Искажение зубьев при науглероживании и закалке зубчатых колес: профилактика и решения | MachineMFG

Искажение зубьев при науглероживании и закалке зубчатых колес: профилактика и решения

0
(0)

Давайте перейдем сразу к делу и к вопросу:

На рисунке 1 изображена параллельная передача мегаваттной модели одной из компаний. Шестерня изготовлена из стали 18CrNiMo7-6 и требует науглероживания и закалки. Модуль упругости зубьев шестерни составляет 10 мм.

При внешнем диаметре 1680 мм, ширине зуба 180 мм и диаметре внутреннего отверстия 500 мм шестерня имеет тонкое полотно.

Технические характеристики процесса термообработки приведены в таблице 1.

Рис. 1 Габаритные размеры шестерни

Таблица 1 Технические требования к термообработке 18CrNiMo7-6 Стальная шестерня

Эффективная глубина закаленного корпуса/ммПоверхность твёрдость HRCТвердость сердечника HRCтвёрдый сплавМартенситСохраняемый аустенит (%)Сердечная тканьМПО/мм 
2.9~3.958~64≥30ISO 6336:5MQgradeТонкие игольчатые≤30Отсутствие массивного феррита≤0.05

1. Технологический маршрут

Технологический процесс обработки зубчатых колес состоит из ковки → нормализации → чернового точения → зубофрезерования → снятия фасок → науглероживания и закалки → дробеструйной обработки упрочнение → получистовая токарная обработка → чистовая токарная обработка → шпоночный паз → сборка → расточка → зубошлифование → складирование.

В процессе пробного производства шестерня подверглась науглероживанию, высокотемпературному отпуску, закалке, низкотемпературному отпуску и дробеструйному упрочнению. Однако на этапе шлифовки шестерни было обнаружено, что она имеет значительные деформации.

Кроме того, после пробного шлифования было обнаружено, что норма детали ниже требуемого значения.

Кроме того, на корневой части шестерни имелись заметные следы шлифовки, что привело к решению отбраковать деталь.

2. Процесс пробного производства и анализ механизма деформации

В начале этапа опытного производства было решено, что для опытного производства будут использоваться детали с серийным номером H1, исходя из реальных условий на месте. Это было связано с тем, что отношение диаметра к ширине шестерни составляло 9,3, пластина полотна была тонкой, отверстия для снижения веса были большими, и детали были склонны к деформации.

Процесс термической обработки для опытного производства показан на рис. 2. Использовался процесс "науглероживание - высокое восстановление - закалка - низкое восстановление". Температура повышалась методом ступенчатого нагрева, а закалка проводилась методом соляной ванны.

Рис. 2 Процесс термообработки деталей H1 (оригинальный процесс)

Детали устанавливаются плашмя с помощью оснастки 2-метровой печи для науглероживания с глубоким колодцем. Для облегчения работы была выбрана оснастка с 8 интервалами, а 4 веерообразные сотовые пластины были размещены с интервалами, как показано на рис. 3.

После высокотемпературного отпуска метод закалки был изменен на подвешивание, при этом местом подвешивания является внутреннее отверстие детали, как показано на рис. 4.

Рис. 3 Детали H1 Карбюризация Зарядка

 Рис. 4 Детали H1 Закалка Зарядка

После термической обработки детали прошли испытания по физико-химическим показателям, которые признали их соответствующими требованиям.

В процессе шлифования шестерен было обнаружено, что зубья значительно деформируются.

Среднее нормальное значение деталей после пробного шлифования составило 604,74 мм, что ниже требуемого нижнего предела в 605,014 мм.

Из-за наличия шлифовальных ступеней на некоторых зубчатых корнях эти детали были признаны ломом.

Чтобы определить причину деформации деталей, были собраны и проанализированы данные о центровке детали H1 во время шлифования зубьев.

1) Просмотрите отчет о допуске на выравнивание шлифовальной шестерни для участка зуба. Убедитесь, что несколько профилей зубьев правильно пересекаются в направлении зубьев и что общее направление зубьев не имеет значительных искажений.

2) Сравните высокие и низкие точки выравнивания шлифовального зуба на левой и правой поверхностях зуба. Представьте полученные результаты с помощью радарной диаграммы, как показано на рисунке 5.

Анализ показывает, что наибольшая деформация происходит в местах расположения зубьев с 57 по 82, в то время как деформация в других местах находится в допустимых пределах.

Рис. 5 Деформация левой и правой поверхностей зубьев детали H1

3) При сравнении распределения припусков на шлифование левой и правой поверхностей зубьев не было обнаружено значительного эксцентриситета при шлифовании шестерни. Требования к токарной обработке внутреннего отверстия и торцевой поверхности были выполнены.

4) Данные о центровке шлифовальных зубьев на левой и правой поверхностях зубьев были усреднены, как показано на рис. 6. Анализ выявил явную эллиптическую форму в делительной окружности детали, с грушевидной тенденцией и величиной эллипса около 0,18 мм.

