Курсовая работа (т): Термическая обработка зубчатого колёса

Термическая обработка зубчатого колёса

Содержание

Введение

1. Анализ условий работы материала в изделии и комплекс технических требований к нему

. Поиск и обоснование выбора материала на основе заданных параметров прочности и пластичности

. Выбор методов и оборудования для определения структуры и свойств, контроля качества термообработки

. Установление режимов при термообработке, обеспечивающих достижение заданных свойств

. Анализ возможных дефектов при термообработке и способы их предотвращения или устранения

. Оценка показателей выбранного материала

Заключение

Список литературы

Введение

Общая современная тенденция в машиностроении - стремление к снижению материалоемкости конструкций, увеличению мощности, быстроходности и долговечности машины. Эти требования приводят к необходимости уменьшения массы, габаритов и повышения нагрузочной способности силовых зубчатых передач. Материалы для изготовления зубчатых колес в машиностроении - стали, чугуны и пластмассы; в приборостроении зубчатые колеса изготовляют также из латуни, алюминиевых сплавов и др. Выбор материала определяется назначением передачи, условиями ее работы, габаритами колес и даже типом производства (единичное, серийное или массовое) и технологическими соображениями. Основные материалы для изготовления зубчатых колес - термообработанные углеродистые и легированные стали, обеспечивающие высокую объемную прочность зубьев, а также высокую твердость и износостойкость их активных поверхностей. Правильный выбор материала способствует улучшению качества зубчатых колес, увеличивает срок их эксплуатации, повышает надежность.

1. Анализ условий работы материала в изделии и комплекс технических требований к нему

зубчатый колесо термообработка дефект

Для того, чтобы правильно найти и выбрать материал необходимо оценить эксплуатационные, технические, технологические и экономические требования. Главным критерием выбора являются эксплуатационные характеристики.

В зависимости от условий выполняемой работы и назначения к зубчатым передачам предъявляются следующие требования:

а) высокая износостойкость рабочих поверхностей зубьев, достигаемая за счет применения высококачественных легированных сталей, термической и химико-термической обработки, механического упрочнения, отделки поверхности;

б) бесшумность и плавность работы, точность передачи движений, достигаемые точностью изготовления профиля зубьев, их отделкой и устранением эксцентричности зубчатых венцов;

в) достаточный коэффициент полезного действия;

г) высокая усталостная прочность зубьев, достигаемая их тщательной обработкой, термическим, механическим, термомеханическим упрочнением, отделкой.

Перечисленные требования объясняются высокими окружными скоростями, контактными давлениями, изгибающими циклическими нагрузками.

В процессе работы зубья подвергаются действию изгибных нагрузок, вызывающих излом ножки зуба; поверхность зубьев подвергается действию относительно больших контактных давлений и истиранию, приводящих к выкрашиванию и износу. Для улучшения эксплуатационных свойств рабочие поверхности зубьев в большинстве случаев должны иметь высокую поверхностную твердость (HRC 58-62) при относительно вязкой и пластичной сердцевине, обеспечивающей повышенную прочность при циклических и ударных нагрузках. В ряде случаев зубчатые колеса работают в менее жестких и тяжелых условиях, вследствие чего требования к их изготовлению также ниже.

Характер технологического процесса обработки зубчатых колес зависит от требуемой точности, качества поверхности и термической обработки зубчатого колеса. Технологический процесс изготовления зубчатого колеса можно разделить на четыре основных этапа: 1) черновая и чистовая обработка заготовки; 2) нарезание зубьев; 3) термическая обработка; 4) отделочные и доводочные операции после термической обработки.

Зубчатые колеса с наружным диаметром 50-55 мм и более изготовляются из поковок и штамповок на станках патронного типа с предварительной обработкой отверстия. Это значит, что материал должен обладать хорошими литейными свойствами и хорошо поддаваться обработке давлением. Стоит подытожить основные требования к материалам - это прочность поверхностного слоя, достаточное сопротивление истиранию, прочность при изгибе, возможность получения достаточной прочности и чистоты поверхности.

Так как рассматривается зубчатое колесо в условии износа с малой контактной нагрузкой, используются колеса с твердостью по Бринеллю ≤ 350 НВ, зубья которых хорошо прирабатываются.

Основная цель любого вида термической обработки зубчатых колес состоит в обеспечении твердой, износостойкой поверхности зуба при сохранении мягкой и вязкой сердцевины для восприятия ударных нагрузок.

При выборе стали для изготовления зубчатых колес необходимо учитывать ее стоимость, обрабатываемость, прокаливаемость и деформацию колеса при термической обработке. Так как основным элементом зубчатого колеса является зуб, применяемые стали и методы упрочнения должны обеспечивать высокую контактную и усталостную прочность, прочность при изгибе, ударе и износостойкость зуба[1].

2. Поиск и обоснование выбора материала на основе заданных параметров прочности и пластичности

На основе анализа условий работы и комплекса требований к ним можно рассмотреть в качестве материала следующие марки сплавов: 50, 45Х, 20ХН3А, 30ХГТ.

Химический состав указанных сталей:

Таблица 1 - Химический состав для стали 50, % (ГОСТ 1050 - 74)

Таблица 2 - Химический состав для стали 45Х, % (ГОСТ 4543 - 71)

Таблица 3 - Химический состав для стали 20ХН3А, % (ГОСТ 4543 - 71)

Таблица 4 - Химический состав стали 30ХГТ, % (ГОСТ 4543 - 71)

Механические свойства в состоянии поставки образцов представленных марок стали с сечением до 100 миллиметров приведены в таблице 5.

Таблица 5.

Сталь 50 - среднеуглеродистая качественная сталь. Поставляется в виде сортового проката, в том числе и фасонного, калиброванного прутка. Также в виде поковки и кованной заготовки. В промышленности используется для изготовления зубчатых колес, прокатных валков, осей, малонагруженных пружин и рессор. Данная сталь является трудносвариваемой, не склонна к отпускной хрупкости, малая склонность к поражению флокенами. Прокаливаемость стали 50 сравнительно не большая.

Сталь 45Х - сталь конструкционная легированная. Используется для изготовления валов, шестерней, шатунов и других деталей к которым предъявляются требования повышенной твердости, износостойкости, прочности и работающих при незначительных ударных нагрузках. Данная марка стали является трудносвариваемой, склонной к поражению флокенами и появлению отпускной хрупкости.

Сталь 20ХН3А - сталь конструкционная легированная. Вид поставки: сортовой прокат, в том числе и фасонный (калиброванный пруток, шлифованный пруток, поковки и кованые заготовки). Используется в промышленности для изготовления таких деталей, как шестерни, валы, втулки, муфты и других цементуемых деталей, к которым предъявляются требования высокой прочности, пластичности и вязкости сердцевины и высокой поверхностной твердости, работающей под действием ударных нагрузок и при отрицательных температурах. Сталь ограниченно свариваемая, флокеночувствительна и склонна к отпускной хрупкости.

Сталь 30ХГТ - сталь конструкционная легированная. Вид поставки: сортовой прокат, в том числе и фасонный (калиброванный пруток, шлифованный пруток). Используется в промышленности для изготовления улучшаемых и цементуемых деталей, от которых требуется высокая прочность, вязкая сердцевина и высокая поверхностная твердость, работающих при больших скоростях и повышенных удельных давлениях под действием ударных нагрузок. В частности, для зубчатых колес коробки передач грузовых автомобилей, раздаточных коробок главной передачи автомобилей и автобусов. Сталь склонная к отпускной хрупкости, свариваемость ограничена, флокенонечувствительна[2].

3. Выбор методов и оборудования для определения структуры и свойств материала, контроля качества термической обработки

С целью определения структуры и свойств сплавов необходимо провести: металлографические и рентгенографические исследования, а также испытания на растяжение, ударную вязкость и прокаливаемость.

Металлографические исследования - это комплекс испытаний и аналитических мероприятий, направленных на изучение макроструктуры и микроструктуры металлов, исследование закономерностей образования структуры и зависимостей влияния структуры на механические, электрические и другие свойства металла (сплава).

Изучение микроструктуры шлифа в нетравленом виде, т. е. после полирования и промывки. В этом случае в поле зрения микроскопа можно заметить отдельные, обычно небольшие, темные участки, которые могут представлять неметаллические включения, мелкие поры, структурные составляющие. Макро- и микроанализ, применяемый в техническом диагностировании, позволяет своевременно выявить дефекты металла, которые могут понизить эксплуатационные свойства и надёжность изделий в работе.

Рентгенография материалов - область исследований, занимающаяся решением разнообразных задач материаловедения на основе рентгенографической дифракции. Рентгенография материалов исследует как равновесные, так и неравновесные состояния материалов, изучает их кристаллическую структуру, фазовый состав и его изменения, строит фазовые диаграммы, анализирует состояние деформированных (или после каких-либо других воздействий) материалов, процессы упорядочения и явления ближнего порядка. Рентгенография материалов осуществляется с помощью получаемых в рентгеновских камерах рентгенограмм моно- или поликристаллических образцов или регистрацией распределения рассеянного рентгеновского излучения <#"794783.files/image001.jpg">

в) г)

Рисунок 1 - Прокаливаемость сталей для: а) 50; б) 45Х; в) 20ХН3А; г) 30ХГТ

5. Анализ возможных дефектов при термообработке и способы их предотвращения или устранения

В легированной конструкционной стали могут наблюдаться все те металлургические дефекты, которые свойственны и нелегированной стали, но встречаются также и присущие только ей пороки. Вообще же легированная конструкционная сталь более склонна к порокам любого вида, чем нелегированная. Так, в результате легирования возрастает склонность к образованию крупной первичной структуры, возрастают трудности удаления из металла газов и неметаллических включений вследствие увеличения вязкости жидкого сплава, увеличивается склонность к образованию трещин в связи с понижением теплопроводности и т.п. Поэтому получить доброкачественную легированную конструкционную сталь обычно труднее, чем нелегированную. Среди пороков, встречающихся главным образом в легированной конструкционной стали, остановимся на двух - шиферном изломе и флокенах.

Шиферным называется вид излома кованой или катаной стали, характеризующийся резко выраженным слоистым строением. По внешнему виду этот излом напоминает излом сухого слоистого дерева и является одним из наиболее часто наблюдаемых пороков конструкционной стали. Шиферный излом по мере его развития сопровождается резким ухудшением сжатия и ударной вязкости стали (на поперечных образцах). Сталь, имеющую ясно выраженный шиферный излом, обычно считают некондиционной. Полагают, что причиной шиферного излома является пористость, возникающая в стали в результате выделения во время затвердевания растворенных в жидкой стали газов. При последующей ковке или прокатке возникшие поры удлиняются и при разрушении стали они обнаруживаются в виде мелких расслоений, создающих мелкослоистый вид излома. Другой причиной появления шиферности стали обычно считают повышенное загрязнение стали неметаллическими включениями. Присутствие в стали вытянутых при горячей обработке давлением шлаковых включений усиливает слоистость и, следовательно, склонность стали к шиферному излому[4].