Технологическое восстановление поверхностей трения деталей машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.81.004; 531.43./.46; 539.62

Технологическое восстановление поверхностей трения деталей машин

А.Н. Щербаков

Аннотация

технологический трение алмазный выдавливание

Рассматриваются возможности методов восстановления, которые предлагается использовать при конструкторско-технологической подготовке производства, по обеспечению долговечности поверхностей трения.

Выбор метода восстановления поверхности трения детали определяется величиной ее износа:

· при восстановлении изношенного слоя величиной до 0,05 мм экономически целесообразно применять метод пластического вытеснения (алмазного или электромеханического) материала поверхностного слоя;

· при величине износа детали более 0,1 мм - детонационное и алмазное напыление, фрикционное нанесение покрытия;

· при величине износа более 0,1, но менее 2 мм - газоплазменное напыление и наплавку, вибродуговую, электромеханическую и импульсную наварку;

· при величине износа более 1,5 мм - электродуговую наплавку, электроконтактную и электроимпульсную приварку.

Существующие способы восстановления деталей машин наряду с относительными достоинствами обладают и существенными недостатками (значительная трудоемкость, деформирование детали, большая энергоемкость, вредные условия труда и др.). Если учесть, что большинство деталей машин изнашиваются незначительно (0,3 мм), то не всегда целесообразно применять сложные и трудоемкие способы восстановления.

Изготовление прецизионных деталей, в частности пневмо- и гидроагрегатов, трудоемко и связано с применением дорогостоящих материалов. Напряженные условия эксплуатации агрегатов, их назначение, сложность конструктивных исполнений требуют высокого качества изготовления узлов трения. Снижение работоспособности подвижных сопряжений связано с их микронным износом. Наиболее перспективным методом восстановления соединений представляется увеличение наружного диаметра за счет высоты наплывов, образующихся по краям микроканавок при формировании рельефа поверхностей пластическим деформированием. При этом удается решить одновременно две задачи: восстановить размер и придать обработанной поверхности положительные антифрикционные свойства (наличие маслоемких каналов предотвращает в эксплуатации сухое трение и связанные с ним задиры контактирующих поверхностей, их заклинивание).

Одним из методов восстановления размеров изношенных поверхностей пластическим деформированием является алмазное выдавливание.

В связи с этим было исследовано алмазное выдавливание изношенных поверхностей вращения методом полного факторного эксперимента.

В качестве основных факторов, влияющих на величину восстановленного размера, были приняты:

1) радиус инструмента (r = 1 и 3 мм);

2) сила выдавливания (P = 100 и 250 Н);

3) величина продольной подачи инструмента (S = 0,5 и 1,0 мм/об).

Эксперимент проводился на образцах с тремя повторениями в каждом опыте.

В качестве меры тесноты связи между входными и выходным факторами может быть принято значение коэффициента множественной корреляции R.

После статистической обработки результатов эксперимента, определения коэффициентов, проверки на адекватность уравнения имеем следующую зависимость величины восстановленного размера от условий обработки:

(1)

где Дd - величина восстановленного размера, мм.

Для уравнения (1) коэффициент множественной корреляции равен 0,89.

Для получения требуемого размера после операции восстановления образцы подвергались отделочной обработке. В качестве окончательной отделочной обработки была предложена доводка. По рекомендациям справочной литературы был выбран материал притира - серый чугун СЧ-15. Форма притира для данных образцов - разрезное кольцо. Абразивный материал - алмазная паста АСМ зернистостью 20/14. Обработка осуществлялась на токарном станке вручную. Величина снимаемого припуска составляла 0,002…0,010 мм.

Таким образом, результаты исследований показывают, что алмазное выдавливание с последующей доводкой позволяет эффективно восстанавливать размер цилиндрических деталей (на 0,004 … 0,02 мм). Причем наибольшее влияние на величину восстановленного размера оказывают радиус инструмента и усилие выдавливания, менее значимо влияние величины продольной подачи инструмента.

Инструментальная оснастка для проведения экспериментов по алмазному выдавливанию представлена на рис. 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Если величина износа детали составляет 0,05…0,15 мм, то можно использовать метод пластического вытеснения материала поверхностного слоя электромеханической обработкой. Электромеханическая обработка (ЭМО) обладает рядом преимуществ. Так, трудоемкость электромеханического восстановления в 2 - 5 раз ниже по сравнению с механическими наплавками и гальваническими способами.

