Зубчатое колесо с зубчатым венцом средней твёрдости

Когда слышишь про зубчатое колесо с зубчатым венцом средней твёрдости, половина технологов сразу представляет себе нечто универсальное, почти шаблонное. А на деле — это тот самый узел, где либо редуктор живёт десятилетиями, либо сыпется после первых же нагрузок. Мы на Заводе ?Цзыян Синлида Редукторное оборудование? с 1995 года через это прошли: и перекал, и недокал, и усталостные трещины по корню зуба.

Почему средняя твёрдость — не ?посредственная?

Многие заказчики до сих пор путают твёрдость 45–50 HRC с чем-то ?упрощённым?. На деле — это баланс между износостойкостью и вязкостью. Если перекалить венцовую часть, колесо станет хрупким, особенно при ударных нагрузках. А вот среднетвёрдый венец держит знакопеременные нагрузки — например, в судовых редукторах, где вибрация идёт постоянная.

У нас на заводе был случай: для конвейерной линии в шахту поставили колёса с закалкой под 60 HRC. Через три месяца — отколы по зубьям. Перешли на 48–50 HRC с последующей дробеструйной обработкой — ресурс вырос втрое. Но и тут есть нюанс: если не выдержать режим отпуска, появится отпускная хрупкость.

Кстати, именно для таких задач мы в ?Синлиде? часто используем сталь 40Х или 38ХМ, в зависимости от того, идёт ли речь о редукторах общего назначения или о спецзаказах. Варим венец к центру колеса — но тут важно не перегреть зону сплавления.

Технологические провалы, которые научили нас точности

В 2012 году мы получили заказ на партию зубчатых колёс для буровых установок. Техкарты были старые, термообработку вели ?на глаз?. Результат — 30% брака по микротрещинам. Разбирались потом с металлографом: оказалось, скорость охлаждения в масле была слишком высокой для сечения венца.

С тех пор на каждую партию ведём журнал термоциклов. Да, это удорожает процесс, но зато — ни одного возврата по термообработке за последние 5 лет. Даже для нестандартных редукторов, где профиль зуба нестандартный, используем имитацию нагрева в ПО — чтобы избежать коробления.

Ещё один момент — шлифование после закалки. Если пережать колесо в центрах — появляются прижоги. Пришлось перейти на мягкие кулачки и контролировать биение посадочного отверстия после каждого прохода.

Как подбор стали влияет на ресурс венца

Не все понимают, что зубчатый венец средней твёрдости — это не только про твёрдость, но и про структуру стали. Например, для колёс с модулем выше 8 мм мы идём на легирование хромом и молибденом — иначе сердцевина не держит усталостную прочность.

Был у нас заказ от судостроителей — требовались колёса для редукторов главного хода. Использовали 38ХН3МФА — дорого, но зато за 10 лет эксплуатации ни одного случая питтинга. Хотя, честно говоря, для большинства применений хватает и 40Х, если нормализовать её правильно.

Важно: после термообработки обязательно делаем контроль на твёрдость по трем точкам зуба — у основания, на вершине и сбоку. Разброс более 3 единиц HRC — брак. Это правило у нас ввели после того, как одна партия ушла с неравномерной закалкой из-за неправильной укладки в печи.

Обработка зубьев: где кроются главные ошибки

Даже идеально термообработанное колесо можно испортить на финише. Например, если шлифовать зубья без учёта направления набегания — получим концентраторы напряжений. Мы в цехе долго спорили, стоит ли применять чистовое шевингование для среднетвёрдых колёс. Оказалось — да, но только если припуск оставить не более 0,03 мм.

Для редукторов с закаленной поверхностью зубьев иногда используем хонингование — но это уже для твёрдости выше 55 HRC. Для средней твёрдости чаще идёт чистовая обкатка. Кстати, именно на этом этапе часто выявляется неравномерность прилегания — если где-то пятно контакта смещено к ножке зуба, значит, была ошибка в закалке.

Из последнего: начали экспериментировать с ПКД-покрытиями для снижения шума. Пока рано говорить о результатах, но на испытаниях вибрация снизилась на 12%.

Почему геометрия венца важнее марки стали

Молодые инженеры часто гонятся за дорогими сталями, а потом удивляются, почему колесо шумит. А дело — в модификации головки зуба. Для зубчатых колёс, работающих на высоких скоростях, мы всегда делаем бочкообразный профиль — убираем краевые контакты.

Запомнился случай с одним химическим комбинатом: заказали у нас колёса для мешалки, а через полгода — жалобы на вибрацию. Приехали, замерили — оказалось, вал прогибается под нагрузкой, и зуб работает только краем. Переделали с увеличенным углом перекоса — проблема ушла.

Сейчас для таких расчётов используем собственные наработки + зарубежные программы. Но до сих пор иногда проще взять мел и нарисовать эпюру контакта на старом колесе — чтобы понять, где именно износ идёт.

Заключение: не гонись за твёрдостью, гонись за стабильностью

Если бы меня спросили, что главное в зубчатом колесе с зубчатым венцом средней твёрдости, я бы сказал: предсказуемость. Не нужно стремиться к максимальным цифрам по твёрдости — нужно, чтобы каждое колесо из партии работало одинаково. Именно поэтому мы на ?Цзыян Синлида? столько лет держим статистику по каждому типу редукторов — от общепромышленных до судовых.

Да, иногда приходится объяснять заказчикам, почему мы не используем ?суперстали? для обычных применений. Но когда они видят, что наши колёса работают по 15 лет без замены — вопросы отпадают. Опыт — вот что не заменишь никакими ГОСТами.

Кстати, сейчас вот пробуем новые режимы азотирования для повышения износостойкости без роста хрупкости. Если получится — напишу продолжение. А пока — пора в цех, там как раз печь идёт на отпуск.