Машиностроение и транспорт

МАШИНОСТРОЕНИЕ И ТРАНСПОРТ

УДК 621.81.004

УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

ПРИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

Рассмотрены технология, оснастка, управляемый источник питания для электромеханической обработки поверхностей трения деталей машин с целью повышения их износостойкости.

Ключевые слова: электромеханическая обработка, технология, упрочнение, износостойкость.

Значительная часть рабочих поверхностей деталей машин требует повышения долговечности, лимитированной в большинстве случаев их износостойкостью. Это может быть реализовано в условиях любого предприятия на универсальных станках, оснащенных специальным управляемым источником питания и соответствующей технологической оснасткой для электромеханической обработки (ЭМО).

В зависимости от требований к рабочей поверхности детали [1] ее электромеханическая обработка может осуществляться переменным или постоянным током. Причем ЭМО может быть использована как для упрочнения рабочей поверхности, так и для ее восстановления при ремонте, в том числе с нанесением добавочного износостойкого материала.

Технология электромеханической обработки основана на сочетании термического и силового воздействий на поверхность обрабатываемой детали, что приводит к изменению физико-механических и микрогеометрических показателей поверхностного слоя (повышению твердости и прочности, снижению высотных параметров шероховатости и т. д.) и, как следствие, к повышению эксплуатационных показателей деталей, в частности износостойкости, контактной жесткости и прочности, предела выносливости, теплостойкости, фреттингостойкости. Эффект упрочнения при ЭМО достигается благодаря тому, что реализуются сверхбыстрые скорости нагрева и охлаждения и достигается высокая степень измельченности аустенитного зерна, которая обусловливает мелкокристаллические структуры закалки поверхностного слоя, обладающего высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами [2-4].

Технология ЭМО реализуется на специальной установке, представляющей собой технологический комплекс, состоящий: из универсального станка (применяемого для механической обработки заготовок) с соответствующими инструментами и приспособлениями для закрепления обрабатываемой детали и подвода электрического тока большой силы и малого напряжения; силового блока для преобразования промышленного электрического тока; блока управления режимами обработки; средств коммутации и подвода смазывающе-охлаждающей технологической среды (СОТС); блока сопряжения с ПЭВМ.

Технологическая оснастка позволяет использовать технологию ЭМО мобильно, в совокупности с любым универсальным станком, применяемым для механической обработки заготовок. Инструментальная оснастка состоит из двухроликовой головки, закрепляемой в резцедержателе токарно-винторезного станка, и средств коммутации для электромеханической обработки наружных цилиндрических поверхностей.

Для реализации технологии ЭМО разработан управляемый источник питания, позволяющий осуществлять электромеханическую обработку переменным током промышленной частоты и постоянным током.

С помощью данного источника питания можно осуществлять упрочнение и отделочную обработку поверхностей деталей машин, изготовленных из средне-, высокоуглеродистых, легированных сталей и высокопрочного чугуна. Применение переменного тока промышленной частоты (от управляемого источника питания) обеспечивает плавный переход твердости от поверхности к сердцевине, большую глубину упрочнения (до 2 мм), высокую микротвердость упрочненного слоя (до 1000 НV), шероховатость поверхности (без отделочной обработки) в пределах Rа = 0,8 – 3,2 мкм. Упрочнение и отделочная обработка при применении постоянного тока позволяют добиваться высокого качества поверхности, когда не требуется большая глубина упрочнения (до 0,5 мм), а необходимо значительное уменьшение значений высотных параметров исходной шероховатости (для Rа – в раз).

Применение данной технологии ЭМО целесообразно для упрочнения и отделочной обработки рабочих поверхностей широкой номенклатуры деталей, работающих в различных условиях трения и изнашивания: осей, валов и штоков; шеек и галтелей ступенчатых валов; поверхностей деталей, образованных металлизацией, напылением, нанесением покрытий, наплавкой; сопряжений «вал – подшипник качения», работающих в условиях фреттинг-коррозии; прокатных валков; деталей, изготовленных из труднообрабатываемых металлов и сплавов, и др.

Основные технические характеристики установки для ЭМО:

·  Диаметр упрочняемой детали, мм 20 – 300

·  Форма тока:

а) синусоидальный (с фазовой отсечкой при регулировании)

частотой, Гц 50

б) постоянный

·  Диапазон регулирования рабочего тока, кА 0,4 – 4

·  Максимальное напряжение рабочего тока, В

(при Imax = 4 кА) 4

·  Управление рабочей силой тока – ручное или программное от ПЭВМ

·  Стабильность тока (при колебаниях питающей сети ± 10 %) ± 5 %

·  Глубина упрочненного слоя, мм 0,2 – 2,0

·  Максимальная потребляемая мощность, кВт 16

·  Напряжение питания, В 380 ± 10 %

Управляемый источник питания переменного тока с фазоимпульсным регулированием (с помощью программируемого микропроцессорного блока управления) выполнен в виде устройства, основными функциональными узлами которого являются силовой питающий трансформатор, тиристорный контактор, блок управления (рисунок).

