1. Анализ состояния вопроса

Нанесение покрытий на поверхности деталей - одно из самых оптимальных решений вопроса увеличения долговечности. Идея нанесения покрытий ставит перед собой цели: сформировать на поверхности изделия тонкий слой другого материала (металла, сплава, полимера и др.) для получения требуемых свойств пары трения (низкий коэффициент трения, способность к самосмазыванию, повышение контактной жесткости, устойчивость к коррозии, равновесный микрорельеф и др.); отменить необходимость изготовления всей детали из дорогостоящего материала, а также восстановление размеров уже изношенных деталей. Идея нанесения покрытий привлекала и привлекает внимание большого числа специалистов и получила огромное распространение.

В ходе изучения литературы, касающейся покрытий, была собрана следующая информация о методах и способах нанесения покрытий.

Группой американских ученых во главе с Дж.С.Забински и М.Донли разработан и реализован метод нанесения износостойких покрытий на основе углерода, получаемых вакуумным осаждением с использованием лазерного испарения. Осаждение с импульсным лазерным испарением было применено для получения сверхтвердых алмазоподобных покрытий с низким коэффициентом трения и самосмазывающими свойствами. Реализация данного метода показана на схеме (рис. 1.1).

Было уделено внимание повышению улучшению пластичности покрытия, чтобы предотвратить хрупкое разрушение при высоких контактных нагрузках. Сочетание магнетронного напыления и импульсного лазерного испарения применялось для осаждения покрытий, архитектура которых была разработана, чтобы выдерживать значительные контактные напряжения.

Несмотря на хорошие свойства получаемого покрытия, из-за сложностей в реализации технологии проведения процесса нанесения покрытия способ является слишком долгим и дорогостоящим и его применение из-за узкого ассортимента наносимых материалов ограничено.

Этими же учеными был исследован метод применения плазменно-электролитической обработки для формирования на поверхности вентильных металлов, в частности алюминия, оксидно-керамических покрытий, которые обладают высокой твердостью, достаточной толщиной, хорошей адгезией. Область применения данного метода - механизмы с ограничениями по весу деталей, например, механизмы и приборы авиакосмической техники, а следовательно он непригоден для нанесения покрытия на крупногабаритные детали, каковыми являются направляющие станин металлорежущих станков.

Известен способ электрохимического нанесения покрытий, в основе которого лежит явление анодного растворение. В резервуар с рабочей средой - электролитом, являющимся электрически нейтральным, помещают два металлических проводника, анод и катод, которые подключают к источнику постоянного тока. В результате на аноде образуется покрытие металлом катода.

Недостатками этого способа, объясняемыми его сущностью, являются длительность процесса, невозможность ограничения формы поверхности, на которую наносится покрытие и невозможность его использования в непрерывных технологических линиях, что ведет к снижению технологических возможностей.

Специалистами липецкого государственного технического университета во главе с А.В.Лобзиным, А.Е.Гитлевичем и Ю.В.Юриковым рассмотрены вопросы электроэрозионного восстановления размеров деталей типа вал. Физическая сущность этого метода - это полярный перенос продуктов эрозии с анода на катод при протекании искровых импульсов в газовой среде.

Этот метод имеет ряд преимуществ: высокие функциональные свойства слоя, высокая сцепляемость слоя с подложкой, низкий нагрев детали в процессе обработки, относительно толстое покрытие, возможность изготовления электродов из металлических отходов. Но существуют и недостатки - характерная пористость и низкая толщина полученного слоя, необходимость подвергать деталь и электроды предварительному обезжириванию и высушиванию.

Специалистами казанского государственного технического университета во главе с С.О. Островой, Р.В. Белавиной и А.Х. Каримовым разработан метод и способ нанесения порошковых полимерных покрытий на различные детали. Порошковые полимерные покрытия обладают антикоррозионными, электроизоляционными и декоративными свойствами, являются химически и термостойкими. Метод позволяет экономить материалы и энергетические ресурсы, обеспечивает экологическую чистоту процесса. Но данному методу присущи и недостатки - необходимость предварительного изготовления полимерных порошков для покрытия, необходимость наличия специальной камеры для напыления, необходимость использования ручного труда рабочих.

Специалистами тульского государственного университета под руководством В.М. Власова, И.А. Гончаренко, Н.В. Мельниченко разработан способ гальванического цинкования электроконтактным методом (натиранием). Ими создана установка карусельного типа. Разработаны самоподжимающиеся аноды, позволяющие наносить покрытие на вертикальные и «потолочные» поверхности. Нанесение покрытия на внутреннюю поверхность детали осуществляется непрерывно движущимся пористым тампоном, постоянно смачиваемым электролитом. Тампон, изготовленный из капролона и химически стойкой ткани, прижимается анодом к покрываемой поверхности детали, образуя электролитическую ячейку. Для того, чтобы электролиз цинка в меньшей степени сопровождался газовыделением и с целью утилизации отходов гальванического процесса, применен щелочной электролит, состав которого уточнялся по результатам экспериментальных исследований. В анод вмонтирована вставка из цинка высокой химической чистоты для поддержания постоянно высокой концентрации ионов цинка в электролите.

Повышение параметров работоспособности пар трения и неподвижных нагруженных стыков, а также свободных поверхностей деталей и конструкций в промышленно развитых странах во многом связывают с использованием газотермических покрытий. Повсеместно происходит расширение совершенствования и применения технологии газотермического напыления. Для газотермического напыления (дугового и высокочастотного) используют сварочные и износостойкие наплавочные проволоки, относящиеся к категории повышенной точности изготовления, например, проволоки стальные сварочные класса 3а или 4 (ГОСТ 2246-70). Процесс получения покрытия заключается в расплавлении проволоки с последующим распылением и нанесением ее на поверхность детали распыляющим газом.

При газопламенном, плазменном, лазерном и детонационном способах нанесения покрытий основным материалом являются порошки.

Развитие этих способов нанесения покрытий идет в направлении разработки новых способов и методов получения порошков, расширения ассортимента напыляемых материалов, главным образом за счет создания новых типов сплавов, механических смесей и композиционных порошков, целевой разработки специальных порошков, исходя из задач, решаемых с помощью применения покрытий с учетом особенностей массовой технологии.

С помощью технологий газотермического нанесения покрытий можно значительно (в 1,5 раза и более) снизить интенсивность изнашивания пар трения. Принципиальные возможности газотермических покрытий необходимо осуществлять при правильном выборе метода нанесения, его грамотной технологической реализации.

Методы газотермического нанесения покрытий (газопламенное, плазменное, электродуговое, высокочастотное плазменное и детонационное напыление) объединяет то, что напыляемый материал в высокотемпературном потоке газа имеет ускорение, нагревается, пластифицируется или плавится. На поверхность обрабатываемой детали напыляемый металл поступает в виде потока пластифицированных частиц или жидких капель, которые ударяются об основу, затем закрепляются на ней, образуя покрытие. Обычно различают методы газотермического нанесения покрытий по уровню термосилового воздействия на поверхность основы и напыляемый материал, так как в них используются разные источники теплоты. При газопламенном методе источником теплоты служит энергия горения смеси "кислород - горючий газ" (ацетилен, водород, природный газ и др.), при плазменном методе - энергия плазмы разогретой до 10000 К и выше, в которой число заряженных частиц - электронов и ионов - возрастает до 10⁹ в 1 см³; при детонационном напылении горение смеси носит взрывной характер.

При выборе технологически отработанных способов нанесения покрытия необходимо учитывать их сравнительные характеристики по основным показателям процессе нанесения (рис. 1.2): I - производительность процесса (по стали), кг/ч; II - коэффициент использования металла (КИМ), %; III - коэффициент тепловыделения, % (к электродуговой наплавке); IV - средняя удельная себестоимость нанесения 1 г покрытия, руб.

