Фрикционная обработка металла это

Упрочнение направляющих методом фрикционной обработки

Не будет преувеличением сказать, что основная причина выхода из строя машин и механизмов — разрушение рабочих поверхностей на трущихся деталях. В частности, долговечность металлорежущих станков напрямую зависит от износостойкости его направляющих. Повысить долговечность базовых деталей можно, создав на их рабочих поверхностях упрочненные слои или покрытия. Причем, упрочнение тонкого поверхностного слоя массивной детали для технологий машиностроения более предпочтительно — оно позволяет экономить дорогостоящие легированные стали и сплавы.

Однако, далеко не все существующие на сегодня методы упрочнения удобны для применения. В большинстве своем они трудоемки, сложны, дороги, требуют сложного оборудования и оснащения. К тому же, не все пригодны для восстановительных работ при среднем и капитальном ремонтах.

Повысить долговечность чугунных направляющих станков и в то же время избежать указанных недостатков можно, используя методы поверхностного упрочнения с использованием высококонцентрированных источников энергии. К таким методам с полным основанием можно отнести фрикционное упрочнение.

При фрикционном упрочнении поток энергии создается за счет высокоскоростного трения упрочняющего инструмента-диска по обрабатываемой детали. При этом одновременно происходит скоростное смещающее деформирование. Скорость нагрева достигает 105 — 106 К/с. За короткое время поверхностные слои металла нагреваются до температур выше точки фазовых превращений (Ас3). Т. к. толщина нагретого слоя невелика, то его охлаждение происходит с высокими скоростями за счет отвода тепла в глубину металла. Такое охлаждение приблизи­тельно в 10 3 раз быстрее, чем при обыч­ном закаливании. При этом в поверхност­ном слое деталей машин формируется специфическое структурно-напряженное состояние металла — белый слой. Струк­тура белого слоя представляет собой вы­сокодисперсные мартенсит и карбиды, а также остаточный аустенит.

Метод фрикционной обработки был положен в основу техпроцесса упрочне­ния направляющих станин фрезерных станков. Для реализации процесса ис­пользовали продольно-шлифовальный станок модели 3510. Для достижения необходимой скорости выполнили модернизацию узла главного привода станка.

Упрочняющий инструмент-диск изготовили из углеродистой стали 45 в состоянии поставки. Диаметр инструмента-диска был таким же, как и абразивного круга, который используется на данном шлифовальном станке, и составлял 400 мм. Для нормальной работы инструмента-диска при поперечной подаче и улучшения качества упрочненной поверхности кромки диска закруглили радиусом 3-5 мм. Общая ширина инструмента-диска составляла 20-25 мм, ширина рабочей части — 14-16 мм. Инструмент-диск устанавливали на шпиндель основной головки модернизированного продольно-шлифовального станка и закрепляли так же, как и абразивный круг. Шероховатость рабочей поверхности инструмента-диска после доводки составляла Ra 0,16-0,28, радиальное биение не превышало 0,02 мм.

Перед упрочнением направляющие станины шлифовали по заводской технологии, соблюдая все размеры в соответствии с техническими требованиями с припуском под фрикционное упрочнение. Величина припуска составляла 0,04-0,06 мм. Фрикционное упрочнение проводили так же, как и плоское шлифование, за один проход при подаче в зону обработки поверхностно-активной полимеросодержащей смазочно-охлаждающей жидкости МХ0-64а. Наиболее качественный упрочненный слой при обработке серого чугуна получен при скорости упрочнения 60-65 м/с.

Проверка геометрических параметров и качества упрочнения направляющих показала, что глубина упрочненного слоя . = 100-200 мкм. Твердость упрочненной поверхности, определенная переносным прибором марки ТШП-4 методом Бринеля, составила НВ 200-210 против НВ 160-170 до упрочнения. Микротвердость белого слоя — Н. = 6,6-6,8 Гпа при Н. =1,8-2 Гпа основной структуры.

Отклонения от плоскостности не превысило 0,01 мм. Шероховатость упрочненной поверхности — Ra 0,42-0,59. Точность и производительность фрикционного упрочнения аналогична шлифовальным операциям.

Проведенные стендовые испытания подтвердили достоверность результатов, полученных при лабораторных испытаниях. Таким образом, фрикционное упрочнение является эффективным технологическим методом повышения износостойкости направляющих базовых деталей металлорежущих станков. Так, величина износа направляющих станин фрезерных станков модели 6520-ФЗ после фрикционного упрочнения уменьшилась в 2,5-3 раза по сравнению со станинами, изготовленными по заводской технологии. Следует отметить, что величина износа шлифованных направляющих стола, которые работали в паре с упрочненными направляющими станин, уменьшилась почти в столько же раз.

Читайте также:  Необратимое свертывание белка под действием тяжелых металлов кислот при нагревании

Таким образом, для повышения износостойкости базовых деталей металлорежущих станков достаточно упрочнить лишь одну из деталей пары трения, более технологичную (станину), другая (стол) должна быть только шлифованной. При упрочнении обеих деталей пары трения эффект упрочнения нивелируется, а в некоторых случаях могут быть получены негативные результаты.

Журнал «Мир техники и технологий», 06/2002

Источник

Способ фрикционной обработки стальных изделий

Использование: область фрикционно-механического нанесения покрытий на поверхность стального изделия. Сущность изобретения: легирующий состав вносят в зону обработки с помощью прутка, выполненного из материала на основе меди, колеблющегося с частотой 18 — 20 кгц и амплитудой 50 — 70 мкм, а сам пруток прикреплен к волноводу, который соединен с магнитострикционным ультразвуковым вибратором. Легирующий состав вносится с частотой 18 — 20 кГц и амплитудой 50 — 70 мкм под давлением 20-30 кгс/мм 2 при перемещении зоны обработки по поверхности катания рельсов со скоростью от 1,0 до 1,5 м/с. 1 ил.

Изобретение относится к области фрикционно-механического нанесения покрытий на поверхность стальных изделий и может быть использовано для повышения износостойких и эксплуатационных характеристик стальных изделий, преимущественно железнодорожных рельсов.

Известен способ уменьшения износа рельсов с помощью лубрикации, основанный на смазывании поверхности катания специальными материалами [I] .

Лубрикация поверхности рельсов осуществляется с помощью нанесения смазывающего материала на гребень колесной пары головного локомотива и последующим распределением и переносом смазки вращающимися колесами на катающую поверхность рельсов по всей длине движущегося поезда.

Однако в известном способе происходит резкое увеличение поперечных сил, что усложняет вождение поездов. Как правило, лубрикирование поверхности приводит к преждевременному расстройству пути, возрастанию опасности боксования. Кроме этого, смазка поверхности катания ухудшает дефектоскопирование пути.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является способ обработки стальных изделий путем обеспечения контакта латунного прутка с поверхностью вращающейся стальной детали [II] , который осуществляется следующим образом.

На стальную деталь, вращающуюся со скоростью 0,15. . . 0,2 м/с, осуществляют контактное воздействие присадочного латунного прутка с продольной подачей 0,1. . . 0,2 мм за один оборот с числом проходов 1. . . 2.

При этом происходит процесс фрикционного латунирования благодаря переносу тонкого слоя латуни на поверхность стальной детали за счет механического трения. В результате трения о пруток стальная деталь покрывается тонким слоем латуни, имеющим повышенную долговечность и улучшенные противозадирочные свойства.

Фрикционному латунированию подвергают, как правило, цилиндрические детали: поршни, оси, втулки, пальцы, болты и т. п. При этом вначале обрабатываемую поверхность обезжиривают в бензине марки Б-70, а затем зачищают тонкой шкуркой для удаления окисных пленок. Причем натирание прутком из латуни ведут с одновременным смазыванием детали глицерином, который наносят на поверхность кисточкой, что придает ей антиокислительные и пластификаторные свойства. Способ позволяет применять обработанные детали с нанесенным латунным покрытием в различных закрытых узлах, работающих в условиях действия однообразных, монотонных нагрузок, сопровождающихся равномерным трением.

Однако известный способ отличается длительностью процесса, что приводит к большим затратам энергии, низкой производительности работы оборудования. При этом способ сопровождается обязательной обработкой поверхности, требующей тщательной зачистки окисленного слоя и последующей смазки, что усложняет процесс.

В известном способе необходимо соблюдать строгую перпендикулярность между инструментом и деталью из-за частых заеданий, что увеличивает количество остановок для настройки инструмента.

Кроме того, в известном способе при увеличении скорости обработки возникают дополнительные вибрации от вращения, что ограничивает скоростной режим латунирования.

В известном способе имеют место несплошности обработки от неравномерного нанесения слоя латуни на обрабатываемую поверхность, что приводит к неравномерному износу эксплуатируемой детали, увеличению продолжительности стадии приработки. Кроме того, наблюдается вырывание частиц металла с обрабатываемой поверхности, что приводит к появлению поверхностных дефектов. Таких дефектов, как поры, рванины, которые оказывают существенное влияние на износостойкость поверхности эксплуатируемой детали.

Читайте также:  Чем клеить абс пластик к металлу

В известном способе обработки от действия нагрузки в поверхностных слоях детали возникают растягивающие напряжения, вызывающие развитие поверхностных дефектов, отслаивание латунного слоя.

