автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Исследование процесса комплексной обработки рабочих поверхностей зубьев для повышения ресурса зубчатых передач

РГВ од

На презох. рукеяпгп

Рыгим Виктор Алексеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОМПЛЕКСНОЙ ОБРАБОТКИ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЗУБЬЕВ ДЛЯ ПОВЫШЕШШ Г£С7ГСЛ ЗГБЧАТЫЯ ЙНР-ЭДАЧ

Спсилаяыюсть 05.03.01. Процессы иехашчсской и

фкгже-тсжйгссской обработки, свккя г« яйетрумеот

ЛпгоусЛгрт дпссгртедкя яа соясконне ученой степени ^^пталэта тшичесш я^к

Работа выполнена в Волгоградской государственной техническом университете

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.П. Батутов

кандидат технических наух, СНС КН. Краснощекой

доктор технических наук, профессор, член-корреспондент Академии Естествознания России Шапочкия ЕИ., кандидат технических наух Пегишааа С. А

Ведущая организация:

АООТ "Каустик"

Защита состоится: 30 июня 1998 года в 10 часов в аудитории 209 на заседании специализированного совета К063.76.04. в Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400066, Волгоград. пр.Ленина 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан 30 мая 19>? г.

Актуальность проблемы. Зубчатые передача! являются оснсзнон разно-аидноегью механических передач, работаощих с непосредственным касанием сопряженных поверхностей. Главными злекаггами, определяющие работоспособность зубчатых передач, являются зубья колес. Огромный диапазон нагрузок, окружных скоростей, разнообразие передач ( зволъвентные. передач:? Новикова, арочные и др.) делают весьма актуальным? разработку энерго- и ресурсосберегающих технологий обработки поверхностей зубьев и их пре-дзкшлуатациопной адаптшии, повышающих надежность я долговечность передач.

Для повышения ресурса зубчатых передач применяет высококачественные легированные стали, подвергаемые объемной закалке, цементации или нитроцементации. Такие упрочняющие обработки требуют последующего зу бошлифования для устранения термических деформаций и короблений. Известно, что процесс зубошлифования сопровождается местными пршкогами, нарушающими равнопрочноегь всей рабочей поверхности зубьев. Это снижает надежность и ресурс зубчатой передачи. Кроме того, зубчатые передачи с высокой твердостью зубьев станозятся чувствительными к ошибкам взаимного положения зубчатых колес. Для устранения этого недостатка требуется дорогостоящее специализированное оборудование, позволяющее осуществить продольную модификацию зубьев для исключения концентрации нагрузки у горцев зубьев.

В этом отношении большие возможности появляются при комплексном подходе к процессу увеличения ресурса зубчатых передач путем как целенаправленного повышения физико-механических свойств рабочих поверхностей зубьеа, так и предварительной механической обработкой этих поверхностей <. учетом особенностей виде зацепления.

Первая проблема может быть решена использованием прогрессивной химико-термической обработки - низкотемпературной нитроцементации Г> отличии от цементации и азотирования, низкотемпературная шгтроцеменгаци? не вызывает значительных изменений линейных размеров и формы. Такая обработка может исключить необходимость последующей зубошлифовки и будет представлять собой окончательную отделочную операцию. Однако, в связи со значительным повышением твердости поверхностного слоя, большое значение приобретает предварительная подготовка рабочих поверхностей зубьез к низкотемпературной нитроцементации с учетом как характера работы реальной зубчатой передачи, так и вида зацеплешы.

Для уточнения влияния низкотемпературной нитроцементации на механические свойства поверхностных слоев различных марок сталей, применяемых для изготовления зубчатых колес, требуется проведение эксперименталь-

ных исследований в выработка на их основе основных требований к обрабатываемым поверхностям.

Решение второй проблемы может реализоваться или путем непосредственной подготовки поверхности зуба к проведению упрочняющей обработки (например, для передачи Новикова ), пли в сочетании с дополнительной продольной модификацией рабочего профиля зуба ( для эвольвентой передачи ). Кок правило, такую модификацию осуществляют на шевпнговальных станках или зубофрезерных станках-с копирным устройством, что ограничивает ее применение в индивидуальном, мелкосерийном и ремонтном производстве. Поэтому для такого производства актуальным является разработка принципиально нового способа продольной модификации без использования специализированного оборудования.

Эту операцию можно реализовать путем приработки при искусственно созданном перекосе осей на простейших стендах, что особенно важно в условиях индивидуального, мелкосерийного и ремонтного производства

Для передач Новикова актуальной задачей является разработка способа обработки рабочих поверхностей зубьев, позволяющего исключить операцию зубошлифования и в то же время уменьшить шероховатость после нарезания червячной фрезой для последующего химико-термического упрочнения низкотемпературной нитроцементацией.

