ПРОГРЕССИВНЫЕ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ И НЕТРАДИЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ОСОБЕННОСТИ НАНЕСЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ НА РАБОЧИЕ ПОВЕРХНОСТИ ЗУБЬЕВ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
Михедова Н.В., Дьяченко Е.А., Лахин А.М.
(Кафадра ТМ, ДонНТУ, г. Донецк, ДНР)
Аннотация: В работе рассмотрены этапы подготовки поверхностей зубчатых колес к нанесению вакуумных ионно-плазменных покрытий, включающие: полирование, ультразвуковую чистку, а также использование защитных масок для нерабочих поверхностей зубчатых колес. Представлены результаты нанесения покрытий на рабочие поверхности зубьев.
Ключевые слова: Зубчатое колесо, технология, качество, покрытие.
Введение.
Зубчатые колеса работают в сложных условия при их эксплуатации, что обусловлено необходимостью передачи значительных нагрузок в процессе работы, наличием высоких изгибных и контактных напряжениях в зубьях, взаимным скольжением профилей контактируемых зубьев, возникновением кромочного контакта в зацеплении. Эти условия являются причинами возникновения различных видов разрушений зубьев [3]. В тоже время, используемые технологические методы не в полной мере учитывают условия эксплуатации отдельных элементов зубчатых колес принимающих непосредственное участие в процессе работы передачи, рассматривая характерные условия работы целыми элементами зубчатых колес, не учитывая действия эксплуатационных условий на отдельные зоны функциональных элементов зубьев. Например: упрочнению, как правило, подвергается весь зубчатый венец, тогда как повышенный износ наблюдается лишь на боковых поверхностях зубьев. В тоже время характер закономерностям. этого износа неравномерен, и подчиняется некоторым
Изучая технологические методы, направленные на повышение качества зубчатых колес [2], отметим, что в настоящий момент развитие технологии производства зубчатых колес идут в следующих основных направлениях:
- снижение объема механической обработки за счет совершенствования конструкции и повышения точности заготовок зубчатых колес;
- повышение качества и эффективности производства зубчатых колес за счет рационализации известных методов обработки зубьев.
Целью работы является разработка технологическое обеспечение повышения качества зубчатых колес на основе нанесения функционально-ориентированных покрытий.
Для достижения поставленное цели необходимо решить следующие задачи:
1) Разработать классификацию элементов зубчатых колес по функциональным признакам;
2) Предложить рациональный метод повышения износостойкости зубьев;
3) Разработать технологию подготовки поверхностей к нанесению функционально-ориентированных покрытий.
2. Общее содержание и результаты работы.
Функционально-ориентированные технологии представляют собой особый класс технологий, который позволяют максимально адаптировать изделия к условиям их эксплуатации в машине или технологической системе [1]. Их главными особенностями являются реализация по уровням глубины технологии и на местном уровне, а также использование принципов ориентации технологических воздействий и свойств особенностям эксплуатации изделия или части изделия. При этом изделием можно рассматривать как машину, так и сборочный узел, или же отдельные детали.
Согласно классификации [1], все элементы зубчатых колес, условно разделяются на исполнительные (рабочие и базирующие), связующие, вспомогательные и исполнительные. При этом наибольшие требования предъявляются к исполнительным рабочим элементам зубчатых колес, связанные с передачей крутящего момента. В процессе работы данные элементы воспринимают силы зацепления и, как следствие, в них образуются изгибные и контактные напряжения. Кроме этого в зоне контакта зубьев действуют силы трения, вызванные взаимным скольжением профилей зубьев.
Одним из прогрессивных способов повышения качества рабочих элементов зубчатых колес, является нанесение вакуумных ионно-плазменных покрытий, поскольку данный способ позволяет значительно повысить физико-механические свойства поверхностных слоев зубьев за счет сверхтонких пленок, практически не оказывающих влияния на точность зубчатых колес. Это позволяет увеличить контактную прочность и несколько увеличить стойкость к механическому износу зубьев.
Рассмотрим основные этапы технологического процесса нанесения покрытий на рабочие элементы зубчатых колес.
После формообразования зубчатых колес и достижения требуемой точности зубьев, начальным этапом является подготовка рабочих поверхностей к нанесению покрытий. Это вызвано требованиями, связанными с необходимостью обеспечения надежной адгезионной связи покрытия с подложкой. Для этого использовалось однократное шлифование, предварительное и чистовое полирование зубьев, а также чистка в ультразвуковой ванне. Для шлифования применимы традиционные методы шлифования зубьев. Полирование выполнено с использованием специального войлочного полировального круга, соответствующего профилю впадины зубьев. Шлифовальные порошки, используемые при полировании: для предварительного АСМ 10/7, для чистового АСМ 7/5. При этом достигнута шероховатость поверхностей: после чистового полирования: Ra=0.08 мкм, при чистовом Ra=0.05 мкм. После полирования выполнена чистка в ультразвуковой ванне, с целью удаления с поверхности органических загрязнений, а также снятия с поверхности мелких дефектов предыдущей обработки. Структура поверхности до и после чистки в ультразвуковой ванне, представлена на рис. 1.
Рис. 1. Структура поверхностей зубчатых колес до и после ультразвуковой чистки (увеличение ×200): а) полирование, б) ультразвуковая чистка
После нанесения покрытий на рабочие элементы зубчатых колес, требуется обеспечить заданные параметры качества рабочих поверхностей. Для этого требуется дополнительная отделочная обработка (полирование). При этом, в следствии ограниченной толщины наносимого покрытия, которое составляет 3…7 мкм, традиционное полирование может нарушить данное покрытие. Поэтому в данном случае целесообразно применять высотно-сглаживающее полирование (глянцевание), с размером зерен, меньше толщины покрытия, зернистостью М5…М10, с твердостью абразивного материала, меньше твердости наносимого покрытия.
При нанесении покрытий на рабочие элементы зубчатых колес, возникает задача направленного равномерного нанесения покрытий на рабочие элементы зубьев. При этом необходимо предохранить остальные поверхностей, не требующих свойств, обеспечиваемых покрытием. Для этого предложено устройство (рис. 2, а) и оснастка (рис. 2, б), обеспечивающее направленное действие потока наносимого покрытия, и предохраняющее нерабочие поверхности зубчатых колес от плазменного потока.
Рис. 2. Устройство (а) и технологическая оснастка (б) для направленного нанесения вакуумных ионно-плазменных покрытий.
Устройство (рис. 2, а) предназначено для попеременного доступа потока наносимого покрытия ко всем частям зубчатого венца. Это достигается за счет вращения заготовок, и расположения рабочих поверхностей к потоку за счет наклона зубчатых венцов под углом ω к потоку наносимого покрытия. Коническая зубчатая передача в данном устройстве, связана с механизмом вращения стола установки ННВ 6.6-1. Привод механизма вращения зубчатых колес, предохранен от действия наносимой среды защитным кожухом.
Технологическая оснастка для нанесения покрытий (рис. 2, б) представляет собой приспособление для закрепления заготовки и передачи вращательного движения от устройства вращения (рис. 2, а), а также предохранения нерабочих участков (торцов и шеек вала-шестерни) от плазменного потока.
В результате нанесения нитрид-титанового покрытия на рабочие элементы зубчатых колес, микротвердость на поверхностях зубьев составила (1,8…2)∙103 МПа, при исходных значениях (0,2..0,3)∙103 МПа. При этом значительно повысилась стойкость к механическому износу зубьев.
Результаты нанесения покрытий на рабочие элементы зубчатых колес с использованием защитной оснастки для участков не требующих покрытий представлены графиками изменения толщины покрытия и микротвердости в зависимости от высоты образующей зуба (рис. 3). Данные графики позволяют выделить тенденцию к уменьшению толщины покрытия на профиле у ножки зуба, что свидетельствует о наиболее вероятном образовании теневых зон в данных участках.
Рис. 3. Результаты измерения толщины покрытия и микротвердости по высоте зуба после нанесения покрытий: а) точки измерения, б) график изменения толщины покрытия, в) график изменения микротвердости
Таким образом, использование функционально-ориентированного подхода для повышения качества зубчатых колес на основе использования вакуумных ионно-плазменных покрытий, позволяет значительно повысить эксплуатационные показатели зубчатых колес, а также дает возможность достичь качественно новой совокупности свойств.
3. Выводы.
1. В работе выполнена классификация и анализ условий работы зубчатых колес которые определяют основные причины снижения эксплуатационных характеристик и выхода из строя зубчатых колес.
2. Представлена классификация элементов зубчатых колес по функциональному назначению.
3. Рассмотрены условия работы рабочих элементов зубчатых колес и возникающие при этом эксплуатационные функции, на основании которых возможно определение структуры технологических воздействий.
4. Для повышения износостойкости зубьев по их высоте, предложены варианты технологических воздействий на основе нанесения вакуумных ионно-плазменных покрытий.
Список литературы:
1. Михайлов А.Н. Основы синтеза функционально ориентированных технологий машиностроения. – Донецк: ДонНТУ, 2008. - 346 с.
2. Производство зубчатых колес. Справочник. С.Н. Калашников, А.С. Калашников, Г.И. Коган, и др. Под. ред. Б.А.Тайца. - Изд. 3-е, перераб. и допол.– М.: Машиностроение, 1990. – 464 с.
3. Кудрявцев В.Н. Зубчатые передачи. - М.: «Машгис», 1957. – 263 с.