Марки сталей для зубчатых колес

Обновлено: 18.04.2024

Основными материалами для зубчатых колес являются углеродистые и легированные стали, которые термически упрочняются до высокой твердости, марок 45, 20Х, 40Х, 40ХН, 35ХМ и пр.

Термическая обработка применяется для повышения твердости зубьев. С повышением твердости растет несущая способность передач по контактной прочности. Поэтому закалку используют для повышения твердости зубьев в силовых передачах. В кинематических передачах, предназначенных для точной передачи вращательного движения между валами при небольших значениях крутящего момента, зубчатые колеса закалке не подвергаются. Основными видами упрочняющей термической обработки зубчатых колес являются:

Объемная закалка является наиболее простым способом термообработки колес. К ее недостаткам следует отнести высокую прокаливаемость материала, что уменьшает сопротивление усталости материала при изгибе зубьев.

Поверхностной закалкой обеспечивается высокая твердость поверхности зубьев при вязкой сердцевине. Нагрев колес при поверхностной закалке производится в индукторах токами высокой частоты (ТВЧ).

Химико-термическая обработка (ХТО)заключается в насыщении поверхности металла за счет диффузии при высокой температуре различными химическими элементами. В настоящее время применяются следующие виды ХТО:

Цементация – насыщение стали углеродом при температуре 900 0 с последующей закалкой обеспечивает высокую твердость поверхности зубьев при вязкой сердцевине. Для цементации применяются легированные стали с низким содержанием углерода: 20Х, 12ХН3А, 20ХНМ, 15ХФ и пр.

Азотирование – насыщение стали азотом в среде аммиака при температуре 500 0 . Азотирование обеспечивает высокую твердость поверхности зубьев. До азотирования детали подвергают закалке, высокому отпуску (улучшению) и чистовой обработке. Сталями для азотирования являются 38Х2МЮА, 40ХФА, 40ХНА и пр. Зубья после азотирования не шлифуют. В этой связи азотирование применяют для упрочнения колес зубчатых передач с внутренним зацеплением. Недостатком азотирования является длительность процесса (до 60 час.) и малая толщина упрочняемого слоя до 0,5 мм.

Нитроцементация – процесс насыщения поверхности стали одновременно углеродом и азотом при температуре 700—950 °C в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. После нитроцементации изделия подвергают закалке. Сталями для данного вида ХТО являются 40Х, 18ХГТ и пр.

Стальное литье применяют для колес большого диаметра. Литейными марками сталей являются: 35 – 55Л, 40ХЛ, 30ХГСЛ и пр. Литые колеса подвергают нормализации. Эти стали отличаются повышенной жидкотекучестью за счет повышенного содержания марганца и кремния.

Чугуны применяют для изготовления зубчатых колес открытых тихоходных передач. Чугуны проявляют хорошую стойкость к заеданию. Поэтому чугунные зубчатые колеса могут работать без смазки. Для изготовления чугунных колес используют серые чугуны марок СЧ25 - СЧ45, а также высокопрочные чугуны с шаровидным графитом.

2.1.4. Методы получения заготовок

Заготовки для зубчатых колес в мелкосерийном производстве изготавливают из проката или свободной ковкой. В крупносерийном и массовом производстве - штамповкой на молотах, прессах и горизонтально-ковочных машинах (ГКМ). Металл перед ковкой и штамповкой нагревают до температуры 1200 - 1300 0 .

Заготовки из проката получают их отрезкой от прутка на заданный размер. Максимальный диаметр проката, который выпускает промышленность, составляет 250 мм, что следует учитывать при выборе заготовки для зубчатых колес.

Свободную ковку осуществляют на молотах или прессах между плоскопараллельными плитами. Этим методом можно получать осаживанием заготовки из проката диаметром свыше 250 мм. Однако форма заготовки лишь приближена к профилю зубчатого колеса. Для снижения трудоемкости при механической обработке в крупных заготовках прошивают посадочное отверстие. При механической обработке заготовок полученным из проката и свободной ковкой расходный коэффициент металла является наиболее высоким по сравнения с штампованными заготовками.

Штамповку на прессах или молотах заготовок для зубчатых колес производят в подкладных или закрепленных штампах. Заготовку в подкладных штампах деформируют с торца (рис. 2.1.2, а). Закрепленные штампы могут быть закрытыми или открытыми (рис. 2.1.2, б; в). В открытых штампах в плоскости разъема образуется заусенец – облой, который удаляют затем в обрезных штампах в холодном или горячем состоянии. В закрытых штампах образуется торцовый заусенец, который удаляют точением. Штамповку в закрепленных штампах производят с торца, когда разъем штампа перпендикулярен оси заготовки, или с разъемом штампа вдоль оси заготовки (рис. 2.1.3, а; б).

Штамповкой (высадкой) на ГКМ получают заготовки из прутков для блоков зубчатых колес или валов – шестерен, т.е. когда заготовки имеют участки с большим перепадом по диаметру (рис. 2.1.4). Схема работы ГКМ показана на рис. 2.1.5. Матрица ГКМ имеет разъем. Одна часть матрицы подвижная другая неподвижная. Пуансон при высадке перемещается в горизонтальном направлении. Штамповка производится в следующей последовательности: I – пруток закладывается в разъемную матрицу до упора; II – упор отводится, пруток зажимается в матрице и деформируется пуансоном; III – процесс деформации заканчивается, IV – подвижная часть матрицы пуансон отводятся в исходное положение, поковка извлекается из штампа.

2.1.5. Базирование зубчатых колес при механической обработке

Поверхности для базирования необходимо выбирать так, чтобы соблюдались принципы совмещения, постоянства и последовательности перемены баз.

Принцип совмещения или единства баз заключается в совмещении при механической обработке технологической и измерительной баз, что позволяет исключить погрешность базирования.

