Тісті берілістердің материалын, жұмыс беттерінің қаттылығын және термиялық өңдеу түрін таңдау

ОН ЕКІНШІ ТАРАУ

 

БҰРҒЫЛАУ ҚОНДЫРҒЫЛАРЫНЫҢ ТІСТІ БЕРІЛІСТЕРІН ЕСЕПТЕУ

Кіріспе

Тісті берілістерге қатысты барлық терминдер, анықтамалар, және белгілеулер МЕСТ 16530-83, МЕСТ 16531-83 және МЕСТ 19325-73 берілген. МЕСТ 21354-87 тістердің белсенді беттерінің түйісу беріктігін және иілу кезіндегі тістердің беріктігін анықтауға арналған негізгі есептеу тәуелділіктерін белгілейді.

Тістің жұмысқабілетіне әсер ететін негізгі кернеулер – шаршаулық үгітілудің даму нәтижесінде тістердің белсенді беттерінің қирауына әкелетін, түйісу кернеуі және айнымалы июші күшсалмақтар әсерінен шаршау факторларының жинақталуынан тістердің сынуына әкелетін, ию кернеуі.

МЕСТ 21354-87 бойынша тісті берілістерді есептеу бастапқы контуры МЕСТ 13755-81 бойынша жасалған, модулі , айналу жылдамдығы м/с майланған, сырттай іліністетін эвольвенттік цилиндр металл тісті дөңгелектерге қатысты.

Тістерінің жұмыс беттері төмен және орташа қаттылықтағы жабық берілістердің жұмысқабілеттілігінің сынбағасы түйісу шыдамдылығы болып табылады. Сондықтан тістердің жұмыс беттерінің қаттылығы кезінде жабық беттердің габариттік өлшемдері - өс аралық қашықтығы мен доңғалақ енін – түйісу шыдамдылығы шартынан анықтайды. Ал ию кезіндегі тістердің беріктігі тексеру сипатында болады.

Тістердің жұмыс беттерінің қаттылығы ашық және жабық типтердегі берілістердің барлығы үшін берілістің габариттік өлшемдерін тістердің июге шыдамдылығы бойынша анықтайды.

 

Тісті берілістердің материалын, жұмыс беттерінің қаттылығын және термиялық өңдеу түрін таңдау

Тісті доңғалақтардың материалдары, термиялық өңдеу және геометриялық сипаттамалары жұмыс беттердің үгітілуге, абразивтік қажалуға және қажалуға қарсы қажетті тозуға қарсылығын, сондай-ақ июге тістердің талап етілген беріктігін қамтамасыз етуі керек. Әдетте бұл көрсеткіштерді берілістің жұмыс шартына және доңғалақтардың өлшемдеріне тәуелді тағайындайды.

Іс тәжірибесінде негізінен термиялық өңдеудің (т.ө.) келесі нұсқаларын қолданады:

- І-доңғалақты т.ө. – жақсарту, қаттылығы 235-262 НВ; тістегершіктерді т.ө. – жақсарту, қаттылығы 269-302. Доңғалақ және тістегершіктер үшін болаттардың маркалары бірдей: 40Х, 40ХН, 35ХМ және т.б. Жақсартылатын болаттардан жасалған доңғалақтардың тістері жақсы жайласады және морт сынуға ұшырамайды, бірақ күшсалмақтық қабілеттері шектеулі болады.

- ІІ- доңғалақты т.ө. – жақсарту, қаттылығы 269-302 НВ; тістегершіктерді т.ө.– жақсарту және ЖЖТ (ТВЧ) шынықтыру, болаттардың маркасына тәуелді (12.1-кестені қара) беттерінің қаттылығы 45-50 HRC, 48-63 HRC. Тіс өзекшелерінің қаттылығыжақсартутермиялық өңдеуіне сәйкес келеді. Доңғалақ және тістегершіктер үшін болаттардың маркалары бірдей: 40Х, 40ХН, 35ХМ және т.б.

