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

технологии (хонингование поверхности до 9-го класса шероховатости) и виброобкатанных с микрорельефом вида I, II, III. Если принять износ хонингованных ци­ линдров за 1 0 0 %, то износ виброобкатанных гильз соста­ вил соответственно 24, 46 и 50% для канавок вида I, II и III. Оптимальное значение площади канавок оказалось равным 32,7% (н = 35,5 об/мин; 5 = 5,28 мм/об).

Для данной поршневой пары характерно то, что за­ висимости между износом и величиной площади канавок

Рис. 65. Зависимость износа гильз (1) и поршневых колец (2) от пло­ щади Fk виброобкатанных канавок

для гильз (рис. 65, кривая 1) и поршневых колец (кри­ вая 2) идентичны. Во всех случаях при площадях кана- * вок, обеспечивающих минимальный износ гильз, мини­ мальным был гі износ работающих с ними в паре порш­

невых колец.

Этот вывод был подтвержден при испытаниях гильз цилиндров двигателя М-412, изготовленных из серого чугуна (НВ 197—235). Оптимальным в отношении изно­ состойкости микрорельефом оказался рельеф вида 1 (с кепересекающимися канавками) с площадью, занимаемой канавками, 44,8%. Режимы обработки: п3 = 25 об/мин;

5 = 3 мм/об; «дв.х=1400 1/мин; 1= 1,38 мм; dm= 7,94 мм;

Р = 40 кг. При этом выдавливалась канавка глубиной

5,5 мкм.

Износостойкость таких гильз по сравнению с хонин­ гованными (V 8 ) оказалась в 1,5—1,7 раза выше. На пер­ вый взгляд микрорельеф вида I более оптимален, чем остальные виды микрорельефа. Однако это не так. Опти­

202

мальный вид микрорельефа зависит от условий работы пары трения и может быть пока определен только экспе­ риментально для каждой конкретной пары. В работе [205] показано, что наилучшим микрорельефом для гильз двигателей ЗИЛ-130, ГАЗ-53 и ЯМЗ из хромо­ кремнистого сплава оказался рельеф вида II (с касаю­ щимися канавками) и площадью, занимаемой канавка­

ми, 40—50% • Иногда пары трения с возвратно-поступательным

движением работают в условиях плохой смазки, как на­ пример колонка — втулка вырубных штампов. И в этом случае применение виброобкатывания колонки (сталь У10А, HRC 61—63) дало положительные результаты.

Наилучшим в этом случае оказался микрорельеф вида II с площадью канавок 40—50%.

При сравнительных испытаниях штампы с обычными шлифованными колонками вырубили 245 000 деталей до переточки матриц, а штампы с виброобкатанными колон­ ками вырубили в среднем 420 000 деталей, т. е. более чем в 1,5 раза, и не имели следов износа и повреждений.

Установившийся износ пар трения металл — резина

свиброобкатанной поверхностью металлической детали оказался намного меньше, чем пары, у которой поверх­ ность металлической детали была шлифованной [29]. Очень важным оказалось и то, что уплотнительные пары

свиброобкатанными втулками (микрорельеф вида IV) шероховатостью 6 —7-го классов и невысокой твердостью оказались более износостойкими, чем пары с закаленны­ ми шлифованными (Ѵ9) и хромированными втулками.

Если учесть, что микротвердость наиболее сильно упроч­ ненных виброобкатанных втулок была в 2,1—2,3 раза меньше микротвердости закаленных шлифованных хро­ мированных втулок, а шероховатость их поверхности гру­ бее на два-три класса, то станет очевидной важность для износостойкости этих пар формы микронеровностей.

Для уплотнительных пар с возвратно-поступательным движением А. Л. Рейнусом [204] была предложена фор­ мула для определения площади приработанной поверх­ ности штока

F = я (d3L + /rW),

203

Глубина лунки определяется по формуле

где 5 — подача, мм/об; а dm — диаметр шарика. Количество лунок определяется по формуле

где і =n№J n a,

Таким образом, применение виброобкатывания для оптимизации микрорельефа рабочих поверхностей контр­ тел уплотнительных пар при вращательном и возвратно­ поступательном движении обеспечивает не только значи­ тельное повышение их износостойкости, но и возмож­ ность расчета площади фактического контакта резины с металлом, а следовательно, и эксплуатационных пара­ метров этих пар.

При виброобкатывании плоских пар трения также получено повышение износостойкости этих пар.

Так, напрймер, при испытании плоских образцов из сталей 3 и 45, а также чугуна СЧ 21-40, изготовленных торцовым фрезерованием, шлифованием и виброобкаты­ ванием по 8 -му классу шероховатости, относительный износ фрезерованных поверхностей составил 30%, шли­ фованных— 22, а виброобкатанных— 13% [203].

