автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Обоснование норм шероховатости переходных поверхностей зубьев, упрочняемых поверхностной закалкой токами высокой частоты, при ремонте судовых тяжелонагруженных зубчатых передач

На правах рукописи

САЛАМЕХ Али

ОБОСНОВАНИЕ НОРМ ШЕРОХОВАТОСТИ ПЕРЕХОДНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЗУБЬЕВ, УПРОЧНЯЕМЫХ ПОВЕРХНОСТНОЙ ЗАКАЛКОЙ ТОКАМИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ, ПРИ РЕМОНТЕ СУДОВЫХ ТЯЖЕ ЛОНАГРУЖЕННЫХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ

Специальность: 05.08.04 - Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Астрахань - 2005

Работа выполнена на кафедре судостроения и судоремонта ФГОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» (АГТУ).

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент

Мамонтов Виктор Андреевич

Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор

Абачараев Муса Магомедович

кандидат технических наук, доцент

Приходько Борис Семенович

ФГОУ ВПО «Дагестанский государственный технический университет»

*

Защита диссертации состоится «25» февраля 2005 г. в «14.00» час. на заседании диссертационного совета К 307.001.02 АГТУ по адресу: 414025, г. Астрахань, ул. Татищева 16, пятый учебный корпус, аудитория 308.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АГТУ. Ваши отзывы в двух экземплярах с подписями, заверенными печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан января 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

1. ОБЩАЯХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Дизель-редукторные передачи являются ответственными элементами судовой энергетической установки. К ним предъявляются высокие требования по надежности как при изготовлении, так и при ремонте. Повышение эффективности судоремонтного производства за счет его технологического совершенствования при обеспечении высокого качества ремонта является одной из насущных проблем.

Колеса судовых тяжелонагруженных зубчатых передач (ТНЗП) изготавливают из высокопрочных легированных сталей типа 40ХН, 40Х, 45Х, 45ХН и др., которые для повышения контактной и изгибной выносливости подвергаются закалке токами высокой частоты (ТВЧ).

Техническими условиями на ремонт этих колес предусмотрено обрабатывать переходные поверхности и впадины зубьев до достижения шероховатости Я? 4 мкм. Выполнение этих требований осуществляется операцией ручного полирования, доля трудоемкости которой составляет 10% от общей трудоемкости изготовления. По нашему мнению, на основе обзора научно-технической литературы норма шероховатости Я? 4 мкм недостагочно обоснована. Назначение такой нормы объясняется попытками конструкторов уменьшить концентрацию напряжений в корне зуба от шероховатости. Помимо этого, известны работы, в которых имеются сведения о том, что поверхностная упрочняющая обработка, в том числе и поверхностная закалка ТВЧ, устраняет влияние следов механической обработки, а также дефектов поверхности в виде царапин, мелких надрезов и рисок на изгибную выносливость деталей. Объясняют это переносом очага зарождения усталостной трещины под упрочненную зону. С целью экономии затрат на ремонт ТНЗП, а также учитывая высокую трудоемкость операции полирования норма шероховатости переходных поверхностей и впадин зубьев Я? 4 мкм представляется завышенной. Ее изменение в сторону уменьшения позволило бы устранить трудоемкую операцию ручного полирования и тем самым повысить технологичность зубчатых колес и снизить затраты на ремонт ТНЗП.

Однако решение данного вопроса невозможно без знаний о закономерностях влияния микронеровностей поверхности на изгибную выносливость зубьев, упрочняемых поверхностной закалкой ТВЧ.

Цель работы

Научное обоснование норм шероховатости переходных поверхностей и впадин зубьев колес, упрочняемых поверхностной закалкой ТВЧ, для повышения технологичности зубчатых колес при ремонте судовых ТНЗП.

Задачи исследования

1. Разработать методику исследования влияния шероховатости переходных поверхностей зубьев зубчатых колес, подвергаемых поверхностной закалке ТВЧ, на изгибную выносливость зубьев.

2. Исследовать влияние шероховатости поверхности образцов, подвергаемых поверхностной закалке ТВЧ, при симметричном цикле и шероховатости переходных поверхностей зубьев колес модуля 6 мм, упрочняемых поверхностной закалкой ТВЧ, при пульсирующем цикле на изгибную выносливость.

3. Провести статистическое обследование шероховатости переходных поверхностей зубьев колес ТНЗП после технологической операции чистового зубофрезерования.

4. Разработать обоснованные рекомендации по изменению норм шероховатости переходных поверхностей зубьев колес ТНЗП, упрочняемых поверхностной закалкой ТВЧ.

5. Совершенствовать технологию изготовления зубчатых колес путем устранения ручного полирования переходных поверхностей зубьев при ремонте судовых ТНЗП.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Методика проведения исследования влияния шероховатости переходных поверхностей зубьев ТНЗП, упрочняемых поверхностной закалкой ТВЧ, на их изгибную выносливость с установленной для ответственных деталей степенью точности и надежности на уровне доверительной вероятности 99,87%.