Термиялық өңдеудің бұл екі нұсқасы аз және орташа жүктемеленген тісті берілістерге арналған, сапалы көміртектендірілген болаттар 35, 40, 45, 50, 50Г (МЕСТ 1050-88) және қаттылығы қоспаланған болаттар 40Х, 45Х, 40ХН, 40ХНМ (МЕСТ 4543-71) қолданады. Бұндай қаттылық болатты қалыптастырумен және жақсартумен қамтамасыз етіледі. Доңғалақтардың тістері термиялық өңдеуден кейін жасалады, соның арқасында жеткізу операциялары талап етілмейді. Доңғалықтар жақсы жайласады және морт қирауға ұшырамайды. Жақсы жайласу үшін тістегершік қаттылығы доңғалақ қаттылығынан ең кем дегенде 10-15 бірлікке артық болуы ұсынылады, яғни мына шарт сақталуы керек:

- ІІІ – доңғалақ пен тістегершіктің т.ө. бірдей – жақсарту және ЖЖТ шынықтыру, беттінің қаттылығы болат маркасына тәуелді 45-50 HRC, 48-63 HRC. Доңғалақ пен тістегершік үшін болат маркасы бірдей: 40Х, 40ХН, 35ХМ және басқалар.

- IV – доңғалақ т.ө. – жақсарту және ЖЖТ шынықтыру, болат маркасына (12.1-кестені қара) тәуелді беттің қаттылығы: 45-50 HRC, 48-63 HRC; тістегершік т.ө. – жақсарту, цементтеу және шынықтыру, беттік қаттылығы 56-63 HRC. Тістегершік материалы – болат маркалары: 20Х, 20ХН2М, 18ХГТ, 12ХН3А және басқалар.

- V– доңғалақ пен тістегершік т.ө. – жақсарту, цементтеу және шынықтыру, беттік қаттылығы 56-63 HRC. Цементтеу (көміртекпен беттік қанықтыру) ізінше шынықтырумен бірге беттік қабаттың үлкен қаттылығымен қатар тістердің июге жоғарғы беріктігін қамтамасыз етеді. Болат маркасы доңғалақ және тістегершік үшін бірдей: 20Х, 20ХН2М, 18ХГТ, 12ХН3А, 25ХГМ және басқалар.

Цементтеуден басқа сондай-ақ нитроцементеу (беттік қаттылығы 56-63 HRC, болат маркалары 25ХГМ, 30ХГТ) және азоттау (беттік қаттылығы 58-67 HRC, болат маркалары 38Х2МЮА, 40ХНМА).

Бетті термиялық немесе химия-термиялық өңдеу кезінде тіс өзекшесінің механикалық сипаттамаларын алдында өткізілген термиялық өңдеу (жақсарту) анықтайды.

Тістердің беттік қаттылығы неғұрлым жоғары болса, тісті берілістердің түйісу беріктігі бойынша тасушы қабілеті соғұрлым жоғары болады. Сондықтан беттік термиялық немесе химия-термиялық беріктендіруді қолданған жөн. Беріктендірудің бұл түрлері берілістің күшсалмақтық қасиетін жақсартатын болаттармен салыстырғанда бірнеше рет арттыруға мүмкіндік береді. Мысалы цементтелген тісті доңғалақтардың рауалы түйісу кернеуі термиялық жақсартылғандардыкінің шамасынан екі есе артық, бұл оның массасын төрт есе кемітуге мүмкіндік береді.

Бірақ тістердің жұмыс беттерінің қаттылығын тағайындау кезінде есте болу керек, жоғары қаттылыққа тісті берілістерді жасаудың күрделі технологиясы және берілістің кіші өлшемді болатынын (бұл түйінді конструкторлық жасау кезінде қиындықтарға әкелуі мүмкін).

Бұрғылау жабдықтарының тісті доңғалақтарын төмен көміртектендірілген, жоғары қоспаланған бетінің жұмыс қаттылығы НВ>350, яғни HRC>35 азотталатын және цементтелетін болаттардан жасайды: өлшемдері үлкен емес доңғалақтар үшін – болаттар 15, 20, 15Х, 20Х; өлшемдері үлкен доңғалақтар үшін – 18ХГТ, 12ХН3А және басқалар. Бұл болаттарды химия-термиялық өңдеу HRC шамасын 50-60 жеткізуге мүмкіндік береді. Бұл мақсатта цементтеуді, ЖЖТ беттік шынықтыруды, азоттауды кең қоданады.

