Література. 1. А.Хасуи, О.Моригаки

1. А.Хасуи, О.Моригаки. Наплавка и напыление. - М.: Машиностроение, 1985. - 240с.

2.10. Фрикційно-зміцнююча обробка

Із розвитком машинобудування широко розвивалася і наука по обробці металевих виробів і сплавів. Переважна більшість методів полягає у зміцненні деталей, тобто сплавів і, в загальному, їх можна поділити на дві групи:

– до першої групи обробки відносяться: цементація з наступним гартуванням, азотування, поверхневе гартування, газополуменеве поверхневе гартування;

– до другої групи відносяться: дробинноструменевий наклеп, обкатування роликами, наклепування за допомогою кульок, обробка пневматичним інструментом та інші види обробки, які викликають поверхневу пластичну деформацію металу.

Широке використання вказаних методів обробки призвело до утворення окремого розділу в науці про метали, який отримав назву “Теорія поверхневого зміцнення”.

Одним з найбільш перспективних методів підвищення довговічності деталей машин є обкатування роликами (фрикційно-зміцнююча обробка).

Вказаний метод має ряд переваг, до яких відноситься досить висока чистота поверхні після обкатування, більша глибина наклепаного шару, простота застосування обкатування і можливість застосування їх на будь-якому машинобудівельному заводі.

При дослідженні впливу деяких видів механічної обробки на структурний стан загартованої сталі виявилося, що в зоні обробки (точіння, шліфування) при певних режимах можуть виникнути умови, при яких формується білий шар. Виникло питання про можливість використання вказаних шарів для підвищення деяких експлуатаційних характеристик деталей машин.

Дослідження температурно-силових параметрів механічної обробки дозволили зробити висновок, що необхідний тиск і температуру для утворення білого шару можна досягти за допомогою збільшення тертя між барабаном оброблюваної деталі та інструментом.

Найбільш зручним для досягнення цієї мети виявився принцип, закладений в шліфувальних операціях.

Так, Ю.І.Бабеєм був розроблений метод ФРУО, суть якого полягає в тому, що замість абразивного круга на шпиндель шліфувального верстата встановлюється металевий диск (ФРУО-1), а обробку деталі проводять аналогічно шліфуванню[1].

В зону контакту деталь-інструмент (подається) вводиться технологічне середовище – олива АС-8 (машинна, індустріальна або інші вуглеводні).

Оскільки металеві диски дозволяють використовувати високі швидкості обробки (40-80 м/с і вище), з’являється можливість створення високих температур і необхідних тисків. При цьому шорсткість поверхні досягає R_a = 1.00-0.16 мкм (7-9 клас). Стійкість диску є досить висока.

Характерним є також те, що замість твердого сплаву можна використовувати для виготовлення дисків звичайні вуглецеві та інструментальні сталі навіть в незагартованому стані. При виборі матеріалу диску слід добиватися максимальної відмінності фізико-механічних властивостей між матеріалом оброблюваної (поверхні) деталі та інструментом, – щоб запобігти налипанню стружки. Тому для зміцнення загартованих деталей краще використовувати диск з незагартованої сталі іншої марки. Зміцнювати деталі таким методом можна і на інших верстатах, наприклад, токарно-гвинтонарізних. У цьому випадку диск встановлюється в спеціальному приспосібленні (фортуні), надаючи йому обертання від автономного двигуна (ФРУО-2).

Рис.2.71. Схема установки для отримання БШ методами ФРУО-1 та ФРУО-2: 1 – оброблювана деталь; 2 – металевий диск; 3 – шпиндель

Шліци і зубці муфт можна зміцнювати на шліцешліфувальних і заточувальних верстатах; плоских деталей – на плоскошліфувальних, стругальних, фрезерних і інших (ФРУО-3) як ободом, так і торцевою частиною диску.

Різновидністю ФРУО є вигладжування вилоподібною гладилкою (ФРУО-4).

Характерною особливістю даного методу є те, що зміцнювати можна не тільки тіла обертання чи плоскі зразки, але й деталі різного профілю, в тому числі і різьби. Білий шар можна одержати на всіх сталях, що гартуються, сірих, високоміцних і інших чавунах.

Вимірювання складових зусилля зміцнення при ФРУО-3 показали, що збільшення вертикальної подачі від 0.05 до 0.3 мм (попе­редня подача 4.0 мм/дв. хід) призводить до збільшення товщини зміцненого шару від 20 до 100 мкм.

При зміцненні з вертикальною подачею (глибиною обробки) 0.05 мм і зустрічному переміщенні стола нормальна P_z і тангенціальна P_y складові досягають 216 і 20 Н відповідно; при зворотньому ході – 182 і 15 Н.

При зворотньому ході величини нормальної і тангенціальної складової сил приблизно в 1.2-1.5 рази менші в порівнянні із зустрічним зміцненням.

