Способ обработки зубчатого колеса

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термической и химико-термической обработке деталей машин и механизмов. Сущность изобретения: зубчатое колесо подвергают пластическому деформированию на величину 15 50% энергией взрыва при помещении его в форму, повторяющую его конфигурацию, и заполнении этой формы взрывчатым веществом толщиной слоя, равной шагу зубчатого колеса, после чего проводят стабилизирующий отжиг химико-термическую обработку.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для повышения физико-механических характеристик материалов деталей машин и механизмов.

Аналогом заявляемого способа служит способ химико-термической обработки (ХТО) стали, включающий нагрев ее в среде насыщаемого элемента (углерода, азота и др.), выдержка и последующая ее термическая обработка.

Аналогу присущи следующие недостатки: длительность процесса насыщения поверхности стали (при глубине цементации в 0,1 мм необходимо затратить время до 1 ч); низкая производительность труда, высокая себестоимость продукции.

Прототипом заявляемого способа служит способ обработки деталей, включающий предварительное деформирование деталей в горячем или холодном состоянии со степенью деформации 15-50% стабилизирующий отжиг, ХТО и закалку.

Главными недостатками прототипа являются следующими: невозможность использования данного способа на деталях, имеющих законченные геометрические формы и размеры, это связано с большими степенями пластической деформации, что позволяет использовать способ только на стадии получения заготовок; длительность технологического процесса.

Это связано с многократным нагревом заготовок, а отсюда низкая производительность, высокая энергоемкость процесса и себестоимость продукции.

Известен также способ термомеханического упрочнения стальных деталей, включающий цементацию, термическую обработку, пластическую деформацию и низкий отпуск, при этом пластическая деформация осуществляется алмазным выглаживанием при 100-150^оС.

Недостатками данного способа являются следующими: невозможность осуществления процесса на деталях, имеющих законченные геометрические формы и размеры. Это связано с пластической деформацией, в результате которой изменяются и форма и размеры; длительность технологического процесса. Это связано с многократным нагревом детали, введением дополнительных технологических операций; невозможность осуществления способа на деталях сложной геометрической формы (зубчатые колеса, шлицевые валы и др.).

Использование данного способа на таких поверхностях приведет к искажению формы, последствия которой не будут устранены ни механической ни другими видами обработки.

Известен способ обработки инструмента из быстрорежущей стали, включающий закалку, отпуск, механическую обработку, пластическое деформирование и ХТО, при этом пластическое деформирование осуществляется на глубину не менее толщины слоя диффузионного насыщения путем нанесения ячеистого рельефа.

Данному способу присущи следующие недостатки: невозможность осуществления способа на деталях, имеющих законченные геометрические формы и размеры, это связано с получением рельефной (ячеистой) поверхности в результате пластической деформации.

Указанные недостатки устраняются, если в качестве пластического деформирования провести обработку поверхностей деталей энергией взрыва.

Целью изобретения является расширение технологических возможностей способа, повышения производительности труда, повышения эффективности процесса диффузионного насыщения поверхности деталей атомами различных элементов, сокращения затрат на электроэнергию, на себестоимости продукции и др.

Поставленная цель достигается тем, что в способе обработки деталей сложной геометрической формы, типа "зубчатые колеса", включающем пластическое деформирование на величину 15-50% стабилизирующий отжиг и химико-термическую обработку, в качестве пластического деформирования непосредственно перед химикотермической обработкой проводят обработку энергией взрыва при помещении зубчатого колеса в форму, повторяющую ее конфигурацию и заполнении этой формы взрывчатым веществом толщиной слоя, равной шагу зубчатого колеса.

Сущность данного (заявляемого) способа заключается в следующем.