Из анализа диаграмм видно, что по показателям лазерная наплавка наиболее предпочтительна для нанесения износостойких покрытий на ответственные детали металлообрабатывающего оборудования.

Основные требования к нанесению покрытия - небольшая зона термовлияния, максимальное использование дорогих износостойких порошковых материалов и высокое качество нанесения слоя.

Электродуговая металлизация (см. рис. 1.2) характерна низкой удельной себестоимостью, высокой производительностью процесса и значительным (45 %) КИМ; коэффициент тепловыделения (18 % к электродуговой наплавке) так же не высок, что может служить основанием для использования этого метода в ответственных деталях металлообрабатывающего оборудования. Способность металлизационных покрытий длительное время работать без смазки делает их особенно ценными для подшипников скольжения. Вследствие низкого модуля упругости стальных металлизационных покрытий (710⁴ МПа), по сравнению со сталью (2,110⁶ МПа), заедание металлизированных шеек валов, цапф происходит при нагрузках в 3-4 раза превышающих нагрузки, вызывающие заедание шеек из закаленных сталей. Однако относительно плохого качества (наличие пор, неметаллических включений, низкий модуль упругости, и т. д.) не рекомендуют эти покрытия для пар трения и стыков металлорежущих станков, обладающих высокой контактной жесткостью и износостойкостью.

Плазменное напыление (см. рис.1.2, г) отличается невысоким КИМ ( 30 %), относительно невысоким тепловыделением (до 34 % по сравнению с дуговой наплавкой). Производительность процесса достигает 4,5 кг/ч, более чем в 10 раз превышая производительность лазерной наплавки. Укомплектованность специальным оборудованием, высокие показатели прочности покрытий дают возможность наносить любые материалы на металлические поверхности, делают процесс плазменного напыления одним из самых перспективных.

Сущность газопламенного порошкового напыления и наплавки состоит в распылении металлического порошка в пламени смеси горючих газов (ацетилена, пропана, водорода, металацетилен-пропана и др.) с кислородом и нанесение его на предварительно подготовленную поверхность обрабатываемой детали.

Анализ литературы, посвященной современным методам нанесения покрытий, показал, что самые хорошие характеристики слоя нанесённого покрытия имеют методы плазменного напыления и лазерной наплавки. Но существенным недостатком этих методов является сложность реализации, необходимость специального оборудования, а также необходимость предварительного изготовления порошковых смесей, которые являются материалом для нанесения.

Среди большого многообразия способов и методов модификации поверхности в последнее время заметно выделяется способ нанесения различных покрытий переносом частиц материала - донора на обрабатываемую поверхность изделия вращающейся металлической щеткой - деформационное плакирование гибким инструментом (ДПГИ). Этот метод был исследован специалистами магнитогорского государственного технического университета во главе с В.П.Анцуповым, Л.С.Белевским, П.М.Смирновым. Исследование их работ показало, что метод деформационного плакирования гибким инструментом имеет низкую металло- и энергоёмкость, хорошие характеристики нанесённого покрытия, а также весьма прост в реализации.

В настоящее время существуют две схемы ДПГИ (рис. 1.3) В первом случае источником материала покрытия является сам гибкий инструмент (рис. 1.3, а), а во втором - специальный элемент из материала покрытия (ЭМП) (рис. 1.3, б). Во второй схеме гибкий инструмент выполняет роль промежуточного тела, осуществляющего перенос частиц покрытия с ЭМП на обрабатываемую поверхность.

₀, ₁, ₂ - угловая скорость вращения цилиндрического изделия, гибкого инструмента и материала покрытия соответственно;

V - скорость перемещения плоского изделия;

N - натяг (величина сближения изделия и инструмента после их соприкосновения);

Р - усилие прижатия.

Дальнейшее развитие процесса плакирования выражалось, в основном, в усовершенствовании этих схем, а также в разработке более совершенных конструкций гибкого инструмента.

Например, известен способ нанесения покрытий из алюминия и его сплавов на поверхность изделия (стальных лент) для формирования антикоррозионного покрытия. Слой покрытия формируется в несколько проходов, причём после каждого прохода щётку разворачивают на угол 9-60⁰ относительно микронеровностей предыдущего слоя. Способ позволяет получить покрытие с меньшей шероховатостью и с более высокой коррозионной стойкостью.

Известна конструкция щётки (см. рис. 1.4), в которой между пучками проволочек установлены ударные элементы необходимой твердости, соединенные с корпусом щётки при помощи гибкой связи, например, в виде цепи. При обработке поверхности вращающейся металлической щеткой происходит контактирование с обрабатываемой поверхностью проволочек и ударных элементов, что даёт упрочнение поверхностных слоёв металла.

Способ нанесение покрытия по схеме 2 был усовершенствован путём выполнения в элементе из материала покрытия полостей, заполненных политетрафторэтиленом (см. рис. 1.5), что позволяет получать на обрабатываемой поверхности более толстый слой покрытия. Выполнение полостей с суммарной площадью поперечного сечения S = 10 - 20 % от площади поперечного сечения элемента из материала покрытия позволяет получать покрытия значительной толщины и с хорошими механическими свойствами, т.е. высокого качества.

Также известен способ нанесения покрытия (см. рис. 1.6) при котором на поверхности изделия предварительно создаётся микрорельеф за счёт контакта её с двумя противоположно вращающимися щетками. Т.е. каждый участок цилиндрического изделия перед тем, как войти в контакт с щеткой, осуществляющей непосредственное нанесение покрытия, последовательно проходит зоны контакта с ещё двумя щётками, оси которых перпендикулярны поверхности обрабатываемого изделия и вращающимися противоположно друг другу. При этом линейную скорость конца их ворса определяют из соотношения , где Vв - линейная скорость вращения точек поверхности изделия, Vщ - линейная скорость щетки по наружному диаметру, Тмп, Тв - твердость материала покрытия и обрабатываемого изделия соответственно.

Целью изобретения является повышение износостойкости и однородности покрытия по толщине и увеличение съема материала покрытия с ворса щётки.

Известно устройство для нанесения покрытия в котором щетка, находящаяся в контакте с материалом покрытия и обрабатываемым изделием, дополнительно снабжена подвижными роликами для сжатия боковых поверхностей щетки в зоне её контакта с материалом покрытия. Кроме того, ролики установлены с возможностью перемещения в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Цель этого устройства - увеличение ассортимента наносимых материалов (при использовании обычной щетки с одинаковой жёсткостью, при твердости материала покрытия выше 60% твердости детали щётка вместе с переносом покрытия царапает обрабатываемую поверхность), улучшение качества поверхности. Ввиду того, что жёсткость ворса щетки в месте контакта с материалом покрытия в несколько раз выше жёсткости ворса щётки в месте её контакта с деталью, возможно использование в качестве материала покрытия такие материалы, твердость которых близка к твердости материала детали. Схема устройства приведена на рис. 1.7. При вращении механической щетки периферия её ворса переносит материал покрытия на поверхность вращающейся детали. Ролики, вращаясь попутно вращению щётки, повышают жёсткость её ворса в контакте с материалом покрытия.

Известно также устройство, содержащее прижимные ролики, расположенные со стороны боковых поверхностей щётки, а также тарельчатые пружины, установленные между боковыми поверхностями щётки и роликами. Ролики обладают возможностью перемещения с помощью механизмов перемещения. Устройство работает следующим образом. При разведённых роликах тарельчатые пружины находятся в свободном недеформированном состоянии и не касаются ворса щётки. В этом случае щетка имеет первоначальные характеристики жёсткости ворса. При сведении роликов они давят на боковые поверхности тарельчатых пружин и деформируют их, прижимая к боковым поверхностям щётки. Тарельчатые пружины, передавая усилие от роликов к щётке, сжимают ворс, увеличивая его жёсткость.

