Б.И. Коган Технологические методы снижения деформаций про изготовлении зубчатых колес

10

уровня деформаций является разработка систем автоматического регулирования основных параметров процесса (температуры, газовой среды, времени) на базе современной микропроцессорной техники.

Непосредственная закалка после цементации способствует уменьшению коробления. Этому же способствует изотермическая выдержка при температуре 650-850 0С (сталь 20Х2Н4А) при закалке от температур цементации, обработка холодом, низкотемпературный отпуск, т.е. при химико-термической обработке действуют те же основные закономерности, что и при обычной термической обработке

(табл.1).

Низкотемпературные процессы термической обработки, такие как азотирование, цианирование, сульфоцианирование, положительно влияют на уменьшение деформации.

Внастоящее время низкотемпературная нитроцементация или

карбонитрирование (560-570 0С) вытесняют классическое азотирование. По данным НИИТавтопрома, более 300 автомобильных фирм применяют этот процесс. Однако весьма перспективными остаются мето-

ды ионного азотирования или ионного карбоазотирования. Применение индукционного нагрева представляет собой интерес с

точки зрения уменьшения закалочной деформации многих распространенных видов деталей. Использование индукционной поверхностной закалки с целью уменьшения коробления и деформации прежде всего связано с уменьшением объема нагреваемого металла, а следовательно, снижением доли объемных термических напряжений. Данный способ нагрева позволяет осуществлять индивидуальную по детали или по однотипным элементам детали обработку и этим существенно стабилизировать процесс. Например, в ОАО «Горьковский автозавод» закалку цементованных зубчатых колес после глубинного нагрева токами высокой частоты осуществляют в потоке масла. Закалка способом «зуб на зуб» вызывает наименьшее коробление и по абсолютной величине и по рассеиванию результатов.

Подача охлаждающей жидкости под давлением в зазор между индуктором и деталью дает возможность стабилизировать условия охлаждения, а значит, и разброс по деформации шестерен.

ВОАО «Электростальский завод тяжелого машиностроения» пе-

ред цементацией проводят специальную предварительную термическую обработку зубчатых колес из стали 12ХН3А и 20Х2Н4А. Иссле-

дования показали, что нельзя получить надежную зависимость дефор-

11

мации готовых изделий, в частности, от предварительной термической обработки, если деталь подвергают неконтролируемой механической обработке, значительной по объему и разнообразной по типу резания. Поводки, возникающие при снятии поверхностных слоев механической обработкой, например, у мягких материалов, могут вызываться даже малыми остаточными напряжениями.

Соотношение между процессами наклепа и возврата свойств определяется устойчивостью исходной структуры, созданной предварительной термической обработкой, а также способностью структуры претерпевать фазовое превращение непосредственно в процессе механической обработки при заданных режимах резания и инструменте.

Структурные изменения в поверхностных слоях детали, вызванные механической обработкой, зачастую оказываются столь серьезными, что последующие операции механической обработки не обеспечивают нужного качества поверхности при данной геометрии детали. Это обстоятельство является важным с точки зрения влияния предварительной механической обработки и холодной пластической деформации на изменения размеров детали при последующей фазовой перекристалли-

зации. Таким образом, снятие наклепа, вызванного предварительной механической обработкой, и получение равновесных и однородных структур по сечению можно считать достаточно известным способом снижения деформации после термической и химико-термической обработок.

Выявленная «технологическая наследственность» между операциями предварительной термической обработки, механической обработки и окончательной термической обработки характеризуется напряжениями, формирующимися на поверхности детали в процессе ее изготовления. Знак и величина напряжений зависят от устойчивости исходной структуры к упрочнению при деформации и тепловым процессам, возникающим при последующей механической (холодной или горячей) обработке. Работы, выполненные в ОАО «ЗИЛ», подтвердили преемственность между исходной структурой и предварительной термической обработкой, с одной стороны, и предварительной и окончательной термической обработками – с другой. В связи с этим имеет смысл выделение трех основных направлений использования предварительной термической обработки. Эту обработку проводят, во-первых, с целью подготовки основной структуры матрицы, во-вторых, для получения определенной субструктуры и наследуемой при последующих нагреве и за-

12

калке, в-третьих, для воздействия на вторую фазу, главным образом на трудно растворимые частицы, не претерпевающие существенных изменений при повторных более низких нагревах.