Целью изобретения является повышение износостойкости.

Поставленная цель достигается тем, что в способе фрикционной обработки стальных изделий, преимущественно головок железнодорожных рельсов, включающем натирание поверхности латунным прутком, последнее согласно изобретению осуществляют поступательным перемещением прутка под углом к поверхности со скоростью 1,0-1,5 м/с под давлением 20-30 кгс/мм 2 с одновременным наложением ультразвуковых колебаний частотой 18-20 кГц и амплитудой 50-70 мкм.

При контакте прутка, выполненного из сплава на основе меди (например, латуни), с обрабатываемой поверхностью стального изделия с указанными параметрами происходит пластическое микродеформирование обрабатываемой поверхности с одновременным локальным разогревом в зоне контакта, в результате чего осуществляется внедрение легирующих элементов прутка в поверхность катания. Дополнительное наложение ультразвуковых колебаний на пруток при указанных параметрах обеспечивает сокращение времени насыщения легирующими элементами обрабатываемой поверхности за счет резкого увеличения энергии отрыва частиц с поверхности прутка и внедрения их в обрабатываемую поверхность. Кроме того, одновременно происходит разрушение окисной пленки с созданием благоприятных сжимающих напряжений в зоне контакта с поверхностью, что способствует дополнительному повышению износостойкости обрабатываемой поверхности.

Перемещение прутка осуществляется по изгибному типу. При этом обрабатываемая поверхность рельса взаимодействует с поверхностью изгибающегося прутка как в продольном, так и в поперечном направлениях, что способствует всестороннему и более прочному сцеплению присадочного материала с микронеровностями основного металла.

Кроме того, пруток перемещается в условиях достаточно высокой постоянно действующей статической нагрузки и воздействует на обрабатываемый металл по трапецеидальному режиму с криволинейными боковыми сторонами. В итоге действие присадочного прутка, совершаемого изгибные перемещения, осуществляется под углом, что приводит к сдвигу и последующему смятию выступов неровностей с одновременным раскрытием и заполнением полостей, устьев микротрещин и углублений микронеровностей материалом присадочного прутка.

В результате происходит качественно новая обработка поверхности (по сравнению с прототипом), что повышает износостойкость поверхности стальных изделий.

Оптимальность указанных амплитудно-частотных пределов внесения легирующего состава в зону обработки, создание давления на обрабатываемую поверхность, скорости перемещения зоны обработки по поверхности изделия определяется необходимой для легирования степенью деформирования и временем взаимодействия легирующих элементов в обрабатываемой поверхностью для получения требуемой концентрации легирующих элементов, входящих в состав прутка в обрабатываемой поверхности, и проникновением этих элементов на нужную глубину с высокой скоростью. При скорости внесения легирующего состава менее 1,0 м/с и его давлении на обрабатываемую поверхность менее 20 кгс/мм 2 при частоте 18-20 кГц и амплитуде 50-70 мкм степень деформации и температура в зоне обработки становятся недостаточными для эффективного проникновения легирующих элементов, что уменьшает производительность способа и глубину насыщения. Увеличение скорости внесения легирующего состава выше 1,5 м/с нецелесообразно, так как температура от трения в зоне обработки значительно возрастает, что может привести к большому выгоранию элементов. Кроме того, значительно уменьшается глубина слоя насыщения легирующими элементами.

Повышение давления свыше 30 кгс/мм 2 при указанных соотношениях остальных параметров приводит к разрушению поверхностного слоя обрабатываемой поверхности.

Увеличение амплитуды колебаний выше 70 мкм при указанных соотношениях остальных параметров приводит к значительному выгоранию легирующих элементов из зоны обработки поверхности изделия, что в свою очередь приведет к понижению износостойкости поверхностного слоя изделия.

Операция внесения легирующего элемента в зону обработки, параллельного поверхности изделия, позволяет равномерно распределить материал покрытия по поверхности изделия с необходимым давлением 20-30 кгс/мм 2 и насытить поверхность изделия легирующими элементами до необходимой концентрации со скоростью, превышающей скорость диффузии.

П р и м е р. Способ нанесения фрикционного слоя на поверхность опробован на железнодорожных рельсах.

На чертеже приведена схема осуществления предлагаемого способа.

Обработке подвергали рельсы из стали М76. Для этого куски рельсов 1 длиной 500 мм закрепляли по две штуки на испытуемом стенде. Затем включали ультразвуковой генератор 2 марки УЗГ 10-22, вырабатывающий электрические колебания частотой 11-20 кГц, которые передавались на два магнитострикционных преобразователя 3 марки ПМС 15А-18, где преобразовывались из электрических колебаний в механические такой же частоты и усиливались с помощью волноводов 4, которые передавали циклическую нагрузку Рц на прикрепленные латунные прутки 5 толщиной 10 мм, имеющие трапециевидную форму размерами 40 х 50 мм и высотой 20 мм. Магнитострикционные преобразователи крепили на рамах 6, которые соединены с помощью шарниров 7 с тележкой 8, осуществляющей поступательное движение по железнодорожным рельсам.

