РЕКОМЕНДУЕМЫЕ УСЛОВИЯ УПРОЧНЕНИЯ

Глава 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ   5.1. КАЧЕСТВО ИСХОДНОГО МАТЕРИАЛА   Прочность и эксплуатационные свойства деталей машин в значительной степени определяются факторами, связанными с процессом плавки и методом получения формы детали. При этом механические свойства стальных и чугунных деталей зависят не только от химического состава металла и последующей термообработки, но и от способа выплавки стали, структуры и свойств участка слитка, из которого изготовлена деталь. Известно, например, что так называемая кипящая сталь полному раскислению при выплавке не подвергается, слиток отличается значительным количеством газовых пузырей, образующихся в процессе затвердевания и при последующей горячей обработке - прокатке - газовые пузыри, расположенные недалеко от поверхности слитка, могут дать опасный поверхностный дефект волосовины. Особое влияние на служебные свойства отливок оказывают литейные напряжения, являющиеся результатом совместного действия температурных, усадочных и структурных факторов. Уменьшение прочности отливок под влиянием литейных напря­жений часто имеет место у крупных литейных валов, плит и корпусов с тонкими ребрами, больших шкивов, маховиков и т.д.

Основными мероприятиями по борьбе с литейными напряжениями являются такие, как обеспечение равномерного охлаждения всех частей отливки (путем подвода питателей литников к тонким частям или установления холодильников в толстых частях), изготовление отливки из нескольких частей, высокотемпературный отпуск, нормализация и термическое улучшение (закалка и отпуск) - (табл. 5.1 для стали 35Л).

Таблица 5.1

ВЛИЯНИЕ ВИДОВ ТЕРМООБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА СПЛАВОВ

Термическая обработка	sв, МН/м2	sт, Н/м2	d, %	y, %	ак, МДж/м2
Литой образец	612	237	8,5	7,9	0,245
Отжиг при 950 °С	543	267	22,6	38,1	0,578
Нормализация при 950 °С	536	253	21,7	37,5	0,618
Улучшение (закалка с 850 °С и отпуск при 600 °С)	667	451	22,0	54,0	1,03

 

Значительное влияние на механические свойства отливок оказывают различные присадки, вводимые непосредственно в жидкую сталь с целью улучшения (модификации) ее структуры. У стали 30Л, например, после модификации 0,2% Са предел прочности при разрыве повышается с 568 МН/м² до 644 МН/м², а относительное удлинение - с 17 до 22 %.

Для изготовления высоконапряженных зубчатых колес горных машин применяют в основном высокопрочные цементуемые стали 12ХНЗА, 25ХГТ, 18ХГТ, 20X2Н4А. Возможности существенного повышения прочности колес из этих сталей в значительной степени использованы. Это обусловлено недостаточной пластичностью и высокой чувствительностью этих сталей к концентрации напряжений, вызванной неметаллическими включениями.

Известно, что качество стали и сопротивление усталости деталей, при прочих равных условиях, обусловлены количеством неметаллических включений в слитке, пластичностью и анизотропией (различием в разных направлениях) механических свойств. Оптимальное сочетание этих факторов может быть достигнуто на основе применения современных металлургических про­цессов: электрошлакового (ЭШП) или вакуумного дугового переплава стали, рафинирования стали синтетическими шлаками (СШ), применение которых позволяет получить металл высокой чистоты, освободиться от вредных при­месей. Стали, выплавленные этими методами, превосходят обычную сталь по плотности, пластичности и ударной вязкости. Испытания таких сталей показывают, что долговечность зубчатых колес из стали ЭШП в среднем в 7 раз, из стали СШ - в 5 раз превышает этот показатель для серийной стали 20Х2Н4А.

Для придания металлическому слитку желаемой формы применяется обработка давлением: прокатка, волочение, прессование, свободная ковка, горячая или холодная штамповка, выдавливание. С помощью этих способов из слитков получают листы, прутки, трубы, поковки, штамповки - заготовки для деталей. Пластическая деформация металла при этом изменяет их струк­туру и оказывает большое влияние на механические свойства деталей, про­исходит изменение макроструктуры и образование текстуры - определенной ориентации зерен на поверхности. Поэтому существует определенное прави­ло, согласно которому расположение волокон должно в возможно большей степени повторять конфигурацию детали и не «перерезываться» стенками детали.

Так, зубчатые колеса получают правильную ориентировку (без перерезывания волокон) (рис. 5.1, 6) в том случае, если их изготовляют путем ковки осадкой в торец. Если это условие нарушается и волокна направлены попе­рек или вдоль зубьев (рис. 5.1, а), то они могут в эксплуатации отламываться вследствие расслоения между волокнами.

Рис. 5.1. Различное расположение волокон

Особенно благоприятное расположение волокон в ответственных де­талях (шарошках бурильных долот, звездочках, в резьбовых соединениях буровых штанг и т.п.) достигается при горячей или холодной накатке зубьев, резьб, шлицев и т.п. (см. рис. 5.1, 6). У деталей типа валов, осей, штоков, ша­тунов, разрушающихся в результате циклических напряжений изгиба, круче­ния, сжатия-растяжения и т.д., оптимальным является расположение воло­кон вдоль направления максимальных растягивающих напряжений и одно­временно под углом 45° к направлению максимальных касательных напря­жений, т.е. вдоль оси вала.

Большое значение расположение волокон имеет для деталей, разрушающихся вследствие контактной усталости металла. Так, контактная уста­лостная прочность у роликов подшипников с продольным расположением волокон в 3-5 раз выше, чем у таких же роликов с поперечным (перпендику­лярно оси) расположением волокон.

 

5.2. ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ                    НА СВОЙСТВА ДЕТАЛИ

 

Опыт эксплуатации машин подтверждает, что основными факторами, определяющими долговечность машин, являются не только механические свойства материала, из которого изготовлены детали, но и качество поверх­ностного слоя (см. гл. 4, § 4). В процессе механической обработки со сняти­ем стружки происходят физические процессы, которые существенно изме­няют свойства поверхностного слоя. Качество поверхностного слоя детали может характеризоваться геометрическими факторами и физико-механическими свойствами. К геометрическим факторам относятся: макро­геометрия, волнистость и шероховатость, направление штрихов; к физико-механическим - твердость, тонкая кристаллическая структура, наклеп, оста­точные напряжения. Причинами появления неровностей на поверхности об­рабатываемой детали являются: неравномерность самого процесса резания, дисбаланс вращающихся элементов (деталь, патрон и т.п.), копирование неровностей на режущей кромке инструмента и ее движения, оставляющие на поверхности остаточные гребешки, и др.

Геометрические параметры, образующиеся после срезания стружки, оказывают большое влияние на износостойкость, выносливость, сопротив­ление ударным нагрузкам, коррозионную усталость. Впадины микронеров­ностей являются концентраторами напряжений, причем тем больше, чем глубже впадина t и меньше ее радиус r:

, где a - коэффициент концентрации напряжения для процессов механической обработки составляет 1,5¸2,5 . На рис. 5.2 показано влияние величины шероховатости и направления штрихов на износ. С увеличением волнистости эксплуатационные свойства сопряженных деталей ухудша­ются, так как площадь приле­гания поверхностей друг к дру­гу уменьшается, увеличивают­ся контактные напряжения.

Влияние геометрических параметров на усталостную прочность деталей машин осо­бо ощутимо для высококачест­венных сталей. Чем прочнее материал, тем больше сказыва­ется вредное влияние шерохо­ватости на предел выносливости (рис. 5.3).

Однако фактор шерохо­ватости не всегда оказывает преобладающее влияние на предел выносливости детали. Так, дробеструйная обработка детали (см. рис. 5.3, кривая 4), не улучшая чистоту, существенно повышает предел выносливости. Это объясняется по­явлением при дробеструйной обработке наклепа поверхностного слоя, при котором твердость металла в наружных слоях может повыситься в 1,5 раза. При механической обработке в процессе срезания стружки также мо­жет создаваться наклепанный слой глубиной до 0,5мм, который может вли­ять на усталостную прочность детали (рис. 5.4), т.е., управляя процессом резания, можно влиять и на прочность обработанной детали. Как видно из рис. 5.4, с величины переднего угла g=-30° фактор шероховатости уже не влия­ет на предел выносливости. Таким образом, в некоторых случаях отпадает необ­ходимость в чистовых отделочных процессах.

Например, грубо обработанные точением торсионные валики дают в два раза пониженную усталостную прочность по сравнению с полированными. Обточка этих валиков резцом с g=- 30° приве­ла к тому, что их прочность стала выше прочности полированных валиков.

Анализ напряженного со­стояния металла впереди резца дает возможность установить, что в поверхностном слое обработан­ной поверхности, в зави симости от направления силы резания, могут образовываться как сжи­мающие, так и растягивающие остаточные напряжения (рис. 5.5). Если остаточные напряжения сжатия, складываясь с опасными растягиваю­щими рабочими напряжениями (рис. 4.7), понижают их и за счет этого повышают усталостную прочность валов, например, в 2-3 раза, то остаточные напряжения растяжения могут привести к преж­девременному отказу детали.

Действие остаточных напря­жений следует рассматривать со­вместно с наклепом, так как эти два явления неразрывно сопутствуют один другому.

Рассматривая процесс резания как процесс, влияющий на качество поверхностного слоя, создающий определенные физико-механические свойст­ва этого слоя, необходимо представлять, что процесс резания изменяет свой­ства тонкого поверхностного слоя от 0,05 до 0,25 мм. Такие слои могут вли­ять на ограниченную номенклатуру некрупных деталей с особыми требова­ниями к качеству поверхностного слоя. Для крупных деталей, когда требует­ся упрочнить поверхностный слой 0,5¸5 мм, разработаны и применяются специальные методы упрочнения, которые описаны ниже.

 

Рис. 5.5. Влияние геометрии резца: s_сж, s_раст – остаточные напряжения сжатия и растяжения соответственно, h – расстояние от поверхности в глубь детали

 

5.3 ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДЕТАЛЕЙ

 

Термическая обработка металлов и сплавов - один из самых эффектив­ных и распространенных методов улучшения их свойств. В основе процессов термической обработки лежит явление полиморфизма - существования од­ного и того же металла в различных кристаллических формах. Полиморфные превращения происходят, как правило, при нагреве или охлаждении до оп­ределенных температур (так называемых критических точек) и вызывают образование структур с теми или иными свойствами. Изменяя температуру нагрева (или охлаждения), выдержку при этой температуре и скорость по­следующего охлаждения, можно либо приблизиться к равновесному струк­турному состоянию, либо зафиксировать соответствующие метастабильные структуры.

Механические характеристики неупрочненных металлических мате­риалов настолько далеки от требований современного машиностроения, а эффективность упрочнений настолько велика, что все детали, подчиненные критериям прочности и износа, должны упрочняться. Как метод упрочнения наиболее широкое распространение в практике получила закалка в сочета­нии с отпуском для снятия остаточных закалочных напряжений и приведе­ния структуры металла в равновесное состояние. Закалка повышает проч­ность углеродистых сталей в 1,5-2 раза. Существует объемная закалка дета­лей, при которой термической обработке (закалке и отпуску) подвергается весь объем металла детали, и поверхностная закалка, при которой термической обработке подвергаются отдельные элементы (зубья шестерен, шлицы и т.п.) или поверхностные слои (шейки валов, зубьев крупных шестерен и т.п.). Объемной закалке подвергаются некрупные детали, равномерно нагруженные, сравнительно простые по конфигурации. Для уменьшения зака­лочных напряжений в деталях, которые могут привести к появлению закалочных трещин, применяются специальные способы закалки (рис. 5.6): пре­рывистая (кривая 2), ступенчатая (кривая 3), изотермическая (кривая 4), за­калка с подстуживанием (кривая 5).