Снижение и стабилизация прокаливаемости являются основными причинами уменьшения деформации при термической обработке вакуумированной стали по сравнению с мартеновской. Коробление при термической обработке зависит от последующих металлургических процессов, в частности степени обжатия заготовки при ковке, штамповке или прокатке. Прежде всего это связано с тем, что при увеличении степени уковки литой структуры снижается и стабилизируется полоса прокаливаемости. Указанное обстоятельство следует учитывать при выборе материала для изготовления особо точных деталей. Выбор чистых сталей может оказаться значительно более экономным способом борьбы с короблением, нежели снятие припуска в процессе изготовления детали. Поэтому представляет интерес использование сталей, полученных прямым восстановлением из окатышей в ОАО «Оскольский электрометаллургический комбинат».

Показателем, наиболее полно характеризующим степень однородности стали, совершенство технологического процесса ее выплавки, условия раскисления и кристаллизации, а также последующей пластической деформации, является анизотропия.

При штамповке и ковке полуфабрикатов не менее важную роль играет степень равномерности нагрева. Перегрев заготовок при штамповке отрицательно влияет на прочностные характеристики и величину деформации, особенно шестерен. Следует отметить, что на практике

сбрасывание поковок после обрезки облоя в тару навалом способствует неравномерному их охлаждению, которое неизбежно приводит к увеличению разброса по структуре, разнозернистости и, как следст-

вие, к повышенному короблению. Защитная атмосфера как основа стабилизации химического состава поверхности детали, равномерный нагрев и равномерное охлаждение каждой поковки или штампованной заготовки – непременные условия снижения коробления и деформации в готовом изделии.

Стабильные результаты влияния исходного структурного состояния получают при устранении промежуточной механической обработки (табл. 2) или снятии остаточных напряжений после нее, но перед окончательной термической обработкой.

13

Таблица 2 Влияние предварительной термической обработки (ПТО)

на относительное изменение базовых параметров деталей после окончательной химико-термической обработки

				Среднее значение относитель-
				ного отклонения от номиналь-
	Сталь	Наименование	Измеряемый па-	ного размера (%) после ПТО
				Нормализация	Нормализация +отпуск	Изотермический отжиг	Улучшение
		детали	раметр
		Шестерня	Межцентровое
	20Х2Н4А	заднего моста	расстояние	14,2	7,05	9,2	--
		ЗИЛ-130

Следует отметить, что для сталей 25ХГМ, 25ХГТ, 22ХНМ оптимальной с точки зрения минимального влияния на деформации и коробление является структура, созданная при изотермическом отжиге. Для высоколегированных сталей 20Х2Н4А, 18Х2Н4ВА предпочти-

тельнее нормализация с дополнительным высоким отпуском, которая не только стабилизирует изменение размеров (разброс), но и улучшает обрабатываемость заготовок резанием. Такую термическую обработку целесообразно проводить в случае ускоренного охлаждения до температуры изотермы при предварительной термической обработке, когда в структуре появляется бейнит, затрудняющий промежуточную механическую обработку при сечении заготовок более 100 мм. Влияние исходной структуры на изменение размеров деталей сохраняется даже при очень длительной цементации (порядка 20 ч), например, хромоникелевой стали 20Х2Н4А.

Данные по влиянию исходного структурного состояния на колебание прокаливаемости при коротких и длительных выдержках при окончательной термической обработке однозначно свидетельствуют о широких возможностях использования предварительной термической обработки для уменьшения и стабилизации деформации за счет подго-

товки микроструктуры матрицы.

Причиной повышенного коробления готовых деталей вследствие наклепа при механической обработке является не собственно пласти-

14

ческая деформация, а ее неоднородное распределение в объеме. Прове-

дение кратковременного отпуска должно не уменьшать, а только пе-

рераспределять деформацию в сложном сечении реальной детали. Оценка деформации сложных модельных образцов с прорезями,

эксцентричными по отношению к оси, которые подвергались разнообразной механической обработке, показывает, что поле рассеяния размеров уменьшается в 2,5-3 раза у тех образцов, которые подвергаются промежуточной термической обработке – отпуску при температуре 690 °С в течение 3 ч.

С другой стороны, значительное влияние на уменьшение равномерного коробления оказывает однородная деформация со степенью 70-80 %, что связано со снижением необратимого изменения размеров в процессе последующей термической обработки. Как показано ниже, оба направления нашли промышленное применение.

4. Промышленное применение предварительной обработки, направленной на уменьшение коробления и деформации, в комплексных технологических схемах обработки стальных деталей

Исследование влияния предварительной обработки (термической или совместно с пластической деформацией) на уменьшение и стабилизацию деформации, проведенное на модельных образцах и реальных деталях, позволило определить ее основные принципы и направления и реализовать в технологических процессах на Московском автозаводе имени И.А. Лихачева (ОАО «ЗИЛ»), принять к освоению на ОАО «ВАЗ», рекомендовать к внедрению для некоторых деталей автомобилей КамАЗ.

