СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛОСКОВЕРШИННОГО МИКРОРЕЛЬЕФА ТРИБОСОПРЯЖЕНИЙ СО СМАЗОЧНЫМИ МИКРОВПАДИНАМИ
METHOD TO FORM FLAT-TOPPED MICRORELIEF OF TRIBOLOGICAL CONJUNCTIONS WITH LUBRICATING MICRORECESSES

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для финишной обработки различных поверхностей деталей трибосопряжения.
При работе сопряженных деталей возникают и развиваются процессы разрушения: трение, износ, схватывание под влиянием механических и электрохимических воздействий среды на материал трущихся пар. Существенное влияние на износостойкость поверхностей деталей, безотказность и долговечность трибосопряжений оказывают физико-механические свойства и структура поверхностного слоя, а также условия смазки, обусловленные маслоемкостью контактирующих поверхностей.
Для лучшего обеспечения узлов трения смазочным материалом необходимо применять детали, поверхность которых обладает макропористостью, образованной механическом путем. В наибольшей степени такому требованию отвечает плосковершинный микропрофиль, состоящий из чередующихся относительно глубоких микровпадин и участков с относительно малой шероховатостью (опорных площадок - плато), увеличивающих относительную опорную длину профиля и обеспечивающих хорошую несущую способность.
Известен способ комбинированной обработки цилиндрических деталей, при котором осуществляют нанесение микрорельефа в виде пересекающихся винтовых канавок резцом при его прямом и обратном ходе. Затем проводят поверхностное пластическое деформирование пирамидок шаром, при котором осуществляется их частичное скалывание и образование опорных площадок (авторское свидетельство №1310181, МПК B24B 39/00).
Недостатком способа является низкое качество поверхности опорных площадок, низкая производительность способа, невозможность обеспечить токарным резцом требуемый микропрофиль смазочных канавок.
Известен способ формирования плосковершинного рельефа хонингованием. Способ включает две технологические операции: предварительное хонингование для получения исходной шероховатости поверхности Ra≤5 мкм и чистовое хонингование для формирования конечной геометрии поверхности с шероховатостью Ra≤l,25 мкм (Прогрессивные методы хонингования / С.И.Куликов, Ф.Ф.Ризванов, В.А.Романчук, С.В.Ковалевский - М.: Машиностроение, 1983. С.30-31).
Недостатком способа является то, что поверхность после такой обработки представляет собой совокупность царапин и опорных площадок с высокой шероховатостью, а также наличие шламового материала абразивных частиц, оставшихся в микровпадинах после хонингования.
Наиболее близким является способ формирования плосковершинного регулярного микрорельефа выглаживанием, заключающийся в обработке поверхности заготовки после точения в два перехода: на первом - создают регулярный рельеф канавок инструментом для выглаживания с рабочей формой, соответствующей профилю канавки, а на втором - формируют плосковершинный профиль выглаживателем, формирующим плосковершинный профиль (патент на изобретение №2401731).
Существенным недостатком способа является низкое качество формируемых опорных площадок, а также принципиальная невозможность формирования смазочных микровпадин в случае, когда параметр Rmax микропрофиля поверхности после точения превышает глубину формируемых микровпадин.
Для повышения качества поверхности за счет уменьшения шероховатости и увеличения микротвердости, маслоемкости, отрицательных остаточных напряжений предлагается способ формирования плосковершинного микрорельефа деталей трибосопряжений со смазочными микровпадинами, заключающийся в деформирующем профилировании и выглаживании. Опорную поверхность формируют сферическим и цилиндрическим индентором, ось которого параллельна вектору скорости выглаживания или составляет с ним некоторый угол, затем формируют смазочные микровпадины деформирующим инструментом (мультиинденторным формирователем микрокарманов), после этого производят полирующее выглаживание.
Формирование плосковершинного микрорельефа проводится после предварительной обработки поверхности точением в следующей последовательности: первый и второй переходы - формируют физико-механические свойства и шероховатость опорной поверхности сферическим и цилиндрическим инденторами выглаживающего инструмента; третий переход - формирование микровпадин - обработка деформирующим инструментом на основе хон-бруска; четвертый переход - полирующее выглаживание.
После предварительной обработки поверхности заготовки, например точением, шероховатость поверхности Ra=(0,8…1,18) мкм. Для формирования физико-механических свойств поверхности и уменьшения высоты следов точения (первый переход) назначают силу выглаживания и подачу с учетом шероховатости поверхности и материала заготовки на основе рекомендуемых типовых режимов обработки.
