Выбор между мягкими и твёрдыми боковыми поверхностями зубьев: как порог 350 HBW определяет материал, термическую обработку и маршрут обработки

Краткое руководство: сначала определите твёрдость боковой поверхности зуба, затем выбирайте сталь. В повседневной практике 350 HBW отмечает границу между мягкими и твёрдыми боковыми поверхностями. На мягкой стороне используется маршрут закалки и отпуска: сталь 45 при примерно 217–255 HBW, 40Cr при примерно 241–286 HBW, 42CrMo при примерно 269–302 HBW, и маршрут «сначала нарезать зубья, потом термически обработать», так что деформация при термической обработке никогда не портит готовую форму зуба, а стоимость остаётся умеренной. На твёрдой стороне применяется цементация и закалка: 20CrMnTi даёт 58–62 HRC на поверхности с сердцевиной, удерживаемой на уровне 30–45 HRC, и маршрут меняется на «сначала термически обработать, потом шлифовать зубья», добавляя операции и расходы, но позволяя получить более компактное, лёгкое зубчатое колесо при равной нагрузке. Цифра 350 HBW — это отраслевая условность, а не значение, записанное в каком-либо стандарте; на практике её необходимо уравновешивать со скоростью, нагрузкой, ударом и ограничениями по габаритам.

1. Что заставляет цементацию и закалку создавать твёрдую корку над пластичной сердцевиной

Отправной точкой для цементации и закалки является низкоуглеродистая сталь (углерод 0,15%–0,25%), которая выдерживается в углеродсодержащей атмосфере, так что углерод проникает в поверхностный слой, после чего её закаливают и отпускают при низкой температуре. В результате одно зубчатое колесо приобретает два контрастных свойства: содержание углерода на поверхности возрастает примерно до 0,8%, и после закалки твёрдость достигает 58–62 HRC, обеспечивая износостойкость и сопротивление давлению; содержание углерода в сердцевине практически не изменяется, с твёрдостью 30–45 HRC, обеспечивая прочность и сопротивление ударному разрушению.

В 20CrMnTi как Ti, так и Mn улучшают прокаливаемость, поэтому даже более толстые сечения могут быть прокалены насквозь. Для зубчатых колёс средней нагрузки обычно принимаемая эффективная глубина цементированного слоя составляет 0,8–1,5 мм: недостаточная глубина позволяет упрочнённому слою разрушиться под нагрузкой, в то время как чрезмерная глубина повышает стоимость и фактически снижает ударную вязкость.

Цементация даёт ещё одно преимущество: мартенситное превращение в поверхностном слое оставляет остаточные сжимающие напряжения, поэтому усталость при изгибе у корня зуба ведёт себя более предсказуемо, чем в индукционно-закалённых деталях равной твёрдости. Именно поэтому трансмиссии, подверженные ударам — автомобильные, строительные машины — почти всегда требуют цементируемую сталь.

2. Материалы зубчатых колёс и значения твёрдости с первого взгляда

• Материал 45: Закалка и отпуск
  • Твёрдость поверхности зуба: 217–255 HBW
  • Типичное применение: Низкая скорость и лёгкая нагрузка, зубчатые колёса общего назначения
• Материал 40Cr: Закалка и отпуск
  • Твёрдость поверхности зуба: 241–286 HBW
  • Типичное применение: Средняя скорость и средняя нагрузка, станки, редукторы общего назначения
• Материал 42CrMo: Закалка и отпуск
  • Твёрдость поверхности зуба: 269–302 HBW
  • Типичное применение: Большой модуль, тяжёлая нагрузка, требуется повышенная прочность
• Материал 40Cr: Поверхностная закалка
  • Твёрдость поверхности зуба: 45–55 HRC
  • Типичное применение: Средняя нагрузка, требуется износостойкость
• Материал 20CrMnTi: Цементация и закалка
  • Твёрдость поверхности зуба: Поверхность 58–62 HRC, сердцевина 30–45 HRC
  • Типичное применение: Высокая скорость и тяжёлая нагрузка, с ударом (например, автомобильные трансмиссии)
• Материал QT600-3: В литом/нормализованном состоянии
  • Твёрдость поверхности зуба: 190–270 HBW
  • Типичное применение: Крупные низкоскоростные зубчатые колёса, интегрированные детали корпуса

Приведённые выше значения являются обычными справочными диапазонами; окончательные цифры определяются чертежом и техническим соглашением.

3. Начальное решение: мягкая или твёрдая боковая поверхность

Зубчатое колесо с мягкой боковой поверхностью — это такое, твёрдость поверхности которого после закалки и отпуска или нормализации остаётся ниже 350 HBW. Его поверхность мягкая и зависит от приработки для развития контакта; маршрут — «сначала нарезать зубья, потом термически обработать», так что деформация от термической обработки не ухудшает точность уже нарезанной формы зуба, а стоимость остаётся умеренной.

Зубчатое колесо с твёрдой боковой поверхностью имеет твёрдость поверхности выше 350 HBW (или выше 45 HRC). Его поверхность твёрдая, а несущая способность высока; при той же нагрузке зубчатое колесо может быть изготовлено меньшим и легче. Однако маршрут обратный — сначала термически обработать, потом шлифовать зубья — что добавляет операции и повышает стоимость.

Линия 350 HBW — это широко применяемая отраслевая условность, а не цифра, определённая каким-либо стандартом. Реальными движущими факторами решения являются скорость, нагрузка, наличие удара и доступное установочное пространство.

4. Распространённые ошибки, которых следует избегать

1. Чертёж, на котором указана только марка стали и нет твёрдости, неполон. Один и тот же 40Cr может следовать двум маршрутам, закалке и отпуску или поверхностной закалке, и твёрдость боковой поверхности различается почти в два раза (241–286 HBW против 45–55 HRC), поэтому технологический маршрут, расценка и срок поставки полностью расходятся.
2. Для цементированных деталей необходимо заранее предусмотреть достаточный припуск на шлифование. Деформация при цементации и закалке неизбежна, а шлифование зубьев является окончательной гарантией точности. Припуск для цементированных деталей обычно больше, чем для закалённых и отпущенных деталей (обычно 0,2–0,3 мм на сторону для среднего модуля), и упрочнённый слой не должен быть сошлифован.
3. Для мелкосерийного пробного производства не хватайтесь сразу за 20CrMnTi. Цикл цементации плюс шлифования зубьев измеряется неделями; когда нагрузка умеренная, подойдут 40Cr или даже закалённая и отпущенная сталь 45, и это обойдётся дешевле. Купить дорогой материал — не достижение; купить правильный материал — достижение.

5. Однозначные данные о материале — основа однозначной цены

Квалифицированный чертёж зубчатого колеса должен содержать как минимум три пункта в графе материала: марку стали, метод термической обработки и диапазон твёрдости. Когда эти три пункта определены, появляется основа для обсуждения технологического маршрута и стоимости — прямозубые и косозубые цилиндрические зубчатые колёса изготавливаются по чертежам, поддержка механической обработки охватывает черновое нарезание, чистовое нарезание, шевингование и шлифование зубьев, а возможности термической обработки и контроля представлены в разделе контроль и система качества.

Пришлите чертёж — модуль, число зубьев, степень точности, требования к термической обработке, условия эксплуатации — и инженерная команда ответит после проверки чертежа с рекомендациями по материалу и термической обработке, технологическим маршрутом и расценкой. Свяжитесь с Pinyi Electromechanical.