Dobór technologicznej warstwy wierzchniej w kołach zębatych

ZBIGNIEW GAWROŃSKI*, JACEK SAWICKI*, BOGDAN KRUSZYŃSKI**, PIOTR ZGÓRNIAK** Dobór technologicznej warstwy wierzchniej w kołach zębatych STRESZCZENIE W niniejszej pracy na przykładzie koła zębatego przedstawiono dobór TWW w wyniku superponowania naprężeń własnych i naprężeń pochodzących od obciążeń zewnętrznych. Symulację naprężeń od obciążeń zewnętrznych przeprowadzono Metodą Elementów Skończonych (MES) przy wykorzystaniu pakietu ANSYS. Pomiaru naprężeń własnych dokonano metodą Waismana- Phillipsa i zmodyfikowaną metodą rentgenowską sin 2 \ /. Wyniki superpozycji naprężeń potwierdzone zostały badaniami eksploatacyjnymi. Przeprowadzone badania wykazały, że zastosowana obróbka nawęglania próżniowego znacznie podwyższa trwałość i niezawodność omawianego koła zębatego w porównaniu do obróbki tradycyjnej stosowanej dotychczas. ABSTRACT Technological surface layer selection of gear wheel Selection of proper technological surface layer well resistant to cyclic external loads superposed into residual stresses is presented in this paper, with a gear wheel taken as an example. The computer simulations of external loads were carried out by means of the FEM method with the use of the ANSYS package. Residual stresses were measured by means of the Waisman-Phillips and modified X-ray sin 2 \ / method. The result of the stress superposition were verified experimental. The applied vacuum carburizing demonstrated a high ability to increase the durability and reliability of the discussed gear wheel in comparison with the conventional treatment applied so far. WPROWADZENIE W projektowaniu par ciernych pracujących w warunkach zużycia zmęczeniowego bardzo istotną rolę odgrywa poziom naprężeń własnych w warstwie wierzchniej [1]. Wartość naprężeń własnych i ich rozkład decydują w tym przypadku o jego trwałości i niezawodności. Utworzona baza danych o stanie naprężeń własnych i jej odpowiednie wykorzystanie do superponowania z widmem naprężeń stykowych od obciążeń zewnętrznych pozwala na rozwiązanie wielu złożonych problemów tribologicznych. Obecnie przy zastosowaniu standardowego programu komputerowego możliwe jest opracowanie superpozycji naprężeń własnych i pochodzących od obciążeń zewnętrznych dla dowolnego węzła tarciowego. Można więc znacznie przyśpieszyć proces projektowania węzłów tarciowych wprowadzając określony schemat postępowania (rys. 1) [2]. Przedstawiona procedura obliczeniowa (rys. 1) pozwala na wykonanie jakościowej i ilościowej oceny wpływu głębokości i mikrostruktury utwardzonych warstw wierzchnich na rzeczywisty stan naprężeń podczas eksploatacji. Umożliwia także przyjęcie podstawowych kryteriów strukturalnych i ekonomicznych do optymalnego wyboru procesu wytwarzania utwardzonych warstw wierzchnich elementów maszyn i urządzeń. W celu realizacji tej procedury należy wykonać następujące zadania badawcze: zbudować model dyskretny, określić naprężenia pochodzące od obciążeń zewnętrznych, wyznaczyć rozkład naprężeń własnych dla poszczególnych rozwiązań materiałowych i technologicznych, przeprowadzić weryfikację wiarygodności uzyskanych wyników pomiaru naprężeń własnych, wykonać superpozycję naprężeń od obciążeń zewnętrznych i własnych, zweryfikować uzyskane wyniki