Разработка технологического процесса изготовления заготовки коронной шестерни методом обработки давлением (на примере стали 20Х2Н4А)

Введение: Постановка задачи и актуальность

Коронная шестерня является одним из наиболее ответственных элементов тяжелонагруженных редукторов, в частности, тяговых передач железнодорожного транспорта или горнодобывающей техники. Ее выход из строя может привести к катастрофическим последствиям, что обуславливает экстремально высокие требования к прочности, износостойкости и усталостной выносливости. Понимание этих критических факторов лежит в основе разработки надежного и эффективного технологического процесса.

Предметом данного исследования является разработка и обоснование технологического процесса получения заготовки коронной шестерни, основанного на методах обработки металлов давлением (ОМД). Цель работы — выбрать оптимальный метод формообразования (горячая объемная штамповка), разработать детализированный технологический маршрут и произвести расчет операционных размеров на основе научно обоснованного расчетно-аналитического метода.

Актуальность работы определяется необходимостью обеспечения максимальной технологичности и экономической эффективности производства при одновременном гарантировании заданных эксплуатационных характеристик. Это требует интеграции передовых методов ОМД, химико-термической обработки (ХТО) и автоматизации расчетов, что и является ключевым условием конкурентоспособности современного машиностроения.

Анализ конструктивных и эксплуатационных требований к детали

Функциональное назначение и виды повреждений

Коронная шестерня, как правило, функционирует в условиях высоких контактных напряжений и динамических нагрузок. Это определяет основные виды ее повреждений, требующие технологического противодействия:

1. Контактная усталость: Проявляется в виде выкрашивания рабочих поверхностей зубьев (питтинг) из-за циклических контактных напряжений, что приводит к критическому снижению ресурса.
2. Изгибная усталость: Разрушение корня зуба, вызванное переменными напряжениями изгиба, является наиболее опасным видом поломки.
3. Чрезмерный износ: Истирание поверхностей, связанное с недостаточной твердостью или нарушением режима смазки.

Для предотвращения данных видов повреждений конструкция и технология изготовления должны обеспечить сочетание высокой поверхностной твердости (для противодействия износу и контактной усталости) с достаточной вязкостью и прочностью сердцевины (для сопротивления изгибу и хрупкому разрушению). Нормы точности изготовления зубчатых колес тяговых передач, согласно ГОСТ 30803-2014, устанавливаются на высоком уровне, например, не ниже 8-й степени точности по ГОСТ 1643. Как можно обеспечить такую точность при работе с тяжелонагруженными материалами?

Выбор исходного материала и обоснование

Для достижения требуемого сочетания свойств (твердой поверхности и вязкой сердцевины) необходимо использовать конструкционные легированные стали, пригодные для цементации.

В качестве исходного материала выбрана сталь 20Х2Н4А (хромоникелевая сталь по ГОСТ 4543). Эта марка относится к особо ответственным сталям, применяемым для тяжелонагруженных деталей, работающих при высоких и ударных нагрузках.

Обоснование выбора стали 20Х2Н4А:

Характеристика	Требуемое значение	Назначение
Твердость поверхности (после цементации и ТО)	59–63 HRC	Обеспечение износостойкости и контактной выносливости.
Твердость сердцевины	25–45 HRC	Обеспечение вязкости, сопротивления изгибу и предотвращение хрупкого разрушения.
Предел прочности ($\sigma_{\text{В}}$)	Не менее 1270 МПа	Высокая общая прочность детали (для Ø 15 мм после ТО).
Предел текучести ($\sigma_{\text{Т}}$)	Не менее 1080 МПа	Сопротивление пластической деформации при пиковых нагрузках.
Ударная вязкость ($KCU$)	До 780 кДж/м2	Критически важна для работы в условиях ударных нагрузок.

Высокое содержание хрома и никеля обеспечивает глубокую прокаливаемость и стабилизацию аустенита, что критически важно для получения однородного и высокопрочного цементованного слоя, который будет служить гарантом долговечности детали.

Обоснование выбора метода получения заготовки

Сравнительный анализ методов формообразования

Выбор метода получения заготовки (литье, ковка, штамповка) определяется не только требованиями к точности, но и необходимыми физико-механическими характеристиками, которые напрямую зависят от внутренней структуры металла. Заготовки, полученные методами пластической деформации, обладают более высокими эксплуатационными свойствами, поскольку ОМД формирует благоприятную макроструктуру волокон, ориентированных вдоль контура детали, что повышает усталостную прочность.

