Технология изготовления

Существует два принципиально различных метода нарезания:

• метод копирования;

• метод обкатки.

В первом случае впадина зубчатого колеса фрезеруется на универсальном фрезерном станке фасонными дисковыми или пальцевыми фрезами, профиль которых соответствует профилю впадины (рис. 76).  Затем заготовку поворачивают на угол 360º/Z и нарезают следующую впадину. При этом используется делительная головка, а также имеются наборы фрез для нарезания колёс с различным модулем и различным числом зубьев. Метод непроизводителен и применяется в мелкосерийном и единичном производстве.

Второй метод обката или огибания может производиться с помощью инструментальной рейки (гребёнки) на зубострогальном станке; долбяком на зубодолбёжном станке или червячной фрезой на зубофрезерном станке. Этот метод высокопроизводителен и применяется в массовом и крупносерийном производстве. Одним и тем же инструментом можно нарезать колёса с различным числом зубьев. Нарезание с помощью инструментальной рейки имитирует реечное зацепление (рис. 3, а), где профиль зуба образуется как огибающая последовательных положений профиля инструмента, угол исходного контура которого α=20º (рис. 3, б). Зацепление между режущим инструментом и нарезаемым колесом называется станочным. В станочном зацеплении начальная окружность всегда совпадает с делительной.

Самым производительным из рассмотренных методов является зубофрезерование с помощью червячных фрез, которые находятся в зацеплении с заготовкой по аналогии с червячной передачей (рис. 77, в).

При нарезании долбяком осуществляется его возвратно поступательное движение при одновременном вращении. Фактически при этом осуществляется зацепление заготовки с инструментальным зубчатым колесом – долбяком (рис. 3, г). Этот метод чаще всего используется при нарезании внутренних зубчатых венцов.

Рис. 3. Методы нарезания шестерён

Все рассмотренные методы используются для нарезания цилиндрических колёс, как с прямыми, так и с косыми зубьями.

Несмотря на то, что метод обкатки с помощью червячной фрезы отличается наибольшей производительностью, целесообразно выбрать метод обкатки с помощью гребёнки (рис.4), так как он является наиболее простым и дешёвым.

Рис. 4. Нарезание шестерни

Для такого способа изготовления удобно приобрести заготовки в виде горячекатанного круглого прута диаметром 180 мм, например ГОСТ 2590-2006. Отрезав от прута цилиндр, толщиной 14мм (на 2 мм больше окончательной толщины для обработки торцевых поверхностей), можно приступить к обточке цилиндрической поверхности до 176 мм и нарезанию зубьев. После нарезания следует провести закалку.

Закалка токами высокой частоты

Метод разработан советским ученым Вологдиным В.П.

Основан на том, что если в переменное магнитное поле, создаваемое проводником-индуктором, поместить металлическую деталь, то в ней будут индуцироваться вихревые токи, вызывающие нагрев металла. Чем больше частота тока, тем тоньше получается закаленный слой.

Обычно используются машинные генераторы с частотой 50…15000 Гц и ламповые генераторы с частотой больше 106 Гц. Глубина закаленного слоя – до 2 мм.

Индукторы изготавливаются из медных трубок, внутри которых циркулирует вода, благодаря чему они не нагреваются. Форма индуктора соответствует внешней форме изделия, при этом необходимо постоянство зазора между индуктором и поверхностью изделия.

Схема технологического процесса закалки ТВЧ представлена на рис. 5.

Рис. 5. Схема процесса закалки ТВЧ

После нагрева в течение 3…5 с индуктора 2 деталь 1 быстро перемещается в специальное охлаждающее устройство – спрейер 3, через отверстия которого на нагретую поверхность разбрызгивается закалочная жидкость.

Высокая скорость нагрева смещает фазовые превращения в область более высоких температур. Температура закалки при нагреве токами высокой частоты должна быть выше, чем при обычном нагреве.

При правильных режимах нагрева после охлаждения получается структура мелко игольчатого мартенсита. Твердость повышается на 2…4 HRC по сравнению с обычной закалкой, возрастает износостойкость и предел выносливости.

Перед закалкой ТВЧ изделие подвергают нормализации, а после закалки низкому отпуску при температуре 150…200^oС (самоотпуск).

Наиболее целесообразно использовать этот метод для изделий из сталей с содержанием углерода более 0,4 %.

Преимущества метода:

• большая экономичность, нет необходимости нагревать все изделие;

• более высокие механические свойства;

• отсутствие обезуглероживания и окисления поверхности детали;

• снижение брака по короблению и образованию закалочных трещин;

• возможность автоматизации процесса;

• использование закалки ТВЧ позволяет заменить легированные стали на более дешевые углеродистые;

• позволяет проводить закалку отдельных участков детали.

