МАТЕРИАЛЫ И СМАЗКИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ВОЛНОВЫХ И ВИНТОВЫХ ПЕРЕДАЧАХ

Для гибких колес классических волновых передач, используемых в силовых приводах, рекомендуется применять конструкционные стали повышенной вязкости, которые менее чувствительны к концентрации напряжений. Такими свойствами обладают, например, стали 38ХМЮА, 40ХНМА и им подобные.

Для передач с невысокими нагрузками гибкие колеса можно изготавливать из более дешёвых типов сталей: ЗОХМА, ЗОХГСА. В настоящее время сталь ЗОХГСА считается основной для отечественных волновых редукторов общего назначения. Стали типа Х18Н10Т (нержавеющие) дорогие и дефицитные. Они обладают высокой пластичностью и применяются при получении гибких колёс методом глубокой вытяжки. Сравнительно невысокая прочность этих сталей существенно повышается при нагарговывании. Характеристики сталей даны в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Характеристики сталей, применяемых в волновых передачах

Марка

стали

Термообработка,

упрочнение

Твёрдость

Прочность

Ударная

вязкость,

ан>

кДж/м'

сердцевины,

НВ

поверхности,

HRC

МПа

СТт.

МПа

CTi-

МПа

ЗОХГСА

Улучшение

280...320

~

1100

850

420...440

4

ЗОХГСА

Улучшение+

наклёп

280...320

28...32

1100

850

480...500

-

ЗОХГСА

Улучшенис+

азотирование

280...320

50...54

1100

850

600...650

-

38ХМЮА

Улучшение

320

-

1000

850

450...480

9

38ХМЮА

Улучшение+

азотирование

320

65...70

1000

850

620...630

-

40ХНМА

Улучшение

320

-

1100

950

480

8

Х18Н10Т

Состояние

поставки

180...220

-

600

350

280

11...25

Термообработка - улучшение (НВ 280...320) - позволяет выполнять механическую обработку, в том числе зубонарезание, после термообработки без дополнительных отделочных операций. Зубчатый венец гибкого колеса рекомендуют подвергать наклёпу, включая впадины зубьев. Наклёп повышает предел выносливости сг., в 1,1...1,15 раза. Эффективно также азотирование зубчатого венца, которое нс только повышает предел выносливости в 1,3...1,4 раза, но и уменьшает износ зубьев. Следует иметь в виду, что в результате азотирования внутренний диаметр тонких цилиндров несколько увеличивается. Это может привести к чрезмерному увеличению зазоров в размерной цепи «кулачок генератора - гибкое колесо». При этом необходимо соответствующее сочетание допуска на размер внутреннего диаметра с режимом термообработки. Благоприятно сочетание электрохимического полирования с последующим азотированием или азотирования с последующим дробеструйным наклёпом.

При выборе материала для сварных гибких колёс следует учитывать его способность к свариванию. При изготовлении небольших передач приборного типа иногда применяют бериллиевую бронзу. В передачах с малым передаточным отношением целесообразно использовать пластмассы на основе полиамидных смол с повышенными механическими характеристиками (например капролан В, капрон Б).

Напряжённое состояние жёсткого колеса значительно ниже, чем у гибкого. Поэтому для жёсткого колеса используются достаточно простые конструкционные стали (45, 40Х, ЗОХГСА и т. п.) с твёрдостью НВ на 20-30 единиц меньше, чем у гибкого колеса. Возможно, изготовление жёсткого колеса из чугуна совместно с корпусом или раздельно (например, высокопрочный чугун типа ВЧ60-1,5, а также магниевые чу- гуны с шаровидным графитом). При этом чугунное жёсткое и стальное гибкое колёса образуют антифрикционную пару.

В волновой передаче с промежуточным телом - змеевидной пружиной - хорошо зарекомендовало себя применение стали 20X13 для изготовления основных деталей: жёсткого колеса, змеевидной пружины и обоймы для неё. Использование нержавеющей стали оправдано в тех случаях, когда защитное покрытие недопустимо применять по условиям эксплуатации.