Метод получения заготовки	Характеристики структуры	Точность размеров	Расход металла	Тип производства
Литье	Неоднородная, крупнозернистая, наличие пор.	Низкая (требует больших припусков).	Высокий (за счет припусков).	Любой (низкая себестоимость литья).
Свободная ковка	Улучшенная, волокнистая (частично).	Низкая (трудно контролировать форму).	Умеренный.	Единичное и мелкосерийное.
Горячая объемная штамповка (ГОШ)	Однородная, мелкозернистая, благоприятное расположение волокон (по контуру детали).	Высокая (снижение припусков).	Низкий.	Крупносерийное и массовое.

Для крупносерийного и массового производства тяжелонагруженных коронных шестерен наиболее технологически и экономически целесообразным является горячая объемная штамповка (ГОШ). Применение ГОШ позволяет сократить расход металла до 50% по сравнению с изготовлением из сортового проката, а также значительно снизить объем последующей механической обработки за счет высокой точности заготовки. И что из этого следует? Это означает, что ГОШ обеспечивает не только финансовую экономию, но и значительно повышает ресурс детали, поскольку внутреннее волокно металла не прерывается, а следует контуру зуба, максимально сопротивляясь изгибу.

Оценка технологичности конструкции

Технологичность конструкции коронной шестерни оценивается как относительный показатель, зависящий от типа производства. В контексте горячей объемной штамповки, технологичность проявляется в возможности получения формы, максимально приближенной к готовой детали, с минимальными уклонами и радиусами.

Количественные показатели технологичности (влияющие на себестоимость):

1. Коэффициент использования материала (КИМ): При ГОШ КИМ значительно выше, чем при ковке или механической обработке из прутка.
2. Средний квалитет точности: Точность заготовки, полученной ГОШ, позволяет снизить межоперационные допуски при механической обработке.
3. Общая шероховатость поверхности: Хотя после ГОШ требуется чистовая обработка, меньшие припуски сокращают время черновых операций.

Высокая технологичность заготовки, полученной штамповкой, позволяет оптимизировать весь последующий маршрут, начиная от предварительной термообработки и заканчивая финишным шлифованием зубьев.

Разработка технологического маршрута и расчетно-аналитическое определение размеров

Типовой маршрут изготовления коронной шестерни

Технологический процесс изготовления коронной шестерни из стали 20Х2Н4А, полученной методом горячей объемной штамповки, включает следующие ключевые операции:

1. Получение заготовки: Горячая объемная штамповка (ГОШ) в закрытых штампах.
2. Предварительная термообработка: Отжиг или нормализация. Цель — снятие внутренних напряжений, улучшение обрабатываемости резанием (снижение твердости) и устранение структуры, полученной при высокотемпературной деформации.
3. Черновая механическая обработка: Токарная обработка наружных и внутренних поверхностей, сверление отверстий.
4. Чистовая механическая обработка: Точение, фрезерование базовых поверхностей.
5. Нарезание зубьев: Зубофрезерование (или зубодолбление).
6. Контроль и подготовка к ХТО: Очистка, защита поверхностей, не подлежащих цементации.
7. Окончательная термообработка (ХТО): Цементация $\to$ Закалка $\to$ Низкий отпуск.
8. Финишная обработка: Шлифование базовых поверхностей, шлифование/хонингование зубьев.

Расчет минимального промежуточного припуска

Определение оптимальных припусков на механическую обработку является краеугольным камнем технологии машиностроения. В отличие от менее точного опытно-статистического (табличного) метода, в данном проекте применяется расчетно-аналитический метод, который учитывает все факторы, влияющие на геометрическую точность и качество поверхности.

Минимальный промежуточный припуск ($Z_{\text{i min}}$) на i-й технологический переход определяется как сумма трех составляющих, которые необходимо устранить на данном переходе:

Z_i min = Rz_{i-1} + T_{i-1} + ε_{i-1}

Где:

• $Rz_{\text{i-1}}$ — Высота микронеровностей (шероховатость) поверхности, оставшаяся после (i-1)-й операции.
• $T_{\text{i-1}}$ — Глубина дефектного поверхностного слоя, образовавшегося на (i-1)-й операции (например, наклеп, обезуглероженный слой после штамповки или отжига).
• $\varepsilon_{\text{i-1}}$ — Суммарное пространственное отклонение, накопленное за предыдущие операции (например, остаточный прогиб, непараллельность, смещение оси от базовых поверхностей).

