Реферат «Повышение износостойкости рабочих поверхностей ЦПГ двигателей, разработкой и применением рациональных технологических приемов при ремонте"
Оглавление:
АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХСПОСОБОВ ФИНИШНОЙ АНТИФРИКЦИОННОЙ БЕЗАБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ (ФАБО) ЦИЛИНДРОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ ДЛЯ ОБРАБОТКИ И ФРИКЦИОННО-ХИМИЧЕСКОГО ЛАТУНИРОВАНИЯ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Введение:
Важным резервом повышения качества ремонта автомобилей, тракторов и сельскохозяйственных машин, экономии материальных и других ресурсов является применение прогрессивных технологичных процессов восстановления. Двигатели автомобилей, тракторов и комбайнов за весь срок службы ремонтируются до 5 раз, а их ресурс после ремонта составляет 30-50% ресурса нового двигателя. Малый ресурс двигателя после ремонта обусловлен низким качеством обработки трущихся поверхностей деталей, отсутствием надежных средств промывки деталей перед сборкой, плохой приработкой агрегатов, отсутствием современного стендового хозяйства и приборов, контролирующих процесс приработки, загрязненностью абразивами и др. Все это приводит к тому, что ресурс отремонтированных двигателей вырабатывается до 20-30% за первые часы его эксплуатации, т. е. в период приработки после ремонта.
Важным моментом в обеспечении высокого ресурса машин и механизмов является повышение износостойкости, коррозионной стойкости, сопротивление усталостному разрушению деталей и улучшения приработки трущихся деталей машин. Этого можно достигнуть применением антифрикционных, износостойких и твердосмазочных покрытий, наносимых на поверхности деталей различными способами. Выбор метода нанесения антифрикционных покрытий зависит от его целевого назначения, конструкции детали, ее точности, материала, условий и режимов эксплуатации, необходимой толщины покрытия, величины партии деталей и экономической эффективности применяемых технологических процессов.
Для повышения надежности и долговечности отремонтированных деталей машин и оборудования применяют различные способы нанесения металлических и полимерных покрытий: наплавка, металлизация, гальванические и электроискровые методы, электролитическое наращивание, вибрационное, вихревое и пламенное напыление полимерных материалов и другие.
Одним из направлений повышения ресурса новых и отремонтированных двигателей является применение финишной антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО) деталей, лимитирующих ресурс двигателя. К числу таких деталей относятся гильзы цилиндров, коленчатые валы, шатуны и др.
ФАБО обеспечивает повышение износостойкости деталей в 1,5…2,0 раза, антифрикционных и противозадирных свойств трущихся поверхностей, сокращение времени приработки. ФАБО гильз цилиндров позволяет повысить ресурс двигателей до 30% .
Работы по исследованию ФАБО в Российской Федерации проводили Институты машиноведения Российской академии наук, Государственные научно-исследовательский институт автомобильного транспорта (НИИАТ), ВНПО ''Ремдеталь'', Московский технологический институт (МТИ), Министерство бытового обслуживания населения Российской Федерации и другие организации. Из зарубежных исследований ФАБО отмечаем работы, проводимые в Институте сверхтвердых материалов (ИСМ) Академии наук Украины и в Высшем инженерном училище (ВИУ) г. Цвиккау (Германия).
В связи с этим, целью научного исследования является повышение трибологических характеристик рабочих поверхностей гильз двигателей, применением финишной обработки с использованием разработанной оснастки к хонинговальному станку.
На первом этапе исследований необходимо решить следующие задачи:
1. Выполнить анализ и разработать современную классификацию способов ресурсоповышения отделочной обработки рабочей поверхности.
2. Провести анализ устройств и технологической оснастки для ресурсоповышающей обработки гильз.
АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХСПОСОБОВ ФИНИШНОЙ АНТИФРИКЦИОННОЙ БЕЗАБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ (ФАБО) ЦИЛИНДРОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
До последнего времени основными направлениями в работе по уменьшению износа и трения было повышение твердости трущихся поверхностей деталей машин, работающих на износ и трение: цементация, азотирование, хромирование, цианирование, поверхностная закалка и др. Разработанные методы повышения твердости трущихся деталей способствовали увеличению износостойкости деталей, а, следовательно, и надежности машин [9].
С возрастанием удельных нагрузок, ухудшением в некоторых случаях условий смазки трущихся деталей, повышением требований КПД механизмов, применением в узлах трения специальных смазок традиционные методы повышения износостойкости деталей путем увеличения твердости себя уже не оправдывает. Одна из причин заключается в том, что площадь фактического контакта деталей высокой твердости из-за возможного перекоса, большей шероховатости и волнистости поверхностей составляет очень малую величину 0,1…0,01 от номинальной поверхности трения. В результате на участках фактического контакта создаются высокие нагрузки, способствующие интенсивному разрушению поверхности трения.
Повышения несущей способности и долговечности трущихся поверхностей, кроме применения упрочняющей технологии (химико-термической, термомеханической, поверхностно пластическое деформирование (ППД), электромеханические, ионные, лазерные, плазменные и другие способы нанесения упрочняющих покрытий), можно достичь следующими путями [9]:
- нанесением износостойких антифрикционных покрытий (газофазные, термовакуумные, ионно-плазменные способы, катодное распыление и др.);
- использование в качестве окончательной обработки поверхностей трения ФАБО;
- разработкой и использованием новых смазочных материалов (жидкие, твердые, пластичные, присадки к ним и др.);
- оптимизация параметров макро - и микрогеометрии, физико-химических свойств поверхностей;
- научный подход к конструированию узлов трения (оптимальные нагрузочные, скоростные, температурные характеристики).
Для обеспечения высокой несущей способности контактирующих поверхностей трения все большее распространение находит финишная антифрикционная безабразивная обработка поверхностей трения деталей. Этот метод разработан Д. Н. Гаркуновым и В. Н. Лозовским. Первоначально он был назван фрикционным латунированием. В настоящие время под ФАБО понимают различные способы финишной обработки, основанные на использовании в процессе трения явление схватывания поверхностей и избирательного переноса (ИП). Изучению процессов ФАБО посвящены работы известных отечественных и зарубежных ученых: Д. Н. Гаркунова, В. Н. Лозовского, Ф. Х. Бурумкулова, С. С. Некрасова, Г. К. Потапова и др.
Сущность ФАБО состоит в том, что поверхности трения деталей покрывают тонким слоем (1…5 мкм) меди, латуни, бронзы или другими антифрикционными твердосмазочными материалами, вследствие чего они приобретают высокие антифрикционные свойства и контактную жесткость. Поверхность детали обрабатывают прутком, бруском или диском из антифрикционных сплавов с использованием поверхностно-активных веществ, содержащихся в специальных рабочих средах.
Методом ФАБО можно уменьшить шероховатость грубых поверхностей с Ra>0,63 мкм, а шероховатость поверхностей с величиной Ra=0,63…0,16 мкм остается без изменений. Структура образующейся после ФАБО пленки пористая, поэтому она хорошо впитывает смазку.
Перед ФАБО поверхность обезжиривают и обрабатывают специальным раствором (глицерином, смесь двух частей глицерина и одной части 10%-го раствора соляной кислоты и др.), который в процессе трения разрыхляет окисную пленку на поверхности детали, пластифицирует поверхность медного сплава и создает условия для схватывания его со сталью. Предварительно детали можно шлифовать, точить, развертывать или хонинговать. Шероховатость поверхности перед ФАБО должна быть не более Ra=2,5 мкм. ФАБО можно проводить на токарных, сверлильных, хонинговальных, суперфинишних и других металлорежущих станках.
При фрикционном нанесении покрытий на круглые стальные и чугунные изделия изготавливают штифт (пруток) из материала, образующего покрытия, которые затем неподвижно или с вращением вокруг продольной оси прутка прижимают к покрываемой поверхности вращающейся детали. При этом происходят различные механические, химические и трибологические взаимодействия.
На основании экспериментальных данных и теоретического рассмотрения процесса предложена следующая модель фрикционного латунирования. В процессе фрикционного латунирования твердое шероховатое тело (деталь, на которую наносят покрытие) контактирует с мягким контртелом (штифт). В начале процесса преобладает изнашивание штифта вследствие микро резания шероховатостями поверхности обрабатываемой детали. Для этой начальной фазы характерно высокое давление и связанное с ним внедрение выступов шероховатости поверхности детали в поверхность мягкого материала, образующего покрытие.
При наличии поверхностно-активных сред, например, продуктов, образующих из глицерина, который используется в качестве смазочного материала, оксидные слои на поверхностях детали и контртела в следствии трибонагрузок разрыхляются, а частицы износа пластически деформируются в зоне трения и энергетически возбуждаются. В следствии трибонагрузок и сжимающих давлений часть образовавшихся при микро резании частиц износа спрессовывается во впадинах между выступами шероховатости поверхности покрываемого материала. С этим связано снижение шероховатости (сглаживание) поверхности, а также увеличение реальной площади контакта и, как следствие снижение фактических контактов давлений. При достаточно высоких локальных давлениях возникают адгезионные связи, в первую очередь, у металлов с большим отрицательным электродным потенциалом. Когда впадины шероховатости поверхности заполнены, дальнейшее увеличение толщины слоя покрытия может происходить под влиянием адгезионного взаимодействия. Благодаря последнему, нанесенный слой прочно связывается с подложкой основного материала, причем шероховатость поверхности усиливает эту связь. Дальнейший рост покрытия будет больше прочности поверхностных слоев штифта.
