ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ТЯЖЕЛОНАГРУЖЕННЫХ ШЕСТЕРЕН

Термическая обработка шестерен При обработке бокового профиля зубьев шлифование и даже полирование дна впадин после термической обработки приводит к появлению в опасной зоне продольных рисок, т. е. снижает нагрузочную способность шестерен. Поэтому обработка и отделка дна впадин должны полностью завершиться до термической обработки. Перед термической обработкой на дне впадин необходимо полированием полностью устранить продольные обработочные риски.
Выкружки отделывают до термической обработки полированием с помощью пальцевого круга до полного исчезновения продольных обработочных рисок, возникающих после нарезания зубьев. Применение таких выкружек очень эффективно: нагрузочная способность шестерен повышается на 47-58 %. Таким образом, повышается усталостная прочность шестерен.

В период цементации и закалки в опасном сечении корня зубьев возникают остаточные напряжения; на поверхности зубьев, а также на глубине в зоне цементованного слоя возникают относительно большие напряжения сжатия, а в сердцевине зуба — относительно небольшие растягивающие напряжения. Напряжения от прилагаемой нагрузки и остаточные напряжения, возникающие при цементации и закалке, перераспределяются так, что в опасном сечении корня зубьев повышается усталостная прочность и нагрузочная способность шестерен.

Шлифовании зубьев, термическая обработка шестерен

При шлифовании зубьев без выкружки (по всему профилю с захватом дна впадин и переходных кривых) с поверхности зубьев удаляется часть цементованного слоя, и в результате этого на шлифованной поверхности корня зубьев сохраняются остаточные напряжения уже меньшей величины, а если съем металла у корня зубьев велик (при значительном колебании припуска у дна впадин), остаточные напряжения сжатия на поверхности могут быть полностью устранены.

Усталостная прочность зубьев при термической обработке шестерен из цементуемых хромоникелевых сталей не повышается.

На поверхности опасной зоны корня зубьев при шлифовании возникают остаточные растягивающие напряжения, снижающие усталостную прочность шестерен по изгибу зубьев. Выкружка предохраняет корень от касания его поверхности шлифовальным кругом при шлифовании зубьев, и на этой поверхности сохраняется весь цементованный слой.

На нашем заводе шестерни изготовляют из сталей 12ХНЗА и 18Х2Н4ВА диаметром 100-600 мм, с высотой зуба 50-218 мм, с модулем 5 и 8; глубина цементации 1,5-1,9 мм на шестернях с модулем 5 и 1,8-2,2 мм на шестернях с модулем 8. Твердость поверхности составляла HRC 58-62, сердцевины менее НВ 241 для стали 12ХНЗА и не менее НВ 321 для стали 18Х2Н4ВА. Шестерни по форме и размерам самые разнообразные — венцы, типа венцов, со ступицей, без ступицы, типа валиков и др.

Цикл термической обработки шестерен

Полный цикл, как происходит термическая обработка шестерен представлен на рис. 1. Большое значение имеет симметричное расположение отверстий в детали, обеспечивающее при закалке уравновешивание возникающих напряжений. Для уменьшения коробления в некоторых случаях шестерни желательно делать составными (сборными) — раздельно венец и ступицу.

Схема: термическая обработка шестерен

Рис.1. Схема термической обработки шестерен: а — из стали 12ХНЗА; б — из стали 18Х2Н4ВА.

При сохранении геометрии цементованных шестерен вызывает затруднения установление излишне большой глубины цементованного слоя, так как удлинение цементации повышает коробление.

Завышенные требования по механическим свойствам (HRC 58-62 и 50-56) вынуждают прибегать к повышенной скорости охлаждения, что у сложных деталей увеличивает коробление. На уменьшение коробления большое влияние оказывает снятие внутренних напряжений: для стали 12ХНЗА применяется нормализация, для стали 18Х2Н4ВА — отпуск предварительно обработанных шестерен.

