ТОМ / TKM-6 / Параграф 8

Параграф 8. Общие вопросы упрочнения поверхностей деталей. Функциональные покрытия.

Во многих случаях после изготовления деталей для улучшения их эксплутационных свойств требуется упрочнение поверхностей.

Одним из вариантов упрочнения поверхностей детали и улучшения их функциональных свойств является формирование микрорельефа пластическим деформированием.

Пластическое деформирование основано на способности поверхности воспринимать остаточные деформации без нарушения её целостности. В результате высокопроизводительного пластического деформирования, поверхности имеют малые шероховатости. Поверхность упрочняется, а у деталей повышается коррозионная стойкость и износостойкость, понижается чувствительность к усталостному разрушению, исчезают микродефекты образованные предшествующей обработкой. Под действием инструмента, перераспределяются элементарные объёмы, кристаллы сплющиваются в направлении деформирования и образуют волокнистую структуру, в результате - заготовка принимает требуемую форму.

Вследствие неконтролируемой пластической деформации микрорельеф, высота неровностей, шаг неровностей, радиусы скругления вершин, впадины и др. изменяются непрерывно, что затрудняет и делает невозможным оптимизацию микрорельефа поверхности, уменьшению ее площади. Минимизация микрорельефа поверхности позволяет противостоять воздействию окружающей среды. Отличия регулярных микрорельефов от шероховатости поверхностей деталей определяют качественные параметры поверхностей. Регулярные микрорельефы, обладая однородностью геометрических параметров, связанных с параметрами режима обработки, дают конструктору возможность нормировать их параметры, через параметры режима. При формировании микрорельефа можно контролировать такие параметры, как число и радиус впадин, выступов, длину профиля. При данном режиме обработки отсутствует необходимость измерения параметров с помощью приборов и эталонных образцов.

Проблемой образования микрорельефа является изыскание методов обработки. Методы включают в себя способы создания частично регулярного микрорельефа и полностью нового регулярного микрорельефа. Первый сочетает в себе чередующийся регулярный и нерегулярный микрорельефы, тогда как второй содержит новый микрорельеф с одинаковыми неровностями. Свою роль в повышении работоспособности и долговечности узлов играют «смазочные карманы» на основе различного рода углублений.

Сущность и достоинства обработки деталей пластическим деформированием.

Пластическое деформирование нашло широкое применение благодаря его высокой производительности, и тому, что в результате его получается поверхность с малой шероховатостью и благоприятными физико-механическими свойствами. Обработка основана на способности металлических заготовок воспринимать остаточные деформации без нарушения целостности поверхности. Отделочная обработка сопровождается упрочнением поверхности. Детали становятся менее чувствительными к усталостному разрушению, у них повышается коррозионная стойкость, а также износостойкость сопрягаемых деталей. Удаляются риски и микротрещины, оставшиеся на поверхности от предшествующей обработки. В ходе обработки глобоидная форма кристаллов поверхности металлов изменяется, кристаллы сплющиваются в направлении деформирования, образуется упорядоченная структура волокнистого характера. Поверхность заготовки принимает требуемую форму и размеры в результате перераспределения элементарных объемов под действием инструмента. Исходный объем заготовки практически не изменяется.

Вибронакатывание и другие способы образования регулярных и частично регулярных микрорельефов на поверхностях деталей.

Одна из важнейших проблем - это изыскание методов обработки, обеспечивающих образование на поверхности детали регулярных, тонко управляемых, аналитически рассчитываемых микрорельефов. По целевому назначению эти методы могут быть разделены на 2 группы: способы, с помощью которых на поверхности создается частично регулярный микрорельеф (ЧРМР), и способы, позволяющие создать полностью новой регулярной микрорельеф (РМР). В первом случае на поверхности образуются дискретно расположенные углубления как исходные поверхности, во втором – полностью новый микрорельеф с одинаковыми по форме, высоте и взаимному положению неровностями. Создание на рабочих поверхностях деталей с целью оптимизации их микрогеометрии различного рода углублений, выполняющих роль «смазочных карманов» сыграло роль в повышении работоспособности и долговечности узлов. В таблице приведена классификация наиболее широко применяемых способов образования углублений на поверхностях деталей.

Виды углублений
Дискретные	Непрерывные
Сверление по разметке или в кондукторе.	Проточка круговых и винтовых канавок.
Вихревое точение.	Проточка канавок сложной формы с помощью копирных устройств.
Вихревое фрезерование.	Фрезерование канавок сложной формы с помощью копирных устройств.
Вибродинамическое накатывание.	Накатывание профильным роликом.
Травление через трафарет.	Вибрационное накатывание.
	Травление после вибрационного накатывания.

