Технологическое повышение нагрузочной способности зубчатых колес комбинированной обработкой тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат технических наук Яковлева, Анна Петровна

• Яковлева, Анна Петровна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Яковлева, Анна Петровна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

1.1. Влияние технологических способов обработки на нагрузочную способность зубчатых колес.

1.2.Влияние качества поверхности на нагрузочную способность зубчатых колес.

1.3.Влияния способов упрочнения на нагрузочную способность зубчатых колес.

1.5.1.Цементаци я.

1.5.2. Азотирование.

1.5.3.3акалка ТВЧ.

1.5.^Комбинированная упрочняющая обработка.

1.5.5.Электомеханическая обработка (ЭМО).

1.5.6.Упрочнение поверхностным пластическим деформированием.

1.4.Анализ видов разрушений зубчатых колес.

1.5.Влияние ППД на структуру поверхностного слоя и нагрузочную способность зубчатых колес.

1.6.Постановка задачи и цели исследования.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

2.1. Методологические основы исследований.

2.2.0бъект исследования и обрабатываемые материалы.

2.3.Характеристика инструментов для ППД роликовых образцов

2.4.Инструмент для обработки объемным пластическим деформированием выкружек зубчатых колес среднего модуля.

2.5. Инструмент для ОПД выкружек и ППД активного профиля зубьев.

2.6. Образцы для исследования и моделирования технологических способов их обработки.

2.7. Контроль качества поверхности образцов и зубчатых колес и измерение показателей точности.

2.8. Оборудование для определения эксплуатационных свойств.

2.9.Контроль износа методом поверхностной активации.

2.10. Образцы для испытания на ударную вязкость.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОМБИНИРОРВАННОЙ ОБРАБОТКИ 3.1. Теоретический расчет червячной фрезы для обеспечения рациональной формы припуска для ОПД зубчатых колес.

3.2.0пределение силы деформирования и площади контакта с учетом упругопластического сжатия материала детали.

3.3.Примеры расчета режимов пластического деформирования зубчатых колес различного модуля.

3.4.Расчет шага и угла роликов деформирующего инструмента.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕТНАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ, ФОРМИРУЕМОГО

КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКОЙ

4.1.Влияние КО на характеристики шероховатости.

4.2.Влияние КО на характеристики волнистости.

4.3.Влияние КО на упрочнение поверхностного слоя.

4.4. Влияние КО на свойства поверхностного слоя азотированных сталей.

5.5. Влияние КО на свойства поверхностного слоя выкружки.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

НАГРУЗОЧНОЙ СПОСОБНОСТИ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС, ОБРАБОТАННЫХ КОМБИНИРОВАННОЙ ОБРАБОТКОЙ

6.1 .Износостойкость.

6.2.Ударная вязкость.

6.3.Контактная прочность.

6.4. Усталостная прочность.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технологическое повышение нагрузочной способности зубчатых колес комбинированной обработкой»

Одной из тенденций развития мировой экономики является увеличивающийся рост требований к важнейшему фактору производства -качеству выпускаемой продукции.

Основной задачей современного машиностроения является повышение надежности и долговечности деталей машин, обусловленное возрастающими требованиями в отношении износостойкости, усталостной прочности, контактной жесткости, антикоррозионных свойств и сопротивления ударным нагрузкам. В связи с этим возникает необходимость непрерывного совершенствования технологии изготовления отдельных деталей и машин в целом. Особое внимание при этом обращается на обеспечение точности размеров и формы, а также приданию поверхностному слою необходимых физико-механических свойств. За последние годы разработано большое количество самых разнообразных способов упрочнения и отделочной обработки, имеющих свои особенности, преимущества и недостатки.

В транспортном машиностроении широко используют цилиндрические прямозубые зубчатые колеса с внешним зацеплением среднего модуля (от 2 до 6мм). В основном их изготавливают из цементируемых (12Х2Н4А, 20ХЗМВФ и др.) и азотируемых (40ХНМА, 38ХМЮА и др.) сталей по стандартным техпроцессам: 1) зубофрезерование, ХТО (цементация), зубошлифование; 2) зубофрезерование, зубошлифование, азотирование.

