Podstawy Konstrukcji Maszyn

Transkrypt

1 Podstawy Konstrukcji Maszyn Część 2 Wykład nr Problemy materiałowe PODSTAWOWE WYMAGANIA STAWIANE PRZEKŁADNIOM ZĘBATYM Duża niezawodność, Mały stosunek masy do przenoszonej mocy, Niskie koszty wykonania i eksploatacji, Sprostanie wymienionym, podstawowym wymaganiom stawianym konstrukcjom przekładni zębatych nie jest łatwe. Ostateczna jakość wymienionych cech zależy nie tylko od poprawności konstrukcji i jakości wykonania ale także od zastosowanych materiałów. Wymagania stawiane przed materiałami używanymi na koła zębate dotyczą skomplikowanych warunków pracy, które dotyczą przede wszystkim zagadnień: Wytrzymałościowych (takich jak wytrzymałość zmęczeniowa) Trwałościowych (twardość powierzchni, możliwość stosowania obróbki cieplnej i cieplno chemicznej). Technologicznych związanych z obróbką (np.możliwość zastosowania odlewania czy spawania kół o znacznych wielkościach, obróbka skrawaniem a następnie utwardzanie powierzchni) 2 1

2 1. Cd. Podstawowe czynniki odpowiedzialne za jakość materiału: skład chemiczny, mikrostruktura, rozkład twardości w zębie, zanieczyszczenia niemetaliczne, wady materiałowe (pęknięcia, pęcherze i pory). Uzyskanie materiału o naprawdę wysokiej jakości jest bardzo kosztowne. Jest to powodem, dlaczego stosuje się je w ekonomicznie uzasadnionych przypadkach. Według normy ISO, materiały stosowane na koła zębate podzielono na trzy grupy jakościowe ze względu na postawione im wymagania: ML nie stawia się im wysokich wymagań jakościowych, a zakres badań jest ograniczony do podstawowych (kontrola twardości czy pęknięć powierzchniowych) 3 MQ materiały o średniej jakości, poddawane wyrywkowej kontroli istotnych cech materiałowych. Koszt badań można uznać za umiarkowany. ME - materiały o najwyższej jakości. Kontroli podlegają wszystkie ich własności. Koszty wytworzenia i przebadania są wysokie. Przykładowe materiały stosowane na koła zębate: Stale węglowe używane na koła słabo obciążone którym nie stawia się wysokich wymagań jakościowych 4 2

3 2. Przykładowe materiały stosowane na koła zębate: 2.1. Stale węglowe zwykłej jakości używane na koła słabo obciążone którym nie stawia się wysokich wymagań jakościowych Stale węglowe wyższej jakości koła przekładni ogólnego przeznaczenia 6 3

4 2.3. Stale stopowe koła przekładni specjalnego przeznaczenia, mocno obciążone Żeliwa niewielkie, słabo obciążone koła przekładni 8 4

5 3. Wpływ procesu wytwarzania na jakość materiału W procesie wytwarzania można wyszczególnić cztery główne etapy decydujące o jakości materiału: 3.1. Wytop 3.2. Przygotowanie prefabrykatu (odlewu lub odkuwki) 3.3. Obróbka cieplna lub cieplno chemiczna Konstruktor musi podjąć decyzję, jakie cechy powinien posiadać przewidywany do zastosowania materiał ( jaka twardość, grubość warstwy utwardzonej, sposób obróbki cieplnej lub cieplno chemicznej) Wpływ wytopu na jakość materiału Typowe cechy jakościowe materiału jak: rodzaj, kształt, ilość i rozmieszczenie wtrąceń niemetalicznych (czyli tzw. czystość) oraz jednorodność składu chemicznego i struktury kształtowana jest na etapie uzyskiwania wytopu. Sposoby wytapiania stali: konwencjonalne w łukowych piecach zasadowych, konwertorach tlenowych LD oraz kwaśnych piecach martenowskich nie zapewniają one nawyższej jakości specjalne sposoby wytopu otwarte piece łukowe ( zasadowe) z odtlenianiem próżniowym po wytopie, wytapianie indukcyjne w piecach próżniowych i inne. Do oceny jakości po wytopie służą wzorce czystości (np. PN-64/H ). Jedną z nowocześniejszych jest niemiecka skala wzorcowa podana w Stahl-Eisen- Prufblatt gdzie wtrącenia podzielono na cztery grupy: siarczki, tlenki łańcuszkowe, krzemiany i tlenki globularne. Oprócz metody porównawczej stosuje się też inne sposoby oceny zanieczyszczenia materiału [literatura]. 10 5