Суть принципа постоянства баз состоит в использовании одних и тех же поверхностей для базирования на всех или большинстве операций технологического процесса, что повышает точность относительного расположения обработанных поверхностей. Максимальная точность обеспечивается при обработке заготовок за один установ.

Принцип последовательности перемены баз следует использовать тогда, когда при механической обработке, необходимо многократно менять положение заготовки с установкой на разные базы. В этом случае необходимо обрабатывать поверхности в порядке повышения точности их размеров.

Задачей базирования зубчатых колес является обеспечение соосности делительной окружности колеса и посадочных поверхностей (центрального отверстия колеса или шеек вала-шестерни). От этого зависят такие параметры точности зубчатых колес и передачи, как колебание межосевого расстояния, боковой зазор и радиальное биение зубчатого венца.

Базовыми поверхностями зубчатых колес на большинстве операций при механической обработке (токарных, зубонарезных, зубоотделочных) являются торец ступицы, и посадочное (центральное) отверстие. У одновенцовых и многовенцовых колёс длинное посадочное отверстие является двойной направляющей базой, а торец колеса - опорной базой.

У одновенцовых колёс типа дисков короткое посадочное отверстие является двойной опорной базой, а торец колеса установочной базой. Если после нарезания зубьев колеса подвергаются закалке, то форма и размеры колеса после термообработки изменяются. В этом случае торец и посадочное отверстие после термообработки шлифуют. Колесо базируют по боковой поверхности зубьев, что обеспечивает соосность делительной окружности и посадочного отверстия (рис.2.1.18). Базовыми поверхностями зубчатых колес типа валов являются центровые отверстия.

2.1.6. Структура технологического процесса при обработке цилиндрических зубчатых колес

Технология изготовления зубчатых колес зависит от следующих факторов: программы выпуска, конструкции, размеров, метода получения заготовок, материала, точности и термической обработки. Основными факторами являются точность и конструкция зубчатых колес.

Типовой технологический процесс изготовления зубчатых колес включает изготовление штамповок или поковок, токарную обработку наружных поверхностей и торцов; обработку центрального отверстия, зубонарезание, термическую обработку, отделочные и доводочные операции базовых и зубчатых поверхностей. Особенностью технологического процесса изготовления зубчатых колес – валов является наличие операций по обработке зубьев, а в остальном он тот же, что и при изготовлении ступенчатых валов.

2.1.7. Токарная обработка

В мелкосерийном производстве зубчатые колеса до нарезания зубьев обрабатываются на универсальных токарно-винторезных станках (рис.2.1.6; 2.1.7). В среднесерийном производстве для повышения производительности применяются токарно-револьверные станки (ТРС). Общий вид этого станка показан на (рис.2.1.8).Станок имеет два суппорта. Суппорт 1 такой же, как у обычного универсального токарно-винторезного станка. Он может работать с продольной и поперечной подачами. Поэтому его называют крестовым. На этом суппорте установлен поворотный резцедержатель 2. Для закрепления заготовки используется патрон 3. Револьверная головка 4 размещена на суппорте 5. Поэтому этот суппорт называется револьверным. Он установлен вместо задней бабки на направляющих станины и работает только с продольной подачей. Револьверная головка представляет собой поворотное устройство на шесть позиций. Для установки режущего инструмента: резцов, сверл, зенкеров, сверл, метчиков используются оправки 6, которые закрепляются в гнездах револьверной головки. Крестовый и револьверный суппорты могут перемещаться независимо друг от друга. За счет установки на револьверной головке в одной позиции двух и более инструментов можно при обработке совмещать переходы. Например, одновременно обтачивать поверхность и сверлить отверстие.

Точность диаметральных и линейных размеров деталей при обработке на ТРС обеспечивается наладкой станка, т.е. оснащением станка необходимым режущим инструментом с установкой его в определенном положении. Точность диаметральных размеров обеспечивается мерным инструментом, сверлами, зенкерами, развертками, а также регулировкой вылета резцов, установленных на оправках. Точность линейных размеров обеспечивается ограничением хода суппортов упорами. Наружную резьбу нарезают плашками, внутреннюю резьбы нарезают метчиками. Пример наладки токарно-револьверного станка при обработке втулки показан на рис. 2.1.9. Деталь зажимают в патроне 1 и обрабатывают инструментами, установленными в резцедержателе суппорта 2 и револьверной головки 3. Смена инструмента производится поворотом резцедержателя и револьверной головки.

В настоящее время независимо от типа производства широко проименяются токарные станки с числовым программным управлением (ЧПУ) разных моделей от различных производителей. Общий вид токарного станка с ЧПУ показан на рис. 2.1.10. Станок имеет следующие основные узлы: 1- привод; 2 - передняя шпиндельная бабка; 3 и 7 - верхний и нижний суппорты; 4 и 6 - поворотные резцедержатели; 5 - задняя бабка; 8 - станина с направляющими. Все модели этих станков имеют практически одинаковую конструкцию и снабжены револьверными головками рис. 2.1.11. Револьверные головки служат для установки резцов, сверл, зенкеров, разверток, метчиков, фрез. Причём, часть позиций револьверной головки может иметь индивидуальный привод для вращения инструмента. Это обеспечивает обработку отверстий, расположенных эксцентрично относительно оси шпинделя, а также фрезерование плоских и фасонных поверхностей.

Для повышения производительности применяются двухшпиндельные токарные станки с ЧПУ, у которых вместо задней бабки установлена шпиндельная бабка с самоцентрирущим патроном (рис.2.1.12). Перемещением бабки в осевом направлении производится смена установ заготовки для обработки ее с другой стороны.. Можно также одновременно обрабатывать два зубчатых колеса с противоположных сторон.

