Изготовление зубчатых колес - многооперационный технологический процесс, где операции горячей пластической деформации и механической обработки сочетаются с операциями термической обработки заготовок и химико-термической обработки деталей. Зубчатые колеса авиадвигателей относятся к числу наиболее сложных в технологическом отношении деталей. При их изготовлении число операций и переходов достигает двух десятков. Сложная и ажурная конфигурация зубчатых колес, минимальные припуски существенно усложняют процессы термической и механической обработки, требуют тщательного их выполнения.

Работоспособность зубчатых колес в решающей степени зависит от точности изготовления и качества поверхностного слоя зубьев. Рабочие поверхности должны в условиях действия больших контактных напряжений, сил трения и контактных температур противостоять повреждению и усталостному разрушению. Эксплуатационные свойства зависят от воздействия на поверхностный слой зубьев комплекса технологических и металлургических факторов. Влияние одних факторов проходит через весь технологический процесс, другие действуют в пределах одной или нескольких операций.

К числу наиболее устойчивых факторов относятся металлургическое качество и расположение волокон (макроструктура горячедеформированного металла). Оба эти фактора не претерпевают изменений в ходе технологического процесса и наследуются готовой деталью. Для того чтобы уменьшить степень их влияния, для изготовления зубчатых колес ГТД применяют комплексно легированные стали с обязательным электрошлаковым переплавом, а технология горячей штамповки отработана таким образом, чтобы исключить образование неблагоприятно ориентированной макроструктуры. Возрастает роль упрочняющей и отделочной обработок, под влиянием которых характеристики качества поверхностного слоя и показатели точности претерпевают наибольшие изменения.

К числу наиболее трудоемких операций следует отнести зубонарезание, зубошлифование и особенно - химико-термическую обработку (ХТО). Зубонарезание отличается невысокой производительностью и требует большого количества дорогостоящих фрез. Наиболее сложная и ответственная технологическая операция - химико-термическая обработка. Она предусматривает газовую цементацию в шахтных печах. Такой процесс из-за несовершенства оборудования и алгоритма управления диффузионным насыщением не обеспечивает необходимого качества упрочнения. Другой его недостаток - значительные деформации и коробление, вызывающие снижение показателей точности изготовления деталей на 2..3 порядка. Для восстановления необходимой точности требуется зубошлифование. Его особенность - возможность образования в поверхностном слое структурных изменений (прижогов) и остаточных напряжений растяжения, отрицательно влияющих на эксплуатационные свойства зубчатых колес. Для совершенствования производства зубчатых колес ГТД требуется разработка единой системы управления процессом изготовления таких деталей, исключающей проявление отрицательных факторов "технологической наследственности".

Радикальным средством улучшения качества зубчатых колес и повышения ресурса их работы следует признать разработку и применение технологий высокого уровня практически во всей цепи изготовления:

• глубинного шлифования - нового процесса зубонарезания и финишной обработки зубчатых колес;
  
• ионной химико-термической обработки, включающей процессы ионной цементации (ИЦ), нитроцементации (ИНЦ) и азотирования;
  
• зубохонингования - финишной операции, обеспечивающей после малодеформационной ионной ХТО, восстановление точности и высокое качество упрочненной поверхности зубьев.
  

Промышленная реализация трех новых технологических процессов потребовала определения области их рационального применения по уровню допустимых нагрузок, окружных скоростей и геометрических размеров деталей. Несмотря на определенное сходство между цементацией, нитроцементацией и азотированием, имеются важные различия в химическом составе, строении, свойствах и толщине диффузионных слоев. Эти различия проявляются в сопротивлении слоя пластической деформации - твердости, пределе текучести и, как следствие, в уровне несущей способности.

Обоснование рациональной области применения способов ионной ХТО решалось как многофакторная задача. Для проведения такой оценки были построены математические модели, по которым рассчитаны показатели напряженного состояния поверхностного слоя зубьев.

Разработанный расчетный метод использован применительно к цилиндрическим зубчатым передачам приводов агрегатов авиационного двигателя. Метод позволяет устанавливать технические границы рациональных областей применения основных процессов ионной ХТО, включая уровень нагрузок и геометрические характеристики зубчатых колес, а также определять для известных (или анализируемых при разработке нового двигателя) эксплуатационных условий работы зубчатой передачи рациональный способ поверхностного упрочнения и вариант его выполнения.

Существующая технология химико-термической обработки является наиболее узким местом в производстве зубчатых колес. Анализ показывает, что применяемый процесс ХТО, основанный на газовой цементации в шахтных печах, длителен (10…12 ч), дорог и не обеспечивает требуемого качества обработки. Несовершенна и организационная структура термического производства, отличающегося низким уровнем механизации и автоматизации. Это свидетельствует о необходимости замены газовой цементации новыми процессами химико-термической обработки.

Одним из наиболее перспективных технологических процессов является ионная цементация и нитроцементация. Главное достоинство - возможность формирования диффузионных слоев с высокой несущей способностью. Задача цементации - обеспечить заданную насыщенность поверхностного слоя углеродом при минимальном времени и максимальной экономии расходных материалов. В машиностроении применяются, главным образом, пять способов газовой цементации:

• в автоматизированных агрегатах с регулируемым углеродным потенциалом;
  
• в продуктах пиролиза в шахтных печах;
  
• в кипящем слое;
  
• в вакууме;
  
• ионный.
  

