3.3.Матеріали зубчастих коліс та способи зміцнення зубців

Міцність передачі залежить від матеріалу зубчастих коліс та способу їх хіміко-термічної обробки. Під час виборі матеріалу та способу зміцнення коліс необхідно враховувати призначення передачі, її режим роботи, вимоги до габариту та ваги, технологічні вимоги, які пов’язані з обсягом виробництва та можливостями конкретного підприємства, економічні вимоги, пов’язані з коштом матеріалу та витратами на технологію зміцнення, спосіб отримання заготівки та подальшої механічної обробки тощо.

Звісно, що економічні вимоги пов’язані з технологічними, і особливо з обсягом виробництва – чим більша серія, тим більш обґрунтовані витрати на сучасні технології.

Слід пам’ятати, що в термічно необробленому стані механічні характеристики майже усіх марок сталей близькі, тому використання легованих сталей без термічної обробки недопустимо.

Таблиця 3.7 Розміри, що впливають на механічні характеристики деталі

Вал-шестерня, черв’як		Колесо
		чи

Примітка. При суцільному диску колеса – .

Таблиця 3.8 Механічні характеристики сталей

Марка	Переріз (мм)		Твердість H		Напруження (МПа)		Термо- обробка
	D	S	серцевини (НВ)	поверхні (НRС)	в	т
45	–	–	163…192	–	550	270	Н
	125	80	179…207	–	680	320	Н
	80	50	269…302	–	890	630	П
40Х	200	125	235…262	–	790	640	П
	125	80	269…302	–	900	750	П
	125	80	269…302	45…55	1000	800	З, В
40ХН	315	200	235…262		800	630	П
	200	125	269…302		920	750	П
	200	125	269…302	48…53	1000	800	З, В
35ХГСА	315	200	235…262		760	500	П
	200	125	269…302		960	880	П
	125	80	269…302		1100	960	П
	80	50	269…302	46…53	1700	1350	З, В
20Х	125	80	179…207	56…63	650	400	Ц, З, В
12ХН3	200 125	125 80	300…400	56…63	920 1000	700 800	Ц, З, В Ц, З, В
20Х2Н4А 20ХН3А 25ХГМ	200	125	300…400	56…63	1250 900 1000	1070 700 800	Ц, З, В
18ХГТ	200 125	125 80	300…400	56…63	1000 1250	800 950	Ц, З, В
38Х2МЮА	–	–	–	63…65	–	–	А

Примітка. Умовні позначання термічної обробки: А – азотування; З – загартовування; Н – нормалізація; В – відпуск; П – поліпшення; Ц – цементація.

Прогартовування сталей різних марок різна: вуглецевих – найменша, високолегованих – найбільша. Для деталей з великим поперечним перерізом не слід використовувати сталі з малим прогартуванням, тому що в цьому випадку неможливо отримати високу твердість робочих поверхонь.

Під час вибору марки сталі слід враховувати діаметри вал-шестерні та найбільший поперечний переріз вінця колеса з урахуванням припусків на механічну обробку (табл. 3 .7).

Механічні характеристики найбільш поширених для використання сталей з врахуванням розмірів зубчастих коліс наведені в табл. 3 .8.

Для інших сталей, що не знайшли місце в табл. 5.3, межу міцності знаходять:

• для високолегованих сталей – σ_в=3,5·H_HB;

• для всіх інших сталей – σ_в =3,2·H_HB.

Якщо відсутні характеристики утомленості сталей, їх можна розрахувати за формулами:

σ_-1 ≈ 0,43·σ_в;

τ_-1 ≈ 0,6·σ_-1.

Усі зубчасті колеса в залежності від технології виготовлення слід розподілити на дві групи:

• зубчасті колеса, що підлягають термічній обробці до нарізання зубців;

• зубчасті колеса, що підлягають термічній чи хімікотермічній обробці після нарізання зубців.

Твердість робочих поверхонь зубчастих коліс першої групи не перевищує НВ 350. Колеса цієї групи в літературі мають назву “м’яких”. Для їх виготовлення використовують сталі з часткою вуглецю 0,3…0,5 % (марки 45, 50, 50Г, 40Х, 38ХС та ін.). Такі колеса мають невелику навантажувальну спроможність та значні габарити, але їх кінематична точність достатньо висока.

Твердість робочих поверхонь коліс другої групи значно більша (HRC>40). Такі колеса мають назву “твердих” і використовують переважно в середньо- та високонавантажених зубчастих передачах. Для їх виготовлення використовують сталі з часткою вуглецю 0,35…0,5 % з об’ємним гартуванням. В такому разі твердість робочих поверхонь не перевищує HRC 55. Для виготовлення зубчастих коліс з твердістю робочих поверхонь HRC 56…63 та вище використовують сталі, що підлягають хіміко-термічній обробці (цементації, нітроцементації, азотуванню): 20Х, 12ХНЗ, 20ХНЗ, 20Х2Н4А, 18ХНМА, 18ХГМ, 18ХГТ, 25ХГТ, 15ХГНТА, 25Х2ГНТА, 20ХГР, 20ХГНР та ін.

Міцність зубчастих коліс, що пройшли цементацію та загартування, суттєво залежить від якостей поверхневого шару (насиченості вуглецем, мікроструктури, твердості), глибини шару та міцності серцевини.

Досить широке розповсюдження знайшло гартування з нагріву струмом високої частоти, яка дає можливість отримати середню навантажувальну спроможність за досить простіої технології. В цьому випадку маємо твердість робочих поверхонь HRC 40…50. Принциповий недолік цієї технології – втрата близько двох ступенів точності від жолоблення деталі.

Оптимальна глибина загартованого шару 0,6…0,8 (мм) (інколи до 1,2…1,4 (мм)). Зубці з модулем m<6 (мм) мають суцільне гартування, при модулі m≥ 6 (мм) – зубці загартовують по контуру.

Викружка зуба гартується погано, та і весь твердий шар на поверхні зуба має не однакову товщину. Рівномірність товщини поверхневого зміцненого шару при гартуванні з індукційного нагріву залежить, головним чином, від типу індуктора. Експлуатація зубчастих коліс, що були зміцнені індукційним гартуванням, показує, що вони мають менший термін працездатності, ніж цементовані чи виконані з об’ємним гартуванням.

Об’ємне гартування підвищує навантажувальну здатність до середньої. Технологія проста, жолоблення помірне, втрачається лише одна ступінь кінематичної точності. Цементація забезпечує високу навантажувальну здатність та стабільність показників. Недоліком цього способу є велике жолоблення, втрата двох ступенів кінематичної точності.

Цементація та послідуюче об’ємне гартування підвищує рівень витривалості зубців у порівнянні з об’ємним гартуванням за однакових механічних характеристик серцевини в 1,5…1,6 разів.

Контактна міцність цементованих зубчастих коліс у порівнянні з нормалізованими та поліпшеними приблизно в 5 разів вище. Похибка точності на дві ступені від жолоблення при виготовленні цементованих коліс вимагає шліфовку робочого профілю зубців з досягненням класу шорсткості поверхонь Ra=0,8…0,63 (мкм). Глибина обов’язкової обробки шліфуванням повинна бути не менш 0,12…0,25 (мм), щоб зняти поверхневий шар металу, який пересичений вуглецем та твердими карбідами.