2. Результаты исследования влияния шероховатости в диапазоне Rz 0,4...250 мкм на изгибную выносливость, проведенные на поверхностно - упрочненных закалкой ТВЧ круглых образцах при симметричном цикле изменения напряжений, а также на упрочненных поверхностной закалкой ТВЧ экспериментальных колесах модуля 6 мм изгибом зуба по пульсирующему циклу нагружения.

3. Результаты исследования влияния шероховатости поверхности при различной концентрации напряжений, определенные на круглых образцах диаметра 10 и 20 мм, а также влияние абсолютных размеров образцов.

4. Статистическое обследование шероховатости переходных поверхностей и впадин зубьев ТНЗП модуля 8 мм после чистового зубофрезерования.

5. Новые нормы шероховатости переходных поверхностей зубьев на ремонт ТНЗП при изготовлении зубчатых колес, упрочняемых поверхностной закалкой ТВЧ.

Методика исследований

Теоретической базой работы являлись труды советских, российских и зарубежных ученых и специалистов в области усталости материалов и конструкций, статистической теории подобия усталостного разрушения, поверхностной закалки ТВЧ, а также технологий изготовления и ремонта ответственных деталей судовых технических средств.

При выполнении работы были использованы метод конечных элементов и методы статистического анализа данных, полученных при выполнении экспериментальных исследований на базе сравнительных усталостных испытаний.

Экспериментальные исследования проводились с использованием установок, которые позволяют испытывать круглые образцы консольным изгибом в одной плоскости при симметричном цикле изменения напряжений, а также зубья экспериментальных колес изгибом зуба по пульсирующему циклу нагружения. Статистическое обследование шероховатости переходных поверхностей и впадин зубьев реального колеса модуля 8 мм выполнено с применением приборов для измерения микронеровностей поверхности.

Научная новизна

Научная новизна работы заключается в установлении закономерностей влияния шероховатости поверхности на характеристики выносливости деталей, изготовленных из поверхностно - закаливаемых сталей типа 40ХН, в диапазоне шероховатости Лт 0,4...250 мкм; в количественной оценке влияния шероховатости поверхности образцов, упрочненных поверхностной закалкой ТВЧ, при симметричном цикле и шероховатости переходных поверхностей зубьев при пульси-

рующем цикле на изгибную выносливость; определении коэффициента влияния абсолютных размеров и чувствительности металла к концентрации напряжений; в переносе результатов усталостных испытаний на натурные зубчатые колеса.

Личное участие автора

В диссертации отражены основные научно-технические решения, полученные автором лично. Им выполнено:

1. Методика исследования влияния шероховатости переходных поверхностей зубчатых колес, упрочняемых поверхностной закалкой ТВЧ, на изгибную выносливость зубьев.

2. Конструкция и технические требования на изготовление образцов и экспериментальных зубчатых колес из стали 40ХН.

3. Усталостные испытания круглых образцов диаметра 10 и 20 мм по симметричному циклу изменения напряжений и зубьев экспериментальных колес по пульсирующему циклу нагруже-ния.

4. Статистическое обследование шероховатости переходных поверхностей зубьев натурных колес судовых ТНЗП после технологической операции чистового зубофрезерования.

5. Разработка рекомендаций по изменению норм шероховатости переходных поверхностей зубьев колес, подвергаемых поверхностной закалке ТВЧ.

Практическая значимость работы

Выполненное исследование позволит повысить технологичность зубчатых колес при ремонте судовых ТНЗП за счет снижения нормы шероховатости переходных поверхностей и впадин зубьев и устранения трудоемкой операции ручного полирования.

Результаты работы могут быть использованы в судовом машиностроении при изготовлении зубчатых колес и других деталей из сталей типа 40ХН, упрочняемых поверхностной закалкой ТВЧ, а также при разработке технических условий на ремонт деталей ответственного назначения.

Результаты исследований могут быть применены в расчетах не только зубчатых колес, но и других деталей ответственного назначения, упрочняемых ТВЧ, на выносливость при изгибе.

Внедрениерезультатовработы

Результаты работы внедрены в Федеральном государственном унитарном предприятии «Каспгипрорыбфлот».

Данные исследований используются в учебном процессе университета при подготовке морских инженеров и инженеров-судомехаников.

Апробацияработ ы

Результаты исследований докладывались и обсуждались на: ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава АГТУ (2000 - 2004 гг.); научно-техническом семинаре «Актуальные проблемы судовой энергетики» в АГТУ (2000 - 2004 гг.); международной научной конференции «Динамика и прочность исполнительных механизмов и машин» (2002, 2004 гг.); международной научно-технической конференции, посвященной 70-летию АГТУ (2000 г.); заседании Ученого Совета Каспийского филиала Дагестанского государственного технического университета (2004 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Структура и объемработы

Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов по работе, списка использованных источников из 129 наименований и пяти приложений. Работа изложена на 122 страницах основного текста, содержит 23 таблицы и 35 рисунков.

2. КРАТКОЕСОДЕРЖАНИЕРАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности поставленной задачи изучения влияния шероховатости переходных поверхностей зубьев ТНЗП, упрочняемых поверхностной закалкой ТВЧ, на их из-гибную выносливость. Сформулирована цель исследования и указаны направления работ, необходимые для достижения поставленной цели.

