Основным показателем эффективности нового технологического процесса является срок окупаемости (в годах) дополнительных капитальных затрат. В качестве примера для определения величины себестоимости и соответствующих сумм капитальных затрат применительно к вариантам технологического процесса приведем расчеты себестоимости изготовления зубчатых колес по трем вариантам: действующему прогрессивному процессу изготовления зубчатых колес резанием; действующему технологическому процессу изготовления зубчатых колес с применением метода горячего накатывания; перспективному технологическому процессу изготовления с применением методов пластической деформации, например, горячего накатывания и холодного калибрования.

Расчет затрат на материалы производится на основе данных, взятых из чертежей заготовок зубчатых колес, обрабатываемых по соответствующим технологическим процессам. Расчет затрат на инструмент производится на основе нормативного расхода различных видов инструмента на 1000 деталей.

При расчете потребности накатников в основу принималась достигнутая стойкость накатников и их стоимость в условиях серийного изготовления.

Процесс обработки металлов давлением, в том числе и холодное накатывание зубчатых колес, сопровождается как изменением формы и размеров пластически деформируемой заготовки, так и изменением структуры и физико-механических свойств металла заготовки.

В процессе окончательной обработки накатанных зубьев резанием наблюдается некоторое ухудшение их обрабатываемости и снижение стойкости зуборезного инструмента.

Для устранения такого явления применяют или дополнительную термическую обработку накатанных зубьев, что обеспечивает создание оптимальной структуры стали для резания, или, сохраняя полученный эффект повышения прочности и износостойкости, совершенствуют процесс резания. Другим решением является совмещение на зубонакатных станах индукционного нагрева заготовок с накатыванием на ней зубьев и закалки зубчатого венца, при такой технологии возможно сохранить эффект повышения прочности и износостойкости накатанных зубьев, полученный в результате приближения процесса накатывания к оптимальным условиям упрочняющей термомеханической обработки стали.

Вспомогательное время включает в себя: время на установку и снятие деталей (заготовок) время на подвод и отвод накатника, время на нагрев (при горячем накатывании).

Экономический эффект при внедрении процесса накатывания достигается в основном за счет экономии металла, сокращения расходов на инструмент, уменьшения трудоемкости, увеличения производительности экономии на эксплуатационных расходах по содержанию и ремонту оборудования и производственных площадей.

Для получения достоверных данных были созданы одинаковые технологические маршруты для накатанных и фрезерованных зубчатых колес, а также одинаковые условия их испытаний. Все накатанные и фрезерованные колеса были изготовлены из стали одной плавки.

После штамповки часть заготовок поступала на зубонакатной стан, а часть на механическую обработку и нарезку зубьев.

На стане заготовки вначале обкатывались гладкими валками для получения необходимых размеров по наружному диаметру и ширине, а затем на них накатывались зубья.

Накатанные колеса проходили термическую обработку, аналогично той, которую проходит штамповка перед механической обработкой. Твердость заготовок после термообработки составляла НВ 207-269, величина припуска на дальнейшую механическую обработку зубьев была равна 1,5 мм на сторону.

После чистового зубофрезерования накатанные и фрезерованные колеса проходили цементацию в электропечи при температуре 930° С в течение 13-15 ч с охлаждением на воздухе, высокий отпуск при температуре 630° С в течение 7 ч с охлаждением на воздухе, закалку при температуре 800° С с охлаждением в масле и низкий отпуск при температуре 150°С в течении 3,5 ч. Твердость зубьев после термообработки HRC 60. Испытания проводились на гидравлической пульсаторной машине типа ГРМ-2, величина предела выносливости определялась на базе испытаний 3-10 млн. циклов нагружении. Одновременно испытывалось по два колеса.

Результаты проведенных сравнительных испытаний показали, что предел прочности на изгиб зубьев накатанных зубчатых колес соответствует нагрузке на зуб 9-10 т, а фрезерованных не более 5-65 т.

Характер излома зубьев накатанных и фрезерованных колес был получен в этом случае совершенно одинаковым, поэтому данные по изгибу были сравнимы.

Средняя нагрузка, при которой происходил излом зуба накатанного колеса, составляла 226,4 кг, а для фрезерованного 191,4 кг, т. е. примерно на 13% ниже. Механические испытания на статический и динамический излом проводились на накатанных зубчатых колесах модулем 5 мм, изготовленных из стали 18ХГТ.

Испытуемые зубчатые колеса накатывались с припуском по контуру зуба около 0,3 мм, который затем удалялся фрезерованием с последующим шевингованием. Цементация накатанных и фрезерованных зубчатых колес на глубину 1,0-1,2 мм и последующая термическая обработка проводились в одинаковых условиях.

Предел прочности при статическом изгибе определялся как среднее из пяти испытаний, а сопротивление динамическому изгибу характеризовалось промежуточным значением работы удара между максимальной, не вызывающей еще поломки зуба, и минимальной работой удара, при которой поломка зуба зафиксирована.

Анализ полученных данных свидетельствует о том, что у зубьев накатанных колес предел прочности при изгибе составлял 119-125 кг/мм2, а у зубьев фрезерованных колес только 96,4-105 кг/мм2.

Все зубчатые колеса изготовлялись из стали 45 (ГОСТ 1050-60) из одной заготовки. Для накатанных и нетермообработанных шестерен предел усталостного выкрашивания был равным 75 кг/мм2. Таким образом, предел усталостного выкрашивания накатанных нетермообработанных шестерен был равен пределу фрезерованных улучшенных передач.

Результаты испытаний накатанных колес на излом также свидетельствуют о хороших механических качествах их зубьев. Испытания колес с модулем 2,5 мм производились на специально сконструированном приспособлении, которое полностью имитирует процесс зацепления.

Поломка зубьев производилась инструментом с такими же геометрическими параметрами, как у испытуемого колеса.

Испытания на прочность, на изгиб фрезерованных и накатанных зубчатых колес показали, что их зубья, имеющие небольшую твердость в пределах НВ 207-229, ломаются фактически не от чистого изгиба при зацеплении друг с другом, а от среза и изгиба одновременно. Это объясняется тем, что в процессе зацепления изгибающая окружная сила, приложенная в начальный момент к вершине зуба, перемешается к полюсу зацепления, а затем к корню зуба.

Так как зубья испытуемых колес имели небольшую твердость, то они легко изгибались без излома в начальный момент зацепления.