Выбор материала для шестерни и колеса. Большая энциклопедия нефти и газа. В табл.1.1 приведены механические характеристики некоторых марок сталей, применяемых для изготовления зубчатых колес

Различные процессы термической обработки, а также обрабатываемые материалы придают определенные качества в ваших передачах. Термическая обработка является критическим и сложным элементом при изготовлении зубчатых колес, что значительно влияет на то, как каждый будет работать при передаче мощности или переносить движение на другие компоненты в сборке. Термические обработки оптимизируют производительность и продлевают срок службы зубчатых передач, изменяя их химические, металлургические и физические свойства.

Эти свойства определяются с учетом геометрии шестерни, требований к передаче энергии, напряжений в разных точках в передаче под нагрузкой, скорости циклирования нагрузки, типа материала, конструкции сопрягаемых деталей и других условий эксплуатации. Термическая обработка улучшает физические свойства, такие как поверхностная твердость, которая придает износостойкость, чтобы предотвратить потерю поверхностей зубов и подшипников. Термические обработки также улучшают усталостную долговечность шестерни, создавая приповерхностные сжимающие напряжения для предотвращения точечной деформации и деформации от высоких контактных напряжений на зубцах зубчатых колес.

Эти же сжимающие напряжения предотвращают усталостные отказы в корнях зубьев из циклического изгиба зуба. Физические свойства, такие как поверхностная твердость, твердость сердечника, глубина корпуса, пластичность, прочность, износостойкость и профили напряжения сжатия, могут сильно варьироваться в зависимости от типа применяемой термообработки. Для любого типа термообработки результаты могут быть адаптированы путем изменения параметров процесса, таких как источник нагрева, температуры, времена циклов, атмосферы, охлаждающие среды и циклы закалки для удовлетворения конкретных требований применения.

Помимо выбора термической обработки, которая создаст набор желаемых физических свойств, инженеры-изготовители хотят минимизировать искажения размеров от обработки, чтобы можно было достичь окончательной надлежащей посадки в редуктор. Многие зубчатые колеса подвергаются механической обработке в негабаритных условиях до термической обработки, так что запланированное количество измельченного материала может быть удалено после процесса для удовлетворения требований к размеру. Путем выбора процессов термообработки, где искажение уменьшается, количество необходимого материала для измельчения может быть уменьшено, чтобы минимизировать механическую обработку на отвержденных поверхностях после термообработки и тем самым снизить общие затраты на производство.

Слишком большая часть самой наружной части жесткой коробки, искаженной чрезмерно, также негативно скажется на усталостных свойствах и износостойкости. Некоторые процессы термообработки предназначены для обработки всей поверхности шестерни, в то время как другие являются селективными по своей природе. Индукционное упрочнение или селективное нагревание могут быть использованы для затвердевания только зубьев шестерни, что может быть эффективным методом уменьшения искажения шестерни. Маскирование журналов и шпоночных пазов можно использовать в случаях, когда процессы затвердевания сохраняют их мягкость и облегчают удаление шлифовального материала после термообработки.

Во всех случаях инженеры-конструкторы понимают, что термические обработки играют сложную и жизненно важную роль как в простоте производства, так и в производительности механизмов, которые они делают. Сегодня существует множество вариантов термообработки зубчатых колес. Правильный выбор и дизайн процесса термообработки могут значительно повлиять на производительность, простоту изготовления и экономичность компонента. Этот документ будет посвящен различным различным процессам и подчеркнет некоторые преимущества и недостатки каждого из них.

Основы тепловой обработки Для понимания термической обработки необходимы базовые знания в области металлургии. Железо, в сочетании с небольшим процентом углерода, образует сталь. Обычные углеродистые стали обычно содержат 1% или менее углерода в сочетании с железом. Максимальная твердость, которую может получить любая простая углеродистая сталь во время термообработки, в первую очередь зависит от ее содержания углерода. Стали более высокого содержания углерода могут быть отверждены до более высоких значений твердости, чем стали с более низким содержанием углерода.

Эти легирующие элементы добавляются для повышения прокаливаемости или повышения удельных свойств, таких как вязкость или устойчивость к размягчению от нагрева. Для термообработчиков более высокая прокаливаемость обеспечивает более медленное охлаждение, что означает, что искажения можно поддерживать на более низких уровнях в более высоколегированных сталях. Стали можно отжигать термической обработкой при высокой температуре и медленном охлаждении, чтобы смягчить ее. В этом мягком и податливом состоянии его можно обрабатывать, формовать, наматывать и легко наносить в желаемую форму.

Что делает сталь промышленно важной, так это то, что ее можно затвердеть после того, как материал будет сформирован или сформирован в мягком состоянии до желаемой геометрии. При использовании цикла термической обработки, когда сталь нагревается до температуры аустенизации и быстро гасится, прилегающие компоненты могут быть закалены для улучшения износостойкости, прочности и твердости.

