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

28 кгс/см2 и скорости трения &3 м/сек в течение 72 час. Износ оценивали по изменению веса образцов.

За одинаковое время истирания максимальный износ был у строганых образцов, затем фрезерованных и шли­ фованных. Наибольший износ наблюдался в период при­ работки.

Период приработки для обкатанных образцов опреде­ лялся удельным давлением и длился соответственно 24, 20 и 16 час для удельных давлений 12, 20 и 28 кгс/см2. Период приработки шлифованных, фрезерованных и строганых образцов был дольше соответственно в 1,5— 2; 2,5—3,5 и в 3—4 раза.

Таким образом, в период приработки, по мнению автора работы, основную роль в процессе износа играет величина исходной шероховатости и лишь частично со­ стояние поверхностного слоя. В период нормального (установившегося) износа, наоборот, состояние поверх­ ностного слоя имеет первостепенное значение.

При повышении удельного давления с 12 до 28 кгс/см2 износостойкость обкатанных поверхностей в период уста­ новившегося износа практически не меняется, в то же время износ шлифованных, фрезерованных и строганых деталей соответственно возрос в 2,1; 2 и в 3,2 раза.

Внедрение процесса обкатывания направляющих станков РТ-195 позволило отказаться от шабрения на­ правляющих, а износостойкость направляющих возросла в 2—3 раза.

Таким образом, и при обработке чугунных деталей процессы ППД могут повысить их износостойкость при работе пар трения со смазкой, а также существенно улучшить их прирабатываемость.

ППД с целью повышения износостойкости могут подвергаться не только углеродистые стали или чугуны, но и высоколегированные стали и цветные металлы.

Харьковским институтом механизации и электрифи­ кации сельского хозяйства совместно с заводом «Серп и молот» проведено исследование обкатывания роликом на износостойкость алюминиевого сплава АЛ 10В. Испы­ тания проводились с капельной смазкой и удельным дав­ лением до 100 кгс/см2. Установлено, что износостойкость образцов после обкатывания повышается в три раза [210].

В работе [108] изучалось влияние ППД па износо­ стойкость алюминиевого сплава в парах трения сталь —

172

дуралюммн, где основным видом износа является моле­ кулярное схватывание.

Отверстия в деталях из сплавов Д16Т и АК6 раскаты­ вались многороликовой раскаткой на следующих опти­ мальных режимах: угловая скорость раскатки 600 об/мин, подача 0,2 мм/об, натяг 0,08 мм, число проходов 2.

В результате раскатывания микротвердость поверх­ ностного слоя увеличилась со 164 до 205 кгс/мм2, а глу­ бина наклепа составила 0,2 мм.

Для сравнения износостойкости были испытаны хо­ нингованные и наклепанные образцы, шероховатость ко­ торых соответствовала 10-му классу. Износ определяли взвешиванием образцов.

Установлено, что износ хонингованных образцов в 1,4 раза больше, чем наклепанных. Кроме того, противо­ задирные свойства наклепанной поверхности также ока­ зались лучше хонингованной.

Таким образом, повышение стойкости пары трения против молекулярного сцепления можно получить не только путем покрытия их химическим или гальваниче­ ским способом, но и обработкой поверхности пластиче­ ским деформированием.

ППД оказывает положительное влияние на износо­ стойкость как упрочненной, так и сопряженной поверхно­ сти. В значительной мере это объясняется благоприятным микрорельефом обкатанной поверхности, для кото­ рой характерно отсутствие заостренных вершин, гребеш­ ков, а также большая величина опорной поверхности.

На рис. 55 показана зависимость износа бронзового вкладыша от количества оборотов при работе в паре со стальным образцом, обкатанным при различных усилиях [60]. Как видно из рис. 55, износостойкость бронзового вкладыша возрастает с увеличением усилия обкаты­ вания.

В работе [28] показано, что обкатанные поверхности обладают повышенной несущей способностью и даже давления 100 кгс/см2 оказались недостаточными, чтобы вызвать образование задиров на обработанной поверх­ ности.

Однако в большинстве работ основное внимание уде­ ляется износу самих обкатанных деталей, а между, тем срок службы пары трения определяется суммарным изно­ сом двух сопряженных деталей. Поэтому в данной работе

173

исследовался износ пары трения стальной вал—бронзо­ вый вкладыш при испытаниях на машине МИ-1. Скорость скольжения 25 м/мин, удельное давление 50 кгс/см2, обильная смазка машинным маслом.

Образцы изготавливались из стали 40 и У12. Перед обкатыванием заготовки отжигались для снятия оста­ точных напряжений от предыдущих операций. Обкаты­ вание производили роликом диаметром 60 мм с профиль-

Рис. 55. Зависимость износа бронзового вкладыша от количества оборотов при работе в паре с обкатанным стальным образцом: 1 — необкатанный; 2 — обкатанный при Р=147 кгс\ 3 — обкатанный при Р=294 кгс\ 4 — обкатанный при Р=490 кгс

ным радиусом закругления 5 мм при усилиях 63, 125, 250, 500 и 1000 кг. Остальные режимы обработки оставались

В результате испытаний установлено, что приработка обкатанных поверхностей происходит в несколько раз быстрее, чем шлифованных; при этом износ последних в этот период в 3—3,5 раза больше, чем обкатанных.

Уменьшение износа обкатанных образцов можно объ­ яснить повышенной твердостью их поверхностей (микро­ твердость увеличивается по сравнению с исходной на 40—45%), а также более благоприятной формой микро­ неровностей (шероховатость всех образцов была пример­ но одинаковой). Время приработки сокращается до 20 раз.

174

Износ бронзовых вкладышей определяется в основ­ ном шероховатостью поверхности сопряженного стально­ го вала. Однако следует отметить, что при обкатывании с усилием 1000 кгс, несмотря на одинаковую шерохова­ тость шлифованных и обкатанных образцов, износ брон­ зовых вкладышей, работающих в паре со шлифованны­ ми, в два раза больше. Очевидно, это связано опять-таки с более благоприятной формой микроперовпостей обка­ танных поверхностей.

В этой же работе приводятся результаты исследова­ ний по изнашиванию резиновых уплотнений (ГОСТ 6678-53), работающих в паре с раскатанными многоро­ ликовыми раскатками цилиндрами. Износ манжет опре­ делялся взвешиванием.

Установлено, что износ этих манжет в пять раз мень­ ше износа манжет, работающих в паре с расточенными и шлифованными гильзами, хотя шероховатость послед­ них была почти одинакова с раскатанными. После 30— 35 час работы в цилиндрах со шлифованными гильзами давление в течение 3 мин падает с 6,4 до 2 кгс/см2, а в цилиндрах с раскатанными гильзами через 40 мин со­ храняется на уровне 2,4 кгс/см2.

В некоторых случаях обработка ППД может заме­ нить термообработку. Так, например, на Челябинском тракторном-заводе проведено исследование [173], ставя­ щее целью заменить термообработку поверхностным пластическим деформированием в связи с совершенство­ ванием технологического процесса изготовления гильзы сервомеханизма трактора Т-100М.

Действовавшая ранее технология изготовления гиль­ зы предусматривала предварительную механическую обработку, объемную закалку и отпуск до НВ 280—340, химическую очистку и травление окалины, закалку на­ ружного диаметра 45Х токами высокой частоты и после­ дующую механическую обработку. Материал детали — сталь 45Х.

Испытывались два способа упрочнения: раскатывание жесткой регулируемой раскаткой и дорнование твердо­ сплавной протяжкой. При дорновании были исследованы следующие режимы: натяг — от 0,06 до 0,24 мм через каждые 0,03 мм\ подача — 4000 мм/мин; число прохо­ дов— 1; смазочно-охлаждающая жидкость — сульфофрезол (ГОСТ 122-54).

175

При раскатывании: скорость обработки — 600 об/мин, подача — 0,6 мм/об\ натяг и число проходов такое же, как и при дорновании; смазочно-охлаждающая жид­ кость — эмульсия.

В результате испытаний было установлено, что дорнование отверстий протяжкой обеспечивает меньшие иска­ жения размеров и формы отверстия (по завалам и эллип­ тичности) по сравнению с раскатыванием.

Сравнительные испытания - износостойкости гильз проводились на специальном стенде. В качестве изнаши­ вающего элемента принят серийный золотник (сталь 20Г, твердость HRC 60, шероховатость V 7). Продолжи­ тельность испытаний— 1,0 млн. циклов.

За величину износа гильз и золотников приняли раз­ ности их средних диаметров до и после испытания в

мкм.

Результаты испытаний приведены в табл. 40. На основе этих данных установлено:

1. Упрочнение стали 45Х дорнованием (выглажива нием) обеспечивает большую износостойкость, чем упрочнение раскатыванием, в условиях трения-скольже­ ния со смазкой при возвратно-поступательном дви­ жении.

176

2. Упрочнение раскатыванием сталей 45Х, 45 и 50Г обеспечивает 'наибольшую износостойкость деталей из стали 45.

3. Износостойкость стали 45Х, упрочненной выглажи­ ванием, и сталей 45 и 50Г, упрочненных раскатыванием, значительно выше износостойкости стали 45Х, термиче­ ски обработанной.

4. Износ золотников в среднем составляет 1,7—

2,3 мкм для всех типов гильз, однако для упрочненных ППД гильз он меньше, чем для термообработанных.

Производственные испытания процесса упрочнения ППД показали высокую стабильность его при обеспече­ нии требуемых режимов обработки. Твердость упрочнен­ ного слоя оказалась не ниже НВ 241 при исходной НВ 170.

В работе, однако, отмечается, что для широкого внедрения процесса упрочнения пластическим деформи­ рованием вместо термообработки необходимо решить во­ прос, связанный с контролем качества упрочнения в про­ изводственных условиях, потому что косвенные методы (размеры детален, величина натяга, шероховатость по­ верхности) не могут датъ информации о таких показа­ телях качества поверхности, как твердость, глубина на­ клепа, характер и величина остаточных напряжений.

Износостойкость обкатанных образцов в значитель­ ной мере зависит от режимов' обработки ППД (усилия, подачи, числа проходов). В. Н. Калачников [60] иссле­ довал зависимость износостойкости образцов из норма­ лизированной стали 45 от давления на ролик. Образцы обкатывались в трехроликовом приспособлении с посто­

составляло 21 и 30 кгс!мм2. Как видно из рис. 56, макси­ мальную износостойкость показали образцы, обкатанные при усилии 300 кгс. При усилиях выше и ниже 300 кгс износ увеличивается.

С изменением продольной подачи и числа проходов изменяются характеристики упрочнения металла и шеро­ ховатость поверхности, что должно сказываться на изме­ нении износостойкости деталей.

На рис. 57 приведены зависимости микротвердости, чистоты поверхности и износостойкости образцов из ста-

БрОЦС-5-5-5) о вращающийся обкатанный ролик. В зону трения непрерывно подавалось машинное масло. При ма­ лых подачах (5 = 0,084 мм/об) шероховатость поверхно­ сти увеличивается, а твердость уменьшается из-за перенаклепа поверхности. Это приводит к увеличению износа. С увеличением подачи износ уменьшается, достигая ми-

Рис. 56. Зависимость износа образцов из стали 45 от числа оборотов и усилия обкатывания: 1 — Р=147 кгс\ 2 — 294; 3 — 490; 4 — Р = =882 кгс\ 5 — нормализованные образцы; 6 — шлифованные

Rz.

МН

Д8

0,5

Рис. 57. Зависимость износостойкости (/), шероховатости (2) и мнкротвердости (3) поверхности от продольной подачи (о) и числа проходов (б) шарика

178

пнмума при подаче 0,15 мм!об. При больших подачах (0,3—0,52 мм/об) износостойкость опять уменьшается из-за снижения удельного давления.

Износ образцов уменьшается с увеличением числа проходов инструмента до определенной величины, соот­ ветствующей моменту наступления перенаклепа. В дан­ ном случае оптимальное количество проходов оказалось равным 4—6.

В работах [7, 8] испытывались на изнашивание об­ разцы из сталей 10, 20, 45 и У12, обработанных различ­ ными способами.

Испытания проводили на машине трения МИ-1М по схеме трения вкладыша о вращающийся ролик в усло­ виях полужидкостного трения. Вкладыш изготавливался из чугуна СЧ 21-40. За время испытаний было осуществ­

Образцы из стали 45, обработанные за один проход шариком диаметром D при усилии Р, подаче 5 и скоро­ сти обкатывания V (табл. 41), разделялись на шесть серий.

Образцы первых трех серий, предназначенные для ис­ следования влияния твердости на износостойкость, под­ вергались отжигу в вакууме при 750 °С в течение 3 час, а затем напрессовывались на закаленные оправки с натя­ гами 0,083; 0,068 и 0,051 мм.

Для устранения остаточных напряжений на поверхно­ сти образцы подвергались обкатыванию на режимах, обеспечивающих получение в поверхностном слое напря-

Т а б л и ц а 41

Режи мы обкатывания стальных образцов

жеиий сжатия, равных по величине растягивающим на­ пряжениям, вызванным их напрессовкой на оправки.

Образцы 4-й „и 5-й серий подвергались отжигу для снятия остаточных напряжений и наклепа, а образцы 6-й серии, имевшие одинаковую с образцами 5-й серии шероховатость, отжигу не подвергались.

Полученные результаты показали, что образцы с большей исходной твердостью обладают и большей изно­ состойкостью. Форма, размеры и характер распределе­ ния неровностей на изнашиваемых поверхностях неотожженных образцов оставались в процессе испытаний почти неизменными, для отожженных образцов характер­ но уже в начальный период приработки резкое изменение шероховатости. Процесс изнашивания отожженных и неотожженных образцов, имеющих одинаковую шерохова­ тость поверхности, протекает различно в связи с преоб­ ладающим влиянием наклепа. Износостойкость накле­ панных образцов в три раза выше отожженных. В то же время износостойкость образцов, обладающих почти одинаковой твердостью, но различной шероховатостью, мало различается.

Таким образом, можно сделать вывод, что исходная шероховатость поверхностей трения не может являться

основным параметром, определяющим их износостой­ кость.

, Результаты испытаний образцов из стали 45, имевших различную степень упрочнения, но одинаковую шерохо­ ватость, после различных способов и режимов обработки показали, что предварительное упрочнение оказывает существенное влияние на износостойкость. Самая низкая износостойкость оказалась у отожженных образцов, са­ мая высокая у образцов, обкатанных с усилием 180 кгс. Применение больших нагрузок при обкатывании привело к снижению их износостойкости. В некоторых случаях (при усилии 665 кгс) износостойкость перенаклепанных образцов оказалась ниже износостойкости образцов, об­ катанных при усилии 180 кгс, в три раза.

П. Г. Алексеев указывает на то, что, хотя одна и та же твердость из одинакового материала может быть по­ лучена при различных режимах обработки, износостой­ кость деталей может быть различной.

Из исследуемых факторов наибольшее влияние на износ, по мнению автора, оказывает усилие, причем су­

180

ществует оптимальное значение его, при котором износ будет наименьшим.

Авторами * данной книги проводилось исследование влияния режимов раскатывания (натяга и подачи) на износостойкость стали 45 (НВ 180—190). Образцами служили колодочки, вырезанные из раскатанных с раз­ ными натягами и подачами втулок с внутренним диамет­ ром 40 мм. В качестве контртела служил ролик того же диаметра из чугуна марки СЧ 21-40.

Испытания в течение 6 час проводились на машине трения МИ-1 при удельном давлении 40 кгс/см2 при обильной смазке машинным маслом марки «Индустри­ альное 20». Износ определяли по уменьшению веса коло­ дочки взвешиванием с точностью до 0,1 мг. Раскатывание отверстий производили многороликовой жесткой раскат­ кой при натягах 0,1 и 0,25 мм и подаче 0,52 и 1,56 мм/об.

При планировании использовали полнофакторный эксперимент типа 22 [2], в каждом опыте испытывались по два образца.

Матрица планирования и результаты испытаний пред­ ставлены в табл. 42.

Здесь знак + означает, что фактор берется на верхнем уровне, а знак —, что на нижнем уровне.

Уравнение регрессии выглядит следующим образом:

Y —Bo-\-BlX l-\-B2X 2-\-Bl2X lX2.

Статистическая обработка результатов показала, что наибольшее влияние оказывает на износ (в исследуемых диапазонах) натяг. Влияние подачи несущественно, од­ нако влияние взаимодействия между натягом и подачей статистически значимо (при 5%-ном уровне доверия).

Уравнение регрессии может быть представлено в та­ ком виде:

У = В0- В 1Х 1- В 12Х1Х2.

Из этого уравнения видно, что с увеличением натяга износ уменьшается. Также уменьшается износ, если уве­ личиваются натяг и подача, так как коэффициент взаи­ модействия отрицательный.

Результаты опытов показывают, что износостойкость образцов, раскатанных при наибольших натяге и подаче, примерно в 1,9 раза выше, чем износостойкость образцов,

* В работе принимал участие инженер В. В. Арсенов.

181