Таким образом, эффективность рассматриваемого комплексного подхода к повышению ресурса и долговечности зубчатых передач зависит от решения ряда теоретических, конструктивных и технологических вопросов, которые и рассматриваются в диссертации применительно к эвольвентой передаче и передаче Новикова

Цел к роботы. Разработка процесса для реализации комплексного подхода к повышению ресурса эвольвентных зубчатых передач и передач Новикова путем дополнительной механической обработки поверхности зубьев с учетом вида зацепления и последующего упрочнения поверхностного слоя низкотемпературной нитроцементацией. Это связано с решением следующих задач:

-проведение экспериментальных исследований по уточнению характеристик физико-механических свойств поверхностных слоев углеродистых и низколегированных сталей, упрочненных низкотемпературной нитроцементацией, и ее влияния на твердость, точность и износостойкость обработанных поверхностей;

- разработка рекомендаций по выбору марки сталей для изготовления н упрочнения зубчатых колес с учетом конкретных условий эксплуатации;

- разработка и обоснование процесса продольной модификации эвольвентных прямозубых колес с получением расчетных зависимостей для обеспечения продольной модификации определенной величины;

-5- разработка и обоснование процесса пркр&бспсн передач с зацеплением Новкхова с учетом чувствительности этих передач к рязяшшым ошибкам взаимного положения зубчатых колес и сохранением параметров, заданных исходным контуром.

Методика исследований. Исследозаши фззтао-мсхензздсхих снсЛсгн уирочнешшх низкотемпературной югтроцемеитапиеЯ сгелей различной номенклатуры осуществлялись измерением шнерот всрдостн 5: шероховатости поверхностных слоев с последующей статистической обработкой полученных данных.

Оценка неличины продольной модафикшши эрольчснтнчх ?убцер . полученной на стенде с замкнутым силовым потоком, производилась методом тен ■ зомегрирования и фиксировалась на двухкоердинатном потенциометре.

Экспериментальное исследование передач Новикова о сущ ест мялось на моделях из поляризационно-оптическо-^ материала методом фотоупруго гг,1. на натурных образцах на стенде с замкнутым силовым потоком и в производственных условиях.

Научная новизна. Впервые систематизированы и дополнены собственными исследованиями сведения о влиянии низкотемпературной нитронемеи тении на твердость поверхностного слоя и шероховатости рабочих поверхностей в зависимости от ее первоначального состоят«. Полечена таблица ^кс".;-риментальлых данных микрсггЕердости различных сталей поме низкотемпературной гапроцементации, на основании которой выявлены тенденции изменения микротвердости в зависимости от процентного содержания углерода в углеродистых сталях и хрома в низколегированных сталях, наиболее широко применяемых в изготовлении зубчатых колес

На основе установленных закономерностей и в рамках принятой классификации зубчатых передач по уровню напряженности и необходимому уровню микротвердости поверхностного слоя предложена методика по выбopv стали для изготовления зубчатых колес с учетом экономической цслесообра шскти

Предложен способ и разработан процесс обработки для подменил педальной модификации прямозубых эвольвйгтных передач , основанный на приработке в условиях искусственно созданного перекоса осей зубчатых колес Установлены аналитические зависимости для получения расчетной величины модификации в зависимости от геомегричесигх размеров редуктора етсид.з и самого зубчатого колеса, проведены экспериментальные исследования процесса модификации на промышленных образцах

Проведены теоретические ¡1 экспериментальные исследования чувствительности передач Новикова к основным ошибкам изготовления и монтажа, показана возможность использования этой особенности передач Новикова для процесса приработки и подготовки рабочих поверхностей зубьев к упрочнению низкотемпературной нитроцементацией.

На основе анализа кинематики передачи Новикова разработан процесс приработки зубчатых колес, позволяющий обеспечить гладкость поверхности по всей высоте рабочего профиля зуба с сохранением постоянной по величине разницы радиусов кривизны выпуклых и вогнутых участков зубьев, заданной исходным контуром. Получены аналитические зависимости для обеспечения процесса приработки зубчатых колос со всему рабочему профилю в зависимости от гсоксгркчсских размеров оборудования и обрабатив4еь:ого колеси

Практическая ценность и реализация ра&оти. Разработаны рекомендации по выбору марок сталей для изготовления зубчатых колес и процесса подготовки рабочих поверхностей зубьев для упрочнения низкотемпературной нитроцементацией в зависимости от требовшшй, предъявляемых к зубчатым передачам.

Разработан процесс продольной модификации прямозубых эвольвентных зубчатых колес с получением требуемой величины модификации в зависимости от конструктивных размеров стенда и обрабатываемого колеса (патент РФ 2063348). Разработана конструкция и изготовлен стенд для продольной модификации зубьев сателлитов планетарного редуктора

Разработан процесс приработки передач с зацеплением Новикова с учетом ее кинематики, обеспечивающий приработку рабочих поверхностей зуба по всей высоте профиля с сохранением постоянной по величине разницы радиусов кривизны выпуклой и вогнутой частей зуба (ас. 1366328 и патент РФ 1728551). Разработана конструкция и изготовлен стенд, позволивший реализовать предложенный процесс для обработки зубчатых колес редуктора привода полимеризатора.

