Scientific Journals
Zeszyty Naukowe
Maritime University of Szczecin
Akademia Morska w Szczecinie
2013, 35(107) pp. 174–179 2013, 35(107) s. 174–179
ISSN 1733-8670
Формирование поверхностного слоя зубов зубчатого колес
в процессе шлифования
Forming the outer layer of teeth of gears after the grinding
Tadeusz Zaborowski
Познаньский политехнический институт, Польша, e-mail: tazab@sukurs2.pl Ключевые слова: формирование, поверхностный слой, зубчатые колеса, шлифование Резюме В статье представить результаты исследований изменения твёрдостьи, стереометрии поверхности, и остаточного аустенита в поверхностным слое зубов цилиндрических зубчатых колес по шлифовании. Показано, что закатываются преобразования, которые вплывают на состояние поверхностного слоя. Key words: outher layer, teetch, gears after, grindingAbstract
This paper presents the results of the formation of the surface layer hardness, roughness and size of retained austenite after the process of grinding the gear teeth. It has been shown that not only are changed stereometric the surface layer but also in its mechanical properties.
Введение Зубчатые колеса являются, в настоящее вре-мя, основными элементами многих приводных механизмов, в которых требуется осуществить передачу при определенных скоростных и сило-вых условиях. Зубчатые передачи имеют сущес-твенное значение для правильного функцио-нирования многих устройств, а технология их изготовления определяет качество и стабиль-ность работы узлов и механизмов в различных условиях эксплуатации. Шлифование позволяет достигать заданную конструктором точность зубьев зубчатого колеса, гарантируя одновременно высокое качество1 зубчатого венца, что не означает, что этот процесс также одновременно способствует достижению требуемого состояния 1 В данном случае дело касается точности и шерохо-ватости эвольвентной поверхности зубьев зубчатых колес, что не равнозначно с ожидаемым качеством верхнего слоя. ного слоя. Это связано с наличием во время реализации процесса шлифования многочислен-ных факторов, оказывающих влияние на форми-рование свойств и характеристик поверхност-ного слоя. Следует отметить, что речь идет, прежде всего, о таких зубчатых колесах, кото-рые подвергались термической или термохими-ческой обработке, и имели твердость свыше 30 HRC. Поэтому процесс шлифования должен осуществляться таким образом, чтобы не произошел, прежде всего, отпуск шлифованных поверхностей, отсутствовали прижоги, сохра-нялась высокая микротвердость поверхностного слоя и т.п. Следует заметить, что изменение состояния поверхностного слоя в процессе любого технологического воздействия зависит не только от условий осуществления самого процесса, но и от конструктивных особенностей детали (зубчатого колеса), которые совместно с последующей обработкой определяют форми-рование состояния поверхностного слоя готовой детали. Поэтому процесс формирования требу-емого, по условиям эксплуатации, состояния
Формирование поверхностного слоя зубов зубчатого колес в процессе шлифования поверхностного слоя зуба зубчатого колеса необходимо рассматривать в аспекте комплекс-ного воздействия конструктивных и технологи-ческих факторов, определяющих, в конечном счете, долговечность детали и надежность работы всего механизма – машины. Изменение твердости поверхностного слоя шлифованного зуба зубчатого колеса Изменение твердости поверхностного слоя зуба зубчатого колеса связано с изменением остаточных напряжений и зависит от способа шлифования зуба зубчатого колеса. В поло-жении, когда в зоне контакта шлифовального круга с зубом зубчатого колеса создается большое количество тепла, происходит его проникновение вглубь материала, сопровожда-емое структурными изменениями. В результате, это ведет к возникновению остаточных растя-гивающих напряжений, сопровождающихся уменьшением твердости (рис. 1). Уменьшение или увеличение твердости связано с появлением разброса значений твердости, что означает, что твердость не будет постоянной, несмотря на постоянство параметров режима шлифования всех шлифованных зубьев зубчатых колес. Это свидетельствует о том, что при минимальной амплитуде колебаний (рис. 1) увеличиваются растягивающие напряжения, а при