Упрочнение поверхностей трения деталей машин при электромеханической обработке

Размещено на http://www.allbest.ru/

Машиностроение и транспорт

УДК 621.81.004

Упрочнение поверхностей трения деталей машин при электромеханической обработке

А.О. Горленко

Рассмотрены технология, оснастка, управляемый источник питания для электромеханической обработки поверхностей трения деталей машин с целью повышения их износостойкости.

Ключевые слова: электромеханическая обработка, технология, упрочнение, износостойкость.

Значительная часть рабочих поверхностей деталей машин требует повышения долговечности, лимитированной в большинстве случаев их износостойкостью. Это может быть реализовано в условиях любого предприятия на универсальных станках, оснащенных специальным управляемым источником питания и соответствующей технологической оснасткой для электромеханической обработки (ЭМО).

В зависимости от требований к рабочей поверхности детали [1] ее электромеханическая обработка может осуществляться переменным или постоянным током. Причем ЭМО может быть использована как для упрочнения рабочей поверхности, так и для ее восстановления при ремонте, в том числе с нанесением добавочного износостойкого материала.

Технология электромеханической обработки основана на сочетании термического и силового воздействий на поверхность обрабатываемой детали, что приводит к изменению физико-механических и микрогеометрических показателей поверхностного слоя (повышению твердости и прочности, снижению высотных параметров шероховатости и т.д.) и, как следствие, к повышению эксплуатационных показателей деталей, в частности износостойкости, контактной жесткости и прочности, предела выносливости, теплостойкости, фреттингостойкости. Эффект упрочнения при ЭМО достигается благодаря тому, что реализуются сверхбыстрые скорости нагрева и охлаждения и достигается высокая степень измельченности аустенитного зерна, которая обусловливает мелкокристаллические структуры закалки поверхностного слоя, обладающего высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами [2-4].

Технология ЭМО реализуется на специальной установке, представляющей собой технологический комплекс, состоящий: из универсального станка (применяемого для механической обработки заготовок) с соответствующими инструментами и приспособлениями для закрепления обрабатываемой детали и подвода электрического тока большой силы и малого напряжения; силового блока для преобразования промышленного электрического тока; блока управления режимами обработки; средств коммутации и подвода смазывающе-охлаждающей технологической среды (СОТС); блока сопряжения с ПЭВМ.

Технологическая оснастка позволяет использовать технологию ЭМО мобильно, в совокупности с любым универсальным станком, применяемым для механической обработки заготовок. Инструментальная оснастка состоит из двухроликовой головки, закрепляемой в резцедержателе токарно-винторезного станка, и средств коммутации для электромеханической обработки наружных цилиндрических поверхностей.

Для реализации технологии ЭМО разработан управляемый источник питания, позволяющий осуществлять электромеханическую обработку переменным током промышленной частоты и постоянным током.

С помощью данного источника питания можно осуществлять упрочнение и отделочную обработку поверхностей деталей машин, изготовленных из средне-, высокоуглеродистых, легированных сталей и высокопрочного чугуна. Применение переменного тока промышленной частоты (от управляемого источника питания) обеспечивает плавный переход твердости от поверхности к сердцевине, большую глубину упрочнения (до 2 мм), высокую микротвердость упрочненного слоя (до 1000 НV), шероховатость поверхности (без отделочной обработки) в пределах Rа = 0,8 - 3,2 мкм. Упрочнение и отделочная обработка при применении постоянного тока позволяют добиваться высокого качества поверхности, когда не требуется большая глубина упрочнения (до 0,5 мм), а необходимо значительное уменьшение значений высотных параметров исходной шероховатости (для Rа - в 4 - 10 раз).

Применение данной технологии ЭМО целесообразно для упрочнения и отделочной обработки рабочих поверхностей широкой номенклатуры деталей, работающих в различных условиях трения и изнашивания: осей, валов и штоков; шеек и галтелей ступенчатых валов; поверхностей деталей, образованных металлизацией, напылением, нанесением покрытий, наплавкой; сопряжений «вал - подшипник качения», работающих в условиях фреттинг-коррозии; прокатных валков; деталей, изготовленных из труднообрабатываемых металлов и сплавов, и др.

Основные технические характеристики установки для ЭМО:

Диаметр упрочняемой детали, мм 20 - 300

Форма тока:

а) синусоидальный (с фазовой отсечкой при регулировании)

частотой, Гц 50

б) постоянный

· Диапазон регулирования рабочего тока, кА 0,4 - 4

· Максимальное напряжение рабочего тока, В

(при I_max = 4 кА) 4

· Управление рабочей силой тока - ручное или программное от ПЭВМ

· Стабильность тока (при колебаниях питающей сети ± 10 %) 5 %

· Глубина упрочненного слоя, мм 0,2 - 2,0

· Максимальная потребляемая мощность,кВт 16

· Напряжение питания, В 380 10 %

Управляемый источник питания переменного тока с фазоимпульсным регулированием (с помощью программируемого микропроцессорного блока управления) выполнен в виде устройства, основными функциональными узлами которого являются силовой питающий трансформатор, тиристорный контактор, блок управления (рисунок).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Напряжение питающей сети поступает на тиристорный контактор и блок управления. В зависимости от заданной величины тока блок управления формирует импульсы, обеспечивающие необходимый угол отпирания тиристоров контактора. Напряжение с выхода контактора поступает на первичную обмотку силового трансформатора. К вторичной обмотке трансформатора подключается нагрузка. Датчик тока служит для получения сигнала, соответствующего величине выходного тока. Блок управления имеет выход на высший уровень управления (ПЭВМ).

В качестве силового питающего трансформатора применен трансформатор для машин контактной сварки. Силовой трансформатор подключается к клеммам шкафа управления с помощью гибкого кабеля.

Тиристорный контактор имеет открытое исполнение и состоит из двух тиристоров, включенных встречно-параллельно, элементов управления, а также разъема для подключения регулятора.

Блок управления регулирует выходной ток источника питания путем фазо-импульсного управления углом отпирания тиристоров контактора. Блок управления выполнен на основе регулятора контактной сварки и измеряет действующее значение выходного тока (текущее и среднее значения во время нагревов), а также напряжение питающей сети. На жидкокристаллическом индикаторе высвечивается следующая информация: параметры выполняемой программы; текущее и среднее значения выходного тока; напряжение питающей сети; позиции технологического цикла; количество циклов.

Конструктивно силовой питающий трансформатор, тиристорный контактор и блок управления размещаются в металлическом шкафу (шкаф управления). Органы управления, индикации и отображения информации расположены на двери шкафа. На лицевой панели шкафа управления расположены: кнопки задания параметров процесса; кнопка «Сброс»; 4-строчный жидкокристаллический индикатор; светодиодные индикаторы «Импульс», «Пауза», «Цикл», «Готов», «Авария»; тумблеры управления режимами работы; индикатор напряжения сети.

Монтаж шкафа управления выполнен с помощью обычных и ленточных жгутов. Кабельные вводы расположены на нижней стенке шкафа. Шкаф управления имеет габаритные размеры 600400250 мм, массу 32 кг. Он закреплен вертикально на передвижной стойке, что позволяет располагать источник питания в непосредственной близости от места выполнения технологического процесса.

Электромеханическая обработка связана в основном с резким повышением твердости и снижением шероховатости обрабатываемой поверхности и в меньшей мере оказывает влияние на другие характеристики. Выбор оптимальных режимов ЭМО представляет значительный практический интерес и зависит от требуемой степени и глубины упрочнения, шероховатости поверхности, закономерностей контактного нагрева, начальной шероховатости, геометрии инструмента, структуры обрабатываемой заготовки, метода электромеханического упрочнения и т.д.

Влияние режимов электромеханической обработки на микротвердость поверхностного слоя и глубину упрочнения при ЭМО переменным током для различных материалов представлено в таблице. (скорость обработки ₀ = 0,02 - 0,08 м/с; давление инструмента р = 10 - 30 МПа).

Как показали теоретико-экспериментальные исследования, проводимые методами планирования эксперимента, наибольшее влияние на качество и эксплуатационные показатели поверхностного слоя оказывают такие режимы электромеханического упрочнения, как сила тока, скорость обкатывания и давление ролика-электрода на обрабатываемую поверхность.

Методами математико-статистического моделирования получены следующие регрессионные зависимости между режимами упрочнения при ЭМО переменным током и микротвердостью поверхностного слоя, параметром шероховатости Rа:

Таблица

Влияние плотности тока на глубину упрочнения и микротвердость поверхностного слоя при ЭМО переменным током для различных материалов

Примечание. h - глубина упрочнения, мм; HV - микротвердость.

Оптимальные режимы электромеханического упрочнения позволяют получить закаленную структуру поверхностного слоя с повышенной износостойкостью, что обусловливается его высокой твердостью, прочностью и мелкозернистой структурой. Сжимающие остаточные напряжения в поверхностном слое от сил деформирования оказывают благоприятное влияние на различные виды разрушающих нагрузок в совокупности с повышенной пластичностью после ЭМО, что является одной из причин повышения контактной прочности поверхностного слоя. Кроме того, износостойкость повышается вследствие образования после ЭМО большей несущей способности профиля, чем после механической и термической обработки, что уменьшает время приработки; отсутствие прижогов и трещин наряду со снижением числа микронеровностей снижает число микроконцентраторов напряжения, что вместе с упрочнением поверхностных слоев повышает выносливость деталей на удар. Повышение износостойкости деталей машин, работающих в условиях трения скольжения, возможно также в результате электромеханической обработки при протекании электрического тока по импульсной схеме, благодаря чему на упрочняемой поверхности формируется специфическая текстура, представляющая собой чередование упрочненных и неупрочненных участков. электромеханический упрочнение износостойкость

Методами математико-статистического моделирования получена зависимость между скоростью изнашивания и режимами упрочнения при ЭМО переменным током (условия трения:q = 4,0 МПа, =0,8 м/с):

.

Как показали проведенные исследования, электромеханическую обработку целесообразно применять для упрочнения нетермообработанных средне- и высокоуглеродистых, легированных сталей, а также высокопрочных чугунов при степени упрочнения поверхностного слоя обработанных деталей U_н = 40 - 250 % и глубине упрочнения h_н = 0,2 - 2,0 мм. При этом осуществляется плавный переход твердости упрочненного слоя от поверхности к неупрочненной сердцевине детали, что не приводит к его отслоению при динамических нагрузках. Микрогеометрические параметры обработанных деталей: Ra = 0,2 - 3,2 мкм; Sm = 0,025 - 0,36 мм; tm=50-70%; Wz = 0,4 - 8,0 мкм, Hmax = 6 - 20 мкм.

Электромеханическая обработка благодаря широкому диапазону изменения режимов и возможности получения высокой твердости упрочненного слоя позволяет получать поверхности с изменением значений комплексного параметра С_X, характеризующего качество поверхностного слоя, и коэффициента упрочнения k в следующих пределах: С_X = 0,12 - 0,65; k = 1,4 - 3,5.

Параметр С_Х характеризует влияние микрогеометрии и физико-механических свойств поверхностного слоя [1]:

,

где Ra, tm, Sm, Wz и Hmax - параметры шероховатости, волнистости и макроотклонений; - коэффициент упрочнения поверхностного слоя; HV и HV_исх - соответственно микротвердость поверхностного слоя после и до обработки; - коэффициент, учитывающий влияние остаточных напряжений.

Мелкозернистая структура закаленного слоя при ЭМО обладает высокой износостойкостью. Для поверхностей, работающих в условиях давлений q = 1,6 - 4,0 МПа и скоростей скольжения = 0,6 - 1,1 м/с при граничной смазке, интенсивность изнашивания достигает J_h = (0,6 -2,0)10^-10.

Учитывая специфику управления режимами в процессе ЭМО (электронная система управления), можно сделать вывод о том, что данный метод обладает большими возможностями в автоматизации управления режимами обработки при реализации системы управления в цифровом виде с подключением к персональной ЭВМ.

Разработанный управляемый источник питания обеспечивает улучшенные показатели ЭМО, к которым в основном относятся: электробезопасность; материало- и энергоемкость; мобильность и удобство эксплуатации; диапазон регулирования режимов обработки (плотности тока, скорости обработки, давлений инструмента); выходные параметры процесса ЭМО (параметры микрогеометрии поверхности детали, физико-механические свойства, глубина упрочнения и др.).

Применение электромеханической обработки для упрочнения поверхностей трения возможно на машиностроительных предприятиях в качестве высокоэффективного способа обеспечения и повышения эксплуатационных показателей деталей машин на стадии их изготовления.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Инженерия поверхности деталей / А.Г. Суслов, В.Ф. Безъязычный, Ю.В. Панфилов, С.Г. Бишутин, И.В. Говоров, А.О. Горленко [и др.]; под ред. А.Г. Суслова.- М.: Машиностроение, 2008.- 320с.

2. Горленко, А.О. Электромеханические методы обработки /А.О. Горленко//Машиностроение. Т.III-3. Технология изготовления деталей машин: энциклопедия /А.М. Дальский, А.Г. Суслов, Ю.Ф. Назаров [и др.]; под общ. ред. А.Г. Суслова.- М.: Машиностроение, 2000.- С.356-361.

3. Суслов, А.Г. Электромеханическая обработка / А.Г. Суслов, А.О. Горленко// Справочник технолога - машиностроителя: в 2 т. /под ред. А.М. Дальского, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова, А.Г. Суслова.- 5-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 2001.- Т.2.- С.553-562.

4. Горленко, А.О. Обеспечение износостойкости поверхностей трения путем управляемого технологического воздействия /А.О.Горленко, В.П. Матлахов // Вестн. БГТУ.- 2007.- №2. - С.10-15.

Материал поступил в редколлегию 18.05.11.

Размещено на Allbest.ru