ЛЕКЦИЯ № 6
План лекции:
1. Сущность процесса ФАБО.
2. Приспособления для ФАБО.
3. Использование и эффективность ФАБО.
4. Опыт применения ФАБО.
ФИНИШНАЯ АНТИФРИКЦИОННАЯ БЕЗОБРАЗИВНАЯ ОБРАБОТКА (ФАБО) ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ
ФАБО — процесс нанесения защитной металлической пленки на стальную или чугунную поверхность. Покрытие находится в напряженном состоянии, способном при воздействии активного смазочного материала подвергаться избирательному растворению и создавать сервовитную пленку.
Сущность процесса состоит в том, что стальные или чугунные детали после традиционной окончательной обработки резанием их поверхности (резание, шлифование, хонингование) покрывают тонким слоем (1... 4 мкм) латуни, меди или бронзы. Покрытие производят путем трения латунного, медного или бронзового прутка (инструмента) о поверхность детали, смазывая при этом поверхность трения технологической жидкостью. При трении материал инструмента переносится на стальную (или чугунную) поверхность детали.
Для того чтобы наносимый слой латуни был сплошным и ровным, необходимо, чтобы поверхность детали не имела окисных и масляных пленок, а материал латуни пластифицировался ПАВ в процессе нанесения покрытия. Давление прутка к поверхности детали должно обеспечить полное прилегание инструмента к поверхности детали. При таких условиях перенос материала с инструмента на деталь происходит сплошным слоем, состоящим из очень мелких частиц, хорошо сцепленных с поверхностью обрабатываемой детали и между собой.
С этой целью детали, подлежащие ФАБО, обезжиривают, зачищают шлифовальной шкуркой, а сам процесс ФАБО производят при смазывании обрабатываемой поверхности технологической жидкостью, например глицерином. Глицерин в результате малой адсорбционной способности не препятствует непосредственному контакту, а значит, схватыванию металлических поверхностей при трении. В то же время при повышенной температуре, возникающей при трении, он восстанавливает окисные пленки как на стали, так и на инструменте, что способствует схватыванию и улучшению условий переноса материала инструмента.
Шероховатость поверхности после ФАБО деталей практически не отличается от исходной шероховатости.
Приспособления для ФАБО. ФАБО поверхностей деталей, представляющих тела вращения (болты, оси, втулки и др.) можно проводить с помощью простейшего приспособления на обычном токарно-винторезном станке. Приспособление показано на рис. 1.
Рис. 1. Приспособление для ФАБО валов, болтов и др. деталей:
1— деталь, подвергаемая ФАБО; 2 — центр задней бабки; 3 — инструмент; 4 — крепежный винт; 5 - плунжер; 6 — пружина; 7 — заглушка; 8 — корпус приспособления; 9 — ведущий центр
Рис. 2. Приспособление для ФАБО цилиндров двигателя
Обработку ФАБО гильз цилиндров производят на токарном станке с помощью приспособления, установленного в резцедержателе токарного станка. На рис. 2 показана его передняя часть. Она имеет головку 8 со стаканами 7 и 16; в разрезных направляющих втулок 2 и 15 перемещаются два подвижных штока 6 и 12. Через систему рычагов усилие от подпружиненной тяги 9 передается на штоки, и установленные в них прутки латуни или бронзы 4 и 14 прижимаются к обрабатываемой поверхности 3 с давлением 80...120 МПа. Рычаги 17 соединены шарнирно с крышкой 1 головки и вилкой тяги. Самоустановка прутков латуни в процессе работы обеспечивается перемещением вилки 11, имеющей паз, относительно болта 10. По мере износа прутки перемещаются в радиальном направлении в гайках 5 и 13 на 12 мм, что достаточно для обработки одним комплектом прутков диаметром 4 мм нескольких гильз диаметром 150 мм и длиной 264 мм.
Также известно приспособление и разработан технологический процесс нанесения покрытия на прецизионные детали (рис.3).