Процесс химико-термической обработки стальных деталей в известных способах ведется путем насыщения их поверхностей атомами различных элементов за счет диффузии. Для повышения эффективности диффузионного процесса детали подвергают нагреву и пластическому деформированию. Однако известные методы повышения эффективности диффузионного процесса не дают желаемых положительных результатов, оказывающих решающее значение при ХТО. Резкого повышения эффективности диффузионного процесса при ХТО можно достичь, если в качестве пластического деформирования в известных способах непосредственно перед проведением ХТО поверхность деталей подвергнуть обработке (воздействию) взрыва взрывчатых веществ. Такое воздействие дает следующий неожиданный положительный эффект, который установлен экспериментально.

1. Тепловое колебание системы резко возрастает.

Это объясняется тем, что ударные волны сообщают атомам металла огромный импульс энергии и самое замечательное свойств способа состоит в том, что еще в большей степени способствует развитию иррегулярности процесса. Следовательно, первое неожиданное положительное свойство от эффекта воздействия на детали энергией взрыва перед ХТО состоит в том, что активность металла возрастает за счет создания условий перехода атомов металла из своего регулярного положения в решетках в иррегулярное.

2. Резкое увеличение дефектов кристаллического строения стали на значительной глубине от поверхности без заметного изменения объема материала деталей.

Это объясняется тем, что деформация зерен металла вызывается ударными волнами, при этом металл находится в твердой фазе и в холодном состоянии. Следовательно, второе положительное свойство от эффекта воздействия энергии взрыва перед ХТО деталей состоит в том, что деформирование кристаллического строения металла вызывается на большую глубину без заметного изменения геометрических размеров деталей и их формы.

Качественно новые свойства заявляемого способа состоят в следующем: изменен вид используемой энергии при проведении пластической деформации механическая на импульсную (взрывную), изменен характер воздействия используемой энергии.

Это связано с тем, что в заявляемом способе для интенсификации диффузионного процесса определяющим является не пластическое деформирование, а воздействие энергии взрыва, как мощного импульса, на внутреннее состояние системы. Этим зарождается активизация металлов как эффект, не исчезающий во времени. Такого характера воздействия на металлы существующие способы не имеют. Они лишь ограничиваются проведением на макроуровне пластической деформации с большими степенями деформации.

Исключение из технологического процесса операции стабилизирующего отжига перед ХТО, так как в проведении данной технологической операции отпала необходимость в виду того, что не производится нагрев детали.

Расширение области использования объекта изобретения путем расширения номенклатуры стальных деталей.

Это объясняется тем, что энергия взрыва позволяет подвергать обработке детали с целью создания активизирующего фактора, имеющие законченные геометрические формы и размеры. Энергия взрыва не вызывает видимой деформации деталей, а лишь служит средством для возбуждения атомов металла с целью увеличения их внутренней энергии. Это обстоятельство позволяет применять энергию взрыва на изделиях со сложной геометрической формой и с законченными технологическими размерами.

Таким образом, качественно новые свойства заявляемого способа и его существенные отличительные признаки заключаются в следующем: изменение вида используемой энергии; изменение характера используемой энергии; изменение построения технологического процесса; расширение номенклатуры обрабатываемых деталей.

Обоснование выбранных конструктивных параметров и форм.

1. При обработке деталей сложной геометрической формы, например зубчатые колеса, форма каркаса для емкости заряда взрывчатого вещества должна повторять форму обрабатываемого изделия.

Это связано с обеспечением равномерного распределения импульсной нагрузки по всей поверхности зуба. Если принять форму каркаса, например, за цилиндрическую, то в этом случае воздействие импульса нагрузки на зуб буде не равномерным: на вершину зуба импульс будет наименьший, на впадину наибольший. Это приводит к разрушению детали либо к ее необратимому деформированию.

Исходя из этих рассуждений и выбрана такая конструкция формы каркаса, а именно повторяющая форму обрабатываемого изделия.