максималь-ных амплитудах происходит увеличение напря-жений сжатия в поверхностном слое шлифован-ного зуба зубчатого колеса [1]. Отмеченная закономерность указывает на цикличность этого процесса. Рис. 1. Распределение мезотвёрдости в поверхностном слое зубьев зубчатых колес; ns = 208 мин–1, po = 440 мм/мин, a = 0,0525 мм Исследуя распределение твердости по глуби-не поверхностного слоя зуба (рис. 2) замечено, что от самой поверхности твердость несколько уменьшается до глубины 7 мкм и затем монотонно растет и достигает величины 60 HRC на глубине 0,09 мм. Это означает, что в иссле-дуемом слое существуют напряжения сжатия, которые затем переходят в растягивающие на-пряжения, оказывающие влияние на указанное изменение твердости. Рис. 2. Распределение твердости в зависимости от глубины ее залегания в верхнем слое зубьев зубчатых колес; ns = 208 мин–1, po = 440 мм/мин, a = 0,0525 мм Отсюда следует, что существует тенденция к росту не только твердости по глубине зуба, но также происходит сведение к минимуму начальных растягивающих напряжений в пользу роста начальных напряжений сжатия. Это подтверждается математической зависимостью уравнения (рис. 2). При этом можно ожидать роста величин напряжений сжатия. С целью углубления приведенного выше ана-лиза были проведены исследования микротвер-дости поверхностного слоя зубьев после их шлифованияа. Полученные результаты исследований (рис. 3) представляют изменение величины микро-твердости по глубине поверхностного слоя зуба зубчатого колеса. Наибольшая величина твер-дости, которая была получена, находится на поверхности зуба. Сначала по глубине величина микротвердости уменьшается, а затем на рассто-янии 0,06 мм от поверхности растет до свыше 320 МПа. Анализируя эту диаграмму (рис. 3) можно заметить появление амплитуды в характере изменения микротвердости. Наличие макси-мальных значений в амплитудах её изменения указывают на тот факт, что в поверхностном слое присутствуют остаточные напряжения сжатия, которые изменяются на растягивающие напряжения вместе с переходом амплитуда изменения микротвердости в её минимальное 0 2 4 6 8 10 12 1 2 3 4 М езо твё рд ос ть Серия исследыемых образцов [N /m 2] x 10 3 y = 1,6163ln(x) + 55,356 R² = 0,8075 53 54 55 56 57 58 59 60 61 0.005 0.007 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 Ра сп ре де ле ни е тве рд ос ти [ H R C ] Глубина залегания [мм]
значение Однако это не означает мгновенный переход остаточных напряжений одного знака в другой. Изменения эти происходят постепенно как в одну, так и в другую сторону. Рис. 3. Распределение микротвердости в поверхностномм слое зубьев зубчатых колес; ns = 208 мин–1, po = 440 мм/мин, a = 0,0525 мм Формирование шероховатости поверх-ностного слоя зубьев зубчатых колес Многие исследователи [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9] считают, что высота неровностей поверхности зубьев зубчатых колес колеблется в пределах 2,5–0,16 μm. Шероховатость имеет важное значение для состояния поверхностного слоя [1, 10, 11, 12, 13], поэтому были проведены исследования высоты микронеровностей повер-хности зубьев зубчатых колес, как показано на рис. 4. Результаты исследований представлены на рис. 5, 6 и 7. Рис. 4. Зависимость высоты шероховатости Ra от числа двойных ходов шлифовального круга ns: a = 0,075 мм, po = 620 мм/мин Прежде всего следует отметить зависимость высоты неровностей от числа двойных ходов шлифовального круга (рис. 4), которая имеет циклический амплитудный характер с макси-мумом при 144 и 272 мин–1 и минимальное значение при 208 мин–1 двойных ходов шлифо-вального круга. Таким образом для достижения минимальной шероховатости поверхности зуба необходимо осуществлять процесс шлифования при 208 двойных ходов шлифовального круга (рис. 4). Подобное явление наблюдалось при оценке зависимости шероховатости поверхности зуба от величины подачи стола (рис. 5). При этом циклический характер изменения шерохова-тости развивался иначе, но тоже имел свой минимум и максимум. Минимальное значение высоты неровностей наблюдалось при подаче стола 440 мм/мин, а максимальное – при величине подачи стола 656 мм/мин. Следует заметить, что оптимальное значение подачи для благоприятной шероховатости