 

Рис. 5.6. Варианты охлаждения при закалке стали:

1 - обычная, 2 - прерывистая, 3 - ступенчатая, 4 - изотермическая,

5 - подстуживание, 6 - высокотемпературная обработка, 7 - низкотемпературная термомеханическая обработка

 

Конечным процессом термической обработки является отпуск. Разли­чают низкий отпуск (150-200°), средний (300-450°) и высокий (500-650°). Низкий отпуск обеспечивает максимальную твердость в поверхностном слое (HRc 59-63) и применяется для деталей, от которых требуется высокая изно­состойкость (подшипники, зубчатые колёса, пальцы, рабочий инструмент и др.). При среднем отпуске достигается твердость НRс 44-54, он применяется для деталей, которые наряду с высокой прочностью и упругостью должны обладать достаточной вязкостью (рессоро-пружинные стали, звездочки и др.) Высокому отпуску подвергают главным образом детали, работающие при знакопеременных нагрузках (валы, шатуны и др.).

Для крупных деталей, когда необходимо закалить отдельные быстроизнашивающиеся или особо нагруженные элементы, при необходимости со­хранить вязкую сердцевину элемента, применяют поверхностную закалку с нагревом поверхности газовым пламенем или токами высокой (или про­мышленной) частоты.

Поверхностной закалке с нагревом газовым пламенем подвергаются детали из средне- и высокоуглеродистых сталей и чугунов (серого, модифицированного, легированного и ковкого, в которых содержание связанного углерода находится в пределах 0,4-0,85 %). Детали нагревают специальными горелками до закалочной температуры на глубину 1-6мм и быстро охлажда­ют. Этот способ закалки наиболее эффективен и целесообразен при местном упрочнении главным образом крупных деталей в индивидуальном и мелко­серийном производстве. К преимуществам этого метода относится простота оборудования и легкость выполнения операции закалки.

Выполнение этой операции может производиться непрерывным или циклическим методом. При циклическом методе можно производить закалку цилиндрических деталей: шеек коленчатых валов, роликов и шестерен небольшого диаметра, шеек крупных валов, зубьев крупных колес с m>24 и плоских деталей больших размеров: листов погрузочных машин и ковшей экскаваторов, направляющих элементов станин горных машин и т.п. Часто такую закалку можно осуществить на месте сборки машины.

При термической обработке деталей с применением нагрева токами высокой и промышленной частоты цикл ее значительно сокращается. Про­цесс приспособлен для автоматизации, управления и контроля параметров, поверхностный закаленный слой получается более твердым, чем при закалке с нагревом в печи или газовыми горелками.

По условиям нагрева различают одновременный метод закалки, когда индуктор охватывает всю нагреваемую поверхность, и непрерывно-последовательную закалку, когда в процессе нагрева деталь и индуктор все время перемещаются относительно друг друга. Одновременный метод применяют, как правило, для закалки мелких деталей и деталей с небольшой поверхностью (звездочек, зубчатых колес небольшого модуля и т.п.), непре­рывно-последовательный - для закалки длинных и тонких деталей (валов, осей, штанг и т.п.) или крупных деталей (для колес с m>6). Применение уп­рочнения трубных буровых штанг с нагревом ТВЧ обоих концов заготовки на специальной полуавтоматической установке обеспечивает высокую про­изводительность (35 штанг в час) и повышает эксплуатационную стойкость штанг в 4-4,5 раза. Закалка с нагревом ТВЧ успешно используется для уп­рочнения внутренних поверхностей отверстий (в т.ч. глубоких отверстий бо­лее 11 мм). Внутренние поверхности цилиндров закаливают в воде отпуска­нием индуктора внутрь с зазором »1мм. При включении индуктора вода ме­жду индуктором и стенкой детали быстро испаряется, а стенка нагревается до температуры закалки. При выключении тока или продвижении индуктора вдоль оси вода заливает и закаливает нагретую поверхность.

На Уралмашзаводе для непрерывно-последовательной закалки валов и валов-шестерен длиной до 6000 мм, при закаливаемой части до 3100 мм, диа­метром до 800 мм, весом до 10 т изготовлен специальный станок, снабжен­ный гидравлическим приводом для движения индуктора со скоростью до 20 мм/сек. Изготовлен также станок для закалки зубчатых колес с модулем 10-500 мм, диаметром 300-5000 мм, весом до 15 т. Разработан и внедрен полу­автомат для поверхностного упрочнения глубинно-насосных штанг, на кото­ром можно упрочнять детали до 8 м и диаметром до 300 мм. Создана уста­новка для последовательной закалки валов и корпусов турбодувов диамет­ром 100-265 мм и длиной до 12 м, шестипозиционный полуавтомат для уп­рочнения деталей замков и приводных концов к бурильным трубам, на кото­ром могут обрабатываться детали диаметром 140-215 мм, длиной до 500 мм при производительности 8-10 деталей в час.