В волновых передачах с промежуточными телами качения, как правило, применяются шарики или ролики, которые выпускаются предприятиями шарикоподшипниковой промышленности. Они же используются в шариковинтовых механизмах. В табл. 2.6-2.8 приведены основные характеристики шариков.

В качестве смазки рабочих поверхностей деталей волновых передач обычно применяют консистентные смазки. Основные свойства и температурные интервалы применения перечисленных сортов консистентных смазок приведены в табл. 3.2.

Консистентные смазки обладают значительно меньшей способностью вытекать из корпуса, благодаря чему упрощается устройство уплотняющих систем. Они надёжно заполняют зазоры между вращающимися и подвижными деталями уплотнений, значительно улучшая их работу и не требуют пополнения в течение длительного периода. Однако консистентные смазки имеют недостатки: повышенное внутреннее трение, ввиду чего они неприменимы в высокоскоростных узлах; чувствительность к температурным изменениям, вызывающим чрезмерное разжижение или загустение смазки. Консистентные смазки делятся на следующие группы.

Кальциевые смазки. Наиболее часто используются солидолы жировые и синтетические. Они водоупорны благодаря нерастворимости кальциевых основ. В состав солидола вода входит в качестве структурного элемента (до 3 %). При испарении воды солидол разлагается на масло и мыло, поэтому его применение ограничивается температурой

50...60 °С (при кратковременном нагреве до температуры 70...80 °С). Солидолы используются в условиях повышенной влажности.

Таблица 3.2

Характеристики консистентной смазки

Марка смазки

Температура каплепадения, град., не ниже

Пенетрация* при 25 °С

Температура

применения,

град.

Кальциевые смазки

Солидол жировой УС-1

75

330...335

до 50

Солидол жировой УС-2

75

230...290

>50

Солидол жировой УС-3

90

150...220

>60

Солидол

синтетический УСс-1

70

330...360

>50

Солидол синтетический УСс-2

75

270...330

>50

ЦИАТИМ-221

200

280...360

- 60...+ 150

ЦИАТИМ-221С

200

-

-60...+ 150

Натриевые смазки

Консталин жировой УТ-1

130

225...275

до 110

Консталин жировой УТ-2

150

175...225

>130

Консталин синтетический УТс-1

130

225...275

>110

Консталин синтетический УТс-2

150

175...225

>130

НК-50

200

17...225

>180

Натриево-кальциевые смазки

1-13

120

250...290

до 100

ЯНЗ-2

150

-

>100

ИП-1

80

260...310

>60

Литиевые смазки

ЦИАТИМ-201

170

270...320

-60...+ 120

ЦИАТИМ-202

170

285...315

-50...+ 150

ЦИАТИМ-203

145

235...300

-60...+ 120

Примечание: пенетрация - показатель степени консистенции смазки. Чем выше показатель, тем мягче смазка

Кремнийорганические кальциевые смазки. ЦИАТИМ-221 и ЦИАТИМ-221С применяют для работы при повышенных температурах. Они имеют высокую химическую стабильность, благодаря чему успешно контактируют с некоторыми агрессивными средами. Недостаток кремнийорганичсских кальциевых смазок заключается в слабых проти- воизносных свойствах, ввиду чего нежелательно их использование в гяжелонагруженных передачах.

Натриевые смазки. Консталины жировые и синтетические обладают более высокой стабильностью химического состава и тугоплавкостью, чем солидолы. Расплавленный консталин после охлаждения восстанавливает свои пластические свойства. Однако для работы во влажной среде натриевые смазки непригодны, т. к. поглощают воду, образуя эмульсию.

Натриевая смазка НК-50 изготавливается на основе высоковязких масел с добавлением коллоидального графита и применяется для работы при высоких температурах. Даже после сгорания смазки содержащийся в ней графит остается на рабочих поверхностях. Высокая вязкость смазки НК-50 ограничивает возможность её использования при пониженных температурах.

Натриево-кальциевые смазки. Смазку 1-13 применяют в узлах, работающих в пределах умеренных скоростей и температур. Смазку ЯНЗ-2 можно использовать при более низких температурах. Смазка ИП-1 пригодна для узлов, работающих при температуре не выше 60 °С.

Литиевые смазки. Эти смазки хорошо работают при низких температурах и обладают водоупорностью. Смазки ЦИАТИМ-201, ЦИАТИМ-202 и ЦИАТИМ-203 имеют весьма широкий температурный диапазон применения.

Смазку ЦИАТИМ-201 используют для подшипников типа 80 000 с двумя защитными шайбами, которые устанавливаются в опорах, работающих в режиме качательного движения. Её не рекомендуется использовать для узлов, воспринимающих большие удельные нагрузки.

Смазку ЦИАТИМ-202 можно применять для узлов, работающих с более высокими скоростями вращения.

Смазка ЦИАТИМ-203 пригодна для работы при низких температурах, например в устройствах, работающих на открытом воздухе.

Для винтовых пар с трением скольжения применяются углеродистые и легированные стали. Выбор марки стали, вида термической обработки и типа покрытия зависит от назначения винтовой пары, срока службы, условий эксплуатации и т. п. Характеристики основных марок сталей, используемых в рассматриваемых передачах, приведены в табл. 3.3.

Углеродистые стали обычного качества содержат: углерод (0,07...0,63) %; марганец (0,3...0,75) %; кремний (0,12...0,3) % и незначительное количество серы и фосфора. Изготовление этих сталей производится согласно механическим характеристикам без гарантии химического состава.

Таблица 3.3

Характеристики основных марок стали

Марка

стали

Временное сопротивление разрыву сг,, МПа, не менее

Предел

текучести

МПа

Относительное удлинение 8 (не менее),

%

Твердость по Брюнеллю, НВ

Углеродистые стали обычного качества

СтЗ

372...460

225.„235

21...2S

132

Ст4

412...501

235..255

25.„23

152

Ст5

490...608

265.„275

21...19

170

Стб

588.„706

194...304

15..13

210

Углеродистые стали высокого качества

25

451

275

23

170

30

490

294

21

179

35

529

314

20

207

40

568

333

19

217

45

598

353

16

229

50

627

372

14

241

60

676

402

12

255

65

696

412

11

269

Сталь подшипниковая

ШХ15

637..735

353...412

15

179...207

ШХ15СГ

637...735

353...412

15

179...207

Сталь легированная конструкционная

12ХНЗА

931

686

11

217

12Х2Н4А

1127

931

10

269

20Х2Н4А

1274

1078

9

269

38Х2МЮА

980

833

14

229

ЗОХГСА

1078

833

10

229

35ХГСА

1617

1274

9

241

35Х

911

735

11

197

40Х

980

784

10

217

40ХН

980

784

11

207

18ХГТ

980

882

9

217

Углеродистые высококачественные конструкционные стали содержат: углерод (0,05...0,55) %; марганец (0,2... 1,8) %; никель 0,25 %, кремний (0,03...0,4) %; хром 0,25 %, а также серу и фосфор до 0,04 %. Эти стали выпускаются с гарантией механических свойств и химического состава, вследствие этого их применяют для изготовления таких деталей, которые подвергаются термической обработке.

Легированные конструкционные стали содержат углерод (0,08...1,1) %, различное количество марганца, кремния, молибдена, хрома, никеля и др. Для этих сталей гарантированными являются механические свойства и химический состав. Легированные стали применяются для изготовления ответственных деталей с дополнительной термической и термохимической обработкой (закалка, цементация, азотирование и т. п.) в зависимости от назначения деталей и условий их эксплуатации.

Материалы для изготовления гаек более разнообразны. Широкое распространение получили гайки из чугуна, выполненные из антифрикционного и серого чугуна.

Чугун обладает высокими литейными свойствами, что позволяет получать детали сложной конфигурации. Углерода в чугуне содержится

3...3,6 %, причем он лишь частично находится в химически связанном с железом состоянии, а большая его часть содержится в виде графита, что придает чугуну определённые антифрикционные свойства. Чугун применяется при отсутствии в винтовых парах ударных нагрузок. Характеристики серых чугунов приведены в табл. 3.4.

Таблица 3.4

Характеристики серых чугунов

Марка

чугуна

Временное сопротивление <тв, МПа, не менее

Твёрдость по Брюнеллю, НВ не менее,

на растяжение

на изгиб

на сжатие

СЧ15

147

314

637

163.„229

СЧ18

176

358

686

170...229

СЧ20

196

392

735

170...241

СЧ25

245

451

893

180...250

СЧЗО

294

490

980

181. „255

СЧ35

343

539

1078

197...269

Для гаек применяются также оловянные или безоловянные бронзы: Бр010Ф1, БрОбЦбСЗ, БрА9ЖЗЛ и др. В целях уменьшения расхода дорогостоящей бронзы гайки выполняют биметаллическими в виде стального или чугунного корпуса, залитого бронзой (центробежным способом).

Механические характеристики некоторых цветных металлов, применяемых для гаек, приведены в табл. 3.5.

Таблица 3.5

Характеристики бронз

Марка

бронзы

Временное сопротивление, сгв, МПа, не менее

Относительное

удлинение,

S, %, не менее

Твёрдость по Брюнсллю, НВ, не менее

Оловянные

бронзы

Бр04Ц7С5

176

4

60

Бр04Ц4С 17

147

12

60

Бр05Ц5С5

176

4

60

БрОбЦбСЗ

176

4

60

БрО 1ОФ1

245

3

90

БрОЮСЮ

196

6

78

Безоловянныс бронзы

БрА9Мц2Л

392

20

80

БрА9ЖЗЛ

490

12

100

БрА10ЖЗМц2

490

12

120

БрАПЖбНб

587

2

250

В связи с созданием различных полимеров, возможно применение гаек, изготовленных из различных пластмасс, некоторые свойства которых значительно выше, чем у металлических гаек. Основные преимущества следующие: коррозионная и химическая стойкость; высокие фрикционные, электро- и теплоизоляционные свойства; малый удельный вес; демпфирующие свойства; высокая износостойкость; низкая стоимость при массовом производстве. Пластмассы обрабатываются литьём, холодным и горячим прессованием, сваркой и резанием. К недостаткам пластмассы следует отнести высокую теплостойкость (100... 150) °С, способность к влагопоглощению и быстрому старению, т. е. изменению свойств.

Старение полимерных материалов может существенно повлиять на характеристики детали. Так, например, снижение прочности за год примерно составляет: для полиформальдегида - 12 %; капрона - 40 %; полиамида-610 - 35 % ; полистирола - 25 %; поликарбоната - 15 %; полипропилена - 30 %; фторопласта-4 - 10 %. Однако если деталь в процессе эксплуатации защищают от воздействия кислорода, влаги, света и химически активных веществ, то процесс старения замедляется.

Характеристики пластмасс

Материал

Плот

ность

г/см3

Временное сопротивление разрыву, МПа

Относи

тельное

удлине

ние,

S,%

Твёр

дость,

НВ

Модуль

упру

гости,

?Ч0~2,

МПа

Тепло

стойкость

по

Мартенсу,

С

Водопо-

глощение,

%

Растяже

ние,

O',

Сжатие

»

СТ»с

Изгиб,

С.И

Оргстекло

1,2

50...70

80...ПО

60...90

3...4

18...24

20...30

55

0,1...0.3

Полиэтилен

высокого

давления

0,93

12...16

12

12...17

300

-

2...3

85

0,15

Полиэтилен

низкого

давления

0,96

20...40

-

20...40

-

5

5...8

-

-

Полистирол

1,07

30...40

80...100

70...80

2...5

20

12...30

80

0,1

Полиформальдегид

1,14

60...80

120...130

90...100

15

25

29

180

0,1...0,2

Фторопласт-4

2,2

14...20

-

11...14

250

3...4

-

220

0

Капрон

из

60...80

70...80

70...100

150

8...12

8...12

200

1,5...5

Полиамид 610

1,15

40...60

70...100

80...90

100

14...15

12...20

55...60

3,3

Полиамид АК-93/7

1,14

50...70

70...100

100...120

80... 100

14...15

12...15

55...60

2,1...2,2

Полиамид ПМ-67

1,4

120...140

200...300

180...240

9...20

18...28

3...3.6

280

0,18...0,29

Сравнительные механические характеристики некоторых пластмасс приведены в табл. 3.6. Анализ данных этой таблицы показывает, что наиболее прочен и термостоек полиамид ПМ-67, обладающий также наименьшим водопоглощением [39]. Данный материал позволяет получать изделия сложной формы с тонкими стенками. Накоплен определенный опыт работы винтовых пар, гайка у которых выполнена из капрона [48]. При давлении в резьбе 5...7,5 МПа гайка из капрона характеризуется высокой износостойкостью. Однако при давлении 12,5... 15 МПа происходит деформация резьбы гайки. Изменение коэффициента трения скольжения капрона в паре со сталью Ст.45 (НВ 157... 160), при небольших скоростях относительного скольжения (0,07...0,08 м/с) в зависимости от давления, показано на рис. 3.1, где также дан график изменения температуры поверхности трения в зависимости от давления.

Зависимости параметров от нагрузки в контакте в зацеплении пары капроновая гайка - стальной винт

Рис. 3.1. Зависимости параметров от нагрузки в контакте в зацеплении пары капроновая гайка - стальной винт: а - коэффициент трения: б - коэффициент температуры: 1 - на поверхности; 2 - на расстоянии 1 мм от неё

Сравнительные испытания гаек из капрона, бронзы, антифрикционного чугуна и графитизированной стали в паре с винтом, изготовленным из стали Ст.45, твёрдостью НВ-160 показали, что линейный износ витков гайки из капрона во много раз меньше, чем металлических. В этих испытаниях все гайки выполнялись по 6-му классу шероховатости поверхности. Осредненный линейный износ толщины витков характеризовался следующими значениями (мкм):

Капрон

20

Бронза БрОбЦбСЗ

85

Чугун АЧК-1

ПО

Графитизированная сталь

160

Из приведённых результатов следует, что капроновые гайки в винтовых парах для лёгких и средних режимов эксплуатации обеспечивают высокую износостойкость узла и низкий коэффициент трения. Их можно рекомендовать для узлов вспомогательного оборудования с пониженной точностью.

Винты для ШВМ обычной точности изготовляются из индукционной закалённой стали. Для более высокой точности в работе при высоких температурах применяются азотированные стали. Используются также цементируемые хромоиикелевые и коррозионностойкие стали, применение которых целесообразно, когда винтовой механизм работает без смазывания, в воде, парс и т. п. Таким образом, при выборе материалов следует учитывать тепловой режим работы механизмов.

В отечественном машиностроении материалом для изготовления винтов и гаек служат хромистые стали ШХ6, ШХ9, ШХ15СГ, цементируемые стали 18ХГТ, 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А, а также азотируемые стали 38Х2МЮА, ЗОХГСА.

Ходовые винты иногда изготавливают из легированных сталей марок 35Х, 40Х и из инструментальной легированной стали ХВГ.

Твёрдость поверхностей качения винта и гайки должна быть достаточно высокой (HRC 58...60) и равномерной. Разность по твёрдости винта или гайки не более 3 единиц по шкале Роквелла.

Шарики изготавливают из шарикоподшипниковых сталей, а для специальных условий работы - из коррозионностойкой стали марки 95X18.

Твёрдость шариков, работающих при температуре до 100 °С, должна быть HRC 62...64.

С целью уменьшения шума шариковинтовых передач, применяемых в приборостроении, её основные детали, включая и шарики, могут изготавливаться из полимерных материалов. Применение шариков из пластмасс снижает требования к прочности и жёсткости материалов гайки и винта. В отдельных случаях возможно использование пластмассы (например текстолита) для изготовления самой винтовой пары.

В качестве смазки рабочих поверхностей деталей винтовых передач обычно применяют консистентные смазки. Основные свойства и температурные интервалы применения перечисленных сортов консистентных смазок приведены в табл. 3.2.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >