Иванов В.П._Фруцкий В.А. Технолог процессы в машиностр. Оборудование и технология высокоэффективных процессов обработки материалов Новополоцк пгу 2009
 Скачать 3.56 Mb.
|
|
ТЕМАТИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И РЕФЕРАТОВ 1. Классификация деталей и их элементов в машиностроении. 2. Роль технологической наследственности в процессах изготовления деталей. 3. Место различных видов обработки в отдельных частях технологи- ческого процесса изготовления детали. 4. Задачи, решаемые технологом на различных стадиях разработки технологического процесса изготовления детали. 5. Влияние параметров деталей на их долговечность. 6. Повышение производительности и точности обработки резанием при изготовлении деталей. 7. Развитие термической обработки в машиностроительном произ- водстве. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К СТУДЕНТАМ Студент должен знать: – общее содержание процесса изготовления деталей; – технологические процессы изготовления типовых деталей: корпус- ных, валов и осей, гильз и дисков, шатунов, рычагов и коромысел, зубча- тых колес; – параметры, определяющие качество изготовления деталей; 110 Студент должен уметь: – разрабатывать основные технологические процессы изготовления типовых деталей; – выбирать оборудование для изготовления деталей в производствах различного типа; – обеспечивать показатели качества изготовления деталей. РЕЙТИНГОВЫЙ КОНТРОЛЬ ЗНАНИЙ МАТЕРИАЛА РАЗДЕЛА Оценка знаний второго раздела производится по результатам выпол- нения практических занятий 4, 5 и 6 и ответов студентов на контрольные вопросы, приведенные в конце материала изучаемых тем. Высокой оценки заслуживают те студенты, которые демонстрируют знания: – назначения, устройства и условий работы основных деталей совре- менных машин; – состава, структуры и основных свойств материалов, из которых из- готовлены основные детали; – оборудования, применяемого для изготовления деталей; – основных параметров, характеризующих качество изготовления деталей, и способов их обеспечения. 111 3. УПРОЧНЕНИЕ ДЕТАЛЕЙ 3.1. Содержание упрочнения деталей Необходимость упрочнения деталей при их изготовлении. Норма- тивные документы ориентируют специалистов на достижение установленной на- работки техники. Конструкторские документы определяют состояние деталей, поступающих на сборку, значения замыкающих размеров в соединениях и другие параметры. Ресурс изделия определяется его наработкой с момента ввода в экс- плуатацию до достижения предельного состояния. Изготовленная деталь входит составной частью в агрегат, который, в свою очередь, входит в машину. Ресурсы включающих друг друга систем должны быть равными с точки зрения совпадения целей систем. Однако в реальности это условие часто не выдержи- вается. Если ресурс агрегата превышает ресурс машины, а ресурсы деталей – ресурс агрегата, то излишние ресурсы составных частей оказываются невостре- бованными. Чаще ресурсы составных частей машины оказываются недостаточ- ными, что обусловливает их трудоемкую замену в эксплуатации новыми, отре- монтированными или восстановленными. Если ресурс детали меньше нормативного и отстает от ресурса ос- тальных деталей агрегата, то возникает потребность в повышении долго- вечности элементов этой детали за счет повышения износостойкости, твердости, усталостной прочности и других свойств. В общем случае под упрочнением детали понимают повышение зна- чений ее физико-механических свойств, которые являются определяющи- ми для обеспечения надежности ремонтируемого объекта. Все многообра- зие способов упрочнения деталей может быть сведено в три группы: нане- сение износостойких покрытий; образование износостойких слоев; пласти- ческое деформирование материала. Причины достижения деталями предельного состояния. При ис- пользовании ряда деталей наступает момент, когда разрушение их элемен- тов становится интенсивным. Детали в этом случае или не способны вы- полнять предназначенную функцию, или ее выполнение обусловлено за- тратами, превышающими пользу от применения этих деталей. Такое со- стояние деталей называют предельным. Знание природы достижения дета- лями этого состояния позволяет обоснованно назначать мероприятия по повышению их долговечности. Основная доля (80…90 %) деталей в составе соединений с другими деталями достигает предельного состояния по причине изнашивания. В ре- 112 зультате этого процесса происходит разрушение и отделение материала с поверхности детали и (или) накопления ее остаточной деформации при трении. Указанные явления приводят к