Технологические методы повышения эксплуатационных свойств деталей машин

Формирование поверхностного слоя с заданными свойствами в процессе изготовления деталей является одной из важнейших задач технологии машиностроения, причем более сложной, чем обеспечение точности. Качество поверхностей деталей зависит, в основном, от методов и режимов проведения финишных операций.

Для получения износостойкого поверхностного слоя частоприменяют традиционные методы упрочнения: поверхностная закалка ТВЧ, различные виды химико–термической обработки (цементация, азотирование, цианирование и др.); газотермическое нанесение покрытий (металлизация) на рабочие поверхности (газопламенная, электродуговая, плазменная и др.).

Для придания поверхностному слою деталей повышенной твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и пр. применяют электролитические (гальванические) и химические покрытия. Нанесение металла на поверхность детали происходит путем кристаллизации его из раствора соответствующей соли (электролита) в результате прохождения через соль электрического тока.

На рис.2.17 показана схема гальванического осаждения металла.

При прохождении через электролит постоянного тока молекулы раствора расщепляются на положительно за­ряженные частицы – катионы и отрицательно заря­женные – анионы. Катионы перемещаются к отрицательному электроду (катоду), где осаждаются, превращаясь в нейт­ральные атомы. Анионы перемещаются к про­тивоположному электроду (ано­ду), где также теряют свой заряд и превращаются в нейтральные атомы. Катодом служит покрываемая деталь, анодом – либо металл, соль которого находится в растворе, либо металл, который нерастворим в электролите.

При хромировании в качестве электролита используется водный раствор хромового ангидрида с применением нерастворимых свинцово-сурьмянистых анодов (95% свинца и 5% сурьмы). Хромовые покрытия обладают высокой твердостью, хорошей износостойкостью, высокой кислотостойкостью и теплостойкостью. Хромовые покрытия применяют также для восстановления размеров изношенных деталей, в качестве антикоррозионного и декоративного покрытия. Толщина хромового покрытия до 0,3мм. Дефектный хромовый слой снимается соляной кислотой.

При меднении, цинковании, кадмировании, лужении, никелировании используются растворимые аноды из материала, соответствующего виду гальванического покрытия.

Меднение применяется в качестве подслоя перед никелевым, хромовым и другими покрытиями при защитно-декоративной обработке стальных изделий, для местной защиты от цементации, дляулучшения притирки трущихся поверхностей, а также для защиты откоррозии контактов и химической аппаратуры.

Цинкование применяется для защиты от коррозии деталей машин, крепежных деталей, стальных листов, проволоки и других деталей, работающих в различных климатических условиях, а также для защиты стальных изделий от действия бензина и масла.

Кадмирование применяется для защиты от коррозии электрических контактов, изделий и деталей машин, соприкасающихся сморской водой.

Лужение (покрытие оловом) применяется для защиты от коррозии деталей оборудования пищевойпромышленности, контактов, поршневых колец, для местной защиты деталей от азотирования, а также при пайке деталей.

Никелирование применяется для защиты от коррозии медицинских инструментов; химической и электрохимической аппаратуры, работающей в щелочных растворах; для повышения твердости и износостойкости поверхностей деталей, а также в качестве подслоя под хром.

Для защиты поверхностей металлических изделий от коррозии применяются также лакокрасочные покрытия.

В современном машиностроении, для повышения эксплуатационной надежности поверхностного слоя деталей, имеется тенденция к замене обработки металлов резанием – давлением в холодном состоянии, т.е. поверхностно-пластическим деформированием (ППД). Обработка ППД основана на способности металлов к деформациям и соответствующему упрочнению поверхностных слоев металла в результате воздействия упрочняющее-калибрующего инструмента на обрабатываемую поверхность. Обработкой ППД достигаетсяточность до7-го квалитета и шероховатость доRа= 0,31 мкм.

Методы ППД подразделяют на статические и ударные. К статическим методам относятся однократные обжатия, обкатывание, выглаживание. При ударных методах инструмент, рабочие тела или среда многократно воздействуют на всю обрабатываемую поверхность, при этом сила воздействия в каждом цикле изменяется от нуля до максимума (дробеструйная и гидроабразивная обработка, центробежно-шариковый наклеп, обработка бойками и др.).

В качестве инструментов при ППД могут быть использованы бойки, шары, ролики, дорны, гладильники и др. инструменты. В качестве рабочих тел при ППД используются дробь, абразивные зерна, шарики из стали, стекла, пластмассы и др. Рабочей средой при ППД может быть жидкость, газ и др. суспензии с частичками абразива.

На рис. 2.18 показана схема обжатия поверхности пуансоном.

Усилие, которое необходимо обеспечить для пластического деформирования металла, опре­деляется с учетом механических свойств и объема металла, деформируемого за один рабочий ход пуансона. При обжатии шероховатость снижается и по­верхностный слой упрочняется на глубину до 1 мм.

