Обеспечение качества и износостойкости поверхностного слоя деталей машин

УДК 621.9.01; 621.921.34

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА И ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

В.И. Аверченков, В.В. Надуваев, Е.Н. Фролов

Рассмотрены перспективные комбинированные упрочняюще-отделочные процессы на основе электрофизических методов с последующей отделочной обработкой инструментом из синтетических сверхтвердых материалов, позволяющие управлять металлофизическими характеристиками поверхностных слоев деталей машин.

Ключевые слова: отделочно-упрочняющая обработка, электрофизические методы, качество, сверхтвердые материалы.

Качество 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 наиболее перспективными являются комбинированные упрочняюще-отделочные процессы, которые создаются на базе электрофизических методов обработки, позволяющих наиболее гибко управлять состоянием и свойствами рабочих поверхностей слоев тяжелонагруженных деталей. Предлагаемые методы финишной обработки решающим образом влияют на такие служебные и эксплуатационные свойства деталей, как износостойкость, сопротивление усталости, контактная жесткость, виброустойчивость и многие другие.

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, в частности, алмазным выглаживанием. 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 упрочение 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. Так, интенсивность изнашивания контртел из бронзы Бр 05Ц5С5, сопрягаемых с цилиндрическими образцами из стали 45, упрочненных лазерной обработкой (испытания проводились при смазке маслом «Индустриальное 12» при скорости скольжения 0,9 м/с и давлении 2,2 МПа), составила от 1,24-10-6 до 3,32-10-7 (табл. 1).

Таблица 1

Шероховатость упрочненных лазерной обработкой поверхностей образцов из стали 45 Ятст мкм (в скобках) и интенсивность изнашивания контртел из бронзы Бр 05Ц5С5 3-109, мкм/км

Плотность энергии излучения Q Коэффициент перекрытия пятен и Ятах

П1 = 0 П2=0,5

Ql = 1,3 Дж/мм2 331,85 296,78

281,01 217,91

Q2 = 2,5 Дж/мм2 1721,15 1897,15

1242,51 2049,05

Диаметр пятна контакта лазерного луча с обрабатываемой поверхностью составлял 4 мм. Образцы изготавливались из стали в стадии поставки. Дисперсионный анализ экспериментальных данных (табл. 2) показывает, что интенсивность изнашивания контртел из бронзы (образцы, упрочненные лазерной обработкой, за время испытания практически не изнашивались) зависит в основном от плотности энергии излучения Q наименьшая интенсивность изнашивания контртел 1= 2,82-10-7 соответствует Q1 = 1,3 Дж/мм , влияние фактора П и совместное влияние факторов QП оказываются незначимыми даже на уровне значимости а = 0,10. Причем 64,45 % вариации интенсивности изнашивания 1-10-9 по данным корреляционного анализа связано с параметром шероховатости Яшах упрочняемых образцов.

Таблица 2

Результаты дисперсионного анализа экспериментальных данных

Источник влияния Число степеней свободы Сумма квадратов Средний квадрат Р-отношение

Факторы: 11 4173608,3 4173903,4 12,82

Взаимодействие 1 144913,0 144913,0 4,46

Случайные фа- 4 129887,9 32472,0

торы

Сумма 7 4545290,7 4313576,5 19,36

Примечание. Критическое значение Р- отношения: Р14 0, 05 = 7,71; Б14

После последующей механической обработки упрочненных лазерной обработкой образцов накатыванием и алмазным виброполированием интенсивность изнашивания контртел из бронзы значительно уменьшилась (в отдельных случаях на несколько порядков) и составила от 2,19-10- до 5,8-10-11 (табл. 3).