Цементтеп ізінше шынықтырумен тістер жұмыс беттерінің қаттылығын цементтеу қабаты 2 мм аспайтын тереңдікте HRC 58-63 жеткізеді. Цементтеудің кемшілігі процестің ұзақтығы және қымбаттығы.

ЖЖТ беттік шынықтыруды модулдері үлкен (m>5) тісті доңғалақтардың тістері үшін қолданады, өйткені кіші модулдер кезінде тістер бүкіл денесінен өте күйдіріледі, бұл оларды морт етеді.

Азоттау кезінде қаттылық цементегендегідей, бірақ қатты қабаттың қалыңдығы азғантай болғандықтан (0,1-0,6 мм) тістер асқын күшсалмақтарға сезімтал және абразивтік қажалу жағдайында жұмыс істеуге жарамсыз болады. Үгітілу дәрежесі азоттауда аз. Сондықтан бұндай өңдеуді тістерді шлифтеуді орындау қиын болғанда қоданған жөн. Азотталатын доңғалақтар үшін молибденді болатты 38ХМЮА немесе оның ауыстырушысы 38ХВЮА немесе 38ХЮА қолданылады.

НВ>350 доңғалақтардың тістерін термиялық өңдеуге дейін жасайды, ал тістердің үгітілуін болдырмау мақсатында жеткізу операцияларын (шлифтеуді, хонингтеуді, домалатуды) термиялық өңдеуден кейін орындайды.

Тістердің жоғарғы қаттылығы түйісу беріктігін маңызды арттырады. Сонымен қатар келесідей қосымша талаптар қойылады: біліктер мен тіректердің жасалу дәлдігін және қаттылығын арттыру, тістерді кесіп жасаудан кейін олардың термиялық өңдеулерін орындау; шынықтыру кезінде үгітілу нәтижесінен болатын тістердің пішіндерінің бұзылуын дұрыстау мақсатында қосымша шлифтеу, үйкелеу, домалатуларды жасау. Аталған іс-шаралар доңғалақтарды жасаудың құнын маңызды арттырады. Тісті доңғалақтарды жасауға ұсынылатын болаттар және термиялық өңдеу түрлері бойынша анықтамалық мәліметтер 12.1-кестеде келтірілген.

Бұрғылау тереңдігінің өсуі және ұңғыманы өткізу режимінің қарқындалуы күштік жүктеудің өсуіне, жұмыс режимінің күделенуіне және жабдықтың тасушы элементтерінің ресурсының төмендеуіне әкеледі.

Беттік қабатының жоғарғы қаттылығын және тозуға төзімділігін алу мақсатында өзекшесі жұмсақ және тұтқыр тістерді беттік беріктендіруді (цементтеуді, ЖЖТ шынықтыруды және басқаларын) қолдану цементтелген қабаттың тұтастығы бұзылған кезде қимасы бойынша шаршаулық жарықтардың таралуының болмауына кепілдік бермейді. Тәжірибелер көрсеткендей, цементтелген бөлшектердегі өзекшенің соққылық тұтқырлығы мен цементтелген бөлшектің қирамай динамикалық күшсалмақтарға шыдау қабілеттерінің арасында тура байланыс жоқ.

Цементтеу процесінің кемшіліктері он сағатқа дейін жететін, оның өте ұзақтығы, көптеген жағдайларда қажетті өндіріс мәдениетінің болмауы және ең бастысы, цементтелген қабаттың тереңдігі бойына құрамы мен құрылымының әркелкілігі. Бетіндегі көміртек шамасы 1,0-1,1% құрайды, және бетінде жоғары қаттылықтағы және тозуға шыдамды мартенсит+цементит қабаты пайда болады. тереңдеген сайын көміртек шамасы болаттағы бастапқы шамаға (0,15-0,25%) дейін төмендеп негізінен ферриттен тұратын тұтқыр құрылымды құрайды. Жұмыс процесінде цементтелген бет қажалады және төменгі жұмсақ қабат ашылған сайын қажалу қарқыны өсіп, бөлшектің ресурсы төмендейді.

 

12.1-кесте

Болаттар және термиялық өңдеу бойынша анықтамалық мәліметтер

Болат маркасы	Термиялық өңдеу	Дайындаманың шектік өлшемдері, мм	Тістердің қаттылығы	, МПа
Dпр	Sпр	өзекшесінде	бетінде
	Жақсарту Жақсарту			235-262 НВ 269-302 НВ	235-262 НВ 269-302 НВ
40Х	Жақсарту Жақсарту Жақсарту және ЖЖТ шынықтыру			235-262 НВ 269-302 НВ   269-302 НВ	235-262 НВ 269-302 НВ   45-50 HRC
40ХН 35ХМ	Жақсарту Жақсарту Жақсарту және ЖЖТ шынықтыру			235-262 НВ 269-302 НВ   269-302 НВ	235-262 НВ 269-302 НВ   48-53 HRC
40ХНМА 38Х2МЮА	Жақсарту және азоттау			269-302 НВ	56-63 HRC
20Х 20ХН2М 18ХГТ 12ХН3А 25ХГМ	Жақсарту, цементтеу және шынықтыру			300-400 НВ	56-63 HRC

 

И.М.Губкин атындағы ММШжГӨИ зерттеулер көрсеткендей, ауыр жүктелгентісті берілістерді жасауда тіс тереңдігі бойына құрылымы біркелкі, жоғары беріктіктегі жақсартылатын болаттарды пайдаланған дұрыс [11]. Бұл мақсатта ең қолайлысы орташа көміртектендірілген (жақсартылатын), хроммен, никельмен, м олибденмен және ваннадиймен қоспаланған болат (болат Д5ХН2МФА-Ш - шартты белгілеуі Д5).

Құрамында 0,5% көміртек, 0,7-1,0% хром, 1,5% никель болуы болаттың жоғары пластикалығымен қатар жоғары беріктік сипаттамаларын қамтамасыз етеді. Болаттың жасыту морттығына бейімдігін төмендету, беріктігі мен жылуға шыдамдылығын арттыру үшін оны 0,2-0,3% молибденмен қоспалайды. Болаттың қатты қызып кетуге шыдамдылығына оны 0,1-0,2% ванадиймен қоспалаумен қол жеткізіледі.

12.2-кестеде Д5 және 16ХН3МА-Ш жоғары беріктіктегі болаттардың химиялық құрамы келтірілген.

Шынықтырудан кейінгі әртүрлі температурада жасыту кезіндегі Д5 болатының қасиеттері 12.3-кестеде көрсетілген

12.2-кесте

Д5 және 16ХН3МА-Ш жоғары беріктіктегі болаттардың химиялық құрамы

Болат	Элементтердің мөлшері, %
C	Mn	Si	Cr	Ni	Mo	V	S	P
16ХН3МА-Ш Д5ХН2МФА-Ш (Д5)	0,15 0,47	0,45 0,68	0,16 0,33	0,72 0,95	3,5 2,4	0,28 0,26	- 0,19	0,015 0,015	0,010 0,010

 

12.3-кесте

Шынықтырудан кейінгі және әртүрлі температурада жасыту кезіндегі Д5 болатының қасиеттері

tотп	σв	σ0,2	δ	ψ	a1	HRC	σ -1
0C	Н/мм2	%	МДж/м2	Н/мм2
			12.0 12.0 14.0 16.0	55.0 60.0 60.0 60.0	0.55 0.40 0.55 0.65

 

Төмен жасытумен оңтайлы термиялық өңдеу – шынықтыру кезіндегі жақсартылатын Д5 және цементтелетін 16ХН3МА-Ш болаттарының механикалық қасиеттері 12.4-кестеде көрсетілген.

12.5-кестеде кең қолданылатын жақсартылатын болат пен Д5 болатының механикалық қасиеттері келтірілген.

 

12.4-кесте

Төмен жасытумен оңтайлы термиялық өңдеу – шынықтыру кезіндегі Д5 және 16ХН3МА-Ш механикалық қасиеттері

Болат	Термиялық өңдеу режимі	σв	σ0,2	δ	ψ	a1, МДж/м2	HRC
МПа	%
Д5	Шынықтыру 8700С майда, жасыту 2000С-де			10.0	5.0	0.5
16ХН3МА-Ш	Цементтеу 9200С. Шынықтыру 8700С майда, жасыту 2000С-де			7.0	7.0	0.4