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

Т а б л и ц а 45

Результаты испытаний на изнашивание образцов

(HRC 61)

В. М. Торбило [175] также исследовал влияние ре­ жимов выглаживания на износостойкость. Им установ­ лено, что подача и скорость не оказывают существенного влияния на износостойкость, а наименьший износ наблю­ дается у образцов при выглаживании их силой, обеспечи:

192

вающей малую шероховатость и высокую микротвер­

дость.

Результаты дорожных испытаний деталей компрес­ сора автомобиля ЗИЛ-130 после алмазного выглажива­ ния приведены в табл. 46. Эти данные показывают, что алмазное выглаживание существенно повышает износо­ стойкость (в среднем на 35—45%).

Результаты стендовых и эксплуатационных испыта­ ний показывают, что алмазное выглаживание обеспечи­ вает высокое качество поверхности и износостойкость и может быть рекомендовано для обработки трущихся поверхностей деталей машин. Особой эффективности следует ожидать от алмазного выглаживания уплотни­ тельных поверхностей [186,187].

6. В Л И Я Н И Е В И Б Р О О Б К А Т Ы В А Н И Я Н А И З Н О С Д Е Т А Л Е Й

Виброобкатывание — новый способ обработки, пред­ ложенный Ю. Г. Шнейдером [206] и Е. Г. Коноваловым [78], характеризуется прежде всего тем, что с его по­ мощью можно создавать желаемый микрорельеф по­ верхности деталей.

Напомним, что сущность процесса виброобкатывания состоит в том, что деформирующему инструменту, поми­ мо движения подачи, сообщается дополнительное возврат­ но-поступательное движение вдоль оси обрабатываемой детали, совершаемое с высокой частотой (числом двой­ ных ходов П д В . х ) и малой амплитудой /. Привод осцил­ лирующего движения может быть механический, элект­ ромагнитный или пневматический. Изменяя соотношения скоростей вращения заготовки п3, подачи S, числа двой­ ных ходов и амплитуды при данном диаметре детали da, можно изменить рисунок микрорельефа. Основные виды рисунков микрорельефа показаны на рис. 60.

На стадии приработки, когда определяющим является микрорельеф и в первую очередь форма и однородность размеров микронеровностей, преимущества виброобка­ тывания проявляются в наибольшей мере.

На рис. 61 показана зависимость длительности при­ работки и износа от способа обработки поверхности. Как видно из рисунка, наименьшая длительность приработки и износа получена после виброобкатывания.

Сопротивление схватыванию у виброобкатанных по­ верхностей оказалось намного выше, чем у шлифованных.

Так, например, поверхности трения дисков, обработан­ ные по 8 -му классу шероховатости шлифованием, а ко­ лодок — шлифованием по 8 -му и виброобкатыванием по 5-му, показали совершенно различное сопротивление схватыванию. Если шлифованные поверхности быстро «схватывались», то виброобкатанная — при тех же усло­ виях трения продолжала работать нормально. Это под-

Ш

Рис. 60. Основные виды микрорельефа виброобкатанных поверхно­ стей: I — отсутствие пересечения канавок; I I — неполное пересечение канавок; III — полное пересечение канавок; IV — слияние канавок

Рис. 61. Длительность приработки и приработочного износа при раз­ личных способах обработки поверхности: I — точение; I I — шлифова­ ние; III — доводка; IV — обкатывание; V — виброобкатывание

твердилось результатами исследований эксплуатацион­ ных испытаний гильз, обработанных виброобкатыванием с последующим сульфидированием. По сравнению с се­ рийными гильзами эти гильзы прирабатывались в дватри раза быстрее. Интенсивность приработочного износа уменьшилась в 1,3—1,5 раза. Оптимальным в отношении прирабатываемостң оказался микрорельеф вида I (с непересекающимися канавками) с площадью канавок 30—35% [203],

194

Весьма эффективным оказалось применение вибро­ обкатывания гильз автомобильных двигателей ЗИЛ-130, ГАЗ-21, ЯМЗ-236, изготовленных из хромо-кремнистого сплава и обладающих высокой износостойкостью, но очень плохой прирабатываемостью. Создание па рабочих поверхностях гильз системы канавок вида II с площадью канавок 35—40% практически полностью устранило об­ разование натиров и схватывание.

Такой же эффект наблюдался в результате увеличе­ ния маслоемкости трущихся поверхностей азотирован­ ных шатунных втулок (HRC 70—72) и алюминиевых поршней двигателей внутреннего сгорания путем обра­ зования систем масляных канавок.

В работе [39] сравнивалось влияние различных спо­ собов обработки на износостойкость разных материалов. Образцами служили сегменты, вырезанные из втулки с внутренним диаметром 40А, наружным — 50 мм. Мате­ риал: антифрикционный чугун марки АСЧ-1 (HRB 81—86) и бронза БрОЦС-5-5-5. По поверхности трения образцы из АСЧ-1 растачивались, развертывались, про­ тягивались и виброобкатывались до шероховатости /?а=1,3—2 мкм, дорнованием Ra —0,63 мкм\ образцы из бронзы БрОЦС-5-5-5 — растачиванием и виброобкатыва­ нием до шероховатости Ra = 0,83—0,95 мкм и дорнованнем до шероховатости Ra = 0,55 мкм. Контртелом служили

= 0,70—1,25 мкм.

Испытания проводились на машине МИ-1М без смаз­ ки при скорости скольжения 0 , 8 8 м/сек, удельном давле­ нии 2 0 кгс/см2 до наступления схватывания, которое фи­ ксировалось по резкому возрастанию момента и записы­ валось на бумажной ленте. Результаты опыта показали, что большим сопротивлением схватыванию обладают поверхности трения, обработанные методами ППД, в первую очередь виброобкатыванием.

Термообработка (низкотемпературный отжиг при 200 и 500 °С) снижает твердость наклепанного слоя и сопро­ тивление схватыванию. Характерно, что во всех случаях независимо от существенно различных схем и условий трения оптимальные значения площади 7%, занимаемой выдавленными канавками, находились в пределах 25—45%. При меньших значениях площади, занимаемой

выдавленными канавками, недостаточна маслоемкость трущихся поверхностей, а при больших чрезмерно умень­ шается их несущая способность.

При работе пары трения металл — уплотнение наибо­ лее оптимальным оказался микрорельеф вида IV (с пол­ ностью пересекающимися канавками) с высотой микро­ неровностей 5—7-го классов шероховатости в гидроузлах с рабочим давлением до 2 0 0 кгс/см2 и скоростью возврат­ но-поступательного перемещения подвижного элемента до 3 м/мин. В узлах, работающих с большими давления­ ми и скоростями, шероховатость виброобкатанной рабо­ чей поверхности штока или цилиндра снижается до 8 —1 0 -го классов.

Как показали исследования сил трения в уплотни­ тельных узлах и их герметичности при одинаковой шеро­ ховатости у виброобкатанных и шлифованных поверхно­ стей, герметичность первых выше на 10—18%.

Исходный микрорельеф трущихся поверхностей опре­ деляет не только длительность приработки, но и интенсивность установившегося износа. Правда, в этом случае более существенным становится влияние твердо­ сти поверхностного слоя, но и такие факторы, как напри­ мер несущая поверхность, маслоемкость, продолжают играть большую роль в процессе изнашивания трущихся пар. Испытания пары трения втулка — валик в условиях сухого и граничного трения подтвердили это положение. Наибольший коэффициент трения (0,3) в условиях су­ хого трения оказался у поверхностей, обработанных про­ тягиванием, наименьший (0 ,2 ) —-у дорнованных и вибро­ обкатанных. При испытаниях этой пары в условиях граничной смазки также выявилось преимущество обра­ ботки ППД.

Таким образом, условия трения могут значительно из­ меняться не только за счет подбора материала деталей пар трения, состава смазки и условий ее подачи в зону трения, выбора термообработки, по и варьированием способов обработки, определяющих различный микро­ рельеф поверхностей при одной и той же шероховатости.

Положительное влияние на уменьшение сил внешнего трения также показано в работах Ю. Г. Шнейдера и его учеников [29, 205].

При виброобкатываиии (микрорельеф IV вида) не сказывается влияние направления микронеровностей, так

196

как поперечная и продольная шероховатости близки друг другу. Виброобкатыванием по 5-му классу шерохо­ ватости создается микрорельеф, равноценный в отноше­ нии сил трения шлифованным и обкатанным 8 -го класса. Это объясняется тем, что при виброобкатывании за счет больших значений радиуса закругления вершин микронеровностей и высокой степени их однородности по высоте образуется микрорельеф с достаточно большой несущей способностью и с весьма большой маслоем­ костью.

Как при граничном, так и при сухом трении суще­ ствует оптимальное соотношение между опорной поверх­ ностью и маслоемкостью, определяемое удельным давле­ нием и скоростью виброобкатывания. При этом соотно­ шении момент трения и удельное давление минимальны. Характер зависимости силы трения от шероховатости пары металл — резина аналогичен.

Положительное влияние на износостойкость виброоб­ катывания сказывается не только на обрабатываемой по­ верхности, но и на сопрягаемых с ней деталях. Так, в работе [29] изучалась возможность улучшения эксплуа­ тационных свойств (износостойкость и гидроплотность) резиновых уплотнений типа УМА за счет оптимизации микрорельефа рабочей поверхности подманжетной втул­ ки виброобкатыванием.

Экспериментальные исследования проводились на об­ точенных по 5-му и б-му классам шероховатости подман­ жетных втулках из стали 45. Виброобкатывалась втулка диаметром 60 мм. Виброобкатанные втулки с шерохова­ тостью от 5 до 10-го класса, а также втулки, изготовлен­ ные по действующей технологии, были установлены на стенде и работали в парах с резиновыми манжетами при

виброобкатанная втулка в паре с резиновой манжетой во всех случаях обеспечивает повышение гидроплотности и уменьшение износа по сравнению с парами со шлифо­ ванными и хромированными втулками.

Степень уменьшения утечки зависит от создаваемого виброобкатыванием микрорельефа и изменяется о т'1,5 до 5 раз.

Во всех случаях износ резиновой манжеты уменьша­ ется по сравнению с износом при работе со шлифован­

197

ными втулками от 5 до 28% в зависимости от микро­ рельефа.

Увеличение гидроплотности и износостойкости терми­ чески необработанных виброобкатанных подманжетных втулок по сравнению со шлифованными и закаленными объясняется различием формы и взаиморасположением микронеровностей, а также большей опорной поверх­ ностью. Наиболее подходящими в данных условиях ока­ зались виброобкатанные подманжетные втулки, имею­ щие микрорельеф с 6 по 7-й класс шероховатости. При прочих равных условиях в среднем силы трения при ра­

трения так же, как и величина усилия сдвигания, у виб­ рообкатанных поверхностей заметно ниже, чем у шли­ фованных.

Исследование сопротивления изнашиванию поверхно­ стей, обработанных виброобкатыванием, показало', что сопротивление износу (при прочих равных условиях и одинаковой шероховатости) возрастает с увеличением радиуса закругления вершин микронеровностей, отноше­ ния r/RzmüX, степени однородности и с уменьшением угла наклона образующих микронеровностей. Так, изно­ состойкость шлифованной поверхности 7-го класса шерэховатости в 3,5 раза ниже износостойкости виброобка­ танной поверхности того же класса шероховатости.

Оценивая роль упрочнения, сопровождающего процесс обработки деталей резанием, гладким и вибрационным обкатыванием, Ю. Г. Шнейдер утверждает, что доля влияния на повышение износостойкости микрорельефа и упрочнения примерно равна соответственно 70 и 30%• Столь существенное повышение износостойкости за счет оптимизации микрорельефа при виброобкатывании мож­ но объяснить образованием микронеровностей обтекае­ мой формы, наиболее благоприятной в отношении сопро­ тивления всем видам изнашивания. Однако этот вывод справедлив для деталей, поверхностная твердость кото­ рых сравнительно невелика (HRC 40). При обработке деталей с более высокой твердостью роль микрорельефа сказывается в меньшей мере, нежели упрочнение в ре­ зультате обработки поверхностным пластическим дефор­ мированием, так как в этом случае происходят структур­ ные и фазовые изменения в поверхностном слое детали,

108

что приводит к дополнительному упрочнению этого слоя. Виброобкатывание оказалось весьма эффективным при обработке деталей из титановых сплавов, которые

склонны к износу схватыванием.

На рис. 62 показана зависимость весового износа ро­ лика из титанового сплава ВТ1-1, обработанного различ­ ными способами и испытывающегося в паре с чугунной колодочкой (СЧ12-28). Наименьший износ характерен для роликов, обработанных гладким обкатыванием ша-

д.мг

д,мг

а

\°

/

2 3 д

j — —

—С

Рис. 62. Зависимость весового износа от числа циклов: / — шлифова­ ние; 2 — точение; 3 — обкатывание; 4 — виброобкатывание (а — износ роликов из сплава титана; б — износ чугунных колодок)

риком и виброобкатыванием. Износ таких роликов ока­ зался в 8 — 1 0 раз ниже, чем шлифованных.

Износ чугунных колодочек, работающих в паре с об­ катанными и виброобкатанными роликами, также ^ к а ­ зался в 6 — 8 раз меньше, чем износ колодочек, испыты­ ваемых в паре со шлифованными роликами.

При исследовании износостойкости пар трения сталь — чугун было также выявлено влияние регулярно­ го микрорельефа на одной из деталей на износ контртела [44]. Колодочки из антифрикционного чугуна АСЧ-1 и ролики из стали 40Х испытывались на машине трения МИ-1М со скоростью 1,33 м/сек при давлении 30 кгс/см2 и смачивании нижней части ролика в ванночке с маслом марки «Индустриальное 20».

На рис63 показана диаграмма износа образцов из АСЧ-1, обработанных растачиванием, развертыванием, протягиванием по 6 -му классу шероховатости поверхно­ сти, дорнованием (Ѵ7) и виброобкатыванием. Ролики

199

шлифовались до 8 -го класса шероховатости. Чугунные колодочки, обработанные дорнованием и виброобкаты­ ванием, изнашивались в 6 — 1 0 раз меньше по сравнению с развернутыми и расточенными.

Если обкатать вал и подвергнуть втулку виброобка­

9-ме

Рис. 63. Диаграмма износа образцов из АСЧ-1, обработанных раста­ чиванием (1), развертыванием (2), протягиванием (3), дорнованием

(4) и виброобкатыванием (5)

виброобкатывать вал, то его износ при оптимальном микрорельефе в 1,5 раза меньше износа обкатанного и в 1,7 раза шлифованного.

Таким образом, выявляя оптимальный микрорельеф поверхности обеих деталей пар трения, можно в еще большей степени повысить износостойкость пары трения.

Оценивая влияние виброобкатывания на изно­

ное повышение износостойкости обрабатываемых поверх­ ностей. Так, образцы диаметром 11,5 мм из стали У10А (HRC 60—62) с исходной шероховатостью 11-го класса виброобкатывались алмазным наконечником с радиусом сферы 2 мм (Р = 60—70 кгс\ S = 2 мм/об\ пд.х=2800 1 /мин; / = 2 мм; при варьировании числа оборотов заготовки

200

пл в пределах от 200 до 315 об/мин), а затем испытыва­ лись па износ. Контртелом служила втулка из стали 35. Во всех случаях создавался микрорельеф вида I. Ни рис. 64 отражены результаты испытаний на износ этих образцов.

Нелинейная зависимость между износом и величиной опорной поверхности, определяемой площадью канавок, оказалась характерной для рассматриваемого случая. Это объясняется обратной зависимостью между величиной опорной поверхности и маслоем­ костью поверхности. Как

Рис. 64. Зависимость износа от величины опорной поверхности, образованной виброобкатыва­ нием: 1 — весовой износ, мг; 2 — размерный, мкм

видно из рис. 64, при малой величине опорной поверхно­ сти F (до 25%) вследствие больших удельных давлений износ велик;- при значениях этой поверхности, равной 30—45%,— минимален, а при больших значениях снова резко возрастает из-за уменьшения маслоемкости по­ верхности.

Таким образом, используя возможности варьирования величины опорной поверхности и соответственно масло­ емкости трущихся поверхностей при виброобкатывании, можно значительно повысить их износостойкость.

Обращает на себя внимание и то, что 11-й класс шеро­ ховатости не обеспечивает (при обычных способах обра­ ботки) высокой износостойкости, что свидетельствует о малой маслоемкости такой поверхности.

Эффективность виброобкатывания для пар трения, работающих в условиях возвратно-поступательного дви­ жения, показана в работе [39], где в течение 56 моточа­ сов испытывались на износ гильзы цилиндров трактор­ ных двигателей из серого перлитного чугуна (HRC 40). Сравнивался износ гильз, изготовленных по серийной

201