Таблица 3

Интенсивность изнашивания контртел из бронзы Бр 05Ц5С51-10'9, трущихся в паре с упроченными лазерной обработкой образцами

из стали 45

Механическая обработка

Плотность Накатывание М1 Алмазное выглаживание М2

энергии излучения Q

Коэффициент перекрытия пятен П

П1 = 0 П2 = 0,5 П1 = 0 П2 = 0,5

01 = 1,3 108,150 0,132 0,083 0,067

Дж/мм2 162,824 0,084 0,458 0,058

0 2=2,5 5,113 12,256 186,976 0,157

Дж/мм2 93,170 55,742 219,411 0,482

Накатывание образцов из стали 45 диаметром 40 мм осуществлялось роликом с каплевидным контактом (диаметр ролика р = 1 мм, тангенс угла вдавливания /ф = 0,009, усилие деформирования Р = 800 Н, скорость обкатывания V = 56 м/мин, подача £ = 0,096 мм, число рабочих ходов / = 1). Алмазное виброполирование осуществлялось без смазочно-охлаждающей жидкости.

Параметр шероховатости Ятах образцов после накатывания уменьшился в среднем в 2 раза - с 3,26.. .15,98 до 1,49... 5,64 мкм, после алмазного виброполирования - в среднем в 2,3 раза - с 2,83 .8,81 до 1,31.5,92 мкм.

Влияние фактора Q оказывается менее существенным (в среднем, когда образцы из стали 45 упрочняются на уровне плотности энергии излучения Q1 = 1,3 Дж/мм , интенсивность изнашивания контртел из бронзы в 2 раза меньше) и 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 (для оптимальных условий лазерного упрочения на несколько порядков) износостойкости сопрягаемых деталей и пары трения в целом. Алмазное виброполирование является предпочтительным видом

обработки, однако преимущества накатывания 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 обуславливается выделением тепла Q на участке цепи, обладающем электросопротивлением Яээ, при протекании тока /ЭФФ в течение импульса длительностью г, т.е.

Q=\\ зэфф

00

где 3ЭФФ - эффективное

значение тока; Яээ — активное сопротивление участка цепи между электродами контактной машины; г и Т - координаты времени и температуры.

Так как технологический процесс ЭМО относительно длительный, следует учитывать также условия теплоотвода и связанные с этим потери тепла. Максимальная температура нагрева детали в месте подвода тока при ЭМО должна быть такой, чтобы обеспечивались необходимые глубина и твердость упрочненного слоя, компенсировались теплоотвод в обрабатываемую заготовку, инструмент и теплопередача в охлаждающую жидкость.

Активное электросопротивление ЯЭЭ при ЭМО, если пренебречь электросопротивлением материала инструмента и остальных участков цепи, по которой подводится ток, можно представить как

Яээ = Як + Ям,

где ЯК - электросопротивление подвижного контакта «роликовый инструмент - вращающаяся заготовка»; Ям - электросопротивление материала детали на поверхности упрочненного слоя. Составляющая Як зависит от изменения только температурного коэффициента удельного электросопротивления материала, а также глубины слоя, и в установившемся процессе ЭМО будет мало изменяться. Сопротивление Ям будет зависеть от вида материалов контактирующих поверхностей, размеров площади этой поверхности, структуры поверхностного слоя инструмента и детали (наличия поверхностных окислов, загрязнений, макро- и микрогеометрии поверхностей и др.), величины давления и температуры и др.

Обеспечить стабильные значения контактного сопротивления, а значит, температуры нагрева и глубины упрочняемого слоя возможно различными путями. В частности, это может достигаться пропусканием тока по импульсной схеме. Схема импульсного режима включает перегрев то-копроводящих микроконтактов, в которых из-за случайных попаданий на поверхность деталей окислов, загрязнений, местного рельефа поверхно-

стей, загрязнения инструмента в процессе ЭМО и т.п. возможно нарастание мгновенной плотности тока до значений 10... 100 А/см , что может вызвать подплавление поверхностей, испарение металла и выплески его из-под инструмента, появление глубоких впадин и т.д.

