CC BY
26УДК 621.793.184+621.793.74
А.Н. Михайлов, А.В. Лукичев, Ю.Н. Стрельник, С.А. Матвиенко, В.А. Михайлов
Донецкий национальный технический университет, Донецк, 283001 e-mail: a_lukichov@mail.ru
ТЕХНОЛОГИЯ НАНЕСЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ НА РАБОЧУЮ ПОВЕРХНОСТЬ
ШАРОВОГО ПАЛЬЦА
В статье предложена технология нанесения функционально-ориентированных ионно-плазменных покрытий на рабочую сферическую поверхность шарового пальца на основании исследования условий эксплуатации изделия. На базе графа ТП нанесения многослойных покрытий на основе ФОП разработан алгоритм полного состава всех операций ОУО ТП ионно-плазменного напыления сферической поверхности наконечника рулевой тяги в вакуумной ионно-плазменной установке.
Ключевые слова: ионно-плазменные покрытия, шаровой палец, ионно-плазменная бомбардировка.
A.N. Mikhaylov, A.V. Lukichov, Yu.N. Strelnik, S.A. Matvienko, V.A. Mikhaylov
Donetsk National Technical University, Donetsk, 283001 e-mail: a_lukichov@mail.ru
TECHNOLOGY OF APPLICATION OF FUNCTIONALLY ORIENTED ION-PLASMA COATINGS ON THE WORKING SURFACE OF THE BALL PIN
The article proposes a technology of application of functionally oriented ion-plasma coatings on the working spherical surface of the ball pin, based on the study of operating conditions of the product. On the basis of the graph of TP deposition of multilayer coatings on the basis FOP the algorithm the complete composition of all the operations of TP, DMS, ion-plasma spraying the spherical surface of tie rod end in a vacuum ion-plasma installation.
Key words: ion-plasma coatings, a ball pin, ion-plasma bombardment.
Шаровые пальцы широко используются в качестве деталей подвижных узлов рулевого механизма транспортных машин. Шаровые пальцы эксплуатируются в условиях ударных знакопеременных нагрузок и абразивного износа. Изготовляют их из стали 45 и легированных сталей. Исполнительная сферическая поверхность головки пальца должна обладать повышенными износостойкостью и твердостью.
Заготовки шаровых пальцев получают из калиброванного проката. После обточки обычно поверхность сферической головки пальца подвергается закалке токами высокой частоты (ТВЧ), затем следуют отпуск, промывка и контроль твердости детали. Изготовление шаровых пальцев заканчивается шлифованием сферической головки и посадочного конуса.
Как правило, при разработке технологического процесса (ТП) отделочно-упрочняющей обработки (ОУО) шаровых пальцев не учитывается неравномерный износ рабочих сферических поверхностей при эксплуатации. Решение данной проблемы возможно за счет применения функционально-ориентированных покрытий (ФОП) [1-4]. Научное совершенствование и создание новых методов обработки ведется с учетом функционального назначения рабочих поверхностей деталей. Например, если рабочая поверхность функционирует в условиях трения и изнашивания, то в соответствии с трибологическими требованиями, окончательный метод обработки должен обеспечить ее оптимальную форму и качество, которые соответствуют их состоянию после приработки. Это позволяет значительно повысить долговечность рабочих поверхностей трения деталей. Таким образом, функционально-ориентированные технологии разрабатываются на основе совместного рассмотрения процессов обработки и эксплуатации
рабочих поверхностей (РП) деталей машин. Это позволяет в значительной мере увеличить долговечность ответственных деталей машин, обеспечить требуемый заказчиком ресурс каждой из РП наконечника рулевой тяги, выполненного в виде шарового пальца.
Для выполнения экспериментальных исследований по определению особенностей нанесения вакуумных функционально-ориентированных ионно-плазменных покрытий на РП шаровых шарниров изделия были выбраны натурные образцы шарового пальца (рис. 1) производства компании «СпецМаш» с твердостью рабочей части (шара) HRC 50, весом 0,6 кг и изготовленного из легированной хромистой стали 40Х.
100
Рис. 1. Общий вид шарового пальца
Технологический процесс отделочной обработки рабочих поверхностей шаровых соединений (до нанесения покрытия) включал выполнение следующих операций: полировка РП (рис. 2), обезжиривание и подготовка РП (ионно-плазменная бомбардировка) к нанесению покрытия.
Рис. 2. Шаровые пальцы с полированной исполнительной сферической поверхностью
При полировании припуск на обработку составил от 0,002 до 0,008 мм, в качестве абразивных материалов использованы тонкие микрошлифпорошки с размерами зерен М10. Для полировки использован войлочный круг. Обработка выполнена с длительной обработкой 305 с, при этом полученная шероховатость составила Яа = 0,03 мм.
Для последующего нанесения вакуумных ионно-плазменных покрытий выполнен процесс обезжиривания: 1- ацетон, 2 - спирт.
Вакуумное ионно-плазменное покрытие РП изделий выполнено на установке ННВ 6.6-И1. Материал катодов ВТ 1-0, количество катодов - 2 (рис. 3).
Рис. 3. Установка ННВ 6.6-И1
В соответствии с исследованным износом РП сферической поверхности и математическим моделированием наиболее нагруженной части сферы [3, 4] наносилось многослойное композиционное покрытие на основе нитридтитанового покрытия ТК являющееся ФОП. Максимальная толщина покрытия составила 12 мкм. Длительность нанесения покрытия составила 50 мин, угол наклона оси втулки - 90°. Деталь устанавливается в планетарный механизм с помощью оправки из нержавеющей стали (рис. 4 и 5). Планетарный механизм устанавливается в камеру установки. После установки планетарного механизма камера закрывается. Обработка происходит при вращении заготовки в планетарном механизме.
Рис. 4. Заготовка в оправке Рис. 5. Установка детали в планетарный механизм
На первой стадии происходит очистка от примесей и окислов с помощью ионно-плазменной бомбардировки.
Затем осуществляется прогрев детали до нужной температуры для получения адгезионного слоя, подслойки титана, которая наносится в режиме опорного напряжения, т. е. в процессе обработки изменяется полярность. Прогрев осуществляется до температуры 700°С.
После режимами наносятся слои:
1 слой - чистый титан (1 мкм) - вся сфера;
2 слой - нитрит титана (6 мкм) - вся сфера;
3 слой - нитрит-титан-алюминий (6 мкм) - наиболее нагруженный шаровой пояс.
На саму деталь конденсируется и оседает созданное облако. Для обработки отдельных зон остальная область обрабатываемой поверхности затемнялась, защищалась от нанесения повторного слоя. Угол нанесения слоев - 90 градусов. Общий вид изделий с многослойным нитридти-тановым покрытием представлен на рис. 6.
ш
а б
Рис. 6. Натурные образцы шаровых пальцев (основа - легированная хромистая сталь, покрытие - нитридтитановое): а - с двумя слоями (1, 2); б - с тремя слоями (1, 2, 3)
Образцы-свидетели планируется устанавливать под углом к потоку плазмы и выполнять процесс нанесения покрытия. Углы ю наклона оси изделия к направлению потока плазмы 90°. Длительность нанесения слоя нитридтитанового покрытия составляла 20 мин.
На базе графа ТП нанесения многослойных покрытий на основе функционально-ориентированного подхода [1] разработан алгоритм (рис. 7) полного состава всех операций ОУО.
Рис. 7. Структурный вариант операций ионно-плазменного напыления сферической поверхности наконечника рулевой тяги в вакуумной ионно-плазменной установке
ТП ионно-плазменного напыления сферической поверхности наконечника рулевой тяги в вакуумной ионно-плазменной установке (в виде графа О (Т, А): Т - это множество вершин графа - операции ТП; А - упорядоченные пары вершин - отношения между операциями). В данном исследовании количество слоев покрытия ограничено двумя слоями, хотя их количество может быть увеличено при дальнейшей дифференциации функциональных зон РП.
В результате ионно-плазменного напыления сферической поверхности наконечника рулевой тяги в вакуумной ионно-плазменной установке экспериментально подтверждена возможность получения образцов с модифицированным поверхностным слоем. С использованием обработанных образцов необходимо дополнительное проведение экспериментальных исследований по определению следующих параметров нитридтитанового покрытия на рабочую поверхность изделия по следующей методике: а) определение параметров шероховатости шаровых пальцев с нитридтитановым покрытием, б) установление параметров микротвердости покрытия, в) определение толщины нитридтитанового покрытия по сферической полуокружности поверхности шарового пальца для конкретного сечения, г) определение особенностей изменения толщины нитридтитанового покрытия на РП изделия по различным сечениям изделия. Таким образом, предлагаемая методика экспериментальных исследований позволит выполнить заданные исследования и установить особенности нанесения вакуумных ионно-плазменных ФОП на исполнительные сферические поверхности наконечников рулевой тяги.
Литература
1. Костенко А.В. Особенности структуры функционально-ориентированной отделочно-упрочняющей обработки деталей судовых агрегатов / А.В. Костенко, А.Н. Михайлов, А.В. Лукичев // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. - 2019. - № 1 (64). -С. 43-51.
2. Матвиенко С.А. Моделирование кинематики при работе сферических шарниров дорожных машин для повышения безопасности их эксплуатации / С.А. Матвиенко, А.В. Лукичев, Ю.Н. Стрельник // Вестник ДонНТУ. - 2019. - № 1. - С. 40-46.
3. Реализация функционально-ориентированного подхода к финишной обработке шаровых опор на основе направленной виброрезонансной обработки / А.Н. Михайлов, А.В. Лукичев, С.А. Матвиенко, Ю.Н. Стрельник // Механики XXI веку. - 2018. - № 17. - С. 215-221.
4. Лукичев А.В. К вопросу анализа функциональных особенностей износа шаровых шарниров / А.В. Лукичев, С.А. Матвиенко, Ю.Н. Стрельник // Машиностроение и техносфера XXI века: Сборник трудов XXVI Международной научно-технической конференции в г. Севастополе 23-29 сентября 2019 г. - Донецк: ДонНТУ, 2019. - С. 244-252.