Читайте также:  Входная дверь мдф или металл что лучше

Контактное прижатие прутков к поверхности рельсов осуществляли грузом (Рст) 9, размещенным на волноводах 4.

Влияние латунирования стальной поверхности исследовали с помощью профилографа и оптического микроскопа ОМС-3.

В таблице представлены предлагаемые режимы обработки, известные по прототипу и опытные, и результаты испытаний на установке УРК-1 при ударах шариком до появления разрушения, характеризующего износостойкость металла.

Из приведенных в таблице результатов видно, что характеристика износостойкости при ударном нагружении для слоя, полученного по предлагаемому способу, в 4-5 раз выше, чем для прототипа. При этом скорость обработки для получения слоя одинаковой толщины в предлагаемом способе выше в 7-9 раз по сравнению с прототипом.

Способ может быть использован для повышения износостойкости стрелочных переводов, кривых участков пути, железнодорожных колес. (56) 1. Лалаянц И. Э. Лубрикация рельсов на железных дорогах. США. Железнодорожный транспорт. 12, 1988, с. 72-73.

2. Д. Н. Гаркунов, А. А. Поляков. Повышение износостойкости деталей конструкций самолетов. М. : Машиностроение, 1974, с. 88-89.

СПОСОБ ФРИКЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ, преимущественно головок железнодорожных рельсов, включающий натирание поверхности латунным прутком, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости, натирание осуществляют поступательным перемещением прутка под углом к поверхности со скоростью 1,0 — 1,5 м/с под давлением 20 — 30 кгс/мм 2 с одновременным наложением ультразвуковых колебаний частотой 18 — 20 кГц и амплитудой 50 — 70 мкм.

Источник

Наноструктурирующая фрикционная обработка металлических поверхностей

НАНОСТРУКТУРИРУЮЩАЯ ФРИКЦИОННАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Д. т.н., заведующий отделом материаловедения

Института физики металлов имени УрО РАН

Представлены результаты оригинальных разработок материаловедческих основ фрикционных и комбинированных технологий, формирующих на поверхности металлических сплавов градиентные наноструктурированные слои с повышенными механическими и трибологическими характеристиками при одновременном обеспечении наношероховатости (Ra ??- и обратного (при нагреве) ??>?-превращений.

Предложены методики неразрушающего электромагнитного контроля: глубины упрочненного фрикционной обработкой слоя и, соответственно, качества фрикционной обработки стальных изделий; структурного состояния сталей после фрикционной обработки и отпуска (комбинированные наноструктурирующие деформационно-термические обработки); механических свойств и износостойкости поверхностно наноструктурированных сталей; трещинообразования при малоцикловом усталостном нагружении углеродистых сталей, а также фазового состава и твердости метастабильной аустенитной стали с наноструктурированным поверхностным слоем.

Важным преимуществом способа фрикционной обработки является возможность наноструктурирования поверхностных слоев толщиной 5-10 мкм изделий практически любых размеров даже из высокопрочных и труднодеформируемых материалов, таких как лазерные наплавки, инструментальные (в том числе быстрорежущие) и конструкционные стали, упрочненные как объемной, так и поверхностной (например, лазерной) закалкой или химико-термической обработкой. Фрикционная обработка в отличие от других способов наноструктурирования обладает высоким потенциалом промышленного использования и может успешно применяться в современном машиностроительном производстве в качестве финишной наноструктурирующей обработки прецизионных деталей ответственного назначения на многофункциональных токарно-фрезерных центрах. Области применения наноструктурирующей фрикционной обработки на машиностроительных предприятиях – для стальных изделий, эксплуатируемых в условиях интенсивного износа, высоких давлений, значительного нагрева, низких климатических температур: детали запорной трубопроводной арматуры, нефтегазового и насосно-компрессорного оборудования, валы, подшипники, гильзы цилиндров, инструмент и др.

Продемонстрировано использование фрикционных обработок при совершенствовании других перспективных технологий поверхностных наноструктурирующих обработок: наноструктурирующая ультразвуковая ударно-фрикционная обработка как развитие метода ультразвуковой ударной обработки; использование фрикционной обработки в комбинации с последующим плазменным азотированием для активизации химического модифицирования металлических поверхностей.

Источник

Поделиться с друзьями
Металл
Adblock
detector