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

Подождите немного. Документ загружается.

231

мацию растяжения с соответствующим его удлинением, что увеличивает

химическую активность поверхности. Растягивающие напряжения макси-

мальны на гребне волны и в этом случае химическая активность поверх-

ности максимальна. В этих условиях частицы натирающего элемента ин-

тенсивно переносятся на обрабатываемую поверхность, причем происхо-

дящие при этом реакции подчиняются законам неравновесной термоди-

намики и приводят к образованию более прочных, чем в обычных услови-

ях, связей между покрытием и основой [15].

На рисунке 7.16 показано устройство, которое может быть использо-

вано для гладкого или вибрационного накатывания с нанесением покры-

тия натиранием. Базовой деталью устройства является корпус 4, в кото-

рый устанавливается шарик 10. Усилие поджима шарика осуществляется

через шток 5 путем сжатия пружины 7 завертыванием гайки, Усилие дав-

ления шарика на обрабатываемую поверхность зависит от величины сжа-

тия пружины 7 и определяется по расстоянию от торца гайки 6 до верхне-

го торца корпуса 4. Усилие натирающего элемента 1 определяется вели-

чиной завертывания гайки 2 по расстоянию от торца гайки 2 до торца

корпуса 4. Перед сборкой устройств должны быть определены зависимо-

сти величин усилий пружин 7 и 9 от величины их сжатия. По этим зави-

симостям определяется величина закручивания гаек 2 и 6 для создания

необходимых давлений шарика 10 и натирающего элемента 1 на обраба-

тываемую поверхность. При износе натирающего элемента, который оп-

ределяется расстоянием от его торца до канавки на наружном диаметре,

для обеспечения необходимого усилия натирающего элемента использу-

ется набор шайб 8. С помощью индикатора 11 фиксируется как необходи-

мое усилие, так и износ натирающих элементов.

Рисунок 7.16

На рисунке 7.17 показана ротационная установка с алмазными нако-

нечниками, предназначенная для отделочно-упрочняющей обработки

плоскостей с одновременным нанесением смазочно-упрочняющих паст и

покрытий.

232

Рисунок 7.17

Она может быть установлена на вертикально-фрезерный станок. При

вращении корпуса 6, расположенного в шпинделе станка, зубчатое колесо

9 взаимодействует с зубчатым венцом корпусной втулки 10, неподвижно

закрепленной на станке. Шток вращается в подшипниках вместе с кону-

сом относительно его оси и вокруг собственной оси от зубчатой пары.

Сменные накатники 8, установленные в штоке 7, имеют инденторы в

виде алмазных (или стальных) наконечников. Шток 4 связан с капсулой 5.

Коромысла 1, качающиеся вокруг оси 2, кинематически связаны со што-

ками 4 и 7 и при вращении периодически воздействуют на них через тол-

катели 3. Воздействию инденторов на обрабатываемую поверхность

предшествует нанесение смазочной упрочняющей пасты, суспензии по-

крытия или другой массы, например, смеси графита с дисульфидом мо-

либдена. Это достигается выбором направления вращения головки, при

этом капсулы со смазкой должны находиться впереди инденторов. Смазка

равномерно выдавливается штоками. Усилия прижима инденторов и кап-

сулы к поверхности регулируются автоматически.

Предложенные конструкции устройств позволяют одновременно

осуществлять покрытие поверхности детали и еѐ упрочнение, что расши-

ряет их технологические возможности, снижает трудоемкость изготовле-

ния деталей, повышает производительность обработки.

При данной комбинированной обработке в результате физико-

химических процессов, происходящих между, рабочей средой и металлом

обрабатываемой детали, структурных и фазовых превращений в объеме

поверхностного слоя детали формируется новый антифрикционный по-

верхностный слой с высокими стабильными физико-химико-

233

механическими свойствами. Подобное состояние поверхностного слоя в

совокупности с измененным микрорельефом обеспечивающим повышен-

ную маслоемкость контакта, увеличенную нагрузочную способность,

лучший теплоотвод из зоны трения, способствует быстрому и благопри-

ятному переходу исходного (технологического) качества поверхностного

слоя к оптимальному эксплуатационному. Все это, как показали исследо-

вания позволяет:

а) в 2-3 раза сократить длительность приработки и снизить прирабо-

точный (начальный) износ образцов и деталей из различных материалов;

б) в 2-5 раз в зависимости от условий испытаний (эксплуатации) по-

высить износостойкость образцов (деталей) из высокопрочных материа-

лов (стали 30ХГСН2А, 18X2H4ВA, сплав BT 3-1, ВT 16 и др.);

в) расширить пределы работоспособности пар трения из исследуемых

материалов как по удельной нагрузке, так и по температуре;

г) в 5-10 раз повысить сопротивление образованию задиров и схваты-

ванию, в частности деталей из титановых сплавов и нержавеющих сталей;

Сравнительные испытания на усталостную прочность показали:

а) пределы усталости стальных образцов после КАУО при испытани-

ях в условиях коррозионной среды (вода, 20 С) повышаются на 100% и

более;

б) пределы усталости (σ

) резьбовых деталей (шпилька) из материа-

лов 30ХГСН2А, 13Х15Н4АМЗ, 14XI7H2, BТ 3-1, ВТ 16 после КАУРФ в

зависимости от способа УИО повышаются на (28…69)%, по сравнению с

деталями, резьба которых нарезана резцом; малоцикловая долговечность

этих же деталей при σ

max

= (0,7…0,8)σ

после КАУРФ повышается в

(1,5…2,5) раза;

в) малоцикловая долговечность шаровых вкладышей шасси из мате-

риалов 12XH3A, 18X2H4BA после КАУО (ЭИО плюс ЦУО или обкатки

роликом) повышается более чем в 2 раза.

Коррозионная стойкость стальных образцов в условиях морской воды,

влажного воздуха, а также натурных деталей, низкорасположенных, не-

защищенных от атмосферных условий шарнирных соединений шасси по-

сле КАУО повышается на порядок и более. Это обеспечивается как за

счет образования микрорельефа пологой формы с большими радиусами

закругления впадин и выступов, так и за счет уплотнения и закрытия

сквозных пор в покрытиях и тонком слое металла, снижавших коррозион-

ное проникновение и воздействие агрессивной окружающей среды.

Способы УИО и КАУО значительно повышают герметичность и дол-

говечность работы уплотнительных соединений гидро- и пневмосистем.

Вибро-накатывание и вибровыглаживание рабочих поверхностей деталей

прецизионных пар (гильза-золотник) устраняют заклинивание и схваты-

234

вание, повышают чувствительность, точность перемещения и плавность

хода деталей демпферов, бустеров и др. гидроагрегатов.

В результате КАУРФ происходит значительное снижение (в 2-4 раза)

и стабилизация величин коэффициентов трения в резьбе соединений из

титановых сплавов и нержавеющих сталей при многократном свинчива-

нии. Это устраняет нестабильность затяжки резьбовых соединений, обес-

печивая высокую точность заданного усилия, что особенно важно при

затяжке групповых резьбовых соединений, когда требуется осуществить

равномерную и одинаковую затяжку всех болтов соединения.

7.8 Использование трения в технологиях упрочнения поверхностей

На протяжении последних 80 лет развивались различные технологии,

использующие трение. К ним относятся: обработка трением, сварка тре-

нием, упрочнение трением приповерхностных областей, использование

трения для ускорения химических реакций, нанесение покрытий трением.

Эти новые технологии имеют высокую эффективность, используя явления

и законы самоорганизации триботехнических систем в условиях внешнего

трения твердых тел.

В последние годы особое внимание привлекают к себе следующие

способы нанесения защитных покрытий поверхностей:

– химическое нанесение покрытий с использованием трения;

– нанесение покрытий трением с применением щетки;

– натирание поверхности латунью;

– электростатическое нанесение покрытий трением;

– механическое нанесение латунных покрытий трением (механиче-

ское латунирование) в среде глицерина;

– химико-механическое латунирование с применением медьсодержа-

щего вспомогательного материала FTP-1(ФРГ).

Две последние технологии объединяют упрочнение приповерхност-

ных областей с нанесением покрытий трением в условиях, аналогичных

условиям избирательного переноса. При латунировании натирающий ла-

тунный элемент (стержень или трубка), вращаясь относительно своей

продольной оси, при относительно малом усилии нажатия и в присутст-

вии смазочного материала (глицерина или материала FTP-1) наносит на

стальную или чугунную поверхность слой латуни. Одновременно проис-

ходит упрочнение приповерхностной области основного материала на

глубину 70…80 мкм.

Указанные способы обладают такими качествами, как: исключительно

малые затраты материалов и энергии.

235

7.9 Натирание поверхностей латунью (фрикционное латунирование)

Из выше указанных способов нанесения антифрикционных покрытий

в промышленности наиболее применение получило фрикционное латуни-

рование. Исследования и опыт применения выявили следующие основные

факторы, оказывающие влияние на качество процесса.

Конструкционные материалы. Фрикционное латунирование, как

механическое, так и химико-механическое, осуществляется посредством

микроадгезионных процессов между обрабатываемой поверхностью и

натирающим элементом (стержнем или трубкой). Для этого необходима,

прежде всего, склонность к адгезии между двумя материалами, поверхно-

сти должны быть чистыми и иметь соответствующую микрогеометрию

перед фрикционным нанесением покрытия. Благоприятны в этом отноше-

нии все чугунные материалы и большинство сталей, а также некоторые

специальные материалы, как, например, сплавы титана, которые находят

применение в современном самолетостроении. В сталях содержание леги-

рующих элементов, снижающих адгезию, не должно быть слишком высо-

ким, например, на сталях с содержанием хрома выше 12% покрытия не

получают. Исследования показали, что микроадгезия между телами тре-

ния при химико-механическом латунировании оказывает также влияние и

на осаждение медного слоя из материала (жидкости) FРТ-1 на поверх-

ность трения. Если это осаждение невелико, качество химико-

механического латунирования снижается, и применять механическое ла-

тунирование в этом случае можно лишь ограниченно.

Материалы разделительной среды, смазочные материалы. Фрик-

ционное латунирование поверхностей трения той или иной пары высоко-

эффективно и экономично только при работе пары в среде смазочного

материала (СМ). При использовании газообразных СМ положительное

воздействие фрикционного латунирования будет слабым или совсем от-

сутствовать, при использовании твердых СМ возможно благоприятное

воздействие латунирования из-за увеличения положительного градиента

прочности при сдвиге в приповерхностных областях.

Фрикционное латунирование особенно действенно при использовании

СМ, причем в зависимости от их свойств (главным образом, от их соста-

ва) эффект латунирования может быть различным. Если в используемых

СМ содержатся элементы, активно реагирующие с атомами меди (напри-

мер, галогены), то эти элементы образуют комплексные соединения меди

и снижают воздействие фрикционного латунирования. Примером могут

быть масла для карбюраторных двигателей. Проведенные Цвикау (ФРГ)

исследования на модельных парах трения показали снижение силы трения

даже при смазке водой с различной величиной рН.

236

7.10 Возможности фрикционного латунирования

деталей из чугуна, сталей и алюминиевых сплавов

На возможность и качество фрикционного латунирования большое

влияние оказывают вид материалов с их физико-химическими особенно-

стями и шероховатость их поверхности. Выполненными в Цвикау (ФРГ)

исследованиями установлено следующее. При латунировании чугунных

материалов проявляется воздействие их графитной и твердой составляю-

щих: первая снижает микроадгезию, вторая оказывает абразивное воздей-

ствие. Таким образом, обе эти особенности оказывают влияние на одно-

родность покрытия. Они могут влиять и на усилие прижатия натирающего

элемента для обеспечения должного качества латунного слоя. Кроме того,

их воздействие может отразиться на шероховатости латунируемой чугун-

ной поверхности, которая должна быть в пределах Rz = (5…10) мкм.

У сталей, особенно легированных, качество фрикционного латуниро-

вания в большей мере зависит от содержания элементов, снижающих

микроадгезию. Как известно из основных положений триботехники, при

очень малой шероховатости поверхностей в металлических парах трения

доля адгезии увеличивается. Для фрикционного латунирования стальных

поверхностей трения их меньшая шероховатость (Rz = 1…3 мкм) более

благоприятна, чем для латунирования чугунных поверхностей. Перед ла-

тунированием необходимо обязательное удаление с поверхностей оксид-

ных и жировых пленок, которые ухудшают микроадгезионные процессы

при натирании.

Фрикционное латунирование не может быть применено для тел тре-

ния из алюминиевых сплавов. Причиной тому является малая микроадге-

зия между алюминием и латунью. Кроме того, при трении твердых тел на

поверхностях трения могут возникать местные концентрации энергии,

приводящие к образованию твердых окислов металлов, которые могут

вызвать абразивное разрушение сопряженных поверхностей трения. При

исследованиях фрикционного латунирования алюминия установлена не-

равномерность покрытия, значительное увеличение шероховатости по-

верхностей трения и внедрение в них твердых частиц А12О3. Поэтому в

парах трения алюминий – сталь и алюминий – чугун латунировать следу-

ет последние, обеспечивая этим эффект, который имеет место при сталь-

ных и чугунных парах трения.

7.11 Финишная антифрикционная безабразивная обработка (ФАБО)

стальных и чугунных деталей узлов трения

Сущность технологического процесса ФАБО состоит в том, что сталь-

ные и чугунные детали после окончательной традиционной обработки

237

(резание, шлифование, хонингование и др.) покрывают тонким слоем

(1…5 мкм) латуни, меди или бронзы. Покрытие производят путем трения

латунного, медного или бронзового прутка (инструмента) о поверхность

детали, смазывая при этом поверхность трения технологической жидко-

стью например глицерином. При трении материал прутка (инструмента)

переносится на стальную (или чугунную) поверхность детали.

Для того чтобы наносимый слой латуни был сплошным и ровным, необхо-

димо, чтобы поверхность детали не имела окисных и масляных пленок, а мате-

риал инструмента пластифицировался поверхностно-активным веществом в

процессе нанесения покрытия. Давление при трении должно обеспечивать

полное прилегание поверхностей инструмента к поверхности детали. При та-

ких условиях перенос материала инструмента на деталь происходит сплошным

слоем, состоящим из очень мелких частиц, хорошо сцепленных как со стальной

(или чугунной) поверхностью, так и между собой.

Применяемый для смазки глицерин в виду малой адсорбционной спо-

собности не препятствует непосредственному контакту, а значит, схваты-

ванию металлических поверхностей при трении. В то же время при по-

вышенной температуре, возникающей при трении, он восстанавливает

окисные пленки как на стали, так и на инструменте, что способствует

схватыванию и улучшению условий переноса материала инструмента.

Шероховатость поверхности после ФАБО деталей практически не от-

личается от исходной шероховатости.

ФАБО поверхностей деталей, представляющих тела вращения (болты,

оси, втулки и др.) можно проводить с помощью простейшего приспособ-

ления на обычном токарно-винторезном станке. Приспособление показа-

но на рисунке 7.18.

Рисунок 7.18 – Приспособление

для ФАБО валов, болтов и других

деталей:

1 – подвергаемая ФАБО;

2 – центр задней бабки;

3 – инструмент;

4 – крепежный винт;

5 – плунжер; 6 – пружина;

7 – заглушка; 8 – корпус

приспособления;

9 –ведущий центр

Обработку ФАБО гильз цилиндров производят на токарном станке с по-

мощью приспособления, установленного в резцедержателе токарного станка.

На рисунке 7.19 показана его передняя часть. Она имеет головку 8 со стаканами

238

7 и 16; в разрезных направляющих втулок 2 и 15 перемещаются два подвижных

штока 6 и 12. Через систему рычагов усилие от подпружиненной тяги 9 переда-

ется на штоки, и установленные в них прутки латуни или бронзы 4 и 14 при-

жимаются к обрабатываемой поверхности 3 с давлением (80…120) МПа. Рыча-

ги 17 соединены шарнирно с крышкой 1 головки и вилкой тяги. Самоустановка

прутков латуни в процессе работы обеспечивается перемещением вилки 11,

имеющей паз, относительно болта 10. По мере износа прутки перемещаются в

радиальном направлении в гайках 5 и 13 на 12 мм, что достаточно для обработ-

ки одним комплектом прутков диаметром 4 мм нескольких гильз диаметром

150 мм и длиной 264 мм.

Рисунок 7.19 – Приспособление для ФАБО цилиндров двигателя

За последние годы в России, Германии и других странах для произ-

водства ФАБО цилиндров разработаны полуавтоматы, которые исполь-

зуются на предприятиях по ремонту автотракторной техники.

Исследования свидетельствуют, что процесс ФАБО позволяет:

– снизить время приработки деталей в (1,5…2) раза;

– исключить задиры поверхностей трения деталей;

– повысить несущую способность сочленений;

– защитить поверхности трения от водородного изнашивания;

– снизить температуру трения и продлить период работы узлов трения

при выключении подачи смазки;

– уменьшить коэффициент трения и тем самым снизить потребление

топлива двигателями внутреннего сгорания до 3%;

– продлить срок службы подшипников качения до образования уста-

лостных повреждений.

239

7.12 Повышение износостойкости деталей применением

традиционных методов упрочнения

В машиностроительном и ремонтном производствах для повышения экс-

плутационных свойств и, в частности, износостойкости поверхностей деталей

широкое применение получили нижеследующие методы обработки.

7.12.1 Упрочнение при резании

В зависимости от способа (точение, фрезерование, шлифование) и ос-

новных факторов обработки: скорости, подачи, глубины резания, СОЖ и

др. формируется различное качество, ( шероховатость, структура и т.д.),

оказывающее то или иное влияние на эксплуатационные свойства дета-

лей. Указанное подробно рассматривалось в главе 2 и разделе 7.2.

7.12.2 Упрочнение поверхностным пластическим деформированием

Упрочнение дробью (шариками). Упрочнение дробью представляет

собой процесс ППД за счет ударов дроби по обрабатываемой поверхности

заготовок. Скорость дробинок может достигать (70…90) м/с. Различают

метод дробеударной обработки, обеспечивающий упрочнение сухой дро-

бью, и метод гидродробеударной обработки, когда обработка производит-

ся дробью со смазочно-охлаждающей жидкостью (СОЖ).

В зависимости от механизма сообщения дроби кинетической энергии

дробеударная обработка производится на дробеструйных и дробеметных

установках. В дробеструйных установках необходимая скорость сообща-

ется дроби струей сжатого воздуха, подаваемого через воздушную фор-

сунку. В этом случае поток (струя) дроби направляется на обрабатывае-

мую поверхность заготовки. В дробеметных установках необходимая ско-

рость потока дроби создается за счет разбрасывания лопатками быстро

вращающегося ротора. Дробеструйный способ более универсален, конст-

рукция установки значительно проще, отпадает необходимость промывки

деталей после упрочнения.

Основные недостатки дробеударного упрочнения заключается в том,

что вследствие высоких локальных температур, возникающих при ударе

дроби, происходит значительное снижение остаточных сжимающих на-

пряжений у поверхности; увеличивается шероховатость предварительно

шлифованных поверхностей; в связи с колебаниями давления воздуха и

размера дроби нарушается стабильность процесса упрочнения. Кроме то-

го, происходит быстрый износ дробеметных устройств (дробеструйные

сопла, лопасти и другие элементы), а присутствие металлической пыли,

находящейся во взвешенном состоянии, ухудшает условия соблюдения

техники безопасности.

240

Гидродробеударную обработку подразделяют на гидродробетруйную

и гидродробеструйную эжекторную. При гидродробеструйном упрочне-

нии (ГДУ) поток дроби (шариков) эжектируется на обрабатываемую по-

верхность смазывающе-охлаждаещей жидкостью, т.е обрабатываемая по-

верхность подвергается воздействию струи суспензии, состоящей из СОЖ

и дроби.

Принципиальная схема упрочнения на ГДЭУ показана на рисун-

ке 7.20. В нижней части камеры 1 смонтировано сопло-эжектор 2 и разде-

лительная сетка 3, в которой находится дробь (шарики). В рабочей полос-

ти камеры, несколько ниже уровня выходного торца сопла находится

СОЖ, которая при помощи насоса подается в сопло-эжектор 2.

Рисунок 7.20 – Схема упрочнения на гидродробеструйной эжекторной установке.

Из сопла струя СОЖ вместе с дробью направляется на обрабатывае-

мую поверхность заготовки 4. Последняя устанавливается в шпинделе и

при помощи специального устройства может иметь продольное переме-

щение и медленное вращение, необходимые для упрочнения всей поверх-

ности цилиндрической заготовки.

В камере 1 поддерживается постоянный уровень СОЖ, для чего пре-

дусмотрен патрубок (на схеме не показан), по которому жидкость стекает

в бак и пройдя фильтр, засасывается насосом. Исключение сухого трения

дробинок между собой и о поверхность рабочих элементов ГДУ обеспе-

чивает высокую стойкость сопел и других деталей. Недостатки гидродро-

беструйного упрочнения – необходимость промывки деталей и повышен-

ная пожароопасность во время работы ГДЭУ при применении масла в

качестве СОЖ.

В машиностроении ГДЭУ широко используют для упрочнения шесте-

рен, пружин, лопаток компрессора, шатунов и других деталей, а также для

упрочнения режущего инструмента. Для повышения производительности

некоторые конструкции ГДЭУ имеют несколько сопел.