Обкатка поверхностей вращения выполняется, обычно, на токарных и револьверных станках, плоских – на строгальных, зубьев зубчатых колес – на специальных станках. Обработке подвергаются черные и цветные металлы твердостью не более 400 НВ, деформируемые в холодном состоянии. Точность формы заготовки должна соответствовать готовой детали. Припуск на обработку устанавливается равным высоте исходных микронеровностей. Режимы обкатывания, обычно, выбираются опытным путем.

Скорость обкатывания роликами принимается в пределах 30…100 м/мин, а при обкатке шариками – 10…300 м/мин. В большинстве случаев обкатывание производится за один проход. В зону обкатки подается машинное масло или сульфофрезол. Ось ролика рекомендуетсяустанавливатьпод углом25'…30' относительно оси заготовки, в направлении подачи.

В результате обкатки повышается усталостная прочность поверхностного слоя на 20…40%, снижается шероховатость на 15…20%, повышается твердость на 20…40%, а глубина наклепанного слоя достигает 0,01…0,004 диаметра детали. В поверхностном слое после обкатки создаются остаточные напряжения сжатия. Срок службы деталей в результате обкатки увеличивается в 1,5…2 раза.

На рис. 2.19 показаны схемы процесса обкатывания различного вида поверхностей.

На рис. 2.20 приведены схемы упрочнения отверстий деталей.

В зависимости от размера отверстия, материала детали, состояния исходной поверхности, превышение размера инструмента при дорновании над размером отверстия (натяг) составляет от 0,02 до 0,15 мм. После дорнования снижается шероховатость поверхности, создается наклепанный слой глубиной 0,05мми более с остаточным напряжением сжатия, что способствует повышению износостойкости отверстий в 1,5…2 раза по сравнению с просверленными отверстиями.

На рис. 2.21 показана схема алмазного выглаживания на токарном станке.

Усилие Р, прикладываемое к детали, принимается в пределах 5…300Ни контролируется инди­катором по изменению дефор­мации упругого элемента приспо­собления для установки выглажи­вателя. Скорость вращения де­тали принимается в диапазоне 10…100м/мин, продольная подача от 0,02 до 0,1мм/об. Выглажи­вание стальных деталей проводится при охлаждении индустриальным маслом, а для цветных сплавов – керосином.

При выглаживании уменьшается шероховатость сRа = 1,25мкмдоRа = 0,32мкм, глубина наклепанного слоя не превышает 0,3мм, микротвердость увеличивается до 20…40%, в поверхностном слое создаются остаточные напряжения сжатия.

На рис. 2.22 показана схема виброобкатывания цилиндрической поверхности на токарном станке.

Для виброобкатывания используют шары диаметром от 2 до 30 ммили алмазные наконечники. Параметры режи­ма виброобкатывания обычно устанавливаются опытным путем: амплитуда осцилляции инстру­ментаl = 0,04…2 мм,Р = 150…500 Н,S = 0,07…4 мм/об,п_д = 6…160 об/мин, п_дв.х. = 14001/мин.

При использовании в качестве инструмента стального закаленного шара процесс называют выброобкатыванием, при использова­нии сферического наконечника из алмаза или другого сверхтвердого материала – вибровыглаживанием, так как процесс происходит в условиях трения скольжения.

В результате виброобкатывания на поверхности образуется перекрещивающийся микрорельеф в виде сетки канавок. Поверхности, обработанные виброобкатыванием, обладают повышенной усталостной и контактной прочностью, коррозионной стойкостью, гидроплотностью. Метод выброобкатывания применяется для упрочнения автотракторных гильз, клапанов, шпинделей, гидроцилиндров, матриц вытяжных штампов, прокатных валков и других деталей.

При дробеструйной обработке углеродистых сталей дробинками из отбеленного чугуна или закаленной сталидиаметром 0,5…1,5ммдостигается глубина наклепа до 0,5…1мм, исходная твердость повышается на 20…40%. Дробеструйную обработку широко применяют для повышения стойкости против усталости деталей – валов, зубчатых колес, рессор, пружин, торсионных валов, штанг глубинных насосов и др.

Эффективным методом упрочнения поверхности детали является центробежно-шариковый наклеп (рис.2.23).

Метод основан на использовании центробежной силы, возникающей при свободном перемещении в гнездах приспособления, вращающегося со скоростью 20...40 м/с,стальных шариков диаметром7...12мм. Деталь вращается со скоростью 30...90 м/мин. Про­дольная подачаприспособ­ле­ния принимается0,02...0,2 мм/обв зависимости от обрабатываемого материала. Обработ­ка выполняется за 2…3 прохода.

При центробежно-шариковом наклепе твердость стали повышается на 25…45%, чугуна – на 30…50%, латуни – на 60%. Глубина наклепанного слоя достигает 1,5 мм. Данный метод применяют для обработки поверхностей коленчатых валов, гильз цилиндров, поршневых колец и других деталей.

Для упрочнения поверхностей деталей используют ударные бойки, проволочные инструменты (щетки, иглофрезы). Иглофрезы, кроме упрочнения, обеспечивают съем металла толщиной 1…3 мм.

Применение методов упрочняющей технологии повышает долговечность машин, снижает затраты на изготовление и эксплуатацию машин.