Напряжение питающей сети поступает на тиристорный контактор и блок управления. В зависимости от заданной величины тока блок управления формирует импульсы, обеспечивающие необходимый угол отпирания тиристоров контактора. Напряжение с выхода контактора поступает на первичную обмотку силового трансформатора. К вторичной обмотке трансформатора подключается нагрузка. Датчик тока служит для получения сигнала, соответствующего величине выходного тока. Блок управления имеет выход на высший уровень управления (ПЭВМ).

В качестве силового питающего трансформатора применен трансформатор для машин контактной сварки. Силовой трансформатор подключается к клеммам шкафа управления с помощью гибкого кабеля.

Тиристорный контактор имеет открытое исполнение и состоит из двух тиристоров, включенных встречно-параллельно, элементов управления, а также разъема для подключения регулятора.

Блок управления регулирует выходной ток источника питания путем фазо-импульсного управления углом отпирания тиристоров контактора. Блок управления выполнен на основе регулятора контактной сварки и измеряет действующее значение выходного тока (текущее и среднее значения во время нагревов), а также напряжение питающей сети. На жидкокристаллическом индикаторе высвечивается следующая информация: параметры выполняемой программы; текущее и среднее значения выходного тока; напряжение питающей сети; позиции технологического цикла; количество циклов.

Конструктивно силовой питающий трансформатор, тиристорный контактор и блок управления размещаются в металлическом шкафу (шкаф управления). Органы управления, индикации и отображения информации расположены на двери шкафа. На лицевой панели шкафа управления расположены: кнопки задания параметров процесса; кнопка «Сброс»; 4-строчный жидкокристаллический индикатор; светодиодные индикаторы «Импульс», «Пауза», «Цикл», «Готов», «Авария»;  тумблеры управления режимами работы; индикатор напряжения сети.

Монтаж шкафа управления выполнен с помощью обычных и ленточных жгутов. Кабельные вводы расположены на нижней стенке шкафа. Шкаф управления имеет габаритные размеры 600´400´250 мм, массу 32 кг. Он закреплен вертикально на передвижной стойке, что позволяет располагать источник питания в непосредственной близости от места выполнения технологического процесса.

Электромеханическая обработка связана в основном с резким повышением твердости и снижением шероховатости обрабатываемой поверхности и в меньшей мере оказывает влияние на другие характеристики. Выбор оптимальных режимов ЭМО представляет значительный практический интерес и зависит от требуемой степени и глубины упрочнения, шероховатости поверхности, закономерностей контактного нагрева, начальной шероховатости, геометрии инструмента, структуры обрабатываемой заготовки, метода электромеханического упрочнения и т. д.

Влияние режимов электромеханической обработки на микротвердость поверхностного слоя и глубину упрочнения при ЭМО переменным током для различных материалов представлено в таблице. (скорость обработки u0 = 0,02 – 0,08 м/с; давление инструмента р = 10 – 30 МПа).

Как показали теоретико-экспериментальные исследования, проводимые методами планирования эксперимента, наибольшее влияние на качество и эксплуатационные показатели поверхностного слоя оказывают такие режимы электромеханического упрочнения, как сила тока, скорость обкатывания и давление ролика-электрода на обрабатываемую поверхность.

Методами математико-статистического моделирования получены следующие регрессионные зависимости между режимами упрочнения при ЭМО переменным током и микротвердостью поверхностного слоя, параметром шероховатости Rа:

Таблица

Влияние плотности тока на глубину упрочнения и микротвердость поверхностного слоя при ЭМО переменным током для различных материалов

Материал	Плотность тока j, А/мм2
400 – 500	600 – 700	750 – 850	900 – 1000	1100 – 1200
h	HV	h	HV	h	HV	h	HV	h	HV
Сталь 45	0,2 –0,3	360 –420	0,4 –0,5	480 –540	0,5 –0,6	550 –660	0,6 –0,8	680 –720	0,8 –0,9	760 –820
Сталь 40ХН	0,2 –0,4	540 –600	0,4 –0,5	620 –700	0,5 –0,6	750 –860	0,6 –0,8	900 –1000	-	-
Сталь 65Г	-	-	-	-	1,2 –1,4	820 –900	1,5 –1,7	950 –1080	1,8 –2,0	1050 –1180
Высоко-прочный чугун ВЧ50	0,4 –0,6	480 –620	0,6 –0,8	630 –740	0,8 –0,9	770 –870	1,0 –1,3	860 –1020	1,4 –1,6	980 –1100

Примечание. h – глубина упрочнения, мм; HV – микротвердость.