Высадка металла при восстановлении ЭМО осуществляется путем внедрения инструмента, который представляет собой слегка притупленный клин (рис. 2). Очевидно, что для достижения максимальной величины высадки, а следовательно, и минимального предела текучести восстанавливаемого материала необходимо подводить к месту контакта с инструментом ток максимальной силы. Однако выбор силы тока ограничивается прочностью и стойкостью инструмента. Для материала инструмента был проведен ряд экспериментов, определены максимальные значения силы тока, исходя из его стойкости, и минимальное значение, при котором начинало заметно сказываться его влияние, исходя из технологических возможностей установки. Как показали многие исследования, с увеличением угла заточки инструмента величина выдавливания уменьшается. Объясняется это тем, что с увеличением угла заточки уменьшается радиальная составляющая давления. Однако его уменьшение на угол, меньший 45, приводит к существенному снижению стойкости инструмента, сопровождающемуся его хрупким разрушением.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На основе анализа стойкостных зависимостей инструмента и результатов собственных экспериментальных исследований, проведенных на инструменте из быстрорежущей стали Р6М5, жаропрочной стали 95Х18, твердого сплава ВК8, можно принять рациональной геометрией заточки инструмента следующую: угол заточки - 50…60, радиус высаживающей кромки - 0,1…0,2 мм.

Исходя из этого, для проведения экспериментальных исследований были назначены уровни следующих входных факторов:

1) сила тока (I = 600 и 1000 А);

2) сила выдавливания (Р = 500 и 1000 Н);

3) величина продольной подачи инструмента (S = 0,5 и 1,0 мм/об);

4) число рабочих ходов (i = 1 и 4).

Каждый опыт эксперимента проводился с тремя повторениями.

В результате обработки экспериментальных данных была получена эмпирическая зависимость величины восстановленного размера от условий обработки, которая имеет следующий вид:

(2)

Для уравнения (2) коэффициент множественной корреляции R = 0,94.

В качестве окончательной отделочной обработки после операции восстановления рекомендуется доводка чугунной колодкой с нанесением алмазной пасты. Величина снимаемого припуска составляет 0,01 … 0,03 мм.

Таким образом, результаты исследований показали, что электромеханическое выдавливание с последующей доводкой позволяет эффективно восстанавливать размер наружных цилиндрических поверхностей (на 0,02 … 0,1 мм).

При данном способе восстановления цилиндрических поверхностей на величину восстановленного размера большое влияние оказывает сила тока. Это вполне понятно и объясняется тем, что с увеличением силы тока повышается глубина проникновения высокой температуры, уменьшается предел текучести обрабатываемого материала, а следовательно, повышается интенсивность выдавливания.

Электромеханическое восстановление с добавочным металлом экономически целесообразно применять при величине износа детали более 0,1, но менее 1,5 мм. В качестве добавочного металла применяется различная проволока для наварки, легированные порошки.

Сущность электромеханической наварки добавочного металла состоит в закреплении его на изношенной поверхности мощными источниками тока с приложением давления.

Одной из важных задач при реализации методов электромеханической наварки является выбор соответствующего проводимым процессам материала инструмента, являющегося наиболее ответственным элементом технологических установок для ЭМО и работающего в условиях высоких температурных и силовых нагрузок. При этом необходимы высокая электрическая проводимость материала и достаточная износостойкость контактной поверхности. В связи с этим наиболее целесообразным является применение в качестве материала инструмента термостойких бронз (типа БрХ 0,7), твердых сплавов и тугоплавких металлов с насыщением объема материалами на основе меди.

Рекомендуется применять инструмент с подвижным креплением (ролики), так как, имея большую массу, он гарантирует стабильность рабочего профиля. Сила прижатия инструмента к детали регулируется специальными державками для рабочего инструмента при помощи спиральной пружины.

Большое влияние на свойства наваренного покрытия оказывает способ его получения. Часто способ нанесения покрытия предопределяет область его применения. Так, при получении антифрикционного покрытия большой пористости целесообразно применять способы с малой активацией по силовому (механическому) фактору, так как большое давление при припекании может привести к практически беспористому покрытию.

Основным фактором в случае применения порошков является химическое активирование. Зачастую без введения химически активных добавок получить качественные покрытия невозможно. Химическое активирование наиболее удобно осуществлять внедрением порошков кремния и бора, причем содержание 2 … 2,5 % каждого является оптимальным.

Для проведения исследований по восстановлению с дополнительным материалом, наносимым обмазкой восстанавливаемой поверхности, в качестве факторов, оказывающих основное влияние на величину восстановленного размера, были выбраны следующие:

1) сила тока (I = 3000 и 4000 А);

2) сила прижатия инструмента (Р = 300 и 500 Н);

3) скорость вращения заготовки ( = 0,6 и 1,0 м/мин).

Результатом собственных предварительных экспериментальных исследований и на основе рекомендаций литературных источников был проведен ряд экспериментов по выбору связующего компонента для обмазки. Эксперименты проводились с использованием этилсиликата (жидкое стекло), цапонлака, графитной смазки. Дополнительный материал (порошок) перемешивался со связующим компонентом в соотношении 1:1 и наносился равномерным слоем на восстанавливаемую поверхность. Проведенные эксперименты позволили выбрать в качестве связующего компонента при нанесении порошка на поверхность обмазкой графитную смазку как пластичный, электропроводный материал, дающий удовлетворительные результаты по качеству наплавленного слоя.

Для получения более равномерного слоя рекомендуется сначала наносить тонкий слой связующего компонента на восстанавливаемую поверхность, а потом - дополнительный материал путем его свободного просыпания на обмазанную поверхность.

В качестве рабочего инструмента при проведении данных экспериментов применялись ролики из бронзы марки БРХ0,7 и псевдосплава карбида вольфрама с медью.

После наплавки 3-х слоев выполнялось упрочнение восстановленного слоя путем прохождения инструментом на тех же режимах с подачей охлаждающей среды поливом в зону обработки. Эксперимент проводился на образцах с тремя повторениями в каждом опыте.

В результате обработки данных, определения коэффициентов, проверки на адекватность уравнений получены зависимости величины восстановленного размера от условий обработки при наплавке бронзовым роликом с обмазкой (3) и псевдосплавным роликом с обмазкой (4).

Для уравнения (3) коэффициент множественной корреляции R = 0,86, для уравнения (4) - R = 0,72.

^. (3)

(4)

Таким образом, результаты исследований показали, что электромеханическая наварка дополнительного материала (порошка), наносимого обмазкой, бронзовым и псевдосплавным роликами (с последующей отделочной обработкой алмазным точением или шлифованием) позволяет эффективно восстанавливать размер наружных цилиндрических поверхностей (на 0,1 … 0,3 мм). При данном способе восстановления основное влияние на величину восстановленного размера оказывает величина силы тока. Данный фактор сказывается на качестве сцепления частиц порошка между собой и с основным материалом, а также на величине пористости покрытия.

При нанесении дополнительного материала (порошка) на восстанавливаемую поверхность обмазкой получается покрытие с очень большой пористостью, а иногда происходит даже отслаивание наплавленного слоя. Это вызвано наличием так называемого «третьего тела» - графитной смазки, которая при наварке из-за высоких температур выгорает в зоне контакта инструмента и слоя дополнительного материала.

Для улучшения качества восстановленного слоя (уменьшения его пористости и лучшего припекания к поверхности) целесообразно избавиться от «третьего тела» путем нанесения порошка свободным просыпанием из бункера. Однако при таком способе нанесения дополнительного материала происходит очень большой его перерасход. Во избежание этого использовалось электромагнитное поле для удержания порошка в зоне наплавки.

Для проведения экспериментов с таким способом нанесения дополнительного материала было разработано и изготовлено специальное приспособление, представленное на рис. 3.

а)б)

Рис. 3. Приспособление для подачи и удержания порошка в зоне наварки: а - общий вид; б - схема приспособления; 1 заготовка; 2 инструмент; 3 направляющие; 4 электромагнит; 5 удлинительные планки; 6 бункер; 7 сопло.

Эксперимент проводился на образцах с тремя повторениями в каждом опыте. Число навариваемых слоев - 1

В качестве основных факторов, влияющих на величину восстановленного размера, были приняты:

1) сила тока (I = 3000 и 4000 А);

2) сила прижатия инструмента (Р = 300 и 500 Н);

3) величина продольной подачи инструмента (S = 0,7 и 1,0 мм/об).

После наварки восстановленный слой упрочнялся путем прохождения инструментом с теми же режимами и подачей охлаждающей среды в зону обработки.

В результате обработки данных, определения коэффициентов, проверки на адекватность уравнения по критерию Фишера имеем следующую зависимость величины восстановленного размера от условий обработки:

(5)

Для уравнения (5) коэффициент множественной корреляции R = 0,82.

После операции восстановления поверхности деталей подвергаются отделочной обработке для получения требуемого размера. Для поверхностей, восстановленных электромеханической обработкой с дополнительным металлом, в качестве отделочной обработки рекомендуются алмазное точение или получистовое и чистовое шлифование. Величина снимаемого припуска составляет 0,1 … 0,3 мм.

Таким образом, результаты исследований показывают, что электромеханическая наварка дополнительного материала (порошка) с использованием электромагнитного поля с последующим шлифованием позволяет эффективно восстанавливать размер наружных цилиндрических поверхностей (на 0,2 … 0,4 мм).

С целью оценки эффективности разработанных технологий восстановления размеров изношенных поверхностей трения были исследованы процессы их трения и изнашивания.

Сравнительные испытания на износостойкость выполнялись в условиях граничной смазки по схеме «вал - колодка» с использованием разработанной автоматизированной системы научных исследований (АСНИ) для проведения испытаний на трение и изнашивание, основной целью применения которой является повышение эффективности процессов построения экспериментальных математических моделей изучаемых процессов, явлений, объектов. Использование АСНИ преследует и другую, часто не менее важную цель -- сокращение общего времени, затрачиваемого на проведение научного исследования, эксперимента или испытания, а также возможность нормализации испытаний износостойкости исследуемых поверхностей.

Исследованию были подвергнуты как исходные образцы, термообработанные и нетермообработанные, так и восстановленные по предложенным технологиям.

Результаты измерений коэффициентов трения в процессе изнашивания образцов представлены на рис. 4.

Анализ результатов показывает, что примерно через 2 часа после начала испытаний заканчивается процесс приработки на уровне микрогеометрии поверхностного слоя, т.е. сформировываются параметры равновесной шероховатости поверхности.

Обработка результатов позволила определить величину износа образцов в период приработки и интенсивность их изнашивания в период нормального изнашивания (табл. 2).

Анализ полученных результатов сравнительных испытаний показывает, что предложенные технологии восстановления позволяют обеспечить износостойкость восстановленной детали, практически равную износостойкости новой детали.

Проведенные исследования по восстановлению заниженных размеров изношенных поверхностей деталей машин позволили разработать рекомендации по применению технологии восстановления наружных цилиндрических поверхностей трения рассмотренными методами (табл. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Коэффициент трения скольжения при различных методах восстановления:

Таблица 2. Результаты экспериментов на изнашивание

Таким образом, разработанная технология и изготовленная оснастка позволяют восстанавливать бракованные и изношенные цилиндрические детали машин на величину 0,01 … 0,6 мм.

Полученные экспериментальные уравнения адекватно описывают взаимосвязь величины восстановленного размера с условиями обработки для рассмотренных методов восстановления. При восстановлении слоя величиной до 0,05 мм экономически целесообразно применять метод пластического вытеснения (алмазного или электромеханического) материала поверхностного слоя; при величине восстанавливаемого слоя от 0,05 до 0,1 мм - метод пластического вытеснения материала электромеханической обработкой; при восстановлении слоя величиной более 0,1, но менее 0,6 мм - электромеханическую наварку дополнительного материала.

Применение результатов исследований позволяет вооружить машиностроительные и ремонтные предприятия эффективным способом снижения материальных затрат и обеспечения эксплуатационных показателей деталей машин на стадиях их изготовления и ремонта.

Материал поступил в редколлегию 20.02.06.

Таблица 2 Технология восстановления наружных цилиндрических поверхностей трения

Размещено на Allbest.ru