Методы повышения качества поверхностного слоя деталей

Качество поверхности повышают различными методами, к кото-рым относятся методы упрочнения и отделочная обработка. Их ос-новной задачей является обеспечение заданного качества поверхно-

стного слоя, которое характеризуется его физико-механическими свойствами и микрогеометрией.

Методы упрочнения

Известно, что состояние поверхностного слоя валов и других де-талей оказывает существенное влияние на эксплуатационные свойства машин. Специальной обработкой можно придать поверхностным слоям деталей машин особые физико-механические свойства. Для этой цели в машиностроении применяют ряд методов. Все эти методы могут быть классифицированы следующим образом:

— методы поверхностной термической обработки (обычная за-калка, закалка токами высокой частоты);

— химико-термические методы (цементация, азотирование, цианирование);

— диффузионная металлизация (диффузионное алитирование, хромирование, силицирование и др.);

— покрытие поверхностей твердыми сплавами и металлами (по-крытие литыми и порошкообразными сплавами);

— металлизация поверхностей (распылением расплавленным металлом);

— поверхностно-пластическое деформирование.

Закалка поверхностная — нагревание электротоком или газовым пламенем поверхности изделия. Сердцевина изделия после охлаждения остается незакаленной. Закалкой получается твердая износоустойчивая поверхность при сохранении прочной и вязкой сердцевины. Кроме того, поверхностная закалка может осуществляться с помощью лазерного луча.

Цементация— насыщение поверхностного слоя стали углеродом при нагревании ее в твердом, газообразном или жидком карбюриза-торе, выдержка и последующее охлаждение. Детали после цемента-ции подвергаются закалке для достижения высокой твердости по-верхностного слоя и сохранения пластичной сердцевины.

Азотирование— насыщение поверхностного слоя стали азотом при нагревании в газообразном аммиаке (температура не ниже 450° С), выдержка при этой температуре и последующее охлаждение. Повышается твердость, износоустойчивость и антикоррозийные свойства.

Цианирование— одновременное насыщение поверхностного слоя стали углеродом и азотом. При этом повышаются твердость, из-носостойкость. Для придания стали специальных физических и химических свойств (жаростойкости, антикоррозийных свойств и др.) применяют диффузионную металлизацию. Она заключается в нагревании стальной поверхности, контактирующей с металлосодержащей средой, до высокой температуры, насыщении поверхности алюминием (алитирование), хромом (диффузионное хромирование), кремнием (силицирование) и другими металлами, выдержке и последующем охлаждении.

Покрытие поверхностейтвердыми сплавами и металлами, а также металлизацию (напыление) применяют для повышения износостой-кости поверхностей.

При использовании в качестве присадочного материала порошков возможны следующие методы напыления: плазменное напыление, с применением лазеров, и др.

Поверхностно-пластическое деформирование (ППД)— один из наиболее простых и эффективных технологических путей повыше-ния работоспособности и надежности изделий машиностроения. В результате ППД повышаются твердость и прочность поверхностного слоя, формируются благоприятные остаточные напряжения, уменьшается параметр шероховатости Ra, увеличиваются радиусы закругления вершин, относительная опорная длина профиля и т. п.

Формирование поверхностного слоя с заданными свойствами должно обеспечиваться технологией упрочнения.

Основные способы поверхностного пластического деформирова-ния, достигаемая точность и шероховатость поверхностей показаны в табл. 1.2.

Наиболее широко применяют способы обкатывания и раскатыва-ния шариковыми и роликовыми обкатниками наружных и внутрен-них цилиндрических, плоских и фасонных поверхностей. Цилиндрические наружные, внутренние, фасонные поверхности обрабатываются, как правило, на токарных, револьверных, сверлильных и других станках; плоские поверхности — на строгальных, фрезерных станках. Примеры обкатывания и раскатывания поверхностей роликами приведены на рис. 1.21. Обычно этими способами обрабатывают достаточно жесткие заготовки из стали, чугуна и цветных сплавов.

Качество обрабатываемой поверхности при обкатывании роликами и шариками в значительной степени зависит от режимов дефор-мирования: силы обкатывания (или давления на ролик и шарик), подачи, скорости, числа рабочих ходов и применяемой смазочно-охлаждающей жидкости. До обкатывания и раскатывания заго-товки обрабатывают точением, шлифованием и другими

способами, обеспечивающими точность по 7...9 квалитетам и Ra < 1,6...0,2 мкм.

Рис. 1.21. Схемы обработки роликом:

а-наружных и внутренних цилиндрических поверхностей; б -плоских поверхностей; в — фасонных поверхностей

Р и с. 1.22. Схемы дорнования отверстий: а-однозубым дорном; б - многозубым дорном; в-многозубым составным дорном

Припуск на обработку обычно рекомендуется выбирать равным 0,005...0,02 мм.

Пластическое поверхностное деформирование может быть отде-лочно-упрочняющей операцией (уменьшает шероховатость поверх-ности и упрочняет поверхностный слой), отделочно-упрочняющей и калибрующей операцией (кроме сказанного выше, повышает точ-ность обработки); отделочно-калибрующей операцией (упрочнения не происходит).

Внутренние цилиндрические поверхности, кроме рассмотренных операций раскатывания, пластически деформируют путем прошивания и протягивания выглаживающими прошивками и протяжками (дорнование) и шариками. Схемы обработки отверстий дорнованием приведены на рис. 1.22.

Этими способами можно упрочнять, калибровать фасонные по-верхности (шлицы, отверстия). Точность обработки поверхностей повышается на 30...60 %, шероховатость обработанных внутренних поверхностей уменьшается. При обработке отверстий обязательным является применение смазочно-охлаждающих жидкостей. Дорнование осуществляют на протяжных станках и прессах.

Наряду с изложенными выше способами широко применяют центробежное (инерционное) упрочнение. При этом используется цен-тробежная сила шариков (роликов), свободно сидящих в радиальных отверстиях быстровра-щающегося диска. Схема центробежной обра-ботки поверхности шариками показана на рис. 1.23.

Шарики 2 при вращении диска 3 смещаются в радиальном направлении на величину h = (R₁- R), нанося многочисленные удары по заготовке 1 и пластически деформируя поверхность. Для получения поверхностей с минимальным параметром шероховатости и упрочненным слоем небольшой глубины применяют алмазное выглаживание. Процесс аналогичен обкатыванию, но инструментом служит кристалл алмаза, находящийся в специальной державке.

К методам пластического деформирования, упрочняющим по-верхности деталей, кроме указанных в табл. 1.2, относятся: обработка дробью, гидровиброударная обработка; электромагнитное, ультразвуковое упрочнение и др.

Отделочная обработка

На этапе отделочной обработки обеспечиваются повышенные требования к шероховатости поверхности. При этом могут повы-шаться в небольшой степени точность размеров и формы обрабаты-ваемых поверхностей. К методам отделочной обработки относятся доводка, притирка, суперфиниширование, полирование и пр.

Абразивная доводка является окончательным методом обработки заготовок деталей типа тел вращения, обеспечивающим малые отклонения размеров, отклонение формы обрабатываемых поверхностей и Ra = 0,16...0,01 мкм. Этот метод характеризуется одновременным протеканием механических, химических и физико-химических процессов. Доводку выполняют с помощью ручных притиров или на специальных доводочных станках (рис. 1.24).

В единичном производстве, при ремонте притирку производят на токарном станке притиром в виде втулки, сделанной по размеру притираемой детали, с одной стороны втулка разрезана (рис. 1.24, а).

Втулку смазывают доводочной пастой или тонким слоем мелкого корундового порошка. Деталь при доводке смазывают жидким ма-шинным маслом или керосином. Припуск на доводку составляет

5...20 мкм на диаметр. Скорость вра-щения заготовки V_заг= 10...20м/мин. В крупносерийном и массовом производстве процесс механизиро-ван и иногда называется лаппинго-вание.

Притирка осуществляется между двумя чугунными (свинцовыми, медными) притирами (рис. 1.24, б).

Диски вращаются в разные сто-роны. Детали закладываются в сепа-ратор, закрепленный на кривошипе. Достижимая точность процесса IT15, Ra = 0,05...0,025 мкм.

Суперфиниширование— отделоч-ная обработка различных поверхно-стей деталей, в том числе цилиндри-ческих, абразивными брусками (рис. 1.25).

В результате суперфиниширования шероховатость поверхности снижается до Ra = 0,1...0,016 мкм, увеличивается относительная опор-ная длина профиля поверхности с 20 до 90 %. Существенного изменения размеров и макрогеометрии поверхности не наблюдается. Обработка

производится мелкозернистыми (зернистость не ниже 320) брусками с добавлением смазочного вещества (смесь керосина с маслом) при небольшой скорости (до 2,5 м/с) и с весьма малыми давлениями инструмента на поверхность детали (0,1...0,3 МПа — для заготовок деталей из стали; 0,1...0,2 МПа —для заготовок деталей из чугуна и 0,05...0,1 МПа —для заготовок деталей из цветных металлов).

В простейших схемах обработки на различных станках общего на-значения осуществляются следующие движения: вращение заготовки (окружная скорость 0,05...2,5 м/с); возвратно-поступательное движение (колебание инструмента или заготовки — ход 2...6 мм, число двойных ходов 200... 1000 в 1 мин); перемещение инструмента вдоль поверхности заготовки. Толщина снимаемого слоя металла 0,005...0,02 мм.

Рис. 1.25. Схема суперфиниширования

Полированиепредназначено для уменьшения параметров шеро-ховатости поверхности без устранения отклонений размеров и фор-мы деталей. При окончательном полировании достигается (при ма-лых давлениях резания 0,03...0,2 МПа) параметр шероховатости Ra = 0,1...0,01 мкм. Абразивными инструментами являются эластич-ные круги (войлок, ткань, кожа и т. п.), покрытые полировальными пастами, шлифовальные шкурки и свободные абразивы (обработка мелких заготовок в барабанах и виброконтейнерах). В качестве абразивных материалов применяют электрокорунд, карбиды кремния, бора, окись хрома, железа, алюминия, пасты ГОИ, алмазные и эльборовые шкурки и др.

Более подробные характеристики, типы и области применения абразивных инструментов и шлифовальных материалов приведены в соответствующих справочниках.

6.1.5. Обработка на валах элементов типовых сопряжений

Кроме цилиндрических и конических поверхностей вращения валы обычно содержат также и другие элементы, к которым относятся шпоночные пазы, шлицевые и резьбовые поверхности и т. п. (см. рис. 1.1).

Для передачи крутящего момента деталям, сопряженным с валом, широко применяют шпоночные и шлицевые соединения.