Наряду с обеспечением высоких сжимающих усилий и скоростей скольжения особое значение имеет выбор подходящего смазочного материала, например, глицерина. Его доза и частота подачи регламентированы. Рассмотренная модель нанесения покрытия на деталь гарантирует получения слоя меди, латуни или бронзы толщиной 4…6 мкм на стале или чугуне. Шероховатость покрытия составляет Rz=0,6…1,2 мкм.
При нанесении покрытий в течение 15 мин и более, особенно при трении без включения подачи штифта, на поверхность детали возникает избирательное растворение легирующих элементов из меди, латуни или бронзы, появляется предпосылка осуществления избирательного переноса материала. Натертый слой еще более сглаживается, приобретая красноватую окраску. Толщина слоя в условиях избирательного переноса составляет 1…3 мкм.
Избирательный перенос (ИП), как научное открытие, был зарегистрирован в 1966 г. Государственным комитетом СССР по делам изобретений и открытий с приоритетом от 12 ноября 1956г. Это научное открытие сделано отечественными учеными Д. Н. Гаркуновым и И. В. Крагельским.
Впервые явление ИП было обнаружено в 50 годах в тяжело нагруженных узлах трения самолета ИЛ при работе пары трения сталь-бронза при смазывании спиртоглицериновой смесью. При этом на трущихся поверхностях деталей образовывалась пленка меди толщиной 1…2 мкм. Она резко снижала износ пары трения и уменьшала силу трения примерно в 10 раз. Аналогичное явление было обнаружено также в паре сталь-сталь в узлах трения компрессора бытового холодильника при смазывании смесью из 50% масла и 50% фреона. Пленка формируется из ионов меди, образующихся в смазочной среде в результате незначительного растворения медных трубок охладителя.
В паре бронза-сталь медная пленка образуется в результате анодного растворения бронзы: легирующие элементы (цинк, олово, алюминий, железо) переходят в смазочный материал, а поверхность бронзы обогащается медью. Глицерин является восстановителем окиси и закиси меди, поэтому поверхность трения медной пластинки свободна от окисных пленок, она очень активна и способна к схватыванию со стальной поверхностью, так как имеет свободные связи. В результате этого стальная поверхность также покрывается тонким слоем меди. Пленка меди на бронзе уменьшается, что приводит к дальнейшему растворению бронзовой поверхности. Процесс идет до тех пор, пока на обеих поверхностях не образуется слой меди толщиной 1…2 мкм. Пара трения бронза-сталь становится парой трения медь-медь. В результате площадь фактического контакта возрастает в десятки раз, а материал деталей испытывает лишь упругие деформации.
Сервовитная пленка может возникнуть под действием, как смазочного материала, так и от условий нагружения. Пара трения, в которой возбуждается и активно поддерживается эффект избирательного переноса, характеризуется следующими особенностями: возникающая сервовитная пленка имеет дефектную дислокацию структуры (8…10% узлов кристаллической решетки остаются незанятыми), которая может придать пленке свойства квазижидкости, благодаря чему могут быть уменьшены силы трения и одновременно существенно увеличена реальная поверхность контакта.
Обычно в металлических парах трения образуются оксидные пленки и оксидные частицы продуктов изнашивания. При этом частицы продуктов изнашивания в зоне трения состоят преимущественно из меди; их поверхность хрупкая и очень активная, поэтому частицы покрываются абсорбционной пленкой из поверхностно-активных веществ. Кроме того, при избирательном переносе имеет место обмен частицами изнашивания, при котором поверхности трения не разрушаются.
Самообразование сервовитного слоя в зоне контакта бронза-сталь в среде смазочного материала, обеспечивающего избирательный перенос, происходит при сравнительно малом расходе материалов. При этом добавления в смазочные материалы незначительного количества слоеобразующих медьсодержащих присадок способствует уменьшению расхода цветных металлов на образование сервовитного слоя. Установлено, что благоприятное воздействие сервовитного слоя проявляется даже в том случае, когда толщина его в зоне контакта составляет всего несколько атомных слоев.
Основная отличительная черта работы пары трения в режиме избирательного переноса - наличие физико-химических электрических процессов, которые обеспечивают длительное существование сервовитной пленки, удерживают частицы износа в зоне контакта и снижают усилие сдвиговых деформаций. Если по каким-либо причинам сервовитная пленка разрушается, то сразу возобновляются процессы, приводящие к ее восстановлению. Происходит как бы «залечивание» поврежденных участков. Толщина пленки при избирательном переносе в 10…40 раз меньше толщины приработочных покрытий, полученных гальваническими способами.
Процесс образования сервовитной пленки при трении в паре сталь-сталь следующий. Пленка образуется, если в металлоплакирующих смазочных материалах содержатся мелкие частицы (порошок) бронзы, меди, свинца, серебра и др. При использовании глицерина или консистентной смазки ЦИАТИМ-201 с добавлением порошков стальные поверхности покрываются пленкой, состоящей из материала порошков. Такие пленки обладают высокой пластичностью, они пористы и содержат в порах смазочный материал.
Различают два принципа действия порошков:
1. Порошки прочно схватываются с поверхностью детали и создают условия для режима избирательного переноса.
2. Порошки не схватываются с поверхностью, а как бы зашпаклевывают неровности на поверхностях деталей.
Первый принцип действия порошков называется адгезионным второй - механическим.
Образование сервовитной пленки при трении паре сталь-сталь может происходить и в результате восстановления меди из ее закиси и окислов, вводимых в смазочный материал.
В режиме избирательного переноса могут работать металлы, металлополимеры, металлокерамические материалы, сплавы благородных металлов, композиционные материалы на основе эпоксидной смолы и др.
В 1942 г. Ф. П. Боуденом и Д. Тейбором в рамках адгезионной теории была предложена концепция механизма антифрикционного действия тонкой пленки пластического металла на твердой основе, где сделана первая попытка связать антифрикционные свойства ТСП с механическими характеристиками контактирующих материалов. Базировалась данная концепция на макроскопических представлениях о механизме контактного взаимодействия поверхностей при трении. В процессе относительного перемещения поверхностей мостики сварки срезаются, при этом сила среза должна быть примерно равна силе трения.
Трение твердого металла по мягкому должно приводить к росту реальной площади касания. В этом случае должен срезаться более мягкий металл. Если твердый металл скользит по твердому, то площадь реального касания будет соответственно меньше, но сопротивление срезу - больше. В обоих случаях коэффициент трения будет достаточно высок. Если поверхность более твердого металла покрыть тонкой пленкой более мягкого металла, нагрузка через пленку будет восприниматься подложкой, т. е. более твердым металлом, что приведет к снижению площади реального контакта, а слой ТСП претерпевает пластический сдвиг.
В настоящие время основные способы ФАБО можно разделить на две группы [10]:
1. нанесение металлических покрытий:
- фрикционно-механическим способом прутковым инструментом (фрикционное латунирование, бронзирование и меднение);
- фрикционно-химическим способ (ФАБО в металлоплакирующих рабочих средах, содержащих в своем составе поверхностно-активные вещества и химические соединения металлов, способных восстанавливаться на поверхностях обрабатываемых деталей при воздействии роликов, дисков, брусков, щеток или других инструментов из неметаллического или металлического материала).
2. Нанесение слоистых твердосмазочных покрытий в виде графита, дисульфида молибдена и других соединений контактным намазыванием, в суспензии твердой смазки или специальными методами хонингование (антифрикционное плосковершинное и антифрикционно-деформационное хонингование).
Рис. 1. Общая классификация способов реализации избирательного переноса
Антифрикционные покрытия прутковым материалом наносят чаще всего на токарных станках с использованием несложных приспособлений. Способы фрикционного нанесения покрытий имеют существенные недостатки, заключающиеся в низкой производительности, нарушений сплошности покрытия и, следовательно, возрастании шероховатости поверхности. Для преодоления этих недостатков целесообразно использовать устройства для фрикционно-механического нанесения покрытий.
При обработке трущихся поверхностей деталей ФАБО в металлоплакирующих рабочих средах защитная антифрикционная металлическая пленка формируется в результате физико-химических процессов, происходящей между рабочей средой и обрабатываемой поверхностью при механической активации поверхности инструмента (трении). Активация поверхности может производиться металлическим инструментом (например, резиновым или металлическим). Необходимые удельные нагрузки при этом на два порядка выше, чем при ФАБО прутковым инструментом и составляют 0,5…0,9 МПа. Скорость обработки увеличивается до 5 м/с. Метод
ФАБО в металлоплакирующих рабочих средах позволяет получать металлические покрытия с регулируемой толщиной на деталях разной конфигурации. Кроме того, возможно нанесение покрытий на высоколегированные стали и чугуны.
