автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение качества и эксплуатационных свойств цилиндрических поверхностей деталей совмешением операций хромирования и вибронакатывания

/

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

НОВИКОВА ТАТЬЯНА ВЛАДИМИРОВНА

Повышение качества и эксплуатационных свойств цилиндрических поверхностей деталей совмещением операций хромирования и вибронакатывания

(на примере штоков гадро- пневмоагрегатов).

Специальность: 05.02.08 - Технология машиностроения.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Научный руководитель - член-корр. АТН РФ., дт.н., проф.Сорокин В.М.

На правах рукописи.

Нижний Новгород 1998 шд.

СОДЕРЖАНИЕ.

Стр.

ВВЕДЕНИЕ........................................... 5

Глава 1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Краткий анализ упрочняющих методов обработки деталей................................................ 7

1.2. Упрочнение поверхностей деталей хромированием. . \2

1.3. Упрочнение деталей методами ППД.............. 19

1.4. Комбинированная обработка поверхностей деталей . 23

Выводы и задачи исследования............................ 30

Глава 2. РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА ГАЛЬВАНОДЕФОРМИ-РУЮЩЕГО УПРОЧНЕНИЯ НАРУЖНЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Сущность процесса совмещенного гальванодеформи-рующего упрочнения (СГДУ).............................. 32

2.2. Механизм формирования поверхностного слоя деталей при ГДУ............................................ 38

2.3. Методика исследования параметров качества поверхностного слоя................................. 43

2.3.1.Разработка методики исследования остаточных напряжений и модуля упругости при ГДУ.................. 43

2.3.2. Методика исследования наклепа структуры и дефектности покрытия.................................. 52

2.3.3.Методика исследования микрорельефа (шероховатости) поверхности.................................. 54

2.4.Методика исследования эксплуатационных характеристик поверхностного слоя.............................. 55

2.4.1. Методика исследования прочности сцепления

покрытия с металлом основы.............................. 55

2.4.2. Методика исследования износостойкости и гермети-чности........................................ 57

2.4.3. Методика исследования коррозионной стойкости. 64 2.5.Статистическая обработка результатов испытаний....... 5 4 64

Глава 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПРИ ГДУ.

3.1. Аналитическое моделирование и расчет остаточных напряжений и модуля упругости в поверхностном слое при ГДУ. 68

3.2.Исследование микрорельефа (шероховатости) поверхности..........................................................................................................82

3.^. Исследование микроструктуры и дефектности хромового покрытия при ГДУ..........................................................88

ЗА Исследование микротвердости по толщине наращиваемого покрытия..............................................................................93

ВЫВОДЫ..........................................................................................94

Глава 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ ГАЛЬВАНОДЕФОРМИРУЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ С ПОМОЩЬЮ ЭВМ.

Г)

4.1.Выбор критериев оптимизация...................... 96

4.2.Анализ оптимизации режимов ГДУ................. 97

4.2.1. Оптимизация режимов ГДУ для получения заданной твердости покрытия.............................. 97

4.2.2. Статистический анализ режимов обработки ГДУ

для прогнозирования величины И*......................... 106

4.2.3.Установление влияния режимов ГДУ на величину

! . /

остаточного напряжения в поверхностном слое (детали). 114 ВЫВОДЫ................................................ 118

з

Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГДУ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ДЕТАЛЕЙ МАШИН. 5.1. Математическая модель прочности сцепления покрытий

с металлом основы....................................................120

5.2. Прочность сцепления хромового покрытия с металлом

основы..................................................................................................126

5.3.Герметичность соединений и плавность хода......................128

5.4. Исследование износостойкости............................................130

5.5. Исследование коррозионной стойкости..............................132

ВЫВОДЫ............................................................................................133

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ............................................................................134

Список литературы............................................................................137

Приложение......................................................................................148

ВВЕДЕНИЕ.

________и

условиях возрастающей конкуренции на рынке машиностроительной продукции одной из важнейших задач является повышение качества оборудования и, в частности, эксплуатационных свойств их деталей.

Существует целый ряд деталей, например, штоки силовых гидроцилиндров и пневмоагрегатов автомобилей, самолетов, дорожных и строительных машин, судовых дизилей и др., изготавливаемых из

и _ ___

конструкционных сталей и эксплуатирующихся в условиях коррозионного воздействия окружающей среды при знакопеременных нагрузках.

В настоящее время, в нашей стране и за рубежом, для обеспечения высоких эксплуатационных показателей, таких деталей, применяют различные упрочняющие технологии.

Наиболее известные, из них, это методы пластического деформирования; нанесения износостойких покрытий, и комбинированная обработка.

Благодаря своим технологическим преимуществам данные методы упрочнения получили широкое распространение и реализуются в машиностроении с помощью различных схем. В то же время весьма важными остаются поиск и внедрение в практику более перспективных и эффективных методов упрочнения поверхностей деталей, среди которых существенное значение приобретают комбинированные методы упрочняющей технологии, особенно процессы, совмещающие операции обработки, обеспечивающие высокие параметры качества поверхностного слоя и производительность обработки.