После закалки до максимальной твердости, которая определяется содержанием углерода в стали, сталь затем может быть отброшена до меньшей твердости, чтобы улучшить пластичность и вязкость за счет незначительного снижения прочности, твердости и характеристик износа материала. То, что на самом деле происходит в стали при термообработке, - это фазовые превращения, поскольку атомы перестраиваются в разные кристаллические структуры. Исходной точкой большинства термически обработанных деталей является отожженный материал.

Фактически, при покупке стали она обычно находится в отожженном состоянии. Отжиговая структура представляет собой комбинацию прежде всего феррита и карбида железа. Когда сталь нагревается выше ее температуры аустенизации, она превращается в аустенитную структуру. После полного превращения стали в аустенитную структуру аустенит может быть закален и структура аустенита превратится в мартенситную структуру. Это превращение аустенита в мартенсит является процессом упрочнения. Мартенситная структура дает самые высокие твердости и прочностные свойства любой конструкции для этой стали.

Производство мартенситной структуры из аустенита является целью упрочнения термической обработки сталей. Одним из важных аспектов этого процесса упрочнения является скорость охлаждения, используемая во время закалки. Каждый класс стали требует, чтобы при закалке была достигнута определенная минимальная скорость охлаждения, или переход от аустенита к мартенситу не произойдет. Аустенитизированные стали, удерживаемые при высокой температуре и слишком медленно закаленные до температуры окружающей среды, не превратятся из аустенита в мартенситную структуру.

Вместо этого они вернут обратно более мягкое соединение феррита и цементита. Второй источник искажений - высокая температурная ползучесть во время обработки. Гравитация является врагом многих конструкций редуктора во время термической обработки, особенно в цементации, где высокие температуры и длительные времена обработки являются нормой. При высоких температурах сталь имеет небольшую прочность и может прогибаться и сгибаться под действием силы тяжести, если части детали не поддерживаются должным образом или компоненты не встают или не свисают совершенно прямо.

Расходуя дополнительное время на правильное крепление деталей и проектирование индивидуальных приспособлений для правильной поддержки шестерни во время воздействия высоких температур, может сэкономить много часов выпрямления и обработки после этого. Некоторые формы деталей, такие как длинные валы, лучше всего укладываются в вертикальные ориентации, чтобы поддерживать прямолинейность, в то время как другие формы, такие как кольца, лучше, если они плоские по горизонтали, чтобы поддерживать округлость.

Выбор и опыт проектирования термообработки могут существенно повлиять на результаты. Третий источник искажений - тушение, которое обычно является основным нарушителем в искажающих частях во время термообработки. Идеальное охлаждение - это самое медленное охлаждение, которое равномерно вытягивает тепло из детали, все еще полностью преобразуя поверхность в мартенсит и достигая желаемых свойств корпуса и ядра. Это звучит достаточно просто, но на практике это может быть довольно сложно, учитывая дизайн и сложную форму многих передач.

Из-за различий в геометрических форматах клиентов, ограничениях в конструкциях креплений, неравномерном перемешивании танкера и взаимодействии частично или частично, они являются наиболее сложным механизмом искажения для разрешения и прогнозирования. Даже в пределах одной части возможно более тонкое разделение части компонента быстрее, чем более толстые секции, что приводит к тому, что одна область преобразуется раньше, чем другая, и размеры основы, поскольку преобразования с их связанными расширениями объема происходят в разное время во время закалки.

Когда искажение происходит с недопустимой степенью, необходимо найти решения. После исчерпания всех вариаций параметров обработки, методов крепления, модификаций гашения и обеспечения частей без нагрева до термообработки необходимо учитывать другие варианты. Это может быть так же просто, как шаг выпрямления, или так сложно, как реинжиниринг детали. Некоторые другие методы термообработки могут обеспечить более эффективные решения для уменьшения искажений. Такие процессы, как закалка давлением, индукционное упрочнение зуба до зуба, вакуумная науглероживание с газовым тушением и азотирование, применяются при возникновении чрезмерных искажений при обычной науглероживании конкретных геометрий зубчатых колес.

В основной форме зубчатые колеса цементируются крупными партиями, медленно охлаждают, разогревают индивидуально, а затем быстро гасят при некоторой форме сдержанности, чтобы свести к минимуму искажения. Основными размерами, которые удерживаются во время пресс-тушения, являются плоскостность шестерни и округлость отверстия относительно ступицы. Используемое оборудование для тушения называется прессой. Они имеют либо пневматический, либо гидравлический дизайн, в зависимости от конкретного оборудования.

Пресс имеет более низкую матрицу, которая плавает в природе и становится неподвижной во время процесса закалки. Верхняя матрица использует систему первичного и вторичного верхнего давления, которая имеет два уровня управления через внешний и внутренний цилиндровый узел. В зависимости от используемого пресса максимальное давление штампа отличается.