CC BY
191
The process of selecting the control law friction units of automatic planetary transmission with multiple degrees of freedom has a number of features, increasing its installation in heavy-weight crawler. The article considers the influence of motor control on transients .
Key words: switch gear, control, transient, dynamic loads.
Yudintsev Dmitry Vladimirovich, candidate of technical science, Head of Transmission Department, yudin_dv@,mail. ru, Russia, Nizhny Tagil, JSC Ural Design Bureau of Transport Engineering
УДК 62-503.55
К ВОПРОСУ ЛАЗЕРНОГО УПРОЧНЕНИЯ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС
ТРАНСМИССИЙ БЫСТРОХОДНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН
М.А. Бадртдинов
Рассмотрен вопрос целесообразности замены традиционных методов повышения прочности зубчатых колес лазерным упрочнением, применительно к трансмиссиям быстроходных транспортных гусеничных машин.
Ключевые слова: лазерное термоупрочнение, повышение прочности зубьев, шероховатость упрочненного слоя.
К традиционным методам повышения прочности зубчатых колес относятся: термическое или химико-термическое упрочнение, обдувка дробью, накатка или чеканка впадины зубьев.
Технологии объемной термической закалки обладают рядом технико-экономических недостатков, доминирующими из которых являются коробление - теряется две степени точности. Кроме того, закалка характеризуется значительными остаточными внутренними напряжениями. Внутренние напряжения снимаются последующей термической обработкой.
При химико-термической обработке, например, цементации и последующей закалке происходит более высокое коробление деталей - теряется три степени точности. Для обеспечения заданной точности деталей требуется проводить дополнительную механическую обработку, чаще всего шлифование, как наиболее универсальный и экономичный метод. Минимальное время, необходимое для процесса только цементации - 6 часов. Для обеспечения конструктивных требований по минимальным габаритным и массовым характеристикам трансмиссий быстроходных транспортных гусеничных машин (БТГМ) (рис. 2) разрабатываются детали, зубчатые венцы которых практически невозможно шлифовать. Пример детали трансмиссии БТГМ представлен на рис. 1.
180
Рис. 1. Пример детали трансмиссии БТГМ
Рис. 2. Трансмиссия для БТГМ фирмы «Renk»
Альтернативным методом повышения прочности деталей в настоящее время является лазерное упрочнение. Как метод поверхностного упрочнения заготовок и деталей лазерная закалка обладает многими преимуществами по сравнению с азотированием, цементацией и закалкой токами высокой частоты. Процесс лазерной закалки состоит в структурном изменении материала, находящегося в твердом состоянии, при очень быстром нагревании в результате поглощения лазерного излучения в тонком поверхностном слое и быстром охлаждении на воздухе нагретой зоны благодаря теплопроводности материала. При этом деформации заготовок минимальны, в результате чего повышается их точность и снижается трудоемкость последующей механической обработки. Обеспечивается высокая твердость и износостойкость деталей из обычных углеродистых и низколегированных сталей, имеется возможность местного упрочнения рабочих поверхностей.
Особенности технологии лазерного термоупрочнения: - экономичность процесса. Радикальное, в 2 - 5 раз, т.е. на 200... 500 %, повышение износостойкости упрочняемых на глубину до 0,8.. .1,5 мм поверхностей и срока службы деталей достигается ценой упрочнения, не превышающей 15.20 % стоимости неупрочненных деталей;
- в отличие от известных процессов термоупрочнения нагрев при лазерной закалке является не объемным, а локальным, поверхностным процессом, что исключает изменение, как макро, так и микрогеометрии обрабатываемых деталей;
- упрочнение лучом лазера осуществляется без оплавления поверхности - это исключает изменение шероховатости и необходимость в последующей механической обработке (шлифовки, полировка и т.д.);
- термический цикл, при лазерном упрочнении по времени составляет 0,3...0,5 с. Эти условия обеспечивают высокие скорости нагрева и охлаждения обрабатываемых поверхностных участков в результате чего достигаются высокая твердость поверхности, высокая дисперсность и однородность структуры;
- высокая производительность данной технологии характеризуется автоматизацией процесса и исключением необходимости термообработки всей детали, а лишь локальных участков, подверженных износу;
- возможность упрочнения и модифицирования поверхностей широчайшей номенклатуры материалов с повышением их эксплуатационных характеристик, что позволяет во многих случаях заменять дорогостоящие, сложнолегированные материалы, используемые часто с целью обеспечения необходимой износостойкости поверхностей, на более простые, дешевые и доступные с приданием им нужных эксплуатационных характеристик.
Рис. 3. Процесс упрочнения зубчатого колеса. Сталь 40ХН3А.
