Токарев А.Н. Основы теории надёжности и диагностика. Учебник

Подождите немного. Документ загружается.

100

Все это вместе взятое приводит к изменению

параметров качества поверхностных слоев обработанных

изделий и в конечном итоге определяет его наработку до отказа.

При выборе режимов обработки резанием необходимо

учитывать то, что:

- все технологические факторы, способствующие

повышению температуры в зоне пластической деформации

обрабатываемого материала заготовки или увеличению

продолжительности теплового взаимодействия, приводят к

снижению степени упрочнения поверхности изделия;

- технологические факторы, увеличивающие скорость

деформации материала или снижающие температуру процессов

резания, способствуют повышению степени упрочнения

поверхности изделия;

- для каждого материала существует критическая скорость

резания, при которой глубина и степень упрочнения имеют

максимум.

5.2.3 Упрочнение деталей машин

Методы упрочнения деталей машин.

Для современного машиностроения характерны высокие

требования к свойствам конструкционных материалов,

обусловленные ростом нагрузок, скоростей, расширение областей

использования при одновременной тенденции к уменьшению веса

машин и увеличению их сроков службы.

Таким противоречивым требованиям большинство

конструкционных материалов не отвечает. Одним из основных

технологических методов, позволяющим придать материалам

деталей необходимые свойства, являются методы упрочнения, так

называемая упрочняющая технология. Это наиболее важный этап

в повышении надежности деталей машин.

Все методы упрочнения деталей машин подразделяются на

три группы:

1) методы объемного упрочнения, когда упрочнение

осуществляется по всему объему деталей;

2) методы поверхностного упрочнения, когда упрочнение

осуществляется по всей поверхности детали;

101

3) комбинированные методы, сочетающие объемное и

поверхностное упрочнения.

5.2.3.1 Объемное упрочнение.

Основным методом объемного упрочнения является

термообработка. Термической обработкой называется

совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения

металлических сплавов с целью изменения их структуры и

создания у них необходимых свойств – прочности, твёрдости,

износостойкости, а также изменения у них напряжённого

состояния.

Термообработка, это основная причина возникновения в

металлах внутренних напряжений, которые наряду с

напряжениями, вызываемыми внешними нагрузками, определяют

основные механические свойства материалов и долговечность

элементов машин и конструкции.

При конструировании изделий, подвергаемых

термообработке, должны учитываться основные факторы,

влияющие на возможность возникновения внутренних

напряжений из-за неравномерного охлаждения. Основное

требование - симметричное расположение отверстий; равномерное

распределение масс.

Примеры: 1) Часто причиной образования трещин является

резьба с острыми кромками. Необходимо по возможности

заменять глухие резьбовые отверстия сквозными гладкими. Если

же избежать закалки резьбы невозможно, то рекомендуется

притупление вершин резьбы.

2) Закаливаемый слой не должен заканчиваться в зоне

изменения поперечного сечения детали. Расположение границы

закаленного слоя в зоне скругления детали создает напряженное

состояние, неблагоприятное с точки зрения усталостной

прочности. Необходимо закаливать всю зону перехода или

располагать границу закаленного слоя на достаточном расстоянии

от этой зоны.

3) Выступающие участки малого поперечного сечения не

должны прокаливаться насквозь, так как при этом появится

опасность возникновения трещин в зоне изменения сечения.

102

Соблюдая эти общепризнанные требования при

термообработки можно значительно повысить срок службы

деталей машин.

5.2.3.2 Поверхностное упрочнение

Методы поверхностного упрочнения можно подразделить

на следующие виды:

1) пластическое деформирование (наклеп) рабочих

поверхностей;

2) химико-термическая обработка;

3) поверхностная закалка;

4) наплавка металла;

5) напыление металла;

6) гальванические покрытия;

7) лакокрасочные покрытия;

8) пластмассовые покрытия;

9) диффузионная металлизация;

10) электроискровое, электродуговое и лазерное

упрочнения.

1. Пластическое деформирование. Оно применяется,

в основном, для повышения усталостной долговечности деталей

машин.

Сущность процесса состоит в том, что в результате ударов

по поверхности металла на поверхности детали получается наклёп.

Одновременно с наклепом в поверхностных слоях деталей

возникают остаточные напряжения сжатия. Причиной

возникновения этих напряжений является то, что поверхностные

наклёпанные слои металла стремятся занять больший объем из-за

увеличения в результате наклёпа удельного объема металла.

Однако не наклёпанные слои сопротивляются этому процессу и

вследствие этого поверхностные слои получают остаточные

напряжения сжатия. Это увеличивает твёрдость и износостойкость

металла, сопротивление поверхности слоя пластической

деформации разрушения. В итоге повышается долговечность

детали.

Для осуществления пластического деформирования

поверхностного слоя деталей используются следующие методы:

103

- дробеструйный наклеп, осуществляется струёй стальной

или чугунной дроби;

- обкатка роликами или шариками (наклёп путем

вдавливания в обрабатываемую поверхность катящегося по ней

твердого ролика или шарика);

- чеканка, осуществляемая специальными бойками,

наносящими многочисленные удары;

- наклеп ротационными упрочнителями, которые

вызывают многочисленные упорядоченные удары шариками или

роликами, размещенными по периферии вращающихся дисков;

- гидроабразивный наклеп, производимый струей жидкости,

содержащей абразивы различной зернистости;

- алмазное выглаживание и т. д.

Для многих деталей применяют «комплексное

упрочнение», т.е. сочетание дробеструйной отработки с другими

видами упрочнения.

2. Химико-термическая обработка. Химико–термической

обработкой называется процесс изменения химического состава,

структуры и свойств поверхностных слоёв стальных деталей. К

числу операций химико–термической обработки относятся

цементация, азотирование, цианирование (обогащение углеродом

и азотом), сульфидирование и другие виды обработки.

Цементация – это процесс насыщения углеродом

поверхности деталей с целью получения высокой твёрдости и

износостойкости поверхности детали.

Азотирование – это процесс насыщения поверхностного

слоя стальных изделий азотом. Это используется для создания

очень твёрдого, износостойкого и хорошо сопротивляющегося

коррозии поверхностного слоя детали. Кроме этого, азотирование

создаёт на поверхности детали остаточные напряжения сжатия,

что повышает предел выносливости и долговечности деталей.

3. Поверхностная закалка. В основе способов упрочнения

поверхностной закалкой лежит способность материалов изменять

свойства поверхностного слоя при нагреве. Поверхностную

закалку применяют, в основном, для получения твердого

104

износостойкого слоя у деталей, изготовленных из средне - и

высокоуглеродистых сталей.

Поверхностная закалка осуществляется нагревом

поверхностного слоя деталей и быстрым охлаждением до

комнатной температуры. При закалке подвергаются нагреву

только отдельные участки детали, требующие упрочнения (зубья

зубчатых колес, ходовые дорожки крановых колес, шейки валов и

т. д.).

После закалки срок службы, например, зубчатых колес

увеличивается в 3,5-5 раз. Во всех случаях имеет место

значительное повышение твердости обработанных поверхностей.

Во многих отраслях машиностроения, в том числе и

автомобилестроения, используется закалка с нагревом током

высокой частоты. В результате закалки током высокой частоты

усталостная прочность сталей повышается на 40-100%;

износостойкость деталей повышает почти вдвое. Этот тип

упрочнения нашел наибольшее распространение при обработке

зубчатых колес. Он используется также для упрочнения

внутренней поверхности глубоких отверстий.

4. Наплавка материала. Наплавка производится путем

сплавления основного металла с наносимым на него слоем другого

металла (рабочего слоя). Путем наплавки можно получить на

поверхности сплав с различными сочетаниями свойств.

Наименьшая толщина наплавленного слоя - 0,25 мм,

максимальная - технологически не ограничена.

Наплавка применяется как средство для:

- повышения стойкости поверхностей и инструмента

против различного вида разрушения;

- восстановления деталей при ремонте. При этом

восстановление может производиться неоднократно.

Наплавка позволяет заменить в изделии

высоколегированную сталь менее дефицитной обыкновенной

углеродистой или низколегированной сталью; наплавка цветных

металлов позволяет сэкономить цветные металлы. Газовой

наплавкой упрочняют детали автомобилей, тракторов и других

машин.

105

Виды наплавки

Существуют следующие виды наплавки: электродуговая,

электрошлаковая, вибродуговая.

Электродуговой способ наплавки обладает большой

производительностью, но при этом получается несколько худшее

качество.