В первой главе выявлены особенности изготовления и ремонта судовых ТНЗП, определены недостатки технологического процесса их изготовления; описана поверхностная закалка ТВЧ, проводимая для повышения изгибной и контактной выносливости зубьев; рас-

смотрено влияние шероховатости переходных поверхностей зубьев колес на изгибную выносливость, по результатам которого сформулированы задачи исследования.

При ремонте судовых ТНЗП возникает необходимость восстановления работоспособности зубчатых колес путем замены на новые с соблюдением технических условий чертежа. Характерной особенностью этих колес является передача ими больших мощностей при высоких окружных скоростях.

Зубчатые колеса изготавливают по 6...7 степеням точности, что накладывает высокие требования к точности зуборезного оборудования и червячных фрез. В процессе механической обработки проводятся стабилизирующие термические операции для снятия остаточных напряжений. Зубообработка ТНЗП разделяется на предварительную и окончательную.

При зубофрезеровании большое внимание уделяется выбору режимов резания. Для предварительной обработки главным является жесткость станка, надежность крепления фрезы и заготовки, прочность фрезы, а также допустимая величина износов зубьев фрезы. При окончательной обработки определяющим является обеспечение требуемой величины шероховатости поверхности зубьев.

После окончательной зубообработки переходные поверхности полируются вручную до достижения шероховатости Я? 4 мкм.

Для повышения контактной и изгибной выносливости зубчатые колеса ТНЗП после полирования подвергают поверхностной закалке ТВЧ. Устранение деформаций после закалки ТВЧ производится шлифованием боковых поверхностей зубьев колес при обильном охлаждении, причем касание шлифовальным кругом переходных поверхностей и впадин не допускается.

По данным исследований, проведенных в нашей стране и за рубежом, известно, что продольные риски на переходных поверхностях, образующиеся в процессе зубонарезания, снижают изгибную выносливость. Однако влияние рисок и других поверхностных дефектов на выносливость проявляется неодинаково и зависит от материала, наличия упрочняющей поверхностной обработки и ее вида.

Исследованиями, проведенными М.А. Балтер, установлено, что шероховатость поверхности, образованная до термической или химико-термической обработки не оказывает влияние на усталостную прочность поверхностно - упрочненных деталей.

Данные о влиянии шероховатости поверхности на характеристики усталости поверхностно-закаленных ТВЧ деталей в технической литературе отсутствуют.

С учетом приведенных в литературе особенностей усталостного разрушения, требование Rz 4 мкм к шероховатости переходных поверхностей под поверхностную закалку ТВЧ представляется завышенным.

Весомый вклад в изучение вопросов усталостной прочности деталей, в том числе зубчатых колес внесли СВ. Серенсен, В.Н. Кудрявцев, Ю.А. Державец, Е.Г. Гинзбург, В.П. Когаев, P.M. Пратусевич, P.P. Гальпер, Г. Ретиг, В.А. Мамонтов и др.

Проблемам разработки и совершенствования прогрессивных методов поверхностной закалки ТВЧ посвящены работы В.П. Вологди-на, Н.В. Зимина, Г.В. Головина, А.Д. Демичева, В.Ф. Артемьева, А.И. Гардина, К.З. Шепеляковского, В.Н. Богданова, Н.В. Беляева и др.

Во второй главе приведена методика исследования влияния шероховатости переходных поверхностей зубьев, подвергаемых поверхностной закалке ТВЧ, на их изгибную выносливость. Обоснован диапазон шероховатости, в котором проводилось исследование. Выполнено моделирование напряженного состояния в корне зуба реального колеса на круглых образцах с выточкой. Разработаны технические требования на изготовление круглых образцов и экспериментальных зубчатых колес. Описаны экспериментальные установки для усталостных испытаний образцов и экспериментальных зубчатых колес. Произведена оценка необходимого количества образцов для испытаний. Обоснован выбор методики испытаний методом «лестницы» и методики статистической обработки результатов испытаний.

Влияние шероховатости переходных поверхностей зубьев колес, подвергаемых поверхностной закалке ТВЧ, на изгибную выносливость исследовалось на экспериментальных колесах модуля 6 мм при пульсирующей нагрузке и на круглых образцах диаметром 10 и 20 мм с выточками при симметричном цикле консольным изгибом путем проведения сравнительных испытаний.

Для расчета геометрии круглых выточек использовалась методика моделирования напряженного состояния в корне зуба на круглых образцах, основанная на статистической теории подобия усталостного разрушения деталей. Моделирование состоит в обеспечении равенства критериев подобия усталостного разрушения у круглого образца и реального зуба. При выполнении этого равенства функции распреде-

ления пределов выносливости у образца и зуба будут совпадать. Величины напряжений в корне зуба реального колеса определены методом конечных элементов. Зуб представляет собой пластину единичной толщины. Сосредоточенная сила, приложенная к зубу под углом 20° к плоскости, перпендикулярной оси зуба, имеет также единичную величину. В качестве «матрицы жесткости» при решении задачи использован треугольный элемент.

Величины изгибных напряжений и относительные градиенты напряжений в корне зуба реального колеса подсчитаны по лицензионной программе «А^УБ».

