Существуют следующие способы изготовления зубчатых колес (обработки зубьев):
- литье (без последующей механической обработки зубьев), для современных машин этот способ применяют редко;
- накатка зубьев на заготовке (также без последующей их обработки);
- нарезание зубьев (т. е. зубья получаются в процессе механической обработки заготовки).
Способ изготовления зубчатых колес выбирают в зависимости от их назначения и по технологическим соображениям.
Для отдельных конструкций машин в массовом производстве применяют способ накатки зубьев. Возможны также штамповка, протягивание и. т. д. В этом случае форма инструмента повторяет очертания впадины зубьев). В большинстве же случаев зубчатые колеса изготовляют нарезанием.
Зубья нарезают, как правило, методами копирования и обкатки. Копирование заключается в прорезании впадин между зубьями с помощью тисковой (рис. 2) или пальцевой (рис. 3) фрезы.
Рис. 2. Нарезание зубьев методом копирования дисковой фрезой
Рис. 3. Нарезание зубьев пальцевой фрезой
|
|
Обработка зубьев по методу обкатки производится инструментами очертаниями, отличными от очертаний нарезаемых зубьев, долбяком (рис.4 - зуб наружного зацепления, рис.5 - зуб внутреннего зацепления), червячной фрезой (рис.6) или инструментальной рейкой (рис.7):
Достоинством метода обкатки (огибания) является то, что он позволяет одним и тем же инструментом изготовлять колеса с зубьями различное формы. Изменяя относительное расположение инструмента и заготовки на станке, можно получать зубья различной формы и толщины (передачи со смещением).
Обкатка по сравнению со способом копирования обеспечивает большую точность и производительность.
Рис.4. Нарезание зубьев наружного зацепления.
Рис.5. Нарезание зубьев внутреннего зацепления
Рис.6. Нарезание зубьев червячной фрезой
Рис.7. Нарезание зубьев инструментальной рейкой
Рис.8. Нарезание зубьев конического колеса
Для достижения высокой точности и малой шероховатости поверхности зубьев после нарезания производится их отделка.
Способы отделки зубьев:
- шлифование - производится методом копирования или обкатки шлифовальным кругом;
- шевингование - выполняется специальным инструментом шевер-шестерней или шевер-рейкой (обкатывая обрабатываемое колесо, шевер отделывает зубья до требуемых точности и шероховатости поверхности);
- притирка - производится с помощью специального чугунного колеса (притира), находящегося в зацеплении с обрабатываемым колесом.
В зависимости от способа получения заготовки зубчатые колеса подразделяют на литые ( рис.9), кованые или штампованные, изготовленные механической обработкой (рис. 10), сварные (рис.11).
|
|
Рис. 9. Литое зубчатое колесо
Рис. 10. Кованое или штампованное
Рис. 11. Сварное зубчатое колесо колесо, механически обработанное
Зубчатые колеса, у которых диаметр впадин незначительно превышает диаметр вала в месте посадки зубчатого колеса, изготовляют за одно целое с валом. Такую конструкцию (рис. 12) называют валом-шестерней. В остальных случаях зубчатое колесо выполняется отдельно, после чего насаживается на вал.
Рис. 12. Вал-шестерня
Колеса диаметром меньше 400 мм имеют форму диска с выточками (см. рис.9) или без выточек. Чаще всего эти колеса изготовляют из поковок. Колеса диаметром более 400-500 мм изготовляют со спицами (рис.13) различного сечения.
Рис. 13. Зубчатое колесо со спицами
При конструировании колеса наиболее важным требованием является его жесткость. Основные соотношения элементов зубчатых колес в зависимости от их конструкции приведены в специальных справочниках.
Для экономии высокопрочных дорогостоящих материалов изготовляют сборные конструкции — бандажированные колеса (рис. 14). В этом случае зубчатый венец колеса изготовляют из качественной стали, а центральную часть делают из менее дорогого материала (например, чугуна).
Рис. 14. Зубчатый венец бандажированного колеса
Для изготовления зубчатых колес применяют следующие материалы:
- сталь углеродистую обыкновенного качества марок Ст5, Ст6; качественную сталь марок 35, 40, 45, 50, 55; легированную сталь марок 12ХНЗА, 30ХГС, 40Х, 35Х, 40ХН, 50Г; сталь 35Л, 45Л, 55Л;
- серый чугун марок СЧ10, СЧ15, СЧ20, СЧ25, СЧ30, СЧ40, высококачественный чугун марок ВЧ50-2, ВЧ45-5;
- неметаллические материалы (текстолит марок ПТК, ПТ, ПТ-1, лигнофоль, бакелит, капрон и др.).
Практикой эксплуатации и специальными исследованиями установлено, что нагрузка, допускаемая по контактной прочности зубьев, определяется в основном твердостью материала. Высокую твердость в сочетании с другими характеристиками, а следовательно, малые габариты и массу передачи можно получить при изготовлении зубчатых колес из сталей, подвергнутых термообработке. Сталь в настоящее время — основной материал для изготовления зубчатых колес и в особенности для зубчатых колес высоконагруженных передач (табл.1).
Таблица 1. Механические свойства сталей
Марка стали | Термообработка | Толщина или диаметр, мм | Твердость | , МПа | , МПа | |
поверхности (НВ) или HRC | сердцевины (НВ) или HRC | |||||
Ст. 5 | Горячекатанный | - | - | - | 500…640 | 260… |
нормализация улучшение улучшение и закалка объем | Любая 80/125 50/80 до (20) 50 | - | 180 – 206 235 – 262 268 – 302 230 - 260 | 820 (920) | 640 (730) | |
20Х | Нормализ. Ц. 3.0.2000С | До 100 До 60 | 56…60 | - - | ||
18Х ГТ | Ц. 3.0.2000С Ц. 3.0.1800С | Образцы до 160 | - 58…62 | - > (240) | ||
25Х ГТ | Ц. 3.0.2000С Ц. 3.0.1900С | Образцы до 40 | - 58…62 | - 30…45 | - | - |
12ХНЗА | Ц. 3.0.1800С Ц. 3.0.2000С | до 100 | 58…63 56…62 | (300) (250) | ||
25Х ГМ | Н. 3.0.2000С Ц. 3.0.1900С | Образцы 40…75 | - 58…61 | - > (250) | - | - |
40Х | Нормализа. улучшение Улучшение У+3 ТВЧ 3.0.5600С 3.0.2000С | до 100 до 200 до 125 до 125 до 20 | (170…220) - - 45…50 - - | - (235…260) (270…300) (270…300) - > 46 | ||
40Х Н | Нормализ. улучшение Улучшение 3. 0. 6500С 3. 0. 1700С 3. 0. 2200С | до 700 200/315 125/200 до 40 до 500 | - - - - > 46 48…54 | - - (270…300) - - - | - | - |
35ХГСА | 3. 0. 6500С 3. 0. 2400С 3. ТВЧ 0. 2000С | до 100 до 30 до 100 | - 44…52 > 48 | (250…300) > 44 - | - | - |
38Х2МЮА | 3. 0. 6400С Азотирован. | - | - 850…1000 | - - | - | - |
Таблица 2
Твердость | Материал | Замечания | |
Улучшение (закалка до малой твердости) | НB =260-300 | Ст.40 Ст.45 Cт.40X Ст.45Х и др. | Окончательная нарезка зубьев после термообработки во избежание коробления |
Закалка | HRC =40-50 | Ст.40Х Ст.40ХН и др. | Необходима шлифовка зубьев по профили для устранения коробления |
Цементация и закалка | HRC = 56-63 | Ст.20Х Ст.18ХГТ Ст.12ХНЗА Ст.20ХНЗА Ст.18ХНЗА | Окончательная обработка зубьев до термообработки. Коробление невелико. |
Закалка ТВЧ | НRC = 50-60 | Ст. 45 Ст.40Х | Только для крупных шестерен с модулем >8 |
Важнейшими критериями работоспособности зубчатых колёс приводов являются объёмная прочность зубьев и износостойкость их активных поверхностей. Нагрузочная способность хорошо смазанных поверхностей ограничивается сопротивлением выкрашиванию. Для уменьшения расхода материалов назначают высокую твёрдость трущихся поверхностей.
|
|
Несущая способность зубчатых передач по контактной прочности тем выше, чем выше поверхностная твердость зубьев. Повышение твердости в два раза позволяет уменьшить массу редуктора примерно в четыре раза.
В зависимости от твердости (или термообработки) стальные зубчатые, колеса разделяют на две основные группы: твердостью Н < 350 НВ — зубчатые колеса, нормализованные или улучшенные; твердостью Н > 350 НВ — с объемной закалкой, закалкой ТВЧ, цементацией, азотированием и др. Эти группы различны по технологии, нагрузочной способности и способности к приработке.
Твердость материала Н < 350 НВ позволяет производить чистовое нарезание зубьев после термообработки. При этом можно получать высокую точность без применения дорогих отделочных операций (шлифовки, притирки и т. п.). Колеса этой группы хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению при динамических нагрузках. Для лучшей приработки зубьев твердость шестерни рекомендуют назначать больше твердости колеса не менее чем на 10...15 единиц:
H1 > H2 + (10...15) HB
Технологические преимущества материала при Н < 350 НВ обеспечили ему широкое распространение в условиях индивидуального и мелкосерийного производства, в мало- и средненагруженных передачах, а также в передачах с большими колесами, термическая обработка которых затруднена.
|
|
При Н>350 НВ (вторая группа материалов) твердость выражается обычно в единицах Роквелла— HRC (1HRC = 10 HB).
