Разработка технологического маршрута изготовления зубчатого колеса

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский Национальный Технический Университет

Кафедра “Материаловедение в машиностроении”

Курсовая работа

на тему: “Разработка технологического маршрута изготовления зубчатого колеса”

Руководитель

Щербаков Э.П.

Исполнитель

ст.гр.104515

Король Н.Г.

Минск 2009



1. Условия работы зубчатых колес

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

В процессе эксплуатации зубья зубчатых колес подвергаются

а) изгибу при максимальном однократном нагружении ( при резком торможении, заклинивании, при приложении максимального крутящего момента), зубчатый колесо сталь термический

б) изгибу при многократных циклических нагрузках, вследствие чего в корне зуба развиваются наибольшие напряжения, и может происходить усталостное разрушение,

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

г) 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 образование грубых задиров, приводящих к катастрофически быстрому ( в течение нескольких часов) изнашиванию зубчатых колес. [2]

Зубчатые колёса являются основными деталями большинства машин и механизмов. Они служат для передачи вращательных движений между отдельными элементами механизмов.

Вращение передаётся через зубчатое зацепление. Отказ или разрушение зубчатого колеса влечёт за собой прекращение передачи крутящего момента и отказ двигательных агрегатов. Наиболее загруженной частью зубчатого колеса является зуб.

В процессе работы зубья испытывают ударные нагрузки, в результате чего в них возникают контактные напряжения. Поверхность зуба работает на износ, в процессе работы зубья нагреваются; для охлаждения на них непрерывно подаётся масло. По конструкции данное зубчатое колесо представляет собой полый цилиндр. Снаружи расположены эвольвентные зубья, через которые передаётся вращательное движение от ведущего зубчатого колеса. По внутреннему диаметру данного зубчатого колеса выполнены шлицы для передачи крутящего момента на рессоры коробки агрегатов и далее ротору двигателя при его запуске, что обеспечивает подачу топлива в камеру сгорания.

В процессе работы зубчатое колесо испытывает статические, динамические, знакопеременные и вибрационные нагрузки величиной до 930 Н. Деталь работает в масляной среде с рабочей температурой до 300С.

2. Постановка задачи

В данной курсовой работе необходимо было выбрать марку стали, разработать маршрутную технологию и термическую обработку для изготовления зубчатого колеса.

В курсовой работе требовалось выбрать:

1. марку стали,

2. маршрутную технологию,

3. технологию термической и химико-термической обработки и необходимое для этого оборудование,

4. рассчитать время нагрева,

5. выбрать контролируемую атмосферу.

3. Выбор марки стали

Рассмотрим несколько марок сталей которые можно применять для изготовления зубчатых колес.

1. Сталь 20ХГНР

Сталь 20ХГНР обладает необходимыми механическими свойствами (см. табл.1).Но один ее главный недостаток - склонность к росту зерна аустенита при термической обработке.

2. Сталь 20ХН3А

Обладает хорошими механическими свойствами и ее используют для изготовления тяжело нагруженных зубчатых колес. После термической обработки (закалка 820 °С, масло + отпуск при 500 °С, масло или вода) имеет следующие механические свойства: у_0,2 ?750 МПа; у_в ?950 МПа; д₅ ?12 %; ш ? 55%; a_н ? 1,1 МДж/м²(диаметр круга или сторона квадрата 15 мм)

Но один недостаток - высокая стоимость т.к. сталь содержит большое количество никеля (по сравнению со сталью 20ХГНР и 20ХГНТР) - 2,75 - 3,15%.

3. Сталь 20ХГНТР.

Имеет следующий химический состав указанный в таблице 1.

Таблица 1 - Химический состав стали 20ХГНТР

C	Si	Mn	Cr	Ni	Ti	P	S	Cu
						не более
0,18-0,24	0,17-0,37	0,80-1,10	0,40-0,70	0,40-0,70	0,03-0,09	0,035	0,035	0,30

Эту сталь использовать экономически выгодно.

Сталь 20ХГНТР имеет следующие механические свойства указанные в таблице 2.

Таблица 2 - Механические свойства стали 20ХГНТР

Сталь	Термическая обработка	у0,2, ГПа	ув, ГПа	д5, %	ш, %	aн , МДж/м2
		не менее
20ХГНТР	Закалка с 850 °С, масло + отпуск при 200 °С, масло	1,0	1,2	9	50	0,8

Титан входящий в состав стали будет способствовать измельчению зерна аустенита при термической обработке.