Результаты исследований внедрены на АООТ "Каустик", АО "Пласткард", АО "Интеркаустик", на РТИ ( г. Волжский), на заводе им. Пархоменко ( г. Луганск).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзной конференции "Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений", Киев, 1983 г.; Всесоюзной конференции " Оптико-геометрические исследования деформаций и напряжений", Челябинск, 1984.; научно-технической конференции "Перспективные направления создания новых и совершенствование существующих конструкций тяже-лонагруженных редукторов и прогрессивная технология их изготовления", Краматорск, 1987 г.; семинаре "Поверхностный слой, точность и эксплуатационные свойства деталей машин", Москва, 1990 г.; республиканской научно-технической конференции "Научные достижения, опыт отраслей машиностроения - народному хозяйству. Проблемы прочности, надежности и долговечности зубчатых передач и редукторов", Харьков, 1991 г.; Межреспубликанской научно-технической конференции "Прогрессивные методы получение конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность ма-

шин", Волгоград, 1992 г.; Ш Международной конференции "Прочность и пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействий", Новокузнецк, 1993 г.; Россш1ской научно-тешическля конференции "Материалы и упрочняющие технолопш - 94", Курск, 1994 г.; Всероссийской научно-технической конференции "Физико-мехяшческле свойства материалов и их экспрессная оценка неразрушающнми техническим! средствами", Волгоград, 1995 г., Международной научно-практической коаференщш по проблемам обеспечения надежности и качества зубчатых передач, С.-Петербург, 1996 г.; VI Международном стотозпуме "Теория рклыгых зубчатых передач •зацеплением", Курган, 1997 г.

Публикации. По материалам выполненной диссертации опубликовано 25 печатных работ, получено два авторских свидетельства и три патента РФ.

Объем работы. Выполненная диссертационная работа состоит из 4 глав, введения и основных выводов. Содержит //^ страниц машинописного текста, включая 40 рисунков , /¿'таблиц и список использованных источников, состоящий из //3 наименований, а также приложение.

В перзой глаге проводится анализ современных технологических процессов. направленных на повышение надежности, долговечности. н:ит-учоч1кч; способности зубчатых передач. Отмечается, что эти процессы назнкчакче« I учетом конкретных эксплуатационных условий предстоящей работа зубчат* передач. И часто выбор процесса упрочнения определяется как видом зацепления. так и технологическими возможно«яки предприятия - изготовшеля.

Указывается, что основное влияние на ресурс зубчатых передач оказия ч-ег прочность рабочих поверхностей зубьев. С повышением их твердости снижаю гея вессгсйаритные характеристики зубчатых передач Поэтому на пиан проектирования и изготовления зубчатых колес предусматривают технологические мероприятия по повышению твердости поверхностей зубьев. Наиболее эффективными методами повышения твердости зубьев являются термическая (ТО) и химико-тсрмгческяя обработка (ХТО). Отмечается, что ТО осуществляют при температуре, превышающей температуру фазовых превращений в стали. Это сопровождается деформациями, короблением (поводкои) и даже образованием трещин. Для обеспечения необходимой точности зубчатой передач« после ТО зубчатые колеса подвергаются шлифованию.

Значительные достижения в области ХТО позволили разработан, техпроцессы, обеспечивающие уникальные свойства поверхностных слоев сталей Представляют интерес ХТО, осуществляемые при температуре ниже температуры фазовых превращений в стали, что позволяет свести к минимуму величины температурных деформаций и короблений и использовать их как конечную технологическую операцию. Среди таких обработок следует отметить низкотемпературную нитроцемеятецию (НТНЦ). Насыщение поверхностных слоев обрабатываемых деталей диссошпфовигаыми азотом и углеродом приводит к

формированию Б-фазы (карбонитридов железа в легирующих элементов), обладающей высокой твердостью и износостойкостью. Диффузионная зона, располагающаяся под e-фазой, обеспечивает повышение усталостной прочности. В связи с тем, что после упрочнения низкотемпературной шпроцеменгацией рабочие поверхности приобретают высокую твердость, способность их к приработке резко падает. Поэтому для упрочнения зубчатых колес этой ХТО требуется предварительная подготовка рсбочих поверхностей зубьев в зависимости от вида зацепления и с учетом се кинематики.

На основании проведенного анализа сфорцулнроЕгиы следующие задачи Есследсвания:

-исследовать влияние низкотемпературной шпроцементации на физико-мехшшческие свойства сталей (углеродистых, малолегированных, средне- и высоколегированных);

- проверить возможность применения низкотемпературной нитроцемен-тации в качестве конечной технологической операции, установить закономерности ее влияния на шероховатость и износостойкость рабочих поверхностей и геометрические размеры обрабатываемых деталей;

- разработать новый способ и процесс продольной модификации прямозубых эвольвентных зубчатых колес для последующего упрочнения низкотемпературной нитроцемеятацией, основанный на приработке, особенностью которого является кривая модификации с различным радиусом кривизны по длине зуба;

- получить аналитические зависимости, обеспечивающие получение необходимой величины модификации в зависимости от геометрических размеров стенда и обрабатываемого зубчатого колеса;

- разработать новый способ в процесс подготовки рабочих поверхностей зубьев зубчатых колес с зацеплением Новикова с учетом особенностей ее кинематики к упрочнению низкотемпературной нитроцементацией, получить аналитические зависимости для обеспечения процесса приработки по всему рабочему профилю с сохранением постоянной разницы радиусов кривизны вогнутой и выпуклой частей зубьев.