В настоящем исследовании, носящем сравнительный характер, использованы образцы с полукруглыми выточками. Размеры выточек определены расчетом на основе данных, полученных методом конечных элементов. Образцы, моделирующие зубья колес модуля 3 и 8 мм, имеют диаметр опасного сечения 10 и 20 мм, радиус выточек 18 и 28 мм, теоретический коэффициент концентрации напряжений аа = 1,2 и аа= 1,3 соответственно.

Изучение влияния масштабного фактора на изгибную выносливость при одинаковой шероховатости и при концентрации напряжений, равной единице, проведено также на образцах диаметра 10 и 20 мм с радиусом выточки 50 и 90 мм соответственно. В качестве экспериментальных колес испытывались колеса модулем 6 мм, близкого к реальным зубчатым колесам.

Влияние шероховатости на выносливость изучалось в диапазоне 0,4...250 мкм. Верхний уровень этого диапазона взят выше требований, предъявляемых к переходным поверхностям зубчатых колес. Нижний уровень назначен из условий, чтобы он заведомо повлиял на выносливость. Для экспериментальных колес и круглых образцов использована сталь 40ХН, которая соответствует материалу реальных колес судовых ТНЗП. Химический состав и механические свойства стали удовлетворяют сертификату материала.

Количество образцов в партии с одинаковой шероховатостью, которое следует испытывать, чтобы принятый объем испытаний позволил оценить среднее значение и среднеквадратическое отклонение предела выносливости, зависит от наперед заданной степени точности и надежности. Необходимое количество образцов определялось с помощью функции мощности двухсторонних критериев и составило по 20 штук в каждой партии.

Механическую обработку выточек круглых образцов проводили на станке с ЧПУ. Обработка на этом станке обеспечила точность формы и размеров круговых выточек, а также позволила получить одинаковую шероховатость поверхности образцов в партии. Шероховатость Я? 0,4 мкм достигнута полированием абразивной лентой и пастой ГОИ вручную.

На переходных поверхностях зубьев экспериментальных колес продольные риски глубиною 250, 130 и 40 мкм, имитирующие соответственно шероховатость Я? 250, 130 и 40 мкм, были получены резцом на координатно-расточном станке при помощи вертикальной подачи невращающегося шпинделя. Глубина рисок устанавливалась механизмом поперечной подачи расточной головки станка. Момент касания резца с переходной поверхностью определялся электроштихма-сом.

Шероховатость выточек образцов измерялась профилометром модели 296 и микроскопом МИС-11, шероховатость переходных поверхностей - микроскопом МИС-11 методом слепков. Образцы диаметром 10 мм и зубья экспериментального колеса представлены на рис. 1.

а)

Рис. I. Экспериментальные образцы для испытаний на выносливость а) - диаметра 10 мм; б) - зубья экспериментального колеса модуля 6 мм

Образцы и зубья экспериментальных колес упрочнялись поверхностной закалкой ТВЧ по режимам, по которым упрочняют реальные зубчатые колеса. Отработка режимов поверхностной закалки предварительно произведена на опытных образцах. После установления оптимальных режимов поверхностной закалки образцы диаметра 10 мм закаливались на глубину 1,0... 1,2 мм, образцы диаметра 20 мм - на глубину 1,8...2,2 мм. Зубья экспериментальных колес закаливались на глубину 1,1... 1,3 мм. Глубина закалки и твердость поверхности образцов и зубьев выбраны оптимальными с точки зрения обеспечения выносливости.

Исходя из сравнительного характера задач, которые необходимо решить в настоящем исследовании, усталостные испытания образцов диаметра 10 и 20 мм проводили на экспериментальных установках круговым изгибом с постоянными амплитудными значениями напряжений при гармонической форме цикла на базе 107 циклов. Эти установки просты по конструкции и надежны в эксплуатации (рис. 2). Частота вращения образцов составляет 3000 об/мин. Напряжения изгиба вследствие вращения образцов изменяется по симметричному циклу.

5 2 13

1 - образец, 2 - конусный захват, 3 - подшипниковый узел, 4 - подвес с грузами, 5 - шпиндельная бабка

Рис. 2. Экспериментальная установка для усталостных испытаний образцов диаметра 20 мм

Испытания зубьев проводили на механическом пульсаторе также собственного изготовления при пульсирующей нагрузке, точка приложения которой находилась на расстоянии, равном половине модуля от вершины зуба. База испытаний для зубьев составила 2-106 циклов. Для определения числа циклов до разрушения на установках имеются счетчики циклов.

Определение пределов выносливости образцов и зубьев экспериментальных колес производилось методом «лестницы». Выбор этого трудоемкого метода исследования обусловлен необходимостью более точного определения среднего значения и среднеквадратического отклонения предела выносливости. Величина ступени для образцов принята равной 20 МПа, для зубьев при испытании на пульсаторе - 25 МПа.

Статистическая обработка результатов усталостных испытаний для построения наклонной ветви кривой усталости выполнена методом линейного регрессионного анализа в предположении, что долговечности образцов распределены по логарифмически нормальному закону. За независимую величину приняты напряжения, а зависимой случайной величиной является логарифм долговечности. После определения уравнения линии регрессии вычислялись ее доверительные границы. При обработке результатов испытаний применялись методы оценки значимости отличия средних и дисперсий, а также методы корреляционного анализа.

