1.3 Анализ и области применения основных методов нанесения износостойких покрытий. Определение рационального способа нанесения покрытий на рабочие поверхности зубчатых колес
Рассмотрим следующие методы повышения качества поверхностных слоев зубчатых колес:
- нанесения покрытий на поверхности зубчатых колес;
- термическое упрочнение;
- местное упрочнение;
- зубохонингование;
- поверхностно-пластическая деформация.
- химико-термическая обработка рабочих поверхностей зубчатых колес,
Помимо данных методов используются другие технологические методы повышения качества поверхностей зубчатых колес: зубошевингование, обкатка зубьев, притирка, зубошлифование, выглаживание зубьев и другие.
Рисунок 1.4 - Классификация методов повышения качества поверхностей зубчатых колес
Нанесение покрытий на поверхности зубчатых колес имеют основной целью обеспечения свойств наносимого материала (или оксидной пленки наносимого материала) поверхностям зубчатых колес, на которые наносится данный материал. Теоретические основы и технологии нанесения покрытий рассмотрены в работах [4, 8, 15, 20, 40, 35]. Нанесение покрытий на поверхности зубчатых колес производятся в зависимости от назначения и условий работы соответствующих поверхностей. В зависимости от назначения и исходного материала заготовки зубчатого колеса, выбирают состав наносимого покрытия, способ нанесения и количество наносимого материала. Для повышения износостойкости применяют нитриды титана, для повышения коррозионной стойкости применяют хромоникелевые покрытия, для снижения коэффициента трения на рабочих поверхностях используют покрытия, содержащие бронзу, сплавы олова и графит. В производстве зубчатых колес методы нанесения покрытий не получили широкого применения в качестве метода повышения качества, чаще всего для повышения износостойкости тяжелонагруженных высокоскоростных зубчатых колес. Это связано с необоснованно высокими затратами на выполнение технологического процесса нанесения покрытий. Используемые методы нанесения покрытий, с целью упрощения технологии, в большинстве случаев предполагают нанесение покрытий на всю поверхность изделия. Такой метод в некоторых случаях может привести к снижению параметров качества некоторых зон и участков изделия, поскольку наличие покрытия, не предусмотренного по функциональному назначению, может привести с существенному снижению точности отдельных участков и зон изделия а в некоторых случаях может потребовать дополнительную механическую обработку требуемую вследствие необходимости снятия припуска, образованного покрытием. Большая эффективность достигается при использовании местных покрытий. При этом покрытия наносятся только на рабочие поверхности изделия, а также на прилегающие к ним поверхности, как правило, не принимаю непосредственного участия в процессе работы. В некоторых случаях возможно применение слоистых покрытий, которые обеспечивают выполнение нескольких требований, а также могут адаптировать свойства поверхностей зубчатых колес к условиям эксплуатации. На данном этапе развития технологии машиностроения технологии нанесения покрытий не учитывают возможности нанесения покрытий на элементы зубчатых колес на прецизионном и супурпрецизионном уровнях глубины технологии, что может отражаться непрогнозируемыми изменениями свойств в различных направлениях. Применения покрытий в большинстве случаев ограничивается зубчатыми поверхностями, при этом не учитываются местные уровни глубины технологии, которые согласно классификации разделяются на 7 уровней (поверхностные точки, объемные точки, поверхностные линии, объемные линии, поверхности, поверхностные слои и объемные зоны).
Термическое упрочнение может использоваться как для повышения механических свойств зубчатых колес, так и для повышения параметров качества поверхностного слоя зубьев. Термическим упрочнением достигается повышение предела прочности материала, твердости, ударной вязкости. Также термообработки, наряду с последующей чистовой и отделочной обработкой, способствует снижению абразивного износа, выкрашивания и трещинообразования. При этом может использоваться либо объемная закалка и отпуск зубчатых колес, либо поверхностная закалка исполнительных поверхностей. Вид термического упрочнения и последовательность его выполнения определяется химическим составом материала заготовки, а также назначением детали. Объемной закалке в большинстве случаев подвергаются среднеуглеродистые и легированные стали, однако при высокой твердости зубьев применение объемной закалки не эффективно, так как наблюдается разброс значений по пределу усталости, а также низкая ударная вязкость, что снижает надежность передачи. Также при высокой твердости весьма сложно исправление деформаций возникшей при закалке, путем механической обработки [10]. Объемная закалка, как способ повышения качества зубчатых колес, не учитывает ориентации технологических воздействий в зависимости от особенности эксплуатации зубчатых колес, выполняется на недостаточно прецизионном уровне.