Пример применения:
При переходе от горячей штамповки к первой черновой токарной операции, $T_{\text{i-1}}$ будет включать глубину обезуглероженного слоя и дефектный слой, образованный в процессе кристаллизации и последующей пластической деформации. $\varepsilon_{\text{i-1}}$ будет включать неточность формообразования штампованной заготовки. Чем точнее штамповка, тем меньше $\varepsilon_{\text{i-1}}$ и, соответственно, тем меньше минимальный припуск $Z_{\text{i min}}$.

Расчет операционных размеров методом цепных подстановок

Расчет операционных размеров ($A_{\text{i}}$) необходим для определения габаритов заготовки на каждом этапе обработки, гарантируя, что после снятия припуска будет получен требуемый чертежный размер.

Операционный размер на i-й операции рассчитывается как:

A_i = A_{i-1} + 2 Z_{i min} + T_i

Где $T_{\text{i}}$ — межоперационный допуск, который определяет разброс размеров, допустимый на i-й операции.

Применение метода цепных подстановок:

Метод цепных подстановок, который является классическим инструментом факторного анализа в экономике и управлении, в контексте машиностроения используется для оценки влияния изменения отдельных технологических факторов на результирующий показатель (например, общую себестоимость или накопленную погрешность). Не секрет ли, что этот метод также позволяет точно оценить, как снижение припусков за счет ГОШ напрямую конвертируется в экономическую выгоду?

Хотя прямое применение метода цепных подстановок для расчета геометрической размерной цепи (где используются формулы линейных и угловых звеньев) является нетипичным, он идеально подходит для анализа экономической эффективности изменения технологических параметров.

Пример экономического анализа с использованием метода цепных подстановок:

Пусть себестоимость операции механической обработки ($Y$) зависит от основного времени ($A$), стоимости нормо-часа ($B$) и нормы расхода инструмента ($C$).

Модель: $Y = A \cdot B \cdot C$

Мы можем оценить, как изменение основного времени ($A$) за счет оптимизации режимов резания или сокращения припуска (ГОШ) повлияло на общую себестоимость.

ΔY = ΔY_A + ΔY_B + ΔY_C

Вклад фактора $A$ (основное время):

ΔY_A = (A_1 ⋅ B_0 ⋅ C_0) - (A_0 ⋅ B_0 ⋅ C_0)

(где индекс 0 — базисные значения, 1 — фактические/проектные значения).

Таким образом, метод цепных подстановок позволяет количественно оценить, насколько сокращение припусков (следствие выбора ГОШ) и оптимизация режимов резания (следствие использования САПР) уменьшает себестоимость, подтверждая экономическую целесообразность выбранного маршрута.

Влияние ОМД и химико-термической обработки на качество поверхностного слоя

Металлургический эффект обработки давлением

Основное преимущество ОМД, в частности горячей объемной штамповки, заключается не только в экономии металла, но и в улучшении металлургического качества заготовки.

1. Проработка структуры: Высокое давление деформации измельчает зерно, закрывает микропоры и трещины, свойственные литой структуре, а также гомогенизирует химический состав.
2. Формирование волокнистой структуры: Волокна металла, ориентированные по контуру зубьев шестерни, обеспечивают анизотропию свойств. Максимальная прочность и вязкость достигаются в направлении, параллельном волокнам, что критически важно для сопротивления изгибу и усталости.

Благодаря этим эффектам, заготовка, полученная ГОШ, изначально обладает более высоким потенциалом надежности и усталостной прочности по сравнению с литыми или даже коваными деталями.

Параметры и роль цементации

Для стали 20Х2Н4А цементация является обязательной операцией. Это процесс химико-термической обработки, направленный на диффузионное насыщение поверхностного слоя углеродом с последующей закалкой и низким отпуском.

Ключевые параметры цементации для коронной шестерни:

1. Оптимальное содержание углерода: Для легированных сталей, таких как 20Х2Н4А, максимальная контактная выносливость достигается при содержании углерода в поверхностном слое в пределах 0,8–1,0%. Более высокое содержание может привести к образованию избыточного остаточного аустенита, снижающего твердость.
2. Эффективная толщина цементованного слоя ($H_{\text{эфф}}$): Глубина слоя должна быть соразмерна нормальному модулю зуба ($m_{\text{n}}$). Эффективной считается толщина, на которой твердость после закалки составляет 50 HRC (что соответствует массовой доле углерода около 0,4%).

Расчет $H_{\text{эфф}}$:

Если принять, что коронная шестерня имеет модуль $m_{\text{n}} = 4,0 \text{ мм}$ (типичное значение для средней нагрузки), то рекомендуемая глубина цементированного слоя составляет $0,8 \pm 0,3 \text{ мм}$.

Модуль ($m_{\text{n}}$), мм	Требуемая $H_{\text{эфф}}$, мм	Твердость поверхности, HRC
4,0 – 5,5	$0,8 \pm 0,3$	59–63
6,0 – 10,0	$1,2 \pm 0,4$	59–63

Влияние на прочность: Цементация создает благоприятные остаточные сжимающие напряжения в поверхностном слое, которые компенсируют растягивающие напряжения, возникающие при контактной усталости, тем самым резко повышая предел выносливости детали.

Современные методы оптимизации режимов обработки

В условиях высокотехнологичного производства, цель оптимизации — не просто выполнить операцию, а сделать это с минимальной себестоимостью при заданной производительности и точности.

Оптимизация по критериям себестоимости и производительности

Современные технологические процессы немыслимы без использования систем САПР (систем автоматизированного проектирования), которые включают модули автоматизации расчета режимов резания.

Критерии оптимизации:

1. Минимальная себестоимость ($C_{\text{min}}$): Режимы резания (скорость $V$, подача $S$, глубина $t$) выбираются таким образом, чтобы минимизировать суммарные затраты на основное время, вспомогательное время и стоимость инструмента.
2. Максимальная производительность ($P_{\text{max}}$): Режимы выбираются для минимизации общего машинного времени, что обычно приводит к более агрессивным режимам и, соответственно, к более быстрому износу инструмента.

Наиболее реалистичной является комбинированная постановка: установление режимов, обеспечивающих минимальное значение себестоимости операции при условии, что производительность не опускается ниже заданного норматива.

Повышение производительности зубообработки

Обработка зубьев является самой сложной и длительной операцией в маршруте. Для коронных шестерен в серийном производстве применяются высокопроизводительные методы:

1. Диагональное зубофрезерование:
   Традиционное зубофрезерование червячной фрезой подразумевает осевую подачу. Диагональный метод вводит непрерывное осевое перемещение фрезы по диагонали относительно оси заготовки.
   • Преимущество: Равномерное использование всей длины режущих кромо�� фрезы, что снижает износ на отдельном участке.
   • Эффект: Повышение периода стойкости инструмента и увеличение производительности обработки на 20–35% по сравнению с традиционным осевым фрезерованием.
2. Современные методы термической обработки (ХТО):
   Традиционная газовая цементация требует длительного времени. Применение вакуумной цементации с последующей закалкой газом высокого давления позволяет значительно сократить общий цикл ХТО.
   • Преимущество: Снижение коробления детали за счет более равномерного и контролируемого нагрева/охлаждения.
   • Эффект: Сокращение общего времени цикла химико-термической обработки (ХТО) примерно на 18% (например, с 360 до 295 минут для косозубого колеса). Это не только экономит время, но и улучшает геометрическую точность детали после закалки, уменьшая объем финишной обработки.
3. Зубонакатывание:
   Для мелкомодульных деталей (до $m_{\text{n}} = 2 \text{ мм}$) применяется холодное зубонакатывание (ОМД), которое является бесстружечным методом. Оно позволяет повысить производительность в 5–30 раз по сравнению с резанием и формирует дополнительный слой наклепа на поверхности, увеличивая твердость и износостойкость. Для крупных модулей (свыше 2 мм) может применяться горячее накатывание.

Заключение

Разработанный технологический процесс изготовления заготовки коронной шестерни, основанный на горячей объемной штамповке (ГОШ) из легированной стали 20Х2Н4А, полностью соответствует высоким эксплуатационным требованиям тяжелонагруженных узлов и критериям экономической эффективности серийного производства. Насколько же значим этот комплексный подход для обеспечения долговечности критически важных узлов?

Ключевые выводы:

1. Обоснование материала и формообразования: Выбор стали 20Х2Н4А в сочетании с ГОШ обеспечивает не только снижение расхода металла до 50%, но и формирование благоприятной волокнистой структуры, критически важной для повышения усталостной и изгибной прочности детали. Это ключевое отличие, которое определяет надежность в условиях экстремальных динамических нагрузок.
2. Точность расчетов: Использование расчетно-аналитического метода для определения минимальных припусков ($Z_{\text{i min}} = Rz_{\text{i-1}} + T_{\text{i-1}} + \varepsilon_{\text{i-1}}$) и расчет операционных размеров через размерные цепи гарантирует достижение требуемой точности и минимизацию погрешностей на каждом этапе, что снижает риск брака.
3. Гарантия эксплуатационных свойств: Детально проработанные режимы цементации, включая достижение твердости 59–63 HRC на поверхности при сохранении вязкой сердцевины (25–45 HRC) и контроль эффективной толщины цементованного слоя ($H_{\text{эфф}}$), обеспечивают максимальную контактную выносливость.
4. Оптимизация производства: Интеграция современных технологий, таких как диагональное зубофрезерование и вакуумная цементация, позволяет повысить производительность обработки зубьев на 20–35% и сократить общее время цикла ХТО, снижая при этом риск термического коробления. Применение этих технологий является прямым путем к сокращению себестоимости и повышению качества.

Предложенная методология представляет собой комплексное инженерное решение, применимое в условиях современного машиностроительного производства.

Список использованной литературы

1. Васин, С. А. Резание материалов: Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании : учеб. для техн. вузов / С. А. Васин, А. С. Верещака, В. С. Кушнер. — М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. — 448 с.
2. Кушнер, В. С. Тепловые основы технологических способов машиностроительного производства : учеб. пособие. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 1995. — 68 с.
3. Малинин, Н. Н. Прикладная теория пластичности и ползучести : учебник для студентов вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Машиностроение, 1975. — 400 с.
4. Рыкалин, Н. Н. Расчеты тепловых процессов при сварке : учеб. пособие для машиностроительных вузов. — М. : МАШГИЗ, 1951. — 296 с.
5. Технология конструкционных материалов : учеб. для машиностр. спец. Вузов / А. М. Дальский [и др.] ; под общ. ред. А. М. Дальского. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Машиностроение, 1985. — 448 с.
6. Политехнический словарь / Гл. ред. И. И. Артоболевский. — М. : Советская энциклопедия, 1977. — 608 с.
7. Физические величины : Справочник / А. П. Бабичев [и др.] ; Под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. — М. : Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.
8. Сторожев, М. В. Теория обработки металлов давлением : учебник для машиностроительных и политехнических вузов / М. В. Сторожев, Е. И. Попов. — М. : Машгиз, 1957. — 323 с.
9. Справочник инструментальщика / И. А. Ординарцев [и др.] ; под общ. ред. И. А. Ординарцева. — Л. : Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. — 846 с.
10. Метод цепных подстановок [Электронный ресурс]. — URL: lapenkov.ru (дата обращения: 16.10.2025).
11. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ЗАГОТОВОК [Электронный ресурс]. — URL: omgtu.ru (дата обращения: 16.10.2025).
12. ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ШЕСТЕРНЕЙ, ЗУБЧАТЫХ КОЛЁС, САТЕЛЛИТОВ [Электронный ресурс]. — URL: cyberleninka.ru (дата обращения: 16.10.2025).
13. Сравнительный анализ метода получения заготовок [Электронный ресурс]. — URL: studfile.net (дата обращения: 16.10.2025).
14. Расчёт операционных размеров [Электронный ресурс]. — URL: studfile.net (дата обращения: 16.10.2025).
15. Технологичность конструкции детали [Электронный ресурс]. — URL: narod.ru (дата обращения: 16.10.2025).
16. ГОСТ 30803-2014. Колеса зубчатые тяговых передач… [Электронный ресурс]. — URL: npalib.ru (дата обращения: 16.10.2025).
17. РАСЧЕТ ПРИПУСКОВ НА ОБРАБОТКУ ДЕТАЛЕЙ [Электронный ресурс]. — URL: vlsu.ru (дата обращения: 16.10.2025).
18. ПРОЦЕССЫ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ [Электронный ресурс]. — URL: bru.by (дата обращения: 16.10.2025).
19. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС [Электронный ресурс]. — URL: ulstu.ru (дата обращения: 16.10.2025).
20. Выбор материала шестерни и термообработка [Электронный ресурс]. — URL: hardwareprecision.com (дата обращения: 16.10.2025).
21. Материалы и упрочнение зубьев зубчатых колес в редукторах [Электронный ресурс]. — URL: НПО Гидромаш-1 (дата обращения: 16.10.2025).
22. термическая обработка тяжелонагруженных шестерен [Электронный ресурс]. — URL: TermolitPlus.com (дата обращения: 16.10.2025).
23. Роль термообработки в повышении производительности и долговечности зубчатых передач [Электронный ресурс]. — URL: pairgears.com (дата обращения: 16.10.2025).
24. Технологический процесс изготовления вала-шестерни [Электронный ресурс]. — URL: klapan-pik.ru (дата обращения: 16.10.2025).