CC BY
11
УДК 621.793:539.374:669.056.9(043.5)
А.А. Веселовский
ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ АНТИФРИКЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА СОСТОЯНИЕ ПОВЕРХНОСТИ И ПРИРАБОТКУ УПРОЧНЕННЫХ ДИФФУЗИЕЙ ЧУГУННЫХ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС В ПАРЕ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ», ЧЕЛЯБИНСК, РОССИЯ
А.А. Veselovsky
EFFECT OF EXTERNAL SLIDING COATINGS ON SURFACE CONDITION AND MANUFACTURE OF DIFFUSION-HARDENED CAST IRON SPUR GEARS IN PAIR FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION «SOUTH URAL STATE
AGRARIAN UNIVERSITY», CHELYABINSK, RUSSIA
Александр Александрович Веселовский
Alexander Aleksandrovich Veselovsky кандидат технических наук, доцент a_a_ves@mail.ru
Аннотация. В работе исследуется процесс нанесения внешних антифрикционных покрытий из алюминия, оловянистой бронзы и меди механическим путем на поверхность закаленных чугунных зубчатых колес с внешним диффузионным ванадиевым покрытием взамен операции тонкого шлифования, для сглаживания исходной шероховатости поверхности, увеличения площади сопряжения и снижения образования питтинга. Материалом зубчатых колес является высокопрочный чугун, марки ВЧ 60, широко применяемый в машиностроении и способный конкурировать по ряду механических характеристик с конструкционными марками стали, прошедшими химико-термическую и последующую упрочняющую термическую обработки. Поэтому диффузионное покрытие чугунных колес ванадием сильно упрочняет поверхность и повышает износостойкость, причем последняя значительно выше стальных, после всех видов дополнительной обработки. Но, учитывая малую толщину таких покрытий и невозможность проведения тонкого шлифования, для таких колес предлагается данный способ, позволяющий облегчить процесс приработки. Сравнивается полученная шероховатость обработки после нанесения покрытий с шероховатостью, полученной после тонкого шлифования традиционно применяемых зубчатых колес. В качестве антифрикционных материалов использовались алюминий, оловянистая бронза и медь. Покрытие наносится с использованием металлических щеток, которые в виде отдельных фрагментов сдирают частицы с антифрикционного металла и размазывают их по поверхности покрываемого изделия. В последующем измеряется шероховатость поверхности для всех трех видов покрытий после нанесения и после приработки колес в паре в редукторе на холостом ходу, результаты сравниваются с исходным состоянием зубьев чугунных зубчатых колес с диффузионным ванадиевым покрытием и со стальными, традиционно применяемыми в данном редукторе после цементации и последующего финишного шлифования рабочих поверхностей зубьев. Делаются выводы о приемлемости данного способа взамен дорогих операций финишного шлифования, причем последние к
Введение. В доктрине продовольственной безопасности Российской Федерации, утвержденной 30 января 2010 г. Президентом Российской Федерации, указано на необходимость устойчивого развития отечественного производства продовольствия и сырья для обеспечения продовольственной независимости страны. В
диффузионно упрочненным зубчатым колесам применять нельзя из-за малой глубины ванадиевого покрытия. Способ является универсальным для всех видов металлических изделий, работающих в условиях трения скольжения. Результаты представлены в виде пространственных столбиковых диаграмм.
Ключевые слова: покрытия, зубчатые передачи, чугун, шероховатость поверхности, питтинг, антифрикционные покрытия.
