автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологическое повышение прочности сцепления и износостойкости антифрикционного покрытия биметаллических подшипников скольжения

На правах рукописи

РОДИЧЕВ АЛЕКСЕЙ ЮРЬЕВИЧ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ СЦЕПЛЕНИЯ И ИЗНОСОСТОЙКОСТИ АНТИФРИКЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ

Специальность 05.02.08 - «Технология машиностроения»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Орел-2011

1 7 г;1 о

' ' ¿ип

4840430

Работа выполнена на кафедре «Надежность и ремонт машин» Федерального государственного учреждения высшего профессионального образования «Орловский государственный аграрный университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Хромов Василий Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Говоров Игорь Витальевич

кандидат технических наук, доцент Афонин Андрей Николаевич

Ведущая организация:

ГОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)»

Защита состоится «13» апреля 2011 г. в 13 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.182.06 при ФГОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» по адресу: 302020, г. Орёл, Наугорское шоссе, д. 29, ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК».

Автореферат разослан « 3» марта 2011 г. и опубликован на сайте www.ostu.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета Василенко Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время производство оснащено современной сложной техникой, безотказность работы которой зависит от срока службы наиболее нагруженных деталей. Во многих изделиях машиностроительного производства нашли широкое применение различные подшипники скольжения, так как они обладают высокими антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью, выдерживают значительные удельные нагрузки и высокие скоростные режимы. Чаще всего это бронзовые подшипники скольжения типа «втулка». Эти подшипники лимитируют ресурс работы ответственных узлов и агрегатов. Обеспечение высокой прочности сцепления антифрикционного покрытия и износостойкости биметаллических подшипников скольжения является сложной задачей, как при их изготовлении, так и при ремонте.

Одним из наиболее рациональных путей повышения прочности сцепления антифрикционного покрытия и износостойкости подшипников скольжения является применение биметаллических втулок с нанесенным на внутреннюю поверхность покрытием из порошков бронзы. Серьезной проблемой при изготовлении подобных втулок является обеспечение необходимой прочности сцепления покрытия с основой. Известно, что прочность сцепления может быть повышена формированием на поверхности основы специального рельефа. Одним из наиболее рациональных видов наносимых рельефов является сетчатый профиль, получаемый накатыванием. Однако отсутствие обоснованных рекомендаций по режимам и применяемым материалам при изготовлении подшипников скольжения косым сетчатым накатыванием и газопламенным напылением порошков бронзы сдерживает внедрение таких технологий в производство и поэтому является актуальной задачей.

Цель работы: технологическое повышение прочности сцепления и износостойкости антифрикционного покрытия биметаллических подшипников скольжения косым сетчатым накатыванием и газопламенным напылением порошков бронзы.

Задачи исследований:

1) провести анализ технологий изготовления подшипников скольжения и существующих антифрикционных материалов, а также показателей качества технологий нанесения металлопокрытий;

2) исследовать процесс пластического деформирования основы в процессе накатывания;

3) исследовать прочность сцепления покрытий с основой, микроструктуру и микротвердость основы и покрытий;

4) определить шероховатость и маслоёмкость покрытий и провести сравнительные исследования износостойкости покрытий, а также эксплуатационные испытания подшипников;

5) разработать технологию и оснастку для изготовления биметаллического подшипника скольжения косым сетчатым накатыванием и газопламенным напы-

лением порошков бронзы и определить экономическую эффективность разработанной технологии.

Объект исследований: технология изготовления биметаллических подшипников скольжения косым сетчатым накатыванием на резьбовой поверхности основы и газопламенным напылением антифрикционного покрытия.

Предмет исследований: числовые значения подъема металла основы, шероховатости, прочности сцепления, микротвердости, маслоемкости и износостойкости антифрикционных покрытий биметаллического подшипника скольжения.

Методы исследований: при проведении исследований использованы фундаментальные положения технологии машиностроения, теории упругости и пластичности, численные методы решения систем дифференциальных уравнений (метод конечных элементов), теория планирования эксперимента, статистической обработки экспериментальных данных и регрессионного моделирования.

Научная новизна:

1. Установлено, что косое сетчатое накатывание по предварительно нарезанной резьбе обеспечивает повышение прочности сцепления нанесенного антифрикционного покрытия в 1,5 раза и увеличивает его износостойкость в 1,65 раза.

2. Установлено влияние технологических параметров обработки, геометрических параметров резьбы и геометрических параметров инструмента на перераспределение металла по высоте при косом сетчатом накатывании на резьбовой поверхности.

3. Разработаны математические модели, связывающие технологические параметры обработки (шаг резьбы Р; глубина регулярной неровности h; шаг накатного ролика t) и силы деформирования при косом сетчатом накатывании на резьбовой поверхности.

Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов теоретического моделирования и экспериментальных исследований, и внедрением результатов исследований в производство.