В третьей главе выполнен анализ результатов экспериментальных исследований по изучению влияния шероховатости поверхности на усталостную прочность; приведены результаты усталостных испытаний круглых образцов при симметричном цикле и шероховатости переходных поверхностей зубьев колес модуля 6 мм, упрочненных поверхностной закалкой ТВЧ, на изгибную выносливость.

Анализ изломов (рис. 3) круглых образцов и зубьев экспериментальных колес показал, что фокус излома расположен под упрочненным слоем. Такое расположение фокуса излома у поверхностно-закаленных ТВЧ образцов и зубьев с разной шероховатостью показывает, что трещина усталости возникает не на рисках от механической обработки.

Поломка зубьев экспериментальных колес начиналась на стороне, в которой действуют растягивающие напряжения, с появлением усталостной трещины на переходной поверхности (рис. 4). Развитие трещины происходило по нормали к переходной поверхности зуба.

Рис. 3. Изломы образцов диаметра 20 и 10 мм и зубьев экспериментальных колес модуля 6 мм

Кривые усталости образцов диаметра 10 мм = 1,0) показаны на рис. 5, диаметра 10 мм (а1Т= 1,2) - на рис. 6, диаметра 20 мм (ота = 1,0) - на рис. 7, зубьев колес - на рис. 8. Кривые усталости образцов диаметра 20 мм (а,т = 1,3) имеют аналогичный вид. При анализе кривых усталости выявлено, что при увеличении шероховатости в диапазоне Rz 0,4...250 мкм для образцов диаметра 10 мм (а(г= 1,0) снижение средних значений пределов выносливости, составляет 22...24%, для зубьев - 26.. .28%. В диапазоне шероховатости Rz 4... 130 мкм для образцов диаметра 10 мм 1,2) снижение составляет 6...8%, диаметра 20 мм - 11... 13%, диаметра 20 мм 9... 11%. Причем в диапазоне шероховатости Rz 4...40 мкм снижение пределов выносливости для всех образцов и зубьев одинаково и составляет 2..4%, т.е. можно сделать вывод о том, что шероховатость в этом диапазоне практически не влияет на предел выносливости.

f

Рис. 4. Характер поломки зуба опытного колеса

Рис. 5. Кривые усталости поверхностно-закаленных ТВЧ образцов диаметра 10 мм (а„ = 1,0) в диапазоне шероховатости & 0,4...250 мкм

закаленных ТВЧ образцов диаметра 10 мм (а„ = 1,2) в диапазоне шероховатости Лг 4... 130 мкм

Рис. 7. Кривые усталости поверхностно-закаленных ТВЧ образцов диаметра 20 мм (аст = 1,0) в диапазоне шероховатости ИгА..ЛЗЪ мкм

(Т, МПа

Рис. 8. Кривые усталости поверхностно-закаленных зубьев экспериментальных колес модуля 6 мм в диапазоне шероховатости ТЬ 0,4...250 мкм

Увеличение концентрации напряжений образцов диаметра 10 мм с аа— 1,0 ДО аа = 1,2 привело к снижению среднего значения предела выносливости на 31...38%, образцов диаметра 20 мм с <Ха- 1,0 ДО аа= 1,3-на38...43%.

Коэффициент влияния абсолютных размеров, определенный на образцах диаметра 10 и 20 мм с одинаковой шероховатостью вьночек, составил 3... 6%.

При увеличении шероховатости замечено снижение средне-квадратического отклонения пределов выносливости образцов, характер зависимости которых одинаков (рис. 9). Аналогичное снижение среднеквадратического отклонения наблюдалось и для зубьев экспериментальных колес.

Нижнее доверительное значение предела выносливости, определенное на уровне значимости 0,135%, с увеличением шероховатости поверхности снижается менее заметно, чем среднее. Это объясняется тем, что снижаются среднеквадра-тические отклонения средних значений пределов выносливости Б-. В

диапазоне шероховатости 4...40 мкм снижение нижних доверительных значений пределов выносливости образцов и зубьев составило 1.. .3%, в диапазоне Яг 0,4...250 мкм для образцов - 18%, для зубьев -20% (рис. 10, И).

Ограниченные пределы выносливости образцов диаметра 10 мм (аа = 1,0) в области ограниченной долговечности, определенные на базах 5-104, МО5, 5-Ю5, 1-Ю6 циклов снижаются с увеличением шероховатости (рис. 12). Характер этого влияния подобен зависимости

отклонения пределов выносливости образцов от шероховатости поверхности в диапазоне /& 0,4...250 мкм

Рис. 10. Зависимость предела выносливости от шероховатости поверхностно-упрочненных ТВЧ образцов диаметра 10 мм (а, = 1,0) при круговом изгибе в диапазоне шероховатости К 0,4...250 мкм

на зубьях экспериментальных колес (рис. 13).