Твердость рабочей поверхности зубьев после упрочнения 59 - 61HRC
Несмотря на широкое внедрение метода лазерного упрочнения, существуют вопросы, требующие решения при применении данного метода для высоконагруженных зубчатых колес трансмиссий БТГМ. Например, детали трансмиссии немецкой фирмы «Renk», представленной на рис. 2 передают мощность 800 кВт, обеспечивая скорость гусеничной машины (массой 45 тонн) до 70 км/ч. Масса самой трансмиссии не более 1700 кг.
Типовые требования, предъявляемые к зубьям:
182
1) глубина упрочненного слоя 1,2 .. .1,9 мм;
2) твердость упрочненного слоя HRC > 60;
3) твердость сердцевины HRC = 37-50;
4) шероховатость поверхности после лазерного термоупрочнения не хуже Ra 6,3.
Размерные параметры упрочнения зависят от плотности мощности излучения. С увеличением этого параметра растет глубина упрочненного слоя, что связано с ростом подводимой к материалу удельной энергии. На рис. 4 показана геометрия упрочненного слоя шестерни на лазерном комплексе TruLaser Robot 5020. Из рисунка видно, что максимальная глубина 0,6 мм (меньше приведенной в типовых требованиях), при получаемой форме для обеспечения качественной поверхности по всей площади зуба необходимо обязательное перекрытие дорожек лазера.
Рис. 4. Геометрия упрочненного слоя (одна дорожка)
Структурно-фазовое состояние термоупрочненного поверхностно-гостная показано на рис. 5. Твердость поверхности соответствует значениям НЯС>60.
Рис. 5. Структурно-фазовое состояние термоупрочненного
поверхностного слоя
183
На рис. 6 видно, как изменяется твердость материала по длине Ь обрабатываемой зоны в зависимости от степени перекрытия (шага я) дорожек упрочнения. В перекрытых зонах наблюдается существенное снижение твердости в результате отпуска ранее закаленного материала, что может привести к раннему появлению питтинга на зубьях от контактных напряжений либо к излому зуба от напряжений изгиба.
Hp Ш 7 Па
Рис. 6. Зависимость твердости упрочненного слоя от шага обработки
Скорость обработки также влияет на параметры упрочнения. С ростом скорости, относительного перемещения излучения и обрабатываемой поверхности снижаются как глубина, так и ширина упрочненной зоны, шероховатость поверхности Яа = 5-8 мкм. Снижение скорости приводит к увеличению шероховатости поверхности до Rz = 20 мкм.
На рис. 6 представлены параметры шероховатости поверхности зуба до и после упрочнения на лазерном комплексе TruLaser Robot 5020.
а
б
Рис. 7. Параметры шероховатости поверхности зуба: а - исходная шероховатость; б - шероховатость после лазерного упрочнения
Сравнение графиков показывает, что шероховатость практически не изменилась. Максимальное значение исходной величины Яа = 4,125 мкм после лазерного упрочнения Яа = 4,102 мкм.
Выводы
Применение лазерного термоупрочнения для зубчатых колес БТГМ позволит обеспечить все типовые требования, предъявляемые к рабочим поверхностям зубьев при условии выбора и назначения в практических условиях для конкретных материалов экспериментальных зависимостей основных параметров процесса. Для подтверждения качества и надежности деталей, полученных с использованием данного метода, необходимо проведение ресурсных испытаний.
Список литературы
1. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Машиностроение, 1990. 528 с.
2. Лазерные технологии обработки металлов: современные проблемы / под ред. В.Я. Панченко. М.: Физматлит, 2009. 664 с.
3. Никифоров А. Д. Метрология, стандартизация и сертификация. М: ИНФРА-М, 2004. [Электронный ресурс]. URL: http://www. antic-r.ru/doc.htm (дата обращения: 10.11.2017).
4. Transmission for Puma. Higt speed Transmission and final drive. [Электронный ресурс]. URL: http://www. renk.biz (дата обращения: 10.11.2017).
Бадртдинов Мирхат Ахметзияевич, канд. техн. наук, доц., начальник сектора, mirxat@,mail.ru, Россия, Нижний Тагил, АО Уральское конструкторское бюро транспортного машиностроения
TO THE QUESTION OF LASER HARDENING FOR TRANSMISSION GEARS OF HIGHSPEED TRANSPORT CATERPILLAR VEHICLES
M.A. Badrtdinov
The article is devoted to the question of the expediency of replacing the traditional methods of increasing the strength of gears by laser hardening, as applied to the transmissions of high-speed transport caterpillar vehicles.
Key words: laser thermal hardening, increase of tooth strength, roughness of hardened layer.
Badrtdinov Mirkhat Akhmetziyaevich, candidate of technical science, docent, Head of sector, mirxat@,mail. ru, Russia, Nizhny Tagil, JSC Ural Design Bureau of Transport Engineering