Импульсная схема пропускания тока предусматривает определенную длительность импульсов тока /имп и пауз между ними /пауз. Это способствует перераспределению тепла в моменты пауз во всех приконтактных объемах, стабилизирует сопротивление ЯЭЭ к моменту пропускания очередного импульса тока. Выбор /имп и /пауз будет влиять не только на максимальную температуру нагрева материала слоя и стабильность процесса ЭМО, но и на глубину слоя, площадь пятна контакта, производительность и экономические показатели упрочнения. Значения /имп и /пауз для конкретных деталей следует выбирать экспериментально, взяв за основу рекомендации по выбору /имп и /пауз для импульсной и контактной шовной сварки, а также при электроконтактной наварке порошковых материалов.

Изменяя длительность электромеханических импульсов и пауз между ними, а также скорость перемещения заготовки относительно инструмента, удается получить упрочненные поверхности с регулярной микротвердостью. Как показали предварительно выполненные исследования, поверхностная микротвердость упрочненных участков после ЭМО на деталях из стали 45 составила 6532.7910 МПа. Максимальное упрочнение наблюдалось до глубины 0,4.0,8 мм, переходный слой - до 2 мм, что позволяет проводить последующую обработку шлифованием и другими методами с применением инструментов из синтетических сверхтвердых материалов.

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 тросто-сорбитное строение, - до 4740.6350 МПа. При этом микротвердость исходного состояния стали составляла 2200.2600 ПМа.

Для оценки прирабатываемости поверхностей трения после ЭМО было выполнено сравнение с комбинированной обработкой, основанной на химико-термическом воздействии (цементацией).

Исследования проводились по плану двухфакторного эксперимента с двумя повторениями. В качестве первого фактора использовался метод упрочняющей обработки цилиндрических образцов М4, варьируемой на двух уровнях (цементация и электромеханическая обработка), в качестве второго фактора - метод отделочной обработки М0, также варьируемый на двух уровнях (шлифование и алмазное выглаживание).

Цементируемые цилиндрические образцы изготавливались из легированной стали, содержащей 3 % хрома и 0,2 % углерода, образцы, подвергаемые электромеханическому упрочнению, - из легированной стали, содержа-

250

щей 1 % хрома, 2 % никеля и 0,4 % углерода. Электромеханическому упрочнению образцов предшествовала их объемная закалка (32-38 ИЯС). Перед алмазным выглаживанием цилиндрические образцы подвергались шлифованию, а затем фрикционному меднению.

Нанесение фрикционных медных пленок, с одной стороны, интенсифицировало процесс алмазного выглаживания, поскольку снижало коэффициент трения между алмазным индентором и обрабатываемой поверхностью, и, с другой стороны, улучшало процесс приработки трущихся пар, способствуя их переходу в режим избирательного переноса.

Геометрические параметры качества рабочих поверхностей цилиндрических образцов (Яа, радиус скругления вершин неровностей р, безразмерный комплекс Крагельского - Комбалова А = Ятах/Ьр1^, где Ь и V - параметры степенной аппроксимации начального участка опорной кривой профиля неровностей) приведены в табл. 4.

Таблица 4

Геометрические параметры качества рабочих поверхностей

цилиндрических образцов

Метод отделочной обработки поверхности

Метод трения резца

упрочняющей обра- Параметры качества шлифование алмазное выглаживание

ботки резца до изнаши- после из- до изна- после

вания нашива- шивания изнашива-

Яа, мкм 0,98 0,63 0,60 0,46

Цементация р, мкм 33,20 90,90 470,80 369,90

А 0,126 0,033 0,004 0,009

Электроме- Яа, мкм 1,00 0,67 0,76 0,71

ханическая р, мкм 34,60 85,30 37,60 103,70

обработка А 0,121 0,035 0,091 0,023

Изнашивание образцов выполнялось по схеме «Вал - частичный вкладыш» на машине трения СМЦ-2 при скорости скольжения 107 м/мин и давлении 150 МПа в условиях граничного трения. Материал вкладышей -бронза БР 0ЮОСЮ. Длительность испытания на изнашивание составляла 24 часа. Рабочая поверхность вкладышей подвергалась растачиванию до Яа 0,8.