Во второй главе приводятся результаты исследования влияния низкотемпературной шпроцементации на физико-механические свойства упрочненных сталей. В частности, влияние НТНЦ на микротвердость HV упрочненных слоев исследовалось на углеродистых, мало- и высоколегированных сталях. Результаты экспериментальных данных представлены в таблице 1.

Показано, что все рассмотренные стали подвергаются упрочнению НТНЦ. На поверхности формируется "белый" слой, состоящий из Б-фазы, обеспечивающий значительное повышение микротвердости рабочих поверхностей. Твердость "белого слоя" углеродистых сталей составляет 4300-5320 МПа и зависит от первоначальной твердости стали, обусловленной процент-

"" """ ~ " Таблица !

Исходное Низкотемпературная 1

Марка состояние нитроцемеягаш1я

пп стали НУ», МПа НУ яз. МПа ДНУи. МПа ДНУм/НУ-о!

1 Сталь 10 1850 4300 2450 1.32 !

2 Сталь 20 1940 4440 2500 1.29 ;

3 Сталь 45 2400 5320 2920 1.22 :

4 Сталь 20Х 2130 6700 4570 2.14 !

5 Сталь 40Х 2700 6790 4090 1.51 1

б Сталь 45Х 3000 7100 4100 1,37 |

7 Сталь 18ХГТ 2500 5320 2820 1.13 ;

8 Сталь 25ХГТ 2700 7620 4920 1.82

9 Сталь 25ХГМ 2400 7130 , 4730 1.97

10 Сталь 12ХНЗА 2600 7320 4920 1,89 1

11 Сталь4Х5МФС 3110 8740 5630 1,81 ' ;

12 Сталь 38ХМЮА 2490 11230 8740 3.51 |

ным содержанием в ней углерода Содержелне карбндо- и н игридообрчтаошк\ легирующих элементов в стали позволяет с помощью НТНЦ увеличит}, п.ер-дость поверхностных слоев ь широких пределах (6700-11200 МПа-!

На рис. 1 показано влияние процентного содержания углерода на микротвердость упрочнешюго слоя углеродистых (1) и лепфованных хромом (2! сталей. Эти данные рекомендуется использовать при выборе материала "Л* изготовления зубчатых колес. Зубчатые колеса, ресурс которых опоедгля'.тсл уровнем усталостных изгибающих напряжений, рекомендуется изютаклиь::; из сталей, обеспечивающих после ХТО твердость рабочих поверхностен зуоь-ев порядка НУ 5000 МП а. Для тяжелонагруженных зубчатых передач с большими контактными напряжениями твердость рабочих поверхностей ¡у-;..-:. должна состгшшь НУ 7000 МПа. С учетом этого, на основании графика р1;_. 1, для зубчатых колес первого типа экономически целесообразно использовать сталь 45, а для зубчатых колес второго типа - низколегированную сталь 40Х. 45Х вместо дорогостоящих высоколегированных сталей

На основании известных и собственных данных распределения НУ по толщине предложена классификация зон упрочненного низкотемпературноп шпроцементацией поверхностного слоя (рис. 2), позволяющая системно подходить к анализу роли зон упрочненного слоя в повышении износостойкое! и и усталостной прочности.

Так, I зона е-фазы, имеющая столбчатую структуру, обладает на поверхности твердостью, значительно превышающей исходную твердость материала,

0,50

Содерканне углерода в стала, в %

Рве. 1. Влияние процентного содержания углерода на микротвердость упрочненного слоя углеродистой (1) и легированной хромом (2) сталей

§ 10000

£ 8000

а л 6000

и

О

Ш. 4000

2

jL 2000

й 0

I п ш | IV

30 60 90 120 150 180 210 Расггошше от поверхности, ш

Рис.2. Классификация зон микроструктуры поверхностного слоя стали 40Х после НТНЦ: 1-Е - фаза со столбчатой структурой; 11 - е - фаза с плотной структурой; 111 - диффузионный слой; IV-исходный материал

гц Ессгсаггшо сна увеличивается я на толщине ¡0-12 ьгхзт принимает как-снтлглое значение. Текой характер рятагвделегта тзгрдогга >:а толщине слоя обеспечивает положительный град^кгг маггагфкхих ссойста, благоприятный для внешнего трения. Кгх показ?*™ "-^тмтггт'' г? т—тсс, сбртщл, коде-лкруюпще роботу зубчатой передачи, ас имела еяедоа эйсдаквз, сгачтывявш, вырывания. Анализ линейного износа иехгшхяет, -.то ¡.'¿гениальный прира-боточный взнос имеет место при числе циклов N"3*10* и составляет 4.5-6,5 МУК (рис 3), 3 ЗГЕЯСЯИССГЗ ОТ КСЗффПГГСП'П: V-

§7

Рнс. 3. Влияние коэффициента скользсеяия 7 на износ рсбочнх поверхностей образцов, упрочненных НТНЦ

Из рис. 2 видно, что ой происходит в I зове со столбчатой структурой

Егрбсшщкдов После 3*10* шпелоа наступает по существу безшносный рс-азт работы, обеспечивающий повышение износостойкости упрощенных НТНЦ рабочих поверхностей более чем в 10 раз.