Практическая ценность работы:

1. Определены рациональные технологические параметры косого сетчатого накатывания, обеспечивающие наилучшее сцепление с антифрикционным покрытием;

2. Разработаны и внедрены технология и оснастка для изготовления подшипников скольжения косым сетчатым накатыванием, и газопламенным напылением порошков бронзы.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на следующих конференциях: Фундаментальные и прикладные проблемы в машиностроительном комплексе «Технология - 2009»: XI Международная научно-техническая конференция 12-21 марта 2009 г. - Россия, Орел - Taba, Arab Republic of Egipt; Надежность и ремонт машин: 1-я и 2-я Международная научно-техническая конференция 2004 — 2005 г. - г. Гагра; Научные проблемы и перспективы развития ремонта, обслуживания машин и вое-

становления деталей: Международная научно-техническая конференция, г. Москва ГНУ ГОСНИТИ, 2003; Инженерия поверхности и реновация изделий: 1-я, 2-я, 3-я Международная научно-техническая конференции, 2001 - 2003 г., г. Ялта; Инженерно-техническое обеспечение и машинно-технологические станции в условиях реформирования АПК: Международная научно-практическая конференция, г. Орел, 2000 г.

Реализация работы. Результаты работы внедрены в производственный процесс ряда предприятий г. Орла: ЗАО «Дормаш», ЗАО «Орел-Погрузчик» и ЗАО «СДМ-Сервис Орел» в виде технологического процесса и оснастки для изготовления подшипников скольжения балансирных устройств.

Публикации. По материалам работы автором опубликовано 10 работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, и 3 патента на изобретения.

Объём и структура работы. Работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы и приложений; изложена на 172 страницах, содержит 110 рисунков, 25 таблиц, 135 формулы, библиографию из 81 наименования, 19 приложений.

На защиту выносятся:

1) технология и оснастка для изготовления биметаллических подшипников скольжения косым сетчатым накатыванием и газопламенным напылением порошков бронзы;

2) результаты теоретических исследований процесса пластического деформирования резьбовой основы в процессе косого сетчатого накатывания;

3) результаты экспериментальных исследований влияния технологических параметров косого сетчатого накатывания на прочность сцепления газопламенных покрытий с основой;

4) результаты исследований шероховатости, маслоёмкости покрытий, микроструктуры и микротвердости основы и покрытий;

5) результаты сравнительных исследований износостойкости покрытий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проанализированы технологии изготовления подшипников скольжения, существующие антифрикционные материалы, показатели качества технологий нанесения металлопокрытий.

В основу анализа технологий нанесения металлопокрытий, с точки зрения наиболее важных эксплуатационных свойств, положены работы Борисова Ю. С., Вадивасова Д. Г., Воловика Е. JI., Казарцева В. И, Катц Н. В., Лялякина В.П., Троицкого А. Ф., Харламова Ю. А., Хасуй А., Черноиванова В. П., Шадричева В. А. и др. Влияние способов обработки на показатели качества поверхностного слоя рассмотрено в работах Безъязычного В.Ф., Киричека А. В., Лапина В. В., Писаревского М. И., Султанова Т. А., Суслова А.Г., Якухина В. Г., Якушева А. И.

Проведен анализ условий работы, конструктивных параметров подшипников скольжения балансирных подвесок автомобильной и дорожно-строительной техники. Установлено, что внедрение в производство технологии изготовления биметаллических подшипников скольжения из стальной основы косым сетчатым накатыванием по предварительно нарезанной резьбе с последующим нанесением

антифрикционного покрытия из порошков бронзы способом газопламенного напыления повышает прочность сцепления антифрикционного слоя со стальной основой и его износостойкость.

Установлено, что косое сетчатое накатывание на внутренних цилиндрических поверхностях практически не исследовалось. Отсутствуют рекомендации по определению диаметра заготовки под накатывание, сил деформирования и других технологических параметров. Отсутствуют также рекомендации по рациональным геометрическим параметрам косого сетчатого накатывания, обеспечивающим наилучшее сцепление покрытия с основой.

Сформулирована цель работы и поставлены задачи исследований.

Во второй главе с целью аналитического обоснования перераспределения металла по высоте при пластическом деформировании основы (рис. 1) была решена задача определения величины подъема металла х и даны рекомендации по определению диаметра заготовки под накатывание.

А-А

Рисунок 1 - Схема расчета и параметры накатывания ¿в - внутренний диаметр заготовки; с1и - наружный диаметр заготовки; с1п - внутренний диаметр заготовки после накатывания; с1Р - диаметр накатного ролика; /г-глубина регулярной неровности; х - подъем металла на внутреннем диаметре после накатывания; I - шаг накатного ролика; а - угол вершины профиля накатного ролика; А - угол впадины профиля накатного ролика; Н - высота зуба ролика; п - частота вращения; у - угол накатного зуба; у/ - угол нарезаемой резьбы; Р - шаг резьбы.

Задача решалась в три этапа:

1. моделирование распределения металла в месте контакта зубьев накатного ролика и обрабатываемой поверхности на плоскости;

2. объемное моделирование распределения металла в месте контакта зубьев накатного ролика и обрабатываемой поверхности;

3. моделирование процесса пластического деформирования основы в процессе накатывания с использованием программного комплекса ВЕГОЯМ-ЗО.

На каждом этапе решения - х (подъем металла на внутреннем диаметре), будет выражаться как х'~, х"; х'".

Для решения первого этапа задачи перераспределения металла рассмотрим расчетную схему, на которой в плоскости отразим геометрические параметры накатного ролика и поверхности до и после накатывания (рис.1).