Одной из основных тенденций в производстве зубчатых колес данной группы является повышение их нагрузочной способности, т.е. износостойкости, контактной и изгибной прочностей. Технологическое обеспечение надежности зубчатых колес обусловлено совершенствованием методов механической и химико-термической обработки. При лезвийной обработке колес основная проблема заключается в обеспечении качества поверхности с заданными параметрами точности, шероховатости и повышении стойкости зуборезного инструмента при обработке материалов с твердостью больше HRC 40.

Совершенствование методов химико-термической обработки зубчатых колес связано с разработкой и внедрением процессов ионной цементации, нитроцементации и азотирования, обеспечивающих высокие механические свойства поверхностного слоя зубьев при снижении уровня внутренних напряжений и коробления деталей. В качестве финишной операции остается операция шлифования зубьев, поскольку она не имеет аналогов при обеспечении точности выполнения всех элементов зацепления. Совершенствование процесса зубошлифования обусловлено использованием высокотемпературных и высокопористых шлифовальных кругов, а также с оптимизацией режимов шлифования и подбором оптимального состава СОЖ.

Среди дефектов зубчатых колес значительное место занимают контактные разрушения поверхности зубьев из-за шлифовочных дефектов (прижогов) и усталостные трещины у основания зубьев. Проблемы повышения нагрузочной способности зубчатых колес побуждают искать новые, экономически оправданные, конструкторско-технологические решения, обеспечивающие требуемое качество поверхностного слоя зубьев. Одним из эффективных решений является применение упрочняющей технологии.

В настоящее время наиболее распространенным является способ ПГТД цилиндрических зубчатых колес, при этом распространение получил способ накатывания их инструментом, изготовленным в виде реек или эвольвентных накатников. Производится также накатывание зубьев планерными головками, ролики которых при вращении и обкатке создают профиль образующего реечного инструмента. При этом повышение нагрузочной способности зубчатых колес достигается за счет упрочнения рабочих профилей, снижения шероховатости, создания сжимающих напряжений. Однако выкружка зубьев недостаточно упрочняется вследствие максимальной скорости скольжения деформирующего инструмента в области переходной кривой. Упрочнением выкружки можно создать резерв значительного повышения нагрузочной способности (за счет увеличения изгибной прочности).

В связи с непрерывно увеличивающимся выпуском зубчатых колес, решение вопросов, связанных с повышением нагрузочной способности имеет большое народнохозяйственное значение.

Заключение диссертации по теме «Технология машиностроения», Яковлева, Анна Петровна

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ:

1. На основе анализа зарубежного и отечественного опыта показана эффективность нового подхода к повышению нагрузочной способности зубчатых колес методом комбинированной обработки, при которой зубофрезерование производится специальной фрезой с протуберанцем, активный профиль упрочняется ППД, а формообразование наиболее нагруженной части зуба (переходной поверхности) производиться объемным пластическим деформированием.

2. Разработана методика расчета червячных фрез, производящий исходный контур которых обеспечивает модификацию профиля переходной кривой с целью обеспечения оптимальных степени деформации и усилия формообразования переходной поверхности и дна впадины зуба.

3. Получены теоретические зависимости, позволяющие рассчитать силы деформирования переходной поверхности зубчатых колес среднего модуля от технологических условий обработки.

4. Показано влияние режимов комбинированной обработки на функциональные параметры качества поверхностного слоя зубьев (шероховатость переходной поверхности зубьев уменьшилась cRzlO до Rzl мкм.; радиусы закругления впадин микропрофиля увеличились в 10-20 раз; высота волнистости уменьшилась в 2 раза).

5. Отмечается положительное влияние комбинированной обработки на твердость азотируемых и цементируемых поверхностей. Для азотируемой стали 40ХНМА относительный прирост твердости составляет 10%, для цементируемых сталей 12Х2Н4А и 20ХЗМВФ на 12. 15%, глубина упрочнения более 1,2 мм.

6. В поверхностном слое зубчатых колес, обработанных КО уменьшается количество остаточного аустенита, улучшается структура упрочненного слоя (иглы мартенсита мельче, происходит дробление карбидной сетки). Установлено влияние комбинированной обработки на показатели нагрузочной способности высокоскоростных тяжелонагруженных зубчатых колес (износостойкость повышается на 15%, изгибная прочность увеличивается на 25%, ударная вязкость повышается на 20%, контактная прочность увеличивается в 1,5 раз).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Яковлева, Анна Петровна, 2005 год

1. Аскинази Б.Д., Шиленков В.Ф. Упрочнение зубчатых колес электромеханической обработкой // Вестник машиностроения. -1968. -№5.- С. 42-44.