Таким образом, применяя при ремонте машин различные методы финишной антифрикционной безабразивной обработки, на практике можно решить такие задачи, как увеличение ресурса обрабатываемых деталей; улучшение качества обрабатываемых поверхностей деталей; наносить покрытия на чугуны и высоколегированные стали и сплавы; увеличение фактической площади контакта трущихся деталей; уменьшение времени на обкатку и приработку, сохранение сплошности смазочного материала за счет образования сервовитной пленки в условиях избирательного переноса и т.д.
АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ ДЛЯ ОБРАБОТКИ И ФРИКЦИОННО-ХИМИЧЕСКОГО ЛАТУНИРОВАНИЯ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Рассмотрим несколько способов проведения ФАБО внутренних поверхностей деталей.
На рисунке 2 приведена схема фрикционного латунирования втулки.
Рис. 2. Схема фрикционного латунирования втулки
1 - токарный патрон; 2 -гильза; 3 - латунный пруток; 4 - приспособление;
5 - борштанга; 6 - резцедержатель токарного станка.
Приспособление с латунным прутком крепят в борштанге, установленной в резцедержателе токарного станка. В процессе латунирования латунный пруток прижимается к поверхности с усилием соответствующие давлению 70 МПа, и перемещается вдоль с подачей 0,2 мм/об. Втулка закреплена в патроне токарного станка, вращается со скоростью 0,3 м/с. Среда, состоящая из глицерина и активатора, подается в зону латунирования обычной капельницей.
Режим фрикционной обработки прутковым инструментом следующий: окружная скорость поверхности детали 0,15…0,3 м/с; давление прутка 102…150 МПа; использовании латуни Л62 или ЛС59-1-2-3 мкм, меди или бронзы 1…2 мкм; продольная подача прутка 0,1…0,2 мм/об; число рабочих ходов 1…2 [9].
Устройства для фрикционного нанесения покрытий имеют существенные недостатки, заключающиеся в низкой производительности, нарушений сплошности покрытия и, следовательно, возрастании шероховатости поверхности. Для преодоления этих недостатков разработано ряд устройств для фрикционно-механического нанесения покрытий.
В магнитогорском горно-металлургическом институте разработано устройство для нанесения покрытий, содержащие щетку с металлическим ворсом, закрепленным на основании, и бруски из материала покрытия с узлами их прижатия, размещенными между ворсом щетки [10]. При этом узлы прижатия закреплены со стороны основания, а бруски из материала покрытия обращены наружу ворса. Общая площадь рабочей поверхности брусков составляет 0,05…0,1 площади рабочей поверхности щетки. Площадь каждого бруска составляет 0,003…0,01% площади рабочей поверхности щетки, причем бруски располагаются в шахматном порядке.
Более удачным для нанесения покрытий на цилиндры двигателей оказалось устройство ФАБО ПЦЗ (МВЗА) со скрещенным расположением стержней и со сменной головкой, используемое на ремонтном предприятии в г. Плауне (Германия).
Если в результате действия присадок образуются легко изнашиваемые комплексные соединения меди, латунный слой быстро срабатывается. Так, из-за присадок, содержащих в смазках MD1544 и MD302,происходит образование относительно быстро растворимых комплексных соединений меди, что ухудшает условия работы латунного слоя. Но даже при использовании этих смазок в дизельных двигателях 4VD14,5/12-ISRW фрикционное латунирование цилиндров значительно уменьшает влияние микроадгезионных процессов на участках трения, вместе с тем увеличивает надежность.
Рис. 3. Устройство для фрикционно-химического нанесения покрытий с применением упругопористых элементов
1 - механизм вращения; 2.- приводной вал; 3 - держатель осей; 4 - колодка;
5 - оси; 6 - деталь; 7 - чехлы из упрогопористого материала.
Устройство для фрикционно-химического нанесения покрытий с применением упругопористых элементов [13], показанное на рисунке 3, разработано в Кировоградском институте сельскохозяйственного машиностроения. С помощью этого устройства можно проводить фрикционно-химическое нанесение покрытий на внутренних рабочих поверхностях деталей типа «втулка». Устройство содержит, механизм вращения 1, приводной вал 2, при этом один конец колодки повторяет поверхность обрабатываемой детали 6, на колодку 4 деваются чехлы 7 из упрогопористого материала (войлок, асбест и др.). Крепление колодок 4, на оси 5 обеспечивает равномерное поджатие к обрабатываемой детали.
Преимущества: такое приспособление имеет возможность нанесения антифрикционных покрытий на чугунные детали, а так же имеет высокую производительность. Шероховатость при применении такого метода не изменяется.
На рисунке 4 показано устройство для обработки внутренних цилиндрических поверхностей методом хонингования, в том числе с применением электрохимической обработки.
Рис. 4. Устройство для хонингования отверстий
1 - шпиндель; 2 - толкатель; 3 - штифт; 4 - пружина; 5 - винт; 6 - гайка;
7 - двусторонний упорный подшипник; 8 - основание; 9 - стержень; 10 - брусок;
11- стержень; 12 - пружина.
Шпиндель 1 связывают с приводом вращательного и возвратно-поступательного движения. Не приводя шпиндель 1 в движение, относительным поворотом винта 5 и гайки 6 обеспечивают разведением или сведением брусков 10 настройку хонинговального устройства на диаметр, несколько меньший диаметра обрабатываемого отверстия.
После установки в соответствии с требованиями технологии необходимого усилия брусков 10 с обрабатываемой поверхностью, шпинделю 1 сообщают возвратно-поступательное движение и производят обработку, периодически контролируя, и при необходимости, регулируя усилие прижатия брусков 10 к обрабатываемой поверхности.
Данное устройство для хонингования отличается тем, что с целью повышения точности обработки механизм радиального перемещения брусков выполнен в виде симметрично расположенных относительно оси шпинделя шарнирных параллелограммов (не менее двух) с общим основанием, неподвижно закрепленном на шпинделе. Абразивные бруски размещены на противоположных относительно основания сторонах параллелограммов, при этом гайка винтовой пары зафиксирована от осевого смещения.
Преимущества данного устройства в том, что оно позволяет повысить точность обработки путем обеспечения параллельности продольной оси брусков к оси шпинделя во время разжима.
Рассматриваемое далее приспособление, разработанное в Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии Попандопуло К.Х., Усовым В.В. и Личковаха А.С., называется «Раскатка для финишной обработки внутренних цилиндрических поверхностей». Оно представлено на рисунке 5.
За счет вращения тяги 3 вокруг ее оси вращаются так же и конические направляющие 6 и 7, взаимодействие которых на шарики 4 способствует перекатыванию последних по наклонному сечению обрабатываемой поверхности 5. При этом на поверхности детали образуются прерывистые, переменной глубины микроканавки, которые, многократно пересекаясь, позволяют получить прогнозируемый микрорельеф обработанной поверхности за счет изменения подачи инструмента.
Рис. 5. Раскатка для финишной обработки внутренних цилиндрических поверхностей
1 - резьбовая пара; 2 - пружина; 3 - тяга; 4 - шарик; 5 - деталь;
6 и 7 - конические направляющие.
Таким образом, применяя такое устройство можно решить задачу обеспечения наиболее простым инструментом щадящего режима радиального деформирования поверхности с одновременным созданием упрочняющего пластического деформирования поверхности на глубину, определяемую техническими требованиями и механическими характеристиками для работы детали, а так же повышения качества обработки.
Недостаток данного изобретения: принудительная ось вращения шариков. В этом случае возможно проскальзывание между шариками и обрабатываемой поверхностью, либо скалывание микронеровностей, что характерно для хрупких материалов (чугуна), либо искажение геометрической формы отверстия из-за увеличения внутренних касательных напряжений в поверхностном слое материала.
Рассматривая следующее изобретение, разработанное Басинюк В.Л., Мардосевич Е.И., Коломейченко А.В. и Титовым Н.В. в Орловском государственном аграрном университете, показанное на рисунке 6, следует отметить, что оно предназначено для нанесения антифрикционных покрытий на внутренние цилиндрические поверхности деталей из алюминиевых сплавов с оксидными покрытиями, сформированными анодно-катодным микродуговым оксидированием (МДО).
Перед нанесением антифрикционного покрытия устройство вводят в обрабатываемую деталь 8 и между натирающим элементом 6 и оксидным покрытием 9 на поверхности детали создают контактные давления 3...4 МПа.
Рис. 6. Приспособление для нанесения антифрикционных покрытий на внутренние цилиндрические поверхности деталей из алюминиевых сплавов с оксидными покрытиями
1 - корпус; 2 - кольцевая проточка с резьбой; 3 - упорная шайба; 4 - упругий элемент; 5 - деформирующий элемент; 6 - натирающий элемент; 7 - сквозной паз; 8 - деталь; 9 - оксидное покрытие.