В последние годы появился метод термической обработки (термомеханическое упрочнение), совмещающий преимущества упрочнения пласти­ческой деформацией металла с термическим упрочнением - закалкой. Проч­ность легированных сталей при этом может быть повышена в 5-6 раз. Характерно большое внимание к этому упрочнению в США. При этом может применяться пластическая деформация при высокой температуре  - ВТМО[1] - для углеродистых и легированных сталей (см. рис. 5.6, кри­вая 6) и низкотемпературная пластическая деформация с термоупрочнением (см, рис. 5.6, кривая 7). В первом случае трудностью является проведение пластической деформации (на прессе) заготовки, нагретой до высокой тем­пературы. А второй способ применим только для легированных сталей при устойчивом аустените. И тот и другой способы пока применяются для дета­лей простой формы (лента, пластины, трубки и т.п.), но практика показыва­ет, что при этом долговечность детали повышается в 2,5-3 раза по сравне­нию с закалкой ТВЧ.

К термическому упрочнению деталей относится и химико-термическая
обработка, которая в результате совместного действия температуры и актив­
ной внешней среды позволяет изменять химический состав поверхностных
слоев металла с целью повышения служебных свойств деталей машин. В основе химико-термической обработки поверхностей деталей лежит способ­ность поверхностного слоя изменять свойства при насыщении углеродом, азотом, бором, кремнием, хромом и другими элементами. Азотирование (на­сыщение азотом) обеспечивает особо высокую поверхностную твердость, износостойкость и сопротивление заеданиям, а также значительное повыше­ние прочности (особенно при больших общих циклах нагружений), но чув­ствительна к ударным нагрузкам. Зубья шестерен после азотирования в свя­зи с минимальным короблением после этой обработки можно не шлифовать, что способствует применению азотирования для колес с внутренними зубьями и других, для которых шлифование трудно осуществимо. Наибольшее применение этот метод получил для упрочнения поверхностей деталей ма­шин, работающих в условиях трения и знакопеременных нагрузок изгиба (шейки валов, седла клапанов, толкатели двигателей внутреннего сгорания, шестерни, гильзы цилиндров, трущиеся пазы насосов и компрессоров). Так, азотирование рабочих поверхностей втулок грязевых насосов в 4 раза повы­шает их стойкость.

Существуют и другие методы химико-термической обработки деталей: борирование - создающее тонкий слой высокой твердости, цианирование и нитроцементация - насыщение углеродом и азотом, силицирование - насы­щение кремнием для повышения коррозионной стойкости, сульфидирование - насыщение серой для предотвращения задиров и как способ ускорения приработки, сульфоцианирование - для деталей, у которых затруднена смаз­ка. Все эти методы предназначены для повышения срока службы деталей, что замедляет старение машин.

 

5.4. УПРОЧНЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ НАКЛЕПОМ

 

Значительный эффект повышения долговечности деталей, работающих в условиях циклических нагрузок и имеющих концентраторы напряжений, места прессовых посадок, а также работающих в коррозионных средах, дос­тигается за счет поверхностного наклепа, получающегося в результате пла­стической деформации поверхностных слоев деталей. Пластическая дефор­мация металла повышает прочность и твердость поверхностного слоя (наклеп) и, кроме этого, создает в наружных слоях весьма благоприятные для циклических нагрузок остаточные напряжения сжатия (см. рис. 4.6).

Существует много различных видов поверхностного упрочнения (рис. 5.7). Один из самых распространенных видов - дробеструйная обработка - пластическое деформирование поверхностного слоя под действием кинети­ческой энергии потока дроби, создаваемой или воздушной струей (см. рис. 5.7, а), или центробежной силой (см. рис. 5.7, б). Этот метод широко приме­няется для пружин, рессор, зубчатых колес, шатунов, штанг, буровых шаро­шек и др. деталей. Он повышает ресурс пружин и рессор почти в 10 раз, а зубчатых колес - в 5-14 раз.

Ротационно-ударный наклеп шариками (см. рис. 5.7, в) осуществляют с помощью вращающихся оправок-упрочнителей, в профильных канавках которых помещаются шарики, которые имеют возможность после удара об упрочняемую поверхность утапливаться в пределах радиального натяга. Этот вид упрочнения дает очень чистую поверхность и применим для уп­рочнения тонкостенных деталей. Испытания направляющих втулок пневмо-молотков, обработанных центробежно-шариковым методом, показывают, что их износ в 2 раза меньше по сравнению с обработкой развертыванием.

 

Рис. 5.7. Виды поверхностного упрочнения

 

Одним из самых простых методов упрочнения наклепом является обкатывание упрочняемой поверхности роликами и шариками (см. рис. 5.7, г, д), при котором не требуется специального оборудования, а эффект от уп­рочнения весьма значителен. Этот метод широко применяется на многих за­водах. В табл. 5.2 представлены различные схемы упрочнения деталей гор­ных машин, осуществляемые на Уралмаше. Долговечность таких деталей увеличивается в 2-4 раза. Обкатывание роликом поверхностей труб разве­дочного бурения приводит к повышению их стойкости в эксплуатационных условиях в 3 раза по сравнению с трубами, обработанными шлифованием. Разработаны приспособления и режимы упрочнения обкаткой крупных зубь­ев шестерен: так, бортовые шестерни экскаватора ЭКГ-4,6 (m=26 мм) при этом увеличивают долговечность в 3-4 раза, конические шестерни привода конусных дробилок (m=30 мм) - до 10 раз. Горные машины, работающие в тяжелых эксплуатационных условиях под воздействием абразивных сред, требуют иногда глубокого слоя упрочнения, который не может быть получен при рассмотренных выше методах. В этом случае может применяться чеканка обработанной поверхности (см. рис. 5.7, е, ж), при которой глубина упрочнения может достигать 35 мм. Наклеп при этом получается с помощью пневматических молотков или специальных приспособлений, установленных на обычные универсальные станки (токарные, строгальные, фрезерные). Применение чеканки для упрочнения ступенчатых валов обеспечивает равнопрочность их элементов и в 1,5-2 раза повышает несущую способность валов.Таким методом могут упрочняться зубчатые колеса, шлицевые соеди­нения, сварные швы, крупные резьбы. Так, упрочнение резьбы валов конус­ных дробилок позволяет увеличить предел выносливости на 50%, упрочнение корня шпицев полуосей экскаваторов ЭКГ-5 увеличивает долговечность этих деталей в 2 раза.

