книги / Технология производства и методы обеспечения качества зубчатых колес и передач

2. Проектирование профилен зубьев и расчет их напряженного состояния. Расчет сопротивления ус­

талости при изгибе, поверхностной и глубинной контактной усталости зубьев. Прогнозирование долговечности.

_____________________ 1____________________

3. Выбор оптимальных характеристик упрочненного слоя (твердость, аффективная толщина, микроструктура) зубчатых колее, обеспечивающих заданную долговечность.______________________

_____________________ 1____________________

4. Выбор марки стали, исследование нрокалнвасмостн ее цементованных слоев и сердцевины; выбор оптимальной технологии изготовления._________________________________________________

_____________________ I____________________

5. Разработка параметров технологического процесса ХТО зубчатых колее на базе их математиче­ ских моделей и расчета на ЭВМ. обеспечивающих оптимальные характеристики цементованного слоя н сердцевины.___________________________________________________________________

_____________________ 1____________________

6. Опытно промышленная проверка разработанных технологических процессов. Стендовые испыта­ ния и исследования опытных партий зубчатых колее. Уточнение технических требований к качеству высокопанряженпых зубчатых колее заданной долговечности, изготовленных по технологии коикрстного производства._________________________________

____________________________ i___________________________

7. Разработка промышленной тсхнолопш ХТО зубчатых колее с автоматическим регулированием углеродного потенциала науглероживающей атмосферы при цементации и регулируемыми условия­ ми нагрева и охлаждения при последующей обработке, обеспечивающей оптимальные твердость, эф­ фективную толщину слоя, структуру слоя и сердцевины.

Такой подход при практическом применении позволяет в ряде случаев не только ус­ тановить трудноопределимые технологические и конструктивные факторы, ответствен­ ные за понижение долговечности зубчатых колес силовых передач, но и более оперативно выявлять пути повышения долговечности, поиск которых обычно связан с проведением трудоемких и длительиых, многократных натурных испытаний.

Из табл. 7.13 видно, что первым этапом является оценка конструкции, установление уровня нагружеиности конкретной передачи и выявление экономической целесообразно­ сти в предъявлении дополнительных требований к качеству зубчатых колес. На этой ста­ дии производится определение и анализ напряженного состояния зубьев зубчатых колес с учетом их реальной геометрии, конструктивных особенностей и спектра эксплуатацион­ ных нагрузок передач.

Исходными данными в этом случае являются: геометрические параметры зубьев и ре­ зультаты их экспериментального определения в производственных условиях после фи­ нишных операций; базы данных по предельным характеристикам сопротивления устало­ сти материала зубчатых колес, результаты экспериментальных исследований нагрузоч­ ных режимов передачи в условиях эксплуатации. Результатом анализа являются уровень

нагружешюсти и критерии работоспособности или предельного состояния зубчатых ко­ лес, по которым производится дальнейшее проектирование.

Следующим этапом разработки является расчетное определение параметров цементо­ ванного слоя и сердцевины зубьев с использованием методики прогнозирования долго­ вечности зубчатых колес, обеспечиваемой сопротивлением контактной усталости рабочих поверхностей и усталости зубьев при изгибе [7]. В результате определяются рациональ­ ные характеристики упрочненного слоя и назначаются технические требования к величи­ не твердости и эффективной толщине, а также к качеству структуры цементованного слоя.

Как следует из табл. 7.13, полученные данные используются при разработке про­ мышленной технологии ХТО с учетом возможностей конкретного оборудования, обес­ печивающей рекомендуемое качество и требуемую долговечность зубчатых колес. На этой стадии необходим комплекс работ, включающий: оценку пригодности марки стали; исследование прокаливаемое™ цементованного слоя и сердцевины зубьев; определение с использованием математических моделей и расчетов на ЭВМ требуемого распределе­ ния углерода в цементованных слоях; обследование газовых режимов промышленных печей и охлаждающей способности закалочных баков; разработку режимов цементации с автоматическим регулированием углеродного потенциала печной атмосферы, обеспе­ чивающих заданное распределение углерода по толщине цементованного слоя; разра­ ботку режимов термической обработки после цементации, обеспечивающих заданную эффективную толщину, твердость и структуру цементованного слоя и сердцевины зубь­ ев; опытно-промышленную проверку оборудовании предприятия разработанной техно­ логии ХТО зубчатых колес; стендовые испытания и исследование опытных партий зуб­ чатых колес; уточнение технических требовании к качеству зубчатых колес и разработка промышленной технологии ХТО с автоматическим регулированием углеродного потен­ циала науглероживающей атмосферы при цементации и регулируемыми условиями на­ грева и охлаждения при последующей обработке.