Таке зменшення сил при зворотньому ході стола пояснюється набагато меншим зняттям металу з поверхні деталі, ніж при зустрічному русі.

Якісний білий шар і низька жорсткість поверхні забезпечуються проходженням диску по зміцненій поверхні не менше двох і не більше чотирьох разів.

2.10.1. Сутність методу

Метод, що розглядається, полягає в тому, що попередньо оброблена тим чи іншим методом циліндрична деталь встановлюється в центрах токарного верстату і піддається обертанню та одночасному обкатуванню роликами, які вільно обертаються. При цьому колова швидкість деталі становить приблизно 40 м/хв, а швидкість диску є приблизно в два рази більшою від швидкості деталі й приблизно становить 80 м/хв, зусилля при цьому сягає 40-100 МПа.

Ролики виготовляються із сталі 40Х, яка для покращання її експлуатаційних властивостей піддається термічній обробці: гартування і низький відпуск.

Обробку можна одночасно проводити одним, двома, трьома і чотирма роликами.

Під дією тиску ролика на поверхню, що обкатується, у зовнішніх її шарах проходить пластична деформація, яка зберігається при знятті прикладеного зусилля. Деформація супроводжується зміною початкової форми і розмірів виробу.

При невеликих тисках на ролик пластична деформація виникає в області гребінців, що залишилися після певної механічної обробки. При незначних тисках на ролик деформація поширюється на значну глибину по перерізу виробу, приводячи до його поверхневого зміцнення. Так зміцнення, пов’язане із зміною властивостей металу під дією пластичної деформації, носить назву наклепу.

Величина деформації, яка визначає зміцнення металу, залежить від багатьох факторів, основними з яких є:

1) Тиск роликів на поверхню, що обкатується;

2) Геометрія ролика;

3) Якість матеріалу ролика;

4) Хіміко-фізичні властивості виробу, що обкатується;

5) Вихідна степінь чистоти поверхні, що обкатується;

6) Нагрів металу виробу і ролика в процесі обробки.

Поверхневий шар виробу, зміцнений обкатуваними роликами, знаходиться в напруженому стані, внаслідок внутрішніх напружень, які виникають.

Вони з’являються внаслідок різниці в характері деформації в об”ємі матеріалу, що обкатується: в поверхневих шарах має місце пластична деформація; у внутрішніх – пружна. Метал пружно-деформованої зони прагне повернутися у свій попередній стан, однак цьому перешкоджає поверхневий пластично-деформований стан. У результаті взаємодії цих шарів виникають значні внутрішні напруження.

В обкатаній деталі наявний поверхневий зміцнений шар, який володіє підвищеною твердістю. У ньому виникають внутрішні напруження. Тому таку деталь можна прирівняти до деталі, яка піддавалася поверхневому гартуванню.

2.10.2. Порівняння різноманітних методів поверхневого зміцнення

На рис.2.72 показано зміну твердості по діаметру поперечного перерізу обкатаного і поверхнево-загартованого зразка.

При обкатуванні роликами твердість різко зменшується відразу ж близько до поверхні, а при гартуванні вона змінюється мало, і лише в перехідній зоні вона змінюється різко.

Азотування дає найбільше зміцнення на поверхні; з віддаленням від поверхні твердість різко падає.

Рис.2.72. Зміна твердості по діаметру поперечного січення зразків:

1 – обкатування роликами; 2 – поверхневе гартування

Дробинноструменевий наклеп, як і азотування, змінює властивості вихідного металу на невеликій глибині.

Важливе значення мають залишкові напруження. При азотуванні на поверхні деталі виникають значні залишкові напруження стиску, які різко зменшуються при збільшенні відношення товщини шару до радіуса.

Поверхневе гартування струмами високої частоти, на відміну від азотування, викликає значні напруження стиску, які поширюються на велику глибину. Однак, як при гартуванні струмами високої частоти, так і при цементації спостерігається деяке зниження залишкових напружень стиску в напрямку до поверхні.

Дробинноструменева обробка створює на поверхні деталі значні залишкові напруження стиску, але їх дія, як і при азотуванні, поширюється на незначну глибину.

Дані, приведені в табл.2.22, показують ефективність обкатування роликами в порівнянні з іншими методами поверхневого зміцнення. Обкатування сталі 18ХНВА призвело до майже такого самого ефекту, як і цементація аналогічної сталі (20ХНВА). Однак цементація, як метод поверхневого зміцнення, по своїй складності набагато поступається обкатуванню роликами.

Таблиця 2.22.

Ефективність обкатування роликами в порівнянні

з іншими методами поверхневого зміцнення

Вид обробки	Марка сталі	∆/год	Збільшення границі втомної міцності, %
Азотування	ЕИ275	0.02
Цементація	20ХНВА	0.07
Цементація	12ХНВА	0.07
Нітроцементація	18ХНВА	0.01
Поверхневе гартування	40ХНВА	0.2
Обкатування роликами	18ХНВА	0.1
Наклепування дробом	18ХНВА	0.04

2.10.3. Мікроструктура металу, зміцненого обкатуванням роликами

На рис.2.73 а і б приведена мікроструктура поверхневого шару зразка, вирізаного із наклепаного обкатуванням роликами валу, виготовленого із сталі марки Ст5. Як видно з рис.2.73, мікроструктура металу після обкатування сильно змінилася – кристалічні зерна, розташовані поблизу поверхні, здеформувалися.

