деталь зубчатой передачи в виде диска с зубьями на цилиндрической или конической поверхности, входящими в зацепление с зубьями другого зубчатого колеса. Однако часто все зубчатые колёса называют шестернями.
Зубчатые передачи применяют в различных механизмах, машинах и приборах для передачи вращательного движения между параллельными, пересекающимися и скрещивающимися осями валов, а также для преобразования вращательного движения в поступательное. Высокий КПД, компактность конструкций, плавность работы, высокая точность, возможность передавать силы практически под любым углом, с большим диапазоном скоростей и передаточных чисел способствовали широкому распространению зубчатых передач в автомобилях, тракторах, металлорежущих станках, самолетах, редукторах, приборах и т.д.
Сопряженная зубчатая передача состоит из ведущего и ведомого элементов. Зубчатое колесо, передающее вращение, называют ведущим. Колесо, приводимое во вращении, - ведомым. Зубчатая передача обычно состоит из пары колес, одно из них имеет большее число зубьев, другое меньшее. Элемент зубчатой передачи, имеющий меньшее число зубьев, называют шестерней, а элемент с большим числом зубьев – колесом.[1] Однако часто все зубчатые колёса называют шестернями.
1.2Требования предъявляемые зубьям шестерен
Условия работы шестерен определяются их быстроходностью, уровнем контактных и изгибающих нагрузок.
В процессе эксплуатации зубья шестерен подвергаются:
- изгибу при максимальном однократном нагружении (при резком торможении, заклинивании, при приложении максимального крутящего момента);
- изгибу при многократных циклических нагрузках, вследствие чего в корне зуба развиваются наибольшие напряжения и может происходить усталостное разрушение. Напряжения изгиба могут быть весьма большими, так в некоторых шестернях коробки передач автомобилей ЗИЛ они превышают 600 МПа;
- контактным напряжением на боковых рабочих поверхностях зубьев, приводящим к образованию контактно-усталостного выкрашивания (питтинга);
- износу боковых поверхностей (из-за попадания абразивных частиц, грязи, пыли в зону контакта) либо торцевых поверхностей зубьев (при переключении передач в коробках передач). При относительном скольжении в условиях недостаточной смазки либо без смазки на рабочих поверхностях зубьев может происходить «схватывание» и образование грубых задиров, приводящих к катастрофически быстрому (в течение нескольких часов) изнашиванию шестерен.[2]
Зубья шестерен должны иметь высокую поверхностную твердость и износостойкость при вязкой сердцевине. Твердость поверхности зуба должна составлять 58…60 HRC.[3]
1.3 Обоснование выбора материала
Для зубчатых колёс можно применять конструкционные цементуемые или улучшаемые стали. Учитывая, что по техническим требованиям требуются высокие характеристики, следует обратиться к легированным сталям.
Общими требованиями для упрочняемых сталей является следующее:
а) достаточно высокая прокаливаемость и закаливаемость, позволяющие обеспечить требуемую твердость поверхностного слоя и сердцевины зубьев при закалке в масле. Углеродистые стали для шестерен не применяют, так как они требуют закалки с охлаждением в воде, что сопровождается повышенной деформацией;
б) технологичность для насыщения, определяемая малой склонностью к чрезмерному перенасыщению поверхности углеродом и азотом и внутреннему окислению;
в) хорошая обрабатываемость резанием, что особенно важно в условиях массового производства;
г) технологичность для термической обработки после насыщения.
Так как нам необходима высокая поверхностная твердость и вязкая сердцевина, поэтому мы ориентируемся на выборе химико-термической обработки.
Рассмотрим сталь, предложенную по заданию – 20ХНР.
Сталь 20ХНР конструкционная малоуглеродистая легированная, упрочняемая химико-термической обработкой (цементацией).
Заменитель - сталь 20ХН.
Вид поставки - сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 2590-71, ГОСТ 2591-71, ГОСТ 2879-69. Калиброванный пруток ГОСТ 4543-71, ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78. Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 4543-71, ГОСТ 14955-77. Полоса ГОСТ 103-76. Поковки и кованые заготовки ГОСТ 4543-71, ГОСТ 1133-71.
Назначение - зубчатые колеса, валы-шестерни, червяки, кулачковые муфты, валики, пальцы, втулки и другие нагруженные крупные детали, работающие в условиях ударных нагрузок.
Таблица 1. Химический состав стали 20ХНР
Бор (B) |
0.001-0.005 |
Кремний (Si) |
0.17-0.37 |
Медь (Cu), не более |
0.30 |
Марганец (Mn) |
0.60-0.90 |
Никель (Ni) |
0.80-1.10 |
Титан (Ti), не более |
0.06 |
Фосфор (P), не более |
0.035 |
Хром (Cr) |
0.70-1.10 |
Сера (S), не более |
0.035 |
Легирование
Углерод – содержание 0,2%.
Обычно для цементации используют низкоуглеродистые стали (0,1-0,18% С). Для цементации крупногабаритных деталей, таких, как заданная, чаще применяют стали с более высоким содержанием углерода (0,2-0,3%). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки.