Электрошлаковая наплавка основана на выделении тепла в

расплавленном флюсе под действием электрического тока.

Электрошлаковая наплавка целесообразна в тех случаях, когда

требуется наплавлять большой слой металла или при больших

партиях деталей.

Вибродуговая наплавка применяется, в основном, для

нанесения тонких слоев металла (0,3-1,5 мм). Она применяется в

основном при восстановлении изношенных наружных

поверхностей цилиндрических деталей (поверхности валов,

полуосей; посадочные поверхности под подшипники и т. д.).

При этом способе наплавка металла осуществляется в

струе жидкости и заключается в периодической приварке к

поверхности небольших частиц электродной проволоки.

Метод наплавки материала широко используется для

повышения износостойкости деталей не только в

машиностроении, но и в эксплуатации (например, при ремонте

деталей). Восстановительный ремонт наплавкой, проводимый на

специально оборудованных ремонтных заводах, обеспечивает

долговечность отремонтированных деталей не менее 80%

долговечности новых.

Наплавка – экономически выгодный процесс. Так

применение 1т. наплавочных материалов позволяет сэкономить до

30т. легированной стали. Наплавка изношенных поверхностей

коленчатого вала, шатунов и поршневых пальцев в

автомобилестроении применительно к 12-цилиндровому дизелю

экономит в год более 2000 т. легированной стали.

5. Напыление материала. Процесс напыления металла

(металлизация) заключается в том, что на поверхность любой

формы наносят металлическое покрытие путем распыления

жидкого металла струей сжатого воздуха. Приборы, производящие

распыление, называются металлизаторами.

106

Сплавление или сваривание частиц напыляемого материала

с поверхностью обрабатываемой детали не происходит. Сцепление

носит адгезионный характер. По структуре металлизационные

покрытия всегда пористы.

Различают следующие виды металлизации в зависимости

от источника тепла: газовая (газовое пламя), электрическая

(электрическая дуга) и плазменная. Плазменное напыление стало

широко применяться особенно в последние годы. Благодаря

высокой температуре плазмы стало возможным напылять

тугоплавкие металлы и керамику.

Достоинством метода металлизации является его

сравнительная простота и малая стоимость. Недостатками:

хрупкость нанесенного слоя, не всегда достаточная прочность

сцепления, снижение усталостной долговечности деталей.

Металлизация распылением используется для нанесения

антифрикционных покрытий, а также для восстановления деталей

с целью повышения их износостойкости, жаропрочности и

коррозионной стойкости.

6. Гальванические покрытия. Эти покрытия в

зависимости от целевого назначения подразделяются на

следующие виды:

а) защитные покрытия: цинковые, кадмиевые, свинцовые,

оловянные, никелевые; защитные покрытия сплавами: кадмий -

цинк, олово - цинк, медь - цинк, свинец - олово, цинк - никель;

защитные пленки: плёнки полученные путем фосфатирования,

оксидирования и т.п. Основное назначение – предохранять

основной металл от коррозии;

б) защитно-декоративные покрытия с последующей

дополнительной отделкой (никелевые, хромовые, кобальтовые,

серебряные, золотые, родиевые, а также покрытия сплавами:

медь - олово, олово - никель, золото - медь и др.). Предохраняют

основной металл от различных видов атмосферных и химических

разрушений;

в) покрытия для повышения износостойкости и

поверхностной твердости (хромовые, железные, никелевые);

г) покрытия для восстановления размеров деталей

(хромовые, железные, медные);

107

д) покрытия из металлов для специальных целей.

Технологический процесс нанесения покрытий состоит из

следующих операций:

а) подготовки поверхности для покрытия;

б) нанесения покрытий;

в) обработки поверхности после покрытия.

Примеры: в автомобильной промышленности, в целях

защиты деталей от коррозии, расширяется применение стали с

различными покрытиями (цинком, оловом, алюминием, хромом,

свинцом, пластмассами).

Например: коррозионную стойкость кузовов можно

повышать, используя оцинкованный стальной лист (США,

Япония, ФРГ), металлопласт (стальной лист с покрытием

полиэтилена) и др.. Топливные баки изготовляют из

малоуглеродистой стали, покрытой свинцом. Оцинкованную сталь

применяют для кузовных деталей, фар, труб бензо- и маслосистем,

баков и др., в том числе с последующим нанесением пластмасс.

Покрытие алюминием применяют при изготовлении глушителей,

выхлопных труб и других деталей, работающих при повышенной

температуре. Для этих же целей используют покрытие хромом.

В отечественном автомобилестроении обеспечение

долговечности кузова автомобилей ВАЗ осуществляется с

помощью химической обработки поверхности металла:

фосфатирования. Повышение эффективности и надежности

наружных слоев антикоррозионных покрытий осуществляется с

помощью нанесения электрофорезного грунта.

7. Лакокрасочные покрытия. Эти покрытия

применяются для защиты металлов от коррозии, дерева - от

гниения, а также для придания изделиям эстетического внешнего

вида.

Лакокрасочные покрытия широко применяются

практически во всех областях машиностроения, в том числе и в

автомобилестроении. Лакокрасочные покрытия используются

также и при техническом обслуживании и ремонте автомобилей

для защиты металлов от коррозии.

108

8. Диффузионная металлизация - это процесс насыщения

поверхностного слоя стали алюминием, хромом, кремнием,

бором, цинком. Этот процесс применяется для придания

стальным деталям жаропрочности, антикоррозийных свойств и

износостойкости.

9. Пластмассовые покрытия. Эти покрытия по

химической стойкости к действию ряда агрессивных сред

(например, концентрированные кислоты и окислители) нередко

превосходят такие благородные металлы, как золото и платина.

Поэтому пластмассовые покрытия находят широкое применение

для защиты от агрессивных сред, в первую очередь, химической

аппаратуры.

Пластмассовые покрытия применяются в химическом и

продовольственном машиностроении, а также в целях тепло - и

электроизоляции, устранения неровностей на поверхности изделий

(например, на кузовах автомобилей) и т. д. Напыление пластмасс

можно проводить только на открытые поверхности без острых

углов, граней, зазоров, раковин и т. п.

10. Электроискровое, электродуговое и лазерное

упрочнения.

Электроискровое упрочнение представляет собой

одновременное действие эрозионного, термического и

термохимического процессов и контактного переноса материала.

Электроискровому упрочнению подвергают детали машин,

работающих в абразивной среде (дорожные, строительные и

землеройные машины). Этот же метод используется для

упрочнения и восстановления посадочных мест в неподвижных

соединениях и скользящих посадках. Упрочненный слой обладает

высокой износостойкостью и жаростойкостью.

Лазерное поверхностное упрочнение – это по существу

импульсное лазерное легирование с использованием паст

определённых составов. Лазерное упрочнение позволяет

обрабатывать поверхности в труднодоступных для других методов

местах, проводить локальное упрочнение отдельных частей

деталей, сохраняя объёмную пластичность других частей деталей.

По сравнению с химико-термическими методами лазерное

109

упрочнение увеличивает надежность по параметрам

износостойкости в 2 и более раз.

5.2.4 Сборка машин

Сборка машин – это один из наиболее важных этапов в

обеспечении надежности машин. Качество сборки зависит от

многих факторов, основными из которых являются:

- наличие входного контроля качества деталей

поступающих на сборку;

- техническая оснащенность участков сборки;

- методы организации производства;

- соблюдение технологии сборки;

- отношение рабочих к своему труду;

- наличие контроля качества сборки.

Практически на любом автомобилестроительном заводе

применяется входной контроль качества деталей, поступающих на

сборку. Автомобиль состоит из десятка тысяч деталей. Часть из

этих деталей производит сам автозавод, а часть смежники.

Учитывая это, перед сборкой автомобиля, необходимо проверить

качество деталей поступающих на сборку, в особенности от

смежников. Только в этом случае можно гарантировать качество

самой машины.

Техническая оснащённость участков сборки также влияет

на надёжность изделия. Например, использование гайковёртов на

линии сборки автомобилей гарантирует постоянный и требуемый

момент затяжки резьбовых соединений. А это, в конечном итоге,

повышает надёжность изделия.

Применение того или иного метода организации

производства также влияет на надёжность машин. Поточный

метод производства позволяет повысить производительность

труда, но сказывается на качестве изделия. Метод сборки изделия

или его узлов на одном месте и одной бригадой позволяет

повысить ответственность рабочих за качество сборки изделия.

Соблюдение технологий сборки так же сказывается на

качестве изделия. Любое нарушение технологий сборки снижает

надёжность изделия.