ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ НА ОСНОВЕ НАНЕСЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНО - ОРИЕНТИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ

А. М. Лахин

Донецкий национальный технический университет

Введение

В современных машинах все более широкое распространение получают зубчатые передачи, которые имеют ряд достоинств по сравнению с остальными видами силовых передач. Среди основных достоинств отметим: высокие КПД и нагрузочная способность при малых габаритах передачи, постоянство передаточного отношения, многообразие конструкций, позволяющих передавать момент между параллельными, пересекающимися и скрещивающими осями, а также возможность преобразовывать вращательное в поступательное движение и наоборот. При этом для изготовления деталей зубчатых передач чаще всего применяется метод обкатки, позволяющих изготавливать зубчатые колеса одного модуля и широкого диапазона габаритных размеров одним зуборезным инструментом. Между тем, для надежной и длительной работы зубчатой передачи требуется использование высококачественного смазочного материала высокой чистоты, высокопрочный материал зубчатых колес и его термообработка, предъявляются высокие требования к точности монтажа, а для высокоскоростных тяжело нагруженных зубчатых передач характерен неравномерный износ зубьев, в результате которого возникают люфты в кинематических цепях, нарушается кинематическая точность передачи, и значительно снижается прочность зубьев, что в конечном итоге может привести к заеданию, поломке и заклиниванию механизма.

В настоящее время широкое применение нашли новые подходы повышения качества и эксплуатационных свойств деталей основанные на нанесении более прочного износостойкого материала на рабочую поверхность изделия. Это позволяет экономить на дорогостоящем конструкционном материале и его термообработке, а также обеспечивать высокие физико-механические свойства как постоянные по всей поверхности изделия, так и изменяющиеся в соответствии с действием эксплуатационных функций. Последние – являются функционально-ориентированными [4], и достигаются за счет нанесения нескольких слоев покрытия. Однако ввиду малого распространения нанесения функционально-ориентированных покрытий на рабочие поверхности зубьев требуется разработка технологического обеспечения позволяющего повысить эффективность нанесения покрытий и качество рабочих поверхностей зубьев.

Целью данной работы является повышение качества и ресурса работы зубчатых колес за счет нанесения функционально-ориентированных покрытий на рабочие поверхности зубьев.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. - выполнить исследование и анализ причин нарушения эксплуатационных характеристик зубчатых колес;
2. - разработать структуру функционально-ориентированного покрытия;
3. - предложить технологию нанесения функционально-ориентированных покрытий на рабочие поверхности зубьев.

Основное содержание и результаты работы.

Все механизмы, использующие зубчатые передачи условно разделяются на силовые и кинематические.

Главное назначение силовых механизмов с зубчатыми передачами – передача и преобразование высоких крутящих моментов и нагрузок без значительных требований кинематической точности. К зубчатым колесам (ЗК) таких механизмов предъявляются повышенные требования контактной и изгибной прочности, износостойкости, антизадирных свойств и постоянного доступа смазочного материала. При этом наибольшие требования точности таких передач – по нормам пятна контакта – для обеспечения высокой нагрузочной способности, а также плавности работы, которые связаны с необходимостью в безударной работе высокоскоростной зубчатой передачи. К рабочим поверхностям таких зубчатых колес предъявляются наиболее высокие требования к износостойкости и ударной прочности.

Основное назначение кинематических механизмов с зубчатыми передачами является обеспечение точного взаимного перемещения звеньев в соответствии с передаточным отношением механизма. Такие механизмы являются частью измерительных приборов, делительных устройств, кинематических цепей металлорежущих станков, дозаторов и др. К зубчатым передачам таких механизмов предъявляются требования кинематической точности и плавности работы, малых зазоров в зацеплении и отсутствия механического износа. Малонагруженные кинематические зубчатые передачи как правило работают при относительно небольших рабочих скоростях.

Для обоих видов зубчатых передач характерны следующие нарушения эксплуатационных характеристик (рис.1), в большей степени характерных для силовых зубчатых передач:

1. - механический износ зубьев;
2. - заедание колес;
3. - повышенный шум в работе;
4. - поломка отдельных зубьев.