Объемная закалка — наиболее простой способ получения высокой твердости зубьев. При этом зуб становится твердым по всему объему. Для объемной закалки используют углеродистые и легированные стали со средним содержанием углерода 0,35...0,5% (стали 45, 40Х, 40ХН и т. д.). Твердость на поверхности зуба 45...55 HRC.
Недостатки объемной закалки: коробление зубьев и необходимость последующих отделочных операций, понижение изгибной прочности при ударных нагрузках (материал приобретает хрупкость); ограничение размеров заготовок, которые могут воспринимать объемную закалку. Последнее связано с тем, что для получения необходимой твердости при закалке скорость охлаждения не должна быть ниже критической. С увеличением размеров сечений детали скорость охлаждения падает, и если ее значение будет меньше критической, то получается так называемая мягкая закалка. Мягкая закалка дает пониженную твердость.
Поверхностная закалка токами высокой частоты или пламенем ацетиленовой горелки обеспечивает Н = (48...54) HRC и применима для сравнительно крупных зубьев (m > 5 мм). При малых модулях опасно прокаливание зуба насквозь, что делает зуб хрупким и сопровождается его короблением. При относительно тонком поверхностном закаливании зуб искажается мало. И все же без дополнительных отделочных операций трудно обеспечить степень точности выше 8-й. Закалка ТВЧ требует специального оборудования и строгого соблюдения режимов обработки. Стоимость обработки ТВЧ значительно возрастает с увеличением размеров колес. Для поверхностной закалки используют стали 40Х, 40ХН, 45 и др.
Цементация (насыщение углеродом поверхностного слоя с последующей закалкой) — длительный и дорогой процесс. Однако она обеспечивает очень высокую твердость (58....63HRC). При закалке после цементации форма зуба искажается, а поэтому требуются отделочные операции. Для цементации применяют низкоуглеродистые стали простые (сталь 15 и 20) и легированные (20Х, 12ХНЗА и др.). Легированные стали обеспечивают повышенную прочность сердцевины и этим предохраняют продавливание хрупкого поверхностного слоя при перегрузках. Глубина цементации около 0,1...0,15 от толщины зуба, но не более 1,5...2 мм.
Нитроцементация - насыщение углеродом в газовой среде. При этом по сравнению с цементацией сокращаются длительность и стоимость процесса,- упрочняется тонкий поверхностный слой (0,3...0,8 мм) до 60...63 HRC, коробление уменьшается, что позволяет избавиться от последующего шлифования. Нитроцементация удобна в массовом производстве и получила широкое применение в редукторах общего назначения, в автомобилестроении и других отраслях - материалы 25ХГМ, 25ХГТ и др.
Азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом) обеспечивает не меньшую твердость, чем при цементации.
Малая толщина твердого слоя (около 0,1...0,6 мм) делает зубья чувствительными к перегрузкам и непригодными для работы в условиях повышенного абразивного износа (например, плохая защита от загрязнения). Степень коробления при азотировании мала. Поэтому этот вид термообработки особенно целесообразно применять в тех случаях, когда трудно выполнить шлифование зубьев (например, колеса с внутренними зубьями). Для азотируемых колес применяют молибденовую сталь 38ХМЮА или ее заменители 38ХВФЮА и 38ХЮА. Заготовку зубчатого колеса, предназначенного для азотирования, подвергают улучшению в целях повышения прочности сердцевины..
При отсутствии абразивного износа целесообразно применять так называемое мягкое азотирование на глубину 10...15 мкм. Оно значительно проще, обеспечивает минимальное коробление и позволяет получать зубья 7-й степени точности без отделочных операций. Для мягкого азотирования применяют улучшенные хромистые стали типа 40Х, 40ХФА, 40Х2НМА.
Как было отмечено, высокая твердость зубьев значительно повышает их контактную прочность. В этих условиях решающей может оказаться не контактная, а изгибная прочность. Для повышения изгибной прочности высокотвердых зубьев рекомендуют проводить упрочнение галтелей путем дробеструйного наклепа, накатки и т. п.
В зависимости от способа получения заготовки различают литые, кованые, штампованные колеса и колеса, изготовляемые из круглого проката. Стальное литье обладает пониженной прочностью и используется обычно для колес крупных размеров, работающих в паре с кованой шестерней.
В зависимости от вида изделия, условий его эксплуатации, требований к габаритным размерам и квалиметрическим характеристикам, выбирают материалы зубчатых колес и необходимую термообработку.
На практике применяют следующие варианты химико – термической обработки (Т.О.):