badań w oparciu o dane eksploatacyjne. * prof. nadz. dr hab. inż. Zbigniew Gawroński, * dr inż. Jacek Sawicki, Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Łódzka ** prof. dr hab. inż. Bogdan Kruszyński, ** dr inż. Piotr Zgórniak, Instytut Obrabiarek i TBM, Politechnika Łódzka W ich wyniku powstanie opis funkcyjny i wizualizacja stanu naprężeń własnych w warstwach wierzchnich w warunkach eksploatacji dla wybranych typowych skojarzeń węzłów ciernych urządzeń mechanicznych. Umożliwi to wybór metody wytwarzania utwardzonych warstw wierzchnich, jak i parametrów procesu technologicznego w celu uzyskania warstw optymalnych zarówno ze względu strukturalnego jak i ekonomicznego. Doświadczalna baza danych wartości i rozkładu naprężeń własnych ^L System eksj)ercki ^^fr. (superpozycja r a prężę ń) ^ r^^^^^^ Materiałowa ^^^^ Eksperymenty 1 baza danych inżynierskie / INŻYN.ERSKIE Tradycyjne,*2 1! ROZWIĄZANIE ^^ metody ^H^ reaulv obliczeń PROBLEMU prc jektowania inżynierskich Rys. 1. Model projektowania inżynierskiego warstw wierzchnich metodą konwencjonalną i modelową (według kryterium naprężeń własnych) Fig. 1. The surface layer engineering design In tradttional" and model" yersious Modelowanie stanu naprężeń rzeczywistych i badania eksploatacyjne prowadzono dla koła zębatego którego parametry techniczne zamieszczono w tabeli 1. Stanowiły one podstawę do modelowania rozkładu naprężeń pochodzących od obciążeń zewnętrznych. BUDOWA MODELI DYSKRETNYCH Modele dyskretne opracowano w oparciu o pakiet ANSYS.Przyjęto elementy płaskie prostokątne o dwóch stopniach swobody w węźle- PLANE 42" oraz elementy kontaktowe - CONTACT 172" i TARGET 169" wygenerowane między powierzchniami docisku. W opracowanych modelach (rys. 2 ) wyodrębniono, przy powierzchni NR 5/2006 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 967

styku, submodele o rozmiarach kilkuset mikrometrów. Są one niezbędne do prowadzenia analizy przemieszczeń w mikroobszarze o rozmiarach porównywalnych z zasięgiem obszaru istnienia naprężeń własnych w warstwie wierzchniej. W submodelach przyjęto wartości przemieszczenia w węzłach brzegowych określone podczas projektowania modelu. Tabela 1. Parametry techniczne koła zębatego Tobie 1. Technical data for gear wheel Parametry techniczne Jednostka Kolo zębate Punkt Bielajewa Z, - Q.4mrn ANSYS MPa -68 -lii -443-62 Q -797 - i Moduł m = 5 Przełożenie i = l Liczba zębów Średnica podziałowa Wysokość zęba Zi = z 2 = 26 dj = d 2 = 130 b = 15 Rys. 4. Izoliniowy rozkład naprężeń zredukowanych w warstwie wierzchniej styku kół zębatych (m=5) i położenie punktu Bielajewa Zg. Fig. 4. Isolinear reduced stresses distribution In the near surface żonę ofthe gear teeth. Theposition ofthe Belayey point is depicted Moment obrotowy Nm M = 1517 500 Rys. 2. Model dyskretny węzła ciernego współpracujących kół zębatych o module m=5 (a), submodel w miejscu ich styku (b) Fig. 2. Discrete model ofthe discussedfrictionpair of module m=5 gear teeth and selected submodel ot contact point MODELOWANIE STANU NAPRĘŻEŃ RZECZYWISTYCH W pierwszym etapie symulacji komputerowej przy użyciu programu ANSYS otrzymano rozkład naprężeń zredukowanych w warstwie wierzchniej kół zębatych po obciążeniu ich maksymalnym momentem obrotowym (tabela 1) oraz rozkład naprężeń