Таблица 5.2

СХЕМЫ ОБКАТКИ РОЛИКАМИ

Радиус галтели, мм	Способ упрочнения	Схема упрочнения	Упрочняемые детали (примеры)
До 5	Обкатывание роликом без подачи		Валы напорного механизма стрелы экскаватора
До 10	Обкатывание шариком		Валы конусных дробилок 220
До 25	Обкатывание наклонным роликом		Центральные цапфы экскаватора ЭКГ-4,6
50 и более	Обкатывание роликом с подачей по дуге		Беговые дорожки шариковых опор экскаваторов
более 200	Обкатывание роликом с подачей по хорде		Виды конусных дробилок
любой	Чеканка ударником или вибрирующим роликом		Резьбы валов конусных дробилок

В последние годы все большее применение для упрочнения поверхностного слоя находит способ вибрационного обкатывания - виброобкатыва­ние. Этот способ обеспечивает образование на поверхности деталей регу­лярного, управляемого микрорельефа (см. рис. 5.7, г, д). Виброобкатывание при­меняют с целью улучшения таких эксплуатационных характеристик сопря­женных пар, как износостойкость, противозадирные свойства, прочность посадок с натягом, контактная жесткость, гидроплотность, уменьшение дли­тельности приработки, устранение адгезии и схватывания. Виброобкатыва­ние позволяет снизить требования к точности и шероховатости обработан­ных поверхностей, исключить термохимическую обработку, а также приме­нение покрытий, снизить сортность и уменьшить количество подаваемой смазки, заменить дефицитные материалы менее дефицитными. Так, напри­мер, виброобкатывание лопасти ротационного компрессора, изготовленного из стали 9ХТС, повысило износостойкость этой детали в 1,4 раза, исключи­ло случаи схватывания при работе; при виброобкатывании подшипниковой втулки из бронзы ДЦС 5-5-5 износостойкость повысилась в 1,6 раза, и т.п. Недостатком этого метода является ограниченная область его примене­ния: для точных деталей небольшого размера, т.к. глубина наклепа достига­ет всего десятых долей миллиметра.

Вибрационная обработка для отделочных и упрочняющих методов может осуществляться в специальных камерах (рис. 5.8), в барабанах, в ко­торые загружают детали и абразивные наполнители с упрочнителями в виде твердосплавных шаров. Барабану со­общают вибрации в двух или трех на­правлениях. В качестве упрочняемых деталей в барабан могут быть поме­щены пружины, буровые коронки, штанги, соединительные муфты и др. Так, виброупрочнение буровых коро­нок КДП-40 показывает, что эта операция уменьшает удельный расход коронок на один шпурометр на 27 %, а стойкость виброупрочненных коронок возрастает на 23 %.

 

5.5. НАПЛАВКА ИЗНОСОСТОЙКИХ МАТЕРИАЛОВ

 

Твердость и износостойкость рабочих поверхностей деталей, изготовленных из обычных конструкционных металлов, повышают путем наплавки материалов с заданными свойствами. Наплавка производится путем сплав­ления основного металла с наносимым на него слоем другого металла (рабо­чего слоя), толщина которого практически не ограничена. Все применяемые наплавочные материалы можно разделить на 5 групп:

1) стали - углеродистые, марганцевые, хромомарганцевые, хромистые,
хромоникеливые, вольфрамовые и молибденовые;

2) сплавы на основе железа - высокохромистые, вольфрамовые и молибденовые чугуны, сплавы с бором и хромом, с кобальтом и молибденом или вольфрамом;

3) сплавы на основе никеля и кобальта - нихромы и нимоники, сплавы с бором и хромом (колмоной), с молибденом (хастемон), кобальта с хромом и вольфрамом (стелгиты);

4) карбидные псевдосплавы - сплавы с карбидом вольфрама, с карбидом хрома;

5) сплавы на основе меди - алюминиевые и оловянно-фосфористые
бронзы.

Выбор наплавочных материалов производится с учетом работы рабочего ор­гана, характеристики абразивности грунтов, характера изнашивания рабочей поверхности, динамических нагрузок на рабочий орган и экономических показателей.

Марганцевые, хромистые и хромомарганцевые наплавочные материа­лы (Т590, Т620 и др.) обеспечивают повышение долговечности деталей в 2-3 раза. Сплавы второй группы обладают высокой твердостью и износостойко­стью за счет карбидов хрома, вольфрама и молибдена, их обычно называют твердыми сплавами (сормайтом У35Х28Н4С4). В последние годы получают все большее распространение дисперсионно-твердеющие сплавы, представ­ляющие собой чаще всего композиции на основе железа, кобальта, вольфра­ма или молибдена. Преимуществом этих сплавов является возможность ме­ханической обработки, поскольку непосредственно после наплавки твер­дость невысокая - НRс 30-35. Высокую твердость - до НRс 65-70 - эти спла­вы приобретают после термообработки, в результате чего происходит распад пересыщенного твердого раствора и выделение из него упрочняющей фазы.Примером такого сплава является сплав К30М18ТСН. Из сплавов третьей группы чаше применяются стеллиты - кобальтовые сплавы (В2К, ВЗК и др.), которые обладают высокой износостойкостью, жаропрочностью, коррозион­ной стойкостью, повышенной вязкостью. Применяются для наплавки наиболее ответственных деталей. Износостойкость деталей, наплавленных этими материалами, повышается в 2-10 раз.

Широкое применение для повышения долговечности деталей, контактирующих в процессе работы с абразивной средой, нашли материалы чет­вертой группы с большим содержанием карбидов вольфрама и феррохрома: ПС-4 (40 % сормайта+60 % феррохрома); ПС-5 (40 % сормайта, 58 % ферро­хрома, 2 % ферротитана). Износостойкость деталей при этом методе повы­шается на порядок (в 10-12 раз).

Наплавочные работы могут вестись различными способами в зависимости от места выполнения работ, серийности наплавки деталей, геометри­ческой формы наплавленной поверхности, производительности способа и т.д. Основными разновидностями наплавки являются электродуговая (руч­наяи автоматическая), электрошлаковая, газопламенная, индукционная и др.

Ручная электродуговая наплавка - наиболее простая, обеспечивает нанесение практически всех видов износостойких наплавочных материалов, но не всегда обеспечивает высокое качество и имеет низкую производитель­ность (см. табл. 5.3). Перспективной является механизированная наплавка под слоем флюса, обеспечивающая высокую производительность наплавки, экономичность и стабильность наплавленного слоя.

Широкое применение имеет механизированная наплавка в среде защитных газов, которая дает высокое качество наплавки при удовлетвори­тельной производительности (табл. 5.3).

Ручная наплавка ацетилено-кислородным пламенем наиболее рациональна при использовании трубчатых электродов с релитом (ТЗ-2, ТЗ-3) и литых прутков твердого сплава (стеллиты и др.). Ниже дается табл. 5.3 для сравнения различных способов наплавки по их производительности.

Выбор марки материала и метода упрочнения определяется условиями работы детали в эксплуатации, а также особенностями ее изготовления в ус­ловиях производства. Выбранный способ упрочнения должен обеспечивать выполнение технических условий на изготовление детали. На выбор того или иного метода оказывают влияние также технико-экономические показа­тели, которые определяются стоимостью упрочнения и степенью повышения долговечности детали и всей машины. Большое количество разработанных методов, а также многообразие факторов, влияющих на выбор оптимального способа упрочнения, часто не позволяет однозначно решить эту задачу.

Таблица 5.3

СПОСОБЫ НАПЛАВКИ ТВЕРДЫМИ СПЛАВАМИ

Способ наплавки	Производи­тельность, кг/ч	Преимущества
Ручная электродуговая	0,8-3	Простота метода, наплавка любых профилей
Автоматическая под флюсом	2-15	Высокое качество наплавки
Многоэлектродная электрошлаковая	15-25	Высокая производительность при наплавке больших толщин
Плавящимся электро­дом в углекислом газе	1,5-8	Наплавка боковых и внутренних поверхностей
Газопламенная	До 1,5	Наплавка сложных конфигураций в труднодоступных местах
Вибродуговая	1,2-2,8	Наплавка малых толщин слоя
Индукционная	1-20	Высокая производительность и качество
Плазменная	До 27	Наплавка тугоплавких материалов

 

В табл. 5.4 в соответствии с условием работы быстроизнашивающихся деталей приведены некоторые рекомендации с указанием конкретных при­меров из практики упрочнения.

Таблица 5.4

РЕКОМЕНДУЕМЫЕ УСЛОВИЯ УПРОЧНЕНИЯ

 

Назначение наплавки или условия работы детали	Материал электрода	Способ наплавки	Область применения
Абразивное из­нашивание при слабом ударном воздействии	ПП-У15Х12М-О ПП-У25Х17Т-О	Механизирован­ная электродуго­вая	Детали грязевых и торфяных насосов. Зубья и стенки ков­шей экскаваторов
	Сталинит, БХ, КБХ	Угольной дугой
Абразивное изнашивание, умеренные удары	Сормайт, сплавы ПС-4, ПС-5	Индукционная	Рабочие органы почвообрабатываю­щих машин
	ПП-Х12ВФ	Электродуговая под слоем флюса	Шарошки буровых долот. Зубья и стен­ки ковшей экскава­тора. Щеки дробилок, ножи скреперов
Абразивное изнашивание в условиях больших ударных нагрузок и высоких удельных давлений	ПП-У50Х25ГВТ ПП-У15Х12М-О ПП-13Н4 ПП-У25Х17Т-О	Механизирован­ная электродуго­вая под флюсом и в среде защитных газов	Долота ударного бурения, брони шаровых мельниц, мо­лотки молотковых дробилок, зубья ковшей экскаваторов и врубовых машин
	ОЗН-400 ТТ-540	Ручная электродуговая	Черпаки драг, козырьки ковшей землечерпалок
	Релит	Трубчатым электродом	Буровой инструмент
Восстановление размеров дета­лей, не требую­щих высокой износостойкости	65Т, Св-08А, Св-10Т2, Св-10ХМ, СВ-18ХГСА, НП-40	Вибродуговая	Валы, оси, фланцы, штоки, шпиндели, толкатели клапанов
	НП-50ХФА	Вибродуговая	Шлицевые валы, муфты

 

5.6. ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ

 

В процессе эксплуатации горных машин многие детали, работая в агрессивных средах, разрушаются вследствие коррозионных процессов. Для защиты таких деталей от коррозии применяются металлические покрытия и лакокрасочные покрытия. Лакокрасочные покрытия более универсальны, дешевы и более технологичны, поэтому из общего объема покрытий 65-80 % - это покрытия лаками и красками.

Металлические покрытия от коррозии совмещают с нанесением износостойкого слоя (хромирование, никелирование, борирование), который на­носят на поверхность детали гальваническим методом путем осаждения ме­таллов из водных растворов их солей под действием постоянного электриче­ского тока (U=6-12V, I=250-500А). Нанесенный слой имеет толщину от не­скольких микрометров (при защите только от коррозии) до 0,5мм при со­вмещении с износостойким покрытием. При нанесении, например, слоя хрома 30-50 мкм на шейки валов и осей их износостойкость повышается в 5 раз, при нанесении слоя бора толщиной 0,2-0,4 мм на рабочие поверхности втулок грязевого насоса позволяет увеличить их долговечность в 4 раза по сравнению со втулками, закаленными токами высокой частоты.

Покрытие деталей лакокрасочными материалами - широко распространенное технологическое средство защиты металлов от коррозионного разрушения. Чтобы надежно предохранить поверхность металла от воздей­ствия атмосферного воздуха и агрессивных сред, лакокрасочные покрытия должны обладать комплексом различных свойств: «сплошностью» пленки, хорошей сцепляемостью с металлом, механической прочностью, сопротив­лением истиранию, стойкостью к изменению температур и воздействию сол­нечной радиации. Чтобы правильно удовлетворить этим требованиям и обеспечить высокую долговечность защищаемых деталей машин, необходи­мо правильно выбрать лакокрасочное покрытие и технологию его нанесения. Выбор лакокрасочного покрытия производят исходя из условий эксплуата­ции и свойств материала детали. Для обеспечения надежной защиты горных машин, работающих в атмосферных условиях, применяют защитно-декоративные перхлорвиниловые эмали ХВ-124, ХВ-113, пентафталевую эмаль ПФ-115, меламиноалкидную эмаль МЛ-113, МЛ-11 и другие, которые наносят после грунтовки и шпатлевки деталей. Для защиты деталей, под­верженных влиянию агрессивных сред, применяют химически стойкие эма­ли, которые способны длительное время не разрушаться при контакте с раз­личными химически активными жидкостями и препятствуют проникнове­нию их к поверхности деталей. К таким покрытиям относятся лаки ХСЛ-3, ХС-76, КФ-252, эмали ЭП-255, ПХВ и др.

Лакокрасочные материалы могут наноситься различными методами: кистью, пульверизацией, окунанием, струйным обливом, распылением в электростатическом поле, безвоздушным распылением. Сушка после окра­ски может производиться естественным способом, искусственным (горячим воздухом), конвекционным, инфракрасными лучами и даже токами высокой частоты.

 

5.7. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ИЗГОТОВЛЕНИЯ

 

Долговечность любой машины зависит не только от конструктивных решений, заложенных в проект, но в значительной степени (40-45 %) от ка­чества использованного материала, качества изготовления детали, качества сборки машины. И поэтому качество определяется соответствующими тех­ническими и технологическими документами: сертификатом на металл, до­пусками на размеры, показателями качества поверхностного слоя, требова­ниями к сборке узлов и всей машины и т.п., в зависимости от выполнения всех этих требований и будет меняться долговечность отдельных деталей и всей машины. Соответствие всех деталей и собранной машины норматив­ным документам и требованиям определяется соответствующими методами контроля и подтверждается документами.

При изготовлении, модернизации, ремонтах горных машин существу­ют следующие виды технического контроля:

- входной контроль поступающих на предприятие от предприятий-поставщиков сырья, материалов, комплектующих элементов и приборов;

- операционный контроль заготовок, деталей, сборочных единиц и других видов изготовляемой продукции после завершения одной или нескольких промежуточных технологических операций;

- приемочный контроль готовых машин, который может сопровождаться испытанием машин перед эксплуатацией.

Все эти виды технического контроля носят явно выраженный профилактический характер: они ставят своей конечной целью своевременно обнаруживать, не допускать до сборки детали с дефектами, а собранные машины с отклонениями от технических условий - не допускать к эксплуатации. По результатам технического контроля могут быть приняты решения, корректи­рующие технологический процесс, не допуская в дальнейшем таких дефек­тов.

В зависимости от возможности обнаружения дефекты делятся на яв­ные и скрытые. Явные - могут быть обнаружены существующими методами, и для них контрольной документацией предусматриваются соответствующие правила, методы и средства. Но возможно наличие в деталях дефектов, для выявления которых предусмотренных контрольной документацией средств недостаточно - дефекты остаются скрытыми. Условно скрытыми можно назвать и дефекты, которые не выявлены, а могли бы быть выявлены сущест­вующими средствами (при не 100 % - ном, а выборочном контроле).

Скрытые дефекты могут резко снижать качество машин, так как ма­шина состоит из тысяч деталей, и если из них лишь 1 % деталей окажется с дефектами, это приведет к увеличению вероятности отказа машины на один порядок. Влияние скрытых дефектов на качество выпускаемых изделий можно показать на примере буровых коронок.

Перфораторные коронки состоят из двух деталей - корпуса и пластин­ки твердого сплава, припаянных к корпусу. На завод - изготовитель бурового инструмента одно время пошли рекламации: в работе быстро разрушается твердый сплав. Стали разбираться: причиной может быть плохой твердый сплав или плохая технология изготовления, при которой можно испортить твердый сплав (пайкой, заточкой). Проверили технологию - все в порядке. Стали проверять твердый сплав: по ГОСТ он должен иметь определенную твердость, удельный вес, предел прочности на разрыв и определенную мик­роструктуру. С твердостью и удельным весом - все в порядке, а вот проч­ность и структура не соответствуют ГОСТ. Пришлось на всех заводах-изго­товителях буровых коронок внедрять входной контроль пластинок твердого сплава, поставляемых на завод-изготовитель. Оказалось, что недостаток в изготовлении твердого сплава не обеспечивал необходимую микрострукту­ру, что в свою очередь резко снижало прочность пластин твердого сплава (вместо s_в>130 в партиях были пластины с s_в=90-100). Входной контроль помог обнаруживать и возвращать дефектные партии твердого сплава, через некоторое время после упорядочения технологии на заводе-изготовителе твердого сплава буровой инструмент приобрел необходимое качество.

Контрольные операции весьма трудоемки, требуют дорогого и точного оснащения, высокой квалификации контролеров, поэтому необходимо вне­дрять активные методы контроля, которые совмещают контроль с изготов­лением детали, и статистические методы контроля, которые дают возмож­ность исключить случаи появления дефектов при изготовлении.

Активный контроль, при котором по результатам проверки параметров качества дается команда на подналадку оборудования, изменение режимов его работы, сортировку бракованной детали или приостановку технологиче­ского процесса, дает гарантию обеспечения точности и стабильности технологического процесса. Средства активного контроля могут иметь различную степень развития - от использования визуальных сигналов для подналадки оборудования до самонастраивающихся систем.

Одной из важных задач, которую необходимо решить при организации контроля продукции, является выбор метода контроля - сплошной или выборочный контроль продукции. Сплошной контроль в большей степени гарантирует выпуск бездефектной продукции, однако он не всегда экономи­чески оправдан (а иногда и невозможен: для того, чтобы определить s_в пластинки твердого сплава нужно ее сломать). В этом случае применяют стати­стические методы контроля качества продукции. Суждение о годности изде­лия осуществляется по альтернативному или количественным признакам. При контроле по альтернативному признаку все изделия в выборке разбива­ются на две категории - годные и негодные (дефектные). Оценка партии производится по величине доли дефектных изделий от общего числа прове­ренных. При контроле изделий по количественному признаку у каждого из­делия определяется один или несколько параметров и оценка партии изде­лий производится по статистическим характеристикам распределения этих параметров, поскольку каждое значение параметра является случайной ве­личиной.

Оценка уровня качества изготовленных деталей - необходимый, но недостаточный вид статистического контроля для обеспечения высокой стабильности технологического процесса. Возможность получения дефектных деталей (пусть даже в допустимом минимальном количестве) является след­ствием того, что статистическими методами анализируется результат данно­го технологического процесса - полученное качество деталей, а не характе­ристики самого процесса, которые определяют это качество.

Статистические методы контроля параметров технологического про­цесса позволяют следить за изменением его и принимать меры по предот­вращению дефектов. Для статистической оценки точности и стабильности технологических процессов обработки деталей стандартами предусмотрены показатели:

коэффициент точности

коэффициент стабильности

где D=х_д-х_н - величина отклонения действительного значения параметра х_дот номинального х_н, а D_н - поле допуска на изготовление рассматриваемого параметра.

Зная эти коэффициенты, по разработанным таблицам находят вероятный процент брака q, свойственный данному процессу. Полученное значение q не должно превышать допустимых значений для конкретной продукции или данного показателя качества, подлежащего статистическому регулированию.

В готовой машине могут оказаться технологические дефекты, которые относятся к недопустимым, но либо пропущены из-за несовершенства мето­дов контроля, либо вообще не регламентированы. Это может привести к тя­желым последствиям при эксплуатации машины вплоть до возникновения аварийных ситуаций. Для предотвращения тяжелых последствий отказов, связанных с технологическими дефектами, необходимо иметь средства для обнаружения дефектов. Для этого применяется широкий диапазон как разрушающих, так и неразрушающих методов контроля. Разрушающие методы контроля, такие, как испытание механических свойств, являются выбороч­ными и не позволяют отделить в партии годные детали от дефектных. Неразрушающие методы контроля позволяют осуществить сплошную проверку ответственных изделий и полностью гарантировать их бездефектность. Эти методы называются дефектоскопией и базируются на применении различ­ных физических методов, позволяющих обнаруживать и оценивать внутрен­ние и поверхностные дефекты. В табл. 5.5 представлены методы, применяе­мые для дефектоскопии, и область их применения.

Применение того или иного метода, например, для отливок или свар­ных ответственных деталей, позволяет предупредить появление внезапных отказов от внутренних даже мелких дефектов.

Грубые ошибки технологического процесса и соответственно значительные дефекты, как правило, проявляются при обкатке или контрольных испытаниях машины и могут быть устранены в среде производства. Поэтому испытание машин с точки зрения их соответствия технологическим услови­ям и проверки всех основных параметров машины является заключительным этапом ее изготовления. Испытание делится на две стадии:

1) механическое испытание (обкатка) - производится для проверки правильности взаимодействия частей и приработки трущихся поверхностей дета­
лей;

2) испытание под нагрузкой - производится в соответствии с техническими
условиями, как правило, на режимах и в условиях, соответствующих эксплуатационным.

Испытания проводят на специальных стендах. Испытываются или отдельные функциональные самостоятельные единицы и составные части (пневмоударник, буровые коронки, гидродвигатели, гидростойки механизи­рованных крепей, насосы и т.п.), или машина в сборе (шахтные вентилято­ры, карьерные экскаваторы, погрузочные машины, проходческие и очистные комбайны и т.д.).

При испытаниях под нагрузкой оцениваются: степень шума, вибрации и нагрев движущихся частей, наличие утечки масла, рабочие характеристики машин, указанные в ее паспорте. Испытания под нагрузкой должны воспро­извести реальный спектр по мощности и усилию, которое испытывает дан­ное оборудование в процессе использования по назначению. В случае обна­ружения во время испытаний каких-либо дефектов они устраняются, после чего проводится повторное испытание. Результаты испытания вносятся в паспорт (формуляр) на машину.

В случае отсутствия стенда для громоздких объектов (шагающий экс­каватор и др.) испытание может быть проведено в местах эксплуатации ма­шин.

 

Таблица 5.5

---

Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 335; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!