2. Ассонов А.Д. Технология термической обработки деталей машин. — М.: Машиностроение, 1969. —263с.

3. Балакина JI.H. Крупицкий Б.А. Мухина Е.Н. Исследование износостойкости слоя, упрочненного электроискровой обработкой. //Машиностроение: Тр. ПМИ. -М.: Машгиз, 1955.-250 с.

4. Балтер М.А. Упрочнение деталей машин. -М.: Машиностроение, 1968.-194с.

5. Белов В.А. Технология обработки плоскостей Поверхностным деформированием /Под ред. А.А. Маталина , -Киев: Техника, 1972. 125с.

6. Большее П.Н., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. -М.: Наука, 1965. 474с.

7. Барабич М.Б., Хоруженко М.В. Накатывание цилиндрических зубчатых колес. -М.: Машиностроение, 1970. -218с.

8. Браславский В.М. Технология обкатки крупных деталей роликами. -М.: Машиностроение, 1975. —159с.

9. Васильева А.Г. Деформационное упрочнение закаленных конструкционных сталей. -М: Машиностроение, 1981. -350с.

10. Ю.Гавриленко В.А. Основы эвольвентой зубчатой передачи. -М: Машиностроение, 1969. -125с.

11. П.Горленко О.А. Технологическое управление геометрическими параметрами контактирующих поверхностей. -Брянск: Приокское книжное издательство, 1975.-198с.

12. Генкин М.Д., Рыжов Д.М., Рыжов Н.М. Повышение надежности тяжелонагруженных зубчатых передач. -М.: Машиностроение, 1981. -381с.

13. Геллер Ю.А., Рахпггадт А.Г. Материаловедение -М.: Машиностроение, 1983. -345с.

14. Гришко В.А. Повышение износостойкости зубчатых передач. -М.: Машиностроение, 1978. -126с.

15. Гуляев В.И. Исследование косозубых шестерен тягового редуктора подвижного состава, упрочненного комбинированной обработкой: Дис.канд. техн. наук. -Москва, 1987. -246с.

16. Долецкий В.А. Увеличение ресурса машин технологическими методами. -М.: Машиностроение, 1978. -215с.

17. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. -М.: Машиностроение, 1981. -227с.

18. Елизаветин М.А., Сатель Э.А. Технологические способы повышения долговечности машин. -М.: Машиностроение, 1969. -399с.

19. Еленевский Д.С. Влияние шлифования на выносливость цементованных деталей // Вестник машиностроения. -1957. -№5. -С. 10-13.

20. Еленевский Д.С. Остаточные напряжения и прочность зубьев цементованных шестерен // Вестник машиностроения. -1958. -№9. -С. 12.

21. Исаев А.И., Коткина М.Г. Шероховатость поверхности зубьев зубчатых колес //Вестник машиностроения. -1967. -№12. -С 64-66.

22. Каледин Ю.М., Кудрявцева JI.B. Термическая обработка тяжелонагруженных зубчатых колес. -М.: Машиностроение, 1966.-210с.

23. Каледин Б.А., Чепа П.А. Повышение долговечности деталей поверхностным деформированием. -Минск: Наука и техника, 1974. -398с.

24. Кистьян Я.Г. Методика расчета зубчатых передач на прочность. -М.: Машгиз, 1963. -244с.

25. Коган Г.И. Изготовление цилиндрических колес со шлифованными зубьями. -М.: Машгиз, 1962. -189с.

26. Козловский И.С. Химико-термическая обработка шестерен. -М.: Машиностроение, 1970.—231с.

27. Ковалев Е.А., Новикова В.Ф. Повышение надежности и долговечности подшипников качения и зубчатых колес подвижного состава. -Ростов-на-Дону: Машиностроение, 1988. -487с.

28. РТМ. Комплексные технологические процессы изготовления зубчатых колес с применением методов пластической деформации. / НИИМаш. -М., 1966. -С.97-120.

29. Кораблев А.И. Основные виды выходов из строя шлифованных зубчатых колес и их причины // Новые методы зубошлифования и повышение прочности зубчатых колес: Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического семинара.-М., 1973.-С.67-95.

30. Кораблев А.И., Решетов Д.Н. Повышение несущей способности и долговечности зубчатых передач.- М.: Машиностроение, 1982.-287с.