występujących w warstwie wierzchniej mechanizmu krzywkowego obciążonego maksymalnym ciśnieniem roboczym 30 MPa. Wyznaczono jednocześnie położenie punktu Bielajewa Z B. Stąd można dobrać odpowiednią głębokość TWW dla analizowanych węzłów ciernych. W drugim etapie modelowania przeprowadzono symulację rozkładu naprężeń wzdłużnych ax występujących w warstwie wierzchniej węzłów. Analiza naprężeń wzdłużnych umożliwia ocenę nie tyko ich wartości, lecz również znaku. Jest więc dobrym narzędziem dla oszacowania zasięgu występowania wynikowych naprężeń rozciągających przyśpieszających w istotny sposób zmęczenie stykowe [3]. Uzyskane wyniki modelowania dla wybranych węzłów tarcia przedstawiono na rys. 3-4. -2500 800 1200 1600 2000 Zasięg oddziaływania naprężeń, jjm Rys. 5. Rozkład naprężeń wzdłużnych w warstwie wierzchniej styku kół zębatych o module m = 5 dla maksymalnych obciążeń zewnętrznych Fig. 5. The longential stress In the surface layer od the gear m=5for extreme work conditions Zagadnieniem podstawowym w projektowaniu węzłów ciernych jest procedura optymalnego doboru materiału oraz obróbki cieplnej. Z analizy literaturowej wynika, że nawęglanie jest podstawową obróbką cieplną kół zębatych o średnim module, szeroko stosowaną w przemyśle maszynowym i motoryzacji [4]. Konwencjonalne procesy nawęglania są w ostatnich latach zastępowane nawęglaniem próżniowym [6] - ekologicznie przyjazną technologią zapewniającą większą wytrzymałość zmęczeniową z jednoczesnym zapewnieniem dużej powtarzalności właściwości warstwy wierzchniej. Dodatkowo koła zębate nawęglane próżniowo mają tę zaletę w porównaniu do kół nawęglanych konwencjonalnie, że nie wymagają tak dużych naddatków na szlifowanie. Występująpowtarzalne odkształcenia hartownicze i brak utleniania wewnętrznego. Powoduje to znaczne skrócenie czasu oraz obniżenie kosztów końcowej obróbki ubytkowej. W konsekwencji wpływa także korzystnie na stan naprężeń własnych w warstwach wierzchnich kół zębatych [7]. WYKONANIE PRÓBEK I ICH OBRÓBKA CIEPLNA Rys. 3. Rozkład naprężeń zredukowanych w warstwie wierzchniej zębów koła zębatego o module m=5 Fig. 3. The map ofreduced stresses distribution in the surface layer of gear teeth Próbki ze stali 17CrNi6-6 wykonano w postaci płaskich płytek o wymiarach 120x20x3,5. Powierzchnie próbek szlifowano. W celu usunięcia naprężeń wywołanych obróbką mechaniczną próbki wyżarzano w piecu próżniowym w temperaturze 550 C w czasie 2 h. Po wyżarzaniu próbki chłodzono z piecem i następnie poddano, wybranej do procesu optymalizacji TWW, obróbce cieplnej (tabela 2). Scharakteryzowano poszczególne warstwy wierzchnie, opisując ich budowę mikrostrukturalną głębokość warstwy, a także maksymalną twardość i jej położenie. Zastosowane parametry obróbki utwardzającej wynikały z wcześniej przeprowadzonych badań nad ich wpływem na właściwości użytkowe wytworzonych warstw wierzchnich [7]. 968 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXVI l