На основании анализа экспериментальных данных распределения мик-рогсердоста по толщине упрочненного поверхностного слоя исследованных сталей показано, что диффузионная зона Ш (рнс. 2), представляющая собой азотистый феррит, шприды железа и легирующих элементов, составляет от 70 до 85 % толщины упрочненного слоя я способствует повышению усталостной прочности стали после упрочнения низкотемпературной нигроцеменгвцией.

Показано. что НТНЦ увеличивает параметр шероховатости в 1,1-3,2 раза (рис. 4). Это обстоятельство обусловливает необходимость доводки рабочих поверхностей зубьев перед упрочнением низкотемпературной нитроцемента-цией, заключающейся в уменьшении параметра шероховатости Яа Изменение

4

1з

!

к 2

£

|

о

О 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 Шероховатость до НТНЦ Яа, мкм

Рве. 4. Влияние НТНЦ на шероховатость упрочненной поверхности в зависимости от ее исходного состояния и условий обработки:

1-Ш3-50%. СНч - 50%; 2- Ш3 -70 %, СН« - 30% /64/ и методика определения допустимой исходной шероховатости

размеров деталей после низкотемпературной нигроцементашш незначительно, поэтому эта ХТО может быть заключительной операцией изготовления зубчатых колес 6-8 степени точности.

В третьей главе отмечается, что работа зубчатых передач в реальных условиях сопровождается нарушением взаимного положения зубчатых колес. Зубчатые колеса, изготовленные из сталей с твердостью НВ £ 3200 МПа, в процессе обкатки прирабатываются, обеспечивая более равномерное распределение напряжений на рабочих поверхностях зубьев.

После химико-термической обработки зубья имеют высокую твердость, которая препятствует приработке. Поэтому уже в процессе обкатки возможна поломка таких зубьев.

Для реализации преимуществ упрочненных зубчатых передач, работающих в реальных условиях, необходимо предусматривать мероприятия, исключающие кромочный контакт. Большой вклад в теоретическое и практическое решение этой проблемы внесли работы Петрусевича А.И., Кудрявцева В.И., Часовникова Л.Д., Заблонского К.И., Братина В.В., Громана МБ., Зака ПС., Сухорукова Ю.Н., Семенчи П.В. и др.

Ошечается, что наиболее эффеклтзттьш способом повышения ресурса зубчатых передач с твердыми рабочшш цогкрхносгакн зуб'.са является иг; продолы!ая модификация, позволяющая с;ййшъ кокцегпратпо няпрз^енлй на торцах зубчатых колес. Модификацию зубъ ст1 о кг* 1С правило, 1* л

шевипговальном станке или зубофрезеряч* стсдоц» с кояирыьш устройством. Использование дорогостоящего узкоспециализированного оборудования огря-шгчивает применение продольной зубчатьг» "о.тсс а условиях

пцдаввдуаиьного, мелкосерийного ч г—--тгою производства Показано, что

величина модификации Л, оказывает большое влияние на нагрузочную способность передачи. Обычная модификация устраняет кромочный контент при перекосе. Однако при номинальном положении зубчатых колес она приводит к локализации нагрузки в середине зуба Кроме того, модификация по всей высоте зуба приводит к уменьшению размеров опасного сечения в корне зуба.

Предлагаемый способ модификации позволяет устранить эти два принципиальных недостатка, характерных для модификации трядяцкеиякы способом, тем самым увеличивая надегтвостъ к долговечность зубчатой передачи. Кроме того, новый способ продольной модификчции не требует дорогое г оя-щого оборудования и позволяет ¡применять его в условиях индивидуального, мелкосерийною к рсмошного нрокзвовсгва. Он заключается в приработке „¡убьез обрабатываемого колеса в лапе с обкатным колесом в условиях искусственно созданного перехоса Процесс приработки осуществляется в редукторе, у которого в подшипниковых узлах установлены эксцентриковые шулкк. Перекос осей зубчатых колес и поддержание между ними номинального расстояния достигается путем соответствующего поворота эксцентриковых втулок на угол <р, определяемый по формуле

а

Ф = агевт --(2 А , + ]), п)

где а - расстояние между опорами валов, мм; А, - величина модификации, мм; ] - боковой зазор зубчатой передачи, мм; в - ширина зубчатого венца колеса, мм. е - эксцентриситет втулки, мм;

При беззазорном зацеплении в зубчатой пере, когда ) = 0, формула (1) примет вид

. а Д,

Ф = агезт--у (2)

в €

При проектировании стенда для модификации зубьев величину эксцентриситета втулок определяют по формуле

_ Л

Прн беззазорном зацетдсшш

2е з 'т ф

л А

е =

(4)

б Й1П ф

На рве. 5 предетшденз спет создания перекоса зачатых колес, а на б - взшдоге&явш зубьев обрабатываемого в обкатного колеса.