Рассмотрим наиболее широко применяемые способы формирования микрорельефа.

Сверление по разметке или в кондукторе основано на образовании различной формы углублений – лунок конусообразной или сферической формы. К достоинствам метода относятся отсутствие необходимости в специальном оборудовании. Однако он непроизводителен и затрудняет подачу масла на поверхность контакта.

Сверлением образуются на поверхностях различной формы круглые углубления – лунки конусообразной или пологой сферической формы в радиальном сечении. Достоинство метода – отсутствие необходимости в специальном оборудовании и инструменте. Однако этот способ не производителен, углубления конусообразной формы затрудняют подачу масла на поверхность контакта. В этом отношении наиболее совершенны неглубокие лунки сферической формы.

Вихревое точение и фрезерование основано на прерывистом контакте вращающегося инструмента с вращающейся или поступательно перемещающейся заготовкой. Параметры варьируются изменением скоростей относительного перемещения заготовки инструмента. К преимуществам можно отнести управляемость процессом, а к недостаткам хаотичный микрорельеф поверхности углублений, ударный характер резания и т.п.

Эти способы образования дискретно расположенных углублений на цилиндрических и плоских поверхностях основаны на прерывистом контактировании вращающеюся инструмента с вращающейся (рис 8.1,а)или поступательно перемещающейся (рис 8.1,б) заготовкой. Параметры таких ЧРМР варьируются изменением скоростей относительного перемещения заготовки и инструмента: при обработке цилиндрических поверхностей (рис. 8.1,а) изменяются частота вращения заготовки n₃, продольная подача инструмента (s_пр) и частота его вращения n_и. При обработке плоских поверхностей (рис. 8.1,б) изменяются частота вращения инструмента n_и и поперечная подача s_поп заготовки. В отношении управляемости эти процессы достаточно универсальны. Однако для них характерны и существенные недостатки: хаотичный микрорельеф поверхности углублений, ударный характер резания, сложный механизм вращения инструмента и.т.д. При определенных n_з, n_и, s_пр, s_поп можно образовать на поверхностях и полностью новый микрорельеф.

Рисунок 8.1.а - и

Вибродинамическое накатывание:

Как уже было сказано, что одним из методов повышения износостойкости и упрочнения деталей машин и приборов, состоит в нанесении микрорельефа различной формы на поверхность деталей. Микрорельеф наносят на цилиндрические, конические, плоские и фасонные наружные и внутренние поверхности.

Вибродинамическое накатывание (1): в основе процесса лежит холодное пластическое деформирование обрабатываемого материала (рис.8.1.в). К преимуществам относится возможность создавать системы с не касающимися, частично пересекающими одна другую лунками и полностью перекрывающими исходную поверхность. К недостаткам относится дискретный характер образуемых углублений, что ухудшает условия перетекания смазки, а также одностороннее динамическое воздействие на заготовку и элементы станка.

Режим ударного вибронакатывания определяется следующими параметрами: усилием Р ударного вдавливания инструмента (шариков, бойков сферической формы), частотой вращения заготовки n_з, подачей деформирующею инструмента s, числом двойных ходов деформирующего инструмента n_дв.х. и диаметром d деформирующего элемента. Варьируя эти параметры, можно создавать различные системы углублений, различающиеся их числом на единицу площади обрабатываемой поверхности, площадью, занимаемой углублениями относительно номинальной, формой и глубиной углублений и их взаимным расположением. Таким образом можно создавать системы с не касающимися, частично перекрывающими одна другую лунками и полностью перекрывающими исходную поверхность.

Вибродинамическое накатывание (2): Этот способ основан на динамическом упрочнении поверхности шарами, установленными в радиально размещенных по окружности быстровращающихся круглых пазах (рис.8.1.г). Микрорельеф наноситься в результате давления инструмента, верхние слои металла детали сжимаются и пластически деформируются. На поверхности образуется микрорельеф заданной формы и размера. Инструментом является шар высокой твердости, устанавливаемый в резцедержателе токарного станка. Придавая инструменту колебания с некоторой амплитудой и частотой, а также изменяя скорость резания, подачу и давление инструмента на поверхность детали можно получить требуемый рисунок с заданными параметрами. Часто используется микрорельеф в виде непересекающихся канавок, с не полностью пересекающимися и со сливающимися канавками. Каждый тип микрорельефа рассчитывается аналитически, в зависимости от поставленной задачи. Производительность возрастает за счет сочетания динамического воздействия и сложного перемещения деформационных элементов относительно заготовки.