6 3.2. Przygotowanie prefabrykatu obróbka plastyczna 3.3. Obróbka cieplna i cieplno chemiczna W produkcji kół zębatych obróbka cieplna i cieplno chemiczna są zabiegami stosowanymi od dawna w celu polepszenia właściwości wytrzymałościowych materiału. Takie zabiegi jak: normalizowanie, hartowanie, ulepszanie cieplne, nawęglanie, azotowanie czy cyjanowanie Są obecnie powszechnie stosowane w procesie produkcji jednostkowej i seryjnej Obróbka cieplna HARTOWANIE Obejmuje dwie szybko następujące po sobie operacje: nagrzanie przedmiotu do określonej temperatury i przetrzymanie go w niej przez pewien okres czasu, a następnie szybkie schłodzenie. W wyniku hartowania przede wszystkim wzrasta twardość i wytrzymałość, ponadto zmienia się struktura wewnętrzna (w przypadku stali najbardziej pożądana jest struktura martenzytyczna) Twardość materiału zależy od zawartości węgla (wykres). 12 6

7 Ze względu na właściwości uzyskiwane w procesie hartowania stale różnią się między sobą głębokością hartowania, maksymalną twardością powierzchni, wielkością ziarna oraz skłonnością do pękania.zespół tych cech nazywany jest hartownością. Hartowność zależy nie tylko od zawartości węgla ale również dodatków stopowych takich jak: managan, molibden, chrom, krzem, nikiel. Ważne informacje można uzyskać z wykresów tzw. pasm hartowności (rys. poniżej). Z lewej strony stal 35HM Z prawej 34HNM Na wykresie można odczytać twardość w zależności od czoła próbki (wartość pomiędzy krzywymi zgodnie z PN-89/H-84030). 13 Rozkład twardości zęba jest bardzo ważną cechą użytkową. Zależy głównie od rodzaju materiału i sposobu hartowania. W zależności od sposobu nagrzewania rozróżniamy dwa rodzaje hartowania: na wskroś gdy nagrzewane, a następnie schładzane jest całe koło (proces w piecach), powierzchniowe gdy nagrzana jest tylko powierzchnia zębów (nagrzewanie palnikami lub induktorami wzbudzającymi w zębie wysokie częstotliwości). Należy pamiętać, że w trakcie hartowania mogą też zachodzić zjawiska niepożądane takie jak przegrzanie, odwęglenie, pęknięcia i odkształcenia. 14 7

8 NORMALIZOWANIE Normalizowanie polega na nagrzaniu materiału do określonej temperatury, przetrzymaniu go w tej temperaturze a następnie powolnym studzeniu w powietrzu. Celem obróbki jest usunięcie naprężeń własnych i uzyskanie jednolitej drobnoziarnistej struktury. Czasami normalizowanie bywa stosowane jako zabieg poprzedzający inne rodzaje obróbki cieplnej. Stal w stanie normalizowanym stosuje się na koła zębate słabo obciążone. ULEPSZANIE CIEPLNE Ulepszanie cieplne jest połączeniem hartowania i odpuszczania w temperaturze 500 do 600 C. Własności wytrzymałościowe są lepiej rozłożone niż po normalizowaniu, wzrasta Rm i twardość kosztem udarności. Zabieg ten jest stosowany przed hartowaniem płomieniowym lub indukcyjnym i ma na celu powiększenie wytrzymałości rdzenia Obróbka cieplno chemiczna NAWĘGLANIE I HARTOWANIE Umożliwia uzyskanie dużej twardości na powierzchni zęba przy miękkim rdzeniu. Realizuje się to poprzez zastosowanie materiału o zawartości węgla poniżej 0,23%, którego warstwę wierzchnią nawęgla się dyfuzyjnie. Po zahartowaniu można uzyskać twardości nawet 60 HRC. Grubość warstwy nawęglonej zależy od wielkości zębów (modułu). Warstwy azotowane są zwykle cienki i odznaczają się kruchością. Dlatego po azotowaniu nie stosuje się obróbki wykańczającej szlifowania. Polska Norma przewiduje tylko jeden gatunek stali do azotowania 38HMJ - która zawiera aluminium. 16 8