Однако вопрос о том, какой из способов следует считать наиболее рациональным, пока не получил научного обоснования.

Самые низкие показатели эффективности процесса по всем критериям имеет способ газовой цементации в шахтных печах, а наиболее высокие - способ ионной цементации. Высокая эффективность ионной цементации обусловлена преимуществами ионизированной атмосферы и совершенством применяемого технологического оборудования. Этот процесс обеспечивает высокую концентрацию углерода на поверхности металла, причем величина углеродного потенциала может регулироваться в широких пределах.

При ионной цементации в граничном слое создается высокий градиент концентрации углерода. Скорость роста науглероженного слоя материала составляет 0,4…0,6 мм/ч, что в 3…5 раз превышает этот показатель для других способов цементации. Продолжительность ионной цементации для получения слоя толщиной 1…1,2 мм сокращается до 2…3 часов.

Расчеты показывают, что вследствие низкого расхода газов, электроэнергии и непродолжительного времени обработки производственные затраты снижаются в 4…5 раз. К технологическим преимуществам ионной цементации следует отнести высокую равномерность науглероживания, отсутствие внешнего и внутреннего окисления, уменьшение коробления деталей.

Высокая эффективность свойственна также ионной нитроцементации - процессу совместного насыщения поверхности металла углеродом и азотом. Присутствие азота в диффузионном слое повышает твердость, теплостойкость, износостойкость и др. При ИНЦ возможно формирование глубоких (2 мм и более) качественных диффузионных слоев.

Эффективная система контроля и управления процессами ионной ХТО создана (патент РФ № 2048601) на основе принципа спектральной (бесконтактной) диагностики процессов, происходящих в непосредственной близости от насыщаемой поверхности. В основе этого принципа лежит анализ оптического излучения активных составляющих частиц плазмы. Для реализации этого принципа разработана система компьютерного управления.

Датчик, выделяющий электромагнитное излучение, соответствующее активным углерод- или азотсодержащим составляющим ионизированной атмосферы, размещен за смотровым окном снаружи газоразрядной камеры. Электрический сигнал от датчика обрабатывается электронным блоком и поступает в управляющий компьютер. В расчетном модуле строится концентрационная кривая углерода и отображается ее эволюция в процессе насыщения на экране монитора, а исполнительный модуль с помощью компьютера вырабатывает управляющий сигнал для регулятора расхода газа. Регулятор обеспечивает подачу газа адекватно заданной концентрации углерода на поверхности металла в реальном масштабе времени. По аналогичной схеме ведется контроль и расчет концентрации азота в диффузионном слое.

Компьютерное управление дает возможность стабильно получать диффузионные слои высокого качества. Погрешность концентрации углерода и азота составляет ±0,05 %, толщины слоя ±0,05 мм.

Влияние технологических факторов - состава газовой среды, давления, температуры, времени и удельной мощности разряда на характеристики диффузионного слоя наиболее четко проявляется при одностадийных режимах обработки. При таких режимах - основных в практике проведения газовых процессов в шахтных печах - технологические факторы поддерживают на постоянном уровне в течение всего времени обработки.

При высокотемпературной ионной нитроцементации определяющим является процесс насыщения поверхности углеродом. Концентрация азота достаточно легко регулируется изменением температуры и времени насыщения. Снижение температуры приводит к увеличению концентрации азота на поверхности. С увеличением температуры и времени концентрация азота на поверхности уменьшается, но увеличивается глубина его проникновения.

Установлено, что при ионной цементации и нитроцементации отсутствуют наводороживание и окисление из-за низкого парциального давления этих элементов в газоразрядной камере. Отсутствие окисления - важное условие для повышения выносливости при изгибе зубьев колес, изготавливаемых с нешлифованной впадиной. Однако одностадийные режимы приводят к пересыщению поверхности теплостойких сталей углеродом и азотом. Этот недостаток не свойственен двухстадийным и циклическим режимам, которые следует считать предпочтительными вариантами диффузионного насыщения.
Двухстадийные режимы предусматривают стадию активного науглероживания в течение времени t1 при достаточно высоком (1,8…2,0 %) углеродном потенциале и стадию диффузионного выравнивания в течение t2 при более низкой (1,2…1,5 %) насыщающей способности газовой среды. В результате устраняется пересыщение поверхности углеродом, увеличивается эффективная толщина слоя и толщина активной карбидной зоны.

Целесообразность применения двухстадийных режимов подтверждена и при ионной нитроцементации. Пологие концентрационные кривые углерода и азота способствуют тому, что твердость медленно снижается по толщине слоя, а ее высокий уровень сохраняется на значительном расстоянии от поверхности.

Естественным развитием двухстадийного процесса являются циклические режимы, при которых предусматривается многократное изменение углеродного потенциала газовой среды.