Однако, несмотря на перспективность данного направления, сведения о совмещенных процессах упрочнения поверхностей деталей весьма ограничены в связи с их малоизученностью.

Поэтому, исследования, направленные на разработку процесса совмещения хромирования с одновременным послойным упрочнением наносимых износостойких покрытий (хрома) ППД, в частности, вибронакатыванием?являются актуальными,

В диссертации рассматривается новый комбинированный способ упрочнения поверхности (СГДУ), который позволит решить следующие задачи:

- обеспечить возможность формирования регулярного микрорельефа;

-повысить качество наносимого покрытия за счет формирования

сжимающих остаточных напряжений;

- сократить длительность технологического процесса при нанесении покрытия;

- повысить прочность сцепления покрытия с металлом основы детали;

- увеличить износостойкость, коррозионную стойкость, герметичность и другие эксплуатационные свойства деталей.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Краткий анализ упрочняющих методов обработки

деталей.

Долговечность и надежность изделий в значительной степени зависят от качества поверхности, которое определяется геометрическими и физико-механическими характеристиками. Все параметры качества поверхности зависят от технологии обработки деталей.

В настоящее время для повышения качества и эксплуатационных свойств поверхностей деталей, в промышленности находят широкое применение отделочно- упрочняющая обработка методами нанесения износостойких и коррозионно-стойких покрытий, пластического деформирования, комбинированной обработки и др.

Использование таких методов позволяет создавать поверхности с регулярными микрорельефами, малой шероховатостью, высокими физико-механическими характеристиками [3, 7, 51, 54].

Однако, многообразие различных, постоянно повышающихся требований к качеству и эксплуатационным свойствам деталей машин, с одной стороны, а с другой экономия дорогостоящих материалов, энергоресурсов и др., ставят задачи перед наукой и промышленностью в повышении эффективности обработки, совершенствованию

существующих и разработке новых более эффективных методов, направленных на повышение качества изделий и производительность обработки.

Поэтому, в последнее время особое внимание уделяется интенсификации различных поверхностно-упрочняющих методов обработки, разработке и созданию принципиально новых комбинированно-упрочняющих процессов.

К числу основных направлений интенсификации и создания новых методов относятся: использование различных видов энергии, комбинирование нескольких схем обработки, в том числе и с использованием различных видов энергии, вызывающими качественно новые изменения состояния обрабатываемого материала.

Существующие в настоящее время методы упрочнения условно можно разделить на три группы .

К первой относятся все методы поверхностного пластического деформирования (ППД), термической, химико-термической(ХТО) и термомеханической обработки. Применение этих методов вызывает деформационные, структурные, фазовые изменения по химсоставу поверхностного слоя однородного материала детали.

Ко второй группе относятся методы, связанные с нанесением различных твердых покрытий из самых разнообразных материалов-металлов, сплавов, керамики, пластмасс и т.п., в результате чего физико-химическое состояние поверхностного слоя может значительно отличаться от основного материала детали.

К третьей группе относятся комбинированные методы, включающие одновременно два или более методов, принадлежащих к различным группам.

Наибольшее применение в промышленности нашли технологические методы силового воздействия на поверхностные слои детали. К ним прежде всего относятся методы ППД. Эти методы позволяют упрочнять поверхностные слои наружных и внутренних цилиндрических и фасонных поверхностей.

На качество обработанных ППД поверхностей большое влияние оказывает кинематическая схема, условия деформирования и характер контакта деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью. Исходя из этого, все применяемые в промышленности способы ППД

разделены натри основные группы [55, 69, 72].

К первой группе относятся многочисленные способы обработки деталей шариковыми, роликовыми накатками и раскатками, алмазное выглаживание и др. Пластическое деформирование осуществляется в условиях статического воздействия деформирующего элемента на поверхность заготовки.

Ко второй группе относятся способы, при обработке которыми пластическое деформирование поверхности происходит в условиях вибрационно-статического воздействия деформирующего элемента по поверхности заготовки.

К третьей группе относятся способы упрочнения, основанные на использовании динамической силы удара деформирующего элемента по обрабатываемой поверхности.

Достоинства, эффективность и перспективность всех выше указанных способов ППД подтверждена результатами исследований [64, 69, 50, 6] и практическими экспериментами [65, 67, 72, 62]. К преимуществам методов ППД можно отнести : возможность получения низкой шероховатости поверхности; отсутствие на деформированной поверхности твердых включений, продуктов нароста инструмента, прижогов; высокая сцепляемость поверхности с твердыми покрытиями, наносимыми осталиванием, хромированием; высокие глубина упрочненого слоя, остаточные сжимающие напряжения, микротвердость [97].

К недостаткам этих методов можно отнести: возможность наступления явления перенаклепа, шелушение поверхности, снижение остаточных сжимающих напряжений; трудности в обработке тонкостенных деталей.

Технологические возможности методов ППД различны. В зависимости от свойств и материалов деталей их назначений выбирается тот или иной способ обработки.

