Технологічне забезпечення якості та експлуатаційних властивостей виробів параметрами імпульсної фрикційної обробки

Контактна довговічність зразків із сталі 45 (ГНВ) після фрикційного зміцнення підвищилась у 1, 7 разу у порівнянні з незміцненими. Фрикційне зміцнення з використанням мінерального мастила сталі У8А (ГНВ) підвищує опір контактному втомному руйнуванню лише у 1, 4 разу, а при зміцненні з використанням МХО-64а збільшення довговічності досягає 1, 6 разів. При цьому слід відмітити, що чим вища твердість вихідного металу, тим менше впливає фрикційне зміцнення на довговічність сталі при контактному навантаженні. При контактному навантаженні не проходить відшарування білого шару, тріщина зароджується під поверхневим шаром у зоні дії розтягуючих залишкових напружень і проходить по основному металу.

Крім вищеназваних властивостей, білий шар має на 1-2 бали дрібнішу структуру, залишкові напруження стиску залягають на глибину, яка у декілька разів перевищує товщину зміцненого шару. Під білим шаром знаходиться зона з пониженою твердістю, яка є буферним прошарком. Усі ці параметри гальмують процеси зародження і розповсюдження тріщин, що дозволяє підвищити довговічність при втомному навантаженні як на повітрі, так і у корозійному середовищі.

У шостому розділі представлені розроблені технології поверхневого зміцнення та результати стендових та дослідно-промислових перевірок деталей після фрикційного зміцнення, а саме напрямних станин фрезерних верстатів моделі 6520Ф-3, деталей шарнірів привідних і гусеничних ланцюгів вантажонесучих конвеєрів, деталей технологічного оснащення (напрямні, елементи універсально-збірних пристосувань, матриці вирубних штампів і т. п.), деталей поворотно-слідкуючого механізму антен великого діаметру для дальнього космічного зв’язку.

У додатках приведені додаткові матеріали, які стосуються побудови математичних моделей, використовуючи середовище багатофункціонального пакету MathCAD 7 Pro та акти впровадження і економічної ефективності запропонованих технологій фрикційного зміцнення.

 

 

1. У результаті проведених досліджень вирішена актуальна наукова проблема в області технології машинобудування, яка має важливе народногосподарське значення і полягає у розробленні прогресивної технології поверхневого зміцнення робочих поверхонь деталей машин і елементів конструкцій, котра забезпечує підвищення довговічності виробів у експлуатації та скороченні витрат дороговартісних матеріалів.

2. На основі теоретично-експериментальних досліджень параметрів зміцнення вперше створено технологічну систему фрикційного зміцнення, яка дозволяє цілеспрямовано керувати режимами обробки, технологічним середовищем, параметрами інструменту, фізико-хімічними властивостями та механічними характеристиками поверхневого шару, а також експлуатаційними властивостями виробів.

3. Вперше встановлено, що водень підвищує товщину (у 1, 4-1, 5 разів) та твердість зміцненого шару (на 20%). При використанні при фрикційному зміцненні як технологічне середовище поверхнево активної полімервмісної мастильно-охолоджувальної рідини МХО-64а під дією високих температур та тисків проходить термо- і механодеструкція полімерів з виділенням вуглецю, водню, азоту та інших елементів, які на ювенільних поверхнях дифундують у поверхневі шари металу. Біля поверхні вміст вуглецю досягає до 1, 7%. Зі збільшенням глибини вміст вуглецю та інших елементів зменшується до величин, які відповідають основному металу. При цьому зростає товщина зміцненого шару (у 1, 2-1, 4 разів), його мікротвердість (у 1, 2-1, 3 разів), а також понижуються складові сили зміцнення (у 1, 4-1, 6 разів) у порівнянні з використанням як технологічне середовище мінерального мастила.

4. Використовуючи математичні методи планування багатофакторного експерименту, побудовано математичні моделі для оцінки залежностей складових сили зміцнення, а також товщини зміцненого шару з врахуванням параметрів фрикційного зміцнення сталей та чавунів, що дозволило керувати якістю зміцненого шару, а також визначити оптимальні для конкретних умов режими зміцнення.

5. На основі розв’язку математичної моделі, використовуючи теоретико-експериментальний метод, визначено температурні поля у зоні контакту зміцнювального інструмента-диска і деталі при фрикційному зміцненні. Максимальні температури в зоні контакту становлять 1000-1250 К. Значення температури в зоні контакту залежить від ширини зони контакту інструменту та деталі, а також від швидкості її переміщення.

6. Встановлено, що збільшення інтенсивності зсувного деформування при імпульсному фрикційному деформуванні, яке досягається використанням інструмента-диска з поперечними пазами на робочій частині, у зоні контакту інструмента-диска та деталі приводить до збільшення товщини зміцненого шару (у 1, 4-1, 6 разів), його мікротвердості (на 20-30%), а також при цьому понижуються складові сили зміцнення (у 1, 6-1, 8 разів) і покращується шорсткість зміцненої поверхні (до Ra = 0, 4 мкм) у порівнянні зі звичайним фрикційним зміцнення інструментом з гладкою робочою частиною.

7. Застосування при імпульсному фрикційному зміцненні як технологічне середовище поверхнево активної полімервмісної мастильно-охолоджувальної рідини типу МХО-64а призводить до формування залишкових напружень стиску (зал  -800 МПа), які залягають на багато більшу глибину (до 700 мкм), аніж при використанні мінерального мастила. При цьому суттєво підвищується опір мало- та багатоцикловому і контактному втомному руйнуванню як на повітрі, так і у корозійному середовищі (до 6, 6 разів).

8. Показано, що фрикційне зміцнення підвищує опір зношуванню при різних видах тертя (без мащення, з граничним мащенням, у мастильно-абразивному середовищі, фретинг-процесі, потоці абразивних частинок та реверсивному терті) у 2-8 разів у залежності від умов тертя. Білі шари мають вищу твердість, дрібнішу структуру на 1-2 бали, підвищену кількість залишкового аустеніту (до 30%), густину дислокацій (у 5-8 разів) порівняно з мартенситом звичайного гартування. Усе це сприяє утворенню якісних вторинних структур на контактуючих поверхнях та сповільненню нагромадження втомних дефектів