MATERIALE SI TEHNOLOGII UTILIZATE IN CONSTRUCTIA ROTILOR DINTATE

MATERIALE SI TEHNOLOGII UTILIZATE IN CONSTRUCTIA ROTILOR DINTATE

Domeniul larg de aplicabilitate a angrenajelor si conditiile variate impuse de functionarea acestor organe de masini in diverse constructii, justifica gama larga de materiale folosite pentru realizarea rotilor dintate. Alegerea materialului constituie o problema importanta si dificila a procesului de proiectare, care trebuie sa ia in considerare factorii determinanti pentru corecta realizare, functionare si exploatare a angrenajului proiectat. Dintre acesti factori, se pot aminti:

tipul solicitarii principale si asigurarea rezistentei necesare;

asigurarea unui gabarit minim,

functionarea silentioasa;

rezistenta la actiunea agentilor chimici si atmosferici,

tehnologicitate;

durata de functionare impusa;

eficienta economica.

Materialele utilizate pentru realizarea rotilor dintate sunt:

materiale metalice

feroase (otelul si fonta);

neferoase (bronz, alama, aliaje de aluminiu etc.);

materiale plastice (textolit, poliamida, lignofol etc.).

Imposibilitatea formularii unor recomandari general valabile privind alegerea materialului rotilor dintate, cauzata de diversitatea mare de conditii in care acestea pot functiona, fac utila trecerea in revista a principalelor materiale utilizate in constructia rotilor dintate, cu evidentierea domeniului sau constructiilor in care acestea se recomanda a fi utilizate.

1 OTELUL

Otelul, in special cel laminat sau forjat, constituie principalul material folosit in constructia rotilor dintate utilizate in realizarea transmisiilor mecanice, datorita campului larg de proprietati utile pe care le asigura. In functie de sarcina de transmis, gabaritul si importanta transmisiei, pot fi utilizate oteluri aliate sau nealiate, tratate sau netratate termic.

1.1 Otelul netratat termic

Utilizarea otelului netratat termic se recomanda pentru angrenajele incarcate cu sarcini mici si/sau la care nu se impun conditii de gabarit. Din aceasta categorie de materiale fac parte otelurile de constructie (OL50, OL60) sau cel turnate (OT50, OT60). In cazul rotilor dintate pentru care semifabricatul se obtine prin forjare, se poate aplica un tratament termic de recoacere de normalizare dupa operatia de forjare. Otelul turnat se recomanda pentru executia rotilor de dimensiune mare, al caror semifabricat este dificil de obtinut prin alt procedeu.

1.2 Otelul de imbunatatire

Acest otel are un continut de carbon mai mare de 0,2%, fiind folosit pentru executia rotilor dintate incarcate cu sarcini mici si medii, la angrenajele pentru care nu se impun restrictii deosebite privind gabaritul.

Tratamentul termic specific acestui material este cel de imbunatatire, constand dintr-o calire urmata de o revenire inalta, in urma aplicarii caruia se obtine o duritate relativ redusa a otelului, HB< 3500 MPa, ceea ce permite prelucrarea danturii dupa tratamentul termic. Astfel, Precizia de prelucrare a danturii nu este influentata de deformatiile care apar uzual in timpul tratamentului termic. Din categoria otelurilor de imbunatatire folosite pentru realizarea rotilor dintate fac parte otelurile carbon de calitate OLC45, OLC60 si otelurile aliate 40Cr10, 41MoCr11, 50VCr11, 34MoCrNi15 etc.

1.3 Otelul de imbunatatire nitrurat

Nitrurarea este tratamentul termochimic prin care se introduce azot in stratul superficial al flancurilor dintilor, in scopul maririi duritatii superficiale a acestora, datorita formarii de nitruri. In urma aplicarii nitrurarii, dupa imbunatatire si danturare, se obtine o duritate mare a flancurilor, 3500.9000HV.

Nitrurarea se poate realiza in urmatoarele moduri:

nitrurare dura in gaz, care se aplica otelurilor de imbunatatire aliate, mai ales cu aluminiu (38MoCrAl09), care favorizeaza patrunderea azotului; se obtin duritati 7000.9000HV si adancimi de nitrurare de 0,2.0,6 mm; necesita timp indelungat (40.100 ore), inacceptabil pentru productia de serie, recomandandu-se pentru roti de dimensiuni mari, unicate, care nu se pot rectifica;

nitrurare moale in baia de saruri realizeaza duritati mai mici decat nitrurarea dura in gaz, in jur de 5000 HV, pe adancimi de 0,2.0,5 mm, intr-un timp mult mai scurt (1.3 ore). Se aplica otelurilor de imbunatatire aliate (40Cr10, 41MoCr11 etc.);

nitrurare ionica (ionitrurare) se realizeaza in camp electric, obtinandu-se intr-un timp scurt, performatele de la nitrurarea dura in gaz.

