Термообработка превращает мягкую, легко обрабатываемую заготовку в шестерню, способную годами нести нагрузку, но при этом она и смещает металл. Каждая закалённая шестерня немного меняет форму, а на плохо спроектированной или неправильно уложенной в печь детали изменение может оказаться достаточным для брака. Деформация — не случайный дефект, который поставщик то ли исправит, то ли нет, а предсказуемый механический отклик на нагрев, фазовое превращение и ограничение: её нужно закладывать в конструкцию, компенсировать припуском и в итоге исправлять чистовой обработкой. Кто относится к закалке как к чёрному ящику, тот часто получает овальные отверстия, зубья с погрешностью направления, неплоские торцы и погрешности шага, которые обнаруживаются лишь тогда, когда редуктор начинает гудеть. Хорошая новость в том, что большинство механизмов деформации хорошо изучены, и как только механизм ясен, остаётся вопрос припусков, оснастки и управления процессом.
Во время закалки действуют два разных напряжения, и каждое изгибает деталь по-своему. Термическое напряжение возникает из-за неравномерного охлаждения: поверхность остывает и первой пытается сжаться, пока сердцевина ещё горячая и пластична, поэтому поверхность растягивается, а позже, когда остывает и сжимается сердцевина, поверхность оказывается сжатой. Напряжение превращения возникает из самого перехода аустенита в мартенсит, потому что мартенсит занимает больший объём, чем аустенит, из которого он образовался. Поверхность превращается первой и расширяется, пока сердцевина ещё мягкая аустенитная; когда сердцевина наконец превращается и расширяется, она выталкивает уже закалённый слой наружу. Какое напряжение доминирует, зависит от прокаливаемости стали, размера сечения, скорости закалки и способа установки детали, и результат представляет собой смесь роста, сжатия, коробления и овальности, которую трудно угадать без опытных данных. Цементация добавляет ещё один поворот: обогащённый углеродом слой превращается иначе, чем низкоуглеродистая сердцевина, слой обычно растёт, пока сердцевина ужимается, и если цементация по зубу неравномерна, корень или одна сторона ширины зуба получают больше углерода и больше расширения, чем другая, искривляя линию зуба. Отпуск затем снимает закалочные остаточные напряжения, но само это расслабление может немного сместить размеры, поэтому стабильные детали отпускают дважды или выдерживают при температуре достаточно долго, чтобы движение завершилось.
Большие и тонкостенные шестерни — то место, где деформация кусается сильнее всего. Тонкостенное внутреннее зубчатое колесо большого диаметра с малой радиальной толщиной при закалке склонно к овальности, потому что тонкий венец охлаждается быстрее, чем тяжёлый диск и стянутое болтами кольцо, которые его поддерживают. Скачки сечения делают то же самое: ступица, заметно более тяжёлая, чем диск, или венец, заметно более тяжёлый, чем диск, остывает в своём темпе и вытягивает более лёгкое сечение из плоскости. Расположенные с одной стороны отверстия под болты, шпоночные канавки и облегшающие отверстия нарушают осевую симметрию и действуют как местные охладители и концентраторы напряжений, поэтому шестерня растёт неравномерно по окружности. Длинные тонкие валы-шестерни ведут себя как лук: одна сторона вала остывает чуть быстрее другой, расширение при превращении перекошено, и деталь выходит из ванны с постоянной погрешностью направления, которую можно устранить только правкой или шлифованием. На практике хуже всего приходится тонкостенным венцам, односторонним фланцам, шлицевым валам и дискам с несимметричными вырезами.
Стандартный ответ — оставить достаточно материала, чтобы термообработка смещалась в припуск, а после закалки заново обработать настоящие поверхности. Последовательность начинается с черновой обработки: точить, растачивать и фрезеровать заготовку близко к окончательному размеру, но оставляя щедрый слой на каждой поверхности, которая позже должна быть точной. Типичные припуски составляют 0,3–1,0 мм на диаметр отверстия, 0,2–0,5 мм на наружный диаметр, несколько десятых на каждый торец и 0,15–0,35 мм на каждую сторону зуба, в зависимости от модуля, глубины слоя и измеренных поставщиком данных о деформации. Припуск должен быть симметричным: оставить больше материала с одной стороны диска или одной стороны зубной впадины лишь скрывает деформацию, но не устраняет её. Отжиг на снятие напряжений или нормализация между черновой и окончательной термообработкой удаляют остаточные напряжения обработки, которые иначе сложились бы с закалочными. После закалки и отпуска деталь возвращается в механический цех: отверстие шлифуется или хонингуется до размера, торцы шлифуются начисто и параллельно, и только потом чистово шлифуются зубья, потому что шлифование зубьев до выверки отверстия зафиксирует биение в шаге.
Шлифование закалённых зубьев — это чистовой шаг, который действительно исправляет посттермическую деформацию, но вносит и собственный риск. Затупленный шлифовальный круг, слишком высокая подача или СОЖ, не доходящая до зоны контакта, могут нагреть боковую поверхность зуба настолько, что слой отпустится назад, дав мягкую неотпущенную зону или даже сетку тонких шлифовочных трещин, распространяющихся под нагрузкой. Обычные контрмеры — острый и часто правленый круг, малые подачи, обильная высоконапорная СОЖ, направленная в зону контакта, и искровой проход. Стоит также понимать пределы других чистовых операций: шевингование всегда выполняется на мягкой шестерне до термообработки, поэтому деформацию закалки не исправляет вовсе; хонингование снимает лишь несколько микрометров и применяется после шлифования для улучшения шероховатости и создания сжимающих остаточных напряжений, снижающих шум; шлифование — единственная операция, которая действительно может исправить погрешности профиля, направления и шага после закалки. Для среднеточных шестерён шевингование плюс термообработка достаточны по стоимости, но для высокоточных или быстроходных шестерён нет замены шлифованию после закалки, часто с последующим лёгким хонингованием.
Практический контрольный список стоит вести на каждом проекте. Перед термообработкой деталь черново обрабатывают и снимают напряжения, потому что свежевыточенные заготовки несут собственные запертые напряжения. В конструкции предпочитают симметрию: равномерные по толщине сечения, симметричные отверстия под болты, добавочные технологические отверстия там, где нужно уравновесить массу, и избегают тонких фланцев, охлаждающихся первыми. При загрузке валы вертикально подвешивают на оправках, зубчатые венцы поддерживают на плоских стеллажах или внутренними приспособлениями, и печь загружают так, чтобы детали не касались друг друга на ответственных поверхностях. Среду закалки выбирают тщательно: закалка в масле или полимере смещает деталь гораздо меньше, чем в воде, а управляемое перемешивание лучше спокойной закалки. Температуру в печи поддерживают равномерной по всему корзину, с калиброванным зональным регулированием и медленным подъёмом через интервал превращения. Измеряют до и после: закалочные образцы или представительную выборку, записывают овальность отверстия, биение и направление зубьев, и ведут карту деформации для каждого семейства шестерён, чтобы припуск можно было со временем уменьшать, а не угадывать при каждом заказе.
Деформацию лучше рассматривать как число, которое нужно предсказать, а не как случайность, которой следует избегать. Когда вы заказываете шестерни у поставщика, сделайте разговор предметным: укажите нужный класс точности, примите, что для его достижения будет использовано шлифование после термообработки, оговорите поверхности, которые должны быть чистовыми после закалки, и сначала запросите опытные образцы, чтобы припуск можно было настроить. Поставщик, который отказывается измерять деформацию или обещает нулевое смещение при закалке, обещает то, чего не может дать ни одна термообработка. При реалистичном припуске, разумной оснастке и документированном процессе та же закалка, что упрочняет ваши шестерни, может быть проведена так, чтобы оставить их достаточно близко к истинной форме, и чистовой проход введёт их в допуск.