Выбор марок сталей для зубчатых колес

В термически необработанном состоянии механические свойства всех сталей близки. Поэтому применение легированных сталей без термо­обработки недопустимо.

Прокаливаемость сталей различна: углеродистых - наи­меньшая, высоколегированных - наибольшая. Стали с плохой прокаливаемостыо при больших сечениях нельзя термически обработать на высокую твердость. Поэтому марку стали для упрочняемых зубчатых колес выбирают с учетом их размеров, а именно диаметра вала-шестерни или червяка и наибольшей толщины сечения колеса с припуском на механическую обра­ботку после нормализации или улучшения.

Механические свойства наиболее употребительных сталей с учетом размеров зубчатых колес приведены в приложении 1.

Характеристики сталей определяют по формулам σ_В ≈ 3,5 НВ; σ_В ≈ 3,2 НВ, где первая формула - для высоколегированных цементуемых сталей, вто­рая - для всех других сталей.

При отсутствии данных усталостные характеристики сталей можно определить по формулам:

σ _{– 1} ≈ 0,43 σ_В;

τ _{– 1} ≈ 0,6 σ _{– 1} .

Для унификации марок сталей в производстве и для упро­щения изготовления запасных частей марки стали рекомен­дуется выбирать из следующего сортамента:

1) нормализация - 35, 45, 35Л;

2) улучшение - 45, 40Х, 35ХМ, 40ХН, 45Л, 40ГЛ;

3) закалка при нагреве ТВЧ - 35ХМ, 40ХН, 50ХН, 58; применение углеродистых сталей типа 45 недопустимо;

4) пламенная закалка - 35ХМ, 40ХН;

5) объемная закалка - 45, 40Х, 35ХМ, 40ХН:

6) цементация - 20ХН2М, 18ХГТ, 12ХНЗА, 18Х2Н4ВА;

7) газовая нитроцементация - 25ХГМ;

8) азотирование (мягкое) - 40ХН2МА.

Выбираем для зубчатых колес редуктора сталь 40Х с термообработкой - цементация

Зубчатые колеса передач и редукторов в боль­шинстве случаев изготовляют из сталей, подвергнутых терми­ческому или химико-термическому упрочнению. Чугуны при­меняют для малонагруженных или редко работающих передач, в которых габариты и масса не имеют определяющего зна­чения.

Способы упрочнения выбирают в зависимости от требуемой несущей способности зубчатых колес, марки стали, оборудования и трудоемкости изготовления. Чем выше требуемая несущая способность, тем более качественные и дорогие стали и сложное оборудование приходится применять, вкладывать больше труда в каждый килограмм массы передачи; если же стоимость передачи отнести к нагрузочной способности, то это оказывается эко­номически оправданным. Поэтому следует применять наиболее эффективные способы упрочнения, доступные имеющимся производственным возможностям.

Выбираем для зубчатых колес редуктора сталь 40Х с термообработкой - цементация

Основные способы упрочнения:

1. нормализация. Позволяет получить лишь низкую нагру­зочную способность. Используют для поковок и отливок из среднеуглеродистых сталей; сохраняет точность, полученную при механической обработке; передачи хорошо и быстро при­рабатываются.

Область применения: редукторы больших размеров, инди­видуальное производство, малонагруженные передачи.

2. улучшение. Обеспечивает свойства, аналогичные полу­чаемым при нормализации, но нарезание зубьев труднее из-за большей их твердости. Заготовки - средние по размерам по­ковки и отливки из среднеуглеродистых сталей.

Область применения: редукторы средних размеров и пере­дачи с небольшими нагрузками.

3. закалка. При нагреве ТВЧ дает среднюю нагрузочную способность при достаточно простой технологии. Из-за повы­шенной твердости зубьев передачи плохо прирабатываются; недостаток такой термообработки - потери одной-двух степе­ней точности вследствие коробления, величина которого зави­сит от применяемого оборудования и культуры производства.

Размеры зубчатых колес практически не ограничены. Необ­ходимо учитывать, что при модулях, меньших 3 - 5 мм, зуб прокаливается насквозь.

Область применения - тихоходные передачи низкой точ­ности. Сочетание шестерни, закаленной при нагреве ТВЧ, и улучшенного колеса вследствие проявления головочного эффек­та дает большую нагрузочную способность, чем улучшенная пара с той же твердостью колеса. Такая пара хорошо прира­батывается; ее применение предпочтительно, если нельзя обес­печить высокую твердость зубьев колеса, при скоростях v =12,5 м/с.

4. пламенная закалка. Обеспечивает такую же нагрузочную способность, как и закалка с нагревом ТВЧ, но коробление меньше - теряется одна степень точности. При этом способе требуется специальное оборудование, он отличается низкой производительностью.