Przedstawiono mikrostruktury warstw wierzchnich (rys. 6-7) po obróbce cieplnej. Tabela 2. Materiały i wybrane technologie obróbki cieplnej zastosowane w metodyce doboru TWW rozpatrywanych kół zębatych wraz z charakterystyką warstwy wierzchniej Table 2. Treatment parametr sof samples madę of 17CrNi6-6 steel Rodzaj koła (D B O * n Obróbka cieplna Nawęglanie konwencjonalne 950 C/3 h Hartowanie - 780 C Odpuszczanie 250 C/1 h Nawęglanie próżniowe 950 C/1 5 h Hartowanie z podchłodzeniem do 740 C w sprężonym azocie pod ciśnieniem 1,6MPa Odpuszczanie 250 C/1 h Głębokość warstwy 0,9 0,8 Twardość 680 HV na powierzchni max715hv na głębokości 0,1 powierzchni max745hv na głębokości prądu 0,3-^0,4 A/cm2. Trawienie elektrolityczne kontrolowano w sposób ciągły przez pomiar temperatury elektrolitu. W przypadku podwyższenia temperatury o 2 C proces przerywano. Grubość próbki mierzono długościomierzem Abbego przed i po trawieniu w dziesięciu punktach i określono wartość średnią pomiarów. Pomiar grubości próbki w tych samych miejscach przed i po trawieniu zapewnił dodatkowo uchwyt ustalający bazę pomiarową. Błąd pomiarowy spowodowany naciskiem czujnika na trawioną próbkę określono w badaniach wstępnych na próbkach o grubości 2,5; 3,5 i 4,5, trawionych na głębokość 0,2. Stosowano nacisk pomiarowy 1,5; 3; i 5 N. Badania przeprowadzono na kilkunastu próbkach dla każdej obróbki cieplnej. Wyniki pomiarów opracowane zostały statystycznie przez zawarty w urządzeniu program komputerowy. NAPRĘŻENIA WŁASNE W WARSTWIE WIERZCHNIEJ PO NAWĘGLANIU STALI 17CRNI6-6 Rozkład naprężeń własnych w warstwie wierzchniej stali 17CrNi6-6 opracowano dla próbek po nawęglaniu konwencjonalnym i próżniowym oraz hartowaniu i niskim odpuszczaniu. Ustalono pasma rozrzutu otrzymanych wartości naprężeń własnych dla wszystkich badanych próbek. Przeprowadzono analizę statystyczną, oraz określono ich średnie wartości w funkcji odległości od powierzchni (rys.10). 100 Rys. 6. Mikrostruktura stali 17CrNi 6-6 po nawęglaniu konwencjonalnym, hartowaniu i niskim odpuszczaniu. Warstwa nawęglona o głębokości -0,9. Trawiono odczynnikiem MilFe Fig. 6. Surface metallography od 17crNi6-6 steel after comentional carburizing Rys. 7. Mikrostruktura stali 17CrNi 6-6 po nawęglaniu próżniowym, hartowaniu i niskim odpuszczaniu. Warstwa nawęglona o głębokości -0,8 Trawiono odczynnikiem MilFe Fig. 7. Surface metallography od 17crNi6-6 steel after vacuum carburizing ROZKŁADY NAPRĘŻEŃ WŁASNYCH Zbiory rozkładów naprężeń własnych w warstwie wierzchniej badanej stali wyznaczono metodą Waismana-Phillipsa [8]. Do weryfikacji wyników tych badań użyto zmodyfikowanej metody rentgenograficznej sin 2 v / [1]. Dokonano analizy rozkładu naprężeń własnych na głębokości warstwy do 900um. Wyznaczone pasmo naprężeń własnych w funkcji odległości od powierzchni zweryfikowano dla każdego wariantu obróbki cieplnej. Warstwy kolejne próbek usuwano przez trawienie elektrolityczne z wymuszonym przepływem elektrolitu (10%-wy roztwór kwasu azotowego). Stosowano gęstość -900 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Odległość od powierzchni, ^im Rys. 8. Średnie naprężenia własne w warstwie wierzchniej stali 17CrM6-6 po nawęglania konwencjonalnym i próżniowym i obróbce cieplnej Fig. 8. Residual stresses distribution in surface layer of!7crm6-6 steel after conventional and vacuum carburizing Analiza wyników badań (rys.8) wskazuje, że rodzaj nawęglania, a tym samym uzyskana mikrostruktura warstwy nawęglonej mają znaczącą rolę w kształtowaniu rozkładu naprężeń własnych w warstwie wierzchniej stali 17CrNi6-6. Maksymalne naprężenie ściskające w przypadku nawęglania konwencjonalnego występuje na głębokości 20 um i wynosi -570 MPa. Na powierzchni wynosi natomiast -495 MPa. Inny charakter ma rozkład naprężeń własnych w przypadku nawęglana próżniowego. W tym przypadku maksymalne naprężenie ściskające występuje na powierzchni i wynosi -710 MPa. SZLIFOWANIE KÓŁ ZĘBATYCH Proces szlifowania prowadzono stosując ściernice podane w tab.3 oraz parametry obróbki zawarte w tab.4. NAPRĘŻENIA WŁASNE W WARSTWIE WIERZCHNIEJ STALI 17CRNI6-6 PO PROCESIE NAWĘGLANIA, OBRÓBCE CIEPLNEJ I SZLIFOWANIU Ustalono pasma rozrzutu otrzymanych wartości naprężeń własnych dla wszystkich badanych próbek. Przeprowadzono analizę statystyczną, i określono średnie wartości naprężeń własnych w funkcji odległości od powierzchni (rys.9), a następnie przeprowadzono analizę statystyczną i określono średnie wartości naprężeń własnych w funkcji odległości od powierzchni. NR 5/2006 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 969

Tabela 3.Charakterystyka ściernic Tobie 3. Grinding Wheel characteristic Materiał ścierny Elektrokorund Regularny azotek boru - CBN Tabela 4. Parametry szlifowania Tobie 4.Grinding parameters Oznaczenie ściernicy D 320. H20 99A80M8Y S 1100A D 300. H 20. Grubość warstwy CBN - 3 Rozmiar ziarna - 100/80, Koncentracja - 75, Spoiwo żywiczne MPa). Ten niekorzystny rozkład naprężeń związany jest z koniecznością zeszlifowania znacznych naddatków kół zębatych ze względu na duże odkształcenie oraz strefę utlenienia wewnętrznego, powstałych podczas nawęglania konwencjonalnego. Natomiast po nawęglaniu próżniowym, tuż pod powierzchnią, obserwuje się niewielkie naprężenia ściskające (ok.-50 MPa). Zmiana wartości naprężeń podpowierzchniowych, w porównaniu do próbki nawęglanej konwencjonalnie, związana jest z mniejszymi naddatkami przeznaczonymi na ich zeszlifowanie. SUPERPOZYCJA NAPRĘŻEŃ WŁASNYCH I OD OBCIĄŻEŃ ZEWNĘTRZNYCH Superpozycja naprężeń własnych z naprężeniami pochodzącymi od obciążeń zewnętrznych pozwala na ustalenie rzeczywistych warunków pracy optymalizowanych węzłów ciernych. Umożliwia bowiem ocenę nie tylko ich wartości, lecz również znaku. Z kolei pozwala to na oszacowanie zasięgu występowania naprężeń rozciągających wpływających niekorzystnie na wytrzymałości zmęczeniową węzłów ciernych. Parametr Oznaczenie Wartość Jednostka 400 Prędkość skrawania Posuw styczny stołu Długość skoku suwaka ściernicy v s v Iss 30 165 35 m/s /min i -400 Częstotliwość skoków suwaka ściernicy fss 140 podw. skoków/min. -800 Nominalny naddatek obróbkowy Ciecz obróbkowa ae 0,05 Polgrind A; Wydatek 10 dcm 3 /min. 400 Na węglanie konwencjonalne i szlifowanie ściernicą eleklrokorundową Nawęglanie próżniowe i szlifowanie ściernicą elektro korundową Na węglanie próżniowe i szlifowanie ściernicą CBN 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Odległość od powierzchni, ^im Rys. 9. Średnie naprężenia własne w warstwie wierzchniej stali 17CrM6-6 po nawęglaniu konwencjonalnym i próżniowym, hartowaniu i niskim odpuszczaniu oraz szlifowaniu Fig. 9. Residual stresses distribution vs depth below the surfacefor comentiowd and vacuum carburizing and conventional and CBN grinding Rozkłady średnich naprężeń własnych (rys.9) wskazują, że najbardziej korzystny synergizm właściwości użytkowych (ściskające naprężenia na powierzchni - ok.-380 MPa) uzyskuje się po nawęglaniu próżniowym i szlifowaniu ściernicą CBN. Stosowanie ściernic z materiałów supertwardych wymaga starannego doboru warunków szlifowania dla zapewnienia kryterium ekonomiczności procesu, ze względu na wysokie koszty narzędzi i ich regeneracji. Analiza naprężeń własnych uzyskanych po procesie nawęglania konwencjonalnego i próżniowego oraz szlifowania ściernicą elektrokorundową wskazuje na bardzo znaczne zróżnicowanie ich poziomu i rozkładu wartości. Po nawęglaniu konwencjonalnym na powierzchni próbki występują naprężenia rozciągające (max. +420-1200 -1600-2000 200 400 600 od obciążeń zewnętrznych t i ' «800 1000 1200 1400 1600 Zasięg oddziaływania naprężeń, Nawęglanie konwencjonalne, szlifowanie-elektrokorund Nawęglanie próżniowe, szlif owa nie-etektrokorund Nawęglanie próżniowe, szlif owa nie-cbn Rys. 10. Superpozycja naprężeń własnych i od obciążeń zewnętrznych w kole zębatym o module m=5 po różnej obróbce cieplnej dla ekstremalnych warunków pracy Fig. 10. Superposing ofthe stresses doming front external input and the residual ones in the gear teeth m=5 after conventional and vacuum carburizing and convencional and CBN grinding 1800 Superpozycję naprężeń własnych i od obciążeń zewnętrznych po różnych obróbkach technologicznych dla koła zębatego o średniej wartości modułu przedstawiono na rys. 10. Analiza superpozycji naprężeń wykazała, że nawęglanie konwencjonalne i szlifowanie ściernicą elektrokorundową prowadzi do powstania w pobliżu punktu tocznego naprężeń rozciągających o wartości maksymalnej ok. +610 MPa. Powstały rozkład naprężeń jest niekorzystny - przyśpiesza rozwój pittingu i obniża wytrzymałość zmęczeniową zębów. Lepszy rozkład naprężeń wynikowych ma koło zębate po nawęglaniu próżniowym i szlifowaniu ściernicą elektrokorundową. W obszarze zazębienia koła, wynikowe naprężenia powierzchniowe przyjmują wartość maksymalną +250 MPa. Wpływa to na zwiększenie wytrzymałości zmęczeniowej współpracujących kół zębatych w porównaniu do obróbki konwencjonalnej. Najlepszy rozkład naprężeń po ich superpozycji uzyskuje się po procesie nawęglania próżniowego i szlifowania ściernicą wykonaną z regularnego azotku boru. W całym obszarze wzajemnego oddziaływania kół zębatych występują naprężenia ściskające. Na powierzchni zębów osiągają one wartość ok. 260 MPa. Taki rozkład naprężeń ogranicza tworzenie się w warstwie wierzchniej współpracujących zębów zarodków katastroficznego pękania zmęczeniowego. W rezultacie zapewnia to dużą trwałość węzła ciernego. 970 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA ROK XXVI l

BADANIA EKSPLOATACYJNE Weryfikację uzyskanych wyników symulacji numerycznej przeprowadzono na doświadczalnych stanowiskach do prób zginania zębów. Badania zmęczeniowe prowadzono w próbie dla cyklu zginania tętniącego. Wartość naprężenia w przekroju zęba u jego podstawy była zmienna. Wyniki próby statycznej rozciągania były podstawą do określenia poziomów wartości naprężenia a = 560, 600, 640, 680, 720, 760 i 800 MPa. Badania przeprowadzono przy jednakowej częstotliwości zmiany cyklu obciążenia f = 10 Hz. Dla wybranych cykli siły obciążającej ząb określano ugięcie zęba. Pomiar ugięcia zęba wykonano za pomocą ekstensometru mocowanego na dwóch kolejnych zębach - obciążanym i nie obciążanym. Podczas badań ustalono, po określonej liczbie cykli obciążenia, wartości zmian naprężenia oraz odkształcenia dla jednego cyklu obciążenia (100 danych na jeden cykl). Pozwala to na analizę zjawisk towarzyszących cyklicznemu obciążeniu. Jednocześnie prowadzono obserwację inicjacji pęknięcia zmęczeniowego w obszarze podstawy zęba koła. Wytrzymałość zmęczeniową na zginanie określono na podstawie obliczonych naprężeń rzeczywistych. Dla usunięcia wątpliwości, że niektóre wyniki pomiarów obarczone są błędem, sprawdzono ich przynależność do populacji metodami statystycznymi. Przyjęto metodę eliminacji polegającą na ocenie końców przedziałów ufności dla pojedynczego rezultatu. Uzyskane wyniki pomiarów były podstawą do określenia pochylenia krzywej Wohlera metodą najmniejszych kwadratów. Przeprowadzono analizę statystyczną wyników doświadczalnych celem potwierdzenia, czy uzyskane współczynniki kierunkowe prostych dla różnych wersji obróbki kół zębatych różnią się na przyjętym poziomie istotności. Określono tym samym, czy wprowadzone procesy technologiczne wpływają na zmianę wytrzymałości zmęczeniowej kół zębatych. Wyniki badań dla wszystkich prowadzonych procesów nawęglania i szlifowania kół zębatych przedstawiono na rys.11. 900 800 700 600 500 400 o Nawęglanie konwencjonalne, szltfowanie-elektrckorund o Nawęglanie próżniowe, szlifowanie-elaklrokorund...&... Nawęglanie próżniowe, szlifowanie-cbn 10* 10* 10* 10 T 10 Liczba cykli N Rys. 11. Zakres ograniczonej wytrzymałości krzywej Wohlera kół zębatych po nawęglaniu i szlifowaniu Fig. 11. The rangę of limtted strength ofcurve Wohlera ofgearwheels after carburizing and polishing Analiza danych wskazuje, że szlifowanie kół zębatych ściernicami z regularnego azotku boru (CBN) poprawia znacznie wytrzymałość zmęczeniową zębów na zginanie. Dotyczy to zarówno kół nawęglanych konwencjonalnie jak i nawęglanych próżniowo. Dla obu przypadków nawęglania obserwuje się ponad dwukrotne zmniejszenie wartości współczynnika kierunkowego prostej, określającej zmienność wytrzymałości zmęczeniowej w funkcji liczby cykli, dla szlifowania ściernicą CBN w porównaniu do szlifowania ściernicą elektrokorundową. Przyczyny tak pozytywnego wpływu szlifowania ściernicami CBN upatruje się w dobrych właściwościach cieplnych ściernic CBN (większa przewodność i dyfuzyjność cieplna). Otrzymuje się lepszy podział energii szlifowania. Mniejszy jest udział energii płynącej do przedmiotu w całkowitej energii szlifowania. Ilość ciepła płynącego do przedmiotu obrabianego podczas szlifowania ściernicami CBN w połączeniu z mniejszą energochłonnością procesu jest więc znacznie mniejsza w porównaniu ze szlifowaniem ściernicami elektrokorundowymi. Korzystny wpływ szlifowania ściernicami z regularnego azotku boru wynika także ze stanu naprężeń własnych po szlifowaniu tymi ściernicami. Jest wynikiem niższej temperatury szlifowania, spowodowanej lepszym bilansem cieplnym przy zastosowaniu tych ściernic. Nawęglanie próżniowe, jako obróbka poprzedzająca szlifowanie uzębień, wprowadza pozytywne efekty w postaci podwyższenia wytrzymałości zmęczeniowej zębów kół zębatych zarówno w przypadku szlifowania ściernicami elektrokorundowymi jak i ściernicami CBN. Większe zmiany wartości współczynnika kierunkowego kół zębatych poddanych nawęglaniu uzyskano dla szlifowania ściernicami CBN niż dla szlifowania konwencjonalnego. Potwierdza to, że dużo większe efekty można uzyskać dzięki synergicznemu oddziaływaniu nawęglania próżniowego i szlifowania ściernicami CBN. Pomimo pozytywnych efektów uzyskanych przez stosowanie ściernic CBN po nawęglaniu konwencjonalnym, zwrócić należy uwagę, że ten pozytywny efekt może być niwelowany w praktyce przemysłowej przez konieczność usuwania znacznie większych naddatków obróbkowych po nawęglaniu konwencjonalnym niż po nawęglaniu próżniowym. Jest to spowodowane znacznie większymi odkształceniami zębów w obróbce konwencjonalnej. W efekcie kosztowne ściernice CBN są nieefektywnie eksploatowane. Większe naddatki obróbkowe wymuszają głębsze nawęglanie, co również powoduje dodatkowe koszty. Jednoznacznie wykazano, że największej wytrzymałości zmęczeniowej na zginanie należy oczekiwać w kołach zębatych nawęglanych próżniowo i szlifowanych ściernicami z regularnego azotku boru. WNIOSKI Badania eksploatacyjne wykazały, że istnieje możliwość oddziaływania na trwałość zmęczeniową elementów maszyn, wykonanych z tego samego materiału, poprzez konstytuowanie TWW przez dobór technologii i warunków obróbki cieplnej i wykończeniowej (szlifowania). Bardzo ważnym czynnikiem kształtującym TWW są naprężenia własne. Spełniają dużą rolę w przebiegu procesu zużycia warstwy wierzchniej zębów. Naprężenia rozciągające występujące w TWW są szczególnie niebezpieczne -skracają czas do inicjacji pęknięć powierzchniowych. Naprężenia własne ściskające prowadzą natomiast do wydłużenia czasu propagacji pęknięć poprzez hamowanie rozwoju szczelin pittingowych. Superpozycja naprężeń dla kół nawęglanych konwencjonalnie stwarza znacznie dogodniejsze warunki do rozwoju zniszczeń i uszkodzeń w porównaniu do superpozycji dla kół nawęglanych próżniowo. Przeprowadzone badania eksploatacyjne w pełni potwierdziły wyniki symulacji numerycznej. Można więc przeprowadzić optymalizację doboru TWW bez konieczności prowadzenia czasochłonnych i kosztownych badań laboratoryjnych. LITERATURA [1] Gawroński Z.: Technologiczna warstwa wierzchnia w kołach zębatych i mechanizmach krzywkowych. Monografia PŁ, Łódź, 2005r.G [2] Gawroński Z.: Wpływ stanu naprężeń własnych w warstwach azotowanych na zużycie o charakterze zmęczenia stykowego", Monografia PŁ, Łódź, 1999 [3] Gawroński Z., Kula P., Piertasik P., Sawicki J.: Nowe technologie utwardzania powierzchniowego ograniczające zmęczenie stykowe części maszyn". Zagadnienia Eksploatacji Maszyn, PAN, Z.2 (126), vol.36, 2001, s. 19-31 [4] Kula P., Olejnik J.: Nawęglanie Próżniowe; Technologia, Ekonomia, Przyszłość. Nowoczesne Trendy w Obróbce Cieplnej. Świebodzin, 2001, 1. [5] Miiller L.: Przekładnie zębate - projektowanie. Wyd. IV, WNT, Warszawa 1996. [6] Kula P.: Inżynieria warstwy wierzchniej. Monografie, Łódź 2000. [7] Gawroński Z., Kruszyński B., Kula P.: Synergistic effects of thermochemical treatment and super abrasive grinding in gears' manufacturing. Journal of Materials Processing Technology, 159, 2005, 249. [8] Waisman J., Phillips A.: Proc. of the Soc. Experimental Stress Analysis, vol XI, Number 2, 1952, s.102 NR 5/2006 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 971