Триботехника, ее основные цели и задачи

При обработке резанием на 20—30% увеличивается твердость  обработанной поверхности в результате образования упрочненного слоя глубиной 0,05—0,5 мм. Кроме того, в поверхностном  слое появляются остаточные напряжения сжатия величиной 3000— 7000 кПа, положительно влияющие на износостойкость деталей.

Рассмотрим влияние  основных технологических факторов обработки резанием на качество поверхности  и износостойкость деталей машин.

С увеличением скорости резания до 25 м/мин (эта скорость способствует наростообразованию на режущей кромке резца) шероховатость поверхности возрастает, при дальнейшем ее увеличении — снижается, что, в свою очередь, повышает износостойкость и коррозионную стойкость обработанных поверхностей. Одновременно увеличение скорости резания до определенных пределов приводит к увеличению толщины наклепанного слоя. При высоких скоростях (200—600 м/мин) возникает разупрочнение, которое уменьшает глубину наклепа, снижает предел выносливости.

С увеличением подачи увеличивается шероховатость поверхности, что отрицательно оказывается на износостойкости. С другой стороны, с увеличением подачи возрастают глубина наклепа и остаточные напряжения сжатия, что повышает усталостную прочность.

С уменьшением глубины  резания шероховатость поверхности  незначительно снижается, однако это не оказывает существенного влияния на износостойкость.

Смазочно-охлаждающая  жидкость улучшает отвод тепла от зоны резания, уменьшает трение и  налипаемость, что способствует снижению шероховатости и повышению износостойкости поверхности.

Вибрация системы СПИД ведет к появлению волнистости  и повышению шероховатости, что  может существенно снизить эксплуатационные свойства деталей.

 

Обработка деталей  поверхностным пластическим деформированием

 

Поверхностное пластическое деформирование способствует, как правило, предварительному упрочнению (наклепу) металла поверхностного слоя, повышению его твердости и износостойкости. Особенно сильное влияние наклепа на износостойкость наблюдается у более пластичных и сравнительно мягких сталей, у которых даже при незначительном повышении микротвердости существенно повышается износостойкость. Кроме того, обработка давлением вызывает особую форму микронеровностей, остающихся на поверхности.

Алмазное выглаживание применяют для обработки сталей, цветных металлов и сплавов. Учитывая повышенную хрупкость алмаза, не следует обрабатывать выглаживанием прерывистые поверхности.

Обкатывание и раскатывание поверхности применяют для обработки  цилиндрических поверхностей, галтелей, плоских и фасонных поверхностей. Изменение размера шероховатости поверхности при обкатывании и раскатывании, точность обработки зависят от конструкции детали, инструмента, режимов обработки.

Виброобкатыванием добиваются получения различных видов рельефа  на поверхностях, с помощью которых можно как увеличивать маслоемкость контакта при работе со смазкой, так и уменьшать поверхность контакта при работе без смазки.

 

Повышение износостойкости  термической и химико-термической  обработкой поверхностей

 

Для образования твердого износостойкого слоя на определенных участках поверхности деталей, изготовленных из средне- и высокоуглеродистых сталей, ковкого, серого и высокоточного чугуна, применяют поверхностную закалку. Глубина закалки 1,5 - 2,0 мм. Поверхностная закалка может вестись с нагревом газовым пламенем и токами высокой частоты (ТВЧ).

Химико-термическая обработка  применяется для улучшения антифрикционных  свойств металлов и повышения  их износостойкости путем диффузионного  насыщения или модифицирования  их соединениями химически активных элементов.

Химико-термическая обработка, производимая в твердых, жидких и  газовых средах, делится на две  основные группы:

1) химико-термические  виды обработки, применяемые для  увеличения износостойкости повышением  поверхностной твердости деталей  (цементация, азотирование, цианирование, борирование);

2) химико-термические  виды обработки, предназначенные  в основном для улучшения противозадирных  свойств металлов путем создания  тонких поверхностных слоев металлов, обогащенных химическими соединениями  с активными элементами, которые предотвращают схватывание и задир при трении (сульфидирование, сулфоцианирование, селенирование, теллурирование, обработка в йодисто-кадмиевой соляной ванне). Действие этих видов обработки заключается в снижении коэффициента трения и локализации начинающегося задира (при этом твердость поверхности почти не меняется).