Рис. 3. Схема фрикционного латунирования:
1- обрабатываемая деталь; 2 - пруток; 3 - хомут; 4 - подвижная часть приспособления; 5 - электродвигатель; 6 - пружина; 7 - измерительный штырь; 8 - планка; 9- корпус
Нанесение покрытия на поверхности деталей в виде тел вращения производят на обычном токарно-винторезном станке. Детали в виде цилиндра устанавливают между центрами, один из которых закреплен в патроне и при работе станка приводит во вращение деталь, а второй вращающийся центр закреплен на задней бабке станка.
Приспособление устанавливают на суппорт токарного станка с помощью отверстия в неподвижном корпусе и крепят стопорным винтом.
Пруток из медного сплава зажимают в державке электродвигателя, который сообщает ему вращательное движение.
Электродвигатель прикреплен к подвижной части приспособления при помощи хомутов. Давление прутка на деталь регулируется натягом поперечного суппорта при помощи индикаторного приспособления с пружиной, предварительно тарированной. Фрикционную обработку производят при скорости скольжения прутка 0,1 ...0,2 м/с, удельном давлении 50...70 МПа, продольной подаче 0,1 ...0,2 мм/об, частоте вращения прутка 200...250 об/мин, диаметре прутка 4...6 мм, число проходов 2...3.
За последние годы в России (к. т.н. ) и в Германии (д. т.н. проф. Польцером) для производства ФАБО цилиндров разработаны полуавтоматы, которые используются на предприятиях по ремонту автотракторной техники. В России полуавтоматы для ФАБО цилиндров изготавливаются малыми сериями; стоимость одного полуавтомата приблизительно равна 40 тыс. руб. (цена 1999 г.).
В Польше известным специалистом в области трения, износа и смазки в машинах является д. т.н., проф. Ришард Марчак.
Для исследования физико-химических процессов, протекающих в зоне фрикционного контакта, проф. Р. Марчаком была сконструирована и изготовлена установка с электронной аппаратурой по определению коэффициента трения и износа (рис. 4.).
Рис. 4. Схема установки для исследования на машине МТ-1:
1— образцы; 2 — контртело; 3 — масляная ванна; 4 — термометр
Р. Марчак совместно с , и провели на данной установке детальное исследование зависимости трибологических свойств в системе латунь—глицерин—сталь и бронза глицерин—сталь от времени при неизменных внешних условиях. Установлено, что переход в режим безызносного трения происходит в течение длительного интервала времени. Сам режим безызносности в том случае, если он реализуется, характеризуется коэффициентом трения менее 0,001 и практически нулевым износом пары трения (рис. 5).
Анализ полученных данных (рис. 5) позволяет выявить особенности перехода исследуемых систем из режима приработки в установившийся режим трения. После приработки систем трения наблюдается падение на порядок интенсивности износа. Непрерывные ее изменения проявляются в колебаниях с небольшой амплитудой вблизи нулевого значения, что связано, по мнению авторов, с массопереносом в условиях самоорганизации.
Интересные результаты были получены Р. Марчаком на созданной установке по оценке влияния приработки при смазывании маслом с активными добавками. Испытанию подвергалась пара трения из стали Ст4: при смазывании чистым маслом и маслом с активными добавками, а также маслом с активными добавками, но после приработки. Результаты испытаний в координатах скорость - нагрузка приведены на рис. 6.
Рис. 5. Зависимость интенсивности износа от времени для систем латунь — глицерин — сталь(а ) и бронза — глицерин — сталь (б)
Рис. 6. Трибологические характеристики
Из приведенных результатов следует вывод, что активная присадка значительно расширяет границы применения трущейся пары сталь—сталь (кривые а и б в сравнении), а в случае еще предварительной приработки эти границы еще более расширяются (кривая с). Анализ приведенных результатов позволяет объяснить причины значительного последействия ФАБО на износостойкость цилиндров двигателей внутреннего сгорания, шарнирноболтовых сочленений, колес железнодорожного транспорта и др. узлов трения.
