Повышение эксплуатационного ресурса и надежности мелкомодульных зубчатых передач, применяемых в аэрокосмической отрасли

Перспективные требования к узлам и системам аппаратов проектируемых для эксплуатации в атмосфере и космосе предусматривают увеличение ресурса при одновременном снижении массы изделий и стоимости их производства. Таким образом, требуется обеспечить развитие одновременно трёх взаимозависимых факторов, ибо только так можно соответствовать требованиям 5-го технологического уклада. Для гарантированного осуществления этой задачи необходимо применение не только современного оборудования, но и в первую очередь опережающих технологических решений, основанных на научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах (НИОКР), принципах ноу-хау и фундаментальных знаниях.

При создании авиационной и космической техники двойного назначения широко используют мелкомодульные зубчатые передачи. На сегодняшний день существует проблема небольшого эксплуатационного ресурса мелкомодульных деталей (рис. 1), в условиях воздействия интенсивной вибрации с перегрузкой 20 – 30 g. Постоянный износ также происходит в высокооборотистых многоступенчатых зубчатых передачах, используемых, например, в приборах авиагоризонта.

Сотрудниками компании «Ионные Технологии» г. Пермь в 2016 году сделан конструкторско-технологический анализ возможности применения ионных покрытий для упрочнения мелкомодульных зубчатых передач. Обработано большое количество научного материала. Рассмотрены причины разрушения и методы упрочнения зубчатых колес. Проанализировано состояние существующих технологий по упрочнению мелкомодульных сложноконтурных зубчатых зацеплений из легированных и нержавеющих сталей, применяемых в навигационных приборах, а также в исполнительных механизмах инерциальных систем управления и наведения.

Основным способом упрочнения было выбрано ионное азотирование – насыщение металлических изделий азотом в вакууме. В результате воздействия электромагнитного поля, рабочий газ (азот, водород, аргон др.) ионизируются, создавая вокруг катода и размещенных на нем деталей низкотемпературную плазму (рис. 2), по этой причине азотирование в вакууме называют также ионно-вакуумным (ИВА) или ионноплазменным (ИПА). Технология известна уже несколько десятков лет. В настоящее время ионное азотирование находится в динамическом развитии, возможности постоянно совершенствуются, что позволяет стремительно расширять сферу применения, при этом многократно снижать стоимость упрочнения единицы продукции и время обработки.

Рисунок 1. Общий вид азотируемых малогабаритных деталей для ответственной и специальной техники аэрокосмического комплекса

Основные трудности при упрочнении деталей малого размера представляет адекватное определение температуры на поверхности. Также малая масса изделия с развитой поверхностью определяет высокую чувствительность измерительного оборудования и требования к источнику импульсной плазмы. Для объективного представления о динамике и результатах процесса были выполнены сотни металлографических и дюрометрических исследований.

Разработана специальная оснастка для упрочнения мелкомодульных зубчатых колес, предусматривающая высокоточный контроль температуры азотирования малогабаритных деталей, что позволяет обеспечивать равномерный нагрев и высококачественное упрочнение зубьев. В ходе работ внесены изменения в конструкторскую документацию и разработаны новые требования к азотированному слою зубчатого зацепления.

В работе был проведен комплекс кинетических исследований формирования азотированного слоя (500 – 630 °С, 10 – 360 минут) и определены оптимальные режимы азотирования, на глубину 30 – 60 мкм (вместо 100 – 200 мкм) с твердостью ≥ 800 HV.

В отечественной практике подобный комплекс НИОКР выполнен впервые.

Основная цель – обеспечить увеличение ресурса шестерён с модулем зуба 0,2 – 0,5 мм. Исследуемые стали 38Х2МЮА, 14Х17Н2, 16Х16Н3МАД, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М3Т. Работы выполнялись в кооперации и в интересах «Мичуринского завода «Прогресс»» и АНПП «ТЕМП-АВИА» г. Арзамас.

Результат превзошёл планируемые показатели, в процессе работ были выявлены зависимости формирования упрочнённых слоёв на глубины от 10 до 150 мкм. Обнаружены оптимальные условия возникновения твёрдых и нехрупких нитридов с равномерным распределением по всей поверхности зуба, что и обеспечивает высокие эксплуатационные свойства изделия в целом.

За прошедшее время технология кратковременного низкотемпературного азотирования прошла серийную отработку, получены стабильные результаты, количество упрочнённых изделий составляет тысячи штук. Удалось существенно повысить контактную и усталостную прочность, износостойкость и надежность упрочняемых изделий.

В 2018 году заключены договора на поставку оборудования с организациями, участвовавшими в работах, защищена магистерская диссертация в ПНИПУ по этой тематике, исследования продолжаются в интересах группы предприятий и КБ.

Результаты проведенных работ первого этапа

Отработку режимов упрочнения мелкомодульных зубчатых передач для ответственной и специальной техники проводили на деталях типа "трибка" и "зубчатое колесо". Детали применяются в электромеханическом приводе, предназначенном для работы в координаторе для осуществления функций стабилизации и управления угловым положением нагрузки относительно двух взаимно перпендикулярных осей и формирования сигналов об угловом положении нагрузки относительно осей подвеса.

Упрочняемые изделия выполнены из сталей различных классов: мартенситноферритных – 14Х17Н2, аустенитно-мартенситных – 16Х16Н3МАД. После ионного азотирования детали имеют матово-серый цвет (рис. 2в).

а	б	в
Рисунок 2. Вид деталей до (а), во время (б) и после (в) ионного азотирования

После ионного азотирования проведен визуальный контроль качества поверхности. Азотированная поверхность проверена на отсутствие шелушения и сколов, особенно вдоль острых кромок при увеличении в 15 – 30 раз. Хрупкость азотированного слоя контролировали по виду отпечатка алмазной пирамиды в соответствии со шкалой хрупкости ВИАМ: 1, 2 балл хрупкости соответствуют работоспособным пластичным диффузионным слоям, 3 балл недопустим на шлифованных поверхностях, 4 балл полностью бракует детали. Так как глубина азотированных слоев не превышает 0,2 мм хрупкость определяли при нагрузке 5 кг (49,03 Н).

Микротвердость измеряли при нагрузке 100 г (0,98 H). Глубину слоя по микроструктуре (hм) определяли на поперечных шлифах с помощью светового микроскопа при увеличении х50 – 1000. Контроль и оценку глубины азотированного слоя на зубчатых деталях выполняли на рабочей поверхности (боковой) в зоне делительной окружности. 

Так же глубину слоя определяли дюрометрическим методом (hс ) при нагрузке 100 г (0,98 H). Наносили отпечатки твердости от края азотированной поверхности вглубь к сердцевине по диагонали. Первый “накол” производили на расстоянии 10 – 20 мкм от края азотированной поверхности, расстояние между следующими отпечатками 10 – 20 мкм.

Таблица 1. Характеристики азотированного слоя на стали 16Х16Н3МАД

Таблица 2. Характеристики азотированного слоя на стали 14Х17Н2 (AISI 431, X20CrNi72)

После ионного азотирования детали имеют матово-серый цвет. В результате ионного азотирования на деталях формируется равномерно развитый диффузионный слой, обладающий поверхностной твердостью в 3 раза большей, чем исходный металл, с одновременным отсутствием хрупкости. На рисунке 3 и 4 представлена микроструктура фрагментов деталей. 

Рисунок 3. Микроструктура фрагмента детали «Шестерня» (m = 0,2) из ст. 16Х16Н3МАД после ионного азотирования с упрочненным слоем по профилю зубьев,  увеличение в 50 раз

Рисунок 4. Микроструктура фрагмента детали «Трибка» из ст. 14Х17Н2 (m = 0,4) после ионного азотирования с упрочненным слоем по профилю зубьев, увеличение в 50 раз

Низкотемпературные кратковременные процессы ионного азотирования обеспечивают размерную и чистовую точность (изменение размеров до 7 мкм; шероховатость Ra=0,32 – 0,16 мкм). Установлено, глубина слоя по распределению микротвердости превышает глубину слоя по микроструктуре. Профиль распределения твердости соответствует распределению азота по глубине (рис. 5,6).

Рисунок 5. Микроструктура боковой поверхности зуба в зоне делительной окружности, увеличение в 500 раз

Рисунок 6. График распределения микротвердости по глубине азотированного слоя

В результате проведённого комплекса работ, увеличился эксплуатационный ресурс более чем в три раза, что подтверждено заводскими испытаниями широкополосной случайной вибрацией (ШСВ) и опытной эксплуатацией в изделиях авиа-ракетной техники. Модернизация техники азотированными деталями позволила исключить этап постоянной прокачки электромеханического привода.

Рисунок 7. Профиль азотированной “Трибки” упрочненным слоем по профилю зуба, увеличение в 50 раз

На сегодняшний день ионное азотирование можно рассматривать, как передовую технологию поверхностного упрочнения для авиакосмической промышленности. Применение различных методов химико-термической обработки в массовом производстве изделий специального назначения позволяет внедрять инновационные конструкторско-технологические решения, поднять на принципиально новый уровень качество продукции, существенно снизить затраты и обеспечить многократный рост производительности труда. Ионная ХТО является экологически чистым и малозатратным процессом упрочнения, что, несомненно, ставит её в ряд природоподобных технологий.

Почитать подробнее о наших возможностях

•  ЗАКАЗАТЬ АЗОТИРОВАНИЕ
  ×

  Заказать ионное азотирование
  * Узнать можно ли упрочнить вашу деталь?