В данной статье подробно описывается шестерня шаровой мельницы – основной компонент трансмиссии, взаимодействующий с зубчатым колесом для привода цилиндра. Требуются высокая прочность, точность, вязкость и износостойкость. Материалом для изготовления шестерни служит 20CrMnTi. Описывается технологический процесс изготовления шестерен из 20CrMnTi, включающий ковку заготовки, черновую/получистовую обработку (точение, зубофрезерование), цементацию, прецизионную механическую обработку (шлифование зубьев, шлифование нулевой точки) и сборку. Кроме того, в статье описываются комплексные процедуры контроля, охватывающие исходные материалы (состав, качество ковки), термическую обработку (твердость, цементированный слой), точность зубьев (отклонение шага, биение) и окончательные испытания (качество поверхности, характеристики зацепления, динамическая балансировка). Это гарантирует соответствие шестерни требованиям к КПД передачи (≥95%) и сроку службы (2–3 года), обеспечивая стабильную работу шаровой мельницы.
Подробное описание, процесс изготовления и проверки шестерен шаровых мельниц
I. Функции и конструктивные особенности шестерен шаровых мельниц
Шестерня шаровой мельницы является ключевым компонентом трансмиссии. Она входит в зацепление с зубчатым колесом (закреплённым на цилиндре) для передачи мощности от двигателя к цилиндру через редуктор, приводя цилиндр во вращение (обычно со скоростью 15–30 об/мин). Будучи высокоскоростной шестернёй (вращающейся быстрее зубчатого колеса), она непосредственно воспринимает удары и крутящий момент, возникающие при зацеплении, поэтому должна обладать следующими характеристиками:
Высокая прочность: Способны выдерживать крутящий момент от десятков тысяч до сотен тысяч Н·м, с высокой твердостью поверхности зубьев (≥55HRC) для защиты от износа;
Высокая точность: Минимальная погрешность профиля зуба (≤класса 6 по ГБ/T 10095) для обеспечения плавного зацепления с зубчатым колесом, снижения вибрации и шума;
Хорошая прочность: Сердцевина зуба должна иметь умеренную прочность (твердость 25–35HRC), чтобы избежать разрушения при ударе;
Износостойкость: Поверхность зуба требует упрочняющей обработки (например, цементации, закалки) для продления срока службы (обычно ≥10 000 часов).
Структурно это в основном прямая или косозубая цилиндрическая передача. Прямые зубья широко используются в шаровых мельницах малого и среднего размера (их проще обрабатывать), тогда как косозубые предпочтительны в крупных мельницах (более плавное зацепление и более высокая грузоподъёмность). Модуль обычно варьируется от 8 до 30 мм, количество зубьев — от 15 до 30.
II. Процесс изготовления шестерен шаровых мельниц (на примере цементированных шестерен из стали 20CrMnTi)
20CrMnTi — распространённый материал для шестерен благодаря своей превосходной способности к цементации (глубина цементации 1,5–3 мм). Процесс его изготовления выглядит следующим образом:
1. Ковка заготовок
Сырье: выбрана круглая сталь 20CrMnTi диаметром 100-300 мм, спектральный анализ которой подтвердил ее состав (C 0,17-0,23%, Кр 1,0-1,3%, Мн 0,8-1,1%);
Ковка: Нагрев до 1100–1150 °C, затем штамповка в заготовки шестерен (с припуском на обработку 5–8 мм). После ковки нормализация (920 °C×2 ч, охлаждение на воздухе) для измельчения зерна и снижения твёрдости до 180–220 HBW.
2. Черновая и получистовая обработка
Грубая обработка: Токарные станки с ЧПУ обрабатывают внешнюю окружность, торцы и внутреннее отверстие (отверстие вала или ступицы), оставляя припуск 3–5 мм;
Зубофрезерование: Профили зубьев грубо нарезать (модуль 8-30 мм) на зубофрезерном станке с припуском на цементацию и шлифовку 0,5-1 мм;
Сверление и фрезерование: Обработайте шпоночные пазы и отверстия под болты (для разъемных шестерен) с позиционным допуском ±0,1 мм.
3. Цементация и термообработка
Цементация: цементация в цементационной печи шахтного типа при температуре 920-940 ℃ в течение 8-16 часов (регулируется по глубине слоя), при этом содержание углерода на поверхности составляет 0,8-1,2%;
Закалка + низкий отпуск: После цементации охладить до 850 ℃ и закалить в масле (твердость поверхности зуба 58–62HRC), затем отпустить при температуре 180–200 ℃ в течение 2 часов для снятия напряжений и стабилизации размеров.
4. Чистовая обработка
Шлифование поверхности зубов: Прецизионная шлифовка профилей зубьев с использованием червячного шлифовального станка, обеспечивающая накопленную погрешность шага ≤0,05 мм/100 мм, шероховатость поверхности зубьев Ра≤0,8 мкм;
Дата помола: Отшлифовать внутреннее отверстие (допуск IT6) и цапфу (посадка с натягом в подшипниках, натяг 0,01-0,03 мм), с перпендикулярностью торца ≤0,01 мм/100 мм;
Поверхности, не являющиеся зубьями, подвергаются пескоструйной обработке для удаления ржавчины, затем покрываются антикоррозийной краской (толщина ≥60 мкм);
Посадите деталь в горячем состоянии на вал или ступицу (посадка с натягом) и проверьте радиальное биение после охлаждения (≤0,03 мм).
III. Процесс проверки шестерен шаровых мельниц
Проверка соответствует ГБ/T 10095 Точность эвольвентных цилиндрических зубчатых передач и Дж. Б./T 6396 Крупногабаритные поковки шестерен и зубчатых колец, основные этапы которого следующие:
1. Проверка сырья и ковки
Спектральный анализ подтверждает состав 20CrMnTi (определенное содержание Кр и Мн);
Поковки проходят ультразвуковой контроль (квалификация класса I) без внутренних трещин и усадки; испытания на растяжение подтверждают прочность на растяжение ≥1080 МПа.
2. Контроль термообработки
Твердость поверхности зуба: измерена с помощью твердомера по Роквеллу (58–62HRC); твердость сердцевины (3 мм под поверхностью) 25–35HRC;
Контроль цементированного слоя: металлографический анализ измеряет эффективную глубину цементации (1,5–3 мм) с классом мартенсита в закаленном слое ≤3.
3. Проверка точности профиля зуба
Испытания измерительного центра зубчатых передач: отклонение шага ≤±0,015 мм, погрешность направления зуба ≤0,01 мм/100 мм, общее отклонение профиля ≤0,02 мм;
Радиальное биение: измеряется с помощью измерителя биения зубчатых колес (≤0,03 мм для зубчатого кольца).
4. Окончательная проверка готовой продукции
Качество поверхности: контроль поверхности зубьев с помощью КТ (отсутствие трещин и раковин); радиус скругления корня зуба R≥1,5 мм (во избежание концентрации напряжений);
Испытание на зацепление: зацепить с образцом зубчатого колеса и дать поработать на холостом ходу в течение 1 часа, без постороннего шума и пятен контакта (≥60% по высоте зуба, ≥70% по длине зуба);
Динамический баланс: при скоростях вращения ≥300 об/мин дисбаланс ≤20 г·мм/кг.
Благодаря строгому контролю точности профиля зубьев, качества цементации и допусков сборки шестерни могут обеспечить КПД передачи шаровой мельницы ≥95% и срок службы 2–3 года (в зависимости от условий эксплуатации).