Исходя из этих данных наиболее выгодно использовать сталь 20ХГНТР для изготовления зубчатого колеса с заданными параметрами

4. Технология изготовления зубчатого колеса

Деталь от заготовки до полного изготовления проходит следующий технологический маршрут:

1. Заготовительный цех: отрезка мерной заготовки из металла длиной 80 мм , диметром 30мм;

2. Кузнечно - штамповочный цех: горячая штамповка;

3. Термический цех: предварительная термическая обработка( изотермический отжиг);

4. Механический цех: черновая механическая обработка для придания нужных размеров с небольшими припусками (меньше 1мм).

5. Цементация ;

6. Окончательная термическая обработка: закалка и отпуск.

7. Механический цех: чистовая механическая обработка(шлифование рабочих поверхностей);

8. Сборочный цех: сборка деталей в узел.

5. Предварительная термическая обработка. Выбор оборудования и температур

Изотермический отжиг - после нагрева и выдержки сталь быстро охлаждают до температуры несколько ниже точки А 1 , затем выдерживают при этой температуре до полного распадения аустенита на перлит, после чего охлаждают на воздухе. Применение изотермического отжига значительно сокращает время также повышает производительность. Например, обыкновенный отжиг легированной стали длится 13-15 ч, а изотермический - всего 4-7 ч.

В качестве предварительной термической обработки произведем изотермический отжиг. Он поможет снять напряжения которые присутствуют после ГОД, а так же твердость будет наименьшей необходимой для черновой механической обработки.

Изотермический отжиг будем производить в двух печах. В одной проведем нагрев до температуры порядка 870 °С. Далее перенесем заготовку в другую подогретую до 500 °С печь и сделаем изотермическую выдержку. В процессе переноса заготовки из одной печи в другую произойдет необходимое охлаждение до температуры 500 °С.

В процессе такой термической обработки измельчится зерно аустенита, произойдет перлитное превращение, а так же твердость будет достигать порядка 20 - 25 HRC, что является благоприятным исходом для последующих операций.

Для изотермического отжига нам необходимы две печи.

В первой печи будем производить нагрев. Для этой цели возьмем электрическую шахтную печь среднетемпературную с максимальной рабочей температурой 1000 °С, типа СШЗ 6.6/10. Такая печь предназначена для отжига.

Во второй печи будем производить изотермическую выдержку. Для этого воспользуемся электрической шахтной печью низкотемпературной с максимальной рабочей температурой 700 °С, типа СШО 6.8/7. Она должна быть подогрета до 500 °С.

Цементацией ( науглероживанием ) называется химико - термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагревании в соответствующей среде - карбирюзаторе ( в данном случае - этиловый спирт) .Цементацию как правило проводят при температурах выше точки А_с3 ( 930 - 950 °С ), когда устойчив аустенит, растворяющий углерод в больших количествах.

Окончательные свойства цементованные изделия получают в результате термической обработки, выполняемой после цементации.

Назначение цементации и последующей термической обработки - придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе и кручении. Наибольшее распространение цементация получила для повышения долговечности таких ответственных и и напряженных изделий, как зубчатые колеса.

Рекомендуемая толщина цементованного слоя 0,5 мм. Цементацию будем проводить в жидком карбирюзаторе - этиловом спирте. Для процесса выберу электропечи шахтную типа СШЦМ

Подача жидкого карбирюзатора будет производиться со скоростью 0,3 - 0,4 л/ч (что соответствует примерно 120 - 180 капель в минуту). Если применить газовую цементацию, то произойдет окисление легирующих элементов и обезуглероживание поверхности.

Температура цементации должна быть 950 °С, по окончании цементации проведем подстуживание. Время выдержки в печи - приблизительно 9 часов.

После цементации необходимо произвести операцию мойки в специальном растворе.

7. Окончательная термическая обработка. Выбор оборудования и температур

Закалка - это операция термической обработки, заключающаяся в нагреве стали на 30-50°С выше критических точек А_с3 - для доэвтектоидных и А_с1 - для заэвтектоидных сталей и выдержке при этой температуре для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении со скоростью выше критической. Сталь 20ХГНТР является доэвтектойдной, критическая точка Ас3 равна 840С, поэтому температура нагрева при закалке равна 880С. Оптимальной охлаждающей средой при закалке для данной стали является минеральное масло, так как оно быстро охлаждает сталь в интервале температур минимальной устойчивости аустенита и замедлено в интервале температур мартенситного превращения, то есть при охлаждении в масле происходит одновременное мартенситообразование во всей детали, и снижается возможность образования закалочных трещин. В результате закалки прочность и твёрдость увеличиваются, а пластичность и вязкость снижается.

Структура после закалки: на поверхности мелкоигольчатый мартенсит, с равномерно распределёнными карбидами и аустенит остаточный, в сердцевине - малоуглеродистый мартенсит.

Время выдержки в печи при закалке примерно равно 2 часам.

Для этой операции воспользуемся электропечью сопротивления типа СШЗ( см.рис. п. ).

Далее проведем низкий отпуск. Низкий отпуск - это операция термической обработки, заключающаяся в нагреве закалённой стали до температуры не выше температуры в точке А_с1, выдержке при этой температуре и охлаждении на воздухе. Низкий отпуск проводят для снятия внутренних напряжений, возникающих при закалке и обработки холодом. Низкий отпуск данной стали проводят с нагревом до температуры 250°С. Время отпуска равно 3 часа.

Воспользуемся специальным закалочным баком представленном на рисунке с механизированным переме щением закалочного стола, на который устанавливается поддон с нагретыми деталями. При помощи пневматического подъемника стол может опускаться и подниматься в баке.

8. Расчет параметров зубчатого колеса

z - число зубьев;

r_a - радиус (диаметр) окружности выступов;

r_f - радиус (диаметр) окружности впадин;

r_b - радиус (диаметр) основной окружности;

r - радиус (диаметр) делительной окружности, т. е. окружности, которая является начальной в станочном зацеплении колеса с режущим инструментом;

р - шаг по делительной окружности;

h - высота зуба, равная h=h_a+h_f, где:

h_a - высота головки зуба;

h_f - высота ножки зуба;

m - модуль зацепления, определяемый из условия:

, т. е. (измеряется в мм).

Величина m стандартизирована, а делительная окружность является окружностью стандартного модуля.

Обычно размеры зубчатого колеса и зубьев выражаются через m.

Так, например:

,

где - коэффициент высоты головки зуба;

,

где - коэффициент радиального зазора;

; ; , где б - угол исходного контура режущего инструмента.

Обычно для стандартных зубчатых колёс: ; ; б=20є.

Выберу число зубьев z= 20. Тогда r =55 мм.

Высота головки зуба равна h _a= 1 ·2,5 = 2,5мм.

Высота ножки зуба h_f = ( 1+0,25) ·2,5 = 3,125 мм.

Высота зуба равна h = 2,5 + 3,125 = 5,625 мм.

Толщина колеса - 45 мм.

9. Расчет времени нагрева загрузки

При постоянной температуре печи или окружающего пространства время нагрева или остывания тонкой загрузки излучением (в с ) находится по соотношению (1):

, (1)

где - площадь тепловоспринимающей поверхности загрузки, м²;

- приведенный коэффициент излучения, Вт/(м²К⁴);

G - масса загрузки, кг;

с - средняя удельная теплоемкость стали, Дж/(кг °С);

- коэффициент для расчета нагрева.

= -()= (3,14 · 0,055²/2 + 3,14 · 0,055 · 0,055) -(3,14 · 0,0185²/2 + 3,14 · 0,0185 · 0,055) = 0,011 м²;

н = 0, 07( из справочника);

t_печи = 900 °C;

t_к = 870 °C;

= 5,7 · 0,8 = 4,56 Вт/(м²К⁴);

с = 670 Дж/(кг °С);

G = с · V = 7800 · ((3,14 · 0,055² / 2 · 0,055 ) - (3,14 · 0,0185² / 2 · 0,055)) = 1,79кг;

= 1679,02 с = 28 мин.

Коэффициент распределения К_рас= 1,4. Время для выдержки стали равно 8 часов. Общее время выдержки равно

10. Выбор защитной атмосферы

Физико - химическая сущность процессов взаимодействия контролируемых атмосфер с металлами и сплавами - конечный результат взаимодействия - определяется в основном термодинамическими и только частично кинетическими закономерностями.

При выборе состава контролируемых атмосфер определяющим является создание таких условий взаимодействия газов, при которых термодинамически возможен, например только процесс восстановления окислов. Задача таким образом сводится к определению равновесного состава контролируемых атмосфер в зависимости от температуры, нахождению условий окисления или восстановления окислов.

Основой выбора контролируемых атмосфер являются диаграммы равновесия. Также вступают в силы кинетические закономерности, определяющие скорость процесса окисления.

В качестве защитной атмосферы воспользуемся эндогазом. Наличие 20 % CO в составе эндогаза обеспечивает углеродный потенциал атмосферы 0.4-0.5 % . Сталь20ХГНТР в этой атмосфере не окисляется и не обезуглероживается. Эндотермическая атмосфера (эндогаз) получается при частичном сжигании природного газа или жидких углеводородных смесей при большом недостатке воздуха а=0.25-0.28 в эндогенераторах; а обозначается коэффициент расхода воздуха, который представляет собой отношение действительного количества подаваемого воздуха к теоретическому количеству, необходимому для полного сжигания газа.

При а=0.25-0.28 происходит следующая реакция :

CH +1/2[H+1.9N-+3.8N] = CO+ 2H+1.9N-Q

Наряду с СО, H,N эндогаз содержит некоторое количество HO,C Oи СH.

Эндогаз состоит : 20 % CO+30-40% H+N

11. Контроль качества термической обработки

1. Контроль внешнего вида.

Проводится внешний осмотр готовых деталей на коробление и изменение размеров. Контроль внешнего вида проводится на 100%.

2. Контроль твёрдости термически обработанных деталей.

Твёрдость является одной из характеристик качества цементации. Твёрдость измеряется после цементации, закалки и низкого отпуска. Контроль твёрдости проводится по методу Роквелла (ГОСТ 9013-59) на приборе ТК-2 путём вдавливания в зачищенную поверхность алмазного конуса при нагрузке Р=1470Н. Показания прибора снимают по шкале «С» - чёрного цвета.

3. Контроль глубины цементованного слоя.

Для контроля глубины цементованного слоя используют пресс Бринелля. Этот метод заключается во вдавливании в зачищенную поверхность закалённого шарика диаметром 2,5мм при нагрузке равной Р=187,5Н.

4. Контроль микроструктуры.

Микроструктуру исследуют на микроскопах, вырезанных из цементованных и закалённых образцах с помощью специальных шкал, разработанных для данной стали. Содержание углерода определяется послойным химическим или спектральным анализом.

5. Выходной контроль зубчатых колес.

Контроль зубчатых колес должен проводиться в нормальных климатических условиях по ГОСТ 15150.

Проверка соответствия колес требованиям проводится путем внешнего осмотра, сличения с НД, КД и образцами-эталонами (при наличии), а так же измерением размеров, предельных отклонений, допусков формы и расположения поверхностей при помощи измерительного инструмента, приспособлений и приборов, обеспечивающих измерение с погрешностями, не превышающими указанные в ГОСТ 8.051.

Проверка на соответствие проводится сличением документов (сертификатов соответствия) предприятий-поставщиков материалов с действующими НД и другими документами и проведением необходимого объема проверок при входном контроле.

Проверка глубины цементованного или подвергнутого закалке слоев и микроструктуры проводится по действующей НД.

Проверка твердости рабочих поверхностей зубьев колес должна проводиться по ГОСТ 9012 и ГОСТ 9013.

Допускается контроль твердости проводить тарированным напильником с твердостью на уровне нижнего и верхнего пределов регламентированной твердости поверхностей. Места измерения твердости должны быть указаны в КД.

Проверка точности изготовления зубчатого венца колеса проводится по действующим НД.

Проверка точности изготовления шлицев проводится по элементам (толщина зуба или впадина) или комплексно, с помощью комплексных калибров. Шлицы с диаметром более 150 мм проверяются только по элементам.

Проверка шероховатости поверхностей производится профилометром или сравнением с образцами шероховатости поверхности.

Шероховатость боковых поверхностей шлицев проверяют в направлении, параллельном оси колеса.

Проверка среднего ресурса колес проводится на стендах, имитирующих работу узлов (агрегатов) тракторов и сельскохозяйственных машин, в соответствии с методиками, утвержденными в установленном порядке. Проверка проводится при периодических испытаниях.

Для колес, используемых внутри предприятия, проверка среднего ресурса проводится в составе тракторов и сельскохозяйственных машин при их испытаниях по ГОСТ 25836 или в соответствии с методиками, утвержденными в установленном порядке.



Литература

1. Ю.М.Лахтин и др. “Термическая обработка в машиностроении”, справочник.”Машиностроение”, 1980.

2. А.Н.Минкевич ”Химико - термическая обработка металлов и сплавов”. “Машиностроение”, 1986

3. Ю.М.Калетин, Л.В. Кудрявцева “Термическая обработка тяжелонагруженных зубчатых колес”. “Машиностроение”, 1966

4. М.В. Приданцев “Конструкционные стали”,справочник.”Металлургия”, 1980

5. В.Д. Кальнер “Контроль качества термической обработки”, справочник.”Машиностроение”, 1984

6. Л.С. Ляхович “Химико - термическая обработка металлов и сплавов”. Минск, 1977.

7. Долотов Г.П., Кондаков Е.А. “Оборудование термических цехов и лабараторий испытания металлов”.” Машиностроение”, 1988

8. Конспект лекций по технологии термической обработки.

9. В.Е.Старжинский, М.М.Кане . “Технология производства и методы обеспечения качества зубчатых колес и передач”, Минск, 2003.

Размещено на Allbest.ru