Рис.5. Схема создания перекоса зубчатых колес путем поворота эксцентриковых втулок в подшипниковых узлах

Рис. 6. Взаимодействие зубьев при перекосе осей зубчатых колес

В качестве инструмента для обкатки применяет обкатное колесо, твердость которого в 1,8-2Д раза превышает твердость обрабатываемого колеса.

Модификация осуществляется за с«ет местных пластических деформаций, вызванных локализацией нагрузки у торца обрабатываемого колеса, а также за счет интенсивного приработечного нзкоса. Обработка происходит с противоположных сторон у разных торцов зуба. Длл получения симметричной модификации создается перекос обрабатываемого зубчатого колеса в противоположную сторону.

Особенностью получзеной криаой модификация задается различный радиус кривизны по длине зуба, изменяющийся от Я"» <*> до обусловленного условиями естественной приработки (рис. 7).

Рис. 7. Форма кривой продольной модификации, получаемой приработкой в условиях перекоса осей зубчатых колес.

К - радиус кривой модификации; / - длина модификации, А, - величина модификации

Этим устраняется принципиальный недостаток бочкообразной модификации по радиусу Я, так как в средней части зуба исключается локализация нагрузки

Второй особенностью указанного способа продольной модификашпг зуба является непостоянная величина Д5 по высоте зуба, изменяющаяся от мок «шального значения у головки зуба до нуля у ножки зуба обрабатываемого колеса Это обусловлено особенностью процесса приработки при постепенном увеличении величины перекоса осей. В результате, на основании анализа величины максимальных напряжений в опасном сечении зуба, установлено, что при модификации зубьев по новому способу напряжения в опасном сечении

ыеныне, чей при продольной модификации традиционным способом. В частности, для передачи с модулем ш,= 4 мм, в~ 40 мм, размером зуба в опасном сечении ^=8,7 мм, 0,15 мм уменьшение величины напряжений составляет б %. Не менее важным фактором повышения нагрузочной способности и ресурса зубчатых передач является переход от локального приложения нагрузки в средней части к распределению ее по длине зуба, равной (в-21), где / - длина модификации.

Определение времени обработки осуществляется на основании известной формулы, модифицированной введением поправочного коэффициента К, определенного экспериментальным путем.

Применение разработанного способа и технологии продольной модификации позволили повысить ресурс сателлитов второй ступени планетарного редуктора в 3-4 раза

В четвертой главе отмечаются особенности кинематики передач с зацеплением Новикова, которые необходимо учитывать при разработке процесса приработки зубчатых колес этого вида зацепления перед низкотемпературной нитроцементагтей.

Отмечается, что точка (площадка) контакта в передаче Новикова в процессе пересопряжения перемещается от одного торца к другому (рис. 8).

а) б)

Рис. 8. Перемещение линии контакта в эводьвентном зацеплении (а) и площадки контакта в передаче Новикова (6) в процессе пересопряжения

Такая кинематика передачи Новикова приводит к тому, что при постоянном межосевом расстоянии и постоянной нагрузке приработка зубьев производится по части зуба, ограниченной дугой с углом а1 (рис. 9).

Учитывая эллипеный характер распределения напряжений по дуге контакта, отмечено, что влияние контактных напряжений на приработку неодина-

ково для различных участков профиля зуба. Поэтому в процессе приработка разница Лр = ра стремится к нулю (рис. 10).

Разработана конструкция стенда для обеспечения процесса приработка зубчатых колес с зацеплением Новикова, особенностью которого является возможность регулярного изменения межосевсго расстоязвм путем вращения

Рис. 9. Зона приработки при номинальном межосевом расстоянии (а1)

Ряс. 10. Распределение контактных напряжений при взаимодействии выпукло-вогнутых поверхностей

Ра - радиус кривизны выпуклой части зуба; Рг - радиус кривизны вогнутой части зуба

-1S-

Бяа поворота эксцентриковых втулок в подшипниковых узлах под нагрузкой в па рабочих скоростях. Это приводит к перемещению теоретической точки контакта по всему рабочему профилю обрабатываемого колеса Такая приработка сопровождается равномерным износом зуба, обеспечивая постоянство величины (pt - pa), заданной ксг.одкым кошуром. Отмечается, что эта величина лла упрочненных зубчатых колес в передаче Новикова по своему ззаченззо играет такую же ва&ную роль, как продольная модификация дна прямозубых эвольаентных передач.

Введены ограничения на величину изменения мсжоссвого расстояния, которые позволяют исключить кромочный контакт на вершине зуба для устраняли зозможноспз его положи в процессе приработки.

Определены основные параметры процесса приработки и времени приработки в зависимости от нагрузки.

Показано, что приработка по разработанному процессу обеспечивает снижение шероховатости рабочей поверхности зубьев с R& 4,5-6 мкм, получаемой после чистоаого зубофрезеровакия, до Ra 0,80-1,0 мкм по всему профилю зуба. При НТНЦ этот показатель возрастает до Ra 1,25 мкм, что соответствует требованиям, предъявляемым к рабочим поверхностям зубьев.