Оптимальные режимы электромеханического упрочнения позволяют получить закаленную структуру поверхностного слоя с повышенной износостойкостью, что обусловливается его высокой твердостью, прочностью и мелкозернистой структурой. Сжимающие остаточные напряжения в поверхностном слое от сил деформирования оказывают благоприятное влияние на различные виды разрушающих нагрузок в совокупности с повышенной пластичностью после ЭМО, что является одной из причин повышения контактной прочности поверхностного слоя. Кроме того, износостойкость повышается вследствие образования после ЭМО большей несущей способности профиля, чем после механической и термической обработки, что уменьшает время приработки; отсутствие прижогов и трещин наряду со снижением числа микронеровностей снижает число микроконцентраторов напряжения, что вместе с упрочнением поверхностных слоев повышает выносливость деталей на удар. Повышение износостойкости деталей машин, работающих в условиях трения скольжения, возможно также в результате электромеханической обработки при протекании электрического тока по импульсной схеме, благодаря чему на упрочняемой поверхности формируется специфическая текстура, представляющая собой чередование упрочненных и неупрочненных участков.

Методами математико-статистического моделирования получена зависимость между скоростью изнашивания и режимами упрочнения при ЭМО переменным током (условия трения:q = 4,0 МПа, u=0,8 м/с):

.

Как показали проведенные исследования, электромеханическую обработку целесообразно применять для упрочнения нетермообработанных средне - и высокоуглеродистых, легированных сталей, а также высокопрочных чугунов при степени упрочнения поверхностного слоя обработанных деталей Uн = 40 – 250 % и глубине упрочнения hн = 0,2 – 2,0 мм. При этом осуществляется плавный переход твердости упрочненного слоя от поверхности к неупрочненной сердцевине детали, что не приводит к его отслоению при динамических нагрузках. Микрогеометрические параметры обработанных деталей: Ra = 0,2 – 3,2 мкм; Sm = 0,025 – 0,36 мм; tm=50–70%; Wz = 0,4 – 8,0 мкм, Hmax = 6 – 20 мкм.

Электромеханическая обработка благодаря широкому диапазону изменения режимов и возможности получения высокой твердости упрочненного слоя позволяет получать поверхности с изменением значений комплексного параметра СX, характеризующего качество поверхностного слоя, и коэффициента упрочнения k в следующих пределах: СX = 0,12 – 0,65; k = 1,4 – 3,5.

Параметр СХ характеризует влияние микрогеометрии и физико-механических свойств поверхностного слоя [1]:

,

где Ra, tm, Sm, Wz и Hmax – параметры шероховатости, волнистости и макроотклонений; – коэффициент упрочнения поверхностного слоя; HV и HVисх – соответственно микротвердость поверхностного слоя после и до обработки; l¢ – коэффициент, учитывающий влияние остаточных напряжений.

Мелкозернистая структура закаленного слоя при ЭМО обладает высокой износостойкостью. Для поверхностей, работающих в условиях давлений q = 1,6 – 4,0 МПа и скоростей скольжения u = 0,6 – 1,1 м/с при граничной смазке, интенсивность изнашивания достигает Jh = (0,6 –2,0)10-10.

Учитывая специфику управления режимами в процессе ЭМО (электронная система управления), можно сделать вывод о том, что данный метод обладает большими возможностями в автоматизации управления режимами обработки при реализации системы управления в цифровом виде с подключением к персональной ЭВМ.

Разработанный управляемый источник питания обеспечивает улучшенные показатели ЭМО, к которым в основном относятся: электробезопасность; материало - и энергоемкость; мобильность и удобство эксплуатации; диапазон регулирования режимов обработки (плотности тока, скорости обработки, давлений инструмента); выходные параметры процесса ЭМО (параметры микрогеометрии поверхности детали, физико-механические свойства, глубина упрочнения и др.).

Применение электромеханической обработки для упрочнения поверхностей трения возможно на машиностроительных предприятиях в качестве высокоэффективного способа обеспечения и повышения эксплуатационных показателей деталей машин на стадии их изготовления.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Инженерия поверхности деталей / , , [и др.]; под ред. .- М.: Машиностроение, 200с.

2.  Горленко, методы обработки ///Машиностроение. Т. III-3. Технология изготовления деталей машин: энциклопедия /, , [и др.]; под общ. ред. .- М.: Машиностроение, 2000.- С.356-361.

3.  Суслов, обработка / , // Справочник технолога - машиностроителя: в 2 т. /под ред. , , .- 5-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 2001.- Т.2.- С.553-562.

4.  Горленко, износостойкости поверхностей трения путем управляемого технологического воздействия /, // Вестн. БГТУ.- 2007.- №2. - С.10-15.

Материал поступил в редколлегию 18.05.11.