литое зубчатое колесо

Когда слышишь ?литое зубчатое колесо?, половина технологов сразу представляет себе песчаные формы и дешевый чугун. А ведь если взять модифицированный алюминиевый сплав АК7ч – прочность на разрыв уже под 300 МПа, плюс демпфирование вибраций в 2-3 раза выше, чем у стали. Но об этом почему-то молчат в техзаданиях.

Почему литьё до сих пор путают с штамповкой

В 2018 к нам на завод ?Цзыян Синлида Редукторное оборудование? пришел заказчик с чертежом шестерни для конвейера – требовал цельнокатаную заготовку. Когда я спросил, почему не рассматриваем литьё под давлением, он начал рассказывать про ?хрупкость?. Пришлось показать микроструктуру сплава АМг6 – после термообработки зерно мельче, чем у катаной стали 40Х.

Основная ошибка – заказчики смотрят на предел прочности, забывая про коэффициент запаса усталости. Для литых колёс с правильно спроектированным расположением литников он достигает 1.8 против 1.3 у штампованных. Но это только если контролировать скорость охлаждения от 800 до 400°C не более 90 секунд.

Кстати, на https://www.xld-russia.ru мы как раз выложили сравнительные тесты редукторов с литыми и коваными колёсами – там видно, как при перегрузках на 20% штампованные шестерни дают трещины у основания зуба, а литые просто постепенно истираются.

Технологические ловушки при литье крупномодульных колёс

С модулем от 12 мм начинаются проблемы с усадочными раковинами. В 2020 делали колесо m=16 для шаровой мельницы – в массивном венце после механической обработки обнаружили полость глубиной 8 мм. Пришлось разрабатывать систему холодильников из графитовых стержней.

Тут важно не переборщить с обогревом литниковой системы – если перегреть сплав выше 780°C для чугуна, графитизация пойдет неравномерно. Один раз пришлось выбраковать партию из-за чешуйчатого графита у корня зубьев.

Сейчас для ответственных деталей используем комбинированное литье: венец из стали 35ХГСЛ, ступицу из СЧ25. Но это уже требует согласования по коэффициенту линейного расширения – как-то при термообработке диск покоробило на 1.2 мм.

Как мы спасли проект с редуктором для судового крана

В 2021 поставили литые зубчатые колеса на поворотный механизм крана – через 200 часов работы появился шум. Оказалось, проблема в разной твердости: ступица 180 HB, венец 210 HB. После нормализации при 860°C с выдержкой 4 часа разница снизилась до 15 единиц.

Заметил интересную деталь – при литье колес с асимметричным профилем зуба (например, для червячных пар) важно ориентировать отливку в форме под углом 15-20° к вертикали. Иначе в верхней части зуба появляются газовые поры.

Экономика против качества: где граница

Многие цеха пытаются экономить на подготовке шихты – потом удивляются, почему при закалке ТВЧ зубья покрываются сеткой трещин. Для колёс диаметром до 500 мм мы вообще отказались от возврата – только первичные алюминиевые сплавы и чугун с контролем содержания фосфора ниже 0.03%.

Кстати, про стоимость – литое колесо m=8 для редуктора Ц2У-200 выходит на 25% дешевле штампованного, но требует дополнительных 3 часов на механическую обработку. И это без учета возможного брака.

Наш завод с 1995 года прошел через все эти грабли – сейчас для особо ответственных применений рекомендуем гибридную технологию: литой диск с напрессованным стальным венцом. Правда, это требует спецоснастки для нагрева.

Неочевидные преимущества литых решений

При работе в агрессивных средах (например, на химических производствах) литые колеса из никелевых сплавов показывают в 4 раза больший ресурс, чем штампованные – из-за отсутствия остаточных напряжений после прокатки.

Еще один момент – возможность создавать сложные формы ступицы без дорогостоящей фрезеровки. Для редукторов специального исполнения это иногда сокращает массу на 15-20%.

Но нужно помнить про ударную вязкость – если для стальных колёс KCU составляет 30-50 Дж/см2, то для чугунных редко превышает 10. Поэтому для дробильного оборудования всё-таки используем стальное литьё с последующей закалкой.

Почему некоторые проекты проваливаются

В 2019 был случай – заказали литые шестерни для привода шнека без учета крутильных колебаний. Через 3 месяца работы срезало шпонку. Пришлось переделывать конструкцию с бочкообразными зубьями.

За 26 лет работы мы на заводе ?Цзыян Синлида? убедились – успех на 60% зависит от правильного техзадания. Часто конструкторы не указывают требования к шероховатости боковых поверхностей зубьев, а потом удивляются шуму.

Что изменилось за последние 5 лет

С появлением симуляции процессов кристаллизации удалось снизить брак с 12% до 3-4%. Но до идеала далеко – например, для колёс с внутренними полостями всё ещё требуется опыт технолога для расстановки выпоров.

Сейчас активно экспериментируем с аддитивными технологиями для изготовления литейных моделей – это позволяет сократить цикл подготовки производства с 3 недель до 5 дней. Правда, прочность таких моделей пока оставляет желать лучшего.

Если говорить о перспективах – думаю, через 5-7 лет литьё по выплавляемым моделям полностью вытеснит песчаные формы для серийных изделий. Уже сейчас точность достигает 9-й степени, а шероховатость Rz 20.

Выводы, которые нигде не прочитаешь

Главный секрет – не в технологии, а в подготовке персонала. Литьё шестерен требует от мастера понимания металловедения, а не просто следования инструкциям.

На практике часто оказывается, что дешевле сделать штампованное колесо для мелких серий до 100 шт. – экономия на оснастке перекрывает разницу в стоимости заготовки.

И да – никогда не соглашайтесь на литьё колёс с модулем менее 2 мм. Там проблемы с заполнением формы перевешивают любую экономию.