7.4.6.Анализ современного состояния и требования

кпроцессам химико-термической обработки высоконапряженных зубчатых колес силовых передач

Современные промышленные технологии ХТО и перспективы их развития рассмот­ рены в ряде работ [5, 9,21]. Показано, что на отечественных и зарубежных машинострои­ тельных предприятиях с серийным и массовым производством наиболее широко приме­ няются газовая цементация и нитроцементация. На ближайшую перспективу эти техно­ логические процессы сохраняют свое лидерство в серийном и массовом производстве, несмотря на расширяющееся внедрение таких новых методов цементации и нитроцемеитации, как высокотемпературная, вакуумная и ионная химико-термическая обработка, на­ сыщение в азотных атмосферах и в кипящем слое.

Наиболее часто на предприятиях автотракторной промышленности применяют це­ ментацию (нитроцементацию) с регламентированной подачей карбюризатора (шахтные печи типа Ц, СШЦМ и др.) в контролируемой атмосфере (камерные и проходные aq>craты) и в технологической атмосфере с регулируемым углеродным потенциалом.

Основываясь на приведенных выше результатах и опыте промышленности, в работах [6,7] основное внимание уделено технологическим процессам химико-термической обра-

богки с насыщением углеродом в газовых средах. В [7] обобщены результаты исследова­ ния процессов цементации с регламентированной подачей карбюризатора и в контроли­ руемых атмосферах.

При химико-термической обработке с регламентированной подачей карбюризатора используются природный газ или жидкие карбюризаторы (спирт, керосин, синтнн, бензол и др.). Металл насыщается активным углеродом, который образуется при разложении ме­ тана и окиси углерода:

входящих в состав применяемых газов или получающихся при разложении жидких кар­ бюризаторов.

Жидкие карбюризаторы подаются в цементационную печь с помощью капельницы или насоса форсунки. Из капель жидкости непосредственно в печи образуется газообраз­ ная среда, компоненты которой обеспечивают подвод углерода к поверхности детали и ее насыщение. Существенный недостаток жидких карбюризаторов — выделение сажи и кок­ са на поверхности деталей, которое замедляет науглероживание и обусловливает неравно­ мерность толщины и твердости (после закалки детали). Наличие сернистых соединений в насыщающей среде способствует разъеданию деталей и арматуры печи. Углеводороды па­ рафинового ряда (С„Н2п + 2) в процессе разложения выделяют максимальное количество газа, и сажа почти не образуется [57].

Жидкие карбюризаторы применяют в муфельных печах типа «Ц» и др. Температура процесса 930-950 °С. Наиболее рациональным жидким карбюризатором при цементации является синтии. При распаде объема сиитина, эквивалентного по объему с керосином и бензолом, образуется в 1,5-2 раза больше газа, меньше сажи и кокса, в 1,2-2 раза увеличи­ вается скорость цементации и концентрация углерода в слое.

При применении в качестве карбюризатора природного газа состав печной атмосфе­ ры может колебаться в пределах (массовая доля, %): окись углерода (СО) —5-15; водо­ род (Н2) — 70-85; метан (СИ4) - 2-8; углекислый газ (С 02) — 0.5; кислород (0 2) - не бо­ лее 0,5. Диффузионный слой толщиной 1,2-1,7 мм при температуре цементации 930 °С получается за 12-13 ч (без учета времени прогрева и подстуживания детали).

Детали, цементуемые в шахтных печах, подвергают непосредственной закалке после подстуживания или закалке с повторного нагрева.

Подстуживание осуществляется в цементационной печи, или детали перегружаются в другую в печь, температура которой соответствует температуре закалки. При закалке де­ талей с повторного нагрева охлаждение их происходит в специальном колодце или на воз­ духе. Качество цементованного слоя при непосредственной закалке выше, чем при закал­ ке с повторного нагрева.

При цементации в шахтных печах контролируется герметичность печи с помощью монометра и по цвету факела; температурный и временной режимы процесса (по прибо­ рам); состав среды насыщения (по составу печной атмосферы); толщина цементованно­ го слоя (по излому или микроструктуре); качество деталей после окончания хими­ ко-термической обработки по твердости, микроструктуре на образцах свидетеля.