Поверхностная закалка выполняется для упрочнения зубчатого венца, целью которой является снижения изгибных и контактных напряжений, а также усталостного выкрашивания поверхностей зубьев. Наиболее распространенные методы поверхностной закалки: газопламенная закалка и закалка токами высокой частоты.
Газопламенная закалка производится при нагреве поверхности пламенем с высокой температурой. Пламя образуется при горении смеси ацетилена и кислорода. Применяются методы одновременного нагрева и закалки, непрерывно-последовательный нагрев и закалка при перемещении и комбинированный метод. Достоинством данного метода является простота реализации и использование универсальное оборудование. Недостатком метода является трудность регулирования оптимальной температуры нагрева вследствие чего возможны пережег поверхностных слоев, неравномерность нагрева и длительность процесса[11].
При закалке токами высокой частоты изделие помещается в индуктор, через который пропускается ток высокой частоты (от 103 до 106 Гц). Вследствие этого, в поверхностных слоях изделия индуктируются вихревые токи, посредством которых производится быстрый нагрев наружной зоны детали. После нагрева производится охлаждение с помощью душевого устройства. Применяются следующие способы закалки с нагревом ТВЧ: одновременный нагрев и закалка всей поверхности детали, последовательный нагрев и закалка отдельных участков детали, непрерывно-последовательный нагрев и закалка с перемещением (для длинных валов колес). При заданной толщине слоя режим нагрева определяется частотой тока, подводимой удельной мощностью и длительностью нагрева. В результате закалки ТВЧ значительно повышается твердость, износостойкость и усталостная прочность. Усталостная прочность достигается только в том случае, если применяемый метод закалки обеспечивает закалку поверхности зуба по всему контуру, с обязательной закалкой переходной поверхности у корня зуба, которая является наиболее опасной зоной колеса[3].
В методах поверхностной закалки используется ориентация технологических воздействий в зоны и участки изделия, выполняющие определенные эксплуатационные функции. Однако в данном случае ориентация не является точной и предполагает возможность выполнения технологических воздействий на другие элементы изделия, не выполняющие существенных функций в процессе эксплуатации изделия.
Местное упрочнение используется для повышения параметров качества тех зон зубчатых колес, которые испытывают наибольшие нагрузки и воздействия окружающей среды в процессе работы зубчатой передачи. Местное упрочнение применяется в тех случаях, когда к нескольким поверхностям зубчатого колеса предъявляют разные требования. Данный технологический метод использует точную ориентацию технологических воздействий в зоны и участки в соответствии с требованиями эксплуатации, но имеющиеся методы не учитывают возможности изменения эксплуатационных параметров в пределах одной зоны или элемента, а также изменение параметров в зависимости от условий эксплуатации.