Легирующие элементы, присутствующие в стали, оказывают влияние на структуру цементуемого слоя, механизм его образования и скорость диффузии. В случае цементации сталей, легированных карбидообразующими элементами, при температуре диффузии возможно образование двухфазного слоя из аустенита и карбидов глобулярной формы. При этом аустенит обедняется углеродом и карбидообразующими элементами ( Cr, Mn) и на поверхности после закалки образуются немартенситные структуры, способствующие снижению твердости и особенно предела выносливости. Суммарная концентрация углерода на поверхности цементированного слоя сталей, легированных карбидообразующими элементами, может достигать 1,5-2,0% и более (М.Ю. Лахтин Металловедение).
Хром - 0.70-1.10%, марганец - 0.60-0.90 – карбидообразующие элементы, увеличивают энергию активации Q, уменьшают коэффициент диффузии углерода в аустените, увеличивают глубину цементованного слоя после цементации.
Никель - 0.80-1.10% повышает вязкость цементованного слоя и сердцевины и понижает порог хладноломкости.
Бор - 0.001-0.005 увеличивает прокаливаемость сердцевины.
Важно отметить, что 20ХНР обладает наследственной мелкозернистостью и высокой прокаливаемостью, допускает возможность непосредственной закалки после цементации.
Механические свойства
Механические свойства в зависимости от температуры отпуска
Закалка 860 °С, масло. Охлаждение после отпуска в масле
t отпуска, °С |
s0,2, МПа |
sB, МПа |
d5, % |
y, % |
KCU, Дж/м2 |
HRCэ |
200 |
1220 |
1520 |
10 |
54 |
49 |
47 |
300 |
1200 |
1400 |
|
|
49 |
46 |
400 |
1180 |
1250 |
11 |
57 |
69 |
43 |
500 |
880 |
980 |
14 |
64 |
127 |
34 |
600 |
740 |
780 |
16 |
65 |
172 |
28 |
Механические свойства в зависимости от сечения
Нормализация 930 °С, воздух. Закалка 840 °С, масло. Отпуск 200 °С, воздух
Сечение, мм |
s0,2, МПа |
sB, МПа |
d5, % |
y, % |
KCU, Дж/м2 |
HB |
25 |
1370 |
1420 |
14 |
60 |
108 |
418 |
50 |
1110 |
1200 |
|
62 |
147 |
340 |
75 |
970 |
1060 |
15 |
60 |
108 |
302 |
100 |
920 |
1000 |
15 |
60 |
127 |
302 |
150 |
830 |
1000 |
16 |
|
98 |
286 |
Технологические свойства
Температура ковки |
Начала 1150, конца 800 |
Свариваемость РДС. |
Рекомендуется подогрев и последующая термообработка. |
Склонность к отпускной способности |
Склонна |
Флокеночувствительность |
Чувствительна |
Температура критических точек
Критическая точка |
°С |
Ac1 |
740 |
Ac3 |
830 |
Ar3 |
725 |
Ar1 |
650 |
Ударная вязкость
Ударная вязкость, KCU, Дж/см2
Состояние поставки, термообработка |
+20 |
-20 |
-40 |
-60 |
Закалка 860 С, масло. Отпуск 200 С, масло, HRCэ 47 |
61 |
61 |
62 |
60 |
Закалка 860 С, масло. Отпуск 500 С, масло. HRCэ 33 |
125 |
110 |
120 |
117 |
Твердость
Состояние поставки, режим термообработки |
HRCэ поверхности |
HRCэ сердцевины |
Цементация 930 С, охлаждение замедленное в колодцах или ящиках. Закалка 820-840 С, масло. Отпуск 180-200 С, воздух. |
57-63 |
37-47 |
Прокаливаемость
Закалка 860 С. Твердость для полос прокаливаемости HRCэ
Расстояние от торца, мм / HRC э |
|||||||||
1.5 |
3 |
4.5 |
6 |
9 |
12 |
15 |
21 |
27 |
239 |
43-48.5 |
43.5-49 |
43-49.5 |
42.5-49.5 |
41-49.5 |
39.5-49 |
38-48.5 |
35-47.5 |
31-45 |
26-40 |
Термообработка |
Кол-во мартенсита, % |
Крит.диам. в масле, мм |
Крит. твердость, HRCэ |
Закалка 880 С, масло. |
50 |
38 |
39 |
При работе со сталью 20ХНР существует ряд сложностей. Сталь содержит никель, а так как он дефицитный, то применять такую сталь не желательно. Стали с 0,06 % титана, имеют недостаток - склонность к внутреннему окислению при газовой цементации, что приводит к снижению твердости слоя и предела выносливости. Данная сталь склонна к отпускной хрупкости. Титан уменьшает чувствительность стали к перегреву, а также измельчает зерно, тем самым ухудшает обрабатываемость.
Титан относится к числу элементов, образующих в стали труднорастворимые карбиды не переходящие в твердый раствор даже при нагреве до 1250 – 1300 °С. Вследствие этого при закалке с относительно низких температур большая часть титана остается связанной в виде карбидов и лишь незначительная его часть переходит в твердый раствор. Проявляя зародышевое действие и ввязывая углерод в карбиды, титан оказывает отрицательное влияние на прокаливаемость стали. Часть титана, перешедшая в твердый раствор, увеличивает прокаливаемость. Влияние титана на прокаливаемость стали зависит от его содержания, от температуры закалки и от присутствия других элементов.[5] Одновременное введение в сталь хрома и марганца повышает её прокаливаемость и прочностные свойства.
Легированные стали хромом, никелем, марганцем применяют для изготовления высоконагруженных зубчатых колес. [1]