не обязательно должно совпадать с таким же её значением с точки зрения формирования благоприятных (сжимающих) остаточных напряжений или других физико-химических свойств. Рис. 5. Зависимость высоты неровностей поверхности Ra от величины подачи стола: a = 0,075 мм, ns = 314 мин–1 Иное влияние оказывает на шероховатость поверхности зуба глубина шлифования (рис. 6). При глубине шлифования (0,05 мм) получается минимальная высота неровностей. Вместе с ростом глубины шлифования происходит рост высоты неровностей, затем они уменьшаются на глубине 0,08 мм, а при дальнейшем росте глубины шлифования снова растет [1]. Аналогичную зависимость высоты неровностей от глубины шлифования можно отметить при оценке цикличности процесса изменения шероховатости, которая развивается иначе, чем на приведенных выше зависимостях (рис. 4 и 6). 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.14 0.18 0.22 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 М ик ро тве рд ос ть [m H V 0, 05] Глубина залегания [мм] 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 102 144 208 272 314 В ы со та ш еро хо ва то ст и, R a [мк м] Число двойных ходов шлифовального круга, ns [мин-1] 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 81 224 440 656 799 В ы со та ш еро хо ва то ст и, R a [мк м] Величина подачи стола, po [мм/мин]
Формирование поверхностного слоя зубов зубчатого колес в процессе шлифования Рис. 6. Зависимость высоты микронеровностей поверхно-сти Ra от глубины шлифования; ns = 314 мин–1, po = 440 мм/мин При оценке характера изменения шерохо-ватости, связанной с глубиной шлифования, следует отметить минимальное её значение при глубине шлифования 0,05 мм, а наибольшую величину – при глубине шлифования 0,11 мм. Оценивая влияние представленных параме-тров режима шлифования (рис. 4–8) на высоту неровностей поверхности легко заметить, что предельные значения шероховатости имеют разные величины и поразному развиваются (рис. 7). Поэтому, при необходимости получения минимальной высоты неровностей следует анализировать состояние поверхностного слоя после применения указанных параметров режи-ма шлифования. Рис. 7. Связь между твердостью и шероховатостью шлифо-ванной поверхности зуба зубчатого колеса Кроме того известно, что минимализация такого параметра как глубина шлифования способствует достижению минимальной высоты неровностей, однако такая обработка сопрово-ждается большим выделением тепла, вызы-вающего изменения остаточных напряжений и структурные изменения в слое на глубинах 25–50 мкм, сопрово-ждающегося изменением остаточного аустенита и твердости (рис. 7). Связь между шероховатостью и твердостью поверхности шлифованного зуба (рис. 7) под-тверждается логарифмической зависимостью, которая указывает на то, что с ростом твердости происходит ухудшение шероховатости повер-хности. Изменение содержания остаточного аустенита в поверхностном слое зубьев зубчатых колес В стали с большим содержанием углерода (рис. 8) мартенситные превращения происходят неполностью [1, 14], так как создается такое состояние равновесия, в котором с наличием нераспавшегося аустенитом существует мартен-сит [1, 14]. Это вызвано положением линии конца мартенситных превращений Mf для определенного химического состава стали, которая тем ниже, то тем больше остается нераспавшегося аустенита, называемого обычно остаточным аустенитом (рис. 9). Рис. 8. Изменение содержания углерода в мартенсите по глубине поверхностного слоя зуба зубчатого колеса: ns = 208 мин–1, p o = 440 мм/мин, a = 0,0525 мм Рис. 9. Влияние температуры на изменение содержания углерода в аустените 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0.05 0.06 0.08 0.1 0.11 В ы со та ш еро хо ват ос ти , R a [м км ] Глубина шлифования, a [мм] y = -0,464ln(x) + 1,3024 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 160 180 200 220 240 263 287 338 389 467 546 645 В ы со та ш еро хо ва то ст и, R a [мк м] Твердость по Виккерсу [HV] y = -0,0017x2 - 0,0462x + 0,4704 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0 50 75 100 125 150 175 200 C [% ] Глубина залегания [мкм] 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 Т емп ера ту ра [K] Содержание угла [%C] Начално Ms и конец Mf творения мартензита Ms Mf