Хонингование зубчатых колес относится к методам отделочной обработки термически упрочненных зубчатых колес. Процесс зубохонингование производится на станках без жесткой кинематической связи между инструментом и обрабатываемым зубчатым колесом. Данная обработка производится с целью снятия дефектов предыдущей обработки, исправления профиля зубьев, уменьшения шероховатости поверхностей зубьев, а также снижения шума в процессе работы передачи. Это повышает общую долговечность, и надежность зубчатой передачи, а также улучшает условия работы зубчатой передачи. В процессе хонингования обработка осуществляется за счет взаимного скольжения профиля абразивного инструмента – зубчатого хона, и заготовки обрабатываемого зубчатого колеса. В зависимости от назначения обработки и от качества заготовки зубчатого колеса используются два способа хонингования зубчатых колес: с радиальным нагружением и с окружным нагружением. Метод с окружным нагружением используется для более эффективного удаления припуска с поверхностей зубьев, уменьшения радиального биения, отклонений в направлении линии зубьев. В целом данный метод предназначен для обработки менее точных зубчатых колес со значительными погрешностями предыдущей обработки. При хонинговании с окружным нагружением достигается большее исправление профиля зубьев и погрешности шага зацепления. Этот метод используется для обработки более точных зубчатых колес, как правило, после шлифования. Метод хонингования с радиальным нагружением применяется в основном для обработки зубчатых колес 7-10 степени точности, а с окружным нагружением 5-6 степени точности. Зубчатые хон представляет собой зубчатое колесо того же модуля что и обрабатываемое, выполненное из пластмассы, с абразивом на рабочих поверхностях. Конструктивно разделяют 6 типов зубчатых хонов. Типа I имеет стальную втулку с пазами и отлитый на ней абразивно-пластмассовый зубчатый венец. Хоны типа II имеют между стальной ступицей и абразивным зубчатым венцом резиновую прокладку, что позволяет хонинговать в распор. Хоны типа III состоят из стального зубчатого колеса с утоненными зубьями и нанесенным на них абразивным слоем толщиной в 1,5-2мм. Это обеспечивает высокую прочность инструмента и возможность использовать при особо высоких нагрузках. В хонах типа IV абразивный венец закреплен на стальной втулке с помощью плоских рессор, это позволяет использовать данный хоны на станках с жесткой кинематической цепью. Хоны типа V имеют абразивный венец с внутренними зубьями. Хоны типа VI состоят из тонкой металлической втулки, пластмассовой ступицы и абразивного зубчатого венца[10].
Хонингование является методом повышения качества зубчатых колес с ориентацией технологических воздействий на исполнительные рабочие поверхности зубчатых колес. Но реализация технологических воздействий не приводит к существенному повышению точности параметров зубчатых колес, а используются преимущественно для снижения дефектов предыдущей обработки.
Методы поверхностно-пластической деформации поверхностей зубчатых колес применяются для повышения механических свойств поверхностных слоев зубчатых колес, а также для повышения качества поверхностей. Имеются методы формообразующей поверхностно-пластической деформации, в результате которой формируется зубчатый профиль (горячее накатывание зубьев) и отделочной поверхностно-пластической деформации для повышения качества поверхностей и поверхностных слоев зубчатых колес (холодная накатка зубчатых колес). В процессе горячего накатывания формируется начальный профиль прямозубого, косозубого или шевронного цилиндрического зубчатого колеса, требующего последующей чистовой обработки. Используется два основных метода горячего накатывания зубчатых колес: с осевой подачей заготовки и с радиальной подачей накатников. При методе с осевой подачей (рис. 1.3, а) формирование зубчатого профиля происходит за счет внедрения накатников 2 в поверхность заготовки 1 и вращения ее между двумя накатниками. Вращение заготовки осуществляется посредством мастер колеса 3, находящегося на одной оси с заготовкой. Данный метод позволяет накатывать зубчатые колеса на длинных штангах с последующей разрезкой ее на отдельные заготовки.
Метод с радиальной подачей (рис. 1.6, б) применяется для накатки зубьев на отдельных зубчатых колесах с модулем свыше 4 мм. Заготовка может быть механически обработанной или штампованной. Накатываемая заготовка 1 устанавливается в зажимном приспособлении 2 при раздвинутых накатниках 3. После нагрева ТВЧ синхронно вращающиеся накатники радиально сближаются с заготовкой и внедряются в нее, вызывая непрерывное вращение заготовки между накатниками. При внедрении зубьев на полную глубину, образуется впадины зубчатых колес и профиль зубьев.
Рисунок 1.6. - Схема горячего накатывания зубьев цилиндрических колес: а) с осевой подачей; б) с радиальной подачей
Методы горячего накатывания используются для формирования формы заготовки зубчатого колеса до ее механической обработки. Как правило, в данном методе отсутствует функциональная направленность, а целью данного метода – снижение трудоемкости дальнейшей механической обработки зубчатых колес и сокращение расхода материала.
