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 1.2 - 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 [10, 11, 1, 5, 12, 20, 6]. 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 [15]. 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.

Цель и задачи работы

На основании проведенного анализа можно сделать следующие выводы:

- рассмотренные методы повышения качества зубчатых колес, как правило, направлены на повышение качества всего зубчатого колеса как изделия в целом, и не учитывают возможности повышения качества элементов, принимающих непосредственного участие в процессе эксплуатации;

- методы повышения качества зубчатых колес не учитывают возможности управления эксплуатационными характеристиками на местном уровне, а реализация технологических воздействий в основном осуществляется на поверхности зубчатых колес не учитывая всех уровней глубины технологии;

- технологические методы производства зубчатых колес не дают возможности адекватного изменения свойств конкретных зон и участков зубчатых колес в зависимости от особенностей эксплуатации;

- методы механической обработки рабочих элементов зубчатых колес не позволяют значительно увеличить физико-механические и эксплуатационные свойства элементов зубчатых колес;

- использование дополнительной обработки на основе прогрессивных технологических методов, в частности методов нанесения вакуумных ионно-плазменных покрытий и ультразвуковой обработки, дает возможность управления эксплуатационными свойствами элементов зубчатых колес;

- при структурном соответствии действия множества элементарных функций в зубчатых колесах, множества технологических воздействий и множества свойств в функциональных зонах или элементах зубчатых колес появляется возможность изготовления зубчатых колес с наиболее оптимальными эксплуатационными характеристиками.

Работы, посвященные изготовлению, повышению надежности и качества зубчатых колес, охватывают большинство процессов, происходящих при производства и эксплуатации зубчатых колес. Из них можно увидеть влияние различных факторов процессов зубообработки, на точность и качество зубчатых колес в процессе эксплуатации. Однако обосновать необходимость использования величин определенных параметров связанных с работой зубчатой передачи – является актуальной задачей, поскольку позволит определить тот минимум эксплуатационных характеристик, который необходим для безотказной работы зубчатой передачи. При этом исключается необоснованное превышение некоторых эксплуатационных характеристик элементов зубчатых колес, которые не требуются по условиям работы, но могут несколько повысить затраты на производство.

Определение эффективности и области применения функционально-ориентированного подхода для изготовления зубчатых колес является важной задачей, поскольку данный подход требует значительных затрат материального, энергетического и информационного характера и в некоторых сферах его применение может быть необоснованно.

Цель – повышение качества и эффективности изготовления зубчатых колес на основе разработки технологического обеспечения функционально - ориентированных технологий.

Задачи:

- выполнить анализ конструкций и особенностей работы зубчатых колес с точки зрения соответствия их функционально-ориентированному подходу; выполнить исследование существующих технологий повышения качества зубчатых колес которые могут быть использованы для реализации функционально-ориентированных технологий;

- предложить методику синтеза и алгоритм синтеза функционально-ориентированных технологий направленных на повышение качества зубчатых колес;

- разработать схемы технологических воздействий на основе принципов ориентации технологических воздействий для свойств и эксплуатационных функций элементов зубчатых колес;

- разработать структурное и технологическое обеспечение реализации операций функционально-ориентированного технологического процесса на основе нанесения вакуумных ионно-плазменных покрытий на рабочие элементы зубчатых колес;

- разработать рекомендации по внедрению результатов работы в производство.