Влияние технологии обработки на эксплуатационные свойства деталей машин

Значительное влияние качества поверхности деталей машин на их основные эксплуатационные свойства и метода и режимов механической обработки на отдельные характеристики качества поверхности (высоту шероховатости, форму неровностей, направление неровностей, микротвердость поверхностного слоя и глубину распространения наклепа, величину, знак и глубину распространения остаточных напряжений) предопределяют зависимость эксплуатационных качеств деталей от технологии их механической обработки.

Важные эксплуатационные качества деталей (долговечность, плавность перемещений, длительность сохранения заданных конструктором точности и посадки, прочность, коррозионная стойкость, магнитные свойства, способность к теплопередаче и теплоизлучению) зависят не только от конструктивных форм и точности изготовления деталей, состава и структуры их материала и его механических качеств, но и от отдельных характеристик качества поверхности, приобретенных металлом поверхностного слоя в процессе механической обработки.

В этом смысле уместно говорить о существовании технологической наследственности качества поверхности(изменения эксплуатационных свойств деталей машин под влиянием технологии их изготовления) и определяемых им эксплуатационных свойств деталей от отдельных технологических операций и всего технологического процесса их изготовления.

Под технологией изготовления деталей при этом подразумевают методы и режимы обработки, примененные на отдельных операциях, вид и состояние режущего инструмента, условия охлаждения, размеры операционных припусков, последовательность и содержание операций техпроцесса в целом.

Технологическая наследственность зависит не только от метода и режимов обработки, примененных на чистовой операции. Она может проявиться в изменении свойств или потере точности формы готовой детали при ее эксплуатации в результате воздействия тех или иных элементов качества поверхности, созданных в поверхностном слое детали при ее черновой обработке.

Проявление технологической наследственности может привести как к улучшению, так и к ухудшению эксплуатационных свойств деталей машин. Для целесообразного использования явления технологической наследственности необходимо установить непосредственные связи между эксплуатационными характеристиками деталей(усталостной прочностью, износостойкостью) и режимами обработки заготовок при основных методах их изготовления.

Во многих случаях такие связи можно выявить с помощью математических зависимостей. Иногда установление связей эксплуатационных свойств с режимами обработки через зависимости качества поверхности от режимов ,эксплуатационных свойств от качества поверхности становится затруднительным в связи с различным направлением изменения отдельных характеристик качества поверхности, влияющих на эксплуатационные свойства, при изменении режимов резания.

Как показывают материалы различных исследований, износостойкость деталей машин во многих случаях можно повысить путем простого изменения метода обработки или даже режима резания, или геометрии режущего инструмента.

Влияние методов и режимов обработки деталей на их износостойкость в значительной степени обусловлено шероховатостью трущихся поверхностей и размерами их фактических опорных поверхностей, а также степенью их наклепа.

Износостойкость деталей зависит от их несущей способности, определяемой произведением фактической опорной поверхности на предел текучести металла поверхностного слоя . При обработке заготовок наиболее рациональными методами с оптимальными режимами резания, когда достигаются оптимальные шероховатость и микротвердость металла поверхностного слоя, износостойкость детали при прочих равных условиях оказывается наивысшая точка.

Усталостная прочность деталей машин в значительной степени зависит от методов и режимов обработки деталей, а также не только от шероховатости и направления штрихов обработки, но и от наклепа и остаточных напряжений поверхностного слоя.

Особенно сильно влияют режимы обработки на усталостную прочность титановых сплавов, а режимы шлифования и на длительную прочность этих сплавов.

Приведенные результаты различных экспериментальных исследований убеждают в возможности установления зависимостей долговечности деталей от методов и режимов их обработки и определения методов обработки, наиболее благоприятных для повышения долговечности деталей машин.

Однако необходимо подчеркнуть, что нахождение подобных зависимостей и особенно их математическая обработка и обобщение требуют тщательного изучения, и закономерностей их изменения при разных условиях выполнения технологической операции. Таким образом, следует определить границу, в пределах которой установленные математические зависимости остаются справедливыми.

Воронежский государственный технический университет

УДК 631.3.02.004.67: 621.791(031)

Ю.Э. Сотникова, В.И. Гунин

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ ГАЛЬВАНОПОКРЫТИЯМИ, ПОЛИМЕРНЫМИ МАТЕРИАЛАМИ И СВАРКОЙ

Для ремонтного производства наиболее перспективны следующие способы: нанесение покрытий металла на асимметричном периодическом токе; нанесение покрытий металла в проточном электролите.

Применение асимметричного периодического тока позволяет путем изменения параметров обратного импульса управлять свойствами гальванических осадков железа (износостойкостью, микротвердостью, внутренними напряжениями, усталостной прочностью), повышать прочность сцепления покрытий с деталями и одновременно увеличивать допустимую плотность катодного тока за счет активирования поверхности детали и снижения концентрационных ограничений под воздействием обратного импульса.

Одним из экономичных способов восстановления посадочных мест под подшипники в корпусных деталях с износами, не превышающими 0.6 мм на сторону, является осаждение железо-цинкового сплава методом электролитического натирания.

Железо-цинковые покрытия пластичны, что позволяет применить простейшие методы последующей обработки поверхностей.

Высокая сцепляемость обеспечивается при катодной плотности тока в течение первых трех минут электролиза. Увеличение плотности тока в начальный период значительно снижает прочность сцепления.

Для повышения прочности сцепления сплавов необходимо использовать оптимально подобранные технологические режимы.

Перед электролитическим хромированием и никелированием покрываемые поверхности обычно шлифуют и полируют, применяя сборные и цельные шлифовальные круги.

В ремонтном производстве используют войлочные круги: мягкие – для шлифования деталей из алюминиевых и цинковых сплавов, твердые – для шлифования стальных деталей. При тонком шлифовании войлочными кругами может быть получен восьмой и девятый класс шероховатостей по ГОСТ 2789 – 73.

Поверхности деталей, подвергаемые электрическому наращиванию должны быть тщательно очищены от жиров, смазки и окислов.

Обезжиривание деталей во всех случаях объясняется интенсивным выделением на их поверхностях пузырьков газа (кислорода или водорода), разрывающих жировую пленку.

Сочетание материалов отличающихся коэффициентами линейного расширения, например металлов и эпоксидного состава, приводит к возникновению внутренних напряжений. Чтобы снизить эти напряжения, вводят наполнители. Наполнители значительно влияют на свойства эпоксидных составов. Так, кварцевые пески повышают электроизоляционную способность, железный(чугунный) порошок – прочность, алюминиевая (бронзовая) пудра и белая сажа – тиксотропность состава.

Методом нанесения тонкослойных покрытий в псевдоожиженном слое можно восстанавливать детали с износом рабочих поверхностей до 1 мм. Комбинированный подслой должен состоять из смеси поликапроамидного порошка и порошкового состава на основе твердых эпоксидных смол.

Предварительно нагретые детали сначала опускают в псевдоожиженный слой порошковой смеси, затем помещают в слой поликапроамидного порошка.

После нанесения покрытия детали проходят механическую обработку.

Также при восстановлении деталей гальванопоркытиями используются железнение (осталивание), хромирование, никилирование.

Проведя анализ восстановления деталей из алюминиевых сплавов, можно заметить, что сварочные свойства алюминия и его сплавов отличаются от таковых сталей и чугуна. Алюминий и его сплавы имеют низкую температуру плавления, химически активны и, соединяясь с кислородом, образуют окись алюминия, являющуюся не электропроводной, тугоплавкой, тяжелой по сравнению с алюминием. Попадая в расплавленную ванну, окись алюминия в виде твердых частиц оседает вниз, препятствуя сплавлению наплавленного металла с основным. Окись алюминия можно удалить механическим или химическим путем.

Алюминий и его литейные сплавы имеют различную величину усадки, поэтому для сварки каждого сплава можно применять лишь вполне определенные электроды.

Газовая сварка алюминия и его сплавов с использованием флюсов мало отличается от аналогичных способов сварки чугуна или стали. В качестве присадочных прутков применяют сплав с содержанием кремния.

При восстановлении чугунных деталей пайкосваркой используют различные комбинации припоев. Прочность паяных соединений линейно зависит от пористости паяных швов. Чем меньше пористость, тем выше прочность паяного соединения. Наименьшей пористостью и лучшей прочностью обладают паяные соединения чугуна с применением в качестве припоя латуни и флюса.

В ряде случаев при восстановлении чугунных деталей может оказаться целесообразным соединением чугуна со сталью.

Трещины и изломы чугунных деталей можно заваривать дуговой сваркой металлическим или угольным электродом, газовой сваркой, термитной сваркой или заливать жидким чугуном.

По состоянию свариваемой детали различают три способа сварки чугуна: холодную, полугорячую, горячую.

Холодный способ сварки имеет несколько разновидностей. Сварку стальными электродами применяют при ремонте неответственных чугунных изделий небольших размеров с малым объемом наплавки, не требующих после сварки механической обработки.

При сварке стальными электродами со специальным покрытием сваривают изделия несложной формы, средних размеров и массы, с толщиной стенок до 15 мм, работающие при незначительных статических и ударных нагрузках.

Сварку с чугунными электродами применяют для исправления дефектов деталей раковин и трещин. Металл сварного шва можно получить близким по химическому составу к основному металлу, однако в металле сварного шва и прилежащих к нему зонах наблюдается отбел, что затрудняет последующую механическую обработку.

Сваркой медными электродами восстанавливают детали работающие при незначительных статических нагрузках.

Газовая сварка – очень распространенный способ ремонта чугун ных деталей. При использовании латунных прутков в качестве присадочного металла сварной шов получается достаточно плотным и поддается механической обработке. Газовую сварку чугуна можно разделить на собственно сварку и на пайку.

Горячую сварку ведут без перерывов, с тем чтобы металл сварочной ванны все время был в расплавленном состоянии.

Таким образом, для каждого металла характерен свой способ восстановления, который зависит от характера его химических и эксплуатационных свойств.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.9.047

Пачевский В. М., Бобров Д. П.

Механизмы управления эксплуатационными характеристиками деталей машин

Одной из основных задач при проектировании и изготовлении машин является обеспечение их высокой эксплуатационной надежности. Потеря машиной работоспособности связана с протеканием различных процессов изменения свойств или состояния материала ее деталей, возникающих в результате внешних и внутренних воздействий. Они приводят к износу, деформации, поломке и другим видам повреждения материала детали, и как следствие – возникновению отказа [1].

В процессе эксплуатации наибольшим изменениям подвержен поверхностный слой деталей машин, так как он испытывает наиболее сильные механические, тепловые, химические и другие воздействия со стороны окружающей среды и другой детали, сопряженной с ней в узле трения. Это приводит к тому, что большинство отказов машин связано с процессами старения, протекающими в тонком поверхностном слое детали и приводящими к потере ей своего служебного назначения. Сопротивление усталости, износостойкость, коррозионная стойкость, контактная жесткость и другие эксплуатационные свойства детали зависят от качества ее поверхности. Поэтому надежность и долговечность работы всей машины в значительной степени определяется качеством поверхностного слоя ее деталей [2].

Качество поверхностного слоя характеризуется совокупностью геометрических, механических, физических и химических характеристик. Геометрические параметры поверхностного слоя определяются волнистостью, шероховатостью и направлением неровностей. К механическим свойствам относятся твердость, пределы прочности, выносливости, текучести и пропорциональности. Физико-химическое состояние поверхностного слоя характеризуется его структурой, фазовым составом, химическим составом, деформацией (наклепом) и остаточными напряжениями.

Методы изменения качества поверхностного слоя являются наиболее эффективными способами повышения эксплуатационных свойств деталей, надежности и долговечности машины. Рабочие поверхности деталей машин могут находиться в широком диапазоне условий работы. Оптимальные для данных условий эксплуатации параметры качества поверхности могут быть определены исходя из условий нагружения, температурных режимов, состава окружающей среды.

Методы получения поверхностного слоя с заданными параметрами качества могут быть направлены как на изменение свойств поверхностных слоев, их геометрических характеристик, так и на создание на поверхности различных покрытий [3].

Наиболее распространенными в промышленности методами управления качеством поверхностного слоя являются химико-термические способы упрочнения, механические способы упрочнения, основанные на поверхностном пластическом деформировании, физические методы упрочнения, нанесение покрытий химическим, гальваническим, электролитическим, механическим (наплавка и др.) способами.

Применение различных технологических методов управления геометрическими параметрами рабочих поверхностей деталей, работающих в условиях трения со смазочным материалом, является эффективным способом улучшения их прирабатываемости, износостойкости, сопротивления фреттинг-коррозии, коэффициента трения и других эксплуатационных характеристик деталей. Эти методы могут быть основаны на формировании регулярного микрорельефа поверхностно-пластическим деформированием, получении покрытий с регулируемой пористостью различными методами: химико-термической обработкой, нанесением покрытий газопламенным напылением, пористым хромированием и другими способами [3, 4, 5].

Создание определенного микрорельефа, оптимального для данных условий трения, позволяет улучшить условия смазки контактирующих при трении поверхностей. Наличие тонкой пленки смазки уменьшает адгезионное взаимодействие контактирующих поверхностей, защищает материал деталей от непосредственного металлического контакта. Этим достигается значительное снижение вероятности возникновения патологических видов износа, приводящих к наиболее интенсивному разрушению поверхности.

Одним из наиболее применяемых способов формирования регулярного микрорельефа является метод механического нанесения регулярного микрорельефа на рабочие поверхности деталей машин. Он позволяет в широких пределах изменять значения геометрических параметров качества поверхности. Регулируя число выступов и впадин на единицу поверхности, длину профиля, коэффициент заполнения, радиус выступов и впадин и других параметров можно эффективно управлять эксплуатационными свойствами поверхности. Формирование системы канавок определенного объема и расположения относительно направления трения увеличивает ее маслоемкость при работе со смазочным материалом, способствует улучшению условий смазки. В процессе трения они способны удерживать твердые частицы, благодаря чему снижается абразивный износ. Все это приводит к уменьшению скорости изнашивания трущейся поверхности и повышению ее антифрикционных свойств.

Авторами предлагается создавать регулярный микрорельеф за счет формирования пористых слоев определенной микроструктуры в процессе нанесения поверхностного слоя методами напыления. Особенность пористых слоев заключается в появлении при трении эффекта самосмазываемости, что позволяет использовать их в узлах трения без дополнительной подачи смазки. В процессе трения происходит образование и разрушение различных адсорбированных и окисных пленок, защищающих нижележащий материал от схватывания. Выделение смазочного материала из пор при повышении температуры исключает контакт ювенильных поверхностей, которые могут образовываться в том случае, когда скорость разрушения пленок выше скорости их образования. Это обуславливает высокую сопротивляемость пористых поверхностей схватыванию и задирам.

Литература

1. Проников А. С. Надежность машин. – М.: Машиностроение, 1978. – 592 с., ил.

2. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин/ А. М. Сулима, В. А. Шулов, Ю. Д. Ягодкин. – М.: Машиностроение, 1988. – 240 с.

3. Полевой С. Н., Евдокимов В. Д. Упрочнение машиностроительных материалов: Справочник. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1994. – 496 с.: ил.

4. Шнейдер Ю. Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом – 2-е изд., перераб. и доп. – Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982. – 248 с., ил.

5. Удовицкий В. И. Пористые композиционные покрытия. – М.: Машиностроение, 1991. – 144 с.: ил.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.9.047

Пачевский В. М., Бобров Д. П.