Недостатки способа цементации в шахтных печах:

1) частичное обезуглероживание поверхностных слоев деталей на глубину 0,05-0,10 мм в результате контакта с воздухом (перед закалкой), что обусловливает уменьшение закаливаемости (на указанную глубину) и снижает предел выносливости деталей на 30-35% [43];

Рис. 7.8. Результаты обследования технологических режимов химико-термической обработки и экспертизы качества деталей в шахтных печах

2) невозможность практически обеспечить стабильное автоматическое регулирование углеродного потенциала печной атмосферы, т. е. получение стабильных структур, концен­ трации углерода и толщины слоя в разных зонах по высоте печи (особенно в печах типа Ц-105).

На рис. 7.8 приведены данные обследования шахтных печей и оценки качества хи­ мико-термической обработки деталей многих садок, изготовленных в разное время. Вид­ но, что содержание углерода в поверхностном слое может колебаться от 1,4 до 0,5%, в переходной зоне от 0,6 до 0,35%. Различие в насыщении углеродом наблюдается не только для отдельных садок, но и для деталей одной садки, находящихся в разных местах печи.

Нестабильность насыщения обусловлена существенными колебаниями углеродного потенциала печной атмосферы и неудовлетворительной циркуляцией ее в пространстве шахтных печей.

Из рис. 7.8 также видно, что твердость цементованных слоев деталей после ХТО в шахтных печах колеблется в широких пределах 550-900 HV (55 -64 HR C3) на поверхно­ сти, 450-600 HV в переходной зоне, 300-450 HV в сердцевине, что может приводить к су­ щественным различиям в эффективной толщине деталей даже из одной садки.

Химико-термическая обработка в контролируемых атмосферах осущ ествляется в проходных безмуфельных и камерных агрегатах, универсальных камерных агрегатах са­ дочного типа (СНЦТА, РЕСАТ и др.), обеспечивающих проведение ХТО от нагрева до закалки в защитных атмосферах без доступа воздуха. Чаще всего основой контролируе­ мых атмосфер является эндотермический газ, который получают в специальных эндоге­ нераторах путем конверсии природного газа с воздухом. Используют эндогаз следующе­ го состава (по массе): 17-22% СО; 38-44% Н2; -40% N2; около 1% С 0 2 + Н 20 с добавка­ ми при цементации 2-5% природного газа.

256 Г л а в а 7

Нестабильность насыщения обусловлена тем, что по технологическим условиям заво­ дов технология ХТО на безмуфелышх агрегатах (БМА) не предусматривает непрерывно­ го контроля и регулирования углеродного потенциала атмосферы цементованных печей БМА. Контроль газового режима печей осуществляется по данным газового анализа тех­ нологической атмосферы или периодическим замером ее углеродного потенциала. В этом случае разброс содержания углерода в поверхностных слоях составляет 0,7—1,1 %С, а в пе­ реходной зоне 0,4—0,65 %С (по данным обследования оборудования и результатов иссле­ дований деталей с заданной толщиной слоя 1,2-1,7 мм, приведенным на рис. 7.9). Неста­ бильность насыщения вызывает и существенную дисперсию в твердости и эффективной толщине слоя (при соблюдении заданной толщины слоя 1,2-1,7 мм). Как видно из рис. 7.9, б, твердость деталей разных садок может изменяться от 650 до 900 HV (57-64 HRC3) у поверхности, 450-600 HV в переходной зоне и 300-450 H V — в сердцевине.

Близкие данные по разбросу углерода, твердости и эффективной толщине слоя харак­ терны и для деталей, обработанных в камерных печах типа СНЦТА и РЕСАТ, используе­ мых на многих предприятиях СНГ.

Более прогрессивны технологии с автоматическим регулированием углеродного по­ тенциала печной атмосферы (например, печи фирмы Ipsen, Holcroft, Aichelin, а также СНЦТА, РЕСАТ, оснащенные отечественными системами регулирования углеродного потенциала технологических атмосфер). Однако и в этом случае автоматическое ре­ гулирование обычно производится с точностью ±0,15% С, что приводит к заметному разбросу твердости как у поверхности — от 650 до 750 HV, так и в переходной зоне — от 450 до 600 HV (по данным экспертизы серийных технологий такого типа, приведен­ ным на рис. 7.10).