Высокое качество приработки после ФАБО создает трущемуся сочленению высокую износостойкость в последующей его работе.
Проф. Польцером и его учениками были разработаны и сконструированы несколько приспособлений и станок-полуавтомат по ФАБО цилиндров автомобильных двигателей, которые вот уже более 10 лет используются на одном из ремонтных предприятий Германии.
Отмечены следующие научные результаты проф. Г. Польцера и его учеников:
— отмечаются высокие антифрикционные свойства латунных покрытий, полученных фрикционным способом. Причем эти свойства сохраняются и после того, как покрытие будет полностью изношено. Следствием этого является то, что при латунировании стальная и чугунная поверхности упрочняются на глубину до 80 мкм;
— при высоких нагрузках латунирование одной из стальных поверхностей снижает температуру и коэффициент трения не менее чем в 2 раза;
— оптимальный подбор технологической жидкости при латунировании цилиндров двигателей позволяет сразу получить сервовитную пленку из меди. Это свидетельствует о том, что процесс ФАБО относится к технологиям, реализующим избирательный перенос при трении;
— финишная антифрикционная безабразивная обработка цилиндров двигателя при оптимальных режимах его работы может снизить удельный расход топлива до 3%;
— латунирование гильз цилиндров снижает наводороживание поверхности трения цилиндров.
На основания проведенных обширных лабораторных исследований фрикционного латунирования деталей и стендовых испытаний автомобильных двигателей проф. Г. Польцер пришел к выводу, что ФАБО в парах трения машин и оборудования может заменять дорогостоящие и достаточно безвредные для природной среды способы нанесения покрытий, предназначенные уменьшить трение и износ. К таким покрытиям он относит: фосфатирование, обработку перегретым паром, азотирование, гальванические покрытия из меди и др.
Использование ФАБО.
Технологический процесс ФАБО целесообразно использовать с целью повышения ресурса следующих машин и механизмов:
— цилиндро-поршневой группы, кривошипно-шатунного и другого механизмов автомобильных, танковых, корабельных двигателей (как основных, так и вспомогательных) и других двигателей (самоходных установок, тягачей, тракторов и др.);
— артиллерийских орудий с целью исключения хромирования и повышения живучести внутренней поверхности ствола;
— узлов трения самолетов (шасси, планера, управления, деталей гидравлической системы, подшипников электродвигателей и др.);
— электрических слаботочных контактов электрооборудования и т. д.
Технологический процесс ФАБО используется с целью устранения задиров в шарнирно-болтовых соединениях на самолетах типа ТУ и повышению износостойкости и устранения задиров в узлах трения машин текстильной промышленности. В автотракторной промышленности ФАБО применяют для ускорения приработки цилиндров двигателей и поршневых колец, шеек коленчатых валов и сопрягаемых с ними вкладышей. В турбореактивных двигателях ФАБО использовали для повышения срока службы подшипников качения и деталей топливной аппаратуры. В станкостроении процесс ФАБО используется для устранения задиров и снижения скачков при трении кареток и направляющих.
В Германии фирма Пайсиг (г. Цвиккау) применяет ФАБО цилиндров мотоциклетных и автомобильных двигателей.
В последнее время в России и разработали процесс ФАБО для повышения колесных пар железнодорожного транспорта. Колеса вагонов, обработанные ФАБО, проходят испытания на железной дороге Германии с 1995 г. с положительным результатом.
Эффективность технологического процесса ФАБО.
Исследования свидетельствуют, что процесс ФАБО позволяет:
— снизить время приработки деталей в 1,5...2 раза;
— исключить задиры поверхностей трения деталей;
— повысить несущую способность сочленений;
— защитить поверхности трения от водородного изнашивания;
— снизить температуру трения и продлить период работы узла трения при выключении подачи смазки;
— уменьшить коэффициент трения и тем самым снизить потребление топлива двигателями внутреннего сгорания до 3%;
— продлить срок службы подшипников качения до образования усталостных повреждений.