Abstract. The paper investigates the process of applying external antifriction coatings of aluminum, tin bronze and copper mechanically on the surface of hardened cast iron gears with an external diffusion vanadium coating in place of the fine grinding operation to smooth the initial surface roughness, increase the interface area and reduce pitting. High-strength cast iron is the material of the gears. It is HF 60 brand widely used in mechanical engineering and can compete in a number of mechanical characteristics with structural steel brands. Past chemical-thermal and subsequent hardening heat treatments. Therefore, the diffusion coating of cast iron wheels with vanadium strongly hardens the surface and increases the wear resistance, the latter being much higher than steel after all kinds of additional treatment. Considering the small thickness of such coatings and the impossibility of fine grinding, this method is offered for such wheels to facilitate the process of working. The roughness obtained after coating application is compared with the roughness obtained after fine grinding of traditionally used gears. Aluminium, tin bronze and copper were used as sliding materials. The coating is applied using metal brushes which in the form of separate fragments remove particles from the sliding metal and smear them on the surface of the coated product. Subsequently, the surface roughness is measured for three types of coatings after the application and after the wheels have been paired in a gearbox at an idle speed. The results are compared with the initial state of the teeth of cast iron gears with diffusion vanadium coating and steel traditionally used in this gearbox after the cementation and subsequent finishing grinding of the working surfaces of teeth. The conclusions are made about the acceptability of this method instead of the expensive finishing operations, and the latter cannot be used for diffusively hardened gears due to the shallow depth of vanadium coating. The method is universal for all types of metal products operating in sliding friction conditions. The results are presented as spatial bar charts.
Keywords: coatings, gears, cast iron, surface roughness, pitting, antifriction coatings.
ходе ее реализации базовые показатели социально-экономического развития сельского хозяйства должны существенно улучшиться. Однако объемы поставок сельскохозяйственных машин и энергообеспеченность сельскохозяйственных организаций явно не достаточны [1]. Остаются низкими показатели надежности оте-
чественной техники в условиях эксплуатации. Сроки фактической эксплуатации машин и оборудования превышают нормативные в 2-3 раза [2]. Практически на все типы сложных машин из-за отсутствия рабочей конструкторской документации отсутствуют технологии ремонта, а также отмечается высокая стоимость запасных частей. Повысить эффективность технологий технического сервиса отечественных и импортных машин и снизить эксплуатационные затраты можно путем организации восстановления деталей [3].
В случаях, когда надежность машин автомобильной сельскохозяйственной и специальной техники определяется долговечностью трущихся поверхностей кинематических пар, износ которых при выбраковке по данным ГНУ ГОСНИТИ составляет не более 0,1-0,3 мм, экономически выгодно применять термодиффузионные износостойкие покрытия [4-8]. Согласно проведенным исследованиям [5], показано, что наибольшей прочностью сцепления с основным металлом обладают покрытия, толщина которых не превышает 1,0-1,2 мм.
Однако следует учитывать, что после повторного восстановления диффузионных покрытий шероховатость поверхностей трущихся деталей высока и это способствует развитию питтинга. Но вместо тонкого шлифования и без того тонких диффузионных покрытий в данной работе предлагается использовать внешние антифрикционные покрытия, нанесенные поверх диффузионных, которые заполняют впадины микронеровностей и способствуют равномерной приработке [9-12].
Методика. В качестве объектов исследования была выбрана прямозубая цилиндрическая зубчатая пара, изготовленная из высокопрочного чугуна ВЧ 60, с термодиффузионным ванадиевым покрытием после закалки и низкого отпуска. Поверх ванадиевого покрытия на рабочие поверхности зубьев наносилось внешнее антифрикционное покрытие методом, схема которого представлена на рисунке 1.
Металл-донор, в качестве которого может быть использован алюминий, медь, оловяни-стая бронза ОЦС 555, прижимался вращаю-щейсяметаллической щеткой с достаточной для снятия с него мелких вкраплений силой. В результате данные вкрапления, переносясь на концах щетки, размазывались по рабочим поверхностям деталей.
Состояние рабочих поверхностей зубьев исследовалось после процесса нанесения и после приработки зубчатых колес в паре
на холостом ходу (без нагрузки), проводилось сравнение с зубчатыми колесами, прошедшими операцию тонкого шлифования. Измерение шероховатости проводилось профилометром с электронной шкалой считывания.
Рисунок 1 - Схема нанесения антифрикционных покрытий металлическими щетками: 1 - металл-донор; 2 - металлическая щетка; 3 - покрываемая поверхность изделия
Результаты. Изготовленные из высокопрочного чугуна ВЧ60 прямозубые колеса (рисунок 2) с термодиффузионным покрытием ванадием после закалки, поверх которых были нанесены механические покрытия алюминия, бронзы (ОЦС 555), меди, исследовались на изменение величины шероховатости рабочих поверхностей зубьев в исходном состоянии, после нанесения механического покрытия поверх диффузионного и после приработки колес в паре без нагрузки.
Для испытаний использовались три контактные пары с различным типом поверхностного покрытия и одинаковым внутренним термодиффузионным ванадиевым покрытием (все пары упрочнялись одновременно)
Рисунок 2 - Исследуемая чугунная зубчатая пара
Цель проводимых исследований заключалась в выборе антифрикционных покрытий, обеспечивающих наименьший параметр шероховатости после приработки колес в паре, позволяющих получать большую площадь контакта зубьев и равномерную приработку лежащего под данным покрытием диффузионного слоя без сколов и выкрашивания.
Рисунок 3 - Диаграмма изменения шероховатости поверхности шестерни с антифрикционным покрытием: ряд 1 - исходная шероховатость (после вана-дирования); ряд 2 - после покрытия антифрикционным материалом; ряд 3 - после приработки в паре
Рисунок 4 - Диаграмма изменения шероховатости поверхности сопряженного с шестерней зубчатого колеса с антифрикционным покрытием: ряд 1 - исходная шероховатость (после ванадирования); ряд 2 - после покрытия антифрикционным материалом; ряд 3 - после приработки в паре
Результаты изменения шероховатости поверхности колеса и шестерни с термодиффузионным ванадиевым покрытием до и после формирования покрытия и после приработки в паре представлены в виде столбиковой диаграммы на рисунках 3 и 4.
Исходная шероховатость шестерни перед нанесением алюминия составляет R = 1,495
а '
(см. рисунок 3), после нанесения - Ra = 1,22.
Сопоставляя эти показатели, можно сде-
лать вывод, что алюминий, являясь пластичным материалом, хорошо размазывается по рабочей поверхности зубьев и на этом этапе нанесения «залечивает» исходную шероховатость, полученную после термодиффузионного ванадирования. Для зубчатого колеса (рисунок 4) шероховатость поверхности зубьев в исходном состоянии R = 1,226, после нанесения алюминия
а ' '
- R = 0,998.
а '
Шероховатость поверхности зуба колеса перед нанесение бронзы ОЦС 555 составляла Ra = 1,702, после обработки бронзой - Ra= 1,548 (см. рисунок 4). Для шестерни исходная шероховатость составила Ra = 1,361, с бронзовым покрытием - Ra = 1,297.
Исходная шероховатость покрываемого медью зубчатого колеса составляла Ra = 1.368, после обработки медью - Ra = 1,402, для шестерни до и после соответственно Ra = 1,624 и Ra = 1,548. Нанесение меди данным способом на рабочую поверхность зубьев увеличивает исходную шероховатость, имея высокую температуру плавления и высокую вязкость, слабо размазывается по внутренней поверхности зуба и остается в виде отдельных фрагментов.
Приработка проводилась вращением коробки передач, где находилась данная зубчатая пара от электродвигателя с частотой вращения 3000 об/мин, с учетом передаточного соотношения шестерня вращалась с частотой 1925 об/мин, а колеса - 1600 об/мин.
Анализируя полученные результаты состояния рабочих поверхностей зубьев шестерни и колеса с различными механическими покрытиями, можно сделать вывод, что самый низкий показатель Ra = 0,527 (для шестерни) и Ra=0,641 (для колеса) получен для алюминиевой пары, а наименьшими изменениями параметра шероховатости Ra характеризуются медные покрытия.
Для сравнения качества подготовки рабочих поверхностей антифрикционными покрытиями были проведены сравнения шероховатостей с традиционно применяемыми в данной коробке стальными колесами после тонкого шлифования. Шероховатость стальных колес составила Ra = 0,522-0,680. Поэтому, исходя из полученных результатов, можно сделать вывод, что предложенная подготовка поверхности чугунных зубчатых колес с ванадиевым покрытием с применением алюминия полностью соответствует качеству зуба стальной шестерни, шероховатость с применением бронзы ОЦС 555 и меди выше шероховатости стальных колес после финишного шлифования соответственно в 1,7-1,9 раз и в 2,2-2,3 раза.
Выводы. Предложенный способ нанесения мягкопластичных материалов на зубчатые колеса и червяки с последующей приработкой в паре позволяет достичь идентичных или близких к этому результатов качества поверхности зубьев в сравнении с тонкошлифованными стальными колесами.
Список литературы
1 Юдинов А.С. Эффективное упрочнение деталей почвообрабатывающей техники - актуальная проблема в сельском хозяйстве // Труды ГОСНИТИ. 2010. Т. 102. С. 56-63.
2 Коломейченко А.В. Технологии повышения долговечности деталей машин восстановлением и упрочнением рабочих поверхностей комбинированными методами: автореф. на соиск. учен. степ. доктора техн. наук. М., 2011. 32 с.
3 Мирталипов Р.Ш. Перспективы применения антифрикционных покрытий при восстановлении деталей сельскохозяйственных машин. М.: Инситут «Информагротех»,1991. 32 с.
4 Черновол М.И. Технологические основы восстановления деталей сельскохозяйственной техники композиционными покрытиями: дис. ... доктора техн. наук. М., 1992. 257 с.
5 Черноиванов В.И., Андреев В.П. Восстановление деталей сельскохозяйственных машин. М.: Колос, 1983. 288 с.
6 Веселовский А.А. Повышение износостойкости чугунных деталей зубчатых и червячных передач: монография. М.: Инфра-Инжене-рия, 2019. 240 с.
7 Веселовский А.А. Повышение срока службы чугунных деталей гидроцилиндров: монография. М.: Инфра-Инженерия, 2019. 140 с.
8 Кулеева Т.В. Механохимическое поведение высокопрочных чугунов с шаровидным графитом: автореф. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. Уфа, 2000. 24 с.
9 Ерохин М.Н. Исследование скоростных и нагрузочных режимов в рядовых условиях эксплуатации, отказов и дефектов деталей редук-торных элементов трансмиссии сельскохозяйственных машин: отчет о научно-исследовательской работе. М.: МИИСП, 1988. 166 с.
10 Тихомиров В.П., Горленко О.А. Прогнозирование ресурса зубчатых передач. М.: Машиностроение, 2007. 148 с.
11 Бабичев А.А. Отделочная и упрочняющая обработка деталей машин. М.:Машиностро-ение, 1974. 314 с.
12 Симкин А.З. Повышение износостойкости деталей, изготавливаемых из высокопрочного чугуна технологическими методами: автореф. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. Брянск, 1997. 16 с.
List of references
1 Yudinov A.S. Effective strengthening of parts of tillage equipment is an urgent problem in agriculture // Works of GOSNITI. 2010. T. 102. Pp. 56-63.
2 Kolomeychenko A.V. Technologies for increasing the durability of m-tire parts by restoring and strengthening working surfaces by combined methods: autoreconstructure for the degree of Doctor of Technical Sciences. M., 2011. 32 p.
3 Mirtalipov R.Sh. Prospects for the use of antifriction coatings in the restoration of agricultural machinery parts. M.: Institute «Informagrotekh», 1991. 32 p.
4 Chernovol M.I. Technological foundations of restoration of agricultural equipment parts with composite coatings: dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences. M., 1992. 257 p.
5 Chernoivanov V.I., Andreev V.P. Restoration of parts of agricultural machines. M.: Kolos, 1983. 288 p.
6 Veselovsky A.A. Increased wear resistance of cast iron parts of gear and worm gears: monograph. M.: Infra-Engineering, 2019. 240 p.
7 Veselovsky A.A. Increasing the service life of cast iron parts of hydraulic cylinders: monograph. M.: Infra-Engineering, 2019. 140 p.
8 Kuleeva T.V. Mechanochemical behavior of high-strength cast iron with spherical graphite: candidate of technical sciences for the degree. Ufa, 2000. 24 p.
9 Erokhin M.N. Study of high-speed and load modes in ordinary operating conditions, failures and defects of parts of gear elements of agricultural machinery transmission: report on research work. M.: MINISP, 1988. 166 p.
10 Tikhomirov V.P., Gorlenko O.A. Forecasting the resource of tooth gears. M.: Mechanical Engineering, 2007. 148 p.
11 Babichev A.A. Finishing and strengthening processing of machine parts. M.: Engineering, 1974. 314 p. ~
12 Simkin A.Z. Increasing the wear resistance of parts made from high-strength cast iron by technological methods: autoreconstructure for the degree of candidate of technical sciences. Bryansk, 1997. 16 p.
