Зубчатое колесо с твёрдым зубчатым венцом

Когда слышишь про зубчатое колесо с твёрдым зубчатым венцом, половина инженеров сразу представляет себе этакую 'неубиваемую' деталь. А на деле-то закалка поверхности зубьев — это не панацея, а скорее тонкий компромисс между износостойкостью и хрупкостью. Помню, как на одном из старых прокатных станов поставили такие колёса с поверхностной закалкой до 60 HRC, а они через месяц посыпались — потому что сердцевину не продумали, напряжения не сняли. Вот об этих подводных камнях и хочу порассуждать.

Где проваливаются даже расчёты

Теория у всех на слуху: цементация, закалка ТВЧ, азотирование. Но вот конкретный пример — делали мы партию колёс для шахтного конвейера, заказчик требовал твёрдость 58-62 HRC. Провели цементацию, всё по ГОСТу. А в работе зубья начали выкрашиваться мелкими фрагментами. Разбирались — оказалось, перегрели при шлифовке, появились отпускные трещины. Микроскоп показал сетку карбидов по границам зёрен. Вывод: даже при идеальных параметрах закалки последующая обработка может всё испортить.

Кстати, про цементацию — многие забывают, что после неё обязательна двойная закалка. Первая — для измельчения зерна, вторая — для получения мартенсита. Если пропустить первый этап, в сердцевине остаётся крупное зерно, и ударная вязкость падает в разы. Проверяли на разрывной машине: образцы с неправильным термоциклом лопались при нагрузках на 30% ниже расчётных.

Ещё один нюанс — геометрия закалённого слоя. Идеальный вариант — равномерный 'кожух' по всему контуру зуба. Но на практике, особенно при ТВЧ, на вершине зуба слой тоньше, у основания — толще. Для тихоходных передач это некритично, а вот на оборотах свыше 1500 об/мин начинается локальный перегрев вершины. Видел как-то шестерню, где рабочие поверхности были целы, а вершины зубьев 'оплыли'.

Китайские аналоги: мифы и реальность

Сейчас многие берут комплектующие у Завод 'Цзыян Синлида Редукторное оборудование' — их сайт https://www.xld-russia.ru пестрит каталогами. Работал с их зубчатыми колёсами для судовых редукторов. Признаюсь, сначала относился скептически — думал, китайское значит 'сырое'. Но в 2018 году тестировали их колёса с закалённым венцом на стенде — выдержали 20 000 циклов при нагрузке 120% от номинала. Правда, пришлось дорабатывать посадочные места — у них свой ряд допусков.

Кстати, у них интересно реализована система контроля глубины закалённого слоя. Не разрушающий метод, а ультразвуковой — видел в цеху, как оператор сканирует зубья датчиком. Погрешность ±0.1 мм. Для крановых механизмов сгодится, а вот для авиационных редукторов я бы не рискнул — там нужен металлографический анализ каждого зуба.

Что не понравилось — у них венцы иногда перекалены. Брали партию для горнорудного оборудования, так на трёх колёсах из двадцати при монтаже появились радиальные трещины у основания зубьев. Видно, перестарались с закалкой. Пришлось самим делать низкотемпературный отпуск — спасли ситуацию, но время потеряли.

Когда твёрдость губит конструкцию

Самая частая ошибка — гнаться за максимальной твёрдостью. Был у нас проект для металлургического комбината: редуктор с зубчатым колесом с твёрдым зубчатым венцом, расчётная твёрдость 61-63 HRC. Сделали — а при обкатке пошла вибрация. Оказалось, из-за высокой твёрдости пришлось увеличить модуль зубьев, что сместило резонансные частоты. Пришлось переделывать с твёрдостью 56-58 HRC и применять шлифование профиля с коррекцией.

Ещё важный момент — остаточные напряжения. После объёмной закалки в масле деталь 'ведёт' так, что биение по венцу достигает 0.3 мм. Править бесполезно — снимаешь напряжение, и через месяц геометрия снова уплывает. Сейчас для ответственных деталей применяем стабилизирующий отпуск сразу после ковки — дорого, но эффективно.

Кстати, про коробление — кто работал с колёсами диаметром свыше 2 метров, тот знает: после закалки они становятся похожи на 'блюдце'. Особенно хромоникелевые стали 20ХН3А. На заводе 'Синлида' для таких случаев используют прессовые установки с водяным охлаждением — видел в цеху, как зажатое колесо остывает под давлением 50 тонн. Результат неплохой, биение не превышает 0.1 мм на диаметре.

Нестандартные решения для изношенных колёс

Иногда приходится реанимировать старые зубчатые колёса с твёрдым зубчатым венцом вместо изготовления новых. Был случай на цементном заводе — шестерня дробилки, рабочие поверхности изношены на 1.5 мм. Восстанавливали наплавкой с последующей закалкой ТВЧ. Варили проволокой Св-08Г2С, но тут важно было выдержать температуру межпроходов — если перегреть, основной металл начинал отпускаться.

После наплавки пришлось шлифовать зубья почти 'вслепую' — копировальный станок не брал из-за наплывов. Сделали шаблон по уцелевшим участкам, вручную выводили профиль. Работали три недели, но стоимость вышла в 4 раза дешевле нового колеса. Правда, ресурс получился всего 60% от оригинала — наплавленный металл не дал нужной прокаливаемости.

Для таких случаев у 'Синлида' есть услуга изготовления нестандартных колёс — они по нашим эскизам сделали комплект с увеличенным припуском на износ. Интересно, что применили сквозную закалку с низким отпуском — твёрдость 54-56 HRC по всему сечению. Для ударных нагрузок оказалось идеально.

Мелкие детали, которые решают всё

Часто проблемы возникают из-за мелочей. Например, фаски на торцах зубьев — если их не сделать, при закалке от краёв идут трещины. Или галтели у основания — слишком маленький радиус приводит к концентрации напряжений. Проводили как-то испытания: при радиусе 0.5 мм усталостная прочность была на 40% ниже, чем при радиусе 2 мм.

Ещё про шпоночные пазы — их нужно фрезеровать ДО закалки. Видел, как на одном заводе пытались прорезать паз в закалённом колесе твердосплавной фрезой — инструмент сгорел после 3 мм, а в детали пошли трещины. Пришлось отправлять на электроэрозию — неделя простоя.

Смазочные канавки — тоже головная боль. Если их нарезать после термообработки, резец 'рвёт' материал. Лучше делать до закалки, но тогда нужно защищать кромки от перегрева медными прокладками. На 'Синлида' для таких случаев используют лазерную гравировку — чисто, но дорого.

Что в итоге работает на практике

За 20 лет работы убедился: зубчатое колесо с твёрдым зубчатым венцом — не просто 'закалённая болванка'. Это система из основного металла, переходной зоны и упрочнённого слоя. Если нарушить баланс — деталь не отработает и половины ресурса. Для большинства применений хватает поверхностной закалки на глубину 1.2-1.6 мм с твёрдостью 56-60 HRC.

Из производителей относительно стабильны китайские заводы вроде 'Синлида' — их продукция выдерживает средние нагрузки. Для экстремальных условий всё равно приходится дорабатывать — снимать припуск шлифовкой, полировать рабочие поверхности.

Сейчас экспериментируем с лазерной закалкой — точечное воздействие, меньше коробление. Но пока технология сыровата — неравномерность твёрдости достигает 4-5 единиц HRC. Может, через пару лет доведут до ума...