Комплексная обработка рабочих поверхностей зубьев, заключающаяся ь уменьшении параметра шероховатости, сохранении Др = const и последующем упрочнении низкотемпературной нитроцементацией, позволила увеличить ресурс зубчатой передачи в приводе мешалки полимеризатора в 2-2,5 раза

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан процесс комбинированной обработки зубчатых колес для повышения ресурса зубчатых передач, включающий их предварительную механическую обработку с учетом вида зацепления и последующее упрочнение низкотемпературной нитроцементацией.

2. Показана перспективность применения низкотемпературной нитроце-ментации для упрочнения зубчатых колес, изготовленных из углеродистых, низко- и высоколегированных сталей; возможность применения технологичных углеродистых и низколегированных сталей взамен высоколегироаашшк сталей.

3. Предложена классификация зон упрочненного низкотемпературной нитроцементацией поверхностного слоя по характеру изменения микротвердости по толщине, позволяющая системно оценивать роль зон микроструктуры упрочненного слоя в повышении износостойкости и усталостной прочности.

4. Установлено влияние низкотемпературной шпроцементации на шероховатость н геометрические размеры поверхностей обрабатываемых деталей,

сформулмрованы требования к рабочим поверхностям, подвергаемым упроч-неншо низкотемпературной шпроцеменгацией.

5. Разработаны методики выбора материала для чзготовлашя зубчатых колес в зависимости от критерия нагруженности и определения исходной допустимой шероховатости по заданной пелтгпше шероховатости посте НТНЦ.

6. Для подготовки к упрочнению шпхотемтгературяой нитроцемеятацией рабочих поверхностей зубьев прямозубых эвольвегггаых колес разработан новый способ и процесс продольной модификации зубьея Кривая модификации по длине зуба имеет различный радиус кривизны, изменяющийся от R- <*> в середине зуба до Rmin, обусловленного условиями естественной приработки, у торцов зубчатого колеса Кроме того, величина модификации А, по высоте зуба также меняется от максимального значения у головки зуба до нуля у ножки зуба, что обеспечивает увеличение несущей способности и ресурса зубчатой передачи.

7. Получены аналитические зависимости для получения требуемой величины продольной модификации, включающие геометрические размеры редуктора стенда и обрабатываемого колеса

S. На основании анализа кинематики передачи Новикова и ее чувствительности к ошибкам взаимного положения зубчатых колес обоснован и разработан способ и исследован процесс подготовки рабочих поверхностей зубьев к низкотемпературной шпроцементации. Особенностью разработанного способа, помимо уменьшения параметра шероховатости, является обеспечение возможности приработки по всей высоте рабочего профиля с сохранением постоянной разницы радиусов кривизны вогнутой и выпуклой частей контактирующих зубьев, заданной исходным контуром.

9. Указанные процессы комплексной обработки рабочих поверхностей зубьев прошли апробацию в производственных условиях и подтвердили высокую эффективность такого подхода к повышению ресурса зубчатых передач, заключающегося в предварительной подготовке рабочих поверхностей зубьев зубчатых колес с учетом вида зацепления и последующем упрочнении низкотемпературной ннтроцеиентацией.

Ослозкькг Еолокеппя д'зссертацпп азлозевы в работах;

1. Краснощеков H.H., Рыпш В.А Влияние точности взаимного положения зубчатых колес на уровень динамических нагрузок в передаче Новикова.-Волгоград, 1984. - 10 с. - Дел. в ЦНИИТЭИТЯЖМАШе. № 1492.

2. Краснощекое RH., Рыгин В. А. Повышение работоспособности зубчатых передач с зацеплением Новикова в условиях ремонтного производства // Тезисы докладов научно-техн. конф., 18-19 июня 1987 г. - Краматорск, 1987. -С. 44-45.

-ÍO-

3. Краснощекоа H.H., Рыгин В.А Влияние смещения исходного контура на напряженное состояние зубьев в передаче Новикова- Волгоград, 1988. - 16 с. - Деп. в ЦНИИТЭИТЯЯСМАШе, 15.03.88, № 51.

4. Рыгин В.А. Исследование методом фотоупругосги влияния сметцеквд исходного контура на напряженное состояние зубьев в передаче Новикова // Оптико-геометрические исследования деформаций и напряжений. Челябинск, 1986.-С.118.

5. Рыгш] В.А, Сслогубова Н И. Применение низкотемпературной тггро-цеменгации для упрочнения деталей оборудования химического производства // Прочность и пластичность материалов в условиях внешних энергетических воздействий: Сб. тез. дохл. 111 Мезкдунар. конф. - Новокузнецк, 1993. -С. 105.

6. Рыгея В.А Повышение нагрузочной способности передач с зацеплением Новикова II Совершенствование средств и методов расчета изделий машиностроения: Тез. докл. межрссп. науч.-техн. конф./Ин-т проблем прочности АН СССР; Волгогр. дом теники НТО.-Волгоград, 1988.-С. 39-40.