Затем устройство и обрабатываемую деталь 8 приводят во вращение во взаимно противоположных направлениях, при этом устройство перемещается в осевом направлении с подачей S = 1...5 мм/мин и одновременно совершает возвратно-поступательные колебательные движения с определенными размахом и частотой. В результате этого на оксидном покрытии детали формируется антифрикционное покрытие толщиной 4...10 мкм из материала натирающего элемента, имеющее низкий коэффициент трения и обеспечивающее его улучшенные трибологические и износостойкие характеристики.
Отличие этого устройства в том, что в корпусе, упругом и деформирующем кольцевых элементах выполнен сквозной паз для закрепления натирающего элемента и предотвращения его проскальзывания.
Преимущества данного устройства: расширение технологических возможностей фрикционно-механического нанесения антифрикционных покрытий на основе меди на оксидные покрытия, сформированные анодно-катодным (МДО) на внутренних цилиндрических поверхностях деталей из алюминиевых сплавов, путем снижения контактных давлений в зоне обработки.
Устройство для фрикционно-механического нанесения покрытий, показанное на рисунке 7, разработано в Военном автомобильном институте Колчаевым А.М., Нещадим И.Л., Савинковым И.А. и Полтавцевым В.В. и направлено на повышение качество наносимого покрытия. Среда, используемая в данном изобретении для фрикционно-механического нанесения покрытий - сплав галлий-индий. Данное изобретение может быть использовано для нанесения покрытий на внутренние цилиндрические поверхности, например гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания.
В пневмоцилиндре 1 устройства размещается стакан 2, в который вворачивается полый цилиндр 3. Внутри полого цилиндра свободно перемещается поршень 4 со штоком 5. Чтобы исключить утечку воздуха из полости над поршнем 4, он снабжен резиновыми уплотнениями. Стакан 2 и пневмоцилиндр 1 устройства образуют прецизионную пару. Шток 5 связан с раздвижным конусом 7 через проставку 6 шаровидной формы. Устройство для фрикционно-механического нанесения покрытий снабжено токосъемным устройством, закрепленным на средней части пневмоцилиндра 1. Оно выполнено в виде медной втулки (коллектора) 23, электроконтакных щеток 24, закрепленных на изоляторе 25, медной шины 26, электрически связанной с источником постоянного тока. На пневмоцилиндре 1 на упорном подшипнике 28 установлена головка подвода воздуха 27 и закреплении гайкой 30. Подача воздуха в головку подвода контролируется манометрами 33 и 34. Подвод воздуха к регуляторам давления и штуцерам осуществляется через электромагнитный пневматический клапан и разобщительный кран.
Рис. 7. Устройство для фрикционно-механического нанесения покрытий
1 - пневмоцилиндр; 2 - стакан; 3 - полый цилиндр; 4 - поршень; 5 - шток;
6 - раздвижной конус; 7 - раздвижной конус; 8 - толкатель; 9 - возвратная пружина; 10 - опора; 11 - стержень; 12 - возвратная пружина;
13 - пластинчатые проставки; 14 - возвратная пластинчатая пружина;
15 - пластина нагружения; 16 - брусок; 17 - обойма; 18 - колодка;
19 - вильчатый рычаг; 20 - корпус; 21 - пружина; 22 - тарелка; 23 - коллектор; 24 - электроконтактная щетка; 25 - изолятор; 26 - медная шина; 27 - головка подвода воздуха; 28 - подшипник; 30 - гайка; 31 и 32 - регулятор давления;
33 и 34 - манометр; 35 - корпус; 36 - золотник; 37 - флажок; 38 - рифленый паз; 39 - обрабатываемая деталь; 40 - накладка.
Устройство нижней частью вводят в обрабатываемую деталь. Затем подают воздух в пневмоцилиндр. Под давлением воздуха стакан 2 с полым цилиндром 3 перемещается вниз, вильчатые рычаги 19 разжимаются и прижимают обоймы 17 с брусками 16 из антифрикционного материала, например бронзы БрОФ4 - 0,25, к обрабатываемой поверхности. Пластинчатые пружины 14 воздействуют на пластины нагружения 15, вытесняя материал среды из полости по каналам брусков из основного антифрикционного материала в зону обработки. Затем включают станок, и устройство начинает вращаться. Частоту вращения первоначально выбирают минимальной для обеспечения качественного нанесения материала среды на обрабатываемую поверхность. Затем частоту вращения устройства плавно увеличивают до оптимальной и подают электрический ток от низковольтного источника постоянного тока на медную шину 26 токосъемного устройства. Пропускание электрического тока через пару «инструмент-деталь» позволяет поддерживать материал среды в состоянии расплава. При обработке детали устройство для фрикционно-механического нанесения покрытий совершает одновременно возвратно-поступательное и вращательное движения.
Преимущества данного устройства в том, что исключается возможность задиров на поверхности обрабатываемой детали по окончании истечения материала среды, а качество наносимого покрытия увеличивается. Недостаток: сложность изготовления.
Устройство для фрикционно-механического нанесения покрытий, показанное на рисунке 8, разработано в Военном автомобильном институте Колчаевым А.М., Садовниковым А.М. и Ивановским А.А. и направлено на повышение износостойкости обрабатываемых поверхностей и производительности процесса нанесения антифрикционных покрытий. Это изобретение может быть использовано для нанесения покрытий на внутренние цилиндрические поверхности, например гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания.
Данное приспособление отличается от рассмотренного ранее приспособления некоторыми конструктивными особенностями: вместо токосъемного устройства на приспособлении установлен магнитострикционный преобразователь 30 марки ПМС 15А-18 с обкладками, электрически связанный с ультразвуковым генератором, а так же конструктивно изменена натирающая головка.
Рис. 8. Устройство для фрикционно-механического нанесения покрытий
1 - корпус; 2 - крышка; 3 - стержень; 4 - головка подвода воздуха; 5 - стакан; 6 - цилиндр; 7 - шток; 8 - бруски из сплава меди; 9 - бруски из материала среды (сплав галлия); 10 - обрабатываемая деталь; 11, 12 и 13- каналы подвода воздуха; 14 и 15 - упорные подшипники; 16 - гайка;
17 и 27 - штуцера; 18 - шарик клапана; 19 - клапан; 20 - резиновая уплонняющая втулка; 21 - гнездо клапана; 22 - пружина клапана;
23 - резиновое уплотнение; 24 - флажок; 25 -корпус крана; 26 - золотник;
28 - патрон хонинговального аппарата 3К 833; 29 -ультразвуковой генератор ; 30 - магнитострикционный преобразователь; 31 - корпус хонинговального аппарата 3К 833 ; 32 - скоба; 33 - обкладки магнитострикционного преобразователя.
Устройство закрепляют в патроне хонинговального аппарата 3К 833, вводят внутрь гильзы цилиндров, включают станок, и устройство начинает совершать вращательное и возвратно-поступательное движения. Затем производят подачу воздуха в корпус 1. За счет теплоты, выделяемой при трении бруска 16 о поверхность детали, происходит интенсивный нагрев материала среды в зоне контакта. Одновременно включают ультразвуковой генератор 29 марки УЗГ 10-22. Он вырабатывает электрические колебания частотой 14…16 кГц, передающиеся на магнитострикционный преобразователь 30, где они преобразовывались из электрических колебаний в механические такой же частоты и усиливались с помощью обкладок 33 магнитострикционного преобразователя, который играет роль волновода, передающего циклические колебания на бруски 8 из сплава меди.
Инструмент из сплава меди совершает вращательное и возвратно-поступательное движения при одновременном наложении ультразвуковых колебаний в плоскости, параллельной оси обрабатываемой детали. Это приводит к локальному повышению температуры в зоне контакта, способствует интенсификации диффузионных процессов, проникновению атомов галлия, индия и меди на большую глубину и с высокой скоростью, что повышает тангенциальную адгезионную прочность и износостойкость нанесенного антифрикционного покрытия. Преимущества данного изобретения - повышение износостойкости обрабатываемых поверхностей, производительности процесса нанесения и качества наносимого покрытия.
ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ:
В настоящее время перспективным направлением продолжает оставаться применение способов, реализующих эффект избирательного переноса.
Известно, что применение способов избирательного переноса обеспечивает повышение износостойкости деталей в 1,5…2 раза, улучшение антифрикционных и противозадирных свойств трущихся поверхностей, сокращение времени приработки, а также позволяет повысить ресурс двигателей до 30%.
Была разработана современная схема способов реализующих эффект избирательного переноса.
А также проведен анализ существующих приспособлений для обработки внутренних поверхностей гильз ЦПГ, выявившая серьезные недостатки в сложности и дороговизне изготовления приспособлений, а также в недостаточной стойкости нанесенных покрытий.
Для реализации данного направления необходимо:
1. На основе анализа устройств и технологической оснастки для ресурсоповышающей обработки гильз, предложить оригинальное конструктивное решение (вариант оснастки для проведения обработки на хонинговальном станке).
2. Разработать первичную техническую документацию на разрабатываемую оснастку, обосновать достоинства и условия применения способа ресурсоповышающей обработки с применением данной оснастки в условиях ремонтных предприятий.
3. Составить общую программу и методику исследования по оценке эффективности и разработке рекомендаций для реализации разрабатываемого способа повышения износостойкости ЦПГ двигателя.