При исследовании процесса пластического деформирования основы в процессе накатывания была получена аналитическая зависимость (1).

х'= Н — И

р

,, а

(1)

tg

Р

Сущность второго этапа задачи заключается в определении вытесненного объема металла после накатывания и нахождении величины его подъема, в нашем случае, это высота усеченной пирамиды. Именно так можно назвать фигуру, получаемую после косого сетчатого накатывания (рис. 2-3).

Объем усеченной пирамиды равен:

(2)

Рисунок 2 - Расчетная схема определения подъема металла

Рисунок 3 — Расчетная схема определения площадей основания

Найдем величину подъема металла, в нашем случае это высота усеченной пирамиды, которая позволяет определять геометрические параметры поверхности после обработки и устанавливать характер влияния режимов обработки на них.

/

+

9-У2 -еж' у-с^

4

1

I \з

З-/3-У-осну-сф —

9-У1 сои1 у-ск — _ 2

.г Л*

16

4

2

)

Решение первого и второго варианта задачи справедливо для величины глубины регулярной неровности 11=0,1...0,4мм, так как при последующем увеличении объема вытесняемого металла происходит его перераспределение в пространстве за счет заполнения впадины накатного ролика, и величина прироста металла снижается.

Для решения третьего этапа задачи и получения более полного представления о процессе, происходящем при пластическом деформировании основы во время накатывания, был смоделирован процесс накатывания по резьбе на внутреннюю поверхность подшипника скольжения с помощью программного комплекса БЕРСЖМ-ЗО.

При моделировании заготовка принималась жестко пластичной, инструмент идеально жестким. Механические свойства материала заготовки задаются муль-тилинейной кривой упрочнения. В качестве критерия разрушения материала используется нормализованный критерий Кокрофта - Лейтема. При разбиении модели на конечные элементы используется Лагранжева сетка. Количество элементов подбирается таким образом, чтобы длина стороны самого маленького элемента была в 3 раза меньше радиуса впадины накатываемой резьбы. Заготовка при моделировании сохраняет неподвижность, а все движения сообщаются инструменту. Качение инструмента по заготовке происходит без проскальзывания.

Характер и величина эквивалентных напряжений свидетельствует, что максимальные значения приходятся на вершину резьбы в месте внедрения зуба накатывающего инструмента, и достигают максимальной величины о=187 МПа при глубине регулярной неровности 11=0,8 мм, шаге накатного ролика \.=2 мм и шаге резьбы Р=4 мм.

Значения нормализованного критерия разрушения Кокрофта-Лейтема во всех рассмотренных случаях не превышают критического значения (0,65 для сталей), что свидетельствует об отсутствии разрушения материала заготовки при накатывании сетчатого профиля.

На величину эквивалентных деформаций наибольшее влияние оказывает глубина регулярной неровности, шаг резьбы влияет в меньшей степени, а шаг накатывающего ролика оказывает наименьшее влияние.

Эквивалентные деформации резьбы при накатывании позволяют судить о возможном повышении микротвердости и степени упрочнения исходного материала детали. Эквивалентные деформации распределяются в зависимости от глубины регулярной неровности накатывающего инструмента, достигая максимального значения £=3,05, а глубина упрочнения при этом превышает 4 мм (глубине регулярной неровности Ь=0,8 мм, шаг накатного ролика 1=2 мм и шаг резьбы Р=4 мм). Упрочненным, при этом, является весь резьбовой профиль. Характер упрочнения неравномерен, наиболее упрочненными являются участки, расположенные на вершинах деформированной резьбы, при удалении от поверхности степень упрочнения снижается.

Направление и величина перераспределяемого металла при накатывании (рис.4) свидетельствуют об изменении внутреннего диаметра стальной основы биметаллического подшипника скольжения. Главнейшим образом представляет интерес значение перемещения металла х'" в радиальном направлении (по оси Т) для проверки предложенной аналитической зависимости (1) и (3) с последующими рекомендациями по определению диаметра заготовки под накатывание.

Геометрия профиля поверхности формируется полностью, а форма и размер профиля после накатывания подтверждает главнейшее влияние глубины регулярной неровности.

Рекомендации по определению диаметра заготовки под накатывание будут выражены следующей формулой:

с/, — <^ном ' ''

где - диаметр заготовки под накатывание; - необходимый диаметр.

X - подъем металла на внутреннем диаметре (х1; х"; х'") Зависимость сил, действующих на первый и второй ролики, от исследуемых факторов выражается регрессионными уравнениями:

=12598,7 + 16703,9Л -1661,5? -10331,8Р + 3083,ЗИ2 - 482,Зг2 + 2073,8Р2> (5) = 3920,4 + 9908,ЗА-10322,6/ + 1923,8Р + 12541,7к2 +1696,9?2 +90,8 Р2, (6) = 4254,78 - 8589,44/г - 2446,25? +1964,ЗЗР + 20050/г2 - 32,29?2 -134,ЗЗР2 > (7)

Р,л = 6289,11 - 4132,78/г - 4217,36? +105,89^+ 13316,67/г2 + 646,88?2 + 156,ЗЗР2 • (8) Величина максимальной тангенциальной силы с увеличением в 2 раза глубины регулярной неровности и шага резьбы возрастает от 1,5 до 2,9 раза, в то же