К особенностям процесса ФАБО относятся:
— чрезвычайно низкий расход материала;
— низкий расход механической энергии;
— безвредность для окружающей среды;
— короткая продолжительность нанесения покрытия (несколько секунд и минут) с помощью автоматизированного оборудования;
— стабильное и хорошее качество покрытия;
— замена дорогостоящих способов обработки поверхности;
— экономическая целесообразность при большом и небольшом числе изделий.
От ФАБО может быть получен следующий экономический эффект:
— снижение износа до 40% в смазанных парах трения из стали и чугуна;
— большая производительность в результате более высокого КПД;
— устранение склонности к схватыванию;
— применение этого способа в процессе приработки;
— экономия энергии вследствие уменьшения трения.
В результате можно указать следующие области применения ФАБО:
— пары трения из стали (особенно из высококачественной) и чугуна;
— детали цилиндрической и плоской формы или в форме вала или тела вращения;
— при смазывании пары трения с большинством смазочных материалов, а также при смазке водой, кислотами, щелочами;
— особенно пригоден способ при высокой склонности к схватыванию и небольшом действии абразива в зоне трения;
— в целях предотвращения окисления при трении;
— для повышения предела усталости деталей из стали и чугуна.
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ФАБО
Работа к. т.н.
В течение нескольких лет проводилась работа по снижению шума, повышению износостойкости пар трения, снижению усилий перемещения подвижных органов металлорежущих станков, уменьшению утечек в гидропередачах, а также повышению стойкости металлорежущего инструмента.
В процессе выполнения работ были проанализированы материалы по долговечности металлообрабатывающего оборудования 200 предприятий, из них на 156 была выявлена необходимость проведения работ по повышению износостойкости узлов трения станков и механизмов с использованием избирательного переноса.
Таблица 1
№ п/п | Вид соединения | Получаемый эффект от применения новых методов | Способы достижения эффекта |
1 | Зубчатые передачи | Сокращение времени обкатки и приработки. Снижение уровня звукового давления | Финишная антифрикционная безабразивная обработка (ФАБО) + металлоплакирующая смазка передачи |
2 | Направляющие станин и подвижных органов станков | Ликвидация скачков. Снижение усилий на перемещение подвижных органов | ФАБО поверхностей с применением смазочных материалов, содержащих ПАВ |
3 | Аксиально-поршневые насосы, гидроприводы | Повышение износостойкости пар трения втулка-поршень. Экономия цветных металлов | Замена пар трения цветной металл-сталь на сталь-сталь + ФАБО + металлоплакирующая присадка к маслу |
4 | Винтовые передачи | Устранение заедания. Плавность и снижение усилий перемещения деталей | ФАБО + металлоплакирующая присадка к маслу |
5 | Подшипники скольжения | Повышение износостойкости пары вал-втулка. Экономия цвет, металлов | Замена пар трения из цвет, металл-сталь на сталь-сталь + ФАБО + металлопл. присадка к маслу |
6 | Металлорежущий инструмент | Повышение стойкости инструмента, жесточение режимов резания | Введение в смазочно-охлаждаю-щую жидкость металлоплакирующей присадки. |
Анализ номенклатуры деталей и узлов станков позволил выявить целесообразность применения эффекта безызносности для следующих видов пар трения (табл. 1).
На ряде заводов были выполнены с положительным эффектом работы по реализации режима эффекта безызносности (Талдомский опытно-экспериментальный завод, Вильнюсский станкозавод "Жальгерис", Псковский завод зубчатых колес, Егорьевский станкозавод, Дмитровский завод фрезерных станков, Московский завод гидроприводов и др.).
При проведении указанных работ были отработаны технологические процессы ФАБО, разработаны соответствующие составы технологических жидкостей, а также методы контроля. Кроме того, были изготовлены вспомогательное оборудование и устройства (оправки, нагружающие устройства, дозаторы и др.) для проведения ФАБО деталей. Ниже приводятся результаты проведенных работ.
1. Снижение усилий страгивания и перемещения по направляющим в узле "стол-станина" на 20...40% (продольно-строгальные станки Р - 6000, 7210, 7212 Сасовского станкозавода; станки мод. 52А50 и 53А80 Егорьевского завода).
2. Уменьшение утечек и повышение ресурса работы гидроприводов и гидросистем в 1,5...2 раза (гидроприводы Московского завода гидроприводов, завода "Зенит" г. Вилейка, Барнаульского завода транспортного машиностроения и др.).
3. Повышение стойкости металлорежущего инструмента и качества обработки поверхности в 2...5 раз (Вилейский завод "Зенит", завод "Знамя революции" и др.).
4. Повышение технико-эксплуатационных характеристик оборудования, сохранение класса точности обработки (ДЭМЗ, Горьковское СПО, завод "Зенит" г. Вилейка и др.).
5. Снижение коэффициента трения у подшипников скольжения шпинделей на 30%, а также подшипников электрических двигателей различных типов (Рязанское СПО, НПО "Псковэлектромаш" и др.).
6. Снижение уровня звукового давления приведено в табл. 2.5.
В результате проведенной работы считает, что применение избирательного переноса в станкостроении позволяет обеспечить:
— снижение энергоемкости станков на 10...20%;
— увеличение срока сохранения класса точности в 1,5...3 раза;
— повышение стойкости инструмента в 2...5 раз;
— увеличение срока межремонтного периода в 1,5 раза;
— повышение виброакустических характеристик, снижение времени обкатки;
— повышение плавности перемещения рабочих органов;
— снижение усилий перемещения рабочих органов на 20...40%;
— экономию цветных металлов.
Работа д. т.н. u C.M. Мамыкина
Применение ФАБО поверхностей катания колес. Предварительно заметим весьма любопытное мнение кина и о причине резкого скачка в снижении износа колесных пар в последние годы в России. Они считают, что при переходе железнодорожного транспорта с подшипников скольжения на подшипники качения изменилось состояние контактных поверхностей рельсов.
При эксплуатации подшипников скольжения железнодорожное полотно было всегда обильно покрыто смазкой, вытекающей из букс подшипников. Железнодорожный персонал тщательно смазывал буксы, предупреждая их перегрев, который нередко грозил тяжелыми последствиями. Расход смазочных материалов был велик. Смазка, вытекающая из букс, содержала большое количество продуктов износа антифрикционного слоя и была насыщена не только частицами меди, свинца и олова, но и содержала комплексные соединения этих металлов. Все это служило защитой проникновению водорода в поверхности трения как колеса, так и рельса.
После перехода с подшипников скольжения на подшипники качения, что, безусловно, является прогрессивным фактором, поверхности качения колеса не стали смазываться вытекающей из букс смазкой. Это обстоятельство усилило водородный износ колес и рельсов, особенно гребня колеса, поверхности которого испытывают более значительные нагрузки от проскальзывания.
Учитывая вышеизложенное, авторы провели исследование состояния поверхностей трения колес при их выбраковке. Установлено, что в ряде депо Московской железной дороги колесные пары в основном бракуются в результате износа гребня, изменения его геометрии (остроконечный накат), а также появления сколов, выщербин и др. При этом фактический пробег колесной пары в среднем составляет 60...80 тыс. км.
Статистика подтвердила, что увеличение интенсивности износа колесных пар и появление выщербин наблюдается в основном в осенне-весенний период, когда чаще выпадают осадки и повышается влажность воздуха, что естественно усиливает водородное изнашивание.
Исходя из анализа повреждения колесных пар и учитывая процессы, связанные с протеканием водородного изнашивания, авторы пришли к выводу о возможном снижения износа колесных пар путем их фрикционного латунирования (метод ФАБО).
Процесс ФАБО защищает стальные поверхности от проникновения водорода и придает им антифрикционные свойства.