В связи с тем, что технологические требования на изготовление деталей различны, не всегда можно решить задачу повышения качества и эксплуатационных свойств методами ППД.

Существующие отделочно-упрочняющие способы могут быть скомбинированы, для достижения необходимых характеристик.

В настоящее время существует ряд методов комбинированной обработки, позволяющих значительно снижать шероховатость поверхности, повышать коррозионную стойкость и износостойкость деталей, увеличивать твердость поверхности.

Комбинированная обработка может включать в себя сочетание нескольких механических операций, сочетание операций с различными видами энергии.

Наибольший эффект применения комбинированных способов достигается при обработке твердых металлических покрытий.

Так, например, процесс электроискрового легирования позволяет наносить покрытия с высокими показателями твердости, износостойкости, и прочностью сцепления покрытия с металлом-основой, при толщине покрытия до ЮОмкм. Но существенным недостатком этого метода является значительная шероховатость получаемой поверхности (^=2.5-3.5мкм) [21].

Для обеспечения формирования микрорельефов, уменьшения шероховатости поверхности, упрочнения поверхностного слоя материала и покрытия, формирования благоприятных остаточных напряжений сжатия, используют метод ультрозвуковой вибрационной обработки.

Недостатком данного процесса является то, что температура в зоне деформирования в 4-6 раз больше, чем при традиционных процессах ППД.

За последнее время в промышленности широкое распростронение получили методы ППД , совмещаемые с нагревом деталей, к ним относятся: электромеханическая обработка (ЭМО) и термомеханическая

обработка (ТМО) деталей [3, 5].

В результате применения ЭМО и ТМО улучшаются показатели прочности, пластичности, в поверхностном слое деталей формируются благоприятные остаточные напряжения сжатия. В работе [29] отмечается, что в результате ТМО значительно увеличивается глубина упрочненного слоя, по сравнению с традиционной закалкой ТВЧ в 2 раза. Повышается эксплуатационная стойкость.

Одним из комбинированных методов позволяющим повысить эффективность процесса ППД, является низкотемпературное алмазное выглаживание. Особенностью его обработки является предварительное охлаждение заготовки.

В результате низкотемпературного алмазного выглаживания уменьшается волнистость ( на 7-8% по сравнению с обработкой при нормальной температуре)[34]. Но применение этого метода с СОЖ не обеспечивает положительных результатов, также не эффективным является этот метод при обработке гальванических покрытий.

Применение методов ППД в сочетании с нанесением гальванопокрытий включает в себя несколько схем реализаций. Их выбор зависит от требований предъявляемым к качеству и эксплуатационным характеристикам изделий с покрытиями. Наиболее широкое распространение в промышленности нашли хромовые покрытия. Это объясняется высокими декоративными качествами, химической стойкостью, низким коэффициентом трения (0.05-0.16), высокой твердостью НУ (750-1200), износостойкостью [47].

По функциональному назначению хромовые покрытия делятся на защитно-декоративные, коррозионно-стойкие, износостойкие и антифрикционные.

Защитно-декоративные покрытия применяют для отделки инструмента, оптической аппаратуры; их часто получают путем придания

поверхности основного металла соответствующей шероховатости.

Коррозионно-стойкие покрытия могут быть однослойными и двухслойными. Первый вид покрытий- это покрытия молочные т.е. менее пористые, которые должны иметь толщину не менее 20мкм.

Двухслойное коррозионно-стойкое покрытие сочетает в себе высокие защитные и износостойкие свойства.

Износостойкие и антифрикционные хромовые покрытия могут быть двух видов: плотные и пористые. Плотные (или обычные твердые, износостойкие) покрытия используются как для повышения износостойкости вновь изготовленных деталей, так и для восстановления деталей, бывших в эксплуатации. Толщина износостойких покрытий составляет 3-20 мкм для мерительного и режущего инструмента и 50-60 мкм для пресс-форм, валов и деталей типа штоков.

Пористые покрытия, обладающие высокими антифрикционными свойствами и износостойкостью, применяют для нанесения на гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания, поршневые кольца и некоторые другие детали. Толщина пористого хрома на вновь поставляемых деталях 0.04-0.07мм.

Исходя из выше сказанного можно сделать вывод, что для обеспечения надежности, высокой износостойкости деталей типа штоков и тонкостенных цилиндров , работающих в условиях трения и воздействия атмосферных факторов наиболее целесообразно применять хромовое покрытие.

1.2. Упрочнение поверхностей деталей хромированием.

Процессы, протекающие в поверхностном слое детали при

эксплуатации, и ее служебные характеристики во многом зависят от состояния ее поверхностного слоя полученного при технологической обработке, условиях нагружения, особенностей контактного взаимодействия и др. факторов. Долговечность деталей, изготовленных из одного и того же материала, но по разной технологии и с различными режимами отличается в десятки раз вследствие различных свойств поверхностного слоя.

Трудами многих исследователей [32,22,47,68] установлено, нанесение покрытий является наиболее распространенным в промышленности методом защиты металлов от коррозии, увеличения износостойкости, антифрикционных свойств. Особое место среди них занимают электролитические износост