Скачать работу:
АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХСПОСОБОВ ФИНИШНОЙ АНТИФРИКЦИОННОЙ БЕЗАБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ (ФАБО) ЦИЛИНДРОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ ДЛЯ ОБРАБОТКИ И ФРИКЦИОННО-ХИМИЧЕСКОГО ЛАТУНИРОВАНИЯ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Введение:
Важным резервом повышения качества ремонта автомобилей, тракторов и сельскохозяйственных машин, экономии материальных и других ресурсов является применение прогрессивных технологичных процессов восстановления. Двигатели автомобилей, тракторов и комбайнов за весь срок службы ремонтируются до 5 раз, а их ресурс после ремонта составляет 30-50% ресурса нового двигателя. Малый ресурс двигателя после ремонта обусловлен низким качеством обработки трущихся поверхностей деталей, отсутствием надежных средств промывки деталей перед сборкой, плохой приработкой агрегатов, отсутствием современного стендового хозяйства и приборов, контролирующих процесс приработки, загрязненностью абразивами и др. Все это приводит к тому, что ресурс отремонтированных двигателей вырабатывается до 20-30% за первые часы его эксплуатации, т. е. в период приработки после ремонта.
Важным моментом в обеспечении высокого ресурса машин и механизмов является повышение износостойкости, коррозионной стойкости, сопротивление усталостному разрушению деталей и улучшения приработки трущихся деталей машин. Этого можно достигнуть применением антифрикционных, износостойких и твердосмазочных покрытий, наносимых на поверхности деталей различными способами. Выбор метода нанесения антифрикционных покрытий зависит от его целевого назначения, конструкции детали, ее точности, материала, условий и режимов эксплуатации, необходимой толщины покрытия, величины партии деталей и экономической эффективности применяемых технологических процессов.
Для повышения надежности и долговечности отремонтированных деталей машин и оборудования применяют различные способы нанесения металлических и полимерных покрытий: наплавка, металлизация, гальванические и электроискровые методы, электролитическое наращивание, вибрационное, вихревое и пламенное напыление полимерных материалов и другие.
Одним из направлений повышения ресурса новых и отремонтированных двигателей является применение финишной антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО) деталей, лимитирующих ресурс двигателя. К числу таких деталей относятся гильзы цилиндров, коленчатые валы, шатуны и др.
ФАБО обеспечивает повышение износостойкости деталей в 1,5…2,0 раза, антифрикционных и противозадирных свойств трущихся поверхностей, сокращение времени приработки. ФАБО гильз цилиндров позволяет повысить ресурс двигателей до 30% .
Работы по исследованию ФАБО в Российской Федерации проводили Институты машиноведения Российской академии наук, Государственные научно-исследовательский институт автомобильного транспорта (НИИАТ), ВНПО ''Ремдеталь'', Московский технологический институт (МТИ), Министерство бытового обслуживания населения Российской Федерации и другие организации. Из зарубежных исследований ФАБО отмечаем работы, проводимые в Институте сверхтвердых материалов (ИСМ) Академии наук Украины и в Высшем инженерном училище (ВИУ) г. Цвиккау (Германия).
В связи с этим, целью научного исследования является повышение трибологических характеристик рабочих поверхностей гильз двигателей, применением финишной обработки с использованием разработанной оснастки к хонинговальному станку.
На первом этапе исследований необходимо решить следующие задачи:
1. Выполнить анализ и разработать современную классификацию способов ресурсоповышения отделочной обработки рабочей поверхности.
2. Провести анализ устройств и технологической оснастки для ресурсоповышающей обработки гильз.
АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХСПОСОБОВ ФИНИШНОЙ АНТИФРИКЦИОННОЙ БЕЗАБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ (ФАБО) ЦИЛИНДРОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
До последнего времени основными направлениями в работе по уменьшению износа и трения было повышение твердости трущихся поверхностей деталей машин, работающих на износ и трение: цементация, азотирование, хромирование, цианирование, поверхностная закалка и др. Разработанные методы повышения твердости трущихся деталей способствовали увеличению износостойкости деталей, а, следовательно, и надежности машин [9].
С возрастанием удельных нагрузок, ухудшением в некоторых случаях условий смазки трущихся деталей, повышением требований КПД механизмов, применением в узлах трения специальных смазок традиционные методы повышения износостойкости деталей путем увеличения твердости себя уже не оправдывает. Одна из причин заключается в том, что площадь фактического контакта деталей высокой твердости из-за возможного перекоса, большей шероховатости и волнистости поверхностей составляет очень малую величину 0,1…0,01 от номинальной поверхности трения. В результате на участках фактического контакта создаются высокие нагрузки, способствующие интенсивному разрушению поверхности трения.
Повышения несущей способности и долговечности трущихся поверхностей, кроме применения упрочняющей технологии (химико-термической, термомеханической, поверхностно пластическое деформирование (ППД), электромеханические, ионные, лазерные, плазменные и другие способы нанесения упрочняющих покрытий), можно достичь следующими путями [9]:
- нанесением износостойких антифрикционных покрытий (газофазные, термовакуумные, ионно-плазменные способы, катодное распыление и др.);
- использование в качестве окончательной обработки поверхностей трения ФАБО;
- разработкой и использованием новых смазочных материалов (жидкие, твердые, пластичные, присадки к ним и др.);
- оптимизация параметров макро - и микрогеометрии, физико-химических свойств поверхностей;
- научный подход к конструированию узлов трения (оптимальные нагрузочные, скоростные, температурные характеристики).
Для обеспечения высокой несущей способности контактирующих поверхностей трения все большее распространение находит финишная антифрикционная безабразивная обработка поверхностей трения деталей. Этот метод разработан Д. Н. Гаркуновым и В. Н. Лозовским. Первоначально он был назван фрикционным латунированием. В настоящие время под ФАБО понимают различные способы финишной обработки, основанные на использовании в процессе трения явление схватывания поверхностей и избирательного переноса (ИП). Изучению процессов ФАБО посвящены работы известных отечественных и зарубежных ученых: Д. Н. Гаркунова, В. Н. Лозовского, Ф. Х. Бурумкулова, С. С. Некрасова, Г. К. Потапова и др.
Сущность ФАБО состоит в том, что поверхности трения деталей покрывают тонким слоем (1…5 мкм) меди, латуни, бронзы или другими антифрикционными твердосмазочными материалами, вследствие чего они приобретают высокие антифрикционные свойства и контактную жесткость. Поверхность детали обрабатывают прутком, бруском или диском из антифрикционных сплавов с использованием поверхностно-активных веществ, содержащихся в специальных рабочих средах.
Методом ФАБО можно уменьшить шероховатость грубых поверхностей с Ra>0,63 мкм, а шероховатость поверхностей с величиной Ra=0,63…0,16 мкм остается без изменений. Структура образующейся после ФАБО пленки пористая, поэтому она хорошо впитывает смазку.
Перед ФАБО поверхность обезжиривают и обрабатывают специальным раствором (глицерином, смесь двух частей глицерина и одной части 10%-го раствора соляной кислоты и др.), который в процессе трения разрыхляет окисную пленку на поверхности детали, пластифицирует поверхность медного сплава и создает условия для схватывания его со сталью. Предварительно детали можно шлифовать, точить, развертывать или хонинговать. Шероховатость поверхности перед ФАБО должна быть не более Ra=2,5 мкм. ФАБО можно проводить на токарных, сверлильных, хонинговальных, суперфинишних и других металлорежущих станках.
При фрикционном нанесении покрытий на круглые стальные и чугунные изделия изготавливают штифт (пруток) из материала, образующего покрытия, которые затем неподвижно или с вращением вокруг продольной оси прутка прижимают к покрываемой поверхности вращающейся детали. При этом происходят различные механические, химические и трибологические взаимодействия.
На основании экспериментальных данных и теоретического рассмотрения процесса предложена следующая модель фрикционного латунирования. В процессе фрикционного латунирования твердое шероховатое тело (деталь, на которую наносят покрытие) контактирует с мягким контртелом (штифт). В начале процесса преобладает изнашивание штифта вследствие микро резания шероховатостями поверхности обрабатываемой детали. Для этой начальной фазы характерно высокое давление и связанное с ним внедрение выступов шероховатости поверхности детали в поверхность мягкого материала, образующего покрытие.
При наличии поверхностно-активных сред, например, продуктов, образующих из глицерина, который используется в качестве смазочного материала, оксидные слои на поверхностях детали и контртела в следствии трибонагрузок разрыхляются, а частицы износа пластически деформируются в зоне трения и энергетически возбуждаются. В следствии трибонагрузок и сжимающих давлений часть образовавшихся при микро резании частиц износа спрессовывается во впадинах между выступами шероховатости поверхности покрываемого материала. С этим связано снижение шероховатости (сглаживание) поверхности, а также увеличение реальной площади контакта и, как следствие снижение фактических контактов давлений. При достаточно высоких локальных давлениях возникают адгезионные связи, в первую очередь, у металлов с большим отрицательным электродным потенциалом. Когда впадины шероховатости поверхности заполнены, дальнейшее увеличение толщины слоя покрытия может происходить под влиянием адгезионного взаимодействия. Благодаря последнему, нанесенный слой прочно связывается с подложкой основного материала, причем шероховатость поверхности усиливает эту связь. Дальнейший рост покрытия будет больше прочности поверхностных слоев штифта.