Многообразие вариантов проведения диффузионного насыщения с одной стороны расширяет технологические возможности процессов, а с другой - затрудняет выбор оптимальных режимов обработки на основе экспериментальных исследований. Для проектирования технологии диффузионного насыщения создан расчетный метод, основанный на математических моделях процессов.

Математическая модель процесса ионной цементации включает совокупность уравнений диффузии, начальных и граничных условий. Построению модели предшествовало экспериментальное исследование карбидной фазы цементированного слоя путем послойного физико-химического анализа. Решение реализовано численным методом с использованием явной разностной схемы.

В качестве оптимизируемой выбрана функция качества, описывающая отклонение характеристик слоя от заданных. Алгоритм минимизации функции качества составлялся для двухстадийных и циклических режимов обработки. Результаты экспериментальных и теоретических исследований свидетельствуют о том, что технологические возможности ионной цементации и нитроцементации способны обеспечить требуемые характеристики диффузионного слоя как в отношении высокой износостойкости, так и высокой контактной выносливости.

Испытания по определению износостойкости проводили, послойно сошлифовывая слои с поверхности образцов, прошедших полную ХТО.

Установлено, что скорость изнашивания минимальна у поверхности, наиболее насыщенной углеродом и содержащей максимальную объемную долю частиц избыточной карбидной фазы. По мере удаления от поверхности скорость изнашивания увеличивается и заметно возрастает в слоях, не содержащих частиц избыточной фазы.

На специальной машине в условиях адгезионного изнашивания испытывали пары трения, составленные из образцов, предварительно подвергнутых газовому азотированию, газовой цементации в шахтных печах и ионной нитроцементации, соответственно. Износ оценивали по уменьшению массы образцов. Испытания показали заметное преимущество ионной нитроцементации по сравнению с газовой цементацией, проведенной по общепринятой технологии. При одинаковой толщине слоя износостойкость после нитроцементации примерно в 4 раза выше, чем после газовой цементации и приближается к износостойкости азотированных слоев.

Для сопротивления контактной усталости требуются иные показатели насыщенности диффузионного слоя по сравнению с необходимыми для обеспечения износостойкости. Условиями высокой контактной выносливости являются высокое сопротивление пластической деформации при высокой структурной однородности диффузионного слоя и высокая насыщенность твердого раствора карбидообразующими элементами. В соответствии с этим требуется обеспечить рациональную концентрацию углерода (и азота) на рабочей поверхности, определенную долю избыточной карбидной (карбонитридной) фазы в виде мелкодисперсных частиц округлых форм, а также протяженную площадку равной и высокой твердости вблизи рабочей поверхности. Выполнение этих требований достигается при двухстадийных и циклических режимах диффузионного насыщения. По сравнению с одностадийным режимом ионной цементации контактная долговечность после двухстадийного режима повышается в 1,4 раза, а по сравнению с газовой цементацией - в 1,6 раза.

Эффективность применения двухстадийных, и особенно циклических режимов подтверждена и при ионной нитроцементации. Дополнительное насыщение стали азотом, не влияя на распределение концентрации углерода, повышает твердость слоя благодаря увеличению дисперсных частиц карбонитридной фазы.

В основе метода определения предела контактной выносливости лежит аналитический расчет кривой усталости по экспериментальным точкам, полученным при двух уровнях напряжений. Обработка результатов испытаний показала, что предел контактной выносливости повышается с увеличением глубины цементированного слоя и с уменьшением градиента концентрации углерода. Наибольшей контактной прочностью обладают цементированные слои, для которых кривые концентрации углерода и твердости имеют протяженную площадку в приповерхностной области.

Зависимость предела контактной выносливости от концентрации углерода на поверхности имеет максимум, отвечающий 1,4...1,5 % С. Его наличие связано с влиянием избыточной карбидной фазы, объемная доля которой должна обеспечивать высокую твердость, но не вызывать критического обеднения твердого раствора карбидообразующими элементами.

Результаты стендовых испытаний были аппроксимированы и получено параметрическое уравнение - математическая модель контактной выносливости для стали ВКС-5 и смазочного материала ИПМ-10 при температуре 120 °С. Из анализа результатов стендовых испытаний следует, что предел контактной прочности стали ВКС-5 после ионной цементации может составлять 1890 МПа, что заметно превышает его верхний уровень (1400 МПа), определенный ГОСТ 21354-85. Таким образом, процессы ионной цементации и нитроцементации обеспечивают резерв повышения эксплуатационных свойств зубчатых колес ГТД.

Анализ показывает, что использование нового оборудования способно кардинальным образом изменить технологический процесс изготовления деталей, сделать его максимально рациональным. Объем механической обработки сокращается на 30 %, число технологических операций уменьшается на 40 %, продолжительность цикла обработки сокращается на 50 %.

С введением участка ионной ХТО на предприятии будет решен комплекс организационно-технологических вопросов производства зубчатых колес ГТД. Промышленное применение инновационных процессов даст возможность повысить эксплуатационные свойства и надежность деталей, снизит трудоемкость и производственные затраты.

Кривые изменения механических свойств по толщине слоя для различных способов ХТО	Система активного контроля и управления процессом ионной ХТО
Распределение твердости по толщине цементированного слоя при двухстадийном режиме ионной цементации