Повышение долговечности эксплуатационных показателей резьбовых соединений Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.629.3; 669.54. 793

И ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ■I ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ И РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ

§§§ С.К. Тойгамбаев

Московский государственный агроинженерный университет им. В. П. Горячки на

Существуют ряд деталей (коленчатые валы, зубчатые коле-са, резьбо-¡¡¡¡Ь соединения, шатуны, валы и другие), работающих в условиях совместного действия циклического нагружения и износа контактирующих §§||ерхностей. Особое внимание следует уделить деталям с резьбовыми ¡¡¡¡рерхностями, так как от качества изготовления деталей с резьбой во многом зависит не только надежная работа технических средств, но и безопасность их эксплуатации. К таким деталям с резьбой, как например, шпильки (болты) крепления обода колеса, шпильки крепления блока головки двигателя, болты шатунные, болты карданные, стремянки, ведущие валы коробки перемены передач, штуцеры топливных насосов высокого давления и другим предъявляются высокие требования [2,3]. Сложность решения проблемы резьбообработки объясняется большим числом конкурирующих между собой методов получения резьбы, пересекающейся областью их рационального применения, а также отсутствием критериев оценки существующих методов обработки резьб. Актуальным является рассмотрение известных методов обработки резьб сточки зрения применения на "узких" технологических направлениях, в различных условиях производства. Для этого необходимо использование научных положений технологии машиностроения, теории резания металлов, теории трения, теории обработки металлов давлением.

Большой научный вклад в области обработки резьбы внесли Фрумин, А.И. Якушев, Р.Х. Мусгаев, P.P. Мавлютов и другие. Детали крепежной группы изготавливаются на специальных ме-тизных заводах в условиях массового и крупносерийного произ-водства накатыванием [4,5 ]. Основным

способом формирования резьбы в ремонтных мастерских сельскохозяйственных предприятий является ее нарезание резьбообразующим инструментом. Качество таких деталей вызывает справедливые нарекания по критериям износостойкости, статической и усталостной прочности. Для получения качественной поверхности резьбы после нарезания применяются дополнительные методы обработки. Это химико-термическая или термическая обработка, способы поверхностно-пластического деформирования, методы чистовой обработки. Применение прогрессивных способов накатывания резьбы, позволяющих получить качественную винтовую поверхность, сдерживается по ряду причин. Это ограничения по твердости материала, по габаритному размеру, по технологическим возможностям оборудования. В связи с широкой номенклатурой деталей с резьбой по типоразмеру и виду резьбы применение накатывания в условиях ремонтного производства экономически нецелесообразно. Анализ технологических процессов изготовления и восстановления деталей с резьбой в условиях сельскохозяйственного производства показывает, что, как правило, после формирования резьбы изделия поступают в эксплуатацию без дополнительных поверхностных обработок винтовой поверхности. Причем при выборе способа восстановления или изготовления резьбы не учитываются ни условия работы деталей, ни наиболее характерные дефекты резьбы. Так, до настоящего времени в ремонтных мастерских детали, подверженные усталостному разрушению по впадине резьбы, изготавливают нарезанием без каши - либо последующей обработки.

Низкое качество таких деталей приводит к необходимости содержать специальный штат токарей, которые на металлорежущем оборудовании занимаются монотонными операциями по изготовлению быстроизнашиваемых деталей с резьбой. Крепежные изделия серийно выпускаемые и изготовленные в ремонтных мастерских вызывают справедливые нарекания у производственников по критерию износостойкости. Это относится к сопряжениям подвергаемым частой разборке и сборке, при относительном перемещении витков резьбы соединяемых деталей. В последнее время большое внимание уделяется повышению качества поверхностного слоя деталей машин, слоя, у которого структура, фазовый и хи мический состав отличаются от основного металла. Наилучших свойств и характеристик параметров состояния поверхностного слоя - твердости, остаточных напряжений первого

рода, степени исчерпания ресурса пластичности металла и других можно достичь, применяя различные упрочняющие методы обработки поверхностного слоя деталей. Эти методы основаны либо на нанесении покрытий, либо на изменении состояния поверхности.

Как известно, при нанесении покрытия упрочнение детали достигается путем осаждения на ее поверхность материалов, которые по своим свойствам отличаются от основного металла, но наиболее полно отвечают условиям эксплуатации (износ, коррозия, химическое воздействие и др.). При модифицировании поверхностного слоя, т.е. изменении его состояния происходят физико-химические изменения в металле, повышающие его сопротивление разрушению. Такая обработка может осуществляться поверхностной термообработкой, поверхностным пластическим деформиро-ванием, лазерной обработкой, диффузионным насыщением легирующими элементами и другими методами. Не существует универсального метода упрочнения деталей, так как один и тот же метод в одних случаях эксплуатации может дать положительный эффект, а в других отрицательный. Например, хромирование повышает износостойкость и коррозионную стойкость деталей, но существенно снижает сопротивление усталости. В связи с этим, в последнее время все чаще применяют комбинированное упрочнение деталей, основанное на использовании двух или трех методов упрочнения, каждый из которых позволяет усилить то или иное эксплуатационное свойство (электроискровое легирование, импульсное электромеханическое упрочнение, электровзрывное легирование, статико-импульсную обработку, магнитно-термическую обработку, электроискровое упрочнение, трибоэлектрическое поверхностное упрочнение, ультразвуковое пластическое деформирование, обработка высокоэнергетической плазмой, термомеханическая, электромеханическая обработка и многие другие). Например, нанесение покрытий с последующим поверхностным пластическим деформированием позволяет сохранить положительные свойства покрытия с одновременным снижением его шероховатости, пористости и увеличением усталостной прочности (за счет создания сжимающих остаточных напряжений). Таким образом, выбор того или иного метода поверхностного упрочнения зависит, с одной стороны, от вида эксплуатационной нагрузки, формы поверхности, а также определяется и экономическими соображениями.

Каковы бы ни были технологические основы того или иного способа упрочнения концентрированными потоками энергии, все они характеризуются интенсивным тепловым воздействием мощных энергетических потоков на локальные области поверхности, высокоскоростным нагревом (в области критических температур фазовых превращений), внешним контактным давлением или пластическим деформированием, сверхбыстрым охлаждением за счет отвода тепла вглубь детали.

Анализ основных способов изготовления и условий работы деталей с резьбой позволил определить ряд требований, предъявляемых к винтовым поверхностям. Для повышения эксплуатационных показателей деталей с резьбой, необходимо увеличить износостойкость, предел выносливости, статическую прочность на срез и смятие витков. Добиться этого можно путем увеличения поверхностной микротвердости витков резьбы при сохранении вязкой сердцевины, ликвидации технологических концентраторов напряжений, особенно во впадине резьбы, получения благоприятной формы и высоты микронеровностей на боковых поверхностях резьбы и во впадине, благоприятного расположения волокон металла по периметру витков резьбы, наличия в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений. Используя существующие способы изготовления резьбы получить такой комплекс свойств крайне затруднительно [1, 6]. Проанализированы детали с дефектами наружной метрической резьбы у тракторов и автомобилей, широко используемых на сельскохозяйственных и транспортных работах в условиях предприятий агропромышленного комплекса. При эксплуатации сельскохозяйственной техники выходит из строя большое количество крепежа, скоб, резьбовых упоров, необходимых для установки навесных орудий и их эксплуатации. Особенно остро ощущается низкое качество обработки резьбы на деталях при проведении сборочноразборочных работ, ведь трудоемкость, приходящаяся на резьбовые соединения составляет 25-40 % от общей трудоемкости ремонта или технического обслуживания. Операции навинчивания-свинчивания резьбовых соединений являются траз-моопас-ными, а сам процесс замены резьбовых деталей требует профессионального подхода. В настоящее время известно несколько способов закалки. В зависимости от состава стали, формы и размеров детали, требуемых свойств поверхности назначается оптимальный способ закалки. Нали-

чие резких переходов на поверхности (галтели, риски, резьбовые участки) вызывают появление на деталях конструктивных и технологических концентраторов напряжений.

В настоящее время, все существующие способы изготовления и восстановления резьбы нарезанием не обеспечивают требуемых свойств по твердости, шероховатости и текстуре волокон металла. При термической обработке происходит обезуглероживание и окисление поверхности, не обеспечивается стабильность свойств на длине резьбы и в партии деталей, развиваются существующие и появляются новые концентраторы напряжений.

Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в области поверхностного пластического деформирования, наблюдающаяся тенденция перехода от объемных способов термической обработки к комбинированному энергетическому воздействию на поверхностный слой изделия позволили определить новое направление термомеханической обработки резьбы. Анализ схем нагружения, условий эксплуатации и характерных дефектов резьбовых деталей свидетельствует, что именно поверхностный слой является очагом начала износа или разрушения винтового профиля [1,2,3].

Результаты исследований геометрических, физико-механических и технологических показателей резьбовых поверх-ностей позволили установить основные требования, предъявляемые к деталям с резьбой [1]. Благоприятное влияние на повышение служебных характеристик винтовых поверхностей оказывают: повышение твердости, получение мелкодисперсной структуры закалки, создание в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений, формирование благоприятной текстуры волокон металла, создание специфической микрогеометрии поверхностно-го слоя по размерам и форме микронеровностей. Поверхностный слой детали - слой, у которого структура, фазовой и химический состав отличаются от основного металла, из которого сделана деталь. В поверхностном слое можно выделить следующие основные зоны: зону (толщина 1...102 мкм) адсорбированных из окружающей среды молекул и атомов органических и неорганиче-ских веществ; зону (толщина 10... 1 мкм)про-дуктов химического взаимодействия металла с окружающей средой (обычно оксидов); граничную зону толщиной несколько межатомных расстояний, имеющую иную, чем в объеме, кристаллическую и электронную структуру; зону с измененной по сравнению с основным металлом струк-

турой, фазовым и химическим составом, который возникает при изготовлении детали и изменяется в процессе эксплуатации.

Толщина и состояние слоев поверхностного слоя могут изменяться в зависимости от состава материала, метода обработки, условий эксплуатации. Оценка этого состояния осуществляется методами химического, физического или механического анализа. Многообразие параметров состояния поверхностного слоя и методов их оценки не позволяет выделить единственный параметр, определяющий качество поверхностного слоя. Поэтому в научной и инженерной практике состояние поверхностного слоя оценивается набором единичных или комплексных параметров, с той или иной стороны оценивающих качество поверхностного слоя. Укрупненно эти параметры характеризуют: геометрические параметры неровностей поверхности; физическое состояние; химический состав; механическое состояние.

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, нефтегазодобывающие, сельскохозяйственные, перерабатывающие, строительные, обслуживающие, ремонтные и другие). Невозможность централизованных поставок изделий с резьбой, вынуждает предприятия изготавливать их самостоятельно. Изготовленные в таких условиях детали с нарезанной резьбой часто не отвечают требованиям по твердости, шероховатости и текстуре волокон металла.

Обоснование и применение способов формирования геометрии винтового профиля и его отдельных поверхностей путем конструктивного совершенствования резьбы и использования в узлах дополнительных элементов (пружинные шайбы, спиральные вставки, самоцентрирующие втулки, полимерных материалов и специальных смазок) не обеспечивает в полной мере требуемой прочности и надежности. Технологическое направление, основанное на целенаправленном формировании структуры и свойств резьбы методами механической, термической или химико-термической обработки повышая одни эксплуатационные показатели, зачастую приводят к снижению других. Таким требованиям на сегодняшний день в этой области, отвечает исследования проведенные Федоровой Л.В. [1].

Выводы.

Обеспечение надежности резьбовых соединений, при явно воз-растаю-щих объемах изготовления и восстановления резьбовых деталей, обуславливает необходимость разработки новых технологических, организационных, экономических и экологических основ выбора способов упрочнения и восстановления резьбовых поверхностей, создания новых технических средств для применения в условиях ремонтных предприятий АПК.

Conclusions.

Maintenance of reliability of carving connections, at obviously increasing volumes of manufacturing and restoration of carving details, causes necessity of development of new technological, organizational, economic and ecological bases of a choice of ways of hardening and restoration of carving surfaces, creations of new means for application in conditions of repair shops of agrarian and industrial complex.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Федорова Л.В. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств резьбовых соединений сельскохозяйственной техники отделоч-но - упрочняющей электромеха-нической обработкой. - М.: Диссертация на соискание ученой степени доктора наук. - 2006. - 350 с.

2. Горицкий В.М., Терентьев В.Ф. Структура и усталостное разрушение металлов. -М.: Металлургия, 1980.-208 с.

3. Ермолов Л.Е., Кряжков В.М., ЧеркунВ.Е. Основы надежности сель-скохозяйствен-ной техники.-М. : Колос, 1974.-224с.

4. Фрумин Ю.Л. Высокопроизводительный резьбообразующий инструмент. 2-е изд. -М.: Машиностроение, 1977.-183с.

5. Якушев А.И., Мустаев Р.Х., Мавлютов P.P. Повышение прочности и надежности резьбовых соединений. -М.: Машиностроение, 1979.-215с.Балтер М.А. Упрочнение деталей машин. 2-е изд.перераб.и доп,-М.: Машиностроение, 1978.-184с.

6. Бабусеню С.М Ремонттракгоров и автомобилей. -М.: Колос, 1974,-480с.

Тушндеме

Мацалада детальдардыц узащтыгьш жогарлату adicmepin сараптама жасалган, мысалга, mypi ауылшаруашылык машиналарынын резьбальщ косындысын ôepiKmipy. Машина детальдарыныц узактыгьш

жогарлату мэселест илегиуде жаца edicmepdi бас тартпаушыльщты, с акт ауш ылыкты жэне сешмдткт1 isdey кажет.

Resume

In clause the analysis of existing methods of increase of durability of details on an example of hard-ening carving connection of various agricultural machines is lead. Necessity of search of new meth-ods of the decision of questions of increase of durability, non-failure operation, a retentivity and reliability of details of machines.