Как видно из рис. 7.10, после ХТО по применяемым в промышленности техпроцес­ сам газовой цементации наблюдается большой разброс в распределении углерода по толщине слоя деталей разных садок. Даже при применении автоматического регулиро­ вания углеродного потенциала технологической атмосферы с точностью ±0,15%, кото­ рая обеспечивается в производстве, этот разброс вызывает значительную дисперсию прочностных и эксплуатационных свойств деталей. Недостаточная точность регулиро­ вания углеродного потенциала не позволяет обеспечить качество химико-термического упрочнения высоконапряженных деталей, а именно — эффективную толщ ину слоя до твердости 750 HV в пределах (0,05-0,1)т\ до твердости 700 HV - (0,12-0,15)ттг и до твердости 600 HV - (0,20-0,25)771, которая определяет заданное распределение твердо­ сти по толщине слоя. В свою очередь возможность получения заданного распределения твердости по толщине слоя определяется распределением углерода в слое, прокаливаемостью цементованных слоев и сердцевины, а также интенсивностью охлаждения при закалке, которая связана как с характеристиками закалочного оборудования и способом загрузки деталей в нем, так и с размерами и формой деталей.

Задача обеспечения заданного распределения углерода должна решаться при исследо­ вании газовых и температурно-временных режимов цементационных печей, определении характеристик процессов и в конечном итоге расчете режимов цементации по результатам математического моделирования процессов диффузии.

Вопросы обеспечения требуемого качества упрочненных зубчатых колес высокой долговечности рассмотрены в [4, 7] на примере цементации с добавками аммиака в эидогазовой атмосфере с автоматическим регулированием ее углеродного потенциала. Для данного процесса ХТО разработан способ автоматического регулирования углеродного потенциала (Сг) насыщающей атмосферы, обеспечивающий поддержание этой характери­ стики с высокой точностью в пределе ±0,05% С.

7.5. Методология и практические рекомендации по определению требуемых показателей свойств, определяющих несущую способность

поверхностно-упрочненных зубчатых колес

Поскольку ресурс зубчатых передач лимитируется нзгнбнон или контактной прочностью зубьев, то свойства материала поверхностного слоя зубьев при ХТО и их сердцевины должны обеспечивать, прежде всего, высокую сопротивляемость усталостным разрушениям.

Основными характеристиками свойств металла, которые должны указываться в кон­ структорской документации и подвергаться контролю, являются:

—микроструктура упрочненного слоя;

—твердость на поверхности;

—эффективная твердость упрочненного слоя;

—твердость сердцевины (основной металл);

—общая и эффективная толщина упрочненного слоя.

Необходимо обратить внимание на то, что при рассмотрении вопросов, связанных с усталостной прочностью и несущей способностью зубчатых передач, важная роль отво­ дится твердости контактирующих поверхностей зубьев. Это обусловлено тем, что физи­ ко-механические свойства поверхностного слоя материала зубьев, прежде всего, характе­ ризуются его твердостью. Эмпирические зависимости для определения контактной вы­ носливости были установлены А. И. Петрусевичем [58], который па основании результатов своих испытаний, а также ряда других исследователей (Вея, Бакингема, Нимана, Нисихары, Кабаяси и др.) пришел к выводу, что при числе циклов нагружения

> 107 соотношение твердости и предела контактной выносливости испытуемого образца остается величиной постоянной. На рис. 7.11 и 7.12 показаны графики зависимости предела контактной выносливости от твердости, построенные по данным указанных авторов.

Наибольший интерес представляет зависимость предела контактной выносливости от твердости для поверхностно упрочненных и высокотвердых сталей. По данным А. И. Петрусевича, для цементованных деталей с твердостью HRC > 55 предел контактной вынос­ ливости равен тк « 0,8 НВ (МПа). Обобщенные данные, характеризующие зависимость допускаемых напряжений от твердости, приведены в работе [59]. При этом соотношение твердости и предела контактной выносливости практически не отличается от данных

А.И. Петрусевича.

Таким образом, зависимость предела контактной выносливости от твердости в общем случае может быть выражена формулой

где к — коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств материала.

Для цементованных и нитроцементованных автомобильных и тракторных зубчатых колес с твердостью Н > 550 HV в соответствии с рекомендациями [58, 59] можно принять

к = 0,8.

Зависимость (7.6) используется во всех существующих методиках расчета зубчатых колес. Например, в ГОСТ 21354-87 при расчете цементованных и нитроцементованных зубчатых колес рекомендуется предел контактной выносливости определять по формуле О// |im ь = 23 HRC (МПа), что не более чем на 8% отличается от значений по формуле [1]. Из данных многочисленных результатов испытаний следует, что наибольшая сопротив­ ляемость выкрашиванию достигается при 63-65 HRC.

Рис. 7 .1 1 . График зависимости ограниченного предела усталости (на базе 107циклов) от твердо­ сти образцов-роликов поданным различных авторов [58]: 1- Вей (углеродистая сталь); 2 - Ниман (образцы без термообработки); 3 - Бакингем (для всех опытов); 4 - Ниман (углеродистая сталь); 5 - Нисихара; 6 - Ниман (легированная сталь)

Рис. 7 .1 2 . Зависимость предела контактной выносливости от твердости: а — хромомолибдено­ вая сталь: о — индукционная закалка; • — цементация, закалка; 6 — 1 —легированные стали, улуч­ шение; 2 — легированные стали, объемная закалка; 3 — углеродные стали, поверхностная закал­ ка; 4 — легированные стали, цементация; 5 —легированные стали, азотирование

260 Глава 7

Наблюдаемое в ряде случаев при эксплуатации и испытаниях зубчатых передач от­ клонение от обшей тенденции повышения контактной прочности с увеличением твердо­ сти можно объяснить влиянием микроструктуры и, прежде всего, дефектами поверхност­ ного слоя, которые не всегда выявляются при контроле твердости поверхности по методу Роквелла. Однако, даже при наличии дефектов в поверхностном слое, результаты устало­ стных испытаний лучше всего коррелнруются с мнкротвердостыо локальных объемов по­ верхностного слоя зубьев. Этим можно объяснить разницу между верхней и нижней гра­ ницами полей на графике (см. рис. 7.12).

Из-за несовершенства методов контроля микроструктуры и твердости поверхностно­ го слоя зубчатые колеса, имеющие дефекты микроструктуры, могут не соответствовать техническим требованиям чертежей по твердости (56-63 HRC). Это обусловлено тем, что снижение твердости поверхностного слоя из-за дефектов фиксируется только при ее из­ мерении при малых нагрузках на индентор (до 0,1 Н). Однако такие измерения при кон­ троле реальных зубчатых колес в условиях массового производства не производятся из-за необходимости разрушения детали и для приготовления шлифов. Поэтому метод микротвердости применяется только для исследовательских целей. Кроме того, места замера твердости, указываемые в технической документации, обычно располагаются па нерабо­ чих участках зубьев (торец), а измерение твердости в наиболее нагруженных зонах вблизи переходной кривой и на профиле ие производится. В то же время именно в указанных зо­ нах наиболее часто образуются дефекты ХТО. Учитывая изложенное, можно сделать вы­ вод о том, что при поверхностных контактных разрушениях и нзгибной усталости несу­ щая способность зубьев определяется свойствами локальных участков диффузионного слоя толщиной до 200 мкм. Поэтому при оценке качества деталей и расчетах на изгиб и поверхностную контактную прочность должна учитываться фактическая твердость ука­ занной зоны, измеренная при нагрузке на индентор не более 0,1 Н.

Из анализа напряженного состояния зубчатых передач при контактных нагрузках следует, что при статическом или циклическом контактном нагружении первичные разру­ шения в деталях могут образоваться как на поверхности, так и на некоторой глубине. В связи с этим общепризнанной является классификация контактной усталости по прин­ ципу нахождения местоположения источника первичных разрушений: поверхностная или глубинная контактная усталость.

Силовые характеристики контактного взаимодействия, состояние поверхностей зубь­ ев, условия смазки и свойства материала в зоне контакта по-разному влияют на условия возникновения поверхностных и подповерхностных разрушений. Поэтому при оценке контактной прочности и долговечности зубчатых передач требуется раздельный анализ факторов, влияющих на поверхностную и глубинную контактную прочность.

Очевидно, что дефекты микроструктуры будут, прежде всего, приводить к снижению по­ верхностной контактной прочности, износостойкости и нзгибной выносливости зубчатых ко­ лес. Особенно влияние дефектов проявляется при эксплуатации зубчатых колес с нешлифо­ ванными зубьями, на рабочих поверхностях которых дефекты не удаляются при финишных операциях и играют роль концентраторов напряжений. При этом очаги усталостных разру­ шений возникают, прежде всего, в дефектных структурах. Согласно результатам испытаний, при изгибающих и контактных нагрузках долговечность зубчатых колес с дефектами снижа­ ется в среднем на 25-30%. Наибольшую опасность, с точки зрения работоспособности зубча­ тых передач, представляют глубинные разрушения, которые связаны с отслаиванием значи­ тельных участков поверхности и резким повышением удельной контактной нагрузки на не­ поврежденных участках. Это, в свою очередь, способствует дальнейшему интенсивному развитию разрушений. Чаще всего высокоиагруженные зубчатые колеса трансмиссий и при­ водов выходят из строя именно из-за глубинных контактных разрушений. Для возникнове­