Курсовая работа (т): Проектирование участка термической обработки зубчатых колес

Проектирование участка термической обработки зубчатых колес

Курсовая работа

Проектирование участка термической обработки зубчатых колес

Введение

Современные машины и механизмы трудно представить без зубчатых колес. В технике используют огромное количество шестерен. Лишь в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении общее количество ежегодно изготовляемых шестерен составляет около 50 млн. штук. Крупнейшими производителями шестерен являются также автомобильная промышленность и станкостроение.

Основной объем производства составляют цилиндрические шестерни (прямозубые и косозубые), в большом количестве изготавливают также конические шестерни, значительно меньше - шестерни червячных и комбинированных передач.

Наиболее массовыми являются шестерни коробок передач и трансмиссий автомобилей и тракторов, шестерни механизмов газораспределения двигателей внутреннего сгорания шестерни металлообрабатывающих станков.

1. Технология термической обработки

1.1 Описание детали

Зубчатое колесо (шестерня) - основная деталь зубчатой передачи в виде диска с зубьями на цилиндрической или конической поверхности, входящими в зацепление с зубьями другого зубчатого колеса. Однако часто все зубчатые колёса называют шестернями.

Зубчатые передачи применяют в различных механизмах, машинах и приборах для передачи вращательного движения между параллельными, пересекающимися и скрещивающимися осями валов, а также для преобразования вращательного движения в поступательное. Высокий КПД, компактность конструкций, плавность работы, высокая точность, возможность передавать силы практически под любым углом, с большим диапазоном скоростей и передаточных чисел способствовали широкому распространению зубчатых передач в автомобилях, тракторах, металлорежущих станках, самолетах, редукторах, приборах и т.д.

Сопряженная зубчатая передача состоит из ведущего и ведомого элементов. Зубчатое колесо, передающее вращение, называют ведущим. Колесо, приводимое во вращении, - ведомым. Зубчатая передача обычно состоит из пары колес, одно из них имеет большее число зубьев, другое меньшее. Элемент зубчатой передачи, имеющий меньшее число зубьев, называют шестерней, а элемент с большим числом зубьев - колесом.[1] Однако часто все зубчатые колёса называют шестернями.

.2 Требования предъявляемые зубьям шестерен

Условия работы шестерен определяются их быстроходностью, уровнем контактных и изгибающих нагрузок.

В процессе эксплуатации зубья шестерен подвергаются:

изгибу при максимальном однократном нагружении (при резком торможении, заклинивании, при приложении максимального крутящего момента);

изгибу при многократных циклических нагрузках, вследствие чего в корне зуба развиваются наибольшие напряжения и может происходить усталостное разрушение. Напряжения изгиба могут быть весьма большими, так в некоторых шестернях коробки передач автомобилей ЗИЛ они превышают 600 МПа;

контактным напряжением на боковых рабочих поверхностях зубьев, приводящим к образованию контактно-усталостного выкрашивания (питтинга);

износу боковых поверхностей (из-за попадания абразивных частиц, грязи, пыли в зону контакта) либо торцевых поверхностей зубьев (при переключении передач в коробках передач). При относительном скольжении в условиях недостаточной смазки либо без смазки на рабочих поверхностях зубьев может происходить «схватывание» и образование грубых задиров, приводящих к катастрофически быстрому (в течение нескольких часов) изнашиванию шестерен.[2]

Зубья шестерен должны иметь высокую поверхностную твердость и износостойкость при вязкой сердцевине. Твердость поверхности зуба должна составлять 58…60 HRC.[3]

.3 Обоснование выбора материала

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

Общими требованиями для упрочняемых сталей является следующее:

а) достаточно высокая прокаливаемость и закаливаемость, позволяющие обеспечить требуемую твердость поверхностного слоя и сердцевины зубьев при закалке в масле. Углеродистые стали для шестерен не применяют, так как они требуют закалки с охлаждением в воде, что сопровождается повышенной деформацией;

б)      технологичность для насыщения, определяемая малой
склонностью к чрезмерному перенасыщению поверхности углеродом и азотом и внутреннему окислению;

в)      хорошая обрабатываемость резанием, что особенно важно
в условиях массового производства;

г)       технологичность для термической обработки после насыщения.

Так как нам необходима высокая поверхностная твердость и вязкая сердцевина, поэтому мы ориентируемся на выборе химико-термической обработки.

Рассмотрим сталь, предложенную по заданию - 20ХНР.

Сталь 20ХНР конструкционная малоуглеродистая легированная, упрочняемая химико-термической обработкой (цементацией).

Заменитель - сталь 20ХН.

Вид поставки - сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 2590-71, ГОСТ 2591-71, ГОСТ 2879-69. Калиброванный пруток ГОСТ 4543-71, ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78. Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 4543-71, ГОСТ 14955-77. Полоса ГОСТ 103-76. Поковки и кованые заготовки ГОСТ 4543-71, ГОСТ 1133-71.

Назначение - зубчатые колеса, валы-шестерни, червяки, кулачковые муфты, валики, пальцы, втулки и другие нагруженные крупные детали, работающие в условиях ударных нагрузок.

Таблица 1. Химический состав стали 20ХНР

Легирование

Углерод - содержание 0,2%.

Обычно для цементации используют низкоуглеродистые стали (0,1-0,18% С). Для цементации крупногабаритных деталей, таких, как заданная, чаще применяют стали с более высоким содержанием углерода (0,2-0,3%). Выбор таких сталей необходим для того, чтобы сердцевина изделия, не насыщающаяся углеродом при цементации, сохраняла высокую вязкость после закалки.

Легирующие элементы, присутствующие в стали, оказывают влияние на структуру цементуемого слоя, механизм его образования и скорость диффузии. В случае цементации сталей, легированных карбидообразующими элементами, при температуре диффузии возможно образование двухфазного слоя из аустенита и карбидов глобулярной формы. При этом аустенит обедняется углеродом и карбидообразующими элементами ( Cr, Mn) и на поверхности после закалки образуются немартенситные структуры, способствующие снижению твердости и особенно предела выносливости. Суммарная концентрация углерода на поверхности цементированного слоя сталей, легированных карбидообразующими элементами, может достигать 1,5-2,0% и более (М.Ю. Лахтин Металловедение).

Хром - 0.70-1.10%, марганец - 0.60-0.90 - карбидообразующие элементы, увеличивают энергию активации Q, уменьшают коэффициент диффузии углерода в аустените, увеличивают глубину цементованного слоя после цементации.

Никель - 0.80-1.10% повышает вязкость цементованного слоя и сердцевины и понижает порог хладноломкости.

Бор - 0.001-0.005 увеличивает прокаливаемость сердцевины.

Важно отметить, что 20ХНР обладает наследственной мелкозернистостью и высокой прокаливаемостью, допускает возможность непосредственной закалки после цементации.

Механические свойства.

Механические свойства в зависимости от температуры отпуска.

Закалка 860 °С, масло. Охлаждение после отпуска в масле:

Механические свойства в зависимости от сечения.

Нормализация 930 °С, воздух. Закалка 840 °С, масло. Отпуск 200 °С, воздух:

Технологические свойства:

Температура критических точек:

Ударная вязкость

Ударная вязкость, KCU, Дж/см2:

Твердость:

Прокаливаемость

Закалка 860 С. Твердость для полос прокаливаемости HRCэ

При работе со сталью 20ХНР существует ряд сложностей. Сталь содержит никель, а так как он дефицитный, то применять такую сталь не желательно. Стали с 0,06 % титана, имеют недостаток - склонность к внутреннему окислению при газовой цементации, что приводит к снижению твердости слоя и предела выносливости. Данная сталь склонна к отпускной хрупкости. Титан уменьшает чувствительность стали к перегреву, а также измельчает зерно, тем самым ухудшает обрабатываемость.

Титан относится к числу элементов, образующих в стали труднорастворимые карбиды не переходящие в твердый раствор даже при нагреве до 1250 - 1300 °С. Вследствие этого при закалке с относительно низких температур большая часть титана остается связанной в виде карбидов и лишь незначительная его часть переходит в твердый раствор. Проявляя зародышевое действие и ввязывая углерод в карбиды, титан оказывает отрицательное влияние на прокаливаемость стали. Часть титана, перешедшая в твердый раствор, увеличивает прокаливаемость. Влияние титана на прокаливаемость стали зависит от его содержания, от температуры закалки и от присутствия других элементов.[5] Одновременное введение в сталь хрома и марганца повышает её прокаливаемость и прочностные свойства.

Легированные стали хромом, никелем, марганцем применяют для изготовления высоконагруженных зубчатых колес. [1]

заготовка термический зубчатых цементация

.4 Выбор и обоснование режима термической обработки

Варианты технологии термической обработки определяются маркой стали, модулем шестерни и необходимой эффективной толщиной.

Характеристики заданной марки стали были рассмотрены выше.

Рассчитаем модуль шестерни m по формуле

=Dделит.окр./N

где Dделит.окр= 405мм

отсюда,

m = 405/ 68= 5,9 ≈ 6

Определим эффективную толщину упрочненного слоя Δэф, то есть расстояние от поверхности до зоны с контрольной твёрдостью (обычно HRC 50) в зависимости от модуля: при m в пределах 6,0…10мм Δэф соответствует значению 1,2±0,3мм. При Δэф >1 используют цементацию.