Для вибронакатки необходимо выполнение следующих требований: однородность РМР; режим обработки и параметры РМР должны быть связаны; возможность тонкой настройки параметров РМР; все параметры должны быть взаимонезависимы; способ должен быть универсален. Деформирующим элементом может быть как шар, так и сферический алмаз или твердый наконечник. Существует много классифицированных микрорельефов, а также способов обработки поверхностей различной формы.

Вибронакатывание основано на перемещении осциллятора – инструмента вдоль оси вращения детали или плоскости её поверхности. Плюсы: возможность воспроизводить все виды ЧРМР поверхностей детали, простота метода, дешевизна инструмента. Этот метод является наиболее совершенным. Травление после вибронакатывания используется для образования смазочных канавок. Метод заключается в нанесении на поверхность изоляционного вещества, прорезаемого затем до металла резцом, установленным вместо шарика для вибронакатки, затем производиться травление.

Травление через трафарет идентично сверлению, но вместо физического воздействия, используют химическое. Принцип образования дискретно расположенных углублений тот же, что и при сверлении через трафарет, но взамен резания осуществляется травление обрабатываемого материала. Достоинством травления является практически неограниченная возможность обработки материалов любой твердости. Недостаток – необходимость иметь в наличии большое количество дорогостоящих трафаретов. Число трафаретов тем больше, чем тщательнее и точнее отрабатывается оптимальный для них или иных условий эксплуатации микрорельеф.

Достоинства: обрабатываемый материал может быть любой твердости. Недостатки: необходимость в наличии дорогостоящих трафаретов.

Проточка круговых и винтовых канавок исполняется на универсальных токарных станках без специальных устройств (рис. 8.1.д) На цилиндрических поверхностях осей, валов, втулок протачиваются пересекающиеся винтовые канавки большого шага. Недостатки метода: негативное влияние на трение, ограничение параметров форм и др. Проточка и фрезерование канавок сложной формы с помощью копирных устройств: копирные устройства могут быть основаны на универсальных металлообрабатывающих станках, а также специальных станках. Недостатки: окупаются они только в условиях серийного производства, сложность техпроцесса, хаотичность рельефа на дне углублений. Накатывание профильным роликом основано на перенесении микрорельефа с поверхности ролика на заготовку вдавливанием. Плюсы: обрабатываемая поверхность неограниченной длины, высокая производительность. Минусы: сложность в изготовлении и дороговизна инструмента, малая износостойкость роликов, невозможность обработки термически упрочненных деталей.

Проточка фрезерование канавок сложной формы с помощью копирных устройств. Копирные устройства создаются как на базе универсальных металлообрабатывающих станков, так и в виде специальных станков: плоскими копирными линейками (рис. 8.1, е), трехмерными копирами. Эти станки сложны, трудоемки в изготовлении и окупающие только в условиях серийного производства. Недостатки метода: сложность процесса образования углублений; хаотичный нерегулярный микрорельеф на дне углублений.

Вибрационное накатывание (вибронакатывание).

Этот способ выполняется по схеме на рис. 8.1 и; применяется для обработки цилиндрических поверхностей; при обработке плоских поверхностей осцилляционное движение также совершается инструментом, а заготовка движется поступательно в направлении подачи. Изменение значений параметров ЧРМР с непрерывно расположенными углублениями синусоидальной формы осуществляется изменением скорости относительного перемещения заготовки и инструмента. Это позволяет воспроизвести практически все виды ЧРМР рабочих поверхностей деталей. Универсальность в сочетании с простотой осуществления и высокой производительностью, использование в качестве инструмента стандартных шариков и алмазных наконечников, позволяют считать процесс вибронакатывания наиболее совершенным из всех применяемых.

Эксплутационные свойства деталей с РМР. Различные виды РМР влияют на различные свойства поверхностей. Прирабатываемость улучшается за счет увеличения опорной поверхности, маслоемкости и однородности поверхности. Износостойкость и трение, за счет объемных масляных карманов и способности удерживать твердые частицы, локализуя износ. Коррозионная стойкость за счет МР с впадинами большого радиуса, чем при резании, в которых накапливаются продукты, взывающие коррозию. За счет высокой маслоемкости повышается плавность хода, бесшумность. За счет этого повышается точность настройки аппаратуры с такими деталями. Улучшается усталостная прочность, сопротивление ползучести, контактная жесткость, герметичность и др.

Основные требования к способам образования РМР:

1. РМР должен быть высоко однородным по форме, размерам и взаиморасположению выступов и впадин.

2. Эти параметры должны быть функционально связаны с параметрами режима обработки, что дает возможность аналитически рассчитывать параметры РМР.

