CC BY
85
УДК 669.018.8+621.78
ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ВАЛИКОВ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПЕРЕДАЧ ТРАКТОРА
И.В. Дощечкина, доцент, к.т.н., С.С. Дьяченко, профессор, д.т.н., ХНАДУ, В.О. Костик, доцент, к.т.н., НТУ «ХПИ»
Аннотация. Рассмотрен вопрос замены нитроцементации валиков поверхностной закалкой, что позволит существенно сократить обработки, повысить продуктивность, улучшить условия труда, увеличить долговечность изделий, получить значительный экономический эффект.
Ключевые слова: валики, трение, износостойкость, нитроцементация, индукционная закалка, микроструктура, твердость.
Введение
Экономия металла, сокращение энергозатрат, обеспечение экологической чистоты процессов обработки, повышение качества и долговечности металлопродукции - важнейшие задачи современного машиностроения. Их решение может быть достигнуто как за счет создания новых, так и, в первую очередь, за счет совершенствования существующих технологий изготовления деталей машин, чему и посвящено данное исследование.
Анализ публикаций
Как известно, поверхностная закалка изделий с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ) обладает целым рядом технологических преимуществ: резкое сокращение времени процесса обработки и повышение производительности, отсутствие окисления и коробления изделий, возможность механизации и автоматизации процесса, улучшение экологии и культуры производства. Наряду с этим такой вид обработки обеспечивает существенное повышение эксплуатационных свойств и долговечности обрабатываемых деталей.
В настоящее время в автомобиле- и тракторостроении объем деталей, упрочняемых поверхностной закалкой с нагревом ТВЧ, превышает 60 % от общей массы упрочняемых деталей [1, 2].
Цель и постановка задачи
Цель данной работы - повысить долговечность и обеспечить необходимый ресурс валиков переключения передач. Задача данного исследования -изучить возможность замены химико-термической обработки на индукционное поверхностное упрочнение деталей, эксплуатирующихся в усло-
виях трения, интенсивного износа, значительных удельных нагрузок.
Методика и результаты исследования
В процессе эксплуатации валик при переключении скоростей перемещается вдоль оси и стопорится фиксатором, который входит в зацепление с валиком в лунке (рис. 1). На участке сопряжения боковой поверхности лунки с фиксатором действуют значительные контактные давления. Такие условия работы обусловливают необходимость получения высокой твердости на сопряженных поверхностях.
"' V __)
Рис. 1. Эскиз сопряженных поверхностей лунка валика - фиксатор
Валик изготавливается из стали 20Х, фиксатор -из стали 20. Для обеспечения износостойкости и сопротивления контактным нагрузкам рабочие поверхности лунки валика и фиксатора подвергаются химико-термической обработке - нитроцементации и цементации соответственно.
Технологический процесс обработки деталей (рис. 2) сложный (состоит из 9 операций) и длительный (~ 20 часов).
Закалка в масле (170°С, 15-20 мин) Промывка при 70°С (30-40 мин) Отпуск при 170° С ± 10° С (2,5-3 ч)
Очистка дробью 30-35 мин одной стороны детали (1 ч) Правка (рихтовка): установка - 5 мин и правка - 1,5 мин/шт Шлифовка
Рис. 2. Технологический цикл обработки валиков с использованием нитроцементации
Ресурс валиков по требованиям завода составляет 8000 мото-часов, а фактически при активном использовании деталь работает не более 5000, а чаще менее 2000 часов.
Выбраковка основной массы деталей производится по причине значительного износа и разрушения в местах контакта фиксатора и валика (боковые поверхности и края лунки) и смятия между лунками (рис.3). Также наблюдается износ цилиндрической поверхности валика при передвижении его вдоль оси в корпусе коробки передач.
Рис. 3. Вид вышедшего из строя валика переключения передач
Для выяснения причин низкой долговечности валиков после ХТО был проведен металлографический анализ деталей.