Tratamentul termochimic de nitrurare necesita temperaturi relativ scazute, 500.580 ^oC, si nu influenteaza nefavorabil precizia danturii, rectificarea ulterioara nemaifiind necesara. Dintii rotilor dintate nitrurate au o comportare defavorabila la suprasarcini si uzarea abraziva.

1.3 Otelul de imbunatatire calit superficial

Calirea superficiala se realizeaza prin incalzirea rapida a stratului superficial al flancului dintelui, prin inductie sau cu flacara, urmata de o racire, rezultand astfel o structura martensitica a stratului superficial tratat, cu duritati de ordinul 5000.6750HV, in conditiile pastrarii tenacitatii miezului. Calirea superficiala se aplica dupa imbunatatire si danturare si trebuie urmata de o detensionare la temperaturi joase, pentru a se elimina tensiunile cauzate de trecerea brusca de la stratul durificat la cel imbunatatit. Otelurile adecvate pentru un astfel de tratament termic sunt 41MoCr11, 40Cr10 etc.

Calirea superficiala poate asigura cresteri ale rezistentei la presiune de contact de circa cinci ori mai mari comparativ cu cea a otelurilor imbunatatite, dar tensiunile care apar la baza dintelui pot reduce, pentru anumite forme si dimensiuni ale rotii dintate, rezistenta la rupere prin oboseala la piciorul dintelui, chiar sub cea asigurata de otelurile imbunatatite.

1.4 Otelul de cementare

Cementarea este un tratament termochimic care consta in imbogatirea in carbon a stratului superficial al flancului dintelui, fiind urmata de o calire si o revenire joasa. Otelurile de cementare au un continut redus de carbon (mai mic de 0,2%). In urma calirii, se obtin roti dintate cu o duritate mare a stratului superficial (6500.7750 HV), in timp ce miezul isi pastreaza tenacitatea. Prin cementare se obtine o crestere de 2,5.3 ori a rezistentei la presiune de contact a flancului dintelui si de 1,5 ori a rezistentei la oboseala prin incovoiere a piciorului dintelui.

Danturarea se executa inaintea tratamentului termochimic, dupa tratament trebuind sa se realizeze o rectificare a danturii, pentru eliminarea deformatiilor mari care apar in timpul tratamentului.

Otelurile de cementare utilizate pentru executia rotilor dintate sunt otelurile carbon de calitate (OLC15, OLC20), pentru roti putin solicitate si care lucreaza la viteze moderate (6.12 m/s) si oteluri aliate: 15Cr08, 18MoCr10, 20Mn35, 21MoMnCr12 pentru rotile dintate supuse unor solicitari medii si mari si 22MoCrNi05, 20MoCrNi06, 18MoCrNi13, 20MnNi35, 13CrNi30, in cazul solicitarilor mari si foarte mari sau cu socuri.

2 FONTA

Fonta se utilizeaza pentru realizarea rotilor dintate de dimensiuni mari si a celor carora li se impun conditii severe de silentiozitate in functionare. De asemenea, fonta este caracterizata printr-un modul de elasticitate mai mic decat al otelurilor si are deci o capacitate de amortizare a socurilor si vibratiilor mult mai mare.

Fontele recomandate pentru realizarea rotilor dintate sunt cele cu grafit nodular (Fgn600-2, Fgn700-2 si cele cenusii (Fc200, Fc400). Fonta cenusie are rezistentele la presiune de contact si la incovoiere, mult inferioare otelurilor, spre deosebire de fonta cu grafit nodular, care permite si calirea flancurilor, prin inductie sau cu flacara, situandu-se din punctul de vedere al rezistentelor admisibile la nivelul otelurilor netratate termic.

3 ALIAJELE NEFEROASE

Caracteristicile de rezistenta, inferioare otelurilor, si preturile ridicate ale aliajelor neferoase, limiteaza folosirea lor doar in constructia acelor rotilor dintate carora li se impun conditii de silentiozitate si antifrictiune. In general, rotile dintate din aliaje neferoase se utilizeaza in industria constructoare de aparate si mecanica fina, unde aceste roti pot indeplini criteriile de precizie ridicata impuse, putand fi realizate prin turnare centrifugala sau sub presiune. De asemenea, angrenajele executate din astfel de materiale sunt inglobate, de obicei, in transmisiile cinematice, la care sarcinile transmise sunt mici.