постепенному изменению размеров и (или) формы деталей. Скорость изнашивания трущегося соединения – увеличение зазора в единицу времени – в течение его срока службы существенно изменяется (рис. 3.1). Во время приработки соединения t п наблюдаются его повышенное из- нашивание. Затем скорость изнашивания уменьшается и сохраняется дли- тельное время постоянное значение, соответствующее нормальной эксплуа- тации t э . И, наконец, при достижении предельного зазора в соединении S пр появляются стуки при работе, нарушаются расчетные условия смазки, а ско- рость изнашивания непрерывно растет вплоть до отказа соединения. Рис. 3.1. Зависимость зазора S в соединении деталей от наработки t: 1-2, 2-3 и 3-4 – участки приработки, нормальной и аварийной эксплуатации Срок службы t м соединения определяют по прямолинейному участку кривой изнашивания tg пр н м S S t , ч, (3.1) где S н – начальный зазор приработанного соединения, мм; tgα – скорость изнашивания соединения, мм/ч. Для текущего момента времени t т в пределах прямолинейного уча- стка кривой изнашивания можно записать tg т н т н S S t t , ч, (3.2) где S т – текущее значение зазора в соединении, мм; t н – время работы со- единения до достижения зазора S н , ч. 113 Тогда остаточный ресурс соединения t ост равен t ост = t э + t н – t т = tg пр m S S , ч, (3.3) где t э – время эксплуатации, ч. Значение скорости изнашивания tgα можно определить по формуле tg ( ) т н т п S S t t , мм/ч. (3.4) В зависимости от условий трения и активности окружающей среды имеют место основные виды изнашивания: механическое, коррозионно- механическое и молекулярно-механическое. Механическое изнашивание происходит в результате механических воздействий. Основные виды этого изнашивания следующие: абразивное, усталостное, кавитационное и эрозионное. Абразивное изнашивание материала происходит в результате режу- щего или царапающего действия на него твердых частиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии. Абразивные частицы размером 1…30 мкм всегда присутствуют в воздухе, смазочном материале и на трущихся поверхностях. Такими час- тицами являются продукты изнашивания, твердые частицы оксидов, нага- ра и др. Абразивное изнашивание вызывают закрепленные и незакреплен- ные частицы. В зависимости от вида среды (жидкость или газ), переме- щающей частицы, различают такие виды абразивного изнашивания – гид- роабразивное и газоабразивное. Скорость абразивного изнашивания зависит от контактных напряже- ний, относительной скорости частиц и направления их потока к рабочей поверхности детали, твердости частиц и материала изнашиваемой поверх- ности, структуры материала. Технологические способы повышения стойкости к механическому изнашиванию сводятся к выбору материала трущихся поверхностей, его структуры и твердости. Многие детали под действием знакопеременной нагрузки подверга- ются усталостному изнашиванию и утрачивают в работе часть усталост- ной прочности. Критическим напряжением при усталости является предел выносливости. Этот параметр, в отличие от других прочностных характе- ристик (пределов упругости, текучести и прочности), во многом зависит от состояния поверхности детали. Разрушению металлических деталей при усталости предшествуют процессы зарождения и распространения усталостных трещин. 114 Первые микротрещины размером порядка 1 мкм появляются в про- цессе циклического пластического деформирования материала в результа- те его текучести и упрочнения. Это упрочнение вызвано накоплением не- совершенств кристаллической решетки (дислокаций, вакансий) и их пере- мещением к границам зерен. Циклическое упрочнение завершается микро- трещинами, размеры которых сопоставимы с размерами зерен материала. Повреждения на этой стадии приобретают необратимый характер. Кроме того, происходят фазовые превращения (например, образование мартенси- та деформации в метастабильных аустенитных сталях), процессы возврата или старения. Распространение усталостных трещин включает медленный, ста- бильный и ускоренный их рост. Таким образом, начиная с первых циклов нагружения детали, в ее материале происходит эволюция дислокационной структуры. Результат изменения проявляется в виде магистральной трещины. В зависимости от расстояния от вершины этой трещины до рассматриваемого участка мате- риала изменяется его напряженное состояние и формируется новая структура. Эта структура мелкоячеи- стая у самой вершины трещины, далее в ней появляются дислокационные стенки и она завершается полосовой и венной структурами, дислокацион- ными петлями и скоплениями. Усталостное повреждение (рис. 3.2) возникает в локальной зоне, близкой к точке возникновения на- чальной микротрещины. К этой зоне примыкает участок развития трещины с характерными линиями, волнооб- разно расходящимися от очага разру- шения. Следующий участок ускорен- ного развития трещины образуется в течение нескольких циклов, предшествующих окончательному разруше- нию. Зона долома имеет признаки хрупкого разрушения. Выделяют контактную усталость поверхностных слоев, которая воз- никает при трении качения и называется «питтинг», и усталостное изна- шивание при трении скольжения, хотя усталостная природа разрушения в обоих случаях одинакова. Рис. 3.2. Усталостный излом: 1 – фокус излома и очаг разрушения; 2 – вторичные ступеньки и рубцы; 3 – усталостные линии; 4 – зона уско- ренного развития трещины; 5 – зона долома 115 Кавитационное изнашивание – это разрушение материала при со- прикосновении его с движущейся жидкостью, в которой возникают полос- ти, заполненные паром, газом или их смесью. Так изнашиваются крыль- чатки насосов, водоохлаждаемые гильзы цилиндров и другие детали или элементы. Интенсивность кавитационного изнашивания возрастает при увеличении скорости жидкости. При завихрении сплошной поток жидкости разрывается, из-за ло- кального уменьшения давления в нем образуются парогазовые пузыри раз- мером порядка десятых долей миллиметра. За 0,002 с кавитационный пузы- рек может вырасти до 6 мм в диаметре и разрушится в течение 0,001 с. За одну секунду на площади в 1 см 2 могут образоваться и разрушиться более 30 млн. таких пузырьков. Исчезновение (захлопывание) пузырьков сопровождается повыше- нием давления, конденсацией паров и растворением газов. Движение жид- кости с большим ускорением в полость исчезающего пузырька создает гидравлические удары с вибрацией поверхностей деталей. Кавитационная стойкость материала определяется его составом и структурой. Повышение содержания углерода в сталях до 0,8 % увеличи- вает ее. Пластинчатый перлит более стойкий к кавитации, чем зернистый. Введение никеля и хрома в сталь повышает эту стойкость. Наиболее стой- ким является низколегированный чугун (1 % Ni и 0,3 % Mo) с шаровидным графитом. Закалка ТВЧ, цементация, поверхностное упрочнение, наплавка твердых сплавов уменьшают кавитационное изнашивание. Эрозионное изнашивание – это механическое изнашивание поверх- ности в результате воздействия на нее потока жидкости и (или) газа. Так разрушаются, например, детали вентилей и клапанов. Электроэрозионное изнашивание усложняется разрушением поверх- ности детали в результате воздействия разрядов при прохождении элек- трического тока. Изнашивание сопровождается переносом ионов материа- ла и появлением оксидных пленок. Интенсивность изнашивания зависит от плотности тока, электрического сопротивления и скорости перемещения контакта, механической нагрузки, температуры поверхностей и вида мате- риала деталей. Коррозионно-механическое изнашивание происходит в результате механического воздействия, которое сопровождается химическим и (или) электрическим взаимодействием материала со средой. Так изнашиваются выпускные клапаны двигателей внутреннего сгорания и другие детали. 116 Видами коррозионно-механического изнашивания являются окисли- тельное изнашивание, на которое основное влияние оказывает химическая реакция материала с кислородом или окисляющей средой, и изнашивание при фреттинг-коррозии. Окислительное изнашивание характеризуется образованием и разру- шением вторичных структур в поверхностных слоях детали при их нагруже- нии и трении. При этом на поверхности трения образуются твердые растворы или химические соединения с кислородом, водородом или азотом. Механизм окислительного изнашивания включает три стадии: – непосредственный механический контакт трущихся поверхностей или через среду и образование тонкого слоя деформированного активиро- ванного металла; – химическую реакцию образовавшегося слоя с активными элемен- тами среды, которое влечет образование вторичных структур толщиной 0,01…0,02 мкм с низкой механической прочностью; – механическое разрушение и удаление вторичных структур. На ювенильных поверхностях практически мгновенно образуются новые структуры, которые затем также разрушаются. Повышение износостойкости в условиях окислительного изнашива- ния происходит за счет повышения химической стойкости и твердости по- верхностного слоя деталей. Изнашивание при фреттинг-коррозии – это вид изнашивания со- прикасающихся тел при колебательных относительных перемещениях, не превышающих размеров пятен фактического контакта. Фреттинг-коррозия развивается на поверхностях соединений с натя- гом, контактных поверхностях шарнирных механизмов. При этом ослабля- ется натяг поверхностей или происходит их заклинивание, если продукты изнашивания не выходят из зоны контакта. Уменьшение или предотвращение фреттинг-коррозии достигается конструктивными и технологическими методами. Первое направление за- ключается в увеличении натяга в соединениях, использовании демпфи- рующих устройств, применении жидких и твердых смазочных материалов. Второе направление включает упрочнение поверхностей пластическим де- формированием или термической обработкой, нанесение электрохимиче- ских или полимерных покрытий. Изнашивание при заедании – это вид молекулярно-механического изнашивания в результате схватывания трущихся поверхностей, глубинно- го вырывания материала с переносом его с одной поверхности трения на 117 другую и абразивного воздействия возникших неровностей на сопрягае- мую поверхность, сопровождающегося выделением тепла. Обязательным условием этого вида изнашивания является разрушение оксидных и масля- ных пленок, разделяющих поверхности, сближение ювенильных поверхно- стей до расстояния действия межатомных сил. Явление имеет место при работе шеек валов в подшипниках скольжения при перегрузке и недостат- ке смазки. Заедание в неподвижных соединениях объясняется образованием ок- сидных пленок и соединением их кристаллических решеток. Деформирование деталей проявляется в виде изменения параметров формы поверхностей и их взаимного расположения. Это происходит под действием релаксации внутренних напряжений и длительного действия эксплуатационных нагрузок при рабочей температуре механизма. Повреж- дение характерно для корпусных деталей и длинных валов. Коррозия поверхностей – это результат их химического или электро- химического взаимодействия с коррозионной средой. В зависимости от ус- ловий протекания различают много видов коррозии: атмосферную, щеле- вую, питтинговую, контактную, кавитационную и др. Атмосферная коррозия – электрохимической коррозии, возникаю- щей при непосредственном воздействии влажной активной атмосферы на металл. Щелевая коррозия протекает в щелях и зазорах кузовов. Питтинго- вая коррозия начинается в местах разрушения лакокрасочного покрытия щебнем. Язвы коррозии занимают небольшую площадь, но имеют боль- шую глубину. Контактная коррозия приводит к разрушению металла в ре- зультате соприкосновения деталей из разнородных материалов. Процесс ускоряется при трении и вибрации, при этом прочность панели уменьша- ется на 40 %. Кавитационному разрушению подвергаются те детали (на- пример, днища кузовов), которые оказываются под воздействием воды. В зависимости от объема разрушения различают общую и местную коррозию. Общая коррозия протекает на большой поверхности панелей с од- ной скоростью. Этот тип коррозии поражает увлажненные участки металла с разрушенным покрытием. Местная коррозия развивается с большой скоро- стью и приводит к образованию сквозных отверстий, точек или нитей. Старение материала – процесс изменения состава и строения, а сле- довательно, и свойств материалов, происходящий в течение длительного времени при рабочей температуре деталей. Старение характеризуется пе- реходом материала из метастабильного состояние в стабильное. Старение металлов включает аллотропическое и мартенситное превращения, распад 118 мартенситной структуры, распад пересыщенных твердых растворов, их упорядочение и разупрочнение и ряд других процессов. Быстро стареют лакокрасочные покрытия и пластмассовые детали. Повреждения деталей закономерно возникают под влиянием различ- ных факторов. Как правило, у одноименных деталей наблюдается несколь- ко различных повреждений, которые образуют статистически устойчивые сочетания. Повышение эксплуатационных свойств. Основные свойства, ко- торые обеспечивают деталям при изготовлении, – износостойкость и уста- лостная прочность. Обеспечение износостойкости поверхностей состоит из выбора ма- териала трущейся поверхности, термической и механической обработки и использования приработочных материалов. При этом учитывают совмес- тимость материалов трущейся пары, обеспечивают необходимые состав и строение их поверхностных слоев и низкое сопротивление сдвигу на гра- нице раздела трущихся тел. Последнее требование выражается правилом положительного градиента механических свойств материала по глубине его поверхностного слоя: d / dz > 0, Н·м –3 , (3.5) где – разрушающее напряжение сдвига, Па; z – значение координаты, на- правленной вглубь материала перпендикулярно поверхности трения, м. Износостойкие слои создают за счет структурно-фазовых (физико- термических) и элементо-фазовых (химико-термических) превращений и внедрения в трущийся слой твердого материала. Износостойкие слои соз- дают как в материале детали (если нанесение покрытия не предусмотрено), так и в материале покрытия. Основные способы получения износостойких слоев – это различные виды закалки и химико-термической обработки. Основные способы повышения усталостной прочности включают уменьшение шероховатости поверхности и создание наклепа в поверхно- стном слое за счет пластического деформирования материала. Упрочнение материала при его пластическом деформировании осно- вано на преднамеренном искажении кристаллической решетки металла в результате механического воздействия. Результат упрочнения может быть усилен термической или термомеханической обработкой, легированием и другими способами. Наиболее достоверно природу упрочнения объясняет дислокационная теория. Пластическое деформирование характеризуется необратимым сме- щением блоков зерен друг относительно друга с дроблением этих блоков и 119 изменением их формы. Различают два вида относительного смещения бло- ков: скольжение и двойникование. При скольжении смежные атомные плоскости последовательно смещаются друг относительно друга на один параметр решетки (рис. 3.3, а). При двойниковании перемещение блоков зерен сопровождается поворотом одной части кристаллической решетки в положение, симметричное другой ее части (рис. 3.3, б). Смещенная часть кристалла становится зеркальным отражением неподвижной его части. Двойникование требует в два раза больше энергии, чем скольжение, при одной и той же степени де- формации. Деформирование двой- никованием протекает в металлах при пониженной температуре, при ударных или циклических на- грузках. При сдвиге отдельных час- тей металла по поверхности сколь- жения образуется слой с искажен- ной кристаллической решеткой и мелкими осколками зерен, создаю- щими «шероховатость» по поверх- ности сдвига, которая препятствует дальнейшему перемещению бло- ков. Таким образом, пластическое деформирование в холодном состоянии упрочняет металл. Это упрочнение называют наклепом, в результате которо- го предел прочности и твердость металла повышаются, а пластичность сни- жается. Все способы поверхностного пластического деформирования (ППД) в зависимости от вида деформирующего инструмента и характера контакта с упрочняемой поверхностью подразделяются на три группы: статические, динамические и комбинированные. При их выборе учитывают форму и размеры детали, ее прочность и жесткость, требования к точности и степе- ни упрочнения и тип производства. Статические способы ППД рабочих поверхностей деталей: обкаты- вание, раскатывание и дорнование с применением мерного или регулируе- мого инструмента. Деформирующими элементами являются шарики или ролики, которые находятся в непрерывном контакте с заготовкой и оказы- вают на нее постоянное давление. Рис. 3.3. Перемещение атомных сло- ев при пластическом деформировании ма- териала: а) – скольжением; б) – двойнико- ванием 120 Обкатывание крупных резьб на валах уменьшает до двух раз износ резьбовых пар на машинах, работающих в условиях большой запыленности. Долговечность брон- зовых или чугунных гаек при работе с такими валами повышается на 35…40 %. Обка- тывание роликами зубьев у их оснований повышает предел усталости на базе 2 млн циклов не менее чем на 40 %. Динамические способы ППД включают ударные виды воздействия деформирующих элементов в виде сыпучего рабочего тела (металлической или стеклянной дроби) или специального инструмента на упрочняемую поверхность. Процессы применяют для упрочнения различных деталей: пружин, рессор, гребных винтов, нервюр и лонжеронов самолетов и др. Сущность упрочняющей чеканки, например, заключается в том, что по упрочняемой поверхности наносят удары с помощью специального приспособления. При этом исходная твердость повышается на 30…50 %, а глубина наклепа доходит до 3 мм. Инструмент состоит из ударника с бой- ком с профильным радиусом 3…5 мм. Упрочнение чеканкой позволяет за- менить сталь 25ХНВА сталями 40ХНМА или 35ХГСА, которые почти в 2 раза дешевле. Чеканку применяют для упрочнения сложных по форме и труднодоступных концентраторов напряжений. Комбинированные способы упрочнения ППД объединяют статиче- ские или динамические способы с химическими или термическими воздей- ствиями. |