Наряду с обеспечением высоких сжимающих усилий и скоростей скольжения особое значение имеет выбор подходящего смазочного материала, например, глицерина. Его доза и частота подачи регламентированы. Рассмотренная модель нанесения покрытия на деталь гарантирует получения слоя меди, латуни или бронзы толщиной 4…6 мкм на стале или чугуне. Шероховатость покрытия составляет Rz=0,6…1,2 мкм.
При нанесении покрытий в течение 15 мин и более, особенно при трении без включения подачи штифта, на поверхность детали возникает избирательное растворение легирующих элементов из меди, латуни или бронзы, появляется предпосылка осуществления избирательного переноса материала. Натертый слой еще более сглаживается, приобретая красноватую окраску. Толщина слоя в условиях избирательного переноса составляет 1…3 мкм.
Избирательный перенос (ИП), как научное открытие, был зарегистрирован в 1966 г. Государственным комитетом СССР по делам изобретений и открытий с приоритетом от 12 ноября 1956г. Это научное открытие сделано отечественными учеными Д. Н. Гаркуновым и И. В. Крагельским.
Впервые явление ИП было обнаружено в 50 годах в тяжело нагруженных узлах трения самолета ИЛ при работе пары трения сталь-бронза при смазывании спиртоглицериновой смесью. При этом на трущихся поверхностях деталей образовывалась пленка меди толщиной 1…2 мкм. Она резко снижала износ пары трения и уменьшала силу трения примерно в 10 раз. Аналогичное явление было обнаружено также в паре сталь-сталь в узлах трения компрессора бытового холодильника при смазывании смесью из 50% масла и 50% фреона. Пленка формируется из ионов меди, образующихся в смазочной среде в результате незначительного растворения медных трубок охладителя.
В паре бронза-сталь медная пленка образуется в результате анодного растворения бронзы: легирующие элементы (цинк, олово, алюминий, железо) переходят в смазочный материал, а поверхность бронзы обогащается медью. Глицерин является восстановителем окиси и закиси меди, поэтому поверхность трения медной пластинки свободна от окисных пленок, она очень активна и способна к схватыванию со стальной поверхностью, так как имеет свободные связи. В результате этого стальная поверхность также покрывается тонким слоем меди. Пленка меди на бронзе уменьшается, что приводит к дальнейшему растворению бронзовой поверхности. Процесс идет до тех пор, пока на обеих поверхностях не образуется слой меди толщиной 1…2 мкм. Пара трения бронза-сталь становится парой трения медь-медь. В результате площадь фактического контакта возрастает в десятки раз, а материал деталей испытывает лишь упругие деформации.
Сервовитная пленка может возникнуть под действием, как смазочного материала, так и от условий нагружения. Пара трения, в которой возбуждается и активно поддерживается эффект избирательного переноса, характеризуется следующими особенностями: возникающая сервовитная пленка имеет дефектную дислокацию структуры (8…10% узлов кристаллической решетки остаются незанятыми), которая может придать пленке свойства квазижидкости, благодаря чему могут быть уменьшены силы трения и одновременно существенно увеличена реальная поверхность контакта.
Обычно в металлических парах трения образуются оксидные пленки и оксидные частицы продуктов изнашивания. При этом частицы продуктов изнашивания в зоне трения состоят преимущественно из меди; их поверхность хрупкая и очень активная, поэтому частицы покрываются абсорбционной пленкой из поверхностно-активных веществ. Кроме того, при избирательном переносе имеет место обмен частицами изнашивания, при котором поверхности трения не разрушаются.
Самообразование сервовитного слоя в зоне контакта бронза-сталь в среде смазочного материала, обеспечивающего избирательный перенос, происходит при сравнительно малом расходе материалов. При этом добавления в смазочные материалы незначительного количества слоеобразующих медьсодержащих присадок способствует уменьшению расхода цветных металлов на образование сервовитного слоя. Установлено, что благоприятное воздействие сервовитного слоя проявляется даже в том случае, когда толщина его в зоне контакта составляет всего несколько атомных слоев.
Основная отличительная черта работы пары трения в режиме избирательного переноса - наличие физико-химических электрических процессов, которые обеспечивают длительное существование сервовитной пленки, удерживают частицы износа в зоне контакта и снижают усилие сдвиговых деформаций. Если по каким-либо причинам сервовитная пленка разрушается, то сразу возобновляются процессы, приводящие к ее восстановлению. Происходит как бы «залечивание» поврежденных участков. Толщина пленки при избирательном переносе в 10…40 раз меньше толщины приработочных покрытий, полученных гальваническими способами.
Процесс образования сервовитной пленки при трении в паре сталь-сталь следующий. Пленка образуется, если в металлоплакирующих смазочных материалах содержатся мелкие частицы (порошок) бронзы, меди, свинца, серебра и др. При использовании глицерина или консистентной смазки ЦИАТИМ-201 с добавлением порошков стальные поверхности покрываются пленкой, состоящей из материала порошков. Такие пленки обладают высокой пластичностью, они пористы и содержат в порах смазочный материал.
Различают два принципа действия порошков:
1. Порошки прочно схватываются с поверхностью детали и создают условия для режима избирательного переноса.
2. Порошки не схватываются с поверхностью, а как бы зашпаклевывают неровности на поверхностях деталей.
Первый принцип действия порошков называется адгезионным второй - механическим.
Образование сервовитной пленки при трении паре сталь-сталь может происходить и в результате восстановления меди из ее закиси и окислов, вводимых в смазочный материал.
В режиме избирательного переноса могут работать металлы, металлополимеры, металлокерамические материалы, сплавы благородных металлов, композиционные материалы на основе эпоксидной смолы и др.
В 1942 г. Ф. П. Боуденом и Д. Тейбором в рамках адгезионной теории была предложена концепция механизма антифрикционного действия тонкой пленки пластического металла на твердой основе, где сделана первая попытка связать антифрикционные свойства ТСП с механическими характеристиками контактирующих материалов. Базировалась данная концепция на макроскопических представлениях о механизме контактного взаимодействия поверхностей при трении. В процессе относительного перемещения поверхностей мостики сварки срезаются, при этом сила среза должна быть примерно равна силе трения.
Трение твердого металла по мягкому должно приводить к росту реальной площади касания. В этом случае должен срезаться более мягкий металл. Если твердый металл скользит по твердому, то площадь реального касания будет соответственно меньше, но сопротивление срезу - больше. В обоих случаях коэффициент трения будет достаточно высок. Если поверхность более твердого металла покрыть тонкой пленкой более мягкого металла, нагрузка через пленку будет восприниматься подложкой, т. е. более твердым металлом, что приведет к снижению площади реального контакта, а слой ТСП претерпевает пластический сдвиг.
В настоящие время основные способы ФАБО можно разделить на две группы [10]:
1. нанесение металлических покрытий:
- фрикционно-механическим способом прутковым инструментом (фрикционное латунирование, бронзирование и меднение);
- фрикционно-химическим способ (ФАБО в металлоплакирующих рабочих средах, содержащих в своем составе поверхностно-активные вещества и химические соединения металлов, способных восстанавливаться на поверхностях обрабатываемых деталей при воздействии роликов, дисков, брусков, щеток или других инструментов из неметаллического или металлического материала).
2. Нанесение слоистых твердосмазочных покрытий в виде графита, дисульфида молибдена и других соединений контактным намазыванием, в суспензии твердой смазки или специальными методами хонингование (антифрикционное плосковершинное и антифрикционно-деформационное хонингование).
Рис. 1. Общая классификация способов реализации избирательного переноса
Антифрикционные покрытия прутковым материалом наносят чаще всего на токарных станках с использованием несложных приспособлений. Способы фрикционного нанесения покрытий имеют существенные недостатки, заключающиеся в низкой производительности, нарушений сплошности покрытия и, следовательно, возрастании шероховатости поверхности. Для преодоления этих недостатков целесообразно использовать устройства для фрикционно-механического нанесения покрытий.
При обработке трущихся поверхностей деталей ФАБО в металлоплакирующих рабочих средах защитная антифрикционная металлическая пленка формируется в результате физико-химических процессов, происходящей между рабочей средой и обрабатываемой поверхностью при механической активации поверхности инструмента (трении). Активация поверхности может производиться металлическим инструментом (например, резиновым или металлическим). Необходимые удельные нагрузки при этом на два порядка выше, чем при ФАБО прутковым инструментом и составляют 0,5…0,9 МПа. Скорость обработки увеличивается до 5 м/с. Метод
ФАБО в металлоплакирующих рабочих средах позволяет получать металлические покрытия с регулируемой толщиной на деталях разной конфигурации. Кроме того, возможно нанесение покрытий на высоколегированные стали и чугуны.