Bronzul este unul din aliajele neferoase cu larga aplicabilitate in constructia transmisiilor mecanice, datorita caracteristicilor antifrictiune pe care le are, contribuind la evitarea griparii.

4 MATERIALELE PLASTICE

Desi au caracteristici mecanice mult sub cele ale materialelor metalice, fapt ce le recomanda doar pentru realizarea angrenajelor incarcate cu sarcini mici, angrenajele din materiale plastice au domeniu extins de aplicabilitate datorita proprietatilor de silentiozitate si anticorozive in medii corozive pentru materialele metalice. De asemenea, datorita faptului ca aceste angrenaje nu necesita ungere, sunt preferate in acele sectoare in care ungerea cu uleiuri minerale nu este posibila (masini si instalatii din industriile alimentara, textila, a aparatelor de birou, de uz casnic).

Executia rotilor dintate din materiale plastice, prin aschiere, prin presare sau injectare, este relativ comoda, iar costul executiei, in special in cazul productiei de serie mare, este redus.

Vitezele periferice si sarcinile transmise de angrenajele din materiale plastice sunt limitate la valori reduse, din cauza domeniul restrans de temperaturi (t<100^oC), la care aceste transmisii pot functiona.

Orientativ, pentru alegerea materialelor rotilor dintate, pot fi folosie recomandarile din tabelul 1.

Tabelul 1

5 TEHNOLOGII UTILIZATE PENTRU REALIZAREA ROTILOR DINTATE

Semifabricatele necesare pentru confectionarea rotilor dintate din otel se recomanda a fi obtinute, in functie de dimensiunea diametrului de cap al rotii, d_a, conform tabelului 2.

Tabelul 2

Rotile dintate cilindrice se executa prin frezare, prin doua procedee distincte: prin copiere si prin rulare (rostogolire).

Prelucrarea prin copiere se realizeaza cu scule profilate dupa forma golului dintre dinti. La prelucrare, scula de danturat - freza disc (fig.1, a) sau freza deget (fig.1, b) - executa miscarea principala de aschiere (rotatie in jurul axei proprii) si eventual miscarea de avans, in timp ce roata semifabricat executa miscarea de divizare si eventual miscarea de avans, pentru prelucrarea gol cu gol a danturii. Deoarece forma golului dintre dinti depinde atat de modulul rotii cat si de numarul de dinti ai acesteia, numarul necesar de scule de prelucrare este mare. In afara de aceasta, uzura sculelor conduce la inexactitati in executia profilului. Productivitatea redusa si erorile de excutie au determinat utilizarea din ce in ce mai restransa a acestui procedeu, numai la roti cu turatii reduse si in ateliere de reparatii.

Prelucrarea prin rulare se realizeaza cu scule de forma unui melc - freza-melc (fig.1, c) - , cu scule de forma cremalierei - cutit pieptene (fig.1, d) - sau cu scule de forma unei roti evolventice - cutit-roata (fig.1, e si f). Scula si roata-semifabricat formeaza un angrenaj, miscarea relativa a celor doua elemente determinand generarea dintilor rotii, de catre muchiile aschietoare ale sculei de danturat. Metoda este productiva si asigura o precizie superioara metodei copierii.

La proiectarea angrenajelor, din punctul de vedere al preciziei tehnologice, este necesar sa se stabileasca treapta de precizie, jocul dintre flancuri si rugozitatea suprafetei flancurilor.

Fig.2

Adoptarea treptei de precizie se face in functie de rolul functional al angrenajului, viteza periferica a rotilor dintate (pentru a reduce sarcina dinamica si zgomotul) si tehnologia de prelucrare adoptata. In fig. 2, se indica o serie de recomandari pentru adoptarea treptei de precizie.

Jocul dintre flancuri depinde de rolul functional al angrenajului, de viteza periferica a rotilor dintate, de diferenta de temperatura dintre carcasa transmisiei si angrenaj. Marimea jocului dintre flancuri se adopta independent de treapta de precizie a angrenajului. In standarde s-au stabilit sase tipuri de ajustaje pentru rotile dintate in angrenare, notate A, B, C, D, E, H. Ajustajul de baza, de tip B, asigura valoarea minima a jocului normal dintre flancuri pentru care se elimina posibilitatea intepenirii datorita incalzirii angrenajului cu roti dintate de itel sau fonta, in cazul unei diferente de temperatura dintre roti si carcasa de 25^oC.