Tadeusz Zaborowski В принципе, можно выделить две причины, в результате которых в стали остается остаточ-ный аустенит при неизменности процесса охлаждения, происходящего при шлифовании поверхности зубьев зубчатых колес. Ими являются: самоторможение процесса мартенситного превращения; низкая температура Mf, т. е., конца образова-ния мартенсита (< 20ºС). Причем, самоторможение процесса мартен-ситного превращения происходит в результате инкубации начальных напряжений сжатия в верхнем слое, которому способствует наличие незначительное количества остаточного аусте-нита. Присутствие остаточного аустенита в дан-ном случае вызвано увеличенным количеством заэвтектоидных карбидов, которые переходят в аустенит, вызывая понижение Ms и Mf. Но учитывая тот факт, что аустенит увеличивает пластичность стали, вызывая тем самым уменьшение твердости (аустенит – 200 HB), а мартенсит отличается малой пластичностью и большой твердостью (700 HB), то его большее содержание должно оказать более благоприят-ное влияние на состояние остаточных напряжений и твердости поверхностного слоя. К сожалению, дело обстоит несколько иначе, так как рост остаточного аустенита способствует уменьшению усталостной прочности и росту остаточных растягивающих напряжений [1, 15, 16, 17, 18]. Поэтому были проведены дополнительные исследования для определения величины оста-точного аустенита в поверхностном слое зубьев зубчатых колес после шлифования, результаты которых представлены на рис. 10 и 11. Рис. 10. Изменения процентного содержания остаточного аустенита после шлифования зуба зубчатого колеса; ns = 208 мин–1, po = 440 мм/мин, a = 0,0525 мм Рис. 11. Изменения содержания остаточного аустенита в поверхностном слое после шлифования зубьев зубчатых колес; ns = 208 мин–1, po = 440 мм/мин, a = 0,0525 мм Из рисунков видно, что содержание остаточ-ного аустенита растет по глубине поверхност-ного слоя, что подтверждает также уравнение кривой указанной зависимости. Возникают, однако, некоторые сомнения в отношению величины. Рост остаточного аустенита по глубине его залегания ведет также к повышению точки структурного превращения (рис. 11), которое отмечается уже от глубины 0,4 мм. Некоторые исследователи [1, 13] считают, что содержание остаточного аустенита может доходить даже до 54% на глубине до 10 мкм. Это свидетельствует о том, что свойства поверхностного слоя зубьев зубчатых колес изменяются (рис. 12). Вместе с этим могут появиться также изменения по форме и размерам, которые могут привести к выбраковке зубчатого колеса [19, 20, 21, 22, 23]. Рис. 12. Видимые изменения верхнего слоя зубов зубча-того колеса Заключение Представленные результаты исследований и их анализ позволяют заметить, что изменения, происходящие в верхнем слое зубчатых колес являются динамическим процессом, который y = -0,3734x2 + 7,0504x - 6,0952 0 5 10 15 20 25 30 0.05 0.1 0.2 0.3 0.4 0.6 0.8 1 1.2 О ст ат оч ны й ау ст ен ит [ % ] Глубина залегания [мм] 0 5 10 15 20 25 30 0.04 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 С од ерж ан ие о ст ат оч но го ау ст ен ит а [% ] Глубина залегания в поверхностном слое [мм] Превышение точки структурного превращения
Формирование поверхностного слоя зубов зубчатого колес в процессе шлифования зависит от конструкции зубчатых колес, разви-тия технологического процесса и применяемых условий обработки. Во время формирования состояния верхнего слоя существенную роль играет тепло, струк-турные изменения и силы резания, появля-ющиеся во время формирования верхнего слоя зубьев зубчатых колес. Литература 1. ЗАБОРОВСКИ Т.: Повышение эффективности процесса зубошлифования на основе управления точностью и качеством поверхностного слоя зубьев. МГТУ СТАНКИН, Mocквa, 2004 г.
2. FELD M.: Technologia budowy maszyn. PWN, Warszawa
1993.
3. КАЛАШНИКОВ И.В. и др.: Производство зубчатых колес.
Машгиз, Москва 1963.
4. KOSIEWICZ T.: Technologia budowy maszyn. PWN, War-szawa 1977.
5. PRZYBYLSKI L.: Charakterystyka rozkładu ziarn na po-wierzchni roboczej ściernicy. Mechanik 8, 1977.
6. SZULC S.,STEFKO A.: Obróbka powierzchniowa części ma-szyn. Podstawy fizyczne i wpływ na własności użytkowe. WNT, Warszawa 1976.