Основной недостаток метода – высокая стоимость индукционных установок и индукторов.

Целесообразно использовать в серийном и массовом производстве.

Для устранения внутренних напряжений, полученных в результате проката, и облегчения обрабатываемости резанием следует подвергнуть заготовку нормализации перед вытачиванием шестерни. Для получения необходимых прочностных характеристик после вытачивания следует провести закалку с последующим высоким отпуском, т.к. зубчатые колёса в процессе эксплуатации будут подвергаться ударным нагрузкам. Подробные сведения о выбранных типах предварительной и окончательной термообработке представлены в приложении 5.

Окончательная обработка

Для повышения точности зубьев, снижения шума при работе и повышения долговечности шестерни в качестве окончательной обработки зубьев следует применить обкатку, затем хонингование.

Стоимость материала

Тонна материала для заготовки будет стоить 28900 рублей.

Свойства готовой детали

Механические и физические свойства приведены в приложении 3.

На рисунке 6 изображено, как изменяется структура материала детали на поверхности и в сердцевине после закалки.

Рис. 6. Структура детали после закалки и отпуска

Изменение твердости от сердцевины к поверхности изображено на рис. 7.

Рис. 7. Схема изменения твёрдости

П риложение 1 – Чертёж

Приложение 2 – Свойства стали 45

Общие сведения

Заменитель

стали: 40Х, 50, 50Г2

Вид поставки

Сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 1050-74, ГОСТ 2590-71, ГОСТ 2591-71, ГОСТ 2879-69, ГОСТ 8509-86, ГОСТ 8510-86, ГОСТ 8239-72, ГОСТ 8240-72, ГОСТ 10702-78. Калиброванный пруток ГОСТ 1050-74, ГОСТ 7414-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 10702-78. Лист толстый ГОСТ 1577-81, ГОСТ 19903-74. Лист тонкий ГОСТ 16523-70. Лента ГОСТ 2284-79. Полоса ГОСТ 1577-81, ГОСТ 103-76, ГОСТ 82-70. Проволока ГОСТ 17305-71, ГОСТ 5663-79. Поковки и кованые заготовки ГОСТ 8479-70, ГОСТ 1131-71. Трубы ГОСТ 8732-78, ГОСТ 8733-87, ГОСТ 8734-75, ГОСТ 8731-87, ГОСТ 21729-78.

Назначение

Вал-шестерни, коленчатые и распределительные валы, шестерни, шпиндели, бандажи, цилиндры, кулачки и другие нормализованные, улучшаемые и подвергаемые поверхностнй термообработке детали, от которых требуется повышенная прочность.

Химический состав

Химический элемент	%
Кремний (Si)	0.17-0.37
Медь (Cu), не более	0.25
Мышьяк (As), не более	0.08
Марганец (Mn)	0.50-0.80
Никель (Ni), не более	0.25
Фосфор (P), не более	0.035
Хром (Cr), не более	0.25
Сера (S), не более	0.04

Механические свойства при повышенных температурах

t испытания, °C	0,2, МПа	B, МПа	5, %	, %	, %	KCU, Дж/м^2
Нормализация
200	340	690		10	36	64
300	255	710		22	44	66
400	225	560		21	65	55
500	175	370		23	67	39
600	78	215		33	90	59
Образец диаметром 6 мм и длиной 30 мм, кованый и нормализованный. Скорость деформирования 16 мм/мин. Скорость деформации 0,009 1/с.
700	140	170	43		96
800	64	110	58		98
900	54	76	62		100
1000	34	50	72		100
1100	22	34	81		100
1200	15	27	90		100

Механические свойства проката

Термообработка, состояние поставки	Сечение, мм	B, МПа	5, %	4, %	, %
Сталь горячекатаная, кованая, калиброванная и серебрянка 2-й категории после нормализации	25	600	16		40
Сталь калиброванная 5-й категории после нагартовки		640	6		30
Сталь калиброванная и калиброванная со специальной отделкой после отпуска или отжига		<590			40
Листы нормализованные и горячекатаные	80	590	18
Полосы нормализованные или горячекатаные	6-25	600	16		40
Лист горячекатаный	<2	550-690		14
Лист горячекатаный	2-3,9	550-690		15
Лист холоднокатаный	<2	550-690		15
Лист холоднокатаный	2-3,9	550-690		16

Механические свойства поковок

Сечение, мм	0,2, МПа	B, МПа	5, %	, %	HB
Нормализация
100-300	245	470	19	42	143-179
300-500	245	470	17	35	143-179
500-800	245	470	15	30	143-179
<100	275	530	20	44	156-197
100-300	275	530	17	34	156-197
Закалка. Отпуск
300-500	275	530	15	29	156-197
Нормализация. Закалка. Отпуск.
<100	315	570	17	39	167-207
100-300	315	570	14	34	167-207
300-500	315	570	12	29	167-207
<100	345	590	18	59	174-217
100-300	345	590	17	54	174-217
<100	395	620	17	59	187-229

Механические свойства в зависимости от температуры отпуска

t отпуска, °С	0,2, МПа	B, МПа	5, %	, %	KCU, Дж/м^2	HB
Закалка 850 °С, вода. Образцы диаметром 15 мм
450	830	980	10	40	59
500	730	830	12	45	78
550	640	780	16	50	98
600	590	730	25	55	118
Закалка 840 °С, вода. Диаметр заготовки 60 мм
400	520-590	730-840	12-14	46-50	50-70	202-234
500	470-520	680-770	14-16	52-58	60-90	185-210
600	410-440	610-680	18-20	61-64	90-120	168-190

Механические свойства в зависимости от сечения

Сечение, мм	0,2, МПа	B, МПа	5, %	, %	KCU, Дж/м^2
Закалка 850 °С, отпуск 550 °С. Образцы вырезались из центра заготовок.
15	640	780	16	50	98
30	540	730	15	45	78
75	440	690	14	40	59
100	440	690	13	40	49

Технологические свойства

Температура ковки

Начала 1250, конца 700. Сечения до 400 мм охлаждаются на воздухе.

Свариваемость

Трудносвариваемая. Способы сварки: РДС и КТС. Необходим подогрев и последующая термообработка.

Обрабатываемость резанием

В горячекатаном состоянии при НВ 170-179 и _B = 640 МПа K_{ тв.спл.} = 1, K_{ б.ст.} = 1.

Склонность к отпускной способности

Не склонна.

Флокеночувствительность

Малочувствительна.

Температура критических точек

Критическая точка	°С
Ac1	730
Ac3	755
Ar3	690
Ar1	780
Mn	350

Ударная вязкость, KCU, Дж/см2

Состояние поставки, термообработка	+20	-20	-40	-60
Пруток диаметром 25 мм. Горячекатаное состояние.	14-15	10-14	5-14	3-8
Пруток диаметром 25 мм. Отжиг	42-47	27-34	27-31	13
Пруток диаметром 25 мм. Нормализация	49-52	37-42	33-37	29
Пруток диаметром 25 мм. Закалка. Отпуск	110-123	72-88	36-95	31-63
Пруток диаметром 120 мм. Горячекатаное состояние	42-47	24-26	15-33	12
Пруток диаметром 120 мм. Отжиг	47-52	32	17-33	9
Пруток диаметром 120 мм. Нормализация	76-80	45-55	49-56	47
Пруток диаметром 120 мм. Закалка. Отпуск	112-164	81	80	70

Предел выносливости

-1, МПа	-1, МПа	B, МПа	0,2, МПа
245	157	590	310
421		880	680
231		520	270
331		660	480

Твердость для полос прокаливаемости HRCэ (HRB).

Расстояние от торца, мм / HRC э
1.5	3	4.5	6	7.5	9	12	16.5	24	30
50.5-59	41.5-57	29-54	25-42.5	23-36.5	22-33	20-31	(92)-29	(88)-26	(86)-24

Термообработка	Кол-во мартенсита, %	Крит.диам. в воде, мм	Крит.диам. в масле, мм
Закалка	50	15-35	6-12

Физические свойства

Температура испытания, °С	20	100	200	300	400	500	600	700	800	900
Модуль нормальной упругости, Е, ГПа	200	201	193	190	172
Модуль упругости при сдвиге кручением G, ГПа	78			69		59
Плотность, pn, кг/см3	7826	7799	7769	7735	7698	7662	7625	7587	7595
Коэффициент теплопроводности Вт/(м ·°С)		48	47	44	41	39	36	31	27	26
Температура испытания, °С	20- 100	20- 200	20- 300	20- 400	20- 500	20- 600	20- 700	20- 800	20- 900	20- 1000
Коэффициент линейного расширения (a, 10-6 1/°С)	11.9	12.7	13.4	14.1	14.6	14.9	15.2
Удельная теплоемкость (С, Дж/(кг · °С))	473	498	515	536	583	578	611	720	708