7. Рыгин В.А. Влияние низкотемпературной нигроцементации на эксплуатационные свойства сателлитов в планетарном редукторе/ЛТоверхносгньш слой, точность и эксплуатационные свойства деталей машин: Тез. докл. семинара/ МДНТП. - М., 1990.-СЛ6.

8. Рыгин В.А Вибродинамические характеристики как критерий регулировки силовых зубчатых передач// Стандартизация и унификация в области зубчатых передач: Тез. докл. науч.-техн. конф.-Харьков, I990.-C.88-89.

9. Рыгин В.А Повышение ресурса сателлитов в планетарном редукторе привода центрифуги// Научные достижения и опыт отраслей машиностроения -народному хозяйству : Тез. докл. республ. науч.-техн. конф. -Харьков, 1991.-С.138.

10. Разработка средств повышения ресурса зубчатых передач в редукторе привода центрифуга VS 600/1500: Отчет по х/д № 5/281-89/ ВПИ; № 01890047148. Волгоград, 1991. - 73 с.

11. Рыгин В. А., Багмугов В.П. Применение многокритериального анализа при выборе упрочняющей обработки деталей прессформ// Материалы i: упрочняющие технологии - 94: Тез. и материалы докладов, Рос. науч.-техн. конф. 15-17 нояб. 1994 г./ Курск, гос. техн. ун.т.-Курск, 1994,- С. 26-27.

12. Рыпт В.А Повышение физико-механических свойств поверхностей скольжения низкотемпературной шпроцементацией// Физико-механическае свойства материалов и их экспрессная оценка неразрушающими истодами и портативными техническими средствами: Тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф -Волгоград, 1995,- С. 70-71.

13. Рыгин В.А Обеспечение надежности зубчатых передач с зацепяеж-см Новикова// Зубчатые передачи - 96: Тез. докл. междунар. науч.-пракг. коиф.

по проблемам обеспеч. надежности и качества зубчатых передач, С.Петербург, 17-20 июня 1996 г.- СПб., 1996,- С. 41-42.

14. Сологубова Н.И., РулеваР.В., Рыпт В. А. Влж/п?е низкотемпературной тггроцементащш на дефор мацгоо деталей// Прогрессивные методы получения конструкционных материалов и покрытий, повышающих долговечность малаш: Тез. докл. межреспубл. науч.-техн. конф.- Волгоград, 1992 - Cl 07-109.

15. Приспособление дая упрочнения зубчатых колес. Инф. листок Xi 332-95/Сост. В. А. Рыл m, И.В.Дроздова, ВалгГТУ.- Волгоград: ЦНТИ, 1995.- 4 с.

16. Редуктор для обкатки передач Новикова: Инф. листок № 333-95/ Сост. В.АРыпш, И.В.Дроздова; ВолгПУ,- Волгоград: ЦНТИ, 1995.- 4 с.

17. Ас. 1366328, СССР, МКИ B23F 19/02, F16H 1/26. Зубчатый редуктор/ Рыгин В. А., Краснощеков Н.Н., Ксенда А. С.

18. Патент 1728551 РФ, МКИ F16H i/26, B23F19/02. Зубчатый редуктор/ Краснощеков Н.Н., Рыгин В. А, Чесноков В. А.

19. Патент 2063848 РФ. МКИ B23F 19/02. Способ отделки зубчатых колес/ Рыгин В. А, Баеа В.И., Бешенцев В Т., Макаров С П.

20. Рыгин В.А Стенд для продольной модификации эубьез зубчатых колес// Проблемы зубчатых передач и редукторостроения: Гез. докл. науч -течи конф. / Харьков, политехи, ин-т, Харьков швк.-педагопгч ин-т. Восточ -\*кр гос. ун-т,- Харьков, 1993,- С. 102.

21. Багмутов В.П., Рыгин В. А. Повышение ресурса зубчатой передачи Новикова в приводе мешалки полимеризатора// Производство и ремонт механизмов и машин в условиях конверсии:|Тез. докл. конф., 23-25 мая 1995. Крым] / Ассоц. технол.-машиносгроит. Украины - Киев, 1995,- С. 92.

22. Патент СССР 1819208, В24В 39/00. Устройство для упрочнения ->v6-чатых колес. Рыгин В А БИ20 93

23. А.с. 1581992, G01B 5/20. Способ установки огпимального взаимного положения зубчатых колес передачи. Рыпш В. А. БИ 28.90.

24. Рыгин В.А Применение приработки для повышения износостойкости передач Новикова// Технология-96 = Technolody-96: Науч. тр. междунароз конф. 17-19 апр. 1996 г.-Новгород. ¡996 -4. 1 - С. 148

25. Багаутов В.П., Рыгин В.А. Один из способов модификации зубьго зубчатых колес// Теория реальных передач зацеплением: Информ. мм ерши;.; VI Междунар. симпоз. Ч. I. 30 сент.-2 oser 1997 г./ Курган, roc vh-t - Kvpian 1997. -С. 123-126.