Рис.2.73. Мікроструктура поверхневого шару сталі Ст5

після зміцнення: а – до обкатування; б – після обкатування

Такий же характер має мікроструктура обкатаної поверхні (рис.2.74).

Рис.2.74. Мікроструктура поверхневого шару зразка, вирізаного

з наклепаного обкатуванням роликами стального вала (Ст 5)

У результаті тиску ролика на поверхню, що обкатується, проходить деформування металу: кристалічні зерна подрібнюються і витягуються у визначеному напрямку. Така структура деформованого поверхневого шару подібна до структури дрібнозернистого металу. Однак підвищений тиск ролика може призвести до руйнування цього шару.

2.10.4. Чистота поверхні деталей, оброблених обкатуванням роликами

У результаті тиску ролика на оброблювану поверхню різнома­нітні шороховатості, що існують на поверхні, згладжуються під дією пластичної деформації.

Описаний метод чистової обробки обкатуванням роликами має в порівнянні з іншими методами ту перевагу, що обробка проводиться без доводочних і поліруючих матеріалів. При їх застосуванні абразивні зерна вдавлюються у зовнішній шар оброблюваної поверхні, погіршуючи її зносостійкість.

Метод обкатування роликам для покращення чистоти поверхні застосовується вже давно. Такій обробці підлягали шийки паровозних і тендерних осей підшипників ковзання.

Чистота поверхні деталі при обробці різанням в основному залежить від режиму різання і геометрії ріжучого інструмента.

В залежності від цих факторів чистота поверхні шийок осей після обточування різцем (відповідно ГОСТ 2789-81) відповідає 4-му, 5-му або, в кращому випадку, 6-му класу точності, що є набагато гірше від обробки поверхні обкатуванням роликами.

2.10.5. Зносостійкість поверхонь, оброблених обкатуванням роликами

Чистота поверхні, обробленої тим чи іншим методом, в значній мірі обумовлює величину зношування поверхні пар, які труться.

На рис.2.75. показана крива залежності величини зношування від часу.

Величина М₀ називається величиною зношування при притиранні матеріалів і характеризує спрацювання поверхонь у перший період роботи.

Рис.2.75. Крива протікання зношування поверхні сталі,

зміцненої обкатуванням роликами

Протягом цього періоду відбувається інтенсивне згладжування мікронерівностей внаслідок пластичного і пружного деформування вершин окремих виступів. Тому величина зношування залежить від чистоти поверхні, отриманої після обкатування роликами.

В перший період досліджень в області поверхневого зміцнення методом обкатування роликами основна увага приділялялась ефек­тивності процесу обкатування як методу збільшення твердості і го­ловне – підвищенню втомної міцності. Щодо впливу наклепу на зносостійкість, то деякі дослідники вважали, що обкатування роликами практично не підвищує опір зношуванню поверхонь. Однак досвід цілого ряду заводів відкинув це твердження і доказав, що вказана зміц­нююча об­робка позитивно впливає на зносостійкість поверхонь тертя.

В.А.Кельдюшев провів спеціальні дослідження для визначення впливу зміцнюючої обробки обкатуванням роликами на зносостійкість поверхні. Дослідженню піддавались багато деталей машин і всі проведені експерименти показали, що зміцнення поверхні, зокрема, стальної деталі обкатуванням роликами позитивно впливає не тільки на її зносостійкість, але і на зносостійкість співпрацюючої в парі з нею іншої деталі.

Позитивні відгуки існують також і в зарубіжній літературі, де приводяться цікаві дані про успіхи зміцнюючої обробки поверхонь обкатуванням роликами.

2.10.6. Застосування

Фрикційно-зміцнююча обробка одержала широке застосування у виробництві для підвищення зносостійкості поверхні металів. Даний метод поверхневої обробки металів та сплавів є досить технологічним і має ряд своїх переваг у порівнянні з іншими методами обробки та зміцнення виробів. Зокрема, метод фрикційно-зміцнюючої обробки досить дешевий у порівнянні з електрохімічними і електрофізичними методами та із рядом інших методів обробки деталей.

Фрикційно-зміцнююча обробка не потребує додаткових затрат стосовно легуючих елементів, що не можна сказати про інші методи зміцнення поверхні виробів. Крім цього, в результаті фрикційно-зміцнюючої обробки можна підвищити міцність поверхневого шару, яку не можна досягти багатьма іншими методами. Технологія фрикційно-зміцнюючої обробки досить проста у користуванні.

Дата добавления: 2015-07-18