Для получения шестерен без коробления необходим равномерный нагрев в печи, зависящий от положения деталей в печи при цементации (рис. 2) и нагрева под закалку; это особенно важно для шестерен диаметром 400-600 мм с высотой зуба 218 мм и для шестерен резко переменного сечения (толщина венца 218 мм, толщина диска 40 мм).

Приспособление для цементации шестерен

Рис.2. Приспособление для цементации шестерен.

Закалка шестерен

Наиболее рациональным путем предотвращения или снижения коробления шестерен при нагреве является применение соляных ванн. При погружении детали в расплавленную соль на детали образуется тонкая корочка закристаллизовавшейся соли, резко снижающей коэффициент теплопередачи, предохраняющей деталь от теплового удара, увеличивающего коробление.

Одним из современных методов закалки шестерен, обеспечивающий минимальное коробление, является ступенчатая закалка. Мартенситное превращение при ступенчатой закалке начинается одновременно по всему сечению детали, что устраняет появление, напряжений.

На заводе освоена ступенчатая закалка шестерен весом до 10 кг, диаметром до 260 мм, с высотой зуба не более 50 мм; в среднем коробление по диаметру не превышает 0,1 и 0,15 мм. Брака по короблению таких шестерен почти не было.

Исследования показали, что изделия в аустенитном состоянии при температуре выше АС3, никогда не восстанавливают свою форму в той степени, как при ступенчатой закалке, когда аустенит находится при более низких температурах. Одной из причин этого является внезапное разупрочнение во время мартенситного превращения, сопровождаемое повышением твердости с одновременным снижением сопротивления изгибу и упругих свойств деталей. Наибольшие пластические свойства возникают в завершающей стадии мартенситного превращения, по-видимому, в результате разновременности превращения в разных точках изделия.

Снижения коробления шестерен

Для снижения коробления шестерен особенно благоприятным является сочетание ступенчатой и фиксирующей закалки, т. е. закалка в штампах или на оправках. Наибольшая деформация происходит к концу мартенситного превращения, но в это время шестерня оказывается зафиксированной. В результате разупрочнения деталь на некоторое время становится более пластичной и принимает форму приспособления (штампа или оправки). Первоначальная конструкция штампа — переход от венца к диску не под прямым углом — не оправдала себя.

Дальнейшее усовершенствование штампа и обработка профиля шестерни (переход от венца к диску строго под углом 90°) позволило производить закалку в штампах на оправках (для стали 18Х2Н4ВА) с минимальным короблением.

Положительные результаты дает фиксирующая закалка на оправках и в штампах, создающих натяг при остывании шестерни (например, размер шестерни 329,8А, размер штампа 330); натяг по сравнению с относительным линейным удлинением невелик: 0,2-0,3 мм на диаметр 300-500 мм. Правда, этот опыт нуждается в более тщательном и детальном подтверждении.

Оправки, показанные на рис. 3, не позволяют проводить разборку после фиксирующей закалки и обеспечивают надежность и безопасность в работе.

Оправка для воздушной закалки крупных венцов и шестерен из стали 18Х2Н4ВА

Рис.3. Оправка для воздушной закалки крупных венцов и шестерен из стали 18Х2Н4ВА: 1 — разрезная оправка; 2 — конус.

Одним из основных мероприятий по борьбе с короблением является замена высокотемпературной (первой) закалки нормализацией — для стали 12ХНЗА и ее исключение (вернее, сочетание с охлаждением после разовой цементации) для стали 18Х2Н4ВА. Ведь коробление при закалке цементуемых деталей аналогично короблению однородной стали с ограниченной прокаливаемостью.

Заключение

Применение даже самых совершенных методов закалки не может привести к нулевым короблениям. Практика показала, что отработка технологии закалки шестерен сложной формы с минимальным короблением должна производиться на изделиях, так как величина и характер коробления определяются сложностью геометрической формы. Для борьбы с короблением необходимо систематическое наблюдение за короблением и деформацией деталей при термической обработке с использованием статистических методов контроля.

А. А. БОРИСОВ
Коломенский тепловозостроительный завод
ISSN 0026-0819. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 4. 1965 г.
Данная статьи была взята из этого ресурса.