Второй переход выглаживания выполняют инструментом с цилиндрической формой рабочей поверхности индентора. При выглаживании наружных поверхностей тел вращения ось индентора выглаживающего инструмента может быть направлена параллельно вектору скорости выглаживания или составлять с ним некоторый угол. Второй переход назначают для сглаживания неровностей регулярного микрорельефа, образованного первым переходом, и получения требуемого уровня шероховатости плосковершинной поверхности.
На третьем переходе деформирующего профилирования силу и скорость инструмента назначают в зависимости от требуемой маслоемкости рельефа поверхности, обеспечивая требуемые глубину и наклон смазочных микровпадин. Для получения микрорельефа смазочных микровпадин пригодны бруски средней зернистости от 100/80 до 200/160.
Четвертый переход - выступы металла, сформированные предыдущей обработкой, сглаживаются полирующим выглаживанием. Шероховатость на плато плосковершинной поверхности после полирующего выглаживания составляет Ra=(0,03…0,05) мкм.
Новая совокупность существенных признаков: последовательность переходов, применяемых инструментов и режимов позволяет одновременно обеспечить высокую производительность формирования смазочных микровпадин и повысить физико-механические свойства, на два порядка уменьшить шероховатость поверхности за счет уменьшения высоты микропрофиля и увеличения микротвердости, маслоемкости, отрицательных остаточных напряжений.
Пример осуществления способа
Обработка заготовки из стали 20Х производилась на токарно-фрезерном центре MULTUS В-300 фирмы OKUMA. Поверхность перед финишными переходами обрабатывалась чистовым точением твердосплавной пластиной IC907 (VNMG12T304-NF) при рекомендованных фирмой ISKAR скорости V=100 м/мин и подаче S=0,1 мм/об. Наибольшая высота профиля после точения Rmax составила 4,5 мкм, Ra=(0,8-1,18) мкм, твердость поверхности НМ 6,8 ГПа.
Выглаживание осуществлялось за два перехода, сначала сферическим индентором с радиусом 2 мм в среде СОТС фирмы Renus с режимами: Р=135 H, V=50 м/мин, S=0,15 мм/об. В результате первого перехода выглаживания происходит полное сглаживание исходных неровностей после чистового точения и формирование профиля с Ra=(0,5-0,6) мкм.
Второй переход выглаживания поверхности проводился инструментом с цилиндрической формой индентора R=2 мм, установленным под углом 63° к вектору скорости, с режимами Р=150 H, V=50 м/мин, S=0,2 мм/об. В результате второго перехода выглаживания сглаживаются вершины неровностей микропрофиля после первого перехода. Режимы обработки и параметры инструмента выбирают в зависимости от шероховатости поверхности после первого перехода. В результате первого и второго переходов происходит полное сглаживание исходных неровностей после чистового точения и формирование профиля с Ra=(0,l-0,2) мкм.
Третий переход - деформирующее профилирование смазочных микровпадин на плосковершинной поверхности осуществлялось разработанным мультиинденторным деформирующим формирователем смазочных карманов (патент на полезную модель №91307, РФ, МПК B24B 39/00) с хон-бруском 160/125 шириной 4 мм и длиной 15 мм, сила равнялась Р=150 Н, скорость V=5 м/сек. Рельеф смазочных микровпадин образуется сочетанием вращательного движения заготовки и возвратно-поступательного движения инструмента.
Четвертый переход - полирующее выглаживание проводится для сглаживания выступов рельефов смазочных микровпадин инструментом с цилиндрическим индентором радиусом 2 мм, повернутым относительно вектора скорости выглаживания на угол, равный 63°, при следующих режимах: сила равнялась Р=150Н, скорость V=50 м/мин, S=0,2 мм/об.
3
2
Согласно результатам дюрометрии микротвердость образцов на глубине поверхностного слоя до 0,15 мм составила HV≥700 ГПа. После полирующего выглаживания по данным оптической профилометрии шероховатость опорных площадок составила Ra=0,05 мкм, маслоемкость карманов составила 1,277 мкм/мкм. Величина отрицательных остаточных напряжений в поверхностном слое детали составляет на глубине до 20 мкм 980…1100 МПа.
3
2
Обработка поверхностей деталей из закаленной цементованной стали 20Х обеспечивает формирование опорной поверхности с микронеровностями профиля Ra<0,05 мкм и микротвердостью 440…980 МПа на глубине до 20 мкм. При этом глубина смазочных микровпадин находится в пределах 4…7 мкм, маслоемкость поверхности достигает 1,305 мкм/мкм.