Так, с методами отделочной обработки связано 69,15 % вариации величин, характеризующих линейную интенсивность изнашивания образцов, 41,3 % величин, характеризующих интенсивность изнашивания контртел по массе, и 48,4 % величин, характеризующих интенсивность из-

нашивания по массе пар трения в целом. С методами упрочняющей обработки связано соответственно 6,4, 33,8 и 33,6 % вариации рассматриваемых величин.

Экспериментальные данные, полученные в процессе исследований, представлены в табл. 5.

Таблица 5

Экспериментальные данные по величине износа элементов

трущихся пар

Метод упрочняющей обработки образцов Метод отделочной обработки поверхности трения образца

шлифование алмазное выглаживание

износ образца износ контртела, мг износ образца износ контртела, мг

мкм мг мкм мг

Цементация 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 обработка 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 (у которых образцы упрочнялись цементацией, электромеханической и лазерной обработками), 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 (что в 60 раз меньше, чем для образцов, подвергаемых цементации и последующему шлифованию) и контртел по массе 2,3.10.8 мг/км (что в 2 раза меньше, чем для контртел, контактирующих с образцами, упрочняемыми цементацией с последующим шлифованием) [1].

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 со шлифованием имели лучшие результаты по линейной интенсивности изнашивания [2].

Проведенные исследования показали, что лазерная и электромеханическая обработка вызывают существенное повышение микротвердости поверхностных слоев детали (до 9000 МПа), однако величина упрочнения

252

распространяется на определенную весьма ограниченную величину, 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 [3].

Список литературы

1. Надуваев В.В., Фролов Е.Н. Прогрессивные технологии на основе комбинированной обработки // Материалы междунар. научн.-техн. конф. / БНТУ. Минск, 2012. С. 169 - 170.

2. Аверченков В.И., Надуваев В.В., Фролов Е.Н. Технологическое обеспечение продолжительности эксплуатации тяжелонагруженных деталей машин и элементов производственной оснастки // Материалы междунар. научн.-техн. конф. / БНТУ. Минск, 2015. С. 11 - 13.

3. Аверченков В.И., Надуваев В.В., Фролов Е.Н. Моделирование производственных систем // Наукоемкие технологии на современном этапе развития машиностроения / МАДИ. М., 2016, С. 133 - 136.

Аверченков Владимир Иванович, д-р техн. наук, доц, проф, зав. кафедрой, aver@,tu-bryansk.ru, Россия, Брянск, Брянский государственный технический университет,

Надуваев Владимир Васильевич, канд. техн. наук, доц., nsp32ayandex.ru, Россия, Брянск, Брянский государственный технический университет,

Фролов Евгений Николаевич, канд. техн. наук, доц., nsp32@yandex.ru, Россия, Брянск, Брянский государственный технический университет

ENSURING QUALITY AND DURABILITY THE SURFACE LAYER OF MACHINE PARTS V. I. Averchenkov, V. V. Naduvaev, E. N. Frolov

Prospective combined ProcName finishing processes on the basis of the electradi-tionsa methods with the subsequent finishing treatment tool of synthetic superhard materials, allowing you to control metal-physical characteristics of surface layers of machine parts.

Key words: finishing-strengthening processing, electrical methods, quality, super-hard materials.

Averchenkov Vladimir Ivanovich, doctor of technical science, professor, head of chair, averatu-bryansk.ru, Russia, Bryansk, Bryansk State Technical University,

Naduvaev Vladimir Vasilievich, candidate of technical sciences, docent, nsp32@yandex. ru, Russia, Bryansk, Bryansk State Technical University,

Frolov Evgeny Nikolaevich, candidate of technical sciences, docent, nsp32@yandex. ru, Russia, Bryansk, Bryansk State Technical University