книги из ГПНТБ / Подшипники из алюминиевых сплавов

133

Перспективы развития производства биметаллических полос с алюминиевыми антифрикционными сплавами и улучшения их качества

В настоящее время все больше расширяется производство биме­ таллического проката с алюминиевыми антифрикционными спла­ вами. Основная задача этого производства — обеспечить автотрак­ торную, дизельную и другие отрасли промышленности высокока­ чественным прокатом, имеющим жесткие допуски на общую толщину и на соотношение толщины слоев, надежное сцепление слоев, оптимальные структуру и свойства антифрикционного сплава и стали.

Необходимым условием получения проката с точной выкаткой по толщине и соотношению слоев является наличие жесткого про­ катного оборудования, а также калиброванных и стабильных по свойствам заготовок. В некоторой степени эти вопросы решены при получении тонких биметаллических полос со сплавами АО20-1 и AS 11. Но для изготовления проката со сплавом ACM и толстого проката со сплавами АО20-1 и А09-1 нужно установить новое мощное прокатное оборудование повышенной жесткости (до 500 Т/мм) и обеспечить получение высококачественной заготовки, что даст возможность пересмотреть технологию прокатки этих биметаллов, исключив или значительно сократив калибровочную прокатку. В случае исключения калибровочной прокатки ликвиди­ руется операция промежуточного отжига биметаллических полос.

Большое значение для обеспечения качественного сцепления слоев в биметалле, а также для улучшения условий труда имеет создание промышленных установок ультразвукового обезжирива­ ния, работающих на проход.

Увеличивающийся объем производства биметаллического про­ ката с алюминиевыми антифрикционными сплавами требует внед­ рения механизированных систем обработки заготовок и биметалла. При изготовлении тонкого биметалла механизация достигается полным переходом на рулонный способ производства, для чего нужно обеспечить получение рулонных заготовок плакированных алюминием антифрикционных сплавов.

При изготовлении толстого полосового биметалла механизация может быть достигнута за счет внедрения раскладчиков и уклад­ чиков, работающих с циклом 15—20 сек, и увеличения веса про­ катываемых пакетов в 2—3 раза. Дальнейшее повышение произ­ водительности труда можно обеспечить созданием линий, совмеща­ ющих ряд агрегатов в единой технологической цепи.

Для получения проката с минимальной разнотолщинностью необходимо широко внедрять прокатные станы, имеющие клети с гидравлической системой противоизгиба валков. Подобные станы уже применяются на английских фирмах «Glacier Metal Со» и «Vanderwell Products Ltd» и обеспечивают прокатку биметалла, практически не имеющего разнотолщинности по ширине полосы. Уменьшение разнотолщинности по длине полосы достигается уста­

134

нологических операций.

Особое внимание следует уделить разработке процесса плаки­ ровочной прокатки биметаллических пакетов алюминированный антифрикционный сплав—сталь с предварительным подогревом стальной заготовки до 180—200° С, что способствует значительному снижению величины обжатий, обеспечивающих прочное сцепле­ ние слоев (рис. 68). При прокатке толстого биметалла (до 20 мм) можно предусматривать прокатку пакета, состоящего из алюмини­ рованной заготовки антифрикционного сплава и алюминированной стальной заготовки. В этом случае также снижаются величины обжатия, необходимые для получения прочного сцепления слоев. На оборудовании, предназначенном для производства биметал­ лических полос алюминиевые антифрикционные сплавы—сталь, можно изготовлять также полосы, у которых стальная основа за­ менена высокопрочным алюминиевым сплавом или титаном. Тех­ нологическая схема производства биметаллов с титаном и алюми­ ниевым высокопрочным сплавом незначительно отличается от технологии получения биметаллов со стальным основанием. Нет различий и в сортаменте биметаллических полос.

Технология изготовления биметаллических вкладышей

В настоящее время изготовлением подшипниковых вкладышей из катаных биметаллических полос алюминиевые антифрикционные сплавы — сталь занимаются предприятия различных отраслей промышленности. Массовое производство биметаллических вкла­ дышей организовано на заводах автотракторной промышленности, где созданы специализированные цехи с полным технологическим циклом переработки биметаллических полос.

В дизелестроении нет специализированного производства вкла­ дышей из биметаллического проката. Там вкладыши изготов­ ляются небольшими сериями с использованием оборудования,

135

предназначенного для получения вкладышей со свинцовистой бронзой и с баббитом.

Биметаллические подшипниковые вкладыши имеют многочис­ ленные типоразмеры и конструктивные отличия (часто весьма незначительные) из-за отсутствия общесоюзного стандарта на них. Диаметр вкладышей автотракторных двигателей обычно находится в пределах от 48 до 120 мм. Толщина этих вкладышей меняется от 1,75 до 5,5 мм, а ширина — от 25 до 40—60 мм (меньшая тол­ щина и ширина для вкладышей малого диаметра). Вкладыши ста­ ционарных и транспортных дизельных двигателей имеют диаметр

уровень и масштабы их производства, нельзя дать единое описа­ ние технологического процесса изготовления. Поэтому более по­ дробно изложены характерные особенности процесса изготовления подшипниковых вкладышей из биметаллических полос, причем особое внимание обращено на меры по обеспечению качества вкладышей.

Основные требования к технологии изготовления биметалличе­ ских подшипниковых вкладышей. Как при массовом, так и при мелкосерийном производстве технологический процесс должен гарантировать высокую точность изготовления биметаллических сталеалюминиевых вкладышей для обеспечения их взаимозаме­ няемости и надежной работы.

Одно из основных требований — соблюдение заданных размеров и необходимой чистоты (не ниже 7-го класса по ГОСТ 2789—59) наружной цилиндрической поверхности вкла­ дышей, что определяет надежность прилегания вкладыша к по­ стели. У вкладышей автомобильных и тракторных двигателей при­ легание должно быть не менее 90% площади поверхности, а у ди­ зельных двигателей и компрессоров — не менее 80%.

Разностенность вкладыша не должна превышать 0,01 мм при диаметре его до 100 мм, 0,015 мм — при диамётре от 100 до 220 мм и 0,022 мм — при диаметре выше 220 мм.

Для обеспечения надежной посадки необходимо, чтобы вкла­ дыши имели натяг от 0,05 до 0,15 мм (больший натяг для вкла­ дышей большего диаметра) и были способны к распрямлению (пружинению) — от 0,5 до 2 мм.

Непараллельность торцовых поверхностей разъема вкладыша относительно наружной образующей допускается в пределах 0,01—0,03 мм на всей длине (величина допустимой непараллель­ ности возрастает с увеличением диаметра вкладыша).

С целью уменьшения времени приработки подшипниковых узлов, а следовательно, и уменьшения износа пары в процессе приработки внутренняя поверхность вкладышей должна обраба­ тываться до чистоты не ниже 8-го класса по ГОСТ 2789—59. Эти

136

требования к качеству вкладышей обеспечиваются в процессе его формовки и последующей механической обработки.

Холодная штамповка вкладышей. При массовом производстве вкладышей в автотракторной промышленности технологический процесс холодной штамповки состоит из двух основных операций: вырубки прямоугольной заготовки из биметаллической полосы и гибки заготовки. Из тонких биметаллических полос со сплавами АО20-1 и AS 11 заготовки для вкладышей вырубают поперек на­ правления прокатки, а из толстых биметаллических полос со сплавами АО20-1 и А09-1 и из полос со сплавом ACM — вдоль направления прокатки. Это вызвано тем обстоятельством, что в первом случае стальное основание в полосах имеет сравни­ тельно небольшой наклеп и его свойства вдоль и поперек про­ катки различаются незначительно. Во втором случае стальное основание наклепано больше и его штампуемость поперек на­ правления прокатки хуже.

Вырубка прямоугольной заготовки (карты) из биметалли­ ческой полосы производится в вырубном штампе на кривошипном прессе. Полосы закладываются в штамп слоем алюминиевого сплава вниз. Мощность пресса зависит от толщины биметалла и размера карты. Обычно при изготовлении автотракторных вкла­ дышей используют прессы мощностью до 200 Т. При производ­ стве вкладышей в дизелестроительной промышленности операция гибки карт сохраняется, а вырубка их иногда заменяется вырез­ кой из полосы на фрезерном станке.

Как правило, карты для вкладышей стационарных и транс­ портных дизелей вырубают (или вырезают) вдоль направления прокатки биметаллической полосы. Лишь карты малого диаметра вырубают (вырезают) поперек направления прокатки. Размер карт здесь может быть значительным, поэтому для их вырубки используют прессы мощностью до 400 Т. Ориентировочный расчет длины карты ведется по формуле

L — I -(- CL -f- о,

где / — длина половины окружности, рассчитанная по нейтраль­ ному волокну;

а — припуск на обработку (протягивание) стыков; б — величина осадки при штамповке.

Припуск на обработку двух стыков принимают от 0,5 до 2 мм, а величина осадки при штамповке изменяется от 5 до 15 мм (уве­ личивается с увеличением диаметра вкладыша). Припуск на ши­ рину карты составляет 2—5 мм (на обе стороны).

Штамповка вкладышей обычно происходит за два рабочих хода пресса в штампе последовательного действия. При первом ходе производится гибка (предварительная формовка) вкладыша на полуцилиндрической части пуансона. Затем пуансон пере­ двигается во время подъема штампа и при втором ходе вкла­ дыш окончательно формируется и чеканится осадкой согнутой

137

заготовки по плоскости разъ­ ема (рис. 69).

В процессе окончательной формовки нагрузка приклады­ вается по торцам вкладыша. Эта нагрузка вызывает плас­ тическую деформацию сжатия, которая распространяется по всему вкладышу и сглаживает все неровности на наружной цилиндрической поверхности стального основания, обеспечи­ вая тем самым его плотное

прилегание к постели. После чеканки вкладыши легко выходят из матрицы благодаря обратному пружинению при снятии упругой деформации, сопровождающей пластическую деформацию металла при чеканке [172].

Для обеспечения плотной посадки вкладыша в базирующие гнезда приспособлений при дальнейшей обработке и для плотного контакта его с постелью при сборке диаметр наружной поверх­ ности делают несколько большим, чем номинальный размер соот­ ветствующей постели подшипника, — на так называемую вели­ чину распрямления 0,5—2,5 мм (увеличивается с ростом диаметра вкладыша). Диаметр матрицы штампа ориентировочно подсчиты­ вается по формуле [64]

обработке внутреннего диаметра и т. д.).

При установлении величины осадки в процессе окончательной формовки необходимо учитывать, что большая часть деформации при осадке сосредоточена на участках, прилегающих к торцам вкладыша. Это приводит к утолщению стального основания около торцов и к выходу стали на рабочую поверхность вкладыша после окончательной расточки.

Технологический процесс механической обработки отштампо­ ванных сталеалюминиевых заготовок предусматривает такие опе­ рации: подрезание боковых торцов со снятием фасок по наружной и внутренней поверхности; фрезерование масляных канавок, фре­ зерование канавки под фиксирующий усик и штамповка фикси­

138

рующего усика на кривошипном прессе; протягивание плоскостей разъема вкладыша (стыка) на вертикально-протяжном станке; сверление маслоподводящих отверстий; тонкая расточка или про­ тягивание вкладыша по антифрикционному сплаву. Такая техно­ логия применяется при изготовлении большинства вкладышей. В некоторых случаях при изготовлении вкладышей больших диаметров проводят также расточку наружной (стальной) поверх­ ности.

При обработке вкладышей применяют приспособления, у ко­ торых базирующие гнезда обработаны с большой точностью под диаметр, соответствующий среднему диаметру постели. Для обес­ печения точности обработки, особенно при протягивании и тон­

мая точность высоты вкладыша достигаются за счет применения протяжек с косыми зубьями.

Для получения соответствующей чистоты поверхности алюми­ ниевого сплава тонкую расточку выполняют твердосплавными резцами на высоких скоростях резания (до 400—1000 об/мин) при малой подаче с применением керосиновой эмульсии, машинного масла и т. п. После обработки толщина стенки вкладышей прове­ ряется на контрольном приспособлении с помощью индикаторной головки. Проверка вкладышей на натяг и прилегание проводится

= — ± 0,002 мм. При контроле к выступающему стыку вкладыша,

помещенного в калибр, прикладывается равномерно по всей по­ верхности стыка нагрузка, величина которой составляет 500— 1000 кГ на каждый квадратный сантиметр поверхности стыка. Проверка качества прилегания вкладыша к постели производится по краске. Для этого применяют малярную сухую лазурь по ГОСТ 10960—64, растворенную в дизельном масле в соотноше­ нии 1 :2,5. Количество наносимой на поверхность калибра краски определяется из расчета 2 а на 1 мг площади. Поверхностью при­ легания считается поверхность вкладыша, покрытая сплошным слоем и точками краски от соприкосновения с контрольной по­ верхностью.

Для вкладышей больших диаметров проверяют сплошность сцепления слоев по краске или с помощью методов ультразвуко­ вой дефектоскопии. Эти вкладыши после механической обработки и контроля могут покрываться приработочным слоем олова, свин­ цово-оловянного сплава или покрытиями, содержащими дисуль­ фид молибдена.

139

ВТРАНСПОРТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

I.УСТАЛОСТНАЯ ПРОЧНОСТЬ

Общие сведения

Усталостные повреждения антифрикционного слоя подшипников нередко определяют долговечность тяжело нагруженных двига­ телей. Особенно часто усталостные повреждения стали возникать в последние годы в связи с созданием ряда новых форсирован­ ных дизелей тепловозов, судов, тракторов и двигателей автомоби­ лей, подшипники коленчатого вала которых испытывают высокие нагрузки при повышенных окружных скоростях.

Разрушения подшипников со слоем баббита впервые были за­ мечены во время первой мировой войны на двигателях самолетов. Но как усталостные они были классифицированы только в 30-х го­ дах в связи с разрушением шатунных вкладышей автомобилей. Начиная с этого времени проводится систематическое изучение усталостной прочности подшипниковых материалов.

Первые опыты в этом направлении были проведены англича­ нином Стентоном [298]. Он установил характеристики устало­ стной прочности баббитов и некоторых других антифрикционных

результаты экспериментов и впервые на основании собственных исследований построили полные диаграммы усталости баббитов.

Впоследующем усталостью баббитов занимались в 30-х годах

вАнглии Макнаутон [276, 277], в Германии Боленрат, Бунгардт,

Шмидт [237], Тум [299], в США Кеньон [271], Ундервуд [301]

идр.

В1943 г. М. М. Хрущов [221] в первой капитальной моногра­

фии по усталости баббитов подробно рассмотрел ранее проведен­ ные исследования, изложил результаты собственных эксперимен­ тов и испытаний баббитов на трехроликовой машине при нор­ мальной и повышенной температурах.

В последующие годы, особенно в послевоенное время, развитие машиностроения определило необходимость широкого использова­ ния более прочных по сравнению с баббитами подшипниковых сплавов. За рубежом и в СССР получают широкое распростра­ нение подшипники со слоем свинцовистой бронзы. Повышен­ ную усталостную прочность таких вкладышей впервые выявил

140

Стентон [298], испытавший их в сравнении с подшипниками, за­ литыми различными баббитами. Испытания осуществлялись на трехроликовой машине.

Применение более прочных подшипниковых сплавов вызвало повышенный износ сопряженных с ними цапф и потребовало ис­ пользования специальных сортов масел. В связи с этим изыски­ вались возможности использования мягких антифрикционных сплавов для сравнительно нагруженных подшипников различных машин и механизмов. В СССР оценка усталостной прочности баббитов применительно к подшипникам подвижного состава же­

ние в последние годы, были разработаны с учетом получения по­ вышенной сопротивляемости усталостным разрушениям при хо­ роших антифрикционных свойствах.

Усталостные повреждения антифрикционного слоя подшипни­

ковых сплавов — свинцовистой бронзы и сплава ACM — приведены на рис. 70, в н е .

Несмотря на различие свойств металлов, принципиального от­ личия в характере повреждений антифрикционного слоя не на­ блюдается. Во всех случаях разрушение начинается с поверхности трения — трещины возникают в районе максимальных контакт­ ных напряжений на ослабленных дефектами или микроструктур­ ными несовершенствами участках [21]. Трещина развивается по антифрикционному слою, как правило, доходит до границы с прочным основанием и в дальнейшем распространяется по про­ межуточной прослойке, если прочность сцепления двух слоев меньше прочности основного металла. Особенности процесса раз­ вития трещин для различных металлов описаны в работах [21,24]. Следует отметить, что у подшипников по сравнению с другими конструкционными деталями развитие трещины протекает мед­ леннее, антифрикционные слои обладают большей «живучестью».

Усталостные разрушения в подшипниках протекают под воз­ действием пульсирующих напряжений сжатия. При этом чем больше различие между минимальными и максимальными значе­ ниями напряжений, тем скорее образуются трещины и выкраши­ вание.

Рассмотрению особенностей образования и развития трещин усталости посвящено много работ. В большинстве случаев рас­ сматривается усталость конструкционных материалов при сим­ метричных или асимметричных циклах напряжения в области растяжения — сжатия, кручения и изгиба. В настоящее время

141

t

Рис. 70. Вкладыши дизелей тепловозов с усталостными разрушениями:

а — слоя баббита БК2; б — слоя баббита Б83; в — слоя свинцовистой бронзы БрСЗО (дизель М756); г — слоя сплава ACM (дизель 2Д100)

разработаны представления о механизме усталостного разруше­ ния, который должен быть справедлив и для разрушения подшип­

ников, хотя они и имеют свою специфику.

Процесс образования трещин связан с локальным характером деформации при циклическом нагружении. Трещины чаще всего возникают в местах концентрации полос скольжения [209]. При этом местная пластическая деформация в процессе циклического нагружения, по мнению Л. А. Гликмана и В. Гехта [97], помимо упрочнения, приводит к необратимым изменениям атомной ре­ шетки, вызывающим субмикроскопические нарушения сплош­ ности (разрыхление). Такое предельное искажение атомной ре­ шетки в отдельных перенапряженных зернах может происходить вследствие накопления скрытой энергии деформирования. По представлениям, развиваемым В. С. Ивановой [97], для данной кристаллической решетки предельная величина энергии, погло­ щенная критическим объемом металла (условие для разрушения), при циклическом нагружении достигается путем возрастания от­ дельными порциями (дискретно). Этим отличается разрушение при циклическом нагружении от разрушения при статическом

142