Рисунок 4 — Радиальное перемещение металла (шаг ролика г= 1,6 мм, глубина регулярной неровности 11=0,6 мм, шаг резьбы Р=3 мм)

время увеличение шага накатных роликов в диапазоне от 1=1,2 мм до 1=2,0 мм приводит к её уменьшению в 1,4 раза соответственно. Увеличение в 2 раза шага резьбы и глубины регулярной неровности приводит к увеличению максимальной радиальной силы от 1,8 до 3,7 раза соответственно, при этом с возрастанием шага накатных роликов в диапазоне от 1=1,2 мм до \.=2,0 мм максимальная радиальная сила уменьшается в 1,8 раза. Уменьшение сил объясняется уменьшением контактной площади одного зуба накатного ролика.

В третьей главе приведены методики экспериментальных исследований.

Подготовку поверхности перед напылением проводили на токарно-винторезном станке. На внутренней цилиндрической поверхности стальной втулки нарезапи «рваную» резьбу. После этого на «рваную» резьбу осуществляли косое сетчатое накатывание экспериментальным устройством с роликами (рис. 5).

Экспериментальное определение подъема металла х оптическим измерением геометрических параметров поверхности после накатывания производились проекционным (теневым) методом на универсальном измерительном микроскопе УИМ-21.

Антифрикционный слой - порошок бронзы (ПР-БрАЖНМц 8,5-1,5-5-1,5; ПР-БрОЦС 5-5-5; ПР-БрОН 8,5-3) на внутренней поверхности подшипника наносился газотермическим способом при помощи газопламенных горелок: «Искра-1 В» (для газопламенного напыления) и горелки «Термика-11» (для газопламенного напыления) и «Термика - 2» (для газопорошковой наплавки).

Измерение параметров шероховатости поверхности осуществляли по ГОСТ 2789-73 при помощи прибора профильного метода на профилометре модели 296.

Прочность сцепления <тсц при сдвиге оценивается напряжением сдвига. Измерения силы сдвига производили на универсальной разрывной машине ГМС-50.

В качестве математической модели, описывающей зависимость изменения прочности сцепления, была выбрана статистическая регрессионная модель. Был поставлен и проведен уровневый факторный эксперимент типа 23. За выходной параметр принимали значение прочности сцепления стсц, МПа. В качестве основных факторов, влияющих на прочность сцепления, были выбраны следующие: шаг резьбы Р, мм; шаг накатного ролика мм; глубина регулярной неровности /г, мм. Был проведен полнофакторный эксперимент на 5x5x5 = 125 показаний. Адекватность модели в целом оценивается по критерию Фишера.

Микротвердость покрытий измерялась при нагрузке 200 г на микротвердомере ПМТ-3 методом вдавливания алмазных наконечников ГОСТ 9450-76 (СТСЭВ 1195-78).

Рисунок 5 - Устройство и ролики для накатывания

Определение маслоемкости покрытия проводили в соответствии с ГОСТ 9.302-88 «Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Методы контроля».

Сравнительную износостойкость поверхностей образцов исследовали в соответствии с ГОСТ 23.224-86 на машине трения МТУ-01. Износ определяли гравиметрическим методом изменения веса испытываемых образцов с использованием аналитических весов Sartorius Competence CP 64 с точностью 0,0001 г.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований.

По результатам экспериментальных исследований получена эмпирическая зависимость, описывающая зависимость подъема металла х от основного режима обработки — глубины регулярной неровности h, что позволит в дальнейшем назначать режим обработки для получения необходимого размера заготовки. Искомая функциональная зависимость имеет вид:

х = 0,159 -1,927/; + 7,071й2 - 5,833й3 (9)

График зависимости подъема металла х от глубины регулярной неровности h показан на рис. 6.

X, мм

0,35

0,30 0,25 0,20

(

0,15 0,10

0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

"»■"аппроксимированные значения в экспериментальные значения h, ММ

Рисунок 6 - Зависимость подъема металла х от глубины регулярной неровности h.

В результате, испытаниями на сдвиг, установлено, что прочности сцепления покрытий из порошков: ПР-БрАЖНМц 8,5-1,5-5-1,5 - осц=64,5 МПа; ПР-БрОЦС 5-5-5 - 0СЦ=28,45 МПа; ПР-БрОН 8,5-3 - асц=44,35 МПа.

Уравнение зависимости прочности сцепления от геометрических параметров поверхности для порошка ПР-БрАЖНМц 8,5-1,5-5-1,5 имеет следующий вид: осц = -297,8729+32,0838Р+195,8623г+ +497, ЪШк-5,2034/^-60,6857^-408,2000k2 (10)

На изменение прочности сцепления доминирующее влияние оказывает изменение количественных значений величины степени глубины регулярной неровности, далее шага накатного ролика и затем - шага резьбы. Существенное влияние этих факторов друг на друга отсутствует. Наибольшая прочность сцепления достигается при оптимальных значениях шага нарезанной резьбы Р= 3 мм, шага накатного ролика /=1,6 мм и глубины регулярной неровности /¡=0,6 мм (рис. 7-9).

Процесс накатывания приводит к образованию упрочненной зоны в стальной основе на глубину до 1,5 мм, при этом степень упрочнения составляет 18%. Последующие операции напыления и наплавки снижают микротвердость на 10% и 17% соответственно.

Микротвердость антифрикционного покрытия также зависит от способа нанесения и входящих в состав порошка компонентов. Наилучшим себя показало покрытие из порошка ПР-БрАЖНМц 8,5-1,5-5-1,5.

При изучении микроструктуры напыленной поверхности замечено, что напыляемый и основной слой образуют между собой прочное соединение, на границе раздела соединение зерен плотное, дефектов не наблюдается.

После механической обработки антифрикционного покрытия, растачивание проходным резцом, шероховатость покрытия из порошков составила:

- для покрытия из порошка ПР-БрАЖНМц 8,5-1,5-5-1,5 - значение в пределах 11а=1,57-5-1,65 мкм при среднем значении Яа=1,61 мкм,

- для покрытия из порошка ПР-БрОЦС 5-5-5 - значение в пределах Ла=4,21-^-5,71 мкм при среднем значении Иа=4,96 мкм,

- для покрытия из порошка ПР-БрОН 8,5-3 - значение в пределах 11а=2,7-;-3,4 мкм при среднем значении 11а=3,15 мкм,

Наиболее маслоёмким является порошок ПР-БрАЖНМц 8,5-1,5-5-1,5. Самое низкое значение маслоемкости у порошка ПР-БрОН 8,5-3.

Установлено, что износостойкость напыленных образцов в сравнении с серийным образцом из БрОФ 10-1 составила:

- с покрытием из порошка ПР-БрАЖНМц 8,5-1,5-5-1,5 - К=1,65;

- с покрытием из порошка ПР-БрОЦС 5-5-5 — К=1,54;

- с покрытием из порошка ПР-БрОН 8,5-3 - К=1,13.

Повышение износостойкости таких покрытий в сравнении с серийным материалом можно объяснить повышенной микротвердостью данных покрытий.

Быстрее всех прирабатываются антифрикционные покрытия из порошка ПР-БрАЖНМц 8,5-1,5-5-1,5 и в дальнейшем обеспечивают самый низкий коэффициент трения. Рост значения момента трения после определенной наработки объясняется вступлением в работу слоя с повышенным значением микротвердости. Низкий коэффициент трения также объясняется высокой маслоемкостью таких покрытий.

Результаты исследований позволяют рекомендовать данные покрытия для использования их в конструкции подшипников скольжения с целью получения покрытий с хорошими антифрикционными свойствами и высокой износостойкостью. Лучшим для использования в качестве антифрикционного покрытия является порошок ПР-БрАЖНМц 8,5-1,5-5-1,5.

Рисунок 7 - Влияние глубины регулярной неровности Ь на прочность сцепления асц (шаг накатного ролика 1=1,6 мм)

Рисунок 8 - Влияние шага накатывания I на прочность сцепления осц (шаг нарезанной резьбы Р=3 мм)

Рисунок 9 - Влияние шага резьбы Р на прочность сцепления стсц (шаг накатного ролика 1=1,6 мм)

В результате проведенных эксплуатационных испытаний выявлено, что неисправностей и отказов по причине выхода из строя балансирных подвесок автомобилей КамАЗ и балансирных тележек автогрейдера ДЗ-122Б не было. Биметаллические подшипники скольжения, изготовленные из стальной втулки с нанесенным на ее внутреннюю поверхность косым сетчатым накатыванием по предварительно нарезанной резьбе и последующим газопламенным напылением антифрикционного покрытия, успешно выдержали эксплуатационные испытания и признаны годными для выполнения своих технологических назначений.

В пятой главе разработана технология (рис. 10) и оснастка для изготовления биметаллического подшипника скольжения балансирной подвески автомобиля КамАЗ и балансирной тележки автогрейдера ДЗ-122Б косым сетчатым накатыванием по предварительно нарезанной резьбе с последующим газопламенным напылением антифрикционного покрытия.

Применение разработанной оснастки позволяет упростить замену накатной головки, исключить дополнительные регулировки, а также упростить обработку деталей в труднодоступных местах. Полученный таким образом подшипник скольжения из стальной втулки с напыленным слоем бронзы в сравнении с цельнобронзовым стоит на 13% дешевле при высоких эксплуатационных характеристиках подшипника (относительная износостойкость выше на 65%).

Предложенная технология и оснастка внедрена в производственный процесс ряда предприятий г. Орла: ЗАО «Дормаш», ЗАО «Орел-Погрузчик» и ЗАО «СДМ-Сервис Орел». Экономическая эффективность от внедрения предложенной технологии составила более 400 тыс. руб. при программе 1000 шт. в год.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Предложены научно обоснованные технические и технологические решения актуальной задачи повышения прочности сцепления и износостойкости антифрикционного покрытия биметаллического подшипника скольжения косым сетчатым накатыванием и газопламенным напылением порошков бронзы.

2. Установлен характер влияния технологических параметров обработки (глубины регулярной неровности 11=0,4...0,8 мм), геометрических параметров стальной основы подшипника скольжения (шаг резьбы Р=3 мм) и геометрических параметров накатных роликов (шаг роликов 1=1,6 мм) на перераспределение металла по высоте при косом сетчатом накатывании на резьбовой поверхности основы (х=0,15...0,29 мм).

Рисунок 10 - Схема технологического процесса

3. Разработаны математические модели, связывающие технологические параметры обработки (шаг резьбы Р; глубина регулярной неровности Ь; шаг накатного ролика 1) и силы деформирования при косом сетчатом накатывании на резьбовой поверхности. Установлено, что величина максимальной тангенциальной силы с увеличением в 2 раза глубины регулярной неровности и шага резьбы возрастает от 1,5 до 2,9 раза, в то же время увеличение шага накатных роликов в диапазоне от 1=1,2 мм до 1=2,0 мм приводит к её уменьшению в 1,4 раза соответственно. Увеличение в 2 раза шага резьбы и глубины регулярной неровности приводит к увеличению максимальной радиальной силы от 1,8 до 3,7 раза соответственно, при этом с возрастанием шага накатных роликов в диапазоне от 1=1,2 мм до 1=2,0 мм максимальная радиальная сила уменьшается в 1,8 раза.

4. Установлено, что косое сетчатое накатывание (глубина регулярной неровности Ь=0,6 мм, шаг накатного ролика 1=1,6 мм) по предварительно нарезанной резьбе (шагом Р=3 мм) обеспечивает повышение прочности сцепления напыленного антифрикционного покрытия в 1,5 раза (осц=64,5 МПа.) и увеличивает его износостойкость в 1,65 раза.

5. Установлено, что предложенная технология косого сетчатого накатывания приводит к образованию упрочненной зоны в стальной основе на глубину до 1,5 мм, при этом степень упрочнения составляет 18%.

6. Результаты исследований покрытий позволяют рекомендовать в качестве антифрикционного покрытия подшипников скольжения порошок ПР-БрАЖНМц 8,5-1,5-5-1,5 (шероховатость покрытия 11а=1,61 мкм, прочность сцепления осц=64,5 МПа, микротвердость НУ=127, маслоёмкость М=98 г/м2 и износостойкость К=1,65).

7. Предложенная технология изготовления биметаллического подшипника скольжения в сравнении с цельнобронзовым, позволяет снизить его себестоимость на 13% при повышении износостойкости на 65%.

8. Разработаны и предложены технологический процесс и оснастка для изготовления биметаллических подшипников скольжения косым сетчатым накатыванием и газопламенным напылением порошков бронзы. Предложенная технология и оснастка внедрена в производственный процесс ряда предприятий г. Орла: ЗАО «Дормаш», ЗАО «Орел-Погрузчик» и ЗАО «СДМ-Сервис Орел».

9. Экономическая эффективность при изготовлении биметаллического подшипника скольжения накатыванием и газопламенным напылением порошков бронзы составила более 400 тыс. руб. при программе 1000 шт. в год.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: публикации в изданиях, включенных в перечень ВАК:

1. Родичев А. Ю. Технология и оснастка для изготовления биметаллического подшипника скольжения. [Текст]/Хромов В. Н., Коренев В. Н., Родичев А. Ю.//Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2010. -№1/279(592). - С. 45-49.

2. Родичев А. Ю. Технология подготовки поверхности изделия под напыление [Текст]/Хромов В. Н., Коренев В. Н., Родичев А. Ю.//Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2010. - №2(280). - С. 63-65.

3. Родичев А. Ю. Исследование перекосов корпуса балансира и полуоси балансирного устройства заднего моста автогрейдера. [Текст]/Хромов В. Н., Коренев В. Н., Родичев А. Ю.//Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2010. - №3(281). - С. 39-45.

4. Родичев А. Ю. Теоретическое обоснование толщины покрытия биметаллического подшипника скольжения. [Текст]/Хромов В.Н., Родичев А.Ю. //Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - 2009. -№2/274(560). - С. 57-61.

публикации в сборниках научных трудов и материалах конференций:

5. Родичев А. Ю. Анализ износного состояния деталей автомобиля КамАЗ и их восстановление газопламенным напылением. [Текст]/Хромов В. Н., Родичев А. Ю., Коренев В. Н., и др.//Известия ОрелГТУ. Серия «Строительство. Транспорт». -2004. - №1-2. - 120 е., с.115-120.

6. Родичев А. Ю. Оценка величины усадки деталей типа «полый цилиндр» машин при восстановлении их термоупругопластическим деформированием. [Текст]/Хромов В. Н., Родичев А. Ю. //Научные основы решения проблем машиностроения: сборник научных трудов. - Тула: ТулГУ, 2003. - 287 е., с. 185192.

7. Родичев А. Ю. Восстановление подшипников скольжения корпуса муфты сцепления трактора Т-150 [Текст]/В. Н. Хромов, А. Ю. Роди-чев//Инженерно-техническое обеспечение и машинно-технологические станции в условиях реформирования АПК: Тезисы докладов Международной научно-практической конференции, в 2 т., т.1,- Орел: Изд-во ОрелГАУ, 2000. - 151 е., с.79-82.

Патенты на изобретения:

8. Пат. 2400312 Российская Федерация, МПК B05D 3/12. Способ подготовки поверхности изделия под напыление. [Текст]/Родичев А.Ю., Хромов В.Н., Коренев. В. Н. - №2009118097/12; заявл. 12.05.2009; опубл. 27.09.2010 г. Бюл. №25.-6 с.

9. Пат. 2212324 Российская Федерация, МПК7 В23Р 6/00, F16C 27/02. Способ восстановления подшипников скольжения. [Текст]/Родичев А. Ю., Хромов В.Н. - №2001105025/02; заявл. 21.02.2001; опубл. 20.09.2003 г. Бюл. №26.-3с.

10. Пат. 2198953 Российская Федерация, МПК7 С23С 4/18, В23Р 6/02. Способ восстановления втулок. [Текст]/Хромов В.Н., Родичев А. Ю. -№2001112544/02; заявл. 07.05.2001; опубл. 20.02.2003 г. Бюл. №5. - 3 с.

Подписано в печать 28.02.2011 г. Формат 60x80 i/i6 Печать ризография. Бумага офсетная. Гарнитура Times Объем 1 усл. печ. л. Тираж 120 экз. Заказ № 28. Отпечатано с готового оригинал-макета в ООО «Горизонт». 302025, г. Орел, ул. Московское шоссе, д. 137, корп. 5. Тел./факс: (4862) 30-00-70.

ВВЕДЕНИЕ.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1 Анализ технологий изготовления подшипников скольжения.

1.2 Анализ существующих антифрикционных материалов.

1.3 Анализ показателей качества технологий нанесения металлопокрытий.

1.4 Анализ прочности сцепления газопламенных покрытий.

1.5 Условия работы и конструктивные параметры подшипников скольжения балансирных подвесок автомобильной и дорожно-строительной техники.

Выводы, цель и задачи исследований.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОДШИПНИКОВ СКОЛЬЖЕНИЯ.

2.1 Сущность предлагаемой технологии изготовления биметаллического подшипника скольжения.

2.2 Исследование процесса пластического деформирования основы в процессе накатывания.

2.2 Л. Моделирование распределения металла в месте контакта зубьев накатного ролика и обрабатываемой поверхности на плоскости.

2.2.2 Объемное моделирование распределения металла вместе контакта зубьев накатного ролика и обрабатываемой поверхности.

2.2.3 Пластическое деформирование основы в прогрессе накатывания с использованием программного комплекса ВЕРОЯМ-ЗВ.

2.2.3.1 Анализ применения САЕ систем основанных на методе конечных элементов.

2.2.3.2 Методика моделирования процесса накатывания по резьбе на внутреннюю поверхность подшипника скольжения.

2.2.3.3 Создание геометрических трехмерных люделей заготовки подшипника скольжения и инструмента.

2.2.3.4 Задание кинематических параметров элементов технологической схемы процесса обработки внутренней поверхности.

2.2.3.5 Результаты исследований процесса пластического деформирования основы в процессе накатывания.

Выводы.

3 МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Материалы для проведения исследований.

3.2 Методика подготовки основы.

3.3 Методика определения подъема металла после накатывания.

3.4 Методика напыления.

3.5 Методика исследования шероховатости покрытий.

3.6 Методика исследования прочности сцепления покрытий с основой.

3.7 Методика исследования микроструктуры и микротвердости основы и покрытий.

3.8 Методика определения маслоёмкости покрытий.

3.9 Методика сравнительных исследований износостойкости покрытий

ЗЛО Методика определения ошибки эксперимента и повторности опыта.

3.11 Методика эксплуатационных испытаний.

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

4.1 Зависимость подъема металла от глубины регулярной неровности.

4.2 Шероховатость покрытий.

4.3 Прочность сцепления.

4.4 Микроструктура и микротвердость основы и покрытий.

4.5 Маслоёмкость покрытий.

4.6 Износостойкость покрытий.

4.7 Результаты эксплуатационных испытаний.

Выводы.

5 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ.

5.1 Технологический процесс изготовления биметаллических подшипников скольжения балансирных устройств.

5.1.1 Механическая обработка поверхности стальной основы.

5.1.2 Технология и оснастка для накатывания на внутреннюю поверхность подшипника.

5.1.2.1 Технология накатывания.

5.1.2.2 Оснастка для накатывания.

5.1.3 Напыление антифрикционного покрытия.

5.1.4 Механическая обработка антифрикционного покрытия.

5.2 Экономическая эффективность изготовления биметаллических подшипников скольжения балансирных устройств.

Актуальность темы. В настоящее время производство оснащено современной сложной техникой, безотказность работы которой зависит от срока службы наиболее нагруженных деталей. Во многих изделиях машиностроительного производства нашли широкое применение различные подшипники скольжения, так как они обладают высокими антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью, выдерживают значительные удельные нагрузки и высокие скоростные режимы. Чаще всего это бронзовые подшипники скольжения типа «втулка». Эти подшипники лимитируют ресурс работы ответственных узлов и агрегатов. Обеспечение высокой прочности сцепления антифрикционного покрытия и износостойкости биметаллических подшипников скольжения является сложной задачей, как при их изготовлении, так и при ремонте.

