Нестандартные закаленные цилиндрические зубчатые колеса

Когда слышишь про нестандартные закаленные цилиндрические зубчатые колеса, первое, что приходит в голову — это вечные проблемы с термообработкой. Многие думают, что достаточно взять стандартную шестерню и просто закалить её поглубже. На деле же при закалке цилиндрических колёс неравномерность прогрева приводит к короблению, которое не всегда исправишь шлифовкой. У нас на заводе 'Цзыян Синлида Редукторное оборудование' через это прошли — в 2012 году пришлось переделывать партию для судового редуктора из-за трещин в зоне перехода шейки вала.

Почему нестандартные колёса — это не просто 'изменил размер'

Заказчики часто приносят чертежи, где меняют всего один параметр — скажем, увеличивают диаметр на 10 мм. Кажется, мелочь? Но при пересчёте нагрузки на зуб выясняется, что нужна другая марка стали. Для нестандартных закаленных цилиндрических зубчатых колес мы перешли на 20ХН3А вместо стандартной 40Х — лучше держит ударные нагрузки в портовых кранах.

Как-то раз для элеваторного редуктора сделали колёса с увеличенным модулем, но оставили прежнюю твёрдость 45 HRC. Через три месяца заказчик вернулся со сколами зубьев. Разобрались — не учли, что при большем модуле нужно поднимать твёрдость до 58-60 HRC, иначе контактные напряжения не выдерживают. Теперь всегда считаем запас прочности с коэффициентом 1.8 для нестандартных решений.

На https://www.xld-russia.ru мы вынесли отдельный раздел по расчёту нестандартных передач — там есть примеры, как изменение угла наклона зуба всего на 2 градуса меняет выбор технологии закалки. Кстати, для цилиндрических колёс с твёрдостью выше 55 HRC уже нужен индукционный нагрев, а не объёмная закалка — иначе сердцевина не держит.

Закалка: где теряют даже опытные

Самое сложное в нестандартных закаленных цилиндрических зубчатых колесах — не сама закалка, а подготовка. Если перед термообработкой не снять фаски в основании зубьев, появляются концентраторы напряжения. Однажды пришлось списыть 12 заготовок — технолог забыл указать на чертеже радиус закругления 0.6 мм.

Твёрдость поверхности 58-62 HRC даёт износостойкость, но снижает вязкость. Для ударных нагрузок (молоты, дробилки) делаем сквозную закалку с отпуском при 300°C — получаем 50-52 HRC, но ресурс выше в 1.7 раз. Проверили на редукторах для горнодобывающего оборудования — наработка до первого отказа выросла с 800 до 1400 часов.

Завод 'Цзыян Синлида' с 1995 года экспериментировал с разными режимами закалки. Для колёс диаметром свыше 800 мм пришлось разработать ступенчатый прогрев — иначе сердцевина остаётся 'сырой'. Сейчас на площади 5500 м2 выделили отдельный участок для крупногабаритной термообработки.

Измерительный контроль — без компромиссов

После закалки цилиндрические колёса часто 'ведёт' на 0.1-0.3 мм. Казалось бы, немного? Но для редукторов с 6-й степенью точности это катастрофа. Используем трёхкоординатные машины с погрешностью 3 мкм — без этого нельзя гарантировать соосность валов.

Биение торцов у нестандартных закаленных цилиндрических зубчатых колес проверяем в четырёх точках по ГОСТ 1643. Бывает, что колесо идеально по зубу, но посадка на вал с натягом вызывает перекос. Для таких случаев держим набор оправок разного диаметра с точностью посадки H6.

Микроструктуру контролируем на шлифах — если видим пережжённый мартенсит, отправляем на переделку. Два года назад из-за дефектной партии подшипников качения пришлось менять 34 колеса — с тех пор закупаем подшипники только у проверенных поставщиков.

Монтаж и эксплуатационные тонкости

Даже идеально сделанное колесо можно убить при монтаже. Как-то наблюдал, как монтажники забивали колесо на вал кувалдой — результат: сколы на торцах зубьев. Теперь в паспорте на каждое нестандартное закаленное цилиндрическое зубчатое колесо пишем температуру нагрева перед посадкой (180-200°C для стальных ступиц).

Для редукторов с закаленной поверхностью зубьев рекомендуем синтетические масла — минеральные быстро окисляются при высоких контактных напряжениях. Провели сравнительные испытания: с синтетикой ресурс увеличился на 23%.

Интересный случай был с колесом для прокатного стана — заказчик жаловался на вибрацию. Оказалось, при сборке забыли поставить демпфирующую шайбу между колесом и валом. После доработки вибрация упала с 7.1 до 2.3 мм/с.

Экономика нестандартных решений

Делать нестандартные закаленные цилиндрические зубчатые колеса выгодно только при серии от 10 штук — иначе стоимость подготовки технологии 'съедает' всю экономию. Но для специальных применений (судовые редукторы, металлургия) альтернатив просто нет.

Рассчитываем стоимость не по массе заготовки, а по сложности обработки. Колесо с внутренним шлицем и торцевыми пазами может стоить в 3 раза дороже при той же массе — больше переходов на ЧПУ, сложнее базирование.

На сайте https://www.xld-russia.ru мы выложили калькулятор для предварительной оценки — заказчики видят, как изменение параметров влияет на цену. Это сократило количество бесполезных запросов на 40%.

Что в перспективе?

Сейчас экспериментируем с лазерной закалкой зубьев — получаем точную зону упрочнения без деформаций. Пока дорого, но для ответственных применений уже рентабельно. Первые образцы нестандартных закаленных цилиндрических зубчатых колес с лазерной обработкой испытали в составе повышающих скорость редукторов — результаты обнадёживают.

Ещё перспективное направление — комбинированные колёса: зубья закалены до 60 HRC, а ступица остаётся вязкой (35-40 HRC). Достигается специальной технологией индукционного нагрева с экранированием.

Из последнего: для буровой установки сделали колёса с упрочнением только рабочей стороны зуба — нестандартное решение, но ресурс вырос в 2.3 раза. Такие вещи не найдёшь в учебниках, только опытным путём.