31. Котикова Е.Г. Упрочнение крупномодульных шестерен поверхностной обработкой // Повышение конструкционной прочности стали. -М.: Машгиз, -1957. 376с.

32. Котов O.K. Поверхностное упрочнение деталей машин химико-термической обработкой. -М: Машиностроение, 1969. — 344с.

33. Кроха В.А. Упрочнение металлов при холодной пластической деформации: Справочник. -М.: Машиностроение, 1980. —109с.

34. Кудрявцев И.В. Остаточные напряжения, как резерв прочности в машиностроении. -М.: Машиностроение. 1951.-260с.

35. Кудрявцев В.Н. Зубчатые передачи.- M.-JI.: Машгиз, 1977. —210с.

36. Кудрявцев В.Н., Державец Ю.А., Глухарев Е.Г. Конструирование и расчет зубчатых редукторов.- М.: Машгиз, 1971.-110с.

37. Кустовский В.Н., Гудым JI.H., Книнсберг Ц.З. Опыт внедрения чистовой обработки зубчатых профилей пластическим деформированием//Вестник машиностроения. -1995. -№10.-С34-40.

38. Лазаренко В.Г., Прейс Г.А. Износостойкость металлов. -М.: Машгиз, 1978. -98с.

39. Луговский В.В. Влияние обработки поверхностным пластическим деформированием на коррозионную стойкость сталей аустенитного класса //Вестник машиностроения. -1990. -№12.- С.20-24.

40. Любарский И.М. Повышение износостойкости тяжелонагруженных шестерен. -М.: Машиностроение, 1965. -131с.

41. Мишарин Ю.А. Влияние шероховатости поверхности на конструкционную прочность сталей: Дис. канд. техн. наук. -Москва, 1984.-150с.

42. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей поверхностным пластическим деформированием. -М.: Машиностроения, 1987. — 210с.

43. Павлов В.А. Чистовая упрочняющая обработка зубьев крупномодульных зубчатых колес.//Вестник машиностроения. -1973. -№5. -С.54.

44. Павликов П.Я., Яковлева А.П. Формообразование выкружки зубчатых колес методом пластической деформации //Труды МГТУ им.Н.Э.Баумана, -2003. -.№585. -С.121.

45. Павлов З.П. Влияние твердости зубьев сопряженных колес на ! нагрузочную способность передач.- Одесса: Машгиз, 1958. -79с.

46. Павлов В.А. Чистовая упрочняющая обработка зубьев крупномодульных зубчатых колес: Дис. канд. техн. наук. -Брянск, 1973.-187с.

47. Папшев Д.Д. Упрочнение деталей обкаткой шариками. -М.: Машиностроение, 1978.-225с.

48. Папшев Д.Д., Пронин A.M., Кубышкин Л.Б. Эффективность упрочнения цементованных деталей машин. //Вестник машиностроения. -1990. -№8. -С.34-41.

49. Перминов А.Е. Исследование работоспособности зубчатых колес при износе: Дис. канд. техн. наук. -Москва, 1983.-201с.

50. Петросов В.В. Гидродробеструйное упрочнение деталей и инструмента. -М.: Машиностроение, 1977. -С.41-44.

51. Петрусевич А.И. Основные выводы из контактно-гидродинамических теорий смазки // Изв.АН СССР. ОТН. -1971. -№2. -С.34-35.

52. Петрусевич А.И., Данилов В.Д. Влияние приработки контактирующих поверхностей на их противозадирную стойкость при качении со скольжением //Вестник машиностроения. -1975. -№5.-С. 12-19.

53. Петрусевич А.И. Роль гидродинамической масляной пленки в стойкости и долговечности поверхностного контакта деталей машин //Вестник машиностроения. -1971. -№1. -С. 34-36.

54. Петрусевич А.И., Витенбург Ю.Р. Влияние приработки на сопротивление заеданию смазываемых шероховатых поверхностей при качении со скольжением //Вестник машиностроения. -1978. -№6. -С.34-36.

55. А.В.Питухин, Т.Ю.Ефимов, Влияние шероховатости переходной поверхности зубчатых колес на сопротивление усталости //Вестник машиностроения. -1995. -№6. -С.24-29.

56. Полянин В.В. Исследование процесса зубохонингования //Методы изготовления зубчатых колес: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. -Пермь, 1977. -С. 67-90.

57. Полевой С.Н. Евдокимов В.Д. Упрочнение металлов: Справочник. -М.: Машиностроение, 1994.—396с.

58. Пономорев В.П. Выбор варианта окончательной обработки зубьев цементованных шестерен силовых передач транспортных машин //Методы изготовления зубчатых колес: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. -Пермь, 1987. —С.93-110.

59. Постников В.И. Радиоактивные изотопы в исследовании и автоматизации контроля износа,- М.: Машиностроение, 1967.-401с.

60. Проскуряков Ю.Г. Технология упрочняюще-калибрующей и формообразующей обработки металлов. -М.: Машиностроение, 1981.-221с.

61. Райко М.В. Смазка зубчатых колес. -Киев: Техника, 1970. -93с.

62. Рыжов Н.М. О выборе оптимальных режимов шлифования зубчатых колес //Вестник машиностроения. -1964. -№1. -С.34-39.

63. Рыжов М.А. Пути повышения качества поверхностного слоя зубьев шлифованных зубчатых колес //Новые методы зубошлифования: Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического семинара. -М.: 1973. С.140-149.

64. Рыжов Э.В., Горленко О.А. Технологическое управление геометрическими параметрами контактирующих поверхностей: Расчетные методы оценки трения и износа. -Брянск: Приокское книжное издательство, 1975.—198с.

65. Рыковский Б.П. Местное упрочнение деталей поверхностным наклепом. -М.: Машиностроение, 1985. -359с.

66. Саблин A.M., Гришко В.А. Исследование предельных режимов безизносной работы среднескоростных прямозубых передач //Долговечность зубчатых передач. -1971. -№8.-С.45-98.

67. Сидорин И.И., Генкин М.Д., Рыжов Н.М. Остаточные напряжения в поверхностном слое профилей зубьев и их влияние надолговечность зубчатых колес //Вестник машиностроения. -1965. -№2. -С.56-59.

68. Сторожев А.Г., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. -М.: Машгиз, 1963. -398с.

69. Суслов А.Т. Качество поверхностного слоя деталей машин. -М.: • , Машиностроение, 2000.-317с.

70. Трубин Г.К. Контактная усталость материалов для зубчатых колес. -М.: Машиностроение, 1962. -296с.

71. Хворостушкин JI.A., Шишкин С.В., Шмаков Р.А. Повышение несущей способности деталей машин поверхностным упрочнением. -М.: Машиностроение, 1988. -376с.

72. Часовников Л.Д. Расчет зубчатых передач. -М.: Машиностроение, 1971.-240с.

73. Школьник Л.М., Девяткин В.П. Повышение прочности шестерен дробеструйным наклепом //Вестник машиностроения. -1960. -№12. С.45-46.

74. Юдин Д.Л. Упрочнение пластическим деформированием 1фупномодульных зубчатых колес. //Вестник машиностроения. -1970. -№1. С.34-38.

75. Яценко В.К., Зайцев Г.З., Притченко В.Ф. Повышение несущей способности деталей машин алмазным выглаживанием. -М.: Машиностроение, 1985. -232с.

76. Яковлева А.П. Повышение изгибной прочности тяговых зубчатых колес. //Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо-и машиностроении: Труды Всероссийской научно-технической конференции. —М., 2001. -Т.1. -С.45-48.

77. Яковлева А.П. Поверхностное пластическое деформирование цементованных зубчатых колес //Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо-и машиностроении: Труды

78. Всероссийской научно-технической конференции. -М., 2001. —Т.1. — С.48-50.

79. Яковлева А.П., Баландин А.Д., Павликов П.Я. Расчёт профиля червячной фрезы под накатывание зубчатых колёс //Математическое моделирование сложных технических систем. -2002. -№584. -С. 87-91.

80. Яковлева А.П. Вличние пластической деформации на структуру и твердость цементованного слоя зубчатых колес. // Тезисы докладов международной конференции. -М: Изд-во МГТУ им.Баумана, 2005г. -С.266.

81. Ritchie R.O., Lankford J. Small fatigue cracks a statement of the problem and potential Solutions // Materials Science and Engineering. B.W. -1986.-P. 11-16.

82. Ren Martin, The quality of the surface and the serviceability of the gear //CM&M. -1990. -№4.-P.9-17.

83. Pamela Sloane, The existing technological ways of processing of the gears //CM&M.- 1999.-№7. -P.23-30.