7. УСТИЛОВСКИЙ С.Я.,ОСТРОВСКИЙ Г.А., РЫСКИНД А.М.:
Расчет распределения температур и напряжений при закалке цилиндрических деталей. Металловедение и термическая обработка металлов, 10, 1986.
8. WIECZOROWSKI K.: Warstwa wierzchnia części maszyn.
II Ogólnopolska Konferencja Naukowo-Techniczna pt. Wpływ techniki i technologii na stan warstwy wierzchniej, ObiK, Gorzów Wlkp. 1979.
9. ZABOROWSKI T.: Rozkład naprężeń w głąb i wzdłuż zębów walcowych kół zębatych wykonanych ze stali stopowych do ulepszania cieplnego. VII Konferencja Krajowa “Ter-moobróbka’94” pt. Nowoczesna obróbka cieplna w teorii i praktyce. KNoM PAN, IMŻ Gliwice, Gliwice–Ustroń Za-wodzie 1994.
10. BURAKOWSKI T., WIERZCHOŃ T.: Inżynieria powierzchni
metali. WNT, Warszawa 1995.
11. NOWICKI B.: Wpływ chropowatości powierzchni na
właś-ciwości użytkowe części maszyn. Wybrane problemy tribo-logii. PWN, Warszawa 1990.
12. ОВСЕЕНКО А.Н.,GAJEK М.,СЕРЕБРЯКОВ В.И.:
Формиро-вание состояния поверхностного слоя деталей машин технологическими методами. Politechnika Opolska, Opole 2001.
13. PRZYBYLSKI L.: O możliwości kształtowania niektórych pa-rametrów charakteryzujących warstwę wierzchnią w pro-cesie szlifowania. XIII Naukowa Szkoła Obróbki Ściernej cz. II. PAN, Politechnika Warszawska, Warszawa–Wilga 1990. Biuletyn Informacyjny VIS, 2, 1990.
14. KOISTINEN D.P., MARBURGER R.E.: A general equation
prescribing the extent of the austenite-martensite transfor-mation in pure iron-carbon alloys and plain carbon steels. Acta Metallurgica 1, 1959.
15. BAUMELBURG W.,SCHREIBER E.: Einfluss von Probenform
und Probenworbereitung bei der quantitatiwen vöntgeno-graphuschen Phosenanalyse. HTM, 27, 1972.
16. WATERHOUSE R.B.: Fretting corrosion. Pergamon Press,
Oxford, New York, Toronto, Sydney, Braunshweing, 1972. 17. ZABOROWSKI T.: Oddziaływanie amplitudy na przebieg
szlifowania zębów walcowych kół zębatych sposobem Ni-lesa. Konferencja Naukowo-Techniczna pt. Forum Prac Badawczych – Kształtowanie części maszyn przez usu-wanie materiału. Podstawy i Technika Obróbki Ubytkowej. Zbiór streszczeń pod red. T. Karpińskiego. WSI, Koszalin 1994.
18. ZABOROWSKI T.: Naprężenia własne w warstwie
wierz-chniej ewolwentowych powierzchni zębów kół walcowych szlifowanych metodą Niles’a. Dysertacja, Politechnika Po-znańska, Poznań 1990.
19. KACZMAREK J.: Podstawy obróbki wiórowej, ściernej i
ero-zyjnej. WNT, Warszawa 1970.
20. KIEPUSZEWSKI B.: Technologia budowy maszyn. PWT,
Warszawa 1960.
21. Naprężenia cieplne pod red. Z. Orłosia. PWN, Warszawa 1991.
22. WIECZOROWSKI K.,BRUKWICKI J. i inni: Zastosowanie
me-tody elektrokontaktowej do poprawiania fizykalnych i technicznych parametrów procesu toczenia, wiercenia i gwintowania materiałów trudnoobrabialnych. Opraco-wanie w ramach CPBP 02. 04 Poznań–Wrocław, 1986– 1990.
23. ZABOROWSKI T.: Wpływ sił występujących podczas
szlifo-wania obwiedniowo-podziałowego na naprężenia własne w warstwie wierzchniej zębów walcowych kół zębatych. XVI Ogólnopolska Konferencja Naukowo-Techniczna Przekładnie zębate; II Międzynarodowa konf. ICESA’97, Politechnika Śląska, Uniwersytet Techniczny w Ostrawie, Ustroń 1997, z. 1/97.