Среди дополнительных требований к техническим условиям на поставку деталей следует в первую очередь назвать те, которые обеспечивают стабилизацию прокаливаемости в широком диапазоне возможных колебаний технологических параметров (главным образом температуры) при окончательной термической обработке. Этого можно достичь или введением в сталь труднорастворимых частиц второй фазы, сдерживающих и стабилизирующих рост зерна при повторном нагреве, или изменением способа выплавки стали с целью повышения чистоты исходного металла по примесям и неметаллическим включениям.

15

В первом случае это осуществляется в результате применения, например, специально разработанных сталей 25ХГНМАЮ и 25ХГНМТ, содержащих нитриды алюминия и карбиды титана, и комплексно легированной микродобавками стали 25ГН2МФБ с карбонитридами ниобия и ванадия.

Промышленное опробование новых сталей показало их преимущество перед серийными хромоникелевыми сталями 12Х2Н4А, 22ХНМ, 20ХН3А, сталями 25ХГМ, 25ХГТ на образцах сечением более 45 мм и шестернях модулем больше 4. Некоторые примеры использования стали со стабилизированной прокаливаемостью с целью снижения деформации деталей представлены в табл. 3. Применение стали 25ХГН2МБФ вместо стали 20ХН3А для изготовления детали «валшестерня» позволило не только уменьшить деформацию, но и отменить весьма трудоемкую операцию ручной правки и последующий отпуск для снятия напряжения. В ряде случаев удается исключить и операции доводочного шлифования.

После нитроцементации деформация шестерен и валов, изготовленных из сталей 25ХГНМАЮ и 25ХГМ с максимальными для этих сталей значениями прокаливаемости, показала уменьшение среднего значения (снижение уровня прокаливаемости) и разброса (стабилизация размера зерна и прокаливаемости) межцентрового расстояния шестерен на 50 %, биения валов в 2,5 раза. Рассеяние величин деформации при этом уменьшилось в 2 раза.

На основании выполненных исследований была разработана новая технология предварительной термической обработки цементуемых конструкционных сталей с целью снижения деформации зубчатых колес и деталей типа вал-шестерня с модулем от 2 до 8.

Предложенная технология включает следующие операции: нагрев под штамповку до температуры 1200-13000С (на 30-400С выше общепринятой температуры нагрева под ковку или штамповку), которая обеспечивает перевод труднорастворимых карбидов и нитридов в твердый раствор; ускоренное охлаждение (душирование водой) до 7508000С для легированных сталей; кратковременная выдержка при этой температуре; замедленное охлаждение до 4000С и затем охлаждение на воздухе. Производственный контроль деталей, изготовленных по данной технологии, показал снижение деформации по всем контролируемым параметрам практически в 2 раза. Причем следует отметить, что эффект воздействия предварительной термической обработки на де-

16

формацию деталей зависит от химического состава стали, но является существенным и для деталей, изготовленных из стандартных деталей, у которых суммарное содержание легированных элементов не превышает

10 %.

Таблица 3 Сопоставление деформации деталей, изготовленных из серийных и опытных сталей со стабилизированной прокаливаемостью1

	Сталь				Разброс измеряемого па-
Наименова-				Измеряемый	раметра2 , мм
	по серийной	по экспери-			по серийной	по экспери-
ние детали	технологии	ментальной		параметр	технологии	ментальной
		технологии				технологии
Сателлит				Биение
дифферен-				делительной	0,03-0,06	0,02-0,04
циала грузо-	12Х2Н4А	25ХГНМАЮ		окружности
вых автомо-
				Диаметр
билей
				внутреннего	20,3	20,2
				отверстия
Шестерня				Биение
редуктора
заднего				диаметра
моста:				внутреннего	0,15-0,25	0,04-0,11
ведомая	20Х2Н4А	25ХГНМ(Т)		отверстия
ведущая	20Х2М4А	25ХГИМ(Т)			0,15-0,25	0,02-0,05
Вал-				Биение
шестерня	20ХН3А	25ХГН2МБФ		Шейки	0,28-1,00	0,04-0,10
трактора
				Межцентровое	0,18-0,34	0,06-0,11
ДТ-54
				расстояние
Шестерня	25ХГМ	25ХГНМАЮ		То же	0,01-0,12	0,01-0,009
коробки
перемены
передач
грузовых
автомобилей
Вал коробки				Биение
перемены	25ХГМ	25ХГНМАЮ		делительной 0,01-0,135 0,005-0,06
передач				окружности
грузовых
автомобилей

1Химико-термическая обработка деталей проводилась по стандартной технологии.

2Даны максимальные значения разброса параметров в пяти партиях деталей (от 25 до 150 шт. в каждой партии).

