Методология разработки технологий химико-термической обработки на основе моделирования диффузионных процессов, страница 4

Н.Э. Баумана.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,пяти глав, заключения, библиографического списка из 351 наименования,приложения. Общий объем работы составляет 384 страницы; диссертациясодержит 104 иллюстрации и 15 таблиц.20ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧПО КОНСТРУКЦИИ, МАТЕРИАЛАМ, УСЛОВИЯМ ЭКСПЛУАТАЦИИ,ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ ОБЕСПЕЧЕНИЮ ТРЕБУЕМЫХ РАБОЧИХСВОЙСТВ,ПРИМЕНЕНИЕПРОЕКТИРОВАНИЯРАСЧЕТНЫХПРОЦЕССОВМЕТОДОВВЦЕЛЯХХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙОБРАБОТКИ1.1 Классификация зубчатых передач по условиям эксплуатации иконструктивным особенностямВ современном двигателестроении применяются различные зубчатыепередачи, которые классифицируются по комплексу признаков. Длярешения задачи проектирования технологии наиболее существеннаклассификация по нагрузочно-скоростным условиям эксплуатации.Зубчатые передачи подразделяются на следующие группы [1]:1)малонагруженные,скоростьскольженияv ≤ 15м/с,распределенная нагрузка p ≤ 200 Н/мм;2) среднескоростные и средненагруженные, v = 15-60 м/с, p ≤ 200Н/мм;3) высокоскоростные и средненагруженные –а) v > 60 м/с, p ≤ 200 Н/мм;б) v > 40 м/с, p = 200-400 Н/мм;в) v ≤ 40 м/с, p > 400 Н/мм;4) высокоскоростные и тяжелонагруженные, v > 40 м/с, p > 400 Н/мм;5) тихоходные тяжелонагруженные.В конструкторской практике применяются различные виды зубчатыхколес:1) прямозубые цилиндрические колеса с внешним зацеплением;2) прямозубые цилиндрические колеса с внутренним зацеплением;АЛ-31Ф (ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют», Москва)Рисунок 1.1 – Кинематическая схема коробки передач авиационного газотурбинного двигателя2122Рисунок 1.2 – Кинематическая схема коробки передач авиационногогазотурбинного двигателя Д-30КУ (ОАО «Научно-производственноеобъединение «Сатурн», г.

Рыбинск Ярославской области)233) косозубые цилиндрические колеса с внешним зацеплением;4) косозубые цилиндрические колеса с внутренним зацеплением;5) прямозубые конические колеса;6) конические колеса с круговыми зубьями.В авиационных газотурбинных силовых установках 4-го поколенияколичествоцилиндрическихиконическихколесприблизительносоотносится как 9:1 (рисунок 1.1 и 1.2).Зубчатые колеса различаются по форме: дисковой, хвостовой,блочной двухвенцовой, сложной блочной и др.

(рисунок 1.3 и 1.4).По конструктивным соображениям в газотурбинном двигателеАЛ-31Ф используются практически исключительно прямозубые зубчатыеколеса (97 % от всех цилиндрических). Ограниченное применениекосозубые шестерни нашли в турбовальных и турбовинтовых двигателях.Более перспективным представляется применение шевронных зубьев приусловии высокой точности их изготовления [1].Для определения уровня требуемых эксплуатационных свойствсущественное значение имеют виды нагружения на зубья: одностороннее идвухстороннее.Сучетомхарактеранагрузочно-скоростныхусловийработызубчатых колес, а также их геометрии (формы и размеров) определяетсяспособ упрочняющей обработки. По способу упрочняющей обработкистальные зубчатые колеса подразделяются на:1).

подвергнутые объемной закалке;2) подвергнутые поверхностной закалке;3) подвергнутые химико-термической обработке.Для всех ответственных зубчатых колес применяется химикотермическая обработка: цементация, нитроцементация или азотирование[1, 2]. Цементация (нитроцементация) проводится с последующей закалкойи низким отпуском.24а)б)в)г)Рисунок 1.3 – Зубчатые колеса различной формы: а) дисковое cподшипником; б) колокольное; в) хвостовое цилиндрическое; г) хвостовоеконическое [1]25а)б)Рисунок 1.4 – Зубчатые колеса различной формы: а) блочное двухвенцовое[1]; б) дисковые и блочное трехвенцовоеВ зависимости от вида химико-термической обработки применяетсячистовая механическая обработка [1].

После высокотемпературныхпроцессовХТО–цементацииинитроцементациипроводится26зубошлифование со снятием припуска, равного 0,15-0,20 мм. Послеотносительно низкотемпературного процесса – азотирования, как правило,ограничиваются зубохонингованием со снятием припуска порядка 0,05 мм.Данное обстоятельство, с одной стороны, определяет трудоемкостьтехнологических процессов (большую при зубошлифовании), с другойстороны,протяженностьобработкунеобходимоприпускаучитыватьнаотделочнуюмеханическуюприопределениинеобходимыхпараметров диффузионного слоя.С конструктивной точки зрения зубчатые колеса характеризуютсяследующими геометрическими параметрами:1) модуль;2) габаритные размеры;3) наличие шлиц;4) наличие ступиц, при их наличии – размеры.С технологической точки зрения зубчатые колеса различаются:1) по характеристикам диффузионного слоя [1, 3]:а)эффективнойтолщинедиффузионногослояhэфф,определяемой, как расстояние от поверхности слоя накотором суммарная концентрация насыщающих элементов(углерода и азота) превосходит 0,4 % по массе либо твердостьпревосходит для цементации и нитроцементации 500 HV или50 HRC и для азотирования 500 HV;б) концентрации насыщающих элементов на поверхности(Cпов);в) градиенту концентрации насыщающих элементов (пов),определяемому как соотношение концентрации насыщающихэлементов, на расстоянии от поверхности, равном 1/3 hэфф, иCпов;27г) для цементуемых и нитроцементуемых авиационныхзубчатых передач выделяется также протяженность активнойприповерхностной карбидной (карбонитридной) зоны (hк), вкоторойприсутствуетзначительноеколичествосоответствующей фазы, следует отметить, что четкогокритерия определения ее протяженности не выработано поряду объективных причин.2) по наличию требования упрочнения шлиц;3) по характеристикам упрочненного слоя зубьев шлиц.Рекомендованосоотношение,следующеесвязывающееупрощенноеосновнуюпараметрическоехарактеристикугеометриизубчатого колеса – модуль m, с эффективной толщиной слоя [1]:(1.1)Необходимость задания оптимальной эффективной толщины слояобусловлено зависимостью от нее изгибной и контактной выносливостидиффузионного слоя [1, 4]На примере конструкции агрегатов авиационного газотурбинногодвигателячетвертогопоколения(АЛ-31Ф)проанализированораспределение зубчатых колес по геометрическим и технологическимпризнакам (таблица 1.1).Из анализа данных таблицы 1.1 следует, что зубчатые колеса изгруппы № 1 насыщены на максимально-допустимую глубину по формуле(1.1).

Большинство зубчатых колес из группы № 2 (m ≤ 3,5 мм) насыщенона глубину, превышающую предельную по формуле (1.1). Все зубчатыеколеса из групп № 3 и № 4 насыщены на глубину, превосходящуюрассчитанную на основании указанного соотношения. Протяженностьактивной карбидной зоны определяли по минимальной насыщенностидиффузионного слоя углеродом, равной 1,2 % (по массе). Протяженностьhк для всех групп зубчатых колес составляет примерно 0,43hэфф.28Таблица 1.1 – Распределение зубчатых колес авиационного агрегата погеометрическим и технологическим признакам [1]Группаm, ммCпов, %hэфф, ммhк, мм0,70,31,7512,002Доля от общего количествазубчатых колес в агрегате, %2,41,21,754,72,0017,02,501,03,002,40,410,41,43,502,410,43,003,5031,34,0038,10,57,42,44,4043,001,41,20,6Таким образом, назначая эффективную толщину диффузионногослоя,проектировщикпараметрическойзубчатыхформулойтипаколесвыраженияруководствовался(1.1),а,невероятно,результатами неоднократных механических испытаний на контактную иизгибную выносливость.

Такие испытания являются крайне трудо- иресурсозатратными.Вэтойсвязиэкспериментальныйметодпроектирования режимов ХТО нельзя признать рациональным.Согласно [5] зубчатые колеса являются следующими по значимостидеталями газотурбинного двигателя после лопаток турбины и компрессора,от качества которых зависит ресурс двигателя.

Надежность их работыопределяется состоянием поверхностного упрочненного слоя, которыйпреимущественно формируется в ходе ХТО.По результатам анализа зубчатых колес современных силовыхагрегатовустановлено,что,хотявнастоящеевремянаиболее29распространены цилиндрические прямозубые зубчатые передачи, такжечасто возникает необходимость в применении других конструкцийзубчатых передач. Кроме того их геометрические размеры и нагрузочноскоростные характеристики изменяются в широких пределах.Поскольку для каждой зубчатой передачи необходимо обеспечитьтребуемыйуровеньэксплуатационныхсвойств,обусловленныйгеометрией зубчатых колес, приложенной нагрузкой, скоростью вращенияи условиями работы, то возникает необходимость в замене эмпирическихподходов к выбору способа и факторов режима ХТО расчетными методамипроектирования технологических процессов, основанных на зависимостяхэксплуатационных свойств от характеристик диффузионного слоя ипараметров слоя от совокупности управляющих факторов ХТО.Замена газотурбинных двигателей (ГТД) четвертого поколениясиловыми агрегатами пятого поколения связана с дальнейшим ростомнагрузочных и скоростных характеристик зубчатых передач.