Токарную обработку крупных цилиндрических колес диаметром свыше 500 мм для тяжелого машиностроения выполняют на токарно-карусельных станках (ТКС) (рис.2.1.13). По своей компоновке ТКС делятся на одностоечные и двухстоечные. Одностоечный станок имеет следующие основные узлы: 1 – станина» 2 – планшайба; 3 – револьверная головка; 4 – траверса; 5 - вертикальный револьверный суппорт; 6 – стойка; 7 – боковой (горизонтальный суппорт); 8 – резцедержатель бокового суппорта. Колеса 8 степени точности и менее точные обрабатываются на ТКС окончательно. Колеса 7 степени точности и более точные обрабатываются на ТКС с припуском для окончательной обработки после сборки с валом. Диаметр заготовок, обрабатываемых на ТКС, достигает 20 м. Широко применяются ТКС с ЧПУ.

Детали машин

Выбор материала зубчатых колес зависит от назначения передачи и условия ее работы, а также габаритных размеров. При этом необходимо обеспечить контактную и изгибную прочность зубьев колес, сопротивление заеданию и изнашиванию.

Чаще всего для изготовления зубчатых колес применяют стали, реже – чугуны и пластмассы. Еще реже для изготовления зубчатых колес используют другие материалы - цветные металлы, и даже камень и дерево.

Зубчатые колеса из стали

Основными материалами для изготовления зубчатых колес силовых передач служат термически обрабатываемые стали. В зависимости от твердости рабочих поверхностей зубьев после термообработки зубчатые колеса можно условно разделить на две группы.

Первая группа – зубчатые колеса с твердостью поверхностей зубьев Н ≤ 350 НВ. Материалами для колес этой группы служат углеродистые стали марок 40, 45, 50Г, легированные стали марок 40Х, 45Х, 40ХН и др.
Термообработку – улучшение, нормализацию – производят до нарезания зубьев. Твердость сердцевины зуба и его рабочей поверхности для улучшенных колес одинакова. Колеса при твердости поверхностей зубьев Н ≤ 350 НВ хорошо прирабатываются и не подвержены хрупкому разрушению.
Применяют зубчатые колеса первой группы в слабо- и средненагруженных передачах. В настоящее время область применения улучшенных зубчатых передач сокращается.

Твердость шестерни прямозубой передачи рекомендуется принимать на 25…30 НВ больше твердости колеса. Это способствует прирабатываемости, сближению долговечности шестерни и колеса, повышению сопротивления заеданию зубчатых колес.

Для косозубых передач твердость рабочих поверхностей зубьев шестерни желательна по возможности большая, поскольку с ее ростом увеличивается несущая способность передачи по критерию контактной прочности.

Если в прямозубой передаче в процессе зацепления пары зубьев контактная линия зацепления движется параллельно основанию зуба, то в косозубой передаче контактная линия зацепления наклонена к основанию зуба и проходит одновременно по поверхностям головки и ножки зубьев.
Ножки зубьев обладают меньшей стойкостью против выкрашивания, чем головки, так как у них неблагоприятное сочетание направления скольжения и перекатывания зубьев. Следовательно, ножка зуба колеса, работающая с головкой зуба шестерни, начнет выкрашиваться в первую очередь. При этом вследствие наклона контактной линии нагрузка (полностью или частично) передается на головку зуба колеса, работающую с ножкой зуба шестерни. Слабая ножка зуба колеса разгружается, и выкрашивание уменьшается.
Дополнительная нагрузка ножки зуба шестерни не опасна, поскольку она изготовлена из более стойкого материала. Применение высокотвердой шестерни позволяет дополнительно повысить нагрузочную способность косозубых передач до 30%.

Повышение твердости достигают применением различных методов поверхностного упрочнения.

Вторая группа – колеса с твердостью рабочих поверхностей Н > 45 HRC (Н > 350 НВ). При Н > 350 НВ твердость материала измеряется по шкале HRC (1 HRC = 10 НВ). Высокая твердость поверхностных слоев материала при сохранении вязкой сердцевины достигается применением поверхностного термического или химико-термического упрочнения: поверхностной закалки, цементации и нитроцементации с закалкой, азотирования.

Поверхностная закалка зубьев с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ) в течение 20…50 с целесообразна для зубчатых колес с модулем более 2 мм. При малых модулях мелкий зуб прокаливается насквозь, что приводит к его короблению и делает зуб хрупким.
Для закалки ТВЧ применяют стали марок 45, 40Х, 40ХН, 35ХМ. Твердость на поверхностях зубьев Н = 45…53 HRC.

Цементация – длительное поверхностное насыщение углеродом на глубину 0,3 m (модуля зацепления) с последующей закалкой. Наряду с большой твердостью (Н = 56…63 HRC) поверхностных слоев цементация обеспечивает и высокую прочность зубьев на изгиб.
Для цементации применяют стали марок 20Х, 12ХНЗА, 18ХГТ.

Азотирование (насыщение азотом) обеспечивает особо высокую твердость (Н = 58…65 HRC) поверхностных слоев зубьев. Оно сопровождается малым короблением и позволяет получить зубья высокой точности без доводочных операций.
Азотированные колеса не применяют при ударных нагрузках (из-за опасности растрескивания тонкого упрочненного слоя толщиной 0,2…0,3 мм) и при работе в загрязненной абразивом среде (из-за опасности истирания).
Для азотируемых колес применяют стали марок 38Х2МЮА, 40ХНМА.

Нитроцементация – насыщение поверхностных слоев зубьев углеродом и азотом с последующей закалкой – обеспечивает им высокую прочность, износостойкость и сопротивление заеданию. Процесс нитроцементации протекает с достаточно высокой скоростью. В связи с тем, что толщина насыщенного слоя и деформации малы, последующее шлифование зубьев не применяют.

Зубья колес с твердостью Н > 45 HRC нарезают до термообработки. Отделку зубьев производят после термообработки.
Передачи с твердыми (Н > 45 HRC) рабочими поверхностями зубьев плохо прирабатываются, и обеспечивать в таких передачах разность твердости зубьев шестерни и колеса не требуется.

