Отделочно-упрочняющая электромеханическая обработка резьбовых поверхностей Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»



Хусаипов Альберт Шамилевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобили,» Ул1ТУ} окончил Ульяновский политехнический институт. Ведёт исследования технологии абразивной обработки тонкостенных и клиновидных заготовок.

Ширгин Сергей Захаровичу студент 6 курса машиностроительного факультета Ул/ТУ.

УДК 621.785.5: 621.99.992

4

С.К. ФЁДОРОВ, Л.В. ФЁДОРОВА

ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩАЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ

ОБРАБОТКА РЕЗЬБОВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

\ ,

V»

*

Рассмотрен одни из способов отделочпо-упрочняющей обработки резьбовых поверхпо-стей, позволяющий получить наиболее качественный износостойкий поверхностный слой резьбы с сохранением вязких свойств сердцевины.

Основными направлениями повышения качества резьбовых соединений являются: конструктивное совершенствование профиля и геометрических параметров резьбы; технологическое обеспечение шероховатости, текстуры и свойств винтовых поверхностей. Способы конструктивного совершенствования резьбы и использование в узлах дополнительных элементов (пружинные шайбы, спиральные вставки, самоцентрирующиеся втулки, использование полимерных материалов и специальных смазок) не обеспечивают в полной мере требуемой её прочности и надёжности. Формирование структуры и свойств резьбы методами механической, термической или химико-термической обработки, повышая одни эксплуатационные показатели, зачастую приводит к снижению других, более важных свойств, например, пластичности и предела выносливости.

Многие из известных способов формирования геометрии и свойсти резьбы в условиях повышенных скоростей и нагрузок не в полной мере отве чают возросшим требованиям надёжности. Отсутствие способов обеспечения параметрической надёжности резьбовых соединений, при явно возрастающих объёмах изготовления и восстановления резьбовых деталей, свидетельствуй I о необходимости разработки новых технологических, организационных, эко номических и экологических основ выбора способов упрочнения винтовых поверхностей.

Как известно, благоприятное влияние на повышение служебных характеристик резьбовых соединений оказывают: повышение твердости элементов резьбы, получение мелкодисперсной структуры закалки, создание в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений, формирование благоприятной текстуры волокон металла, формирование специфической микрогеометрии поверхностного слоя [1, 2].

Добиться такого комплекса свойств одной детали способами механической, термической или химико-термической обработки затруднительно даже в условиях специализированного производства деталей с резьбой. Еще большие трудности при изготовлении деталей с резьбой испытывают предприятия не машиностроительной направленности (транспортные, сельскохозяйственные, перерабатывающие, строительные, обслуживающие, ремонтные и другие). Невозможность централизованных поставок таких изделий вынуждает перечисленные предприятия изготавливать их самостоятельно. Для этого они содержат специальный цех или участок и штат токарей, которые на универсальном оборудовании выполняют монотонные операции резьбонарезания. Изготовленные в таких условиях детали с нарезанной резьбой часто не отвечают требованиям по твердости, шероховатости и текстуре волокон металла.

Исследования [3, 4] выявили высокую эффективность отделочно-упро-чняющей электромеханической обработки (ОУЭМО), что связано с возможностью комплексного воздействия силового и термического факторов на поверхностный слой резьбы.

ОУЭМО винтовых поверхностей основана на контактном термомеханическом воздействии высокотемпературного объёма в локальной области «инструмент-резьба». Термомеханическое упрочнение резьбы осуществляет-ся в результате прохождения через зону контакта электрического тока большой силы при постоянном следящем воздействии инструмента.

Экспериментально установлено, что при электромеханическом упрочнении резьбы наибольшее влияние на глубину упрочнения в сечении среднего диаметра оказывают: плотность тока, усилие прижатия инструмента к детали и скорость обработки. Для определения влияния каждого из вышеперечисленных факторов проведены исследования и установлены предельные значения. Глубину упрочнения подбирали таким образом, чтобы обеспечить закалённый поверхностный слой при сохранении исходной структуры и свойств нижележащих слоев металла. Получена математическая модель (1), показывающая, что наибольшее влияние на глубину упрочнения (У) оказывает плотность тока (Х|), а также его взаимодействие с давлением (Х2) и скоростью обработки (Х3):

У = 77,2 -I- 16 Х1 + 14X2X3-7,2X1X3 + 6,6X1X2X3. (1)

Поскольку при ЭМУ точечный источник высокотемпературного нагре-иа с равномерно распределённой плотностью теплового потока движется по

Мсстник УлГТУ 1/2002 105

винтовой линии поверхности цилиндра, то для термомеханического эффекта необходимо стабилизировать температурную деформацию в зоне контакта «инструмент-резьба». Для этого необходимо выполнить следующие условия:

- температура нагрева в зоне контакта Тн должна быть больше температуры Тф, при которой происходят фазовые изменения материала детали:

Тш ¡> тф-

- время выдержки t6 должно быть достаточным, чтобы обеспечить протекание термомеханического взаимодействия инструмента с обрабатываемой поверхностью;

- критическая скорость охлаждения V0 должна быть больше или равна скорости V3, при которой происходит закалка профиля резьбы. Для этого необходимо, чтобы количество теплоты, которое способна «поглотить» технологическая система, было бы больше теплоты, требуемой для охлаждения с протеканием фазовых изменений:

' V > V-

у о — Г ЗУ

- давление Q в зоне контакта должно быть таким, чтобы обеспечить протекание термодинамического эффекта при деформировании микронеровностей с расположением волокон металла, вытянутых вдоль основания резьбы.

Реализация перечисленных условий при ОУЭМО резьбы М 18xl,5-6g (сталь 45, ГОСТ 1050-88) позволила получить витки, закалённые на глубину 0,2 мм до твердости HV (7600 ••• 7800) МГТа, с вытянутой текстурой металла во впадине глубиной до 0,04 мм. Закалённая зона имеет структуру мелкоигольчатого мартенсита при наличии аустенита остаточного.

Эффект поверхностного пластического деформирования (ППД), наблюдаемый при ОУЭМУ в условиях высокотемпературного нагрева, приводит к изменению микрогеометрии боковых поверхностей резьбы и зоны основания. Вершины микронеровностей под действием температуры оплавляются, а под направленным силовым воздействием со стороны инструмента металл заполняет микровпадины. Металл впадин, находясь в условиях напряжённого состояния, перемещается по пути наименьшего сопротивления, поднимаясь вверх. При этом радиус глубоких впадин увеличивается, а микронеровности

* * I I ■ * *■!> _

приобретают плоские участки. Таким образом, при ОУЭМО поверхность по-лучает микрорельеф, характерный для этапа нормальной эксплуатации, т.е. приработка поверхности происходит на стадии её изготовления. В режиме ОУЭМО размер резьбы уменьшается на (25 - 30) % от Rz.

Одновременное протекание фазовых превращений с получением структуры закалки позволяет компенсировать изменение размера в результате ППД. При нагреве до температуры (900 - 1000) °С и быстром охлаждении

(2600 °С/с) поверхностного слоя аустенит переходит в мартенсит. Удельный объём последнего больше, чем у аустенита, в 1,046 раза. Следовательно, переход Fcj - Fea приводит к увеличению размера поверхности, компенсируя тем самым его уменьшение в результате ППД.

Способ ОУЭМО резьбовых поверхностей объединяет в единой технологической схеме не только ППД и поверхностную закалку исполнительных участков деталей, но и формирует ряд свойств резьбы, а именно:

- поверхностная микротвёрдость боковых участков резьбы деталей, подверженных абразивному износу и пластическому деформированию, достигает HV (6000 ••• 8000) МПа, глубина упрочнения (0,04 - 0,20) мм при сохранении вязкой сердцевины витков, шероховатость поверхностей Ra = (0,63 - 0,32) мкм;

- у деталей, подверженных усталостному разрушению, формируется закалённая поверхность впадины плоской или закруглённой формы, с вытянутой вдоль основания текстурой металла и благоприятной микрогеометрией;

- у деталей, подверженных усталостному разрушению по впадине и из-носу по боковым поверхностям, обеспечивается весь комплекс требуемых свойств резьбы по полному профилю винтовой поверхности.

Экспериментально установлено, что при ОУЭМО достигается:

- повышение усталостной прочности нарезанной резьбы шпильки M16xl,5-6g (сталь 45) до 50 %; накатанной резьбы M13xl,27-4h болта крышки шатуна автомобилей семейства КамАЗ (сталь 40ХН2МА) - на (5 - 7) %; резьбы шпильки с нарезанной и упрочнённой поверхностью (сталь 20Г2Р, М 18xl,5-6g) - на 28 % по сравнению с аналогичной накатанной резьбой;

- увеличение усилия на срез накатанной резьбы M10xl-4h болта шатунного автомобилей семейства УАЗ на (8 ^ 12) %, причём нижнее значение усилия на срез для накатанной резьбы составило 41 кН, для упрочненной -46 кН;

- увеличение прочности стержня болта при статической нагрузке на

(4-6)%;

- повышение износостойкости резьбового соединения в масляно-абразивной среде в 1,3 - 1,5 раза, а в условиях неконтролируемой затяжки навинчивания-свинчивания насосно-компрессорной трубы с муфтой - в 4-5 раз.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Биргер И. А., Иосилевич Г. Б. Резьбовые и фланцевые соединения. М.: Машиностроение, 1990. 368 с.

Иестиик УлГТУ 1/2002

107

2. Якушев А. И., Мустаев Р. X., Мавлютов Р. Р. Повышение прочности и надёжности резьбовых соединений. М:: Машиностроение, 1979. 215 с.

3. Рыжов Э. В. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин. Киев: Наукова думка, 1984. 272 с.

4. Аскинази Б. М. Упрочнение и восстановление деталей машин электромеханической обработкой. М.: Машиностроение, 1989. 200 с.

Фёдоров Сергей Константинович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология металлов» Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии, окончил Ульяновский политехнический институт. Ведёт исследования технологии электромеханической обработки при изготовлении и восстановлении деталей машин.

Фёдорова Лилия Владимировна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Материаловедение и ОМД» УлГТУ} окончила Ульяновский политехнический институт. Область научных интересов - исследование технологии электромеханической обработки.

щ

УДК 621.9.0257 Н. А. ШИРМАНОВ

ОЦЕНКА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И АДГЕЗИОННО-ПРОЧНОСТНЫХ СВОЙСТВ КАРБОНИТРИДНЫХ ПОКРЫТИЙ

Представлены исследования структуры и свойств карбонитридных покрытий. Анализы' руются параметры структуры, физико-механические и адгезионно-прочностные свойст ва однофазных карбонитридных покрытии. Нанесение покрытий осуществлялось с помо щыо специально разработанных катодов.

Известны технологии упрочнения режущих инструментов (РИ) различ ными по составу ионно-плазменными покрытиями. В качестве легирующих материалов данных покрытий нередко используют дорогостоящие тугоплаи кие металлы - Сг, Мо, ИЪ и др., которые входят в состав сложных покры тий на основе нитридов и карбонитридов титана и обеспечивают высокую рп ботоспособность РИ при обработке резанием заготовок из различных матг риалов.

Разработанные в УлГТУ специальные катоды, позволяющие заменять дорогостоящие материалы, используются при нанесении карбонитридных покрытий, которые отличаются более высокими эксплуатационными свойствами и относительно невысокой стоимостью по сравнению с аналогичными нитридиыми. В связи с этим представляет интерес исследование свойств карбонитридных покрытий, химический состав которых можно изменять с помощью газовых смесей, плавно варьируя структурой и свойствами самих покрытий.

Ниже представлены результаты исследования свойств карбонитридных покрытий типа ТЮМ, покрытий, полученных из составных катодов, типа (П-гг)СИ и (ТьРе)СН а также из литых катодов типа (ТьА1)СИ и (Ть81)СМ Покрытия наносили на установке «Булат-бТ», химический состав и конструкция литых и составных катодов были заранее оптимизированы. Технологические параметры процесса нанесения покрытий и их химический состав представлены в табл. 1, где М - материал катода, 1л - ток дуги, Хф - ток фокусирующей катушки. Толщина наносимых покрытий (5,5 - 6) мкм, расстояние от катодов до РИ Ьи = 260 мм, температура нагрева образцов 0К = (540 - 560)°С. Покрытия наносили на твердосплавные пластины типа ВКб (ГОСТ 19042-80), форма 2008-1058). Исследовали следующие параметры, отражающие изменение структуры, физико-механических и адгезионно-прочностных свойств покрытий: период кристаллической решётки а, полуширина рентгеновской линии рнь показатель текстурованности (1шЯ2оо)? остаточные макронапряжения а0, микротвердость Нц, коэффициент отслоения от инструментальной оснозы К0. При оценке износостойкости РИ с покрытием исследовали интенсивность

их изнашивания I при точении всухую заготовок из стали 30ХГСА на следующем режиме: V = 200 м/мин, 8 = 0,15 мм/об, I = 0,5 мм, ти = 15 мин.

Результаты исследований, представленные в табл. 2, свидетельствуют с том, что с изменением содержания ацетилена в газовой смеси существенно изменяются и параметры структуры покрытия ПСЫ: период кристаллической решётки монотонно увеличивается с 0,4273 до 0,4354 нм, ширина рентгеновской линии Рш увеличивается с 0,5 до 1,85, текстура покрытия снижается со 110 до 0,6. Эти изменения обт^ясняются микродеформацией кристаллической решетки покрытия, вызванной твёрдорастворным упрочнением (введение в кристаллическую решетку Т1Ы атомов углерода через контролируемую газо-ную смесь приводит к упрочнению материала покрытия). Зависимость микро-I вердости Ни покрытия ТЮЫ от содержания С2Н2 носит экстремальный характер, с максимальным и минимальным значениями микротвёрдости в определенных диапазонах газовых смесей: (30 - 40) % С2Н2 и (60 - 80) % С2Н2 в смеси. Максимальное значение микротвёрдости Ни покрытия 'ПСЫ (49,5 ГПа) и 1,5 раза выше, чем у покрытия ПЫ (32,0 ГПа). Величина остаточных макро-

Пес шик УлГТУ 1/2002

109