Установлено, что непосредственно после цементации твердость рабочих поверхностей (58...61 HRC) соответствовала требованиям ТУ. Однако при исследовании обнаружено существенное различие (~ в 2 раза) глубины упрочненного слоя по диаметру валиков и по их длине как для одного и того же валика, так и от детали к детали.
На заводе используется широкая номенклатура валиков, диаметр которых соответствует 22,6 мм, а длина меняется от 192 до 319 мм. Закалка после нитроцементации деталей с большим отношением длины к диаметру приводит к короблению,
особенно если они погружаются в охлажденную среду не вертикально. Это требует, несмотря на операцию рихтовки, значительного съема металла при шлифовке. В результате механической обработки удаляются наиболее твердые поверхностные слои, которые обеспечиваются нитроцемен-тацией.
По-видимому, именно значительным съемом металла при шлифовке обусловлен большой разброс допускаемых по ТУ значений твердости (от 63 до 42 HRC). Это приводит к тому, что валик эксплуатируется с существенно более низкой твердостью поверхности, что и обусловливает интенсивный износ рабочего слоя.
Анализируя изложенное представляется рациональным заменить ХТО поверхностной индукционной закалкой, использовав для валиков вместо стали 20Х среднеуглеродистую сталь (45 или 40Х), приобретающую после закалки требуемую твердость.
Кроме указанных выше преимуществ, индукционная закалка обеспечивает:
- стабильность упрочненного слоя как по глубине, так и по твердости;
- сокращение времени процесса обработки детали до 30-60 с;
- получение более мелкого зерна в поверхностном слое, что улучшает комплекс механических характеристик;
- благоприятную эпюру остаточных сжимающих напряжений, что способствует повышению надежности деталей в эксплуатации;
- значительное уменьшение тепловложения, поскольку нагревается всего около 5 % общего объема металла детали, что приводит к снижению затрат электроэнергии.
Таким образом, замена ХТО поверхностной закалкой оправдана как с точки зрения улучшения эксплуатационных характеристик, так и из экономических и экологических соображений.
Трудность использования индукционной закалки в данном случае заключается в том, что наличие лунок искажает распределение электромагнитного поля, а, следовательно, теплового потока в детали. Различается также и интенсивность отвода тепла от выступа и впадины. В результате закаленный слой может оказаться неравномерным.
Следует отметить, что валики по количеству лунок (2 или 3) и их расположению неидентичны. На одних лунки удалены друг от друга на 3-5 мм, на других же разнесены на расстояния от 14 до 48 мм. Расположение лунок от торца валиков колеблется от 3 до 78 мм. Эти обстоятельства потребовали отработки параметров процесса для каждого отдельного случая.
Валики изготавливали из стали 40Х. Ставилась задача обеспечить глубину закаленного слоя рабочих поверхностей не менее 2 мм с твердостью на поверхности 56-58 HRC. Поскольку фиксатор при эксплуатации не касается дна лунки, допускалось наличие незакаленного слоя на расстоянии от дна лунок не более 5 мм.
Для исследований были выбраны наиболее нагруженные валики с неблагоприятным для закалки ТВЧ расположением лунок на очень близком расстоянии (~ 3 мм) друг от друга (рис. 1).
Поверхностное упрочнение деталей производили на высокочастотной установке с питанием от генератора с частотой 8000 Гц и максимальной мощностью 100 КВт.
Учитывая, что деталь длинная, нагрев осуществлялся непрерывно-последовательно и равномерно. Для этого валик вращался в поле индуктора, который перемещался снизу вверх с определенной скоростью, последовательно нагревая один участок поверхности за другим. Деталь охлаждалась водой также непрерывно-последовательно с помощью душирующего устройства.
После поверхностной закалки определяли глубину закаленного слоя и твердость на цилиндрической части валика и на вершинах выступов, также изучали микроструктуру в продольном и поперечном сечении детали.
Результаты экспериментальных исследований приведены в табл. 1.
Здесь Dи - диаметр индуктора; Ц., 1Т - напряжение и сила тока генератора генератора соответственно; т - время нагрева; V - скорость движе-
ния индуктора, Р - мощность генератора, р0 -удельная мощность индуктора.