Износ зубьев вызван уменьшением исходных размеров рабочего профиля в результате механического или химического воздействия на рабочую поверхность зубьев. По характеру возникновения он может быть следующих видов [2]:

1. Абразивный или механический – в результате взаимного трения рабочих поверхностей или при наличии посторонних частиц между трущимися поверхностями зубьев. Данный вид износа может быть прогнозируемым и определяться ресурсом передачи и случайным, вызванным попаданием абразивных частиц извне или при нарушении условий смазки.
2. Выкрашивание с рабочих поверхностей зубьев в результате превышения контактных напряжений или гидродинамических явлений в процессе смазки. Данный вид износа вызван главным образом нарушениями условий упрочнения зубьев или образованием и схлопыванием пузырьков смазочного материала на поверхности зубьев [5], и как правило носит случайный характер
3. Пластическая деформация поверхностного слоя зубьев в следствии кромочного контакта и неравномерного пятна контакта. Этот вид износа вызван нарушением точности изготовления зубчатых колес.
4. Коррозия и окисление зубьев при работе зубчатой передачи в условиях действия агрессивной среды. Характерно для открытых зубчатых передач и при попадании агрессивной среды в смазочный материал. Данный вид износа также случайный, а в случае для открытых зубчатых передач должен быть исключен за счет рационального подбора материла ЗК.

Заедание ЗК проявляется в дополнительном сопротивлении вращению зубчатых колес и возникает в результате: значительных отклонения формы рабочих профилей от теоретической; попадания посторонних частиц и продуктов износа в зону зацепления; перекоса осей колеса и шестерни; «схватывания» материала с поверхности зуба сопряженного колеса и как следствие возникновение выступов и борозд на поверхностях зубьев входящих в зацепление. Заедание вызвано нарушениями регламентируемых условий работы зубчатых колес и точности их изготовления.

Шум в работе ЗК вызван возникновением ударов в процессе зацепления либо в результате сухого трения при скольжении профилей. Удары происходят вследствие повышенных боковых зазоров в зацеплениях и их неравномерных величинах, а также изза зазоров в подвижных частях при общих вибрациях в механизмах. В большей степени это характерно для прямозубых ЗК. Шум в результате сухого трения поверхностей помимо затрудненного доступа смазочного материала может быть вызван в результате кромочного контакта и при наличии выступов на поверхности. Как правило, возникновение шума при длительно работающей зубчатой передачи вызвано механическим износом профилей и, как результат увеличением боковых зазоров и микроударов зубьев.

Шум в работе ЗК вызван возникновением ударов в процессе зацепления либо в результате сухого трения при скольжении профилей. Удары происходят вследствие повышенных боковых зазоров в зацеплениях и их неравномерных величинах, а также изза зазоров в подвижных частях при общих вибрациях в механизмах. В большей степени это характерно для прямозубых ЗК. Шум в результате сухого трения поверхностей помимо затрудненного доступа смазочного материала может быть вызван в результате кромочного контакта и при наличии выступов на поверхности. Как правило, возникновение шума при длительно работающей зубчатой передачи вызвано механическим износом профилей и, как результат увеличением боковых зазоров и микроударов зубьев.

Из рассмотренных видов нарушения работы зубчатых передач только абразивный (механический) износ, при соблюдении всех условий эксплуатации и технических требований на машину, является неизбежным. Большинство остальных видов нарушения являются следствием механического износа. Поэтому основной задачей повышения эксплуатационных характеристик ЗК является применение технологических методов позволяющих снизить механический износ и увеличить регламентированный ресурс работы зубчатой передачи.

Согласно картине зубчатого зацепления [2], и анализа направления векторов скоростей зубьев ведущего и ведомого ЗК (рис.2), причиной взаимного скольжения профилей является разность касательных составляющих скоростей, что вызывает трение в зонах у головки и ножки зуба ].

В результате действия переменной скорости взаимного скольжения профилей зубьев возникает износ, причем наибольшая его величина наблюдается у головки и ножки зуба, что вызывает увеличение бокового зазора и как следствие шума в работе, а также ослабляет зуб у основания [3]. Это может привести к изгибу или поломке зуба.

Характер изменения скорости взаимного скольжения профилей имеет некоторые закономерности и изменяется в соответствии с графиком (рис. 2, а).

Как известно [1], интенсивность износа зависит от твердости поверхностного слоя, а износ в местах контакта профилей зубьев зависит от радиусов поверхностей в месте контакта, шероховатостей, физико-механических свойств материалов ЗК, и значения касательной составляющей скорости в зацеплении. Таким образом, величина износа зубьев шестерни и колеса определяется по формуле [1]:

Важнейшая задача при нанесении функционально-ориентированных покрытий, на рабочие поверхности зубьев является обеспечение плавного изменения свойств (износостойкости) в соответствии с изменением скорости взаимного скольжения профилей. Этого можно достичь следующими способами:

- обеспечением плавного изменения микро твердости поверхностного слоя при постоянной толщине покрытия;

- обеспечение плавного изменения толщины покрытия от зон с наибольшим износом зуба (у головки и ножки зуба) с уменьшением к полюсной лини. При этом толщина покрытия, ввиду особенностей вакуумных ионно-плазменных покрытий не более 12 мкм;

- нанесением покрытий в несколько слоев с уменьшением количества слоев к участкам с наименьшим взаимным скольжением профилей.

Реализация первого способа на данном этапе развития технологии нанесения вакуумных ионно-плазменных покрытий достаточно затруднительно, требует повышенных затрат материалов и энергии, а также требует тщательного подбора режимов нанесения покрытий. Второй способ может быть реализован при использовании специальной технологической оснастки для сообщения изделиям сложной кинематики движения при нанесении покрытий и требует дальнейших исследований.

Нанесение нескольких слоев покрытий может быть реализовано поэтапно (рис. 3), в несколько слоев, причем большее количество слоев наносятся на участки с наибольшим ожидаемым износом. Общая толщина всех слоев покрытия не должна превышать 20-25 мкм и должны находится в пределах поля допуска на толщину зуба.

Применение данных покрытий может быть использовано для ответственных тяжелонагруженных зубчатых колес требующих максимального ресурса работы. При этом технология нанесения покрытий может быть реализована в соответствии со следующей схемой (рис.4). На начальном этапе выполняется обработка всех поверхностей ЗК в соответствии с базовым технологическим процессом для достижения заданных параметров точности поверхностей. Затем выполняется ряд подготовительных этапов, связанных с подготовкой поверхностей под нанесение покрытий, включающие: полирование до требуемой шероховатости, ультразвуковую чистку а также мойку и обезжиривание. После этого выполняется нанесение первого слоя покрытия, который наносится на все рабочие поверхности ЗК, поэтому не требует защитных масок.

Далее осуществляется полирование поверхностей с покрытием, которое для предотвращения разрушения или снятия покрытия, выполняется по технологии высотно-сглаживающего полирования мягким микрошлифпорошком зернистости М5…М10. При этом должна быть достигнута шероховатость не более Ra= 0.06мкм.

После этого, в соответствии с требуемыми границами последующего слоя покрытия, на необрабатываемые участки наносится защитная маска. Данный процесс, при обработке партий ЗК может быть автоматизирован, а защитные маски могут наносится методом напыления защитного технологического покрытия с последующей корректировкой границ. Сразу после этого этапа выполняется нанесение второго слоя (рис.3) границы которого определяют защитные технологические маски. После нанесения второго слоя выполняется чистка и мойка поверхностей от остатков защитных масок, после чего выполняется полирование второго слоя покрытия. Трудоемкость полирования в данном случае ниже, поскольку включает обработки только зон 2-го слоя покрытия. Далее снова наносятся защитные маски в соответствии с границами 3-го слоя покрытия, после чего повторяется процесс нанесения покрытия для последующих n слоев. После нанесения последнего слоя покрытия выполняется окончательная чистка ЗК от остатков защитных масок и полирование поверхностей зубьев для устранения дефектных участков покрытия и достижения требуемой шероховатости поверхностей зубьев.

Выводы

Таким образом, в работе на основании исследования условий работы зубчатых колес, определили, что основной причиной нарушения эксплуатационных характеристик зубчатых передач является механический износ зубьев который распределяется неравномерно по высоте зуба, проявляясь в большей степени на участках у основания и у головки зуба. Для выравнивания величины износа зуба по высоте и повышения ресурса работы зубчатой передачи предложена структура функциональноориентированного покрытия основанного на увеличении количества слоев на участках с наибольшим ожидаемым механическим износом. Разработана технология нанесения многослойного функционально-ориентированного покрытия основанная на поэтапном нанесении слоев на участки зубьев с наибольшим ожидаемым износом.

Литература

1. Когаев, В. П. Прочность и износостойкость деталей машин. Учебное пособие для машиностроительных специальностей вузов / В. П. Когаев, Ю. Н. Дроздов // – М.: Высш. школа, 1991. – 319 с.
2. Кудрявцев, В. Н. Зубчатые передачи. – М.: «Машгис», 1957. – 263 с.
3. Лахин, А. М. Особенности нанесения функционально-ориентированных покрытий на рабочие поверхности зубчатых колес / А. М. Лахин // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: – Донецк: ДонНТУ, 2017. – № 2(57). – С.17-23.
4. Михайлов, А. Н. Синтез технологического обеспечения производства зубчатых колес на базе функционально-ориентированного похода / А. Н. Михайлов, А. М. Лахин, В. А. Соосар // Известия Тульского Государственного университета. Технические науки. – Тула: Изд.-во ТулГТУ, 2013. – № 8. – С. 28-36.
5. 5. Михайлов, А. Н. Основы синтеза функционально-ориентированных технологий. – Донецк: ДонНТУ, 2009. – 346 с.