Область применения: тяжелое машиностроение, передачи с большими модулями, низкие точности, индивидуальное про­изводство.

5. объемная закалка. Повышает нагрузочную способность до средней. Технология проста, коробление умеренное - теря­ется одна степень точности. Как и все твердые передачи, прирабатывается плохо.

Область применения: мелкие тихоходные зубчатые колеса низкой точности (например, ручные тали).

6. цементация. Обеспечивает высокую нагрузочную способ­ность и стабильность свойств; поверхности зуба насыщают углеродом до 0,8-1,1% на глубину 0,20 мм. Для цементации требуется специальное оборудование. Недостатки способа - большое коробление, потеря двух степеней точности.

Область применения - высоконагруженные передачи малых и средних размеров разных степеней точности.

7. газовая нитроцементация. Обеспечивает весьма высокую несущую способность и стабильность свойств. По сравнению с обычной цементацией приводит к меньшему короблению - теряется одна степень точности. Толщина слоя насыщения в 1,5 раза меньше, чем при цементации, и не более 1 мм при т_п = 8 мм. Требуется дорогое уникальное оборудование, изготовляемое только для крупносерийного производства.

Область применения - небольшие зубчатые колеса крупно­серийного и массового производства.

8. азотирование. Обеспечивает высокую нагрузочную спо­собность практически без коробления; необходимо специаль­ное оборудование; процесс длительный (20-50 ч); тонкий азотированный слой чувствителен к перекосам и ударам. Толщина слоя 0,2 - 0,5 мм.

Область применения - быстроходные точные передачи, ра­ботающие без ударов.

9. механическое упрочнение и электрополирование. Изломная прочность зубьев значительно повышается накаткой впа­дин, чеканкой, дробеструйной обработкой. Упрочнение дости­гает 40%. Электрополирование уничтожает тонкий дефектный слой, уменьшает шероховатость поверхности и дает неболь­шие завалы у концов зубьев, имитирующие бочкообразность.

Допускаемые напряжения

Допускаемые напряжения при расчете на выносли­вость получают делением значений пределов длительной вы­носливости σ^О_Нlim и σ^О_Flim на коэффициенты безопасности S_H и S_F (табл. 4.1).

Обеспечить контактную равнопрочность зубчатых колес в паре удается очень редко. Поэтому необходимо найти лими­тирующее зубчатое колесо пары, для которого допускаемое контактное напряжение меньше.

Если коэффициент долговечности К_На = 1, то лимитирует колесо, и допускаемое контактное напряжение

(4.1)

При значениях σ^О_{Н lim 2} =640, S_H=1,1, [σ_Н ] = 582 МПа

Если НВ₁ - НВ₂ ≥ 100 («высокий перепад твердостей»), то для прямозубых передач [σ_Н] определяют по формуле (4.1), а для косозубых

(4.2)

При значениях σ^О_{Н lim 2} =640, S_H=1,1, [σ_Н ] = 669 МПа

При высоком перепаде твердостей рекомендуется принимать HRC₁ =45 ÷ 50; НВ₂ = 269 ÷ 302. Если коэффициент долговечности K_Нд < 1, то при HB₁ > НВ₂ ⁹√и лимитирует колесо; если НВ₁≤ НВ₂⁹√и , то лимитирует шестерня. При одинаковых твердостях шестерни и колеса допускаемое напряжение для прямозубых и косозубых передач определяют по формуле (4.1).

При высоком перепаде твердостей [σ_Н] для прямозубых передач определяют по формуле (4.2), а для косозубых – по формуле

[σ_Н ] = (σ^О_{Н lim 2} / S_H )*1,27/ ¹⁰ √и (4.3)

При значениях σ^О_{Н lim 2} =640, S_H=1,1, и=6,3, [σ_Н ] = 683 МПа

Если лимитирует шестерня, то при определении [σ_Н] в фор­мулу (4.1) подставляют σ^О_{Н lim 1}.

При определении модуля с надежностью, достаточной для практических расчетов, можно принимать, что лимитирует колесо, если его твердость меньше твердости шестерни, и лимитирует шестерня, если твердости равны.

Допускаемое напряжение изгиба при работе только одной стороной зуба

[σ_F] = σ^O_{F lim} ∕ S_F . (4.4)

При значениях σ^O_{F lim} = 560, S_F=1,8, [σ_F] = 255 МПа

Предел длительной выносливости σ^O_{F lim} лимитирующего зубчатого колеса и запас прочности определяют по таблице.

При реверсивной работе обеими сторонами допускаемое напряжение, полученное по формуле 4.2, умножают на 0,8.

Если в графике нагрузки имеются кратковременные пиковые моменты, не менее чем вдвое превышающие наибольший момент нормально протекающего технологического процесса T _max , то допускаемые напряжения для проверки статической прочности определяют по таблице (приложение 3).