Сопоставление твердости с макро- и микроструктурой валиков позволило установить, что обработка по режиму 1 (мощность 17 КВт) вообще не приводит к превращению в поверхностных слоях, и твердость остается на исходном уровне. При обработке по режиму 2, несмотря на увеличение мощности до 23 КВт, имеет место недогрев, карбиды не успевают растворится в аустените. Это приводит к низким значениям твердости и большому ее разбросу. Обработка по режиму 3 за счет снижения скорости движения индуктора при той же мощности обеспечивает более полное насыщение аустенита углеродом. Однако и в этом случае на поверхности наряду с мартенситом с твердостью 50-52 HRC присутствуют участки с трооститной структурой (твердость 42-45 HRC). Таким образом, и этот режим нельзя считать удовлетворительным.
Обращает на себя внимание, что после обработки по режимам 2 и 3 упрочненный слой неравномерен, имеет размытые границы, что свидетельствует о значительном рассеянии электромагнитного поля. Для получения более концентрированного потока энергии, как известно, следует уменьшить зазор между индуктором и деталью. Поэтому следующая серия экспериментов была проведена с индуктором D = 50 мм (режимы 4-6). При этом была увеличена мощность индуктора.
Из таблицы видно, что высокие значения твердости получились после обработки по режиму 5. Однако в данном случае произошла сквозная закалка выступов и образование в сердцевине валиков участков троосто-мартенситной структуры с твердостью 48-52 HRC. Это может привести к хрупкому разрушению.
Наилучшие результаты получились при обработке по режиму 6, который обеспечил относительно однородный по толщине упрочненный слой (~ 2,2 мм на цилиндрической части и 3,5 мм на выступах) и высокую равномерную твердость. Этот режим рекомендуется для обработки валиков.
Можно ожидать еще лучших показателей при уменьшении диаметра индуктора до 40 мм. По известным литературным данным [3] для деталей диаметром менее 50 мм зазор между индуктором и деталью должен быть в пределах 2-5 мм, что приведет к повышению электрического КПД и более концентрированному потоку энергии.
Использование индукционной закалки взамен нитроцементации сократит технологический цикл обработки деталей с 9 (рис. 2) до 3 (рис. 4) операций. При этом значительно уменьшится общая
длительность процесса обработки валиков.Табли-ца 1 Параметры обработки и твердость закаленной поверхности
Рис. 4. Технологический цикл обработки валиков с использованием индукционной закалки
Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения закалки ТВЧ взамен нитроцементации для валиков при объеме 3500 шт. составит около 70000 грн.
Выводы
Проведенные эксперименты показали возможность и эффективность упрочнения валиков переключения передач индукционной закалкой взамен нитроцементации. Определены параметры индукционной
обработки,обеспечивающей получение требуемой структуры и твёрдости изделий.
Использование индукционной закалки позволит существенно сократить технологический цикл,
повысить в 4-5 раз производительность обработки, уменьшить затраты электроэнергии, улучшить условия труда и экологическую обстановку.
Литература
1. Шепеляковский К.З. Упрочнение деталей ма-
шин поверхностной закалкой при индукционном нагреве. - М.: Машиностроение, 1972. - 288 с.
2. Башнин Ю.А., Ушаков Б.К., Секей А.Г. Техно-
логия термической обработки. - М.: Металлургия, 1984. - 424 с.
3. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для
индукционного нагрева. - Ленинград: Энергия, 1974. - 264 с.
Рецензент: А.С. Полянский, д. т. н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 2 июня 2006 г.
Режим Параметры обработки Твер-
Dk, мм иг, кВ 1г , А т, с V, мм/с P, кВт Р0, кВт/см2 дость HRC
1 470 60 60 5,0 17 0,53 20...23
2 70 550 70 60 5,0 23 0,72 35...48
3 550 70 65 4,5 23 0,60 42.52
4 610 110 47 6,6 34 1,05 38.45
5 50 800 130 75 4,2 57 1,79 57.58
6 610 110 58 5,5 34 1,05 57.58
Закалка ТВЧ
