книги из ГПНТБ / Каледин Б.А. Повышение долговечности деталей поверхностным деформированием

Г л а в а V

ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ОБРАБАТЫВАЕМЫХ ДЕТАЛЕЙ

1. О РОЛИ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ В ПОВЫШЕНИИ

ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Износостойкость трущихся поверхностей зависит от множества факторов, важнейшими из которых являются макро- и мнкрогеометрня поверхностей, физико-химиче­ ские и механические свойства материала, характер и род смазки, величина давления, скорость скольжения и вибрационные параметры процесса трения [46, 56, 79, 84, 180,191,217].

На кривой износа (рис. 50, а ) , в общем случае обна­ руживаются три участка, соответствующие стадии при­ работки, установившегося и катастрофического износа. Кривая на рис. 50, б соответствует катастрофическому износу, который наступает после окончания приработки; кривая на рис. 50, в — при отсутствии приработки, а кри­ вая на рис. 50, г характеризует осповидный износ [171]. Очевидно, что нужно стремиться к получению такой по­ верхности, чтобы свести к минимуму стадию приработки.

Повышения износостойкости деталей и узлов машин можно добиваться как конструктивными мероприятиями, так и технологическими и эксплуатационными средст­ вами [149],

Среди технологических средств нужно прежде всего выделить различные виды упрочнения: поверхностная за­

эти методы требуют специального и сложного оборудо­ вания, много времени и высокой квалификации рабочих, большого расхода электрической и тепловой энергии. К тому же их сложно применять при обработке крупно­ габаритных изделий.

162

В этом отношении ППД обладает несомненными пре­ имуществами перед указанными методами упрочняющей технологии.

Поверхностное пластическое деформирование суще­ ственно изменяет качество поверхности, а поэтому ока­ зывает значительное влияние на износостойкость обрабо­ танной поверхности. С этой точки зрения вполне об­ основана постановка вопроса об изучении влияния ППД

Рис. 50. Кривые износа

на износостойкость. В настоящее время указанная про­ блема еще не разрешена полностью и всесторонне, име­ ются противоречивые мнения и оценки. Одни исследова­ тели считают, что ППД отрицательно влияет на износо­ стойкость [161], другие [208, 209, 148], что ППД не оказывает существенного влияния на износ, однако последние исследования [6, 143] показывают, что ППД повышает износостойкость обработанных деталей.

Исследователи, придерживающиеся первой точки зрения, делают вывод об отрицательной роли ППД на том основании, что при изнашивании трущихся поверх­ ностей происходит интенсивная пластическая деформа­ ция микронеровностей, а затем их разрушение. Чем бы­ стрее металл наклепывается, приближается к критиче­ ской степени деформации, тем быстрее он разрушается.

А так как при ППД металл также наклепывается, то это должно приблизить момент разрушения при трении. Од­ нако эта точка зрения не учитывает того факта, что ППД существенно изменяет микрогеометрию поверхности (уменьшает высоту микронеровпостей, увеличивает ра­ диусы закруглений вершин и впадин, опорную поверх­ ность и т. д.), а также улучшает физико-механические свойства поверхности (твердость, прочность), что должно способствовать повышению износостойкости поверх­ ности.

Как правильно указано в работе'[75], вряд ли можно ожидать однозначного ответа на вопрос, уменьшает или увеличивает износ поверхностное пластическое деформи­ рование, так как механизм изнашивания очень сложен и зависит от множества самых различных факторов. Оче­ видно, этим и объясняется противоречивость выводов различных авторов о влиянии поверхностного пластиче­ ского деформирования на износостойкость.

2. ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ДЕТАЛЕЙ МАШИН, ОБРАБОТАННЫХ ОДНО- И МНОГОШАРИКОВЫМИ

И РОЛИКОВЫМИ ПРИСПОСОБЛЕНИЯМИ

Влиянию обкатывания шариком и роликом поверх­ ностей деталей машин на их износ посвящено большин­ ство работ. Так, в работе [128] испытывались образцы из армко-железа, углеродистых сталей 20, 40, У12 и ста­ ли 35ХНМ. Образцы диаметром 40 мм обкатывались роликом с профильным радиусом 5 мм. Смазка — ма­ шинное масло. Обкатка проводилась за один проход со скоростью 12 м/мин и с подачей 0,21 мм. Различные пар­ тии образцов обкатывались при усилиях 32, 63, 125, 180, 250, 600, 800 и 1000 кгс. После обкатки образцы испыты­ вались на износостойкость на машине трения МИ. Вкла­ дыш был из чугуна. Поверхность трения составляла 1,0 см2, а давление передавалось через шарик. Скорость подачи смазывающе-охлаждающей жидкости 900 см3/мин. Испытания проводились при скорости 31,4 м/мин в 0,5%-ном растворе хромовокислого калия (раствор в ди­ стиллированной воде) и в керосине. Износ определяли по потере веса образцов. Давление составляло 20 кгсісм2.

164

Часть обкатанных образцов отжигалась в вакууме при температуре 750 °С с выдержкой в печи 1,5 час.

Врезультате испытаний было установлено, что в на­ чале изнашивания наиболее грубые неровности вклады­ ша уменьшаются и одновременно врезаются в поверх­ ность образца. Шероховатость его увеличивается. Через 30—60 мин неровности образца и вкладыша выравнива­ ются и в дальнейшем изменяются одинаково.

Микротвердость отожженных образцов при изнаши­ вании сначала растет, достигает максимума, затем пони­ жается и остается постоянной. У наклепанных образцов микротвердость сначала падает, а затем остается посто­ янной. Такое изменение микротвердости и шероховато­ сти характерно для всех образцов независимо от исход­ ных значений этих характеристик.

Втабл. 38 приведены данные по износу обкатанных образцов из стали У12. Данные таблицы показывают, что с повышением давления при обкатке износ вначале падает, затем значительно возрастает.

Износ образцов, обкатанных при давлении 800— 1000 кгс, более чем в два раза превышает износ образцов, обкатанных при 180 кгс.

Влияние ППД на износостойкость изучалось также в работах [66, 68, 107]. Можно предполагать, что на раз­ ные виды износа наклеп будет оказывать различное влия­

165

слоя, сказывается на уменьшении износа схватыванием [193]. К. А. Крылов [87] нашел, что обкатка роликами заметно снижает схватывание даже при трении одно­ именных материалов (сталь ЗОХГСА по стали ЗОХГСА).

В работе [166] изучалось влияние режимов обкатки роликами на повышение износостойкости бронзовых вту­ лок и вкладышей узлов крепления основного шасси само­ лета, работающих в условиях схватывания. Условия ра­

Для раскатки была применена роликовая оправка. Ролики имели профильный радиус трех размеров (Rі=

а) скорость 0,57—0,68 м/сек, т. е. 200 об/мин-, б) продоль­ ная подача 0,11 мм/об\ в) количество проходов 1, 2 и 3; г) усилие 120—140 кг. Режим раскатки был принят оди­ наковым как для вкладышей из БрОЦС, так и для вту­

лок из БрАЖМЦ.

На одном и том же самолете устанавливались раска­ танные и нераскатанные втулки и вкладыши. В паре с ними работали хромированные и нехромированные цап­ фы. На основании проведенных испытаний в эксплуата­ ционных условиях пришли к следующему выводу, что рациональной нагрузкой на ролик в применяемых усло­ виях для БрОЦС-663 следует считать нагрузку в 100— 140 кг при профильном радиусе ролика 5 мм. В этом случае резко повышается сопротивление схватыванию обкатанной поверхности.

Из анализа результатов этих работ становится ясной роль правильного выбора режимов обработки для повы­ шения износостойкости деталей.

Износостойкость пары чугун — сталь при трении скольжения после обкатки образцов из стали 45 исследо­ вана В. В. Ивановым [59].

Обкатывание образцов повысило их износостойкость только при трении со смазкой (рис. 51). При сухом тре­

166

нии износ обкатанных образцов оказался выше, чем шлифованных, причем он возрастал с увеличением степе­ ни пластической деформации (с ростом усилия на ро­ лик). Так, износ образцов, обкатанных при усилии на ролик (5000 кгс), превысил износ шлифованных образцов более чем в два раза (рис. 51, б).

Эти^ данные совпадают с выводами работы [200], в которой приведены результаты испытаний на износ ва-

йд,м г

а

' — ■»

Рис. 51. Зависимость износа Дg образца от усилия обкатывания: а — при трении со смазкой; б — при сухом трении

лов диаметром 180 мм из стали 40. Однако в этой же работе указано, что при малых усилиях, когда происхо­ дит лишь сглаживание микронеровностей, износостой­ кость при сухом трении возрастает.

Сравнительные испытания на сухое трение обкатан­ ных и шабренных плоских чугунных поверхностей пока­ зали существенное увеличение стойкости обкатанных по­ верхностей против возникновения схватывания [27]. На шабренных поверхностях задиры появляются уже при давлении 3 кгс/см2, тогда как на обкатанных — при дав­ лении 6 кгс/см2. При трении скольжения со смазкой на­ грузки заедания для обкатанных образцов из чугуна и стали также в 2—2,5 раза больше, чем для шлифован­ ных [200].

Результаты приведенных выше исследований влияния ППД на износ при сухом трении согласуются с данными [67], где изучалось влияние степени пластической дефор­ мации при сжатии на износостойкость металла и было установлено, что малые степени деформации уменьшают износ, а большие увеличивают. Это объясняется тем, что значительная пластическая деформация создает благо­

167

приятные условия для отрыва частиц металла при трении. Кроме того, сухое трение сопровождается интенсивным тепловыделением, поэтому остаточные напряжения сжа­ тия в поверхностных слоях обкатанных деталей частично снимаются, а износостойкость их увеличивается.

Исследование износостойкости поверхности обкатан­ ного вала в окружном (при вращении) и продольном (при возвратно-поступательном движении) направлениях показало, что износ в последнем случае на 16—17% меньше износа в окружном направлении.

На износостойкость деталей, обработанных ППД, влияют не только марка стали, режимы обработки, но и исходная структура. Это показано в работе [77], где проводилось исследование твердости и износостойкости наклепанной шариками поверхности с различными струк­ турами на сталях 20, 35, 45, 48А, 40Х, ШХ15 со структу­ рами отжига, сорбита, троостита, мартенсита отпуска и закалки. В результате обкатывания наибольший прирост твердости показала структура мартенсита, а наибольшее изменение относительно прироста твердости — структура отжига. На рис. 52 показана зависимость износа образ­ цов от усилия обкатывания (после 6 час изнашивания) для стали 20 (отжиг).

Исследованиями установлено, что оптимальное с точ­ ки зрения износостойкости усилие обкатывания меньше

Рис. 52. Зависимость износа и шероховатости поверхности образцов из стали 20 от усилия обкатывания

168

на 15—20 кгс усилия, при котором достигается мини­ мальная шероховатость. Для каждого материала в зави­ симости от микроструктуры существует оптимальное усилие обкатывания, обеспечивающее наибольшую изно­ состойкость. У всех структур исследованных материалов обкатывание поверхности с оптимальным усилием увели­ чивает ее износостойкость.

Высокая эффективность ППД как метода повышения износостойкости деталей, работающих в условиях трения

Рис. 53. Зависимость износа шейки АD при обильной смазке от числа

скольжения со смазкой, в настоящее время подтвержде­ на многочисленными исследованиями.

Влияние обкатывания на износостойкость образцов из среднеуглеродистой стали в паре со стальной и брон­ зовой втулками в условиях трения скольжения при обильной смазке изучено в работе [66]. Образцы обка­ тывались при усилии, близком к критическому. Износ обкатанных шеек по сравнению с обточенными снизился на 60% (рис. 53).

Испытания на износостойкость внутренних цилиндри­ ческих поверхностей (сталь 45), раскатанных шарами, при трении скольжения со смазкой Машинным маслом на машине МИ с нагрузкой 100 кгс/см2 при относитель­ ной скорости скольжения 34,5 м/мин показали, что в пе­ риод приработки износ обкатанных образцов в 2,7—2,8 раза ниже шлифованных (рис. 54).

169

Аналогичные исследования проводились для сталей 15 и 35. В этом случае износостойкость наклепанных об­ разцов несколько ниже, чем для.стали 45 (в 1,2—1,3 ра­ за для стали 15 и в 1,8—-1,9 раза для стали 35) [69].

Таким образом, повышение износостойкости после

обкатывания тем больше, чем выше содержание углерода в стали.

Влияние различных методов окончательной обработ­

внутренний — 67,5 мм) из чугуна СЧ21-40, обработанного раскатыванием, хонингованием, шлифованием и алмаз­ ной расточкой. Кроме того, испытывались образцы из высокопрочного чугуна с перлитной структурой и шаро­ видным графитом.

Испытания на износостойкость проводили на стенде, где одновременно испытывались две гильзы: хонингован­ ная и раскатанная. Приработку производили без смазки.

После 300 час работы поверхность раскатанной гиль­ зы не имела следов разрушения, а шероховатость ее сни­ зилась, однако ее износостойкость при трении без смазки несколько ниже износостойкости хонингованной.

При испытаниях в условиях трения скольжения со смазкой, проводимых по двум вариантам (обкатка в те­ чение 1000 час гильз одинаковой структуры, обработан­ ных различными способами, и обкатка также в течение 1000 час с различной структурой, но раскатанных с оди­ наковым режимом), выявились преимущества обработки раскатыванием. Если принять износ раскатанных гильз за единицу, то износ шлифованных гильз составил 1,1; хонингованных — 1,4; расточенных — 1,45.

170

Наибольшей износостойкостью обладают гильзы С перлитной структурой, а наименьшей — с ферритно-пер литной структурой. Однако испытания хонингованных гильз из чугуна с сорбитной структурой показали, что их износостойкость выше износостойкости. раскатанных гильз с перлитной структурой, но зато износ поршневых колец, работающих в паре с хонингованными гильзами, наиболее велик.

Результаты испытаний приведены в табл. 39.

Из данных таблицы следует, что для уменьшения сум­ марного износа пары трения гильзы — поршневое кольцо целесообразно изготовлять гильзы из чугуна с ферритно­ перлитной структурой, применяя в качестве окончатель­ ной обработки раскатывание.

Опыт эксплуатации раскатанных гильз показал, что их износостойкость (при применении оптимальных ре­ жимов) повышается в средн'ем на 25—35 %.

В работе [22] изучалось влияние ППД на износостой­ кость плоских чугунных образцов из СЧ21-40, поверх­ ность которых предварительно строгали, фрезеровали, шлифовали до 7-го класса шероховатости, а затем обка­ тывали шариковой головкой.

Микротвердость в результате обкатывания повыша­ лась со 170 до 240 кгс/мм2, глубина наклепа составляла 0,472 мм.

Испытания на износ проводили между истирающими плитами, имеющими возвратно-поступательное движение, при ограниченной смазке с удельными давлениями 12,2 и

Т а б л и ц а 39

Влияние исходной структуры и способа обработки на износостойкость гильз компрессора [73J

171