 

Нанесение износостойких  покрытий

 

Для повышения износостойкости  изделий применяют гальванические покрытия - хромирование, осталивание, никелирование.

Хромовое покрытие, наносимое на поверхность деталей гальваническим способом толщиной 0,1—0,2 мм имеет высокую твердость (НВ 1000—1100), низкий коэффициент трения, что значительно снижает тепловыделение при трении.

Точечная пористость обладает большой маслоемкостью, поэтому ее применяют для упрочнения деталей, работающих в особо тяжелых условиях (например, для верхних компрессионных колец двигателей). Канальчатым хромом часто покрывают гильзы цилиндров. Износ пористо-хромированных гильз и поршневых колец меньше нехромированных в 4 - 7 раз, причем износ сопряженных стальных деталей также уменьшается в 3 - 5 раз.

Осталивание широко используется для восстановления изношенных поверхностей стальных и чугунных деталей. Толщина  покрытия достигает 3 мм; твердость  гальванически осталенной поверхности HV 600—650. Осталивание может применяться также для создания подслоя перед хромированием.

Износостойкое покрытие после никелирования имеет меньшую  твердость, чем хромовое, однако оно  хорошо обрабатывается и имеет большую  вязкость при толщине слоя до 2 мм.

Твердым никелированием упрочняют и восстанавливают  такие детали, как шпиндели металлорежущих станков, поршневые пальцы, коленчатые валы, гильзы цилиндров и др.

Оксидирование - процесс  получения оксидных пленок толщиной более 60 мкм с высокой микротвердостью (4000 — 4500 МПа) и износостойкостью — используется для повышения износостойкости зубчатых колес, деталей двигателей, текстильных машин и других деталей из алюминия и его сплавов. Износостойкость некоторых деталей после оксидирования при работе со смазкой возрастает в 5 и более раз.

 

Наплавка поверхностей

 

Наплавка  применяется как для упрочнения поверхностей изготавливаемых деталей, так и для восстановления и  увеличения срока службы изношенных деталей машин. При наплавке происходит сплавление нанесенного слоя с основным металлом, что обеспечивает их хорошее сцепление. Наплавлять можно слои любой толщины, производительность процесса высокая.

Существует  несколько видов наплавки: газовая, электродуговая, электрошлаковая, вибродуговая и др., и металлизации – газовая, электрическая, плазменная.

 

4.3 Эксплуатационные методы повышения долговечности узлов трения

 

Конструктивное  совершенство и высокое качество изготовления и установки машины не гарантируют длительной и безаварийной её работы. Дополнительным условием является грамотная техническая эксплуатация и целесообразная система ремонтов. Основной задачей технической эксплуатации машины является обеспечение её исправного состояния и безаварийной работы при надлежащей экономичности.

Важнейшую роль в обеспечении долговечности транспортных средств является смазывание подвижных сопряжений. Необходимым условием минимизации интенсивности изнашивания рабочих поверхностей является грамотный подбор смазочного материала с учётом конструктивных особенностей, условий эксплуатации и технического состояния смазываемого сопряжения. Помимо этого необходимо учитывать структурные изменения, происходящие со смазочным материалом в эксплуатации.

Смазочный материал при работе стареет, т.е. его первоначальные свойства изменяются в результате физических и химических процессов, которым он подвергается. При эксплуатации происходит испарение преимущественно лёгких фракций масла; оно засоряется продуктами окисления, полимеризации, конденсации и распада самого масла, загрязняется продуктами износа смазываемых поверхностей и пылью (минеральной, металлической или органической); в двигателях внутреннего сгорания масло, кроме того, загрязняется продуктами неполного сгорания топлива и жидким топливом. В результате старения масла на деталях и в смазочной системе двигателей внутреннего сгорания образуются отложения (нагары, лаки, шлам).

На основании  изложенного материала можно  сделать заключение, что качество смазочного материала в процессе эксплуатации, как правило, ухудшается, что является одной из причин повышения интенсивности изнашивания подвижных сопряжений. Кроме того, ухудшаются условия подвода смазки к парам трения в результате образования отложений в масляных каналах и на масляных фильтрах. Следовательно, одним из эксплуатационных методов повышения долговечности подвижных сопряжений является установление оптимальной периодичности замены смазочного материала и обслуживания системы смазки. Оптимальная периодичность замены смазочного материала устанавливается либо на основании статистических данных об изменении его свойств в заданных условиях эксплуатации, либо на основании данных о фактическом состоянии масла, полученных в результате периодического контроля.

Помимо смазывания, на долговечность транспортных средств  большое влияние оказывают режимы на которых осуществлялась приработка (обкатка) новой или отремонтированной машины при вводе её в эксплуатацию.

Погрешности сопрягаемых поверхностей деталей  и неточности во взаимном расположении рабочих поверхностей в сопряжениях  обуславливают весьма малую фактическую площадь взаимного контакта деталей. Приложение эксплуатационных нагрузок к деталям при таком контактировании их поверхностей привело бы при работе машины к быстрому перегреву многих пар и заеданию. Обкатка машины или механизма подготавливает их к восприятию эксплуатационных нагрузок при соответствующих скоростных режимах.

Во время  обкатки должны быть реализованы  два процесса:

1. износ поверхностей на вершинах волн шероховатости и на участках, где исходные технологические неточности, дефекты монтажного происхождения, силовые и тепловые деформации препятствуют распространению пятна контакта до проектного;

2) ликвидация  исходной шероховатости поверхности  и формирование новой, с определёнными  параметрами и направленностью,  характерными для каждой поверхности трения при работе на эксплуатационном режиме наибольшей длительности.

Приработка  протекает на отдельных участках в режимах трения при граничной  и полужидкостной смазке при этом происходит повышенное накопление продуктов  износа. Возможно отделение крупных частиц при выкрашивании и срабатывании наиболее выступающих неровностей поверхности. После приработки масло в картерах и остальных элементах системы загрязняется и его следует считать отработанным.

Критерии оценки окончания приработки: достижение минимума мощности, потребной на холостой ход машины; стабилизация момента трения и температуры; достижение наибольшей эффективной мощности двигателя при заданной скорости; достижение определённой степени прилегания контактирующих поверхностей.

Длительность  обкатки определяется начальной  шероховатостью поверхностей трения, точностью обработки деталей  и их сборки, материалом деталей  наиболее напряжённых пар трения и зависит от эксплуатационных режимов  работы машины, режима обкатки и  свойств смазочного материала.

Использование машин по назначению в надлежащих условиях и правильная загрузка имеют  важное значение для долговечности  подвижных сопряжений. Непредусмотренные  большие силовые воздействия  интенсифицируют изнашивание деталей. В двигателях внутреннего сгорания повышение нагрузки сверх оптимальной сопровождается ухудшением рабочего процесса, что ведёт к сокращению сроков их службы.

Пусковой период машины связан с повышенной интенсивностью изнашивания, зависящей от длительности бездействия машины перед запуском, от температуры деталей и свойств смазочного материала. Пусковым периодом следует считать промежуток времени от момента пуска до момента стабилизации теплового состояния машины. Пусковой период сопровождается изменениями величин и форм зазоров; в отдельных сечениях зазоры могут быть даже нулевыми.

Значительный  износ при пуске двигателя  обусловлен рядом причин. После остановки  двигателя нагретое масло быстро стекает с горячих стенок цилиндров  и остаётся в подшипниках в  незначительном количестве. В момент страгивания поршня трение тем больше, чем больше перерыв между остановкой и последующим пуском. Температурный режим при пуске понижен, и температура стенок цилиндра ниже точки росы кислот, содержащихся в продуктах сгорания. Конденсируясь на стенках, кислоты производят корродирующее действие. Весьма существенно и абразивное воздействие сохранившихся и образовавшихся при пуске продуктов износа. В карбюраторных двигателях топливо, конденсируясь на стенках цилиндра, смывает с них масло. Нормальная подача масла в верхнюю рабочую зону цилиндра начинается только через 3 - 12 мин после начала пуска двигателя.

Пуск автомобильного двигателя с помощью буксирования всего автомобиля приводит к чрезвычайно  большим износам всех трущихся деталей, так как двигатель некоторый промежуток времени работает без смазочного материала под нагрузкой. Для уменьшения износа полезно перед пуском двигателя провернуть коленчатый вал несколько раз вручную или с помощью стартера.