При анализе влияния шероховатости на долговечность на уровнях напряжений, на которых ис-пытывались образцы и зубья установлено, что при увеличении шероховатости долговечности образцов и зубьев снижаются, а среднеквадратиче-ские отклонения долговечности уменьшаются, и это указывает на не случай-

средних значений пределов выносливости от шероховатости: левые части кривых усталости образцов имеют разный наклон, увеличивающийся при уменьшении шероховатости, причем в

большей степени на малых базах. Подобное влияние присутствует и

Рис. 11. Зависимость предела выносливости поверхностно-упрочненных ТВЧ зубьев экспериментальных колес модуля 6 мм от шероховатости переходных поверхностей в диапазоне 0,4...250 мкм

ность зависимости 5—ОТ шероховатости.

Четвертая глава посвящена статистическому обследованию шероховатости переходных поверхностей и впадин зубьев колес ТНЗП после технологической операции чистового зубофрезерования; описаны факторы, влияющие на образование микронеровностей поверхности при зубофре-

Рис. 13. Зависимость ограниченных пределов выносливости зубьев экспериментальных колес модуля 6 мм от шероховатости поверхности в диапазоне мкм

Рис. 12. Зависимость ограниченных пределов выносливости образцов диаметра 10 мм (а5 = 1,0) от шероховатости поверхности в диапазоне Иг 0,4...250 мкм

зеровании.

Для измерения шероховатости переходных поверхностей зубьев «случайно» выбраны два зубчатых колеса модуля 8 мм. При измерении использован метод слепков. В качестве материала слепков применялась разогретая до 90 °С масляно-гуттаперчевая масса. После затвердевания слепка реплика поверхности измерялась на микроскопе МИС-11.

После нахождения статистических характеристик результатов измерений и построения полигона распределения производился подбор теоретического закона распределения. В качестве критерия оценки согласия теоретического закона распределения эмпирическим данным принят критерий £ Пирсона.

Статистическая обработка результатов свидетельствует о том, что распределение фактической шероховатости переходных поверхностей зубьев подчиняется нормальному закону (рис. 14). С доверительной вероятностью 0,9987 шероховатость переходных поверхностей зубьев колес модуля 8 мм составила Я? 6,11 ±2,03 мкм.

Рис. 14. Полигон распределения шероховатости переходных поверхностей и впадин зубьев колес модуля 8 мм после чистового зубофрезеро-вания

В пятой главе разработаны рекомендации по изменению норм шероховатости переходных поверхностей и впадин зубьев колес, подвергаемых поверхностной закалке ТВЧ. Практическая неизменность усталостных характеристик, определенная экспериментом, дает возможность изменить существующую норму шероховатости переходных поверхностей и впадин зубьев колес под поверхностную закалку ТВЧ с Я? 4 мкм на Я? 20 мкм с ограничением высоты микронеровностей по наиболее глубокой риске до значения 25...30 мкм.

Установленная норма шероховатости позволяет повысить технологичность ответственных зубчатых колес при ремонте судовых

ТНЗП путем устранения из технологического процесса изготовления трудоемкой операции ручного полирования.

Выводы по работе

1. Зубья колес судовых ТНЗП, упрочняемых поверхностной закалкой ТВЧ, при работе нагружены односторонней нагрузкой, изменяющиеся по пульсирующему циклу изменения напряжения. Поэтому исследование влияния шероховатости переходных поверхностей зубьев на их изгибную выносливость проводилось на экспериментальных колесах модуля 6 мм при пульсирующей нагрузке. Помимо этого проводились подробные усталостные испытания на круглых образцах с выточкой при симметричном цикле. Результаты испытания круглых образцов могут быть перенесены на другие детали любой формы и размеров.

2. По результатам испытания построено 19 кривых усталости испытанием круглых образцов диаметра 10 и 20 мм при симметричном цикле напряжений и экспериментальных зубчатых колес модуля 6 мм при пульсирующем цикле нагружения. Анализ результатов показывает, что изменение среднего значения пределов выносливости образцов и зубьез, подвергнутых поверхностной закалке ТВЧ, з диапазоне шероховатости Я? 0,4...40 мкм составляет 2...4%, что незначительно. Дальнейшее увеличение шероховатости поверхности до Я? 250 мкм снижает пределы выносливости при симметричном цикле на 22...24% для образцов диаметра 10 мм (00=1,0) и на 26...28% для зубьев колес модуля 6 мм.

3. Нижние значения пределов выносливости, определенные для доверительной вероятности 0,9987, указывают на еще менее заметное снижение по сравнению с зависимостью средних значений от шероховатости. В диапазоне Я? 0,4...40 мкм снижение составляет для образцов 1...2%, для зубьев - 2...3%; в диапазоне Я? 0,4...250 мкм -16... 18% и 18... 20% соответственно.

Следовательно, шероховатость переходных поверхностей зубьев колес судовых ТНЗП не должна превышать Я? 20 мкм.

4. Статистическое обследование шероховатости переходных поверхностей и впадин зубьев реальных колес после технологической операции чистового зубофрезерования показывает, что распределение фактической шероховатости подчиняется нормальному закону. С доверительной вероятностью 99,87% она составляет .Лг 6,11±2,03 мкм.

5. Назначение новой нормы шероховатости Rz 20 мкм позволяет устранить ручную операцию полирования переходных поверхностей и впадин зубьев и тем самым снизить трудоемкость изготовления зубчатых колес, что приводит к повышению технологичности ТНЗП при их ремонте.

Основные положения диссертации опубликованы вработах:

1. Рубан А.Р., Саламех Али. Влияние шероховатости поверхности после механической обработки цементированных деталей на характеристики усталости//Научные разработки ученых -решению социально-экономических задач Астраханской области: Материалы межрегиональной науч.-практ. конф., Астрахань, Изд-во АГТУ, 2001. - с. 337-338.

2. Ruban A.R., Salameh A.Kh., Mamontov VA, Alyanskiy R.I. Experimental plant for bending fatigue tests of teeth of gear wheels by pulsating 1оас1//Наука и технология: Международный сборник научных трудов, Атырау: Атырауский институт нефти и газа. 2002.-Вып. 1 -часть 1 - с. 131-133.

3. Рубан А. Р., Саламех А.Х. Использование метода конформных отображений при моделировании напряженного состояния в корне зуба на круглых образцах с выточкой//Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин: Материалы науч. конф., Астрахань: Изд-во АГТУ, 2002. - с. 300303.

4. Кашкаров А.А., Мамонтов В.А., Попадин Н.В., Рубан А.Р., Саламех Али. Моделирование напряженного состояния в корне зуба зубчатого колеса на круглых образцах методом конечных элементов//Разведка и освоение нефтяных и газоконденсатных месторождений. Научные труды АстраханьНИПИгаз, Выпуск №5, Астрахань: ИПЦ «Факел» ООО «Астраханьгазпром», 2004.-с. 105-106.

5. Рубан А.Р., Саламех А.Х., Мамонтов В.А. Методика изготовления экспериментальных образцов для оценки влияния шероховатости цементуемых поверхностей на изгибную выносливость/ТВ естник Астраханского государственного технического университета. Научный журнал, Астрахань: Изд-во АГТУ, 2004.-с. 51-54._

6. А.Х.Саламех, В.А.Мамонтов, Н.В.Попадин. Влияние шероховатости переходных поверхностей зубьев колес, упрочняемых

поверхностной закалкой, на изгибную выносливость. Разведка и освоение нефтяных и газоконденсатных месторождений. Научные труды АстраханьНИПИгаз, Выпуск №6, Астрахань: ИПЦ «Факел» 00 0 «Астраханьгазпром», 2004. - с. 142-143.

Тип АГТУ Зак. 7 Тир. lOO^fïiOl.O?" .

/ ГН \

11.1*! 13 14

16 m 20Gf £ ! /

Введение.

1 .Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1 Технологический процесс изготовления зубчатых колес при ремонте судового редуктора.

1.2 Поверхностная закалка токами высокой частоты - как фактор, повышающий изгибную выносливость зубьев зубчатых колес.

1.3 Шероховатость переходных поверхностей зубьев колес и их из-гибная выносливость.

1.4 Задачи исследования.

2. Разработка методики проведения исследования влияния шеро-* ховатости переходных поверхностей зубьев колес, подвергаемых поверхностной закалке ТВЧ, на изгибную выносливость зубьев.

2.1 Моделирование напряженного состояния в корне зуба колеса на круглых образцах с выточкой.

2.2 Определение градиента первого главного напряжения в корне зуба колеса.

2.3 Расчет геометрии выточек круглых образцов. Требования к изготовлению.

2.4 Проектирование индукторов для поверхностной закалки ТВЧ образцов и зубьев экспериментальных зубчатых колес.

2.4.1 Индуктор для нагрева зубчатого колеса.

2.4.2 Индуктор для образцов диаметра 10 мм.

2.4.3 Индуктор для образцов диаметра 20 мм.

2.5 Требования к изготовлению экспериментальных зубчатых колес.

2.6 Экспериментальные установки для усталостных испытаний образцов.

2.7 Механический пульсатор для испытаний зубьев экспериментальных колес.

2.8 Оценка необходимого количества образцов для испытаний. База испытаний для круглых образцов и зубьев.

2.9 Методика испытаний методом «лестницы».

2.10 Методика статистической обработки результатов усталостных испытаний.

2.11 Выводы.

3. Исследование влияния шероховатости переходных поверхностей зубьев колес, подвергаемых поверхностной закалке ТВЧ, на их изгибную выносливость. т 3.1 Влияние шероховатости выточек образцов диаметром 10 и 20 мм на изгибную выносливость при симметричном цикле.

3.2 Влияние шероховатости переходных поверхностей зубьев экспериментальных колес на изгибную выносливость при пульсирующим цикле.

3.3 Выводы.

4. Шероховатость переходных поверхностей и впадин зубьев ко

• лес редуктора после зубофрезерования.

4.1 Факторы, влияющие на шероховатость поверхности зубьев при зубофрезеровании.

4.2 Количественная оценка шероховатости переходных поверхностей зубьев зубчатых колес судового редуктора.

4.3 Выводы.

5. Разработка рекомендаций по изменению существующих норм шероховатости переходных поверхностей зубьев, упрочняемых поверхностной закалкой ТВЧ.

6. Определение экономического эффекта от устранения операции полирования переходных поверхностей и впадин зубьев колес редуктора.

Дизель-редукторные передачи являются ответственными элементами судовой энергетической установки. К ним предъявляются высокие требования по надежности как при изготовлении, так и при ремонте. Повышение эффективности судоремонтного производства за счет его технологического совершенствования при обеспечении высокого качества ремонта является одной из насущных проблем.

Зубчатые колеса судовых редукторов изготавливают из высокопрочных легированных сталей типа 40ХН, 40Х, 55ПП, 45Х, 45ХН и др., которые для повышения контактной и изгибной выносливости подвергаются закалки токами высокой частоты (ТВЧ).

Техническими условиями на ремонт этих колес предусмотрено обрабатывать переходные поверхности и впадины зубьев до достижения шероховатости Яг 4 мкм. Выполнение этих требований осуществляется операцией ручного полирования, трудоемкость которой составляет до 10.15% от общей трудоемкости изготовления комплекта колес для редуктора.

Назначение высоких норм объясняется стремлением уменьшить концентрацию напряжений в корне зуба от шероховатости, а также отсутствием в технической литературе сведений о влиянии шероховатости переходных поверхностей, упрочняемых поверхностной закалкой ТВЧ, на изгибную выносливость зубьев и других деталей.

Известны работы [6, 59, 60] в которых имеются сведения о том, что поверхностная упрочняющая обработка устраняет влияние следов механической обработки, а также дефектов поверхности в виде царапин, мелких надрезов и рисок на изгибную выносливость деталей. Объясняется это переносом очага зарождения усталостной трещины иод упрочненную зону. Поэтому норма шероховатости переходных поверхностей и впадин зубьев Иг 4 мкм представляется завышенной. Ее изменение в сторону уменьшения позволило бы устранить трудоемкую операцию ручного полирования и тем самым повысить технологичность зубчатых колес и снизить затраты на ремонт редуктора.

Большой вклад в изучение вопросов выносливости зубчатых колес внесли C.B. Серенсен, В.Н. Кудрявцев, Ю.А. Державец, Е.Г. Гинзбург, В.П. Ко-гаев, P.M. Пратусевич, P.P. Гальпер, Ретиг Г., В.А. Мамонтов и другие.

Однако решение этого вопроса невозможно без знаний о закономерностях влияния микронеровностей поверхности на изгибную выносливость зубьев, упрочняемых поверхностной закалкой ТВЧ.

Проблемам разработки и совершенствования прогрессивных методов поверхностной закалки ТВЧ посвящены работы В.П. Вологдина, В.Ф. Артемьева, А.И. Гардина, А.И. Коровина, К.З. Шепеляковского, В.Н. Богданова, Н.В. Беляева и др.

В связи с этим в работе выполнено исследование влияния шероховатости переходных поверхностей на изгибную выносливость зубьев при пульсирующем цикле и на круглых образцах диаметром 10 и 20 мм при симметричном цикле изменения напряжений; проведено моделирование напряженного состояния в корне зуба на круглых образцах с выточкой; дана количественная оценка шероховатости переходных поверхностей зубьев после чистового зубофрезерования; разработаны рекомендации по изменению существующих норм шероховатости; изменен технологический процесс изготовления зубчатых колес при ремонте судового редуктора.

Результаты исследования влияния шероховатости поверхностно — упрочненных ТВЧ образцов при симметричном цикле и шероховатости переходных поверхностей зубьев экспериментальных зубчатых колес при пульсирующем цикле на изгибную выносливость показали в диапазоне шероховатости Яг 0,4.250 мкм снижение средних значений пределов выносливости на 22.28 %. Причем в диапазоне шероховатости Яг 0,4.40 мкм снижение пределов выносливости незначительно, и составляет 2.4 %.

Оценка влияния шероховатости поверхности на выносливость с использованием нижнего доверительного значения пределов выносливости для доверительной вероятности 0,9987 указывает на менее заметное снижение усталостной прочности с увеличением шероховатости, поскольку при этом снижаются среднеквадратические отклонения пределов выносливости. Однако при увеличении высоты микронеровностей от Яг 0,4 мкм до Яг 40 мкм снижение нижних доверительных значений пределов выносливости для всех испытаний образцов и зубьев не превышает 1 .3 %.

Практически неизменность усталостных характеристик при изменении шероховатости в диапазоне Яг 0,4.40 мкм указывает на возможность повысить технологичность зубчатых колес судового редуктора путем изменения норм шероховатости переходных поверхностей и впадин зубьев колес под поверхностную закалку ТВЧ с Яг 4 мкм до Яг 10 мкм и более с ограничением

Изменение норм шероховатости не отменяет необходимости контролировать соблюдение рекомендованных норм. Контроль необходим на случай появления грубых рисок из-за нестабильности процесса резания или других непредвиденных обстоятельств.

Новые нормы шероховатости позволят устранить из технологического процесса изготовления колес редуктора трудоемкую операцию ручного полирования.

Устранение операции ручного полирования впадин и переходных поверхностей из технологического процесса изготовления зубчатых колес при ремонте судового редуктора позволяет:

- сократить трудоемкость изготовления зубчатых колес;

- снизить себестоимость ремонта;

- сократить производственный цикл.

Исходные технико-экономические данные для определения экономического эффекта представлены в табл. 6.1.