Таким образом, применяя при ремонте машин различные методы финишной антифрикционной безабразивной обработки, на практике можно решить такие задачи, как увеличение ресурса обрабатываемых деталей; улучшение качества обрабатываемых поверхностей деталей; наносить покрытия на чугуны и высоколегированные стали и сплавы; увеличение фактической площади контакта трущихся деталей; уменьшение времени на обкатку и приработку, сохранение сплошности смазочного материала за счет образования сервовитной пленки в условиях избирательного переноса и т.д.
АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ ДЛЯ ОБРАБОТКИ И ФРИКЦИОННО-ХИМИЧЕСКОГО ЛАТУНИРОВАНИЯ ВНУТРЕННИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Рассмотрим несколько способов проведения ФАБО внутренних поверхностей деталей.
На рисунке 2 приведена схема фрикционного латунирования втулки.
Рис. 2. Схема фрикционного латунирования втулки
1 - токарный патрон; 2 -гильза; 3 - латунный пруток; 4 - приспособление;
5 - борштанга; 6 - резцедержатель токарного станка.
Приспособление с латунным прутком крепят в борштанге, установленной в резцедержателе токарного станка. В процессе латунирования латунный пруток прижимается к поверхности с усилием соответствующие давлению 70 МПа, и перемещается вдоль с подачей 0,2 мм/об. Втулка закреплена в патроне токарного станка, вращается со скоростью 0,3 м/с. Среда, состоящая из глицерина и активатора, подается в зону латунирования обычной капельницей.
Режим фрикционной обработки прутковым инструментом следующий: окружная скорость поверхности детали 0,15…0,3 м/с; давление прутка 102…150 МПа; использовании латуни Л62 или ЛС59-1-2-3 мкм, меди или бронзы 1…2 мкм; продольная подача прутка 0,1…0,2 мм/об; число рабочих ходов 1…2 [9].
Устройства для фрикционного нанесения покрытий имеют существенные недостатки, заключающиеся в низкой производительности, нарушений сплошности покрытия и, следовательно, возрастании шероховатости поверхности. Для преодоления этих недостатков разработано ряд устройств для фрикционно-механического нанесения покрытий.
В магнитогорском горно-металлургическом институте разработано устройство для нанесения покрытий, содержащие щетку с металлическим ворсом, закрепленным на основании, и бруски из материала покрытия с узлами их прижатия, размещенными между ворсом щетки [10]. При этом узлы прижатия закреплены со стороны основания, а бруски из материала покрытия обращены наружу ворса. Общая площадь рабочей поверхности брусков составляет 0,05…0,1 площади рабочей поверхности щетки. Площадь каждого бруска составляет 0,003…0,01% площади рабочей поверхности щетки, причем бруски располагаются в шахматном порядке.
Более удачным для нанесения покрытий на цилиндры двигателей оказалось устройство ФАБО ПЦЗ (МВЗА) со скрещенным расположением стержней и со сменной головкой, используемое на ремонтном предприятии в г. Плауне (Германия).
Если в результате действия присадок образуются легко изнашиваемые комплексные соединения меди, латунный слой быстро срабатывается. Так, из-за присадок, содержащих в смазках MD1544 и MD302,происходит образование относительно быстро растворимых комплексных соединений меди, что ухудшает условия работы латунного слоя. Но даже при использовании этих смазок в дизельных двигателях 4VD14,5/12-ISRW фрикционное латунирование цилиндров значительно уменьшает влияние микроадгезионных процессов на участках трения, вместе с тем увеличивает надежность.
Рис. 3. Устройство для фрикционно-химического нанесения покрытий с применением упругопористых элементов
1 - механизм вращения; 2.- приводной вал; 3 - держатель осей; 4 - колодка;
5 - оси; 6 - деталь; 7 - чехлы из упрогопористого материала.
Устройство для фрикционно-химического нанесения покрытий с применением упругопористых элементов [13], показанное на рисунке 3, разработано в Кировоградском институте сельскохозяйственного машиностроения. С помощью этого устройства можно проводить фрикционно-химическое нанесение покрытий на внутренних рабочих поверхностях деталей типа «втулка». Устройство содержит, механизм вращения 1, приводной вал 2, при этом один конец колодки повторяет поверхность обрабатываемой детали 6, на колодку 4 деваются чехлы 7 из упрогопористого материала (войлок, асбест и др.). Крепление колодок 4, на оси 5 обеспечивает равномерное поджатие к обрабатываемой детали.
Преимущества: такое приспособление имеет возможность нанесения антифрикционных покрытий на чугунные детали, а так же имеет высокую производительность. Шероховатость при применении такого метода не изменяется.
На рисунке 4 показано устройство для обработки внутренних цилиндрических поверхностей методом хонингования, в том числе с применением электрохимической обработки.
Рис. 4. Устройство для хонингования отверстий
1 - шпиндель; 2 - толкатель; 3 - штифт; 4 - пружина; 5 - винт; 6 - гайка;
7 - двусторонний упорный подшипник; 8 - основание; 9 - стержень; 10 - брусок;
11- стержень; 12 - пружина.
Шпиндель 1 связывают с приводом вращательного и возвратно-поступательного движения. Не приводя шпиндель 1 в движение, относительным поворотом винта 5 и гайки 6 обеспечивают разведением или сведением брусков 10 настройку хонинговального устройства на диаметр, несколько меньший диаметра обрабатываемого отверстия.
После установки в соответствии с требованиями технологии необходимого усилия брусков 10 с обрабатываемой поверхностью, шпинделю 1 сообщают возвратно-поступательное движение и производят обработку, периодически контролируя, и при необходимости, регулируя усилие прижатия брусков 10 к обрабатываемой поверхности.
Данное устройство для хонингования отличается тем, что с целью повышения точности обработки механизм радиального перемещения брусков выполнен в виде симметрично расположенных относительно оси шпинделя шарнирных параллелограммов (не менее двух) с общим основанием, неподвижно закрепленном на шпинделе. Абразивные бруски размещены на противоположных относительно основания сторонах параллелограммов, при этом гайка винтовой пары зафиксирована от осевого смещения.
Преимущества данного устройства в том, что оно позволяет повысить точность обработки путем обеспечения параллельности продольной оси брусков к оси шпинделя во время разжима.
Рассматриваемое далее приспособление, разработанное в Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии Попандопуло К.Х., Усовым В.В. и Личковаха А.С., называется «Раскатка для финишной обработки внутренних цилиндрических поверхностей». Оно представлено на рисунке 5.
За счет вращения тяги 3 вокруг ее оси вращаются так же и конические направляющие 6 и 7, взаимодействие которых на шарики 4 способствует перекатыванию последних по наклонному сечению обрабатываемой поверхности 5. При этом на поверхности детали образуются прерывистые, переменной глубины микроканавки, которые, многократно пересекаясь, позволяют получить прогнозируемый микрорельеф обработанной поверхности за счет изменения подачи инструмента.
Рис. 5. Раскатка для финишной обработки внутренних цилиндрических поверхностей
1 - резьбовая пара; 2 - пружина; 3 - тяга; 4 - шарик; 5 - деталь;
6 и 7 - конические направляющие.
Таким образом, применяя такое устройство можно решить задачу обеспечения наиболее простым инструментом щадящего режима радиального деформирования поверхности с одновременным созданием упрочняющего пластического деформирования поверхности на глубину, определяемую техническими требованиями и механическими характеристиками для работы детали, а так же повышения качества обработки.
Недостаток данного изобретения: принудительная ось вращения шариков. В этом случае возможно проскальзывание между шариками и обрабатываемой поверхностью, либо скалывание микронеровностей, что характерно для хрупких материалов (чугуна), либо искажение геометрической формы отверстия из-за увеличения внутренних касательных напряжений в поверхностном слое материала.
Рассматривая следующее изобретение, разработанное Басинюк В.Л., Мардосевич Е.И., Коломейченко А.В. и Титовым Н.В. в Орловском государственном аграрном университете, показанное на рисунке 6, следует отметить, что оно предназначено для нанесения антифрикционных покрытий на внутренние цилиндрические поверхности деталей из алюминиевых сплавов с оксидными покрытиями, сформированными анодно-катодным микродуговым оксидированием (МДО).
Перед нанесением антифрикционного покрытия устройство вводят в обрабатываемую деталь 8 и между натирающим элементом 6 и оксидным покрытием 9 на поверхности детали создают контактные давления 3...4 МПа.
Рис. 6. Приспособление для нанесения антифрикционных покрытий на внутренние цилиндрические поверхности деталей из алюминиевых сплавов с оксидными покрытиями
1 - корпус; 2 - кольцевая проточка с резьбой; 3 - упорная шайба; 4 - упругий элемент; 5 - деформирующий элемент; 6 - натирающий элемент; 7 - сквозной паз; 8 - деталь; 9 - оксидное покрытие.
Затем устройство и обрабатываемую деталь 8 приводят во вращение во взаимно противоположных направлениях, при этом устройство перемещается в осевом направлении с подачей S = 1...5 мм/мин и одновременно совершает возвратно-поступательные колебательные движения с определенными размахом и частотой. В результате этого на оксидном покрытии детали формируется антифрикционное покрытие толщиной 4...10 мкм из материала натирающего элемента, имеющее низкий коэффициент трения и обеспечивающее его улучшенные трибологические и износостойкие характеристики.
Отличие этого устройства в том, что в корпусе, упругом и деформирующем кольцевых элементах выполнен сквозной паз для закрепления натирающего элемента и предотвращения его проскальзывания.
Преимущества данного устройства: расширение технологических возможностей фрикционно-механического нанесения антифрикционных покрытий на основе меди на оксидные покрытия, сформированные анодно-катодным (МДО) на внутренних цилиндрических поверхностях деталей из алюминиевых сплавов, путем снижения контактных давлений в зоне обработки.
Устройство для фрикционно-механического нанесения покрытий, показанное на рисунке 7, разработано в Военном автомобильном институте Колчаевым А.М., Нещадим И.Л., Савинковым И.А. и Полтавцевым В.В. и направлено на повышение качество наносимого покрытия. Среда, используемая в данном изобретении для фрикционно-механического нанесения покрытий - сплав галлий-индий. Данное изобретение может быть использовано для нанесения покрытий на внутренние цилиндрические поверхности, например гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания.
В пневмоцилиндре 1 устройства размещается стакан 2, в который вворачивается полый цилиндр 3. Внутри полого цилиндра свободно перемещается поршень 4 со штоком 5. Чтобы исключить утечку воздуха из полости над поршнем 4, он снабжен резиновыми уплотнениями. Стакан 2 и пневмоцилиндр 1 устройства образуют прецизионную пару. Шток 5 связан с раздвижным конусом 7 через проставку 6 шаровидной формы. Устройство для фрикционно-механического нанесения покрытий снабжено токосъемным устройством, закрепленным на средней части пневмоцилиндра 1. Оно выполнено в виде медной втулки (коллектора) 23, электроконтакных щеток 24, закрепленных на изоляторе 25, медной шины 26, электрически связанной с источником постоянного тока. На пневмоцилиндре 1 на упорном подшипнике 28 установлена головка подвода воздуха 27 и закреплении гайкой 30. Подача воздуха в головку подвода контролируется манометрами 33 и 34. Подвод воздуха к регуляторам давления и штуцерам осуществляется через электромагнитный пневматический клапан и разобщительный кран.
Рис. 7. Устройство для фрикционно-механического нанесения покрытий
1 - пневмоцилиндр; 2 - стакан; 3 - полый цилиндр; 4 - поршень; 5 - шток;
6 - раздвижной конус; 7 - раздвижной конус; 8 - толкатель; 9 - возвратная пружина; 10 - опора; 11 - стержень; 12 - возвратная пружина;
13 - пластинчатые проставки; 14 - возвратная пластинчатая пружина;
15 - пластина нагружения; 16 - брусок; 17 - обойма; 18 - колодка;
19 - вильчатый рычаг; 20 - корпус; 21 - пружина; 22 - тарелка; 23 - коллектор; 24 - электроконтактная щетка; 25 - изолятор; 26 - медная шина; 27 - головка подвода воздуха; 28 - подшипник; 30 - гайка; 31 и 32 - регулятор давления;
33 и 34 - манометр; 35 - корпус; 36 - золотник; 37 - флажок; 38 - рифленый паз; 39 - обрабатываемая деталь; 40 - накладка.
Устройство нижней частью вводят в обрабатываемую деталь. Затем подают воздух в пневмоцилиндр. Под давлением воздуха стакан 2 с полым цилиндром 3 перемещается вниз, вильчатые рычаги 19 разжимаются и прижимают обоймы 17 с брусками 16 из антифрикционного материала, например бронзы БрОФ4 - 0,25, к обрабатываемой поверхности. Пластинчатые пружины 14 воздействуют на пластины нагружения 15, вытесняя материал среды из полости по каналам брусков из основного антифрикционного материала в зону обработки. Затем включают станок, и устройство начинает вращаться. Частоту вращения первоначально выбирают минимальной для обеспечения качественного нанесения материала среды на обрабатываемую поверхность. Затем частоту вращения устройства плавно увеличивают до оптимальной и подают электрический ток от низковольтного источника постоянного тока на медную шину 26 токосъемного устройства. Пропускание электрического тока через пару «инструмент-деталь» позволяет поддерживать материал среды в состоянии расплава. При обработке детали устройство для фрикционно-механического нанесения покрытий совершает одновременно возвратно-поступательное и вращательное движения.
Преимущества данного устройства в том, что исключается возможность задиров на поверхности обрабатываемой детали по окончании истечения материала среды, а качество наносимого покрытия увеличивается. Недостаток: сложность изготовления.
Устройство для фрикционно-механического нанесения покрытий, показанное на рисунке 8, разработано в Военном автомобильном институте Колчаевым А.М., Садовниковым А.М. и Ивановским А.А. и направлено на повышение износостойкости обрабатываемых поверхностей и производительности процесса нанесения антифрикционных покрытий. Это изобретение может быть использовано для нанесения покрытий на внутренние цилиндрические поверхности, например гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания.
Данное приспособление отличается от рассмотренного ранее приспособления некоторыми конструктивными особенностями: вместо токосъемного устройства на приспособлении установлен магнитострикционный преобразователь 30 марки ПМС 15А-18 с обкладками, электрически связанный с ультразвуковым генератором, а так же конструктивно изменена натирающая головка.
Рис. 8. Устройство для фрикционно-механического нанесения покрытий
1 - корпус; 2 - крышка; 3 - стержень; 4 - головка подвода воздуха; 5 - стакан; 6 - цилиндр; 7 - шток; 8 - бруски из сплава меди; 9 - бруски из материала среды (сплав галлия); 10 - обрабатываемая деталь; 11, 12 и 13- каналы подвода воздуха; 14 и 15 - упорные подшипники; 16 - гайка;
17 и 27 - штуцера; 18 - шарик клапана; 19 - клапан; 20 - резиновая уплонняющая втулка; 21 - гнездо клапана; 22 - пружина клапана;
23 - резиновое уплотнение; 24 - флажок; 25 -корпус крана; 26 - золотник;
28 - патрон хонинговального аппарата 3К 833; 29 -ультразвуковой генератор ; 30 - магнитострикционный преобразователь; 31 - корпус хонинговального аппарата 3К 833 ; 32 - скоба; 33 - обкладки магнитострикционного преобразователя.
Устройство закрепляют в патроне хонинговального аппарата 3К 833, вводят внутрь гильзы цилиндров, включают станок, и устройство начинает совершать вращательное и возвратно-поступательное движения. Затем производят подачу воздуха в корпус 1. За счет теплоты, выделяемой при трении бруска 16 о поверхность детали, происходит интенсивный нагрев материала среды в зоне контакта. Одновременно включают ультразвуковой генератор 29 марки УЗГ 10-22. Он вырабатывает электрические колебания частотой 14…16 кГц, передающиеся на магнитострикционный преобразователь 30, где они преобразовывались из электрических колебаний в механические такой же частоты и усиливались с помощью обкладок 33 магнитострикционного преобразователя, который играет роль волновода, передающего циклические колебания на бруски 8 из сплава меди.
Инструмент из сплава меди совершает вращательное и возвратно-поступательное движения при одновременном наложении ультразвуковых колебаний в плоскости, параллельной оси обрабатываемой детали. Это приводит к локальному повышению температуры в зоне контакта, способствует интенсификации диффузионных процессов, проникновению атомов галлия, индия и меди на большую глубину и с высокой скоростью, что повышает тангенциальную адгезионную прочность и износостойкость нанесенного антифрикционного покрытия. Преимущества данного изобретения - повышение износостойкости обрабатываемых поверхностей, производительности процесса нанесения и качества наносимого покрытия.
ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ:
В настоящее время перспективным направлением продолжает оставаться применение способов, реализующих эффект избирательного переноса.
Известно, что применение способов избирательного переноса обеспечивает повышение износостойкости деталей в 1,5…2 раза, улучшение антифрикционных и противозадирных свойств трущихся поверхностей, сокращение времени приработки, а также позволяет повысить ресурс двигателей до 30%.
Была разработана современная схема способов реализующих эффект избирательного переноса.
А также проведен анализ существующих приспособлений для обработки внутренних поверхностей гильз ЦПГ, выявившая серьезные недостатки в сложности и дороговизне изготовления приспособлений, а также в недостаточной стойкости нанесенных покрытий.
Для реализации данного направления необходимо:
1. На основе анализа устройств и технологической оснастки для ресурсоповышающей обработки гильз, предложить оригинальное конструктивное решение (вариант оснастки для проведения обработки на хонинговальном станке).
2. Разработать первичную техническую документацию на разрабатываемую оснастку, обосновать достоинства и условия применения способа ресурсоповышающей обработки с применением данной оснастки в условиях ремонтных предприятий.
3. Составить общую программу и методику исследования по оценке эффективности и разработке рекомендаций для реализации разрабатываемого способа повышения износостойкости ЦПГ двигателя.
Скачать работу: