Проект восстановления коленчатого вала ЗИЛ 130 с применением ультразвукового упрочнения

Одним из важнейших направлений в переходе народного хозяйства на рыночные отношения является повсеместное, рациональное использование сырьевых, топливно-энергетических и других материальных ресурсов. Усиление работы в этом направлении рассматривается как неотъемлемая часть экономической стратегии, крупнейший рычаг повышения эффективности производства во всех звеньях народного хозяйства.

Одним из самых крупных резервов экономии и бережливости выступает восстановление изношенных деталей. Восстановление изношенных деталей машин обеспечивает экономию высококачественного материала, топлива, энергетических и трудовых ресурсов.

Для восстановления трудоспособности изношенных деталей требуется в 5-8 раз меньше технологических операций по сравнению с изготовлением новых деталей (1).

По данным ГОСНИТИ 85% деталей восстанавливают при износе не более 0,3 мм., т.е. их работоспособность восстанавливается при нанесении покрытия незначительной толщины.

Однако ресурс восстановленных деталей по сравнению с новыми, во многих случаях, остается низким. В тоже время имеются такие примеры, когда ресурс восстановленных прогрессивными способами, в несколько раз выше ресурса новых деталей (2).

Основа повышения качества – применение передовых технологий восстановления деталей.

При восстановлении коленчатых валов двигателей возникает необходимость изыскания новых, более прогрессивных способов восстановления, которые смогли бы повысить ресурс деталей при сравнительно низких затратах.

В проекте сделан глубокий анализ различных способов восстановления упрочнения поверхностным пластическим деформированием коленчатых валов.

Одним из наилучшим способом является ультразвуковое упрочнение после наплавки под слоем флюса.

Исходя из этого, в проекте разработан технологический процесс восстановления, модернизировано универсальное оборудование для УЗУ, сделана технико-экономическая оценка предполагаемой конструкции и всего проекта в целом.

1.Анализ хозяйственной деятельности производственного объединения «Новосибирскавторемонт».

Производственное объединение «Новосибирскавторемонот» расположено в центральной части города. Оно состоит из 4 филиалов. Данный проект разработан на базе филиала № 3. Цех по ремонту двигателей данного филиала был построен в 1954 году, и занимает территорию около 2500 м².

Филиал № 3 производственного объединения «Новосибирскавторемонт» расположен в Центральном районе вблизи станции метро «Красный проспект».

Климат в районе расположения цеха резко континентальный с холодной зимой и жарким летом. Продолжительность безморозного периода 100 – 110 дней.

1.1.Анализ технико-экономических показателей цеха.

Полноценная работа цеха по ремонту двигателей во многом зависит от технико-экономических показателей.

В таблице 1.1. приведена калькуляция по цеху ремонта двигателей филиала № 3 п/о «Новосибирскавторемонт».

Таблица 1.1. Технико-экономические показатели.

1.2.Анализ организации ремонта двигателей.

Цех работает по пятидневной рабочей неделе с двумя выходными днями. Продолжительность работы – 8 часов.

В настоящее время цех осуществляет капитальный ремонт двигателей, занимается восстановлением коленчатых валов, гильз цилиндров и т.п.

Технологические процессы механизированы с применением специализированного оборудования, приспособлений и инструмента.

Технологический цикл – замкнутый цикл, который характеризуется выполнением всех необходимых работ в одном производственном помещении, начиная от приемки ремонтного фонда и оканчивая выдачей готовой продукции.

Обеспечение участка сборки двигателей запасными частями ведется через центральный склад производственного объединения «Новосибирскавторемонт».

Узким местом ремонта двигателей, в частности восстановление коленчатых валов, является низкий восстановительный ресурс. Это обусловлено применением отсталой технологии, не отвечающей современным требованиям.

В связи с этим в проекте сделан глубокий анализ существующих методов восстановления и упрочнения (ППД) и выбраны наиболее прогрессивные способы, на основании которых построен данный дипломный проект.

2. Анализ восстановления коленчатого вала двигателя ЗИЛ – 130.

2.1. Наплавка под слоем флюса.

В общем объеме работ по восстановлению деталей на ремонтных предприятиях наплавка под слоем флюса составляет 32 % (2).

При такой наплавке в зону горения дуги (рис. 2.1.) подают сыпучий флюс, состоящий из мелких крупиц зерен.

Рисунок 2.1. Схема автоматической наплавки.

1-напловляемая деталь;

2-эластичная оболочка;

3-бункер с флюсом;

4- мундштук;

5-электрод;

6-электрическая дуга;

7-шлаковая корка.

Под воздействием высокой температуры часть флюса плавится, образуя вокруг дуги эластичную оболочку, которая надежно защищает расплавленный метал от действия кислорода и азота.

Автоматическая наплавка эффективна в трех случаях, когда необходимо наплавить слой толщиной более 3 мм, глубокое проплавление нежелательно, т.к. оно увеличивает деформацию детали (1,3).

Главным фактором, влияющим на глубину проплавления, является сила тока.

Влияние на глубину проплавления оказывает относительное размещение электрода и детали. В практике применяют наплавку углом вперед, при которой глубина проплавления меньше, чем при наплавке углом назад. Глубина проплавления также уменьшается с увеличением вылета электрода.

Качество наплавленного металла и его износостойкость зависят от марки электродной проволоки, флюса и режима наплавки. Сварочные наплавочные проволоки, применяемые при восстановлении коленчатых валов, сведены в таблицу 2.1:

Таблица 2.1.Сварочные и наплавочные проволоки.

Наплавочные флюса Ан-348, Ан-60 и другие содержат стабилизирующие элементы, но в состав флюсов не входят легирующие добавки, что не способствует повышению прочности и износостойкости наплавленного металла.

Наплавка под слоем флюса с последующей термообработкой обеспечивает стабильность структуры и твердость наплавленного металла восстанавливаемых коленчатых валов.

В этом случае наплавляют пружинной проволокой II класса или проволокой Нп-30ХГС при режим:

напряжение дуги 25 ÷ 30 В,

сила тока 180 ÷ 220 А,

шаг наплавки 4,6 м/об,

скорость подачи проволоки 1,6 ÷ 2,1 м/мин (1).

Наплавленный металл обладает твердостью HRC 32…40 и легко поддается механической обработке.

Хорошие результаты дают применение порошков. Проволоки (2).

2.2. Электроконтактное напекание порошка.

Схема электроконтактного напекания металлических порошков на поверхности деталей разработана ЧИМЭСХ.

Рисунок 2.2. Схема электроконтактного напекания металлических порошков на поверхности деталей.

1-наплавляемый слой;

2-ролик контактный;

3-порошок металлический;

4-деталь.

Оптимальные режимы напекания порошка, обеспечивающие сцепление в пределах 120…150 МН/м^2­­ лежат в пределах: по напряжению – 0,87÷1,35 В на 1 мм толщины слоя, по давлению - 40÷60 МН/м², по затратам энергии – 2,1 ÷3,2 Вт ч/г.

Пористость получаемого слоя на оптимальных режимах 8-12%, твердость 70…82 HRB.

Напекание порошка с повышенным содержанием углерода (С=0,84%) проводится по аналогии, что для порошка АП84. При этом сцепление слоя с металлом повышается до 220÷250 МН/м².

Напекание порошка. Сормайт – 1 должно проводится при высоких удельных давлениях (60…80 МН/м²) и пониженных напряжениях (0,73…1,05 В на 1 мм толщины наплавленного слоя).

Основное влияние на качество слоя его сцепление с металлом оказывает скорость напекания, влияющая на температурный режим в процессе напекания (2.3.)

При напекании на пониженных скоростях 0,12…0,17 м/мин, слой получается весьма плотным (пористость 6÷8%). При повышении скорости напекания на 0,25 м/мин пористость несколько возрастает до 10÷12%, а качество сцепления улучшается в результате уменьшения поверхности окисления детали и порошка в процессе нагрева и формирования слоя (1).

Напекание порошка ведется «узким» роликом 4 мм по винтовой линии или «широким» на всю поверхность напекания с учетом соблюдения вышеприведенных режимов (1,3,15).

Рисунок 2.3. Температура в граничной зоне в зависимости от напряжения холостого хода и скорости напекания.

1-Vн = 0,37 м/мин;

2-Vн = 0,25 м/мин;

3-Vн = 0,17 м/мин.
2.3. Электрометаллизация.

Металлизация – один из распространенных способов получения металлических покрытий поверхностей нанесением на эти поверхности расплавленного металла.

Сущность процесса в следующем: металл, расплавленный дугой, струей сжатого воздуха (давление до 0,6 МПа) покрывает поверхность восстанавливаемой детали. Процесс дуговой металлизации осуществляется специальным аппаратом – металлизатором (рис. 2.4.).

Рисунок 2.4. Схема металлизатора.

1 – электродная проволока;

2 – сопло;

3 – провода от трансформатора;

4 – деталь.

Аппарат действует следующим образом: с помощью роликов по направляющим наконечникам непрерывно подается две проволоки,, к которым подведен электрический ток. Возникающая между проволоками электрическая дуга расплавляет металл. Одновременно по воздушному соплу в зону дуги поступает сжатый газ под давлением. Большая скорость движения частиц металла (120… 300 м/с) и незначительное время налета, исчисляемое тысячами долями секунды, обуславливает в момент удара его пластическую деформацию, заполнение частицами неровностей и пор поверхности детали, сцепление частиц между собой и с поверхностью, в результате чего образуется сплошное покрытие.

Толщина наплавляемого слоя от нескольких микронов до 10 мм и более.

Питание электрометаллизатора осуществляется либо от специальных трансформаторов с дополнительными отводами от витков вторичной обмотки, допускающие напряжение дуги 20 – 55 В (с промежутком через 4 – 5 В) при токе не менее 250 А.

Рекомендуемые материалы электродной проволоки: сталь 45, Нп – 30 ХГСА.

Металлизация обеспечивает высокую твердость напыленного слоя. Однако, применяя металлизацию, необходимо учитывать, что нанесенный слой не повышает прочности детали. По этому применять металлизацию для восстановления деталей с ослабленным сечением не следует. Кроме этого необходимо знать, что сцепляемость напыленного слоя с осн6овным металлом недостаточно (2,3,14).

2.4. Плазменное напыление композитных порошковых материалов.

В специальных устройствах, называемых плазмотронами, плазмообразующий газ (аргон, азот, углекислый газ), протекая сквозь слой электрического разряда ионизируется и превращается в плазму. Рабочая температура струи достигает 7000 – 15000 0С.

Схема комбинированной плазменной наплавки проволокой с газопорошковой защитной средой показана на рис. 2.5.

Рисунок 2.5. Схема плазменной наплавки.

1 - деталь;

2 - бункер;

3 - плазменная головка;

4 - источник питания;

5 – сварочная проволока.

Плазменные покрытия используются для создания износостойких слоев на рабочих поверхностях.

Сущность метода состоит в бомбардировке обрабатываемой поверхности частицами порошка, разогретыми до пластического состояния. Передачу тепловой и кинетической энергии частицами порошка осуществляют плазменным (за счет введения порошков металлов в плазменную струю) и газопламенным (введение порошков в газовую смесь) способами.

Для устойчивости работы плазмотрона электрическая дуга должна быть сформирована и стабилизирована вдоль его продольной оси.

При плазменном напылении используют порошки самофлюсующихся сплавов системы Ni-Cr-B-Si-C марок СНТН, ПГХН 80 СР, ВСНГ Н с температурой плавления 1050 ⁰С зернистостью 20 – 150 мкм, обеспечивающие твердость обрабатываемых поверхностей до 35 NR (2). Недостатками плазменно напыленных покрытий являются низкая прочность сцепления с основой, адгезионная прочность и термостойкость покрытия, что связанно с различными коэффициентами температурного расширения покрытия и о основы. Обладая значительной пористостью, плазменно-напыленные покрытия не защищают от окисления, что приводит к ускоренному разрушению (отслаиванию) покрытия. Увеличить адгезионную прочность, термостойкость покрытия в окислительных средах можно азотированием поверхности до образования нитридной прослойки (1,2,4).

3.Анализ способов ППД.

Обкатывание и раскатывание шаровым инструментом.

Шаровый инструмент можно классифицировать по следующим признакам (4):

1. По характеру обрабатываемых поверхностей:

- для наружных цилиндрических;

- для внутренних цилиндрических;

2. По числу деформирующих элементов:

- одношаровой;

- многошаровой.

Шаровый инструмент применяют для обкатки специальных или сложных профильных поверхностей: сфер, галтельных переходов, желобов подшипников и т.п.

Шары используемые для ППД изготавливают из подшипниковых сталей ШХ 15, ШХ15СГ, ШХ20СГ, 18ХГТ, в особых случаях можно применять коррозийно-стойкие стали 11Х18М, 95Х18.

Параметр шероховатости наиболее интенсивно уменьшается при удельных нагрузках 1000-1400 МПа, прямопропорционален радиусу шара. Большое влияние на шероховатость оказывает исходный параметр поверхности, при обкатывании она повышается для всех металлов, и чем выше прочность обкатываемого материала, тем больше оптимальное давление обкатывания (4).

Твердость значительно повышается на глубину до 2 мм однако на глубине 1,0-1,5 мм повышение твердости становится незначительным. Наибольшее увеличение твердости происходит у материалов со структурой мартенсита, не подвергшихся отпуску. При этом поверхностная твердость, например стали У8,ШХ15, 40Х увеличивается до 15%(ШХ15), до 25% (У8) по отношению к исходным.

Обкатывание роликовых дорожек подшипника (HRC 35) с силой 750 Н шаром диаметром 4,5 мм при подаче 0,1 мм/об снижает параметр шероховатости в 5-8 раз, повышает микро твердость до 25% при глубине наклепанного слоя 0.ю8 мм.

Особенности шаровых устройств - использование стандартных шаров с высокими точностью обработки и качеством поверхности, незначительные силы обработки, связанные с точечным (условно) контактом инструмента и обрабатываемой поверхности, низкая подача и производительность (2).

3.1. Обкатывание роликовым инструментом.

Для обкатывания используют ролики различной конфигурации, который обычно устанавливают под некоторым углом к оси обрабатываемой детали (рис. 3.1.)

Рисунок 3.1. Схема обкатывания.

1-обкатываемая деталь; S – подача, мм/мин;

2-ролик. n – частота вращения, об/мин;

L – поперечный ход, мм.

Ролики для раскатывания и обкатывания бывают двух видов: стержневые (рис. 3.2.) и кольцевые; их подразделяют на 15 типов (4).

Рисунок 3.2. Стержневые ролики.

а).конический ролик; б).цилиндрический ролик.

У поверхности роликов должна быть твёрдость HRC 62…52, поэтому их изготавливают преимущественно из сталей ШХI5 и ШХ15СГ (ГОСТ 801-87). У накатывающих и заходных поверхностей роликов Ra 0, 1 мкм.

Стержневые ролики рекомендуется применять в много роликовом накатном инструменте сепаратного типа. Кольцевые ролики рекомендуется применять преимущественно в головках одно-, двух- и трёхроликовых приспособлений.

Отпечаток ролика во время обкатывания превращается в пластически деформированную канавку, которая при обработке цилиндрических поверхностей с подачей представляет собой винтовую линию.

Разрушение поверхностного слоя может происходить не только при силе превосходящей кинетическую, но и при небольшой нагрузке N велико. Допустимое N зависит в большей мере от марки обрабатываемого материала: для достижения Rа = 0, 16 мкм незакаленной стали необходимо, чтобы 20 < 200, а чугуна 35 < 60.

Итак, при обкатывании необходимо назначать минимальную силу, при которой обеспечивается обработка с максимальной производительностью.

На силу обкатывания непосредственно влияют передний и задний углы вдавливания L^I₀ и L^II₀. Установлено, что оптимальным для большинства случаев является La = 2…3⁰, La = 5⁰ так зависимость параметра шероховатости поверхности от силы обкатывания (рис.3.3.) носит параболический характер.

Рисунок 3.3. Зависимость Ra от силы обкатывания Р роликом со сферическим профилем.

Сталь 45 Г2; S = 0,21 мм/мин; D = 130 мм; Г = 20 мм.

Следующим по значению параметром обкатывания после силы является подача, которая может быть радиальной и осевой. Наилучшее качество поверхности достигается при обработке с радиальной передачей, однако на практике детали обрабатывают с осевой подачей. С уменьшением подачи шероховатость поверхности уменьшается до определённого предела, затем начинает возрастать. Оптимальное S = 0,25 (4).

3.2. Алмазное выглаживание.

Выглаживание заключается в пластическом деформировании обрабатываемой поверхности скользящим по ней инструментом- выглаживателем.

Для изготовления выглаживателей используют природные и синтетические алмазы.

Синтетические алмазы с размером зерна более З мм в виде поликристаллов получили название баллас (АСБ) и карбонидо (АСГIК) по аналогии с наименованием соответствующих природных алмазов.

Особенность их структуры обеспечивает изотропность физико-механических свойств, что даёт возможность инструменту работать с переменными нагрузками.

Алмазы АСБ имеют шаровидную форму, чётко выраженной радиально-лучистой структурой, размеры их зёрен достигают б мм. Алмазы АСПК имеют форму цилиндра диаметром 2 — 4,5 мм и высотой 2 — 5 мм. Структура их также радиально-лучистая, но более совершенная.

В результате пластического деформирования Δ обрабатываемой поверхности сглаживаются исходные неровности, и образуется новый микрорельеф высотой неровностей профиля Rz b. Размер детали уменьшается на величину остаточной деформации Δ Пл (4).

Исходными параметрами является предварительный натяг и сила выглаживания.

Решающее значение для качества поверхности детали имеет шероховатость инструмента (рис.3.4).

Коэффициент трения зависит от наиболее существенных факторов силы выглаживания и твердости обрабатываемой поверхности. Максимальное значение коэффициента трения 0,1 ,а обычно оно составляет 0,05 — 0,08.

Рисунок 3.4. Зависимость параметра шероховатости детали от параметра шероховатости инструмента.

Температура в очаге деформирования на глубине не более 0,1 мм не превышает 200-400 при скорости выглаживания менее 100 м/мин.

При увеличении скорости до 400 — 500 м/мин температура возрастает в 2 — 2,5 раза. Параметрами выглаживания, влияющие на шероховатость, являются: сила выглаживания, подача и радиус рабочей части инструмента. Сила выглаживания большая 200 ÷ 250 Н для деталей из высококачественных материалов и большая 100 ÷ 150 Н для деталей из материалов средней твёрдости — нецелесообразны.

Основным критерием выбора радиуса сферы инструмента является твёрдость материала обрабатываемой детали. Для деталей из мягких сплавов и цветных металлов и их сплавов этот радиус должен составлять 2,5 ÷ 3,5 мм, для деталей средней твердости – 1,5 ÷ 2 мм, для деталей из высокопрочных сталей (НRC>60) - 1÷1,5 мм.

Наименьший параметр шероховатости достигается при подаче 0,02÷0,04мм/об. Скорость выглаживания мало влияет на параметр шероховатости.

3.3. Поверхностное дорнование.

Поверхностное дорнование – это поступательное движение дорна по охватывающей его поверхности (4).

1 – деталь;

2 – дорн.

Рисунок 3.5. Схема обработки поверхностным дорнованием.

Инструмент для поверхностного дорнования изготавливают из твёрдых сплавов. Твёрдые сплавы, обладая рядом преимуществ, но хуже воспринимают ударные и изгибные нагрузки по сравнению с инструментальными и подшипниковыми сталями.

Марки сплавов: ВХ, ВХ8, ВХ10, ВХ15, ВХ25. Новые сплавы имеют значительно повышенную стойкость. Это ВХ10 ОС, ВХ15С, ВХ2ОС и др.

Инструментом для поверхностного дорнования служит дорн, в котором основным рабочим элементом является зуб. Дорны подразделяются на поверхностные и объёмные (4).

Поверхностное дорнование характеризуется следующими параметрами: натягом i, относительным натягом i/d, силой дорнования или силой тяги Р и осевой составляющей силой деформирования Ро, скоростью дорнования и геометрическими характеристиками.

Основным параметром является натяг. С увеличением натяга параметр шероховатости уменьшается до определённого значения. Суммарный натяг при дорновании отверстий диаметром до 80 мм обычно составляет 0,1 — 0,25 мм.

3.4. Виброударная обработка.

Виброударная обработка — это обработка рабочими телами деталей в замкнутом объёме при его вибрации.

Вибрационную ударную обработку подразделяют на виброабразивную и виброударную. Виброабразивную применяют для удаления с деталей заусенцев, округления острых кромок, полирования и т.д., а виброударную — для упрочнения.

Для вибрационной ударной обработки используют рабочие тела из различных материалов и жидкие рабочие среды. Кроме стальных и полимерных шариков (Г0СТ3722-81, ОСТ 1.51334-73), стальной и чугунной дроби (ГОСТ 1 1964-81 Е) применяют металлическую сечку из проволоки, гранулы из алюминиевых и цветных сплавов.

При виброударной обработке в рабочей камере, смонтированной на упругих подвесках и имеющей возможность колебаться в различных направлениях, сообщаются низкочастотные колебания — в большинстве случаев с помощью дисбалансного вибратора (рис.3.6.)

Рисунок 3.6. Схема виброударной обработки заготовок без закрепления.

1 – обрабатываемые детали;

2 – контейнер;

3 – рабочие тела;

4 – амортизаторы;

5 – вибровозбудитель.

Виброударная обработка производится в результате множества микро ударов и относительного скольжения с определённым давлением рабочих тел по поверхности обрабатываемой детали.

Рабочие тела движутся с переменным ускорением, что обеспечивает их большую подвижность. Вследствие высокой относительной подвижности рабочие тела хорошо вписываются в фасонную поверхность деталей, за счёт чего этим методом можно упрочнять как наружные, так и внутренние поверхности сложных деталей различных размеров.

В силу ограниченных энергетических возможностей продолжительность упрочнения значительна (от 10-20 мин до нескольких часов), а вероятность перенаклёпа исключается, т.е. виброударная обработка по сравнению с другими способами П.П.Д. обладает ограниченными энергетическими возможностями.

Виброобкатывание и вибровыглаживаяие.

При виброобкатывании помимо осевой подачи S (как при обкатывании и выглаживании) инструменту, поджатому к обрабатываемой поверхности с силой Р, сообщается возвратно поступательное перемещение с частотой N и амплитудой А, вдоль оси детали, вращающейся с частотой n (рисЗ.7.)

Рисунок 3.7. Схема виброобкатывания (вибровыглаживания).

При использовании в качестве инструмента стального закалённого шара в процессе называется виброобкатыванием, при использовании сферического наконечника из алмаза или другого сферического материала (радиусом R) — выглаживанием, т.к. процесс происходит в условиях трения скольжения.

Выбор материала зависит от твёрдости обрабатываемой поверхности для обработки деталей из материалов высокой твёрдости (от HRC 50 до HRC 60) применяют алмазные наконечники. Сила поджатия инструмента при выглаживании 50-200 Н, что позволяет обрабатывать маложёсткие и неровно жёсткие поверхности, а также углубления шириной 5-10 мм. При виброобкатывании сила поджатия инструмента 800-1000Н. При виброобкатьтвании и вибровыглаживании инструмент выдавливает синусоидальную канавку.

Выравнивание форм, размеров и расположения микро неровностей на поверхности достигается изменением режимов обработки: S, P, A, N, n, dm (К), канавки имеют плавные очертания с Ra 0,02...0,16 мкм. Микротвёрдость поверхности канавок и наплывов на 10-25 % выше твёрдости исходной поверхности. Остаточное напряжение в 1,3-1,7 раза больше, чем при обкатывании без вибрации на тех же режимах.

Для получения низменного рисунка системы каналов необходимо выдерживать постоянным отношением N/n и иметь неизменный диаметр детали. Одной из основных характеристик виброобкатанных поверхностей является степень перекрытия Rn выдавливаемыми канавками исходной обрабатываемой поверхности.

Величина Rn определяет путь, проходимый инструментом в единицу времени (4).

3.5. Обработка дробью.

Методы обработки подразделяются на две группы — обработка сухой дробью и обработка дробью с СОЖ. При дробеструйном (ДУ), пневмодинамическом (ПДУ) и дробелитном (ДМУ) упрочнении детали обрабатывают сухой дробью, эти методы называют дробеударными. Существуют следующие разновидности гидроударной обработки гидробеструйная (ГДУ) гидробелитная (ГДМУ), упрочнение микро шариками.

Каждый метод характеризует несколько параметров:

- скорость сообщаемая дроби ( 1-1ООм/с);

- характеристика дроби: её материал (чугун, сталь, стекло), метод изготовления

(литые или рубленные из проволоки шарики для подшипников), форма неправильная (литая дробь) и правильная (шарики);

- кинетическая энергия дроби, зависящая от скорости полёта и диаметра дроби;

- количество дроби одновременно участвующей в наклёпе поверхности детали.

Жидкие среды удаляют продукты изнашивания с поверхности обрабатываемых деталей и рабочих тел, смачивают и охлаждают их. В большинстве случаев рабочая среда представляет собой водный раствор щелочей, кислот и солей с химическими добавками. В частности кислота стеариновая техническая ГОСТ 94 19-78, кислота амиловая и др.

При обработке дробью шероховатость обрабатываемой поверхности повышается незначительно, а в некоторых методах и режимах обработки возможно и уменьшение шероховатости.

При дробеструйном упрочнении шлифованных поверхностей цементированных и закалённых деталей параметр шероховатости повышается в среднем на 1-2 мкм, при упрочнении деталей из улучшенной стали, из титановых и алюминиевых сплавов параметр шероховатости повышается на 2,5-5 мкм, во многих случаях происходит активный перенос частиц дроби на поверхность деталей, что снижает их коррозионную стойкость, режим упрочнения характеризуется значительной нестабильностью. Коме того, установки ДУ имеют ряд эксплуатационных недостатков, связанных с быстрым изнашиванием сопел и др.. Основные преимущества ГДУ по сравнению с дробеструйным следующие:

- остаточные напряжения только сжимающие, максимальные значения на некоторой глубине, сравнительно низкий параметр шероховатости (Rа 1,25-О,1бмкм) сохраняется, высокий (Ra 1,25-1,2 мкм) может снижаться до 12,5-1,2 мкм:

- микрогеометрия улучшается,

- исключён перенос на обрабатываемую поверхность материала рабочих тел в связи со снижением температуры в зоне контакта.

Однако установки ГДУ сложнее, дороже и требуют более высоких затрат при эксплуатации.

Наибольшее отличие в изменении свойств проявляется при ДМУ (дробелитное упрочнение). Высокая интенсивность пластической деформации обеспечивает при ДМУ более высокую степень и глубину упрочнения. Максимальная микро твёрдость наблюдается при времени наклёпа равным 4 минутам

По сравнению с исходной твёрдость увеличивается на 25 % и достигает ≈10Гпа (4).

3.6. Центробежная обработка.

При центробежной обработке на обрабатываемую поверхность наносят последовательные удары рабочими элементами (шарами или роликами), свободно сидячими в радиальных отверстиях вращающегося диска. Рабочие тела под действием центробежных сил занимают крайнее положение в радиальных отверстиях, а при ударе обрабатываемую поверхность опускаются на глубину, равную натягу, отдавая энергию, создаваемую центробежной силой.

Метод применяют в основном для повышения сопротивления усталости деталей, работающих в тяжёлых условиях эксплуатации. При правильно назначенных условиях и режимах упрочнения с помощью этого метода удаётся повысить сопротивление усталости обрабатываемых деталей в 1,5-4 раза. При оптимальных параметрах упрочнения параметр шероховатости грубых поверхностей Rа 5-20 мкм уменьшается в десятки раз и достигается Rа 0,63-1,25 мкм, при обработке поверхностей с Rа 0,32-0,63 мкм параметр шероховатости уменьшается до Rа 0,08-0,16 мкм. Температура поверхности в момент деформирования может достигать 200 ⁰С, однако, это не вызывает структурных изменений.

Твёрдость поверхностного слоя по сравнению с твёрдостью не наклёпанного слоя повышается в среднем при обработке силумина на 50 %, стали 25 — на 40 %, чугуна — на 30- 60% и латуни на 60 %. Глубина наклёпа 0,6-0,8 мм и более (4).

3.7. Ультразвуковое упрочнение (УЗУ).

Если при упрочнении статическими методами ППД инструменту сообщают дополнительно ультразвуковое колебание с частотой 18-24 кГц и амплитудой 15-30 мкм, то они становятся ударными методами (ультразвуковое обкатывание и т.п.)

Рисунок 3.8. Схема ультразвукового упрочнения (УЗУ).

Используют также УЗУ, когда загружаемым рабочим телам, помещённым в замкнутый объём вместе с обрабатываемой деталью, сообщают ультразвуковые колебания, под действием которых происходит упрочнение обрабатываемой поверхности. Процесс (рис.3.9.) напоминает виброударную обработку.

Рисунок 3.9. Схема УЗУ.

1 – концентратор;

2 – камера;

3 – обрабатываемая деталь;

4 – стальные шарики.

При обычном ультразвуковом упрочнении инструмент 2 (рис.3.10.) под действием статической и значительной ударной силы, создаваемой колебательной системой (ультразвуковым генератором магнитострикционным преобразователем 5 и концентратором 3), пластически деформирует поверхностный слой обрабатываемой детали 1.

Рисунок 3.10. Схема ультразвукового упрочнения.

1-обрабатываемая деталь;

2-рабочая часть инструмента;

3-концентратор;

4-ультразвуковой генератор;

5-магнитострикционный преобразователь;

6-направляющие.

Статическую силу Рст можно прикладывать с помощью пружины или груза,

под действием которого все устройство может свободно перемещаться по направляющим 6 и поджиматься к детали 1. По сравнению, например, с обкатыванием шаром (ОШ) ультразвуковое упрочнение отличается следующими особенностями и преимуществами:

1-инструмент пластически деформирует поверхностный слой детали импульсно, с большой интенсивностью колебаний, в результате чего формирование сопровождается прерывистым и интенсивным трением;

2-кратность приложения силы при деформировании инструментом поверхности в 400 раз более (при ОШ 12-20 раз);

3-статическая сила, действующая на деталь, незначительна;

4-скорость деформации — переменная, её максимальное значение 200 м/мин и более, что превышает скорость деформирования при ОШ в десятки и сотни раз;

5-среднее давление, создаваемое в поверхностном слое детали под действием нормально направленной силы, в 3-9 раз больше, чем при ОШ;

6- энергия, расходуемая на искажение кристаллической решётки и идущая на внутренние микроструктурные преобразования, при УЗУ значительно выше, чем при0Ш;

7-температура места контакта инструмента с деталью в зоне деформирования 100-150⁰С, что в 3-5 раз меньше, чем при ОШ, а время нагрева при УЗУ очень мало (3 х 10-5 сек), поэтому не наблюдается снижения упрочнения, вызываемого действием высокой температуры;

8-в процессе УЗУ вследствие относительно больших напряжений и многократного приложения нагрузки напряжённо-деформированное состояние специфично.

Множественное скольжение дополнительно тормозит дислокацию. Плотность дислокаций намного больше, чем при ОШ. В результате степень наклёпа повышается в 1,2-1,5 раза и соответственно увеличивается уровень остаточных сжимающих напряжений.

Применение УЗУ по сравнению с ОШ может быть эффективно в следующих случаях:

1-для деталей термически и химико-термически обработанных сталей У10А, У12, Х40, ШХ 15, сталей аустенитной структуры 12Х18Н9Т и др., где применение других методов не позволяет получить значительный упрочняющий эффект;

2-для деталей и инструментов из твердых сплавов;

3-для деталей малой и неравномерной жёсткости, так же УЗУ характеризуется небольшой статической силой и временем деформирования.

К параметрам режима У относится: статическая сила Рст, амплитуда А колебаний инструмента, радиус его округления Г, частота колебаний f, эффективная масса инструмента М, продольная подача S, число рабочих ходов i, скорость обработки детали V.

Основные параметры упрочнения лежат в следующих пределах: частота ультразвуковых колебаний f = 2 х 10⁴ амплитуда 2А = 10…20 мкм, статическая сила Рст = 30...300Н, время контактирования инструмента с деталью r = 3х10^-5 с, отношение тангенциальной силы к нормальной Рm/PN = 0,7, скорость колебательного движения инструмента

V₁ = 2Пf >400 (1.)

Примером эффективного применения УЗУ может служить упрочнение предварительно шлифованных рабочих поверхностей эвольвентного зуба зубчатых колёс из стали 45 (m = 1,5 мм; Z = 30). В результате УЗУ с оптимальным режимом (Рст = 50Н, 2А = 20 мкм, S = 0,1 мм/об, i = 1) Ra уменьшился с 0,4 мкм до 0,1 мкм, т.е. в 4 раза.

Микротвердость поверхностного слоя повысилась с НВ208 до НВ357 (на 71 %) и соответственно, повысился предел контактной выносливости на 10-20 % (4).

Проведённые сравнительные исследования качества поверхностного слоя наплавленных деталей (коленчатые валы двигателя ЗИЛ-130) после шлифования без ультразвука и выглаживания с УЗУ на рациональных режимах показали, что наибольший эффект получен на деталях после УЗУ. При этом твёрдость увеличилась до 30 % , толщина упрочнения составляет 0,6-0,8 мм, микротвердость увеличилась до 50 %, шероховатость уменьшилась с 1,63 до 0,2 мкм и образуется особый микрорегулярный ячеистый рельеф на поверхности (5).

Важным преимуществом УЗУ является также образование в поверхностном слое наплавленных деталей остаточных напряжений сжатия значительной силы (осевых Sz = 150...1бО Па 10⁷, тангенциальных Рm = 120...130 Па 10⁷). Уменьшение разброса твёрдости на поверхности наплавленного металла свидетельствует об образовании более однородной структуры (5).

Рациональным по качественным и эксплуатационным показателям наплавленных деталей является такой режим, при котором двойная амплитуда УЗК равняется 2А = 30...50 мкм, статическое усилие прижима инструмента и детали Рст = 400...600 Н, скорость вращения детали Vg = 0,33.. 0,99 м/с и продольная подача инструмента Sпр = 0,120,15 м/об.

Сравнительные лабораторные