17

Исследование влияния ускоренного охлаждения поковок на де-

формацию шестерен, изготовленных из серийной стали 20Х2Н4А, показало, что эффект предварительной термической обработки устойчив и сохраняется даже после двойной фазовой перекристаллизации (цементация + повторная закалка). Ускоренное охлаждение поковок с температуры 1150 до 850 °С осуществляли методом душирования водой. Затем поковки подвергали нормализации при 920-9800С. Анализ деформации шестерен, изготовленных с применением ускоренного охлаждения, показал снижение на 55 % разброса деформации этих шестерен по сравнению с деформацией серийных шестерен, охлаждение которых проводили в таре по 350-400 шт. их единовременно.

Предлагаемая технология позволяет повысить эксплуатационные свойства деталей за счет измельчения действительного зерна, уменьшить припуски на механическую обработку, улучшить условия резания, снизить выделение теплоты и затраты электроэнергии в кузнечных цехах и др.

Исследования влияния факторов «технологической наследственности», связанной с предварительной холодной пластической деформацией, на формирование субструктуры в сталях и условия ее сохранения при последующей фазовой перекристаллизации использовали при разработке способа предварительной термической обработки деталей, обеспечивающего повышение их геометрической точности после окончательной термической обработки. В основу данного способа был положен эффект влияния холодной пластической деформации на необратимое изменение линейных размеров при повторных нагревах. Он включает в себя объемную пластическую деформацию при нормальной температуре со степенью 75-100 % и последующий нагрев со скоростью 200-2000 °С до температуры, не превышающей температуру начала полиморфного превращения при произвольных скоростях нагрева в аустенитной области.

При неоднородной микро- и субмикроструктуре разброс по короблению сильно возрастает вследствие механического наклепа отдельных частей детали в процессе ее изготовления или из-за унаследованной неоднородной структуры штамповых заготовок и поковок.

На практике проверены и рекомендуются для применения оба способа уменьшения деформации деталей. Первый способ рекомендуется, когда по условиям изготовления детали нельзя обеспечить однородную деформацию с большими степенями и последующим регламен-

18

тированным нагревом в интервале температур до А1 и, как следствие, нельзя получить однородную субструктуру, необходимо проводить промежуточные операции термической обработки для снятия наклепа и уменьшения разброса по короблению. Второй способ рекомендуется для деталей, изготовление которых возможно достаточно однородным деформированием всего сечения. В этом случае промежуточные термические операции сказываются отрицательно, так как увеличивают абсолютную величину необратимых превращений, а следовательно, абсолютную величину отклонений размеров готовых деталей.

Втабл. 4 представлены примеры использования промежуточного дополнительного отпуска после всех операций точения перед окончательной термической обработкой и фактические результаты по основным контролируемым параметрам в сравнении с параметрами серийной технологии.

ВОАО «ГАЗ» и «ЗИЛ» внедрен метод поверхностной закалки зубчатых колес при глубинном индукционном нагреве сталей пониженной и регламентированной прокаливаемости (сталь 55ПП взамен стали 20Х2Н4А).

Примечание. Регламентированное пятно контакта в зубчатом зацеплении в редукторах может быть достигнуто освоением технологии электроэрозионной приработки зубьев.

Таблица 4 Влияние предварительной термической обработки заготовок на дефор-

мацию готовых деталей автомобилей1

Технология	Наименование дета-	Сталь	Измеряемый параметр
			биение	биение
	ли		коренных шеек	делительной
			валов, мм	окружности
				зуба, мм
Серийная	Коленчатый вал:
	ЗИЛ-114	45	0,8-1,0	0,3-0,5
	КамАЗ	45	0,7-2,5	0,5-1,0
Разработанная2	Шестерня коробки
	гидропередач ЗИЛ-	20Х3МВБ	0,06-0,18	0,03-0,06
	114

1Максимальный разброс параметра в партиях из 100 деталей.

2В состав технологических операций разработанного процесса входит предварительный промежуточный отпуск при 5600С, выдержка 3 ч после всех операций силового резания.

19

Контрольные вопросы

1.Причины возникновения остаточных напряжений, вызывающих коробление деталей.

2.Что такое структурное напряжение ?

3.Средства снижения остаточных напряжений.

4.Технологические мероприятия по снижению коробления деталей при термической обработке.

5.Сущность предварительной обработки сталей для снижения деформаций.

Литература

1.Кальнер В.Д. Современные методы уменьшения деформации и коробления деталей и инструментов / В.Д. Кальнер, В.А. Булгаков.

– М.: Машиностроение, 1989. - 48 с.

2.Пономарёв В.П. Прогнозирование точности изготовления зубчатых колёс на основе конструкторно-технологической классификации // Вестник машиностроения. – 1979. – № 3. – С. 2831.