Выбор материала, обоснование видов и разработка режимов термической обработки зубчатых колес

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ПГАСА

 

 

Кафедра «Материаловедения и обработки материалов»

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОМУ  ПРОЕКТУ

 

на тему: «Выбор материала, обоснование видов и разработка режимов термической обработки зубчатых колес»

 

 

 

 

Выполнила:                                                                         ст. гр. 931–ПМ

               Верхолаз И.С.                                                                     

 

Проверил:                                                            доц. Мухина Л.В.

 

 

 

Днепропетровск 2006

Введение

Актуальными в настоящее  время являются вопросы повышения  надёжности и долговечности машин, приборов, установок, повышение их качества и эффективности работы, а следовательно, вопросы экономии металлов, борьбы с коррозией и износом деталей машин. Роль этих проблем в долговечности машин и механизмов особенно возросла в настоящее время, так как развитие большинства отраслей промышленности (авиационная, ракетная, теплоэнергетика, атомная энергетика, радиоэлектроника и др.) связано с повышением нагрузок, температур, агрессивности сред, в которых работает деталь. Решение этих проблем прежде всего связано с упрочнением поверхностных слоёв изделий.

Изменить свойства поверхности  можно различными способами: нанесением на поверхность нового материала с необходимыми свойствами; изменением состава поверхностного слоя металла.

Во втором случае поверхностные  слои металла подвергают диффузионной химико-термической обработке (ХТО), в результате которой на поверхности изделия образуется новый, отличающийся от сердцевины, сплав.

ХТО позволяет получить в поверхностном слое изделия  сплав практически любого состава  и, следовательно, обеспечить комплекс необходимых свойств - физических, химических, механических и других.

Одним из распространённых методов ХТО является цементация. Процесс цементации широко применяют в промышленности благодаря его высокой эффективности и доступности. Он позволяет создавать на рабочей поверхности детали слой, обладающий высокой твёрдостью после закалки, износостойкостью, эрозионной стойкостью, контактной выносливостью и усталостной прочностью при изгибе. Эти свойства обеспечиваются при относительно мягкой и вязкой сердцевине, придающей детали необходимую конструктивную прочность.

1. Описание детали и условий её работы

Зубчатые колёса являются основными деталями большинства машин и механизмов. Они служат для передачи вращательных движений между отдельными элементами механизмов.

Вращение передаётся через зубчатое зацепление. Отказ  или разрушение зубчатого колеса влечёт за собой прекращение передачи крутящего момента и отказ двигательных агрегатов.

Заготовкой зубчатых колес обычно служит поковка, реже отливка. Зубья нарезают на специальных зуборезных или фрезерных станках, либо формуют  горячей накаткой. Для окончательной доводки зубьев зубчатых колес ответственного назначения при индивидуальном или мелкосерийном производстве применяют различные тонкие методы обработки (шевингование, притирку, хонингование и др.) с целью достижения хорошего сопряжения контактных поверхностей и снижения тем самым уровня шума, повышения долговечностей зубчатых колес.

В процессе эксплуатации наиболее нагруженным элементом  зубчатых колес являются зубья, которые  подвергаются:

- изгибу при максимальном  однократном нагружении, например при резком торможении, приложении максимального крутящего момента, заклинивании и т.п.;

- изгибу при многократных  циклических нагрузках, приводящему  к усталости металла в корне  зуба;

- контактным напряжениям  на боковых рабочих поверхностях  зубьев, вызывающим появление контактно-усталостных повреждений (питтингов);

- абразивному износу  боковых поверхностей при попадании  случайных частиц в зону контакта, а также торцевых поверхностей  зубьев, например, при переключении  передач в коробках скоростей;

- износу от трения  скольжения со смазкой, особенно  в условиях недостаточной смазки  или без смазки на рабочих  поверхностях зубьев, что может  приводить к “схватыванию” и образованию грубых задиров.

По конструкции данное зубчатое колесо представляет собой полый цилиндр. Снаружи расположены эвольвентные зубья, через которые передаётся вращательное движение от ведущего зубчатого колеса. По внутреннему диаметру данного зубчатого колеса выполнены шлицы для передачи крутящего момента на рессоры коробки агрегатов и далее ротору двигателя при его запуске, что обеспечивает подачу топлива в камеру сгорания.

В процессе работы зубчатое колесо испытывает статические, динамические, знакопеременные и вибрационные нагрузки величиной до 930Н. Деталь работает в масляной среде с рабочей температурой до 300°С.

Технические требования к материалу назначаются исходя из условий работы зубчатого колеса. Учитывая, что деталь работает в достаточно сложных условиях, к ней  предъявляются следующие технические требования:

- предел прочности ;

- условный предел текучести  ;

- ударная вязкость  ;

- твёрдость упрочнённой  поверхности  ;

- глубина упрочнённого  слоя  ;

- твёрдость сердцевины .

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Последовательность обработки детали

Деталь от заготовки  до полного изготовления проходит сложный  технологический маршрут по цехам предприятия (рис. 2.1):

Рис. 2.1. Последовательность изготовления зубчатого колеса.

Заготовительный цех - резка прутка на заготовки длиной 85мм, диаметром 65мм;

Кузнечно-штамповочный цех - штамповка методом горячей штамповки;

Термический цех 1 - проведение предварительной термической обработки поковок для снятия внутренних напряжений после штамповки и для подготовки  структуры к  дальнейшей  механической обработке и термической обработке;

Механический цех 1 - проведение черновой механической обработки, нарезание зубьев и обработка наружных поверхностей для придания детали основных размеров, согласно чертежу;

Термический цех 2 - окончательная термическая обработка для получения требуемых свойств;

Механический цех 2 - чистовая механическая обработка (шлифование рабочих поверхностей детали);

Сборочный цех - сборка деталей в узел.