Одним из наиболее рациональных путей повышения прочности сцепления антифрикционного покрытия и износостойкости подшипников скольжения является применение биметаллических втулок с нанесенным на внутреннюю поверхность покрытием из порошков на основе бронзы. Серьезной проблемой при изготовлении подобных втулок является обеспечение необходимой прочности сцепления покрытия с основой. Известно, что прочность сцепления может быть повышена формированием' на поверхности основы специального рельефа. Одним из наиболее рациональных видов наносимых рельефов является сетчатый профиль, получаемый накатыванием. Однако отсутствие обоснованных рекомендаций по режимам и применяемым материалам при изготовлении подшипников скольжения косым сетчатым накатыванием и газопламенным напылением порошков бронзы сдерживает внедрение таких технологий в производство и поэтому является актуальной задачей.

Цель работы: технологическое повышение прочности сцепления и износостойкости антифрикционного покрытия биметаллических подшипников скольжения косым сетчатым накатыванием и газопламенным напылением порошков бронзы.

Задачи исследований:

1) провести анализ технологий изготовления подшипников скольжения и существующих антифрикционных материалов, а также показателей качества технологий нанесения металлопокрытий;

2) исследовать процесс пластического деформирования основы в процессе накатывания;

3) исследовать прочность сцепления покрытий с основой, микроструктуру и микротвердость основы и покрытий;

4) определить шероховатость и маслоёмкость покрытий и провести сравнительные исследования износостойкости покрытий, а также эксплуатационные испытания подшипников;

5) разработать технологию и оснастку для изготовления биметаллического подшипника скольжения косым сетчатым накатыванием и газопламенным напылением порошков бронзы и определить экономическую эффективность разработанной технологии.

Объект исследований: технология изготовления биметаллических подшипников скольжения косым сетчатым накатыванием на резьбовой поверхности основы и газопламенным напылением антифрикционного покрытия.

Предмет исследований: числовые значения подъема металла основы, шероховатости, прочности сцепления, микротвердости, маслоемкости и износостойкости антифрикционных покрытий биметаллического подшипника скольжения.

Методы исследований: при проведении исследований использованы фундаментальные положения технологии машиностроения, теории упругости и пластичности, численные методы решения систем дифференциальных уравнений (метод конечных элементов), теория планирования эксперимента, статистической обработки экспериментальных данных и регрессионного моделирования.

Научная новизна:

1. Установлено, что косое сетчатое накатывание по предварительно нарезанной резьбе обеспечивает повышение прочности сцепления нанесенного антифрикционного покрытия в 1,5 раза и увеличивает его износостойкость в 1,65 раза.

2. Установлено влияние технологических параметров обработки, геометрических параметров резьбы и геометрических параметров инструмента на перераспределение металла по высоте при косом сетчатом накатывании на резьбовой поверхности.

3. Разработаны математические модели, связывающие технологические параметры обработки (шаг резьбы Р; глубина регулярной неровности Ь; шаг накатного ролика 0 и силы деформирования при косом сетчатом накатывании на резьбовой поверхности. '

Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов теоретического моделирования и экспериментальных исследований, и внедрением результатов исследований в производство.

Практическая ценность работы:

1. Определены рациональные технологические параметры косого сетчатого накатывания, обеспечивающие наилучшее сцепление с антифрикционным покрытием;

2. Разработаны и внедрены технология и оснастка для изготовления подшипников скольжения косым сетчатым ~ накатыванием, и газопламенным напылением порошков бронзы.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на следующих конференциях: Фундаментальные и прикладные проблемы в машиностроительном комплексе «Технология - 2009»: XI Международная научно-техническая конференция 12-21 марта 2009 г. - Россия, Орел - Taba, Arab Republic of Egipt; Надежность и ремонт машин: 1-я и 2-я Международная научно-техническая конференция 2004 - 2005 г. - г. Гагра; Научные проблемы и перспективы развития ремонта, обслуживания машин и восстановления деталей: Международная научно-техническая конференция, г. Москва ГНУ ГОСНИТИ, 2003; Инженерия поверхности и реновация изделий: 1-я, 2-я, 3-я Международная научно-техническая конференции, 2001 - 2003 г., г. Ялта; Инженерно-техническое обеспечение и машинно-технологические станции в условиях реформирования АПК: Международная научно-практическая конференция, г. Орел, 2000 г.

Реализация работы. Результаты работы внедрены в производственный процесс ряда предприятий г. Орла: ЗАО «Дормаш», ЗАО «Орел-Погрузчик» и ЗАО «СДМ-Сервис Орел» в виде технологического процесса и оснастки для изготовления подшипников скольжения балансирных устройств.

Публикации. По материалам работы автором опубликовано 10 работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, и 3 патента на изобретения.

Объём и структура работы. Работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы и приложений; изложена на 172 страницах, содержит 110 рисунков, 25 таблиц, 135 формул, библиографию из 81 наименования, 19 приложений.

На защиту выносятся:

1) технология и оснастка для изготовления биметаллических подшипников скольжения косым сетчатым накатыванием и газопламенным напылением порошков бронзы;

2) результаты теоретических исследований процесса пластического деформирования резьбовой основы в процессе косого сетчатого накатывания;

3) результаты экспериментальных исследований влияния технологических параметров косого сетчатого накатывания на прочность сцепления газопламенных покрытий с основой;

4) результаты исследований шероховатости, маслоёмкости покрытий, микроструктуры и микротвердости основы и покрытий;

5) результаты сравнительных исследований износостойкости покрытий.