Выбор марок сталей для зубчатых колес

Без термической обработки механические характеристики всех сталей близки, поэтому применение легированных сталей без термообработки нерационально ввиду их более высокой стоимости.
Прокаливаемость сталей различна: высоколегированных – наибольшая, углеродистых – наименьшая. Стали с плохой прокаливаемостью при больших сечениях заготовок нельзя термически обработать до высокой твердости. Поэтому марку стали для зубчатых колес выбирают с учетом размеров их заготовок (поковок). Окончательно решить вопрос о пригодности заготовки можно после проведения прочностных расчетов и определения геометрических размеров зубчатой передачи.

На рис. 1, а – в показаны эскизы заготовок червяка, вала-шестерни и колеса с выемками.

Характеристики механических свойств сталей, применяемых для изготовления зубчатых колес, после термообработки приводятся в справочных таблицах.

При поверхностной термической или химико-термической обработке зубьев механические характеристики сердцевины зуба определяет предшествующая термическая обработка (улучшение).

Характеристики сталей зависят не только от химического состава и вида термообработки, но и от предельных размеров заготовок.

Расчетные размеры заготовки D_заг и S_заг (рис. 1) не должны превышать предельных значений D и S , приводимых в справочных таблицах для данного вида стали.

Применяют следующие стали и виды термической обработки (ТО):

I – марки сталей одинаковы для колеса и шестерни: 45, 40Х, 40ХН, 35ХМ. ТО колеса – улучшение, твердость 235…262 НВ. ТО шестерни – улучшение, твердость 269…302 НВ.

II – марки сталей одинаковы для колеса и шестерни: 40Х, 40ХН, 35ХМ. ТО колеса – улучшение, твердость 235…262 НВ, ТО шестерни – улучшение с последующей закалкой ТВЧ, твердость 45…50 HRC, 48…53 HRC и др. (зависит от марки стали).

III – марки сталей одинаковы для колеса и шестерни: 40Х, 40ХН, 35ХМ. ТО колеса и шестерни одинакова – улучшение с последующей закалкой ТВЧ, твердость 45…50 HRC, 48…53 HRC и др. (зависит от марки стали).

IV – марки сталей различны для колеса и шестерни. Для колеса: 40Х, 40ХН, 35ХМ. ТО колеса – улучшение и последующая закалка ТВЧ, твердость 45…50 HRC, 48…53 HRC (зависит от марки стали). Марки сталей для шестерни: 20Х, 20ХНМ, 18ХГТ. ТО шестерни – улучшение, затем цементация и закалка; твердость 56…63 HRC.

V – марки сталей одинаковы для колеса и шестерни: 20Х, 20ХНМ, 18ХГТ. ТО колеса и шестерни одинакова – улучшение, затем цементация и закалка; твердость 56…63 HRC.

Несущая способность зубчатых передач по контактной прочности тем выше, чем выше поверхностная твердость зубьев.

Наибольшие контактные напряжения σ_H возникают в тонком поверхностном слое материала зубьев. Поэтому для повышения его контактной прочности достаточно упрочнить только поверхностный слой зубьев. Для зубчатых передач толщина этого слоя составляет (0,2…0,3) m – модуля зацепления.
На практике это достигается поверхностными термическими или химико-термическими упрочнениями, которые в несколько раз повышают нагрузочную способность передач по сравнению с улучшенными сталями.
Однако при назначении твердости рабочих поверхностей зубьев следует иметь в виду, что большей твердости соответствуют более сложная технология изготовления зубчатых колес и небольшие размеры передачи.

Стальное литье

Стальное литье применяют при изготовлении крупных зубчатых колес ( d₀ > 500 мм). Марки сталей – 35Л…55Л. Литые колеса подвергают нормализации.

Чугуны

Чугуны применяют для изготовления зубчатых колес тихоходных открытых передач. Марки серых чугунов – СЧ20…СЧ35, а также высокопрочных чугунов – ВЧ35…ВЧ50 (с шаровидным графитом и добавкой магния).
Зубья чугунных колес хорошо прирабатываются, могут работать в условиях ограниченного смазывании.
Существенный недостаток - пониженная прочность на изгиб, поэтому габариты чугунных колес значительно больше, чем стальных.

Пластмассы

Пластмассы в качестве материала зубчатых колес применяют в быстроходных слабонагруженных передачах для шестерен, работающих в паре с металлическими колесами.
Зубчатые колеса из пластмасс отличаются бесшумностью работы, плавностью хода, неприхотливостью к смазыванию.
Наиболее широко в качестве материала зубчатых колес используется текстолит (марок ПТ и ПТК), капролон , полиформ-альдегид , фенилон .

Конструкции зубчатых колес и технология их изготовления

Конструкции зубчатых колес

В зависимости от назначения, размеров и технологии получения заготовки зубчатые колеса могут иметь различную конструкцию.

Цилиндрические и конические шестерни выполняют заодно целое с валом (вал-шестерня). Это связано с малыми размерами шестерен и с тем, что раздельное изготовление снижает точность и увеличивает стоимость производства вследствие увеличения числа посадочных поверхностей, требующих точной обработки, а также вследствие необходимости применения соединений (шлицевых, шпоночных), снижающих точность передачи и прочностные свойства элементов механизма.

Насадные шестерни применяют при больших диаметрах и в тех случаях, когда они должны перемещаться вдоль вала по условиям работы или сборки.
При диаметре d_а ≤ 150 мм колеса изготавливают в форме сплошных дисков из проката или из поковок (рис. 1).
Зубчатые колеса диаметром менее 500 мм получают ковкой (рис. 2), отливкой (рис. 3,а) или сваркой (рис. 3,б).
Колеса диаметром боле 500 мм выполняют отливкой или сваркой.

Иногда зубчатые колеса выполняют в виде узлов, образуемых сборкой отдельных частей (рис. 4). Так, венцы колес могут быть напрессованы на ступицу (бандажированные колеса) (рис. 4,а), крепиться резьбовым соединением (свертные колеса) (рис. 4,б) или приклепываться (клепаные колеса) (рис. 4,в).
Бандажированные, свертные или клепаные колеса применяют в целях экономии легированных сталей или цветных металлов, если таковые используются при изготовлении колеса.

Изготовление зубчатых колес

Заготовки зубчатых колес получают ковкой в штампах или свободной ковкой, реже литьем в зависимости от размеров, материала, формы и масштаба выпуска. Зубья эвольвентных колес изготавливают так, чтобы каждое колесо могло входить в зацепление с колесами того же модуля, имеющими любое число зубьев.
Зубья получают нарезанием или накатыванием.

Нарезание зубьев выполняют одним из двух методов – копированием или обкаткой.

Метод копирования заключается в прорезании впадин между зубьями модульными фрезами (рис. 5): дисковыми (а) или концевыми (б). После прорезания каждой впадины заготовку поворачивают на шаг зацепления. Профиль впадины является копией профиля режущих кромок фрезы, отсюда и название – метод копирования.
Точность нарезаемых зубьев невысокая, метод является малопроизводительным, поэтому его применяют, преимущественно, в ремонтном производстве.

Метод обкатки имеет основное применение. Нарезание зубьев по этому методу основано на воспроизведении зацепления зубчатой пары, одним из элементов которой является режущий инструмент – червячная фреза (рис. 6,а), долбяк (рис. 6,б) или реечный долбяк – гребенка (рис. 8.).

Червячная фреза имеет в осевом сечении форму инструментальной рейки. При нарезании зубьев заготовка и фреза вращаются вокруг своих осей, обеспечивая непрерывность процесса.
Нарезание зубьев червячными фрезами широко применяют для изготовления колес с внешним расположением зубьев.
Для нарезания колес с внутренним расположением зубьев применяют долбяки.

Гребенками (см. рис. 8) нарезают прямозубые и косозубые колеса с большим модулем зацепления.
Нарезание зубьев конических колес методом обкатки производят строганием (рис. 7,а), фрезерованием (рис. 7,б), резцовыми головками.

Накатывание зубьев применяют в массовом производстве. Предварительное формообразование зубьев цилиндрических и конических колес производят горячим накатыванием. Венец стальной заготовки нагревают токами высокой частоты (ТВЧ) до 1200 ˚С, а затем обкатывают между колесами-накатниками. При этом на венце выдавливаются зубья. Для получения колес более высокой точности производят последующую механическую обработку зубьев или холодное накатывание – калибровку. Холодное накатывание зубьев применяют при модуле до 1 мм.

Накатывание зубьев – высокопроизводительный метод изготовления колес с минимальным отходом металла в стружку.

Отделка (доводка) зубьев

Зубья колес точных зубчатых передач после нарезания подвергают отделке шевингованием, шлифованием, притиркой или обкаткой.

Шевингование применяют для тонкой обработки незакаленных зубьев.
Выполняют специальным инструментом – шевером, имеющим вид зубчатого колеса с узкими канавками на поверхности зубьев. Вращаясь в зацеплении с обрабатываемым колесом, шевер снимает режущими кромками канавок волосообразную стружку с зубьев колеса, доводя его форму до требуемой точности.

Шлифование применяют для обработки закаленных зубьев. Выполняют шлифовальными кругами способом копирования или обкатки.

Притирку используют для отделки закаленных зубьев колес. Выполняют притиром – чугунным точно изготовленным колесом с использованием притирочных паст.

Обкатку применяют для сглаживания шероховатостей на рабочих поверхностях зубьев незакаленных колес. В течение 1…2 минут зубчатое колесо обкатывают под нагрузкой с эталонным колесом высокой твердости.

Скольжение при взаимодействии зубьев

При работе колес зацепление двух зубьев происходит по рабочим участкам профилей, при этом рабочие участки профилей одновременно перекатываются и скользят друг по другу. Скольжение вызвано тем, что за один и тот же промежуток времени контактируют участки головок большей длины с соответствующими им участками ножек зубьев меньшей длины. Скорость скольжения зубьев в крайних точках зацепления имеет максимальное значение, и равна нулю в полюсе зацепления, при этом при переходе точки зацепления через полюс скорость скольжения меняет знак (рис. 10).

Точки профилей головок зубьев имеют бόльшие касательные скорости, чем точки ножек, следовательно, поверхности головок являются опережающими. Бόльшему изнашиванию подвержена ножка, меньшему – головка, что приводит к искажению профиля зуба, особенно в открытых передачах.

Неравномерное скольжение зубьев является недостатком эвольвентного зацепления. Малые значения скорости скольжения в околополюсной зоне увеличивают коэффициент трения в этой зоне, что создает предпосылки для выкрашивания рабочих поверхностей зубьев в результате контактных напряжений.

Влияние числа зубьев на форму и прочность зуба

Изменение числа зубьев приводит к изменению формы зуба. У рейки с числом зубьев z стремящимся к бесконечности зуб прямобочный (рис. 11,а); с уменьшением количества зубьев увеличивается кривизна эвольвентного профиля, а толщина зуба у основания и вершины уменьшается.

При уменьшении количества зубьев ниже предельного появляется подрез ножки зуба режущей кромкой инструмента (рис. 11, в), в результате чего прочность зуба резко снижается. Из-за среза части эвольвенты у ножки зуба (рис. 12) уменьшается длина рабочего участка профиля, в результате чего понижается коэффициент перекрытия ε_α и возрастает изнашивание.

Чтобы исключить подрезание ножки зуба при малом z инструментальной рейке необходимо сообщить смещение x_m (рис. 13, а), при котором вершина ее зуба выйдет из зацепления с зубом колеса 2 в точке S и эвольвента профиля получится полной, не подрезанной (рис. 13, б). При этом избыточная часть рейки не будет подрезать зуб.

Величину x_m называют абсолютным смещением рейки, величину x – относительным смещением рейки, или коэффициентом смещения.

Минимальное количество зубьев шестерни, у которой исключено подрезание зубьев без смещения рейки (т. е. при x = 0) можно определить по формуле:

При α_w = 20˚ минимальное количество зубьев z_min = 17.

С увеличением количества зубьев возрастает коэффициент перекрытия ε_α , повышается плавность работы передачи, уменьшаются потери на трение и стоимость изготовления колес. Оптимальное количество зубьев колес, используемых в зубчатых передачах и редукторах, принимают равным z_min = 18…35.

Зубчатые передачи со смещением

Передачу со смещением образуют зубчатые колеса, у которых нарезание зубьев осуществляют со смещением рейки на величину x_m (рис. 13). Изменение формы зуба по сравнению с исходным зацеплением при нарезании со смещением называют модификацией профиля.
Модифицированный профиль зуба очерчивается другим (смещенным) участком той же эвольвенты, что и профиль немодифицированного зуба.

Модификацию применяют:
- для устранения подрезания зубьев шестерни при малом количестве зубьев;
- для повышения изгибной прочности зубьев, что достигается увеличением их толщины;
- для повышения контактной прочности, что достигается увеличением радиуса кривизны в полюсе зацепления;
- для получения заданного межосевого расстояния передачи.

Положительным называют смещение рейки от центра зубчатого колеса, отрицательным – к центру.
При положительном смещении увеличивается толщина зуба у основания (рис. 14), что повышает его прочность на изгиб, но при этом заостряется головка зуба, что ограничивает величину смещения инструмента при нарезании.
При отрицательном смещении имеет место обратное явление.

У зубчатых колес со смещением толщина зуба и ширина впадины по делительной окружности неодинаковы, но в сумме остаются равными шагу р .

В зависимости от сочетания смещений при нарезании зубьев парных зубчатых колес модификация бывает высотной и угловой.

Высотная модификация

При высотной модификации шестерню изготовляют с положительным коэффициентом смещения, а колесо – с отрицательным, при этом абсолютные величины смещений должны быть равны, в результате чего суммарный коэффициент смещения будет равен нулю. Такие передачи называют равносмещенными.
При высотной модификации зубчатой пары диаметры делительных окружностей шестерни и колеса совпадают, как и в передаче без смещения, следовательно, межосевое расстояние, коэффициент перекрытия и угол зацепления остаются неизменными. Общая высота зубьев также не меняется по сравнению с ее нормальным значением, но изменяется соотношение между высотой головок и ножек зубьев. Поэтому такая модификация и называется высотной.

Высотную модификацию применяют при малом числе зубьев шестерни и большом передаточном числе, когда требуется обеспечить такие формы зубьев шестерни и колеса, при которых они будут примерно равнопрочными на изгиб.

Угловая модификация

Угловая модификация является общим случаем модифицирования, при котором суммарный коэффициент смещения пары колес не равен нулю, т. е. смещение у шестерни и у колеса неодинаковы по абсолютной величине.
Угловая модификация по сравнению с высотной дает значительно бόльшие возможности влиять на различные параметры зацепления (межосевое расстояние, угол зацепления, угол перекрытия и т. п.), поэтому она применяется чаще.

Модифицированные зубчатые колеса изготавливают тем же стандартным инструментом и на том же оборудовании, что и немодифицированные. Для получения нормальной высоты зуба диаметры заготовок соответственно увеличивают или уменьшают на величину удвоенного смещения инструмента.
Иногда модифицированные колеса называют корригированными (устаревшая терминология).

Точность зубчатых передач

При изготовлении зубчатых передач неизбежны погрешности, которые выражаются в радиальном биении зубчатого венца, отклонениях шага, профиля зуба, соосности осей колес, колебании межосевого расстояния и др.
Эти погрешности приводят к повышенному шуму во время работы передачи, потере точности вращения ведомого колеса, нарушению правильности и плавности зацепления, повышению динамичности и снижению равномерности распределения действующей в зацеплении нагрузки по длине контактных линий и, в конечном счете, определяют ресурс и работоспособность передачи.

Тем не менее, выполнять зубчатые передачи со слишком высокой точностью не всегда целесообразно, поскольку это приводит к удорожанию механизма в целом. Поэтому стандартом регламентируется точность зубчатых колес и передач в зависимости от их назначения и условий работы.
Допуски на цилиндрически зубчатые передачи определяются стандартом ГОСТ 1643–81.

Этим стандартом установлено 12 степеней точности зубчатых колёс и передач: 1, 2, 3 … 12 в порядке убывания точности. Для степеней точности 1 и 2 и 12 допуски стандартом не предусмотрены (для перспективы).

Для каждой степени точности установлены независимые нормы допускаемых отклонений параметров, определяющих:

кинематическую точность колёс и передачи (регламентирует погрешность углов поворота зацепляющихся пар колес за один оборот);
плавность работы (регламентирует колебания скорости за один оборот колеса, вызывающие шум и динамические нагрузки);
контакт зубьев зубчатых колёс в передаче (регламентирует концентрацию нагрузки на зубьях, определяющую работоспособность силовых передач).

Также ГОСТ 1643–81 устанавливает шесть видов сопряжений определяющих гарантированный боковой зазор между неконтактирующими поверхностями смежных зубьев.
Боковой зазор необходим для предотвращения заклинивания зубьев передачи от нагрева, размещения смазочного материала и обеспечения свободного вращения колес.
Размер зазора задают видом сопряжения зубчатых колес в передаче: Н – нулевой зазор, Е –малый зазор, D и С – уменьшенные зазоры, В – нормальный зазор, А – увеличенный зазор.
В общем машиностроении чаще всего применяют вид сопряжения В, а для реверсивных передач – С.
Получение боковых зазоров связано с точностью изготовления колес.

Выбор материалов для зубчатых колёс

Для расчёта передачи должны быть заданы или определены предвари-тельным расчётом привода следующие параметры:

передаточное число передачи u; частота вращения шестерни ,об/мин; крутящий (вращающий) момент на валу шестерни ; ресурс передачи в часах . Если нагрузка на передачу дана в виде мощности, момент определяется по зависимости

где мощность, подводимая к валу шестерни, кВт.

Нагрузка на передачу может быть постоянной или изменяющейся во времени. В последнем случае нагрузка задаётся в виде циклограммы (Рис.1.1).

Выбор материалов для зубчатых колёс

Выбор материалов для зубчатых колёс обусловливается необходимостью обеспечения достаточной изгибной и контактной прочности зубьев, характером производства, требованиями к габаритам передачи и другими соображениями.

Основными материалами для зубчатых колёс являются термически обработываемые стали. Значительно реже применяются чугуны и пластмассы.

В массовом и крупносерийном производстве применяют исключительно стальные зубчатые колёса высокой твёрдости, которые подвергаются отделочным операциям после термической обработки. Находят применение следующие виды термической и химико-термической обработки: объёмная и поверхностная закалка, цементация и нитроцементация с закалкой и азотирование.

Объёмная закалка не сохраняет вязкой сердцевину зуба при высокой твёрдости его поверхности. Поэтому в настоящее время этот вид обработки уступает место поверхностным методам обработки.

Поверхностную закалку применяют для зубчатых колёс малых и средних размеров с нагревом т.в.ч. Этот вид обработки получил широкое распространение для средне напряжённых зубчатых колёс. Его целесообразно применять для шестерён, работающих в паре с улучшенными колёсами, из-за хорошей прирабатываемости такой передачи.

Цементация (поверхностное насыщение углеродом) с последующей закалкой обеспечивает высокую твёрдость и несущую способность поверхностных слоёв и весьма высокую изгибную прочность зубьев.

Насыщение углеродом и азотом применяют для среднеуглеродистых сталей. При этом виде обработки упрочняется тонкий поверхностный слой (0,3 – 0,8 мм), последующее шлифование зубьев не проводят. Применяют насыщение в газовой среде - нитроцементация и насыщение в содержащих цианистые соли ваннах – цианирование.

Азотирование (насыщение азотом) обеспечивает особо высокую твёрдость и износостойкость поверхностных слоёв. Зубья после азотирования, в связи с минимальным короблением, не шлифуют. Недостатком азотирования является малая толщина упрочнённого слоя (0,2 – 0,5мм), не позволяющая применять азотированные зубчатые колёса при ударных нагрузках и при работе с интенсивным износом.

Улучшаемые стали применяют для изготовления зубчатых колёс в условиях мелкосерийного и индивидуального производства при отсутствии жёстких требований к габаритам. Чистовое нарезание зубьев улучшаемых зубчатых колёс производят после термической обработки, что облегчает изготовление передач. Передачи из улучшаемых сталей хорошо прирабатываются.

Твёрдость улучшенных зубчатых колёс обусловливается условием обеспечения достаточной стойкости зуборезного инструмента – для небольших зубчатых колёс НВ 280 – 320, для крупных – НВ 200 – 240. Твёрдость шестерён прямозубых передач, для уменьшения опасности заедания и для обеспечения долговечности передачи, рекомендуется назначать на 10 – 15 НВ выше твёрдости колёс. Шестерни косозубых и шевронных передач рекомендуется подвергать цементации, азотированию или поверхностной закалке для обеспечения высокой поверхностной твёрдости. Это повышает контактную прочность косозубых и шевронных передач.

Стали в нормализованном состоянии для обоих сопряжённых зубчатых колёс применяют только во вспомогательных механизмах, например, в механизмах ручного управления. Для повышения стойкости передачи против заедания следует шестерню и колесо изготовлять из разных материалов.

Литейные стали (преимущественно в нормализованном состоянии) применяют для колёс больших размеров.

Рекомендуемые для изготовления зубчатых колёс марки сталей приведены в табл. 1.1, а варианты термической обработки зубчатых колёс – в табл. 1. 2.

ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

В качестве материала зубчатых колес преимущественно применяются термически обработанные стали. Термообработку производят для увеличения прочности, износостойкости и долговечности зубчатых колёс. Эти показатели существенно зависят от твёрдости зубьев. Поэтому в качестве критерия указанных показателей используется твердость. Измерение твёрдости является основным традиционным методом контроля качества термической обработки деталей.

К основным видам прочности зубчатых колёс относятся контактная и изгибная прочности зубьев. Под контактной прочностью понимается сопротивляемость рабочей поверхности зуба появлению поверхностных повреждений в виде ямочек, похожих на оспины. Такие повреждения называются питтингом (англ. pit – яма), они возникают в закрытых зубчатых передачах со смазкой при контактных напряжениях, превышающих предел выносливости. На рисунке 1 приведена фотография поверхности зуба шестерни лебёдки. На поверхности ножки зуба видны ямочки выкрашивания (питтинг), на поверхности головки – следы износа (истирания), вызванные трением скольжения при качении с проскальзыванием сопрягаемых поверхностей зубьев шестерни и колеса.

Изгибная прочность характеризует сопротивляемость поломке зубьев при деформации изгиба. На рисунке 2 показана поломка двух зубьев вследствие неравномерного распределения нагрузки по длине зуба из-за перекоса осей зубчатых колес. Износостойкость отражает сопротивляемость рабочих поверхностей зубьев истиранию или другим видам износа.

В зависимости от твёрдости стальные зубчатые колеса делятся на две группы. Первая группа – колеса с твёрдостью менее 350 НВ. Так обозначается замер твёрдости по методу Бринеля, при котором в поверхность детали прессом Бринеля вдавливается закалённый шарик диаметром 10 мм под давлением 3 тонны. Твёрдость определяется с помощью таблиц по измеренному диаметру отпечатка (лунки). Такая твёрдость обеспечивается термообработкой, называемой нормализацией, при которой нагрев детали производится до закалочных температур порядка 850ºС, а охлаждение – на воздухе, или улучшением (это закалка с высоким отпуском ≈ 500-600ºС). Такая термообработка производится до нарезания зубьев. При этом можно получить высокую точность зубчатых колес без применения трудоёмких отделочных операций (например, шлифования). Зубья колес хорошо прирабатываются. Для равномерного изнашивания зубьев и лучшей их прирабатываемости, твердость шестерни (ведущее зубчатое колесо) НВ₁ назначается больше твердости ведомого зубчатого колеса НВ₂. Рекомендуется, чтобы разность средних твердостей составляла: НВ_1ср – НВ_2ср = 20…50. К этой группе относятся улучшаемые углеродистые и легированные стали со средним содержанием углерода 0,4…0,5% (марки 45, 40Х, 45Х и т.п.).

Рис. 1. Поверхность зуба шестерни лебёдки. Твёрдость менее 350 НВ

Вторая группа – колеса с твердостью более 350 НВ (или более 35 HRCэ). Твердость зубчатых колес этой группы измеряется с помощью метода Роквелла и обозначается HRCэ (индекс «э» означает, что шкала твердости «С» - эталонная). Твёрдость по методу Роквелла определяется вдавливанием в испытываемую поверхность алмазного индентора в виде конуса с углом при вершине 120º и усилием 150 кгс. Значение твёрдости определяется в условных единицах, соответствующих осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Прибор Роквелла снабжён индикатором, который немедленно показывает число твёрдости после завершения испытания (снятия нагрузки). Приблизительное соотношение твердостей по Роквеллу и по Бринелю: 1 HRCэ » 10 НВ.

Рис. 2. Поломка двух зубьев при эксплуатации зубчатых колёс

Высокая твердость поверхности зубьев (до 50…60 HRCэ) достигается в результате применения:

· объемной или поверхностной закалки токами высокой частоты (ТВЧ) с последующим низким отпуском (≈ 200ºС). Для охлаждения при закалке применяется вода для углеродистых сталей, или водяная эмульсия при закалке ТВЧ, или масло при объёмной закалке легированных сталей;

· цементацией или нитроцементацией (насыщением поверхности детали углеродом при температуре ≈ 930ºС в среде природного газа или углеродом и азотом в среде природного газа и аммиака) с последующей закалкой после подстуживания в масло и низким отпуском;

· азотированием (насыщением поверхности детали азотом).

Применение указанных видов термообработки повышает нагрузочную способность передачи в несколько раз по сравнению с нормализованными и улучшенными зубчатыми колесами. Следствием является повышение допускаемых контактных и изгибных напряжений. Однако такие колеса требуют высокой точности изготовления и повышенной точности валов и опор. Они, практически, не прирабатываются, поэтому не требуется обеспечивать фиксированной разности твердостей зубьев шестерни и колеса.

Ниже перечислены марки сталей, получившие широкое распространение. Для цементации и нитроцементации – это малоуглеродистые легированные стали марок 18ХГТ, 20Х, 12ХНЗА, 18ХНВА, для объемной и поверхностной закалки – среднеуглеродистые и легированные стали марок 45, 40Х, 45Х, 40ХН, 35ХМ, для азотирования – 38ХМЮА. Нарезание зубьев таких колес производится до термической обработки, а отделочные операции (шлифование, хонингование зуба) – после термической обработки зубчатых колес в зависимости от требуемой степени точности.

При выборе марок сталей следует иметь в виду, что в термически необработанном состоянии механические свойства всех сталей близки. Поэтому применение легированных сталей без термической обработки нецелесообразно. При выборе марки стали, кроме твердости, необходимо учитывать размеры заготовки, т.к. глубина закалённого слоя (прокаливаемость) зависит от химического состава стали и приводится в справочниках.

Углеродистые стали имеют наименьшую глубину прокаливаемости, высоколегированные – наибольшую. Детали из сталей с низкой прокаливаемостью при больших сечениях не удается термически обработать на высокую твердость. Поэтому марку стали зубчатых колёс выбирают (в случае применения улучшения в качестве предварительной термической обработки заготовки) с учетом значения диаметра заготовки D_заг = d_a₁ + 6 мм, а колес – с учетом наибольшей ширины сечения колеса (венца) с припуском на механическую обработку S_заг = b₂ + 4 мм.

В таблице 4 приведены механические свойства наиболее употребляемых марок сталей в зависимости от вида термообработки (твердости) с указанием предельных размеров зубчатых колес.

Таблица 4. Механические свойства сталей

№ п/п	Марка стали	Размеры заготовки, мм	Термообра ботка	Твердость НВ, НRCэ	Предел прочности σ_в,МПа	Предел текучес- ти σ_т, МПа	Предел выносливости σ_-1, МПа
D пред	S пред	Сердцевина НВ	Поверхности НRCэ
любой	любой	Н	163…192
-	-	Н	179…207
У	235…262
У	269…302
40Х	У	235…262
40Х	У	269…302
40Х	У+ТВЧ	269…302	45…50
40ХН	У+ТВЧ	269…302	48…53
12ХН3А	У, Ц+З	300…400	57…64
20ХН2М	У, Ц+З	300…400	57…64
18ХГТ	У, Ц+З	300…400	57…64

Примечание. Виды термической обработки: Н – нормализация, У – улучшение, ТВЧ – поверхностная закалка токами высокой частоты, Ц – цементация, З – закалка с низким отпуском.

Читайте также: