Брянск, Брянская область, Россия
Брянск, Брянская область, Россия
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ГРНТИ 55.13 Технология машиностроения
Рассмотрено широкое применение технологического обеспечения отделочно-упрочняющей обработки и различных финишных методов воздействия на работоспособность и продолжительность эффективной эксплуатации рабочих поверхностей деталей машин и наиболее тяжелонагруженных элементов технологической оснастки, работающих в условиях высоких давлений и температур.
отделочно-упрочняющая обработка, технологическое обеспечение, работоспособность, продолжительность эксплуатации, качество рабочих поверхностей, сверхтвердые материалы
Качество, работоспособность и продолжительность эксплуатации наиболее ответственных деталей машин в значительной степени определяются состоянием и свойствами поверхностного слоя рабочих поверхностей, подвергаемых различным видам финишной обработки. В последние годы в качестве окончательной обработки ответственных поверхностей деталей машин и элементов технологической оснастки наиболее перспективными являются комбинированные упрочняюще-отделочные процессы, которые создаются на базе электрофизических методов обработки, позволяющих наиболее гибко управлять свойствами рабочих поверхностей тяжелонагруженных деталей.
В предлагаемых исследованиях рассматривалась комбинированная упрочняюще-отделочная обработка на основе лазерного или электромеханического упрочнения и последующей отделочной обработки с применением инструментов из синтетических сверхтвердых материалов (алмазное выглаживание или виброполирование). На стадии упрочняющей обработки представлялось возможным управлять металлофизическими характеристиками поверхностных слоев деталей машин, например твердостью, а на стадии отделочной обработки - параметрами, определяющими микрогеометрию. Одним из недостатков лазерного упрочнения является ухудшение поверхности, особенно если упрочнение производится с режимами, вызывающими частичное или полное оплавление поверхностного слоя. Это вызывает, если принять во внимание значительное увеличение микротвердости упрочненных поверхностей, повышенный износ сопряженной поверхности контртел. Интенсивность изнашивания контртел из бронзы Бр 05Ц5С5, сопрягаемых с цилиндрическими образцами из стали 45, упрочненными лазерной обработкой, приведена в табл. 1. Испытания проводились при смазке маслом «Индустриальное 12», скорости скольжения 0,9 м/с и давлении 2,2 МПа.
Таблица 1
Шероховатость упрочненных лазерной обработкой образцов из стали 45
и интенсивность изнашивания контртел из бронзы
|
Плотность энергии излучения (Q) |
Коэффициент перекрытия пятен и Rmax, мкм (в скобках) |
|
|
П1 = 0 |
П2=0,5 |
|
|
Q1 = 1,3 Дж/мм2
Q2 = 2,5 Дж/мм2 |
331,85 281,01 (3,28)
1721,15 1242,51 (8,25) |
296,78 217,91 (2,78)
1897,15 2049,05 (5,94) |
Диаметр пятна контакта лазерного луча с обрабатываемой поверхностью составлял 4 мм. Образцы изготавливались из стали в стадии поставки.
Дисперсионный анализ экспериментальных данных (табл. 2) показал, что интенсивность изнашивания контртел из бронзы зависит в основном от плотности энергии излучения Q.
Таблица 2
Результаты дисперсионного анализа экспериментальных данных
|
Источник влияния |
Число степеней свободы |
Сумма квадратов |
Средний квадрат |
F-отношение |
|
Факторы: |
11 |
4173608,3 |
4173966,0 |
2,98 |
|
Взаимодействие |
1 |
144913,0 |
144913,0 |
4,46 |
|
Случайные факторы |
4 |
129887,9 |
32472,0 |
- |
|
Сумма |
7 |
4545290,7 |
- |
- |
Поскольку лазерная и электромеханическая обработка вызывают существенное повышение микротвердости поверхностных слоев (до 8000-9000 МПа), а также учитывая то, что поверхностные слои имеют ограниченную глубину упрочнения, в качестве отделочных операций целесообразно принять методы поверхностного пластического деформирования (алмазное выглаживание) и алмазно-абразивной обработки (алмазное виброполирование).
После последующей механической обработки упрочненных лазерной обработкой образцов алмазным виброполированием интенсивность изнашивания контртел из бронзы значительно уменьшилась (в отдельных случаях на несколько порядков) и составила от 2,19·10-7 до 5,8·10-11 (табл. 3).
Параметр шероховатости Rmaх образцов после алмазного выглаживания уменьшается в среднем в 2 раза - с 3,26 до 1,49 мкм, после алмазного виброполирования - в среднем в 2,3 раза, с 2,83 до 1,31 мкм.
Таблица 3
Интенсивность изнашивания контртел из бронзы Бр 05Ц5С5 J·10-9, трущихся в паре
с упроченными лазерной обработкой образцами из стали 45
|
Плотность энергии излучения (Q)
|
Механическая обработка |
|||
|
Алмазное виброполирование (M1) |
Алмазное выглаживание (М2) |
|||
|
Коэффициент перекрытия пятен (П) |
||||
|
П1 = 0 |
П2 = 0,5 |
П1 = 0 |
П2 = 0,5 |
|
|
Q1 = 1,3 Дж/мм2
Q 2=2,5 Дж/мм2 |
108,150
93,170 |
0,132
55,742 |
0,083
186,976 |
0,058
0,157 |
Влияние фактора Q оказывается менее существенным, изнашивание больше зависит от метода последующей механической обработки стальных образцов (наименьшая интенсивность изнашивания соответствует сочетанию факторов Q1M2).
Таким образом, последующая механическая обработка упрочненных лазерной обработкой поверхностей деталей способствует значительному повышению износостойкости сопрягаемых деталей и пары трения в целом. Алмазное виброполирование является предпочтительным видом обработки, однако преимущества выглаживания в ряде случаев неоспоримы, например в случае лазерного легирования, когда необходимо полностью сохранить упрочненный слой.
Аналогично тому, как проводилась импульсная лазерная обработка, была осуществлена импульсная электромеханическая обработка (ЭМО). Процесс ЭМО характеризуется, в частности, локальным нагревом металла поверхностного слоя заготовки в месте ее контакта с инструментом, через который пропускается электрический ток большой силы и низкого напряжения. Электроконтактный нагрев обусловливается выделением тепла Q на участке цепи, обладающем электросопротивлением Rээ, при протекании тока Jэфф в течение импульса длительностью t:
,
где Jэфф - эффективное значение тока; RЭЭ - активное сопротивление участка цепи между электродами контактной машины; t и Т- координаты времени и температуры.
|
Анализ микроструктуры упрочненного слоя показал, что она имеет характерное игольчатое строение, как у мартенсита после закалки. Микростроение переходного слоя характеризуется зернистой неравноосностью и резко отличающейся микротвердостью в зависимости от природы зерна. Так, ферритные зерна упрочнялись до 3000-3470 МПа, а исходные перлитные, имеющие троостосорбитное строение, - до 4740-6350 МПа. При этом микротвердость стали в исходном состоянии составляла 2200-2600 ПМа.
В результате комбинированной отделочно-упрочняющей обработки, основанной на использовании лазерного или электромеханического упрочнения и последующего алмазного выглаживания или алмазного виброполирования, удается осуществить, с одной стороны, управление физико-механическими свойствами поверхностных слоев (поверхностной микротвердостью, глубиной и другими показателями упрочнения) за счет изменения режимов упрочнения и учета закономерностей влияния технологической наследственности и, с другой стороны, управление геометрическими параметрами поверхностных слоев за счет выбора методов и изменения условий осуществления отделочной обработки [1]. Экспериментальные данные, полученные в процессе исследований, представлены в табл. 4.
На основе комбинированной обработки, осуществляемой лазерным упрочнением и последующим алмазным виброполированием, предложен метод, обеспечивающий создание нового класса поверхностей с регулярным рельефом (с отношением шага неровностей к высоте от 1000 до 2000), имеющих микротвердость поверхностных слоев на упрочненных участках до 10 000 МПа, и позволяющий снизить величину начального износа трущихся поверхностей.
Исходя из различной интенсивности съема материала с упрочненных и неупрочненных лазерной обработкой участков при алмазном виброполировании получены уравнения, позволяющие теоретически определить важнейшие в функциональном отношении параметры регулярного рельефа в зависимости от плотности энергии лазерного излучения, времени полирования и соотношения площадей поверхностей, упрочненных и неупрочненных лазерной обработкой. Так, интенсивность изнашивания пар трения «упрочненная лазерной или электромеханической обработкой цилиндрическая поверхность детали из стали 40ХН2МА - контртело из бронзы Бр05Ц5С5» в условиях граничного трения при изменении метода отделочной обработки упрочненных поверхностей уменьшается с 1,69 до 0,84 мг/с, т.е. в 2 раза [2].
Таблица 4
Экспериментальные данные по величине износа элементов оснастки
|
Метод упрочняющей обработки |
Метод отделочной обработки поверхности трения |
|||||
|
Алмазное виброполирование |
Алмазное выглаживание |
|||||
|
износ образца |
износ контртела в мг |
износ образца |
износ контртела |
|||
|
в мкм |
в мг |
в мкм |
в мг |
в мг |
||
|
Лазерная |
1,22-0,94 |
4,20-3,24 |
2,10-2,80 |
0,12-0,13 |
2,87-1,00 |
1,52-0,90 |
|
Электромеханическая |
0,42-0,61 |
1,70-2,02 |
1,35-2,02 |
0,14-0,30 |
1,14-0,47 |
0,77-1,07 |
|
Как показали результаты дисперсионного анализа экспериментальных данных по интенсивности изнашивания элементов пар трения, электромеханическая обработка почти не уступает лазерной по влиянию на износостойкость трущихся пар. Парам трения, у которых образцы упрочнялись электромеханической и лазерной обработкой, соответствовала наименьшая линейная интенсивность изнашивания цилиндрических образцов 1,7·10-11 мкм/км. Результаты выполненных исследований позволили также установить, что наряду с упрочняющей обработкой на износостойкость трущейся пары оказывает влияние метод отделочной обработки ее рабочих поверхностей. Так, пары трения, у которых рабочая поверхность цилиндрических образцов подвергалась алмазному выглаживанию, по сравнению с виброполированием имели лучшие результаты по линейной интенсивности изнашивания.
Проведенные исследования показали, что лазерная и электромеханическая обработка вызывают существенное повышение микротвердости поверхностных слоев детали (до 9000 МПа), однако упрочнение распространяется на весьма ограниченную глубину. Поэтому в качестве отделочных операций наиболее целесообразно применять методы поверхностного пластического деформирования, в частности алмазное выглаживание, что в целом позволяет снизить величину начального износа трущихся поверхностей на 30 % и в 2-3 раза сократить период их приработки.
1. Надуваев, В.В. Технологическое обеспечение продолжительности эксплуатации тяжелонагруженных деталей и элементов производственной оснастки / В.В. Надуваев, Е.Н. Фролов // Международная научно-техническая конференция «Металлообработка - 2015». - Минск, 2015. - С. 11-13.
2. Надуваев, В.В. Отделочно-упрочняющая обработка деталей машин и элементов технологической оснастки / В.В. Надуваев, Е.Н. Фролов // Международная научно-техническая конференция «Перспективные направления развития отделочно-упрочняющей обработки и виброволновых технологий». - Ростов н/Д: ДГТУ, 2018. - С. 72-73.