Холодное накатывание применяют взамен зубошевингования, обработка осуществляется за счет холодной пластической деформации металла. Во время прикатки, заготовка зубчатого колеса и инструмент – накатник, имеющий форму цилиндрического зубчатого колеса, находятся в беззазорном зацеплении. В результате взаимного относительного скольжения профилей зубьев заготовки и инструмента на противоположных сторонах зуба колеса материал припуска течет в разных направлениях, в результате этого на делительной окружности происходит наволакивание металла – образуется выступ, а с противоположной стороны образуется впадина. Это создает трудности в получении симметричного профиля зуба колеса. Для удовлетворительного профиля зубьев вводят различную коррекцию на каждой стороне зуба накатника, а величину припуска принимают в два раза меньше чем под шевингование. Разработано несколько технологических схем холодного накатывания зубьев: накатывание зубьев тремя, двумя, и одним накатником.[4]
а) б) в)
Рисунок 1.7. - Схемы холодного накатывания зубьев: а)с тремя накатниками; б)с двумя накатниками; в)с одним накатником; 1- заготовка; 2 – накатники
При поверхностно-пластической деформации происходит выравнивание профиля зубчатого колеса, исправляются дефекты предыдущей обработки, и повышается степень точности зубчатых колес. За счет наклепа, вызванного пластической деформацией, происходит упрочнение поверхностных слоев обрабатываемого зубчатого колеса. Однако методы отделочной поверхностно-пластической деформации используются только для термически не упрочненных зубчатых колес поскольку, в качестве инструмента, как правило, используется эталонное зубчатые колеса-накатники из быстрорежущей стали.
В методах холодной пластической деформации существует ориентация технологических воздействий на исполнительные рабочие поверхности зубчатых колес, однако главной целью данного метода является повышение точности зубчатого профиля и повышение механических свойств поверхностей зубчатого профиля. Данный метод не учитывает возможности изменения технологического воздействия в различных частях зубчатого профиля и изменения свойств в процессе эксплуатации.
Химико-термическая обработка используется для повышения механических свойств поверхностных слоев зубчатых колес за счет насыщения их химическими элементами (карбидами, нитридами). После насыщения поверхностного слоя, как правило, производится последующая термообработки зубчатых колес: закалка и низкий отпуск. В результате данного процесса происходит повышение твердости и износостойкости поверхности, а также повышение усталостной прочности и контактной выносливости [9]. Из процессов химико-термической обработки наибольшее значение имеют газовая цементация в шахтных печах и в печах непрерывного действия, а также нитроцементация. Зубчатые колеса, подвергаемые цементации и нитроцементации, являются легированные мелкозернистые стали с низким содержанием углерода. После насыщения, для обеспечения максимальной прочности зубьев при изгибе рекомендуется содержание углерода в пределах 0,8-1,0%. Для колес с максимальным контактным напряжением, оптимальная концентрация углерода повышается до 1,2%. Поверхности, к которым не предъявляются повышенных требований качества, а также которые могут быть повреждены во время химико-термической обработки (резьбовые, шлицевые участки, отверстия малого диаметра и пр.), предохраняют с помощью обмазки их пастами на основе жидкого стекла и талька, а также гальваническим меднением и лужением. Химико-термической обработке подвергаются особо ответственные зубчатые колеса и валы шестерни, испытывающие большие динамические нагрузки.
В данном методе используется ориентация технологических воздействий на исполнительные поверхности зубчатых колес(рабочие и базирующие). Использование химико-термических методов обеспечивает сохранение технологических свойств в процессе эксплуатации, однако не учитывается возможность изменения свойств в различных участках и зонах изделия, подвергаемых обработке.
Таким образом, из рассмотренных технологических методов повышения качества зубчатых колес, нет данных по конкретным технологиям, которые были бы ориентированы на функциональные особенности их элементов. Рассмотренные технологические методы предполагают воздействие на поверхности и объемы, при этом не рассматривается возможность рассматривать в качестве элемента зубчатого колеса точки, линии и поверхностные слои Ориентация технологических воздействий осуществляется исходя из функционального назначения всего элемента зубчатого колеса, и не учитывает возможности управления свойствами в пределах одного элемента. Рассмотренные методы направлены на повышения параметров качества поверхностей и степени их точности, не привязываясь к условиям их эксплуатации.