Цель изобретения - расширение технологических возможностей за счёт изменения жесткости щетки и улучшение качества поверхности. Схема устройства приведена на рис. 1.8

Схема 2 нанесения покрытия была усовершенствована за счёт расположения двух элементов из материала покрытия (например, из цинка и алюминия) в порядке возрастания температуры плавления металлов. Цель изобретения - экономия цветных металлов за счёт сплавления с другими металлами и одновременного нанесения сплавов на поверхность. Схема представлена на рис. 1.9.

Известно устройство для нанесения покрытий (см. рис. 1.10), содержащее установленную на валу металлическую щетку с приводом вращения, контактирующую с элементом материала покрытия. Вал подпружинен и соединен с приводом вращения гибкой передачей на валу. Непосредственно около щётки установлен диск из материала с большим электрическим сопротивлением и коэффициентом линейного расширения, боковые поверхности которого покрыты эластичным теплоизолирующим материалом, причём диск установлен с возможностью вращения относительно вала, а радиус диска меньше радиуса щётки на 0,5 - 2 %, диск подключен к источнику электрического тока с реле регулирования его величины. Диск благодаря подшипнику может вращаться независимо от вала. Кроме того, устройство снабжено двумя роликами, установленными на подпружиненной оси, контактирующими соответственно с ворсом щётки и диском, подключенными к микрогенератору, соединенному с электрическим реле, причём ролик, контактирующий с диском, установлен с возможностью вращения вокруг своей оси. Цель изобретения - повышение качества покрытия путём увеличения его равномерности по толщине.

Известна конструкция щётки, рабочие элементы которой выполнены из металлов разной твердости. Рабочие элементы мягкого металла размещены в щетке таким образом, что их ряды чередуются с рядами твердых элементов. Рабочие элементы мягкого материала выполнены полыми и армированы твердыми рабочими элементами, выполняющими функции упругого стрежня. Это позволяет одновременно произвести механическую обработку поверхности и нанести на неё слой мягкого материала, причём избирательный перенос мягкого материала с соответствующих образцов на деталь и далее - на твердые рабочие элементы способствует значительному увеличению долговечности устройства. Устройство работает следующим образом. Под воздействием твердых элементов поверхность детали очищается (от ржавчины, окалины и т.п.) и на ней происходит образование микрорельефа, аналогичного микрорельефу приработанной поверхности трущейся пары - сглаживаются гребешки микронеровностей и одновременно с рабочих элементов мягкого металла переносится тонкий слой покрытия. Конструкция щётки схематично изображена на рис. 1.11.

Для нанесения многослойных покрытия был разработано следующее усторйство. Четыре бруска из материала покрытия расположены последовательно друг за другом параллельно оси щётки. Бруски выполнены из различных материалов и установлены с возможностью перемещения вдоль оси щётки при помощи винтов и гаек. Каждый элемент бруска снабжен индивидуальным узлом прижима к периферии ворса щётки. Узел прижима содержит пружину с регулировочным винтом. Бруски снабжены индивидуальными узлами нагрева - нагревательными спиралями. Изменяя величину прижатия и температуру нагрева можно регулировать толщину слоя наносимого покрытия, чтобы, например, в зоне с большим износом нанести более толстый слой, чем в зоне с меньшим износом. Схематичная конструкция устройства представлена на рис. 1.12.

Известно устройство для нанесения покрытия на внутренние поверхности вращения. Щётка содержит металлический ворс, закрепленный на основании, и бруски из материала покрытия, размещенные в направляющих втулках с узлами прижатия. Узлы прижатия закреплены с стороны основания ворса, а бруски из материала покрытия обращены наружу. При сообщении щётке и трубе вращательного движение происходит очистка внутренней поверхности с одновременным нанесением покрытия. Материал бруска приваривается к поверхности, а затем разносится металлическим ворсом и равномерно наносится на поверхность трубы.

Анализ состояния вопроса показывает, что метод деформационного плакирования гибким инструментом является относительно новым, имеет большое количество вариантов реализации, хотя все они базируются на двух основных схемах. Метод прост в реализации, позволяет наносить покрытия как на плоские поверхности, так и на наружные и внутренние поверхности вращения, экологически безопасен, обладает малой энерго- и металлоёмкостью.

2. Математическое моделирование

2.1 Определение размеров зоны контакта

Для проектирования новых технологий и расчета энергосиловых параметров процесса деформационного плакирования гибким инструментом необходимы объективные данные о геометрических параметрах зоны контакта упругих элементов щетки (ворсинок) с обрабатываемой поверхностью. В работе 1 разработана математическая модель для определения нестационарных температурных полей в плакируемом изделии. Необходимыми данными для функционирования этой модели являются размеры зоны контакта между инструментом и обрабатываемой деталью.

В данной модели определения геометрических параметров (размеры зоны контакта) использованы не требующие доказательства тригонометрические соотношения и экспериментальные данные, полученные в 2. В данном случае рассматриваем процесс плакирования плоских деталей. Расчетная схема для этого случая представлена на рисунке 2.1

1. Определим радиус щетки .

, мм. (2.1)

где - радиус обоймы (основания щетки);

- длина ворса.

, мм.

2. Определим центральный угол входа гибких элементов в зону контакта.



, град. (2.2)

где N - величина натяга, мм.

, град.

3. Определим длину набегающего участка .

, мм. (2.3)

, мм.

4. Определим центральный угол выхода гибких элементов из зоны контакта. Согласно 3, считаем, что сокращение длины контакта происходит за счет естественной деформации ворса. В связи с тем, что ворс изогнут так, что верхняя точка ворсинки опережает точку, касающуюся детали, отрыв нижнего ее конца от поверхности детали произойдет тогда, когда расстояние по вертикали между окружностью основы радиуса R и поверхностью обрабатываемой детали станет равным длине ворса l. Тогда угол находится следующим образом:

, град. (2.4)

, град.

5. Определим длину сбегающего участка

, мм. (2.5)

, мм.

6. Определим длину зоны контакта

, мм. (2.6)

, мм.

7. Для определения ширины зоны контакта рассмотрим схему контакта щетки с обрабатываемой деталью на виде сбоку (рис. 2.2). Согласно 4, считаем, что угол отклонения ворса приблизительно равен половине своего значения при отклонении ворса на полную длину. Т.е., ширину зоны контакта можно определить следующим образом:

, град. (2.7)

, град.

, мм. (2.8)

, мм.

где - ширина щётки.

Полученные значения размеров зоны контакта можно использовать при расчете нестационарных температурных полей обрабатываемого изделия.

2.2 Определение выносливости гибкого инструмента

В настоящее время плакирование зарекомендовало себя как эффективный метод повышения долговечности деталей. Причиной, мешающей широкому внедрению процесса деформационного плакирования гибким инструментом в массовое производство, является малый срок службы самого инструмента. Постепенное разрушение инструмента во время обработки приводит к изменению толщины формируемого покрытия, появлению недопустимой разнотолщинности и несплошностей, что ухудшает эксплуатационные свойства обработанных изделий и снижает экономическую эффективность метода в целом. Увеличение стойкости проволочного инструмента позволит увеличить экономический эффект обработки. Поэтому крайне важным является вопрос, при каких конструктивных параметрах гибкий инструмент прослужит более долго.

Из экспериментальных данных 5 известно, что количество циклов до разрушения N_p зависит от величин натяга, материала и диаметра проволочек, их длины и количества. Число циклов до разрушения при естественном износе в 25 - 30 раз больше, чем при усталостном износе ворса. Усталостное разрушение ворса наступает в случае, если не выполняется следующее условие:

, (2.9)

где - наибольшее действительное напряжение, возникающее в гибких элементах;

- допускаемое напряжение.

Представим гибкий элемент в виде консольного стержня круглого сечения с определенным диаметром и длиной. Тогда наибольшее напряжение можно определить по формуле:

, (2.10)

где - функция распределения моментов;

- осевой момент сопротивления сечения.

Функцию распределения моментов можно определить следующим образом:

, (2.11)

где Е - модуль Юнга;

- момент инерции поперечного сечения проволоки. (2.12)

Согласно данным 2, форма изогнутой оси ворсинки соответствует синусоиде:

, (2.13)

где - максимальный прогиб ворсинки.

Максимальный прогиб ворса можно определить из геометрических соображений (см. рис. 2.3). Координата точки контакта по оси Х будет равна:

, (2.14)

где - угол, определяющий положение i-того элемента в зоне контакта, начиная со входа;

- сближение концов изогнутого элемента (ворсинки).

При плоском контакте уравнение поверхности будет иметь вид:

(2.15)

Согласно 2, установлено, что при обработке изгибается лишь часть длины . Начальная точка изгиба О (см. рис. 2.3) является как бы фиктивной заделкой проволочки. Положение точки О для каждой проволочки зависит от конструктивных параметров щётки и от режимов обработки. На начальном участке скольжения, соответствующему углу , ворс максимально уплотнён и длина практически не зависит от режимов обработки и равна (0,3…0,4) меньшие значения соответствуют малым натягам и большей плотности пучка.

Влияние режимов более существенно проявляется на участке скольжения, соответствующему углу . Отношение выбрано по данным 2 и составляет 0,4. Таким образом получим:

Приравняем выражение (2.15) к (2.14) и, учитывая что, согласно 2, сближение концов гибкого элемента , выразим :

;

;

;

, мм. (2.16)

Теперь необходимо определить - угол, определяющий положение i-того элемента в зоне контакта, начиная с входа. Для этого сначала определим окружной шаг гибких элементов по длине окружности щётки в свободном состоянии из выражения для коэффициента плотности ворса :

, (2.17)

где - часть боковой поверхности щётки, занимаемой ворсом;

- число гибких элементов по ширине щетки;

- число гибких элементов по длине окружности;

- площадь боковой поверхности щетки.

Подставив ,, , в выражение для коэффициента плотности ворса (2.17), и, выразив оттуда , получим:

, мм. (2.18)

Тогда угловой шаг гибких элементов щётки в свободном состоянии будет равен:

, рад. (2.19)

Примем величину диаметра ворсины равной 0,25 мм, а величину плотности коэффициента плотности ворса - 0,25.

Найдем угловой шаг гибких элементов щётки:

 рад.

Тогда угол , определяющий положение i-того элемента в зоне контакта, начиная со входа определится следующим образом:

, рад. (2.20)

Определим угол , определяющий положение первого элемента в зоне контакта:

рад.

Величины других углов и соответствующие им величины прогибов гибких элементов определены с помощью программы MATHCAD и приведены в приложении. Представим результаты расчета на графиках (рис. 2.4). Как видно из графика, элементу номером 46 соответствует максимальный прогиб в 8,4 мм.

Расчет максимального напряжения в гибком элементе осуществлен с помощью программы MATHCAD и приведены в приложении. По результатам расчета величина максимального напряжения составила = 288 МПа.

Далее необходимо определить величину допускаемого напряжения. Согласно [5], величина допускаемого напряжения определяется следующим образом:

, (2.21)

где - допускаемые напряжения при статической нагрузке;

- временное сопротивление разрыву проволоки;

- основной коэффициент запаса прочности;

- допускаемые напряжения для симметричного цикла;

- предел выносливости для симметричного цикла;

- действительный коэффициент концентрации напряжений;

- коэффициент симметрии цикла.

Необходимо выбрать материал проволоки. Предварительно выбираем проволоку углеродистую качественную 0,25 ГОСТ 792-67. Согласно [15], временное сопротивление разрыву этой проволоки составляет = 897 МПа. По рекомендациям [16] примем величину основного коэффициента запаса прочности равной = 2,4. Определим величину допускаемых напряжений при статической нагрузке:

МПа.

Определим действительный коэффициент концентрации напряжений. Согласно [16], он определяется следующим образом:

;

где - коэффициент чувствительности;

- теоретический коэффициент концентрации напряжений.

По рекомендациям [16], величины и составят соответственно 1 и 1,25.

Тогда действительный коэффициент концентрации напряжений:



Определим предел выносливости для симметричного цикла. Согласно [16],он определяется следующим образом:

;

где - коэффициент соответствия между пределом прочности и пределом выносливости.

По рекомендациям [16], величина составляет , то есть для нашего случая составит 538,2 МПа.

Определим допускаемые напряжения для симметричного цикла:

МПа.

Согласно [5], при работе гибким инструментом цикл напряжений является отнулевым. Рассчитаем величину допускаемого напряжения при отнулевом цикле переменных напряжений:

МПа.

Проверим выполнение условия (2.9):

Условие не выполнятся, а, следовательно, ворс щетки подвержен усталостному износу. Значит, использование щетки с данными конструктивными параметрами является экономически нецелесообразным.

С целью нахождения оптимальных параметров щётки с точки зрения стойкости проволочных элементов в среде MATHCAD в соответствии с вышеприведенным алгоритмом были рассчитаны максимальные и допускаемые напряжения у щеток с различными конструктивными параметрами, различными материалами для гибких элементов, различными технологическими режимами. Результаты расчета представлены на листах графической части [06.М.15.20.81.000; 06.М.15.20.82.000] в виде графиков. Полученные данные позволят осуществить предварительный выбор конструкции щётки с максимальной стойкостью и технологического режима плакирования. Полученные результаты в дальнейшем должны быть согласованы с результатами пункта 4 и могут быть скорректированы. Пока предварительно выбираем щётку с радиусом R = 200 мм; l = 50 мм; d_В = 0,25 мм; материал ворса - сталь 45. Условие (2.9) выполняется для этой щетки при диапазоне натягов от 0,5 до 2,5 мм.

3. Аналитическое исследование

Метод нанесения различных покрытий с помощью гибкого инструмента (щётки) является достаточно эффективным методом повышения износостойкости узлов трения, что было доказано исследованиями специалистов Магнитогорского университета. Известно, что для системы сталь - медь основным видом сцепления является молекулярное сцепление, т.е. когда пограничные атомы одного металла вступают в связи с атомами другого металла, сохраняя при этом связь с атомами своего металла. При этом молекулярное сцепление может быть развито до такой степени, что прочность сцепления может стать выше прочности медного слоя, но такой высокой прочности сцепления можно достичь только в случае чистых поверхностей (обрабатываемая поверхность должна быть от грязи и от окислов металла, образованного в результате окисления) и высокой температуры 10. Выполнение этих условий как раз происходит при нанесении покрытия гибким инструментом.

Взаимодействие вращающейся металлической щётки с деталью представляет собой дискретную, изменяющуюся с большой скоростью в пределах зоны соприкосновения совокупность контактов отдельных ворсинок с поверхностью изделия, носящую ударно-фрикционный характер. Возникновение множества перекрывающих друг друга локальных пятен микроударов с последующим скольжением вызывает интенсивный фрикционный нагрев контактирующих поверхностей, срез и смятие микронеровностей, пластическую деформацию поверхностного слоя основы и частиц переносимого металла, разрушение и удаление оксидных пленок, обновление и активацию поверхностей, приводