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

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 чугуны 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

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 противоизносных 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 °C.

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

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

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

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, электрои 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

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.

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):

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 °C, 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.