Рис. 6 Средний износ поверхностей левого и правого зуба деталей H1

На основании анализа данных шлифования и центрирования деталей H1 в настоящее время невозможно определить, является ли деформация зубьев деталей следствием искривления торцевой поверхности или деформации зубьев.

Детали имеют эллиптическую форму и грушевидный профиль.

Хотя невозможно определить, связано ли конкретное положение с зависанием, из одноточечного зависания можно сделать вывод, что положение ручки груши (около 148-го зуба) является местом контакта с оснасткой и наибольшей выпуклости.

Положение максимальной деформации левой и правой поверхностей зубов не имеет существенной закономерности, но тенденция к деформации является наибольшей вблизи эллиптического грушевидного хвоста (т.е. нижней части подвески).

Исходя из приведенного выше анализа, основными причинами деформации заготовок являются:

1) Случайное распределение деформации зубьев в деталях связано с процессом науглероживания, включая такие факторы, как скорость нагрева, температура науглероживания и другие.

2) Во время науглероживания устанавливаются только четыре сотовых диска с определенными интервалами. Во время науглероживания может возникнуть ползучесть, что приведет к деформации торцевой поверхности, которая может вызвать перекрестное направление зубьев.

3) При закалке с зависанием во время нагрева при закалке может возникнуть ползучесть, вызывающая деформацию, которая в основном проявляется в виде эллипса, вызванного зависанием во время закалки.

4) При закалке деталей в соляной ванне первая контактная позиция проявляет большую склонность к деформации. Эта позиция вступает в контакт с соляной ванной первой и находится ближе к нижней мешалке, что приводит к увеличению относительной скорости потока жидкости.

3. Совершенствование процессов

На основе анализа детали H1 не удалось выявить ключевой фактор, вызвавший деформацию детали.

В качестве первого шага к улучшению был изменен процесс термообработки. Деформация шестерни после науглероживания отслеживалась, чтобы определить, произошла ли значительная деформация при термообработке на этапе науглероживания.

Серийный номер испытуемой детали - H2, а метод науглероживания - тот же, что и для H1.

3.1 Совершенствование процесса науглероживания

Чтобы минимизировать тепловые напряжения и деформации, возникающие во время науглероживания, процесс был обновлен, как показано на рис. 7. Новый подход предусматривает снижение начальной температуры деталей при входе в печь, продление изотермического периода при температурах 650℃ и 880℃, расширение изотермического диапазона при температуре 770℃ и снижение температуры науглероживания на участке с высокой степенью науглероживания.

Рис. 7 Процесс термообработки деталей H2 (улучшенный процесс)

3.2 Улучшение зарядки при науглероживании

Чтобы проанализировать коробление торца шестерни во время науглероживания и его влияние на профиль зуба для последующего выравнивания при шлифовании, детали H2 повторили метод наплавки шестерен H1 в первой партии. Они маркировали торцевую поверхность после высокотемпературного отпуска и предварительно обтачивали точку торцевой поверхности перед шлифованием на зубошлифовальном станке.

Однако во время контрольного точения было обнаружено значительное биение в торцевой поверхности, как показано на рис. 8. На всех позициях с опорой на сотовые панели наблюдались высокие точки, а на позициях без опоры - низкие точки. Разница между высокими точками составляла около 0,2 мм, а между низкими - около 0,25 мм.

Рис. 8 Осевое круговое биение деталей H2 после науглероживания

Данные о выравнивании зубьев шестерен показывают, что направление зубьев детали значительно пересекается, но видимых эллипсов нет. Максимальная разница между высокими и низкими точками на левой и правой поверхностях зубьев наблюдается там, где сотовая пластина не имеет подкладки.

Дальнейшие исследования режима наплавки деталей H2 показали, что чрезмерное осевое круговое биение, вызванное ползучестью во время науглероживания, является основным фактором, способствующим деформации детали. Чтобы минимизировать осевое круговое биение шестерни после науглероживания, количество нижних опорных сотовых пластин было увеличено с 4 до 8, как показано на рис. 9.

Эта модификация позволила контролировать осевое круговое биение деталей после науглероживания и закалки на уровне менее 0,52 мм.

Рис. 9 Зарядка для науглероживания после улучшения

3.3 Улучшение зарядки при закаливании

В итоге, быстрая скорость охлаждения примерно 1/4 нижней части шестерни является одним из факторов, способствующих деформации шестерни. Поэтому процесс закалки необходимо корректировать. Для испытаний использовались науглероженные детали H2, а в нижний лоток был добавлен инструмент для демпфирования сетки, чтобы снизить относительную скорость потока жидкости в нижней части шестерни во время закалки.

Чтобы проверить, не изменились ли соответствующие физико-химические показатели, в печь были помещены зубовидные образцы той же спецификации. В таблице 2 приведены результаты испытаний для образца в форме зуба, перенесенного в печь после закалки, которые оказались приемлемыми.

По сравнению с H1, деформация деталей H2 после закалки несколько уменьшилась, а общая нормаль деталей после зубошлифования была на 0,03 мм меньше нижнего предела стандартного значения. Поэтому детали можно использовать с некоторыми уступками.

Таблица 2 Результаты термической обработки деталей H2

ПроектТребованиеИзмерение
Эффективная глубина закаленного корпуса/мм2.9~3.93.393.46
Твердость поверхности HRC58~6460.2659.62
Твердость сердечника HRC≥3038
Твердый сплавISO 6336:5Класс MQДиффузия
МартенситТонкие игольчатыеТонкие игольчатые
Сохранившийся аустенит (%)≤3015
Сердечная тканьОтсутствие массивного ферритаОтсутствие массивного феррита
IGO/мм≤0.050.025

3.4 Проверка оптимизации

При производстве деталей с серийными номерами H3 и H4 используется как процесс науглероживания, показанный на рис. 8, так и метод плоской зарядки с полной укладкой сотовых пластин на дно во время науглероживания (как показано на рис. 9). Кроме того, во время навесной закалки на шасси добавляется сетчатая демпфирующая оснастка для улучшения деформации деталей после науглероживания и закалки.

На рис. 10 и рис. 11 показана диаграмма соосности шлифовальных зубьев деталей H3, при этом положение зуба № 109 является положением точки опоры при вывешивании. Из рисунка видно, что эллипс в основном совпадает с эллипсом деталей H1. Более того, общая деформация и деформация первого участка контакта с уровнем жидкости во время закалки значительно уменьшились.

Рис. 10 Деформированные левая и правая поверхности зубьев деталей H3

Рис. 11 Средний износ поверхностей левого и правого зуба деталей H3

В табл. 3 и на рис. 12 приведены данные о деформации деталей после термической обработки с использованием различных процессов науглероживания и способов зарядки.

Из сравнения видно, что после усовершенствованного процесса науглероживания, оптимизированного режима науглероживания и закалочного заряда деформация зубьев детали уменьшилась примерно на 40%.

Таблица 3 Влияние различных процессов зарядки и термообработки на деформацию зубчатых колес

Номер деталиH1H2H3H4
Зарядка для науглероживанияПлоский монтаж 4 сотовых панелейПлоский монтаж 8 сотовых панелей
Закалка зарядаПодвешивание и размещение несмазанной оснасткиПодвесная демпфирующая оснасткаПодвесная демпфирующая оснастка
Науглероживание и процесс закаливанияоригинальный процессУлучшить процессУлучшить процесс
Эллипс/мм0.180.140.140.15
Осевое круговое биение/мм-1.060.520.25
Размер обычного нормального после измельчения/мм604.74604.98605.04605.06

Рис. 12 Вставка и линейная диаграмма различных методов зарядки и деформации процесса термообработки

3.5 Массовое производство

На основе опыта, полученного на стадии прототипа, оснастка для закалки и вывешивания была переоптимизирована с первоначальной одноточечной опоры на двухточечную систему опоры. Кроме того, эллипс детали был уменьшен с первоначального диапазона 0,14-0,18 мм до 0,05-0,10 мм.

Что касается подгонки для холодной и горячей обработки, то после науглероживания и закалки общая нормаль детали уменьшается примерно на 0,25 мм. Поэтому перед термообработкой необходимо компенсировать припуск на общую нормаль 0,25 мм.

В результате этих усовершенствований все 30 зубчатых колес, выпущенных небольшой партией, теперь соответствуют требованиям.

4. Заключение

1) Для плоских зубчатых колес важно обеспечить равномерную поддержку всех точек на торцевой поверхности во время науглероживания. Чтобы уменьшить деформацию торца, вызванную ползучестью при горизонтальном науглероживании, расстояние между четырьмя сотовыми дисками может быть изменено на полное размещение восьми сотовых пластин.

2) Для закалки используется подвесная оснастка. Благодаря добавлению сетчатой демпфирующей оснастки на дне закалочного лотка, относительная скорость потока закалки охлаждающая среда и деталей уменьшается. Это приводит к значительному снижению деформации зубьев в нижней зоне подвесной оснастки.

3) Чтобы уменьшить напряжение и высокотемпературную ползучесть при термообработке плоских зубчатых колес, можно снизить температуру науглероживания, увеличить шаг повышения температуры, увеличить время изотермической обработки и снизить температуру науглероживания.

4) Благодаря улучшению процесса термической обработки, деформация торца шестерни уменьшилась с 1,06 мм до 0,52 мм. Биение по делительной окружности уменьшилось с 0,18 мм до 0,1 мм, а искажение зубьев сократилось примерно на 40%. Эти усовершенствования позволили получить квалитет 100% при мелкосерийном производстве.

Насколько публикация полезна?

Нажмите на звезду, чтобы оценить!

Средняя оценка 0 / 5. Количество оценок: 0

Оценок пока нет. Поставьте оценку первым.

Так как вы нашли эту публикацию полезной...

Подписывайтесь на нас в соцсетях!

Сожалеем, что вы поставили низкую оценку!

Позвольте нам стать лучше!

Расскажите, как нам стать лучше?

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Прокрутить вверх