9 AZOTOWANIE Azotowanie umożliwia uzyskanie największej twardości. Polega ono na dyfuzyjnym wprowadzaniu azotu do warstwy wierzchniej. Proces może być realizowany w atmosferze amoniaku lub poprzez zanurzanie w specjalnych kąpielach. Zaletą azotowania jest to, że przeprowadza się je niskiej temperaturze, a studzenie odbywa się powoli (dzięki temu niewielkie odkształcenia i polepszenie wytrzymałości zmęczeniowej). Wadą jest znaczny czas procesu dochodzący do 80 godzin. Grubość warstwy wierzchniej nasycone azotem zależy od wielkości zębów. CYANOWANIE jest połączeniem nawęglania i azotowania przy czym własności 17 materiału po takiej obróbce bardziej są bardziej zbliżone do materiału nawęglonego. Zalecane twardości kół współpracujących 18 9

10 4. Smarowanie przekładni zębatych Funkcje spełniane przez olej w przekładni zębatej: zmniejsza tarcie i zużycie kół i łożysk, odprowadza ciepło powstające w węzłach ciernych, zapobiega korozji i przeciwdziała zatarciu, usuwa produkty zużycia. Produkowane w Polsce oleje dzieli się na dwie grupy: oleje do przekładni pojazdów mechanicznych oleje do przekładni przemysłowych Czynniki które powinny być wzięte pod uwagę przy doborze typu oleju: prędkość obwodowa i wymiary kół (im większa prędkość tym mniejsza lepkość) obciążenie i warunki pracy (im większe obciążenie i gabaryty przekładni tym większa lepkość) cechy materiału kół (twardość, skład chemiczny, rodzaj obróbki cieplnej i cieplno chemicznej oraz rodzaj obróbki mechanicznej) Poprawność doboru oleju potwierdza dopiero praktyka eksploatacyjna Sposoby smarowania smarowanie zanurzeniowe Jest to jeden z dwóch stosowanych typów smarowania. Niewątpliwie najprostszy. Korpus wypełniony jest olejem tak aby duże koła byłe w nim zanurzone na głębokość 10 mm (dla kół o module poniżej 6) lub więcej (dla kół o module powyżej 6)

11 Ze względów na zdolność oleju do odprowadzania ciepła ze strefy tarcia zaleca się aby na każdy przenoszony przez przekładnię 1 [kw] przypadało pomiędzy 0,3 a 0,6 litra oleju. Nie jest tak jednak zawsze gdyż w przekładniach samochodów na 1 [kw] przypada około 0,025 litra oleju. Skuteczność smarowania zanurzeniowego zależy od prędkości i średnicy kół. A obszar skutecznego smarowania B obszar w którym smarowanie zanurzeniowe będzie nieskuteczne Inne źródła podają krytyczną dopuszczalną prędkość v=12,5 [m/s] powyżej ktorej smarowanie zanurzeniowe przestaje być skuteczne. 21 Smarowanie obiegowe W smarowaniu obiegowym olej krąży w zamkniętym układzie i jest dostarczany do stref tarcia czyli do obszaru gdzie koła zazębiają się i do łożysk. System taki stosuje się do przekładni szybko obrotowych i mocno obciążonych (przekładnie lotnicze, okrętowe wałów głównych oraz duże przemysłowe). Dodatkowo smarowanie obiegowe stosuje się w przypadku przekładni o wałach pionowych. Schemat instalacji smarowania i chłodzenia oleju w przekładni śmigłowca; 1- pompa układu chłodzenia, 2 pompa oleju, 3-zawór zwrotny, 4,5-filtry, 6- chłodnica, 7- wentylator, 8,9 - czujnik i wskaźnik temperatury, 10 czujnik temperatury maksymalnej, 11- manometr, 12- czujnik braku smarowani minimalnego ciśnienia 22 11

12 Doprowadzanie oleju do strefy tarcia Sposób doprowadzenia oleju do strefy tarcia powinien gwarantować dostarczenie oleju do obciążonych powierzchni współpracujących redukuje tam tarcie i odbiera ciepło

13

14 27 14