 

 

 

 

 

 

3. Выбор материала для  данной детали

Для зубчатых колёс можно  применять конструкционные цементуемые  или улучшаемые стали. Учитывая, что по техническим требованиям требуются  высокие характеристики, следует обратиться к легированным сталям.

Данное зубчатое колесо привода коробки агрегата авиационного двигателя работает при температуре до 300°С, поэтому для него следует выбрать одну из цементуемых теплостойких сталей с высокой твёрдостью поверхности при достаточной твёрдости сердцевины.

В настоящее время  для изготовления ответственных  зубчатых колёс широко применяются теплостойкие стали перлитного класса, такие как 20Х3МВФ (ЭИ415), 12Х2Н4А и 12Х2НВФА (ЭИ712)[  ], поэтому для данного зубчатого колеса следует применить цементуемые стали. Цементуемые стали делят на три группы: углеродистые стали с неупрочняемой сердцевиной; низколегированные со слабо упрочняемой сердцевиной;  относительно высоколегированные стали с сердцевиной, сильно упрочняемой при термической обработке.

Учитывая высокие требования по механическим свойствам, предъявляемые к данному зубчатому колесу, для него подходят стали третьей группы. Их химический состав и механические свойства приведены ниже в таблице 3.1 и таблице 3.2.

 

 

 

 

 

 

 

 

      Таблица 3.1

Химический состав конструкционных цементуемых сталей ГОСТ 4543-71

Марка	Содержание элементов, масс %
стали	С	Cr	Ni	V	W	Mo	Si	Mn	S	P
20Х3МВФА	0,15...0,20	2,80...3,30	£0,5	0,60...0,85	0,30...0,50	0,35...0,55	0,17...0,37	0,25...0,50	£0,025	£0,030
12Х2Н4А	0,10...0,15	1,25...1,65	3,25...3,65	-	-	-	0,17...0,37	0,3... 0,6	£0,025	£0,025
12Х2НВФА	0,09...0,16	1,9... 2,4	0,8... 1,2	0,18... 0,28	1,0... 0,28	-	0,17...0,37	0,3... 0,7	£0,025	£0,025

 

Таблица 3.2

Механические свойства конструкционных цементуемых сталей

Марка	Термическая	sв	s0,2	d	y	KCU	HRC
стали	обработка	МПа	МПа	%	%	МДж/м³	пов.	сердц.
20Х3МВФА	цементация 920...950°С выс. отпуск 650...670°С закалка 890...930°С низ. отпуск 300...320°С	£1070	£880	£10	£50	£0,7	£60	£43
12Х2Н4А	цементация 900...950°С выс. отпуск 650...670°С зак. в масле 780...800°С низ. отпуск 150...170°С	£980	£785	£12	£55	£0,1	£58	£30
12Х2НВФА	цементация 900...925°С выс. отпуск 650 ±10°С закалка 880±10°С низ. отпуск 160...250°С	£1050	£940	£15	£63	£0,6	£60	£36

 

 

 

Сталь 20Х3МВФА - конструкционная теплостойкая высококачественная сталь. Она относится  к перлитному классу и выплавляется в открытых электрических печах, методами электрошлакового и вакуумно-дугового переплава. Сталь хорошо деформируется в горячем состоянии. Сталь удовлетворительно обрабатывается резанием.  Данная сталь применяется для изготовления зубчатых колёс, втулок, пальцев и других деталей, работающих до температуры 350°С. Применение этой стали для данного зубчатого колеса нецелесообразно, так как она не удовлетворяет техническим требованиям по пластичности.

Сталь 12Х2Н4А - высококачественная легированная цементуемая сталь. В  отожжённом состоянии является доэвтектоидной, а в нормализованном состоянии относится к перлитному классу. Применяется для изготовления деталей сварных конструкций, а также зубчатых колёс. Сталь хорошо деформируется в горячем состоянии; температурный интервал деформации 1180-850°С. Эта сталь хорошо сваривается, имеет достаточную прокаливаемость поверхностного слоя. После окончательной термической обработки имеет большую твёрдость.

Сталь 12Х2НВФА - высококачественная легированная конструкционная цементуемая сталь. В отожжённом состоянии является доэвтектоидной, а в нормализованном состоянии относится к перлитному классу. Применяется для изготовления тяжело нагруженных деталей сварных конструкций и узлов, не подвергается термической обработке после сварки. Применяется также для деталей, работающих при повышенных температурах до 500°С. Эта сталь имеет высокие прочностные характеристики, невысокую стоимость.

 

 

 

 

4. Выбор операций термической  обработки

Целью термической обработки является получение заданных физико-механических свойств материала зубчатых колес под действием различных температур и скоростей охлаждения, вследствие чего изменяется структура; при химико-термической обработке предварительно изменяется химический состав поверхностного слоя [2].

 

4.1. Предварительная термическая  обработка

Предварительная термическая  обработка заготовок применяется  для получения микроструктуры, обеспечивающей оптимальную обрабатываемость при механической обработке.

Способ предварительной термической  обработки выбирается в зависимости  от марки стали. Для заготовки  из стали 12Х2Н4А выбираем  нормализацию – охлаждение на спокойном воздухе. После нормализации для снижения твердости и обеспечения хорошей обрабатываемости резанием проводится высокий отпуск при 550-670ºС [2]. В нормализованном состоянии сталь 12Х2Н4А относится к перлитному классу.