Сорокин В.М., Курников А.С. Основы триботехники и упрочнения поверхностей деталей машин: курс лекций

Подождите немного. Документ загружается.

221

рый через зубчатую передачу приводит во вращение сепаратор 4. Под

действием центробежных сил, возникающих при вращении сепаратора,

шарики выступают над периферией обода и наносят удары по обрабаты-

ваемой поверхности. Передвигая вручную устройство на шариковых опо-

рах 6, можно обрабатывать поверхность любых заданных размеров.

Рисунок 7.8 – Устройство для обработки металлических поверхностей шариками

1 – корпус; 2 – гнездо; 3 – шарик; 4-сепаратор; 5 – зубчатая передача;

6 – ось; 7 – опоры; 8 – электропривод; 9 – прямая

Основные технологические параметры процессов центробежно-

ударного накатывания: импульс (сила) удара Q; скорость деформирующе-

го элемента V

; диаметр (радиус) деформирующего инструмента (шара)

ин

); натяг (е).

Рекомендуемые значения импульса удара Q (Н с) в зависимости от

сочетания параметров d

и V

при натяге (0,5…1,5) мм и скорости враще-

ния заготовки V

= (30…50) м/мин приведены в таблице 7.1.

Таблица 7.1 – Рекомендуемые значения импульса удара процесса

центробежно-ударного накатывания

, м/с

, мм

0,0035

0,007

0,012

0,019

0,028

0,055

0,006

0,012

0,021

0,032

0,048

0,095

0,01

0,02

0,034

0,054

0,081

0,158

0,025

0,03

0,05

0,081

0,122

0,238

– обработка в сочетании с покрытием (КАУО)

– обработка без покрытия

222

Накатывание рекомендуется производить с применением смазочно-

охлаждающей жидкости: масло индустриальное 20 или его смесь с 2-3%

олеиновой кислоты, или же раствор глицерина 70-80%, органической ки-

слоты 5-10%, воды. При наличии смазки снижается коэффициент трения,

температура контактных поверхностей, что оказывает определенное

влияние на протекание процесса деформации, и способствует получению

менее шероховатой (на 1-2 класса) поверхности, большей глубине упроч-

ненного слоя металла (h

= 0,1…0,35; σ

сж

= 600…1200 МПа).

Среди способов обработки ударом широкие перспективы имеют про-

цессы ударного вибронакатывания. На рисунке 7.9 показана принципи-

альная схема устройства для виброударного накатывания витков резьбы

ходовых винтов. Обработка ведется на обычном токарно-винторезном

станке с помощью ультразвуковой головки специальной конструкции,

установленной в резцедержателе. Питание головки производится от ульт-

развукового генератора УЗГ-0,4 мощностью 0,4 кВт. Обрабатываемый

винт закрепляется в центрах станка, подводится суппорт с установленной

в нем головкой, инструмент которой имеет профиль, соответствующий

профилю обрабатываемой резьбы, и производят одновременное включе-

ние станка и головки в работу. Скорость вращения винта (12…16) об/мин,

продольная подача инструмента соответствует шагу обрабатываемой

резьбы. Другие параметры обработки устанавливаются в зависимости от

применяемого вида инструмента. Применение данных устройств показало

их высокую эффективность как в улучшении качественных характеристик

поверхностного слоя витков резьбы: достигнута шероховатость

Rа = 0,32 мм, повысилась микротвердость на (10…15)%, величина оста-

точных напряжений сжатия (400…500) МПа, так и в повышении их экс-

плуатационных свойств: износостойкости в (1,5…2) раза, контактной вы-

носливости на (50…80)%.

Рисунок 7.9 – Схема

устройства для отделочно-

упрочняющей обработки

резьб ультразвуковым

способом:

1 – корпус;

2 – магнитострикционный

преобразователь;

3 – полуволновый

концентратор;

4 – рабочий инструмент;

5 – патрон;

6 – обрабатываемая деталь

223

На рисунке 7.10 показана принципиальная схема вибронакатывания

винтовой поверхности с образованием регулярного микрорельефа 3-х ти-

пов в соответствии с ГОСТ 24773-81.

Рисунок 7.10 – Схемы

вибронакатывания

винтовых поверхностей

Обрабатываемой детали 1 от шпинделя токарно-винторезного станка

сообщается вращателъное движение с частотой n

, а виброголовке, уста-

новленной в резцедержателе – продольная подача S

пр

, равная шагу винта.

Деформирующий элемент 2 виброголовки, прижимаемый силой Р и обра-

батываемой поверхности получает колебательные . движения во взаимно-

перпендикулярных направлениях: в радиальном за счет возвратно-

поступательного перемещения ползуна 7 кривошипного механизма 8 и в

тангенциальном – путем преобразователя враща-тельного движения экс-

центрика 4, установленного в пазу скобы 3, закрепленной с помощью

плоских пружин 5 на кронштейне 6, жестко связанному с ползуном 7 – в

поступательное осцилирующее.

Величину перемещений деформирующего элемента можно опреде-

лить по формулам:

радиального:

cos

;

вертикального:

П2

sinay

где

– наружный диаметр обрабатываемой поверхности;

– амплитуда равная разнице между наружным и внутрен-

ним диаметрами обрабатываемой поверхности;

– частота двойных ходов;

– число оборотов обрабатываемой поверхности; а- ампли-

туда вертикального перемещения;

224

– амплитуда вертикального перемещения;

– период;

– угол подъема винтовой линии;

– число ходов.

На рисунке 7.11 показан раскатник (а.с. 396259), предназначенный

для вибронакатывания внутренних цилиндрических поверхностей. В

предлагаемой конструкции инструмента средством возбуждения вибра-

ций является эластичная втулка 6, соединяющая корпус раскатника с на-

жимным конусом 5, смещенным в эксцентричное положение относитель-

но оси обрабатываемого отверстия.

Раскатник состоит из корпуса 1, в котором под некоторыми углами α

и α

установлены гильзы 2 с деформирующими элементами (шарики) 3,

опирающимися на шарики 4. Гильзы контактируют с нажимным конусом

5, соединенным эластичной втулкой 6 с корпусом 1 с помощью регулиро-

вочного винта 7.

Рисунок 7.11 – Раскатник для вибронакатывания внутренних цилиндрических поверхностей

При обработке раскатник вводится в обрабатываемое отверстие со

смещением относительно оси последнего. При этом деформирующие эле-

менты 3 воздействуют на обрабатываемую поверхность с силой, опреде-

ляемой жесткостью и величиной деформации нажимного конуса 5, вы-

полненного в виде втулки с равномерно изменяющейся толщиной стенки.

При вращении раскатника вокруг оси О

-О

, не совпадающей с осью

-О

отверстия, гильзы 2 с деформирующими шариками перемещаются в

225

отверстиях корпуса. Одновременно с радиальным перемещением гильз

происходят их осевые возвратно-поступательные колебания, величина

которых зависит от эксцентриситета и углов наклона гильз. При установ-

ке гильз под разными углами к оси вращения конуса они будут колебаться

в осевом направлении с разной амплитудой, что позволит получить слож-

ный регулярный микрорельеф обработанной поверхности.

Для вибронакатывания (вибровыглаживания) шариками, алмазными

наконечниками предназначено устройство (рисунок 7.12), обеспечиваю-

щее обработку поверхностей крупногабаритных деталей с заданной мик-

рогеометрией. Оно состоит из шлицевой оправки 8, установленной на

подшипниках в расточке посадочного конуса 1, к фланцу которого при-

крепляют сменные кулачки 2. Другим концом шлицевая оправка входит в

втулку 10 и фиксируется в ней с помощью шпонок. Две пары взаимно

перпендикулярных пазов втулки, устанавливаемой в подвеске станка, по-

зволяют фиксировать оправку в одной из четырех позиций (конструктив-

но позиций может быть больше). На средней части оправки устанавлива-

ют корпус четырехпозиционного накатника. Пружиной 9 корпус накатни-

ка прижимается через толкатели 5 к поверхности кулачка. Толкатели вхо-

дят по скользящей посадке в люнетный фланец 4. При перекатывании по

профильной торцевой поверхности кулачка роликов 3, закрепленных на

толкателях, пружины 6 сжимаются или разжимаются, задавая корпусу

накатника вибрации. В каждом из четырех накатников 12 устанавливают

по несколько отделочно-упрочняющих инструментов-инденторов 13, в

виде алмазных наконечников (или стальных шариков).

Рисунок 7.12 – Устройство для вибронакатывания (вибровыглаживания)

Обработка осуществляется следующим образом. Расположив инден-

торы в накатнике соответственно заданному микрорельефу обрабатывае-

мой поверхности, производят поворот его вокруг собственной оси в шли-

цевых отверстиях корпуса, придавая тем самым ему необходимое поло-

226

жение. После этого устанавливают в заданной позиции оправку, ориенти-

руясь относительно шлицев втулки 10. Оправка приводится во вращение

от шпинделя станка. От сменного кулачка через толкатели задается осци-

ляционно движение подпружиненному корпусу и, соответственно, накат-

никам с инструментом. В зависимости от усилия поджатия инденторов

пружиной 11 к обрабатываемой поверхности обеспечивается определен-

ная глубина внедрения наконечника инструмента в поверхностный слой

детали. Таким образом, на обрабатываемую поверхность наносится за-

данный тип того или иного регулярного микрорельефа.

7.7 Комбинированная упрочняющая обработка

Комбинированная упрочняющая обработка (КУО) представляет собой

сочетание различных воздействий на материал при последовательной или

совмещенной обработке его, вызывающих при этом действие нескольких

физико-химических явлений.

Эффективность построения комбинированных методов обработки оп-

ределяется закономерностями суммирования воздействий физических и

химических явлений, определяющих процесс съема или перераспределе-

ние материала при пластическом деформировании. Возникающие при

обработке явления зависят от следующих факторов:

– числа и наименований подводимых физико-химических воздействий

(процессов);

– способа подвода каждого воздействия в зону обработки и характер

размещения их между собой в пространстве и времени;

– количественных характеристик, совмещаемых воздействий и прежде

всего величины энергии каждого из них и соотношения их значений меж-

ду собой.

Указанные признаки положены в основу разработки как большинства

известных, так и вновь созданных процессов комбинированной упроч-

няющей и иной обработки. Рассмотрим некоторые примеры.

Комбинированное упрочнение нанесением покрытий в сочетании

с ППД. Сущность такой обработки, получившей название комбинирован-

ной антифрикционно-упрочняющей обработки (КАУО) заключается в

том, что на рабочую поверхность заготовки, обработанную точением,

шлифованием, другим способом с шероховатостью Rа = (2,5…1,25) мкм,

очищенную и обезжиренную в специальных растворах, наносится одним

из известных способов (электролитическим, механическим и т.п.) анти-

фрикционное или износостойкое (однослойное или многослойное) покры-

тие (серебро, кадмий, медь, дисульфид молибдена и т.д.), которое затем

подвергается обработке одним из способов ППД. При этом наиболее эф-

227

фективными с точки зрения обеспечения высоких эксплуатационных ха-

рактеристик деталей являются способы ППД с усложненной кинематикой

движения инструмента (центробежно-ударное, виброударное накатыва-

ние, вибронакатывание, вибровыглаживание и др.). Целенаправленное

усложнение кинематики движения инструмента за счет использования

низких или высокочастотных (ультрозвуковых) колебаний, ударов-

интенсифицирует процесс воздействия деформирующего инструмента на

обрабатываемую поверхность заготовки с покрытием и приводит, с одной

стороны, к сокращению длительности акта воздействия инструмента

(10

-3

…10

-6

с), локальности пластической деформации, высокому уровню

действующих напряжений, активизации физико-механических и химиче-

ских процессов в зоне контакта инструмент-заготовка, а с другой сторо-

ны, регулярное чередование воздействий (колебаний, ударов) с высокой

частотой приводит к сложным волновым процессам, протекающим в по-

верхностном слое заготовки. Все это оказывает существенное влияние на

механизм формирования всего комплекса параметров качества поверхно-

стного слоя.

В результате указанной обработки на поверхности заготовки форми-

руется новый регулярный микрорельеф со строго закономерно располо-

женными (элементами) одинаковой высоты и пологой формы выступов и

впадин с радиусами скругления на 1…2 порядка большими, чем при об-

работке резанием и, естественно, большей величиной опорной поверхно-

сти как исходной – после образования РМР, так и после приработки.

Формирование регулярного микрорельефа позволяет управлять таки-

ми параметрами поверхности, а следовательно, и контакта поверхностей,

как фактическая ее площадь и фактическая площадь контакта, а также

создавать высокочистые (не шаржированные абразивом) поверхности

достаточной маслоемкости, полностью устраняющие такие явления в экс-

плуатации, как схватывание, фреттинг-коррозия и т.п.

В процессе КАУО под действием высоких температур и больших

удельных давлений, возникающих в зоне контакта инструмент-заготовка,

происходит пластическая деформация металла покрытия и металла заго-

товки. Смятие неровностей и пластическое деформирование тончайших

слоев металла заготовки осуществляется через тонкие металлические

пленки (покрытие), отличающиеся высокой пластичностью и сопротивле-

нием продавливания деформирующего инструмента, что исключает непо-

средственный контакт его с металлом заготовки. При этом давление инст-

румента распределяется более равномерно в объеме деформированного

металла, а пластическая деформация протекает более плавно и на боль-

шую глубину заготовки. Вследствие этого полнее происходит выравнива-

ние структурной неоднородности металла заготовки. Поскольку материал

наносимых покрытий значительно отличается физико-механическими,

228

химическими свойствами, то пластическое состояние его оказывает суще-

ственное влияние на структуру металла заготовки, действуя как поверх-

ностно-активное вещество.

Поверхностное пластическое деформирование заготовки с покрытием

приводит к изменению кристаллографической текстуры покрытия и тон-

кого слоя металла заготовки. Уменьшается (даже совсем исчезает) коли-

чество кристаллитов базисной ориентации и образуется новая текстура с

определенной кристаллографической ориентировкой. В тончайшем по-

верхностном слое появляется новое направление скольжения, начинают

действовать как базисные, так и пирамидальные, то есть, комбинирован-

ные, системы скольжения, и поэтому возрастает способность к пластиче-

ской деформации поверхностного слоя в эксплуатации, несмотря на его

упрочнение.

Волновые процессы, в частности упругие и пластические волны на-

пряжений, возникающие при ППД с усложненной кинематикой движения

инструмента, осуществляют своеобразный механизм массопереноса т.е.

транспортировки в тело заготовки в зоне контакта инородного металла,

т.е. частиц покрытия.

Так как пластическая деформация осуществляется путем перемеще-

ния и размножения дислокаций, следствием движения и взаимодействия

которых является образование большого числа точечных дефектов – ва-

кансий и дислокационных атомов с высокой диффузионной подвижно-

стью, то в поверхностном слое при комбинированной обработке будут

иметь место диффузионные процессы. При этом происходит проникнове-

ние атомов металла покрытия в тонкий верхний слой металла заготовки, а

атомы металла, наоборот, диффундируют в кристаллическую решетку

металла покрытия, искажая и увеличивая размеры элементарных ячеек.

Подобные диффузионные процессы, происходящие при сравнительно

низких температурах в покрытии и металле заготовки в процессе КАУО,

обусловлены повышенной подвижностью их атомов, что связано со сни-

жением энергий кристаллических решеток при протекании пластической

деформации в обрабатываемых металлах (покрытии и заготовки).

Во всех случаях при комбинированной антифрикционно-

упрочняющей обработке наблюдается формирование диффузионных сло-

ев толщиной от десятых долей до нескольких десятков мкм. Самый верх-

ний тончайший слой (~5 мкм) представляет собой твердые растворы ме-

таллов заготовки в металлах покрытий, а также различные интерметалли-

ческие соединения. Затем следуют диффузионные слои, представляющие

уже твердые растворы металла покрытия в металле заготовки. Причем

большая величина диффузионного слоя (50 мкм и более) отмечается у

деталей из углеродистых сталей (стали 20 и 45) с покрытиями, имеющими

больший коэффициент диффузии (Mo, MoS

, Zn).

229

Микротвердость нанесенных покрытий после обработки способами

ППД повышается на (30…60)%. Колебание значений микротвердости как

по поверхности образца, так и по глубине поверхностного слоя (в разных

местах) практически отсутствует (1…3%). Отмечается более плавный ха-

рактер кривых распределения микротвердости по глубине. Аналогичные

изменения наблюдаются при исследовании остаточных напряжений. Ве-

личина их (600…1000 МПа), на поверхности образцов, как правило, мак-

симальна и охватывает большую глубину слоя металла (30…50 мкм).

Кривые распределения остаточных напряжений до глубине поверхностно-

го слоя также имеют более плавный вид по сравнению с результатами,

полученными на образцах, упрочненных без покрытия. Отмечается ус-

тойчивость остаточных напряжений к релаксации как при нормальных,

так и при повышенных температурах (600 С).

Таким образом, при одновременном протекании процессов пластиче-

ского деформирования, волновых явлений, диффузии происходит ком-

плексное изменение и регулирование, в зависимости от параметров режи-

ма обработки, геометрических, механических, физических, структурных,

химических и других параметров качества и свойств поверхностного слоя,

являющихся следствием действия характеристик наклепа, перераспреде-

ления легирующих элементов и изменения химического состава металлов.

Целенаправленное изменение параметров качества поверхностного

слоя приводит к резкому повышению и стабилизации эксплуатационных

свойств поверхностного слоя деталей.

Реализация процессов КАУО в промышленности осуществляется по

двум основным схемам. Первая из них состоит в последовательном соче-

тании операций нанесения покрытий и ППД с усложненной кинематикой

движения инструмента. На рисунке 7.13 представлено одно из устройств,

реализующее эту схему при обработке внутренних поверхностей цилинд-

ров. На рабочую поверхность цилиндра 1 одним из способов (электроли-

тическим, механическим и т.п.) наносится слой антифрикционного по-

крытия 2 (Cd, Cu, Ag, Ni и др.), и затем производится вибронакатывание

(вибровыглаживание) шариком (алмазом), колеблющимися с заданной

частотой от специального привода.

Вторая схема КАУО представляет собой совмещение операций нане-

сения покрытия и упрочнения ППД. На рисунке 7.14 представлена одна из

таких схем, предложенная для обработки наружной поверхности вала:

антифрикционное покрытие (раствор мелкодисперсного порошка) 1 в зо-

ну обработки подается одновременно с воздействием деформирующего

инструмента (шарика), вылетающего из окна корпуса 3 при вращении от

специального привода ротора 2.

Устройства (инструменты) реализующие процесс совмещения опера-

ции нанесения покрытия и ППД подробно рассмотрены в работах [15, 16].

230

Рисунок 7.13

Рисунок 7.14

Перспективным, способом совмещенной КАУО является нанесение

покрытий натиранием в сочетании с ППД. Этот способ прост в осуществ-

лении, не требует сложного оборудования. Основным инструментом слу-

жит натирающий элемент, обычно изготовленный из материала наноси-

мого покрытия или выполненный пористым, пропитанным жидкими или

пастообразными веществами, из которых на обрабатываемую поверхность

осаждается покрытие. Схема такого процесса показана на рисунке 7.15.

Рисунок 7.15

Деформирующий элемент 3 под действием нормальной силы Р

вне-

дряется в обрабатываемую поверхность 1 в режиме скольжения со скоро-

стью V Выдавленный деформирующим элементом материал заготовки

образует волну 2 по краям очага деформации. С гребнем этой волны кон-

тактирует натирающий элемент 4. В пределах волны поверхностный слой

получает прогиб в связи с выпучиванием и сдвигом и испытывает дефор-