Эксплуатационные испытания опытных колесных пар, обработанных по технологии ФАБО, полувагонов с осевой нагрузкой 27 т на экспериментальном кольце на станции Щербинка выявили снижение интенсивности износа на 39% по сравнению с серийными колесными парами при пробеге около 70 тыс. км (рис. 7)
Опытные колесные пары, прошедшие обработку по технологии ФАБО, в процессе эксплуатационных испытаний в поезде № 64 Москва - Лениногорск обеспечили пробег колесных пар более 200 тыс. км, что более чем в 3 раза превышает на данном маршруте пробег колесных пар после обычной переточки.
Авторы работы провели обработку 8 колесных пар на одном транспортном предприятии Германий. К настоящему времени опытные колесные пары имеют пробег более 280 тыс. км. Обмер колесных пар после пробега 150 тыс. км показал весьма низкую интенсивность изнашивания. По мнению немецких специалистов, колеса при такой интенсивности изнашивания экспериментальные колеса могут пробежать до 1 млн. км.
Рис. 7. Сравнительные данные испытаний по износу гребней:
1— стандартных колесных пар; 2 - обработанных по технологии ФАБО
, , и провели исследование содержания водорода в стружке, полученной при обточке колес и в продуктах износа с зависимости от их массы.
Количество водорода измеряли в см3 на 100 г металла.
Испытания проводились с использованием стружки (1...3 г) с поверхности катания колесной пары после ее обточки на колесотокарном станке. Исследовались три вида стружки: с поверхности катания обычного колеса после эксплуатации (1); с поверхности катания колеса после обработки методом ФАБО и 203 тыс. км пробега (2); с гребня колеса после обработки ФАБО и пробега колеса 293 тыс. км пробега (3).
Полученные данные сведены в табл. 2.
Таблица 2
Количество водорода, выделившегося из стружки при термодеструкции
Вид стружки | 1 | 2 | 3 |
Количество водорода, см3/100 г | 1 | 0,74 | 0,54 |
Как видно из полученных данных, обработка ФАБО почти в 2 раза снижает способность к насыщению водородом гребня колеса и на 25% его поверхности катания по сравнению с обычным необработанным колесом.
Исследовались также частицы износа разной толщины, отделившиеся с поверхности катания колесной пары в виде различного вида плоских чешуек и фрагментов металла, которые выпали из выщербин колесных пар, не прошедших обработку по технологии ФАБО (табл. 3).
Таблица 3
Содержание водорода в частицах износа в зависимости от их толщины
Номер измерения | Толщина, мм | Масса, г | Содержание водорода, см3/100 г |
1 | 2,8—3,2 | 3,26 | 1,5 |
2 | 2,8—3,2 | 2,33 | 1,77 |
3 | 2,8—3,2 | 1,65 | 1,76 |
4 | 1,8-2,2 | 0,55 | 2,45 |
5 | 1,8—2,2 | 0,51 | 2,65 |
6 | 0,8—1 | 0,17 | 6,1 |
7 | 0,8—1 | 0,19 | 5 |
Из приведенных данных следует, что в верхних слоях материала цельнокатаного колеса содержание водорода значительно больше, чем в более глубоких, что приводит к водородному износу. Полученные результаты убеждают в целесообразности применения ФАБО как средства снижения износа колесной пары.
Испытания колесных пар обработанных ФАБО в Латвии. из фирмы "Балт-Мобил" провел испытания 7 колесных пар, обработанных по технологии ФАБО на Латвийской железной дороге на маневровых локомотивах ЧМЭ-3, работающих на одном из наиболее неблагоприятных по износу гребней колесных пар участке Мангали (табл. 3).
Таблица 4
Сравнительные испытания обработанных и необработанных колесных пар
Показатель | Необработанные, мм | Обработанные, мм |
1. Максимальный износ гребней | 5,0 | 1,3 |
2. Максимальная разница износа между левым и правым колесом | 3,7 | 0,6 |
3. Суммарный износ всех колес | 20,7 | 5,3 |
Вопросы для самостоятельного изучения:
1. Опыт применения ФАБО.
Литература:
. ТРИБОТЕХНИКА. ИЗНОС И БЕЗЫЗНОСНОСТЬ