В условиях граничного трения верчения работают многие пары металл — металл, например подпятниковые. Для этих пар наиболее характерен износ схватыванием. Как указано выше, обработка поверхностным пластиче­ ским деформированием повышает сопротивление схва­ тыванию, поэтому следует ожидать, что виброобкатыва­ ние также способствует повышению износостойкости тор­ цовых пар трения. Исследования, приведенные в работе [204], подтверждают это предположение. Наносился ми­ крорельеф вида IV при следующих режимах: н3 = = 630 об/мин; 5 = 0,07 мм/об; «дв.х = 4200 1/мин; I—3,5 мм; dm= 14 мм; Р —60 кг.

Исследованиями условий процесса схватывания при трении установлено, что основными факторами, опреде­ ляющими начало схватывания, являются величина опор­ ной поверхности, форма микронеровностей и их однород­ ность по высоте. Наиболее износостойкой в этом случае

204

оказалась виброобкаташіая поверхность (Ѵ7) с отноше­ нием фактической опорной поверхности к номинальной (при сближении 1,25 мкм), равным 2,71. Характерно, что с увеличением этого отношения износостойкость умень­ шалась.

Таким образом, как и при обработке цилиндрических поверхностей, оптимизация микрорельефа торцовых по­ верхностей является радикальным средством повышения износостойкости пар трения типа подпятников. Износо-

Рис. 66. Износ бегунков в зависимости от способа обработки рабочих

стойкость плоско-цилиндрических пар при вращательном движении плоской детали также может быть повышена путем виброобкатывания цилиндрической поверхности.

В работе [125] были проведены сравнительные испы­ тания колец из стали 45 и 4X13, обработанных полирова­ нием, а также колец со специальным микрорельефом, об­ разованным методом вибрационного раскатывания.

Исследовался износ бегунков в зависимости от обра­ ботки рабочей поверхности кольца при испытании в тече­ ние 8 час. Относительный весовой износ бегунков, испы­ танных с виброобкатанными кольцами, более чем в три раза меньше, чем при испытании с эталонными кольца­ ми завода. График износа бегунков в зависимости от способов рабочих поверхностей колец, испытанных в те­ чение 48 час, с явно выраженным периодом приработки представлен на рис. 6 6 . Резко отличается также и абсо­ лютный износ бегунков в процессе приработки: при виброобкатанном кольце он составляет всего лишь 0,005 г, в то время как с полированным кольцом — 0,07 г, т. е. в 14 раз больше.

205

Режимы обработки: диаметр шара 8 мм, скорость раскатывания 57,5 и 73 мімин (я3 = 315 и 400 об/мин), усилие на шар 60—80 кгс, продольная подача 0 , 1 1 мм/об, время раскатывания 50 и 39 сек, СОЖ — керосин.

Таким образом, микрорельеф приближается к опти­ мальному при значении относительной площади, зани­ маемой канавками, равной 46%.

При сухом трении скольжения, например пара трения

При сопоставлении износостойкости образцов из стали У10А (HRC 61—64), обработанных доводкой, доводкой с последующим алмазным выглаживанием (радиус сфе­ ры алмазного наконечника г=1,5 мм; Р —20 кгс; плв.х— = 2000 об/мин; 5 = 0,02 мм/об), доводкой с последующим виброалмазным выглаживанием (г = 1 , 5 "мм; п3—

= 160 об/мин-, 5 = 2 мм/об; «дв.х = 2800 1 /мин; 1 = 0,6 мм; Р = 44 кгс) и доводкой с последующим алмазным выгла­ живанием и виброобкатыванием (при тех же режимах), установлено, что последняя последовательность операций привела к наименьшему износу.

При 25 600 циклах истирания износостойкость выгла­ женных образцов по сравнению с доведенными была выше в 2,07 раза, виброобкатанных — в 2,77, а выгла­ женных и виброобкатанных — в 3,25 раза.

Таким образом, наиболее эффективным оказался тех­ нологический процесс, обеспечивающий одновременно упрочнение рабочей части поверхности и оптимизацию микрорельефа за счет образования канавок. Оптималь­ ным в этом случае оказался микрорельеф вида II (с ка­ сающимися канавками, /*'= 28%). Глубина выдавливае­ мых канавок составляла 3—5 мкм.

Из приведенных данных можно сделать вывод о том, что виброобкатывание поверхностей деталей, работаю­ щих в различных парах трения, может улучшить гидроплотность соединений и повысить износостойкость сопря­ гаемых с виброобкатанными деталей. В табл. 47 даны режимы, виброобкатывания деталей различных пар трения.

Недостатком подавляющего большинства работ, оце­ нивающих влияние ППД на износостойкость, является отсутствие данных о статистической обработке результа­ тов испытаний, что не позволяет иногда достоверно су­

206

дить о преимуіцествах того или иного способа обработки. Поэтому в Институте проблем надежности и долговеч­ ности машин АН БССР были проведены исследования по определению влияния режимов и способов обработки поверхностным пластическим деформированием па изно­ состойкость образцов из стали 45 с применением мате­ матических методов планирования экспериментов. Срав­ нивались такие способы обработки, как шлифование, алмазное выглаживание, обкатывание шариком и вибро­

(Ѵ7), а затем выглаживали алмазным наконечником с радиусом сферы 2,5 мм, обкатывали шариком диаметром 1 0 мм и подвергали виброобкатыванию алмазным нако­ нечником с радиусом сферы 2,5 мм. Контртелом во время испытаний служила колодочка, изготовленная из чугуна марки СЧ 21-40, с исходной шероховатостью 5—6 -го класса. Площадь контактной поверхности колодочки равнялась 2,5 см2. Усилие нагружения во время испыта­ ний было равно 1 0 0 кгс, т. е. среднее давление на контак­ те составляло 40 кгс/см2. Время испытаний равнялось 6 час, путь трения —■19,2 км. Образец вращался со ско­ ростью 425 об/мин.

Износ образцов определяли путем взвешивания па аналитических весах с точностью до 0,1 мг. Взвешивание проводили последовательно два раза через полчаса, за­ тем через час и два раза через два часа. Исследовалось влияние следующих режимов обработки: усилия, подачи и числа проходов. Для сокращения числа опытов и учета влияния взаимодействия исследуемых факторов приме­ нялось математическое планирование экспериментов (полнофакторный эксперимент) типа 2 3, т. е. три фактора варьировались на двух уровнях. Интервалы варьирова­ ния факторов для исследуемых способов обработки даны в табл. 48.

Интервалы выбирались на основе литературных дан­ ных, согласно которым эти значения усилий, подачи и числа проходов являются оптимальными. Скорость вы­ глаживания была постоянной и равнялась 56,5 м/мин, скорость обкатывания шариком — 44,5 м/мин.

207

Т а б л и ц а 47

Режимы виброобкатывания деталей различных пар трения (гсдв х=1400 1/мин)

і

Для обработки калибров алмазным наконечником.

Т а б л и ц а 48

Режимы обработки и интервалы их варьирования

При исследовании виброобкатанных образцов были выбраны следующие факторы: 1 ) статическое усилие (нижний уровень — 1 2 кгс, верхний — 28 кгс) ; 2 ) рисунок микрорельефа (нижний уровень — рельеф с непересекающимися канавками, верхний уровень — рельеф с пе­ ресекающимися канавками); 3) процент площади, зани­ маемой канавками (нижний уровень — 30—50%, верх­ ний— 80—100%).

Число двойных ходов было равно 1400 в 1 мин. Коли­ чество проходов— 1 , величина амплитуды— 1 и 3 мм, число оборотов заготовки — 45 и 90 в 1 мин.

Матрица планирования и результаты испытаний пред­ ставлены в табл. 49.

Вкаждом опыте испытывали по три образца, поэтому

втаблице в каждой строке даны средние значения из­ носа:

Ya— среднее значение износа образцов после алмазного выглаживания;

Yш— среднее значение износа образцов, обкатанных шариком;

К„— среднее значение виброобкатанных образцов. Общая дисперсия для каждого вида обработки соответ­

210

Уравнение регрессии может быть представлено в виде:

У = ß0 + ВгХ г ф- В2Ха + В3Х 3 + В1зХ 1Х г -f-

гВ23Х гХ 3-{- В13Х хХ з -j- Вг23X2X2X3 .

Проверка однородности дисперсии, по критерию Кохрена, подтвердила эту гипотезу, однако оценка значимо­ сти коэффициентов уравнения регрессии показала, что в выбранном интервале значений факторов не все коэффи­ циенты, кроме Во, оказались статистически значимы, хотя линейное уравнение регрессии адекватно [2]. Это свиде­ тельствует о том, что в данной области изменения фак­ торов не все значения режимов обработки влияют на износостойкость. Таким образом, в этом случае можно применять самые производительные режимы обработки (один проход, подачу на верхнем уровне) без ущерба для износостойкости поверхности. Такой странный на первый взгляд результат объясняется слишком узким интервалом варьирования факторов, что привело к по­ лучению почти одинаковой шероховатости (V9—Ѵ10) поверхности образцов.

Естественно, если расширить интервалы варьирова­ ния факторов, т. е. получить существенно разную по классу шероховатость, то влияние, например, усилия четко выявляется.

Анализ табл. 49 показывает, также, что дисперсия зна­ чений износа у незакаленных образцов (да и сам износ) намного больше, чем у закаленных. Однако если срав­ нить среднее значение и дисперсию закаленных шлифо­

ванных образцов (У]пл= 6 , 8 и 5шЛ=0,642), то видны преимущества обработки ППД.

Из сравнения существенности различия общих сред­ них износа каждого вида обработки, по критерию Стьюдента [2], видно, что для незакаленных образцов, выглаженных алмазом и обкатанных шариком, это раз­ личие несущественно (случайно), а для виброобкатанных — существенно.

Таким образом, виброобкатывание образцов из стали 45 в данном случае повысило их износостойкость почти в 1,7 раза по сравнению с обычным гладким выглажива­ нием алмазным наконечником и обкатыванием шариком. Если же сравнивать средние значения износа незакален­

ных шлифованных (ЕШл= 25,6; SLI= 77,2) и обработан-

212