2. При обработке деталей энергией взрыва важное значение имеет правильный выбор толщины слоя заряда взрывчатого вещества (ВВ) как функции энергоемкости заряда. Энергия заряда должна быть такой величины, чтобы не вызвать необратимое деформирование детали, но одновременно обеспечить достаточно резкое повышение внутренней энергии атомов металла. Экспериментально установлено, что толщина слоя заряда, которая определяется как расстояние от вершины зуба до внутренней поверхности формы каркаса и от впадины зуба до внутренней поверхности формы каркаса должно быть равно шагу зубчатого колеса. Такая толщина слоя заряда наилучшим образом отвечает тем физическим процессам, которые происходят в металлах при их обработке энергией взрыва. При толщине слоя заряда больше шага зубчатого колеса уже на 10% наблюдается деформация зубьев колеса. Это установлено контролем профиля зуба. При толщине слоя заряда меньше шага зубчатого колеса более чем на 10% наблюдается деформация зубьев колеса. Это установлено контролем профиля зуба. При толщине слоя заряда меньше шага зубчатого колеса более чем на 10% наблюдается недостаточное повышение активности металла. Это установлено проведением ХТО (в данном случае для достижения глубины слоя цементации в 1 мм было затрачено времени 9 час 15 мин, что примерно соответствует аналоговому способу). В связи с вышеизложенным и выбрана толщина слоя заряда ВВ, равная шагу зубчатого колеса.

П р и м е р 1. Образец из стали 45 номинальным диаметром 121 мм, высотой 45 мм взят в качестве заготовки для изготовления прямозубого цилиндрического зубчатого колеса модуля 8,5; шагом 24 мм; числом зубьев 13; длиной зуба 45 мм.

Прямозубое цилиндрическое зубчатое колесо установлено на специальной подставке, изготовленной из недорогого материала, например пенополистирола. Снаружи колеса размещена форма для заряда взрывчатого вещества (ВВ). Форма повторяет контур колеса так, что расстояние между вершиной зуба колеса и формой, а такжде расстояние между впадиной зуба и формой соответствует толщине слоя заряда и каждое равно шагу колеса, т.е. 24 мм. Взрывчатое вещество аммонит марки 6 ЖВ, плотностью заряжания 0,95 г/см3. Инициирование заряда осуществлялось детонационным шнуром сверху. После обработки энергией взрыва зубчатое колесо было помещено в цементационную печь, в которой осуществлялся процесс ХТО. Стабилизирующая выдержка во времени составила 1 ч 30 мин. При металлографическом исследовании материала колеса установлено, что глубина цементированного слоя составила 0,8 мм. По сравнению с известным процессом ХТО стали, при этом же времени (был взят свидетель) глубина слоя в свидетеле составила 0,14 мм.

П р и м е р 2. Взято аналогичное зубчатое колесо, но толщина слоя была увеличена на 10% по сравнению с принятой, т.е. равной 27 мм, После инициирования заряда увеличенной массы колесо было подвергнуто контролю на предмет величины пятна контакта на межцентромере. Установлено, что искажение формы пятна контакта и снижение его площади по сравнению с требованием отличается на 25% что не соответствует техническим требованиям. Следовательно, произошло искажение профиля зубьев колеса по направлению. Колесо ХТО не подвергалось.

П р и м е р 3. Взято аналогичное зубчатое колесо, но толщина слоя заряда была взята на 15% меньше от исходной, т.е. 20 мм. После инициирования заряда уменьшенной массы колесо подвергалось ХТО совместно со свидетелем в течение 2 ч. Металлографические исследования показали наличие глубины цементированного слоя на величину 0,27 мм, у свидетеля 0,23 мм. Следовательно, заряд уменьшенной величины не обеспечивает значительного повышения активности металла.

Формула изобретения

СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЗУБЧАТОГО КОЛЕСА, включающий пластическое деформирование на величину 15 50% стабилизирующий отжиг и химико-термическую обработку, отличающийся тем, что в качестве пластического деформирования проводят обработку энергией взрыва при помещении зубчатого колеса в форму, повторяющую его конфигурацию, и заполнении этой формы взрывчатым веществом с толщиной слоя, равной шагу зубчатого колеса.