3. Способ должен обеспечивать возможность тонкого и в больших пределах варьирования значений параметров РМР.

4. Варьирование одних параметров не должно влиять на другие.

5. Способ должен быть универсален, производителен, стабилен во времени, прост, экономичен.

Схемы вибрационного накатывания:

В основу создания способа обработки с образованием на поверхности регулярного микрорельефа были положены два принципа: отказ от резания – использование тонкого пластического деформирования и усложнение кинематики процесса обработки. Существуют различные варианты схем вибронакатывания (рис. 8.2а-г). Параметры, определяющие режим вибронакатывания: h₃ – частота вращения заготовки, s – подача деформирующего элемента за один оборот заготовки, n_дв.х. – число осцилляций деформирующего элемента, l – амплитуда осцилляций, d₃ – диаметр заготовки, р – усилие вдавливания деформирующего элемента. Деформирующим элементом может быть шар, сферический алмазный, твердосплавный или другой наконечник.

Рисунок 8.2.а - г

Рисунок 8.3

Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом.

Как было сказано, с помощью вибронакатывания на поверхностях создаются микрорельефы, существенно отличающиеся по своим характеристикам от всех создающихся при обработке резанием, давление, др. методами обработки. Поверхность детали характеризуется: прирабатываемостью, трением и износостойкостью, усталостной прочностью, коррозийной стойкостью, сопротивлением ползучести и другими свойствами.

Прирабатываемость:

Наиболее точно выражает прирабатываемость поверхности величина опорной поверхности микрорельефа. Вибронакатывание обеспечивает микрорельеф, отличающийся большой опорной поверхностью при достаточной ее маслоемкости и высокой степени однородности неровностей. Прирабатываемость и износ снижаются так же из-за большого радиуса закругления вершин неровностей и высокой степени их однородности по высоте.

Трение и износостойкость:

Микрорельеф определяет не только первоначальный износ, но и последующий нормальный износ. На изнашивание влияют: несущая поверхность, маслоемкость, объем и расположение масляных карманов, способность удерживать твердые частицы, локализуя их действием снижая износ. Исследования показывают, что коэффициент трения наименьший у поверхностей, обработанных вибронакатыванием. Так же снижается температура при трении, повышается износостойкость.

Усталостная прочность:

У вибронакатанных деталей наибольшая усталостная прочность (при прочих равных условиях) среди деталей, обработанных обкатываением, точением, шлифованием.

Коррозионная стойкость:

Коррозионная стойкость повышается вследствие микрорельефа с впадинами большего радиуса, чем при обработке резанием, в которых в меньшей степени концентрируется продукты, вызывающие коррозию.

Сопротивление ползучести:

Среди образцов, обработанных точением, шлифованием, обкатыванием, вибронакатыванием у последних наблюдается самое высокое сопротивление ползучести.

Сопутствующие свойства:

За счет большой маслоемкости увеличивается плавность хода и бесшумность. Благодаря этому повышается точность настройки аппаратов с вибронакатанными деталями.

Контактная жесткость деталей с регулярным микрорельефом, при испытаниях, оказывается большей, чем при любом способе обработки детали резанием.

У вибронакатанных деталей наблюдается высокая герметичность пар; высокая прочность неподвижных соединений, вследствие большого радиуса скруглений выступов микрорельефа; стабильная электрическая прочность по всей поверхности детали, маленькая электризация поверхности; малое взаимодействие поверхности с разряженным газом в вакууме; маленькая свободная поверхностная энергия; высокие декоративные свойства.

Защитные и защитно-декоративные покрытия изделия.

При конструировании механизмов, наряду с выбором материалов деталей, очень важную роль играет правильный выбор защитных или защитно-декоративных покрытий деталей.

Для увеличения срока службы детали, изготовляемые из материалов с низкой коррозионной стойкостью, подвергают защитным покрытиям. Кроме того, защитные покрытия повышают надежность работы деталей и не допускают снижения их прочности в агрессивных средах, а некоторые покрытия предохраняют от интенсивного износа трущиеся поверхности.

Наряду с защитной функцией многие виды покрытия имеют еще и эстетическую, обеспечивая детали необходимую в каждом конкретном случае отделку поверхности – ее цвет, блеск, оттенок. Особое значение декоративность покрытий приобретает для деталей лицевых панелей приборов, наружных поверхностей их корпусов и защитных кожухов.

Множество различных покрытий, используемых в современной технике, можно разделить на два основных вида: покрытия металлические и неметаллические (неорганические), лакокрасочные покрытия (ЛКП). Каждый из этих видов имеет свою область применения, свои защитные и декоративные свойства и технологию нанесения. Во многих случаях для усиления защитного эффекта производят комбинацию покрытий: сначала на детали наносят защитную металлическую, окисную или фосфатную пленку, а затем подвергают лакокрасочному покрытию. При выборе того или иного вида покрытия, наряду с эстетической стороной дела, определяющими являются условия, в которых предполагается работа данной детали и механизма в целом. В зависимости от климатического района – холодный, умеренный, сухой, тропический; условия эксплуатации прибора – в помещении или на открытом воздухе, температурных условий и агрессивности среды ГОСТом 9.009-73 выделяются укрупненные группы условий эксплуатации: легкая (Л), средняя (С), жесткая (Ж) и очень жесткая (ОЖ).

Покрытия металлические и неметаллические неорганические.

Покрытия этого вида регламентированы в части защитных покрытий ГОСТом 9.073-77, в части зашитно-декоративных покрытий ГОСТом 21484-76. В настоящем разделе приведен материал, представляющий ограничение этих ГОСТов, и предназначенный для использования при выполнении учебных проектов. Металлические и неметаллические неорганические покрытия широко применяются во всех отраслях промышленности благодаря ряду ценных специфических свойств – механической прочности, химической стойкости, декоративности. В основном они применяются для покрытия мелких и средних деталей или в качестве подслоя для лакокрасочных покрытий даже в крупных корпусных деталях. По своему назначению металлические и неметаллические неорганические покрытия делятся на две группы: защитные и защитно-декоративные.

Защитные покрытия по ГОСТ 9.073-77 предназначены для защиты изделий от коррозии в различных условиях эксплуатации (рис.7.1.). К этим покрытиям относятся кадмиевые, цинковые, хромовые, окисные, фосфатные и др.

Защитно-декоративные покрытия по ГОСТ 21484-76 предназначены для придания изделиям декоративного вида с одновременной защитой их от коррозии. Классы покрытий по декоративным свойствам следующие: фактурованные (фкт), текстурованные (ткст) и цветные (цв) покрытия.

Виды покрытий делятся в зависимости от:

• способа получения;

• материала;

• признаков, характеризующих физико-механические свойства покрытия;

• вида дополнительной обработки покрытия.

Выбор вида металлического, оксидного или фосфатного покрытия детали.

При выборе вида покрытия детали по ГОСТ 14623-69 должны быть учтены следующие факторы:

1. Материал детали и технологическая возможность нанесения данного вида покрытия.

2. Условия эксплуатации детали. Покрытия, предназначенные, например, для легкой группы, не предохранят детали от коррозии при средних и жестких условиях периода.

3. Требования к внешнему виду детали, который должен соответствовать эстетическому восприятию механизма или прибора, где данная деталь установлена.

4. Допустимая с точки зрения функционирования детали толщина покрытия. В связи с тем, что размеры и их предельные отклонения, указанные на рабочем чертеже, если нет особых оговорок, относятся к детали до покрытия, т покрытия могут изменить характер посадок. При необходимости в процессе нанесения покрытия отдельные поверхности могут быть защищены от покрытия, однако это значительно усложняет и удорожает технологический процесс.

Окисные и фосфатные покрытия почти не изменяют размеров деталей, так как рост пленки в этом случае происходит, в отличие от металлических покрытий, от поверхности в глубину металла.

5. Конфигурация детали. Детали с узкими и глубокими пазами, глубокими отверстиями, большими внутренними полостями должны подвергаться химическим покрытиям, так как при гальваническом способе нанесения покрытия из-за неравномерности распределения плотности тока по поверхности детали толщина слоя покрытия оказывается крайне неравномерной.

Лакокрасочные покрытия деталей.

Лакокрасочные покрытия являются наиболее простым и эффективным способом повышения коррозионной стойкости и эстетических качеств изделий. Лакокрасочным покрытием в приборостроении подвергаются главным образом крупногабаритные несущие детали приборов – корпуса, кронштейны, стойки, большинство литых деталей, а также детали лицевых панелей приборов. В связи с многообразием требований, предъявляемых к рассматриваемым покрытиям, современная химическая промышленность выпускает сотни различных видов лакокрасочных материалов, позволяющих создать покрытия с необходимыми свойствами. Помимо цвета, покрытия различаются своей стойкостью к воздействиям внешней среды, механической прочностью, качеством поверхности, технологией нанесения и многими другими качествами. ГОСТом 9.032-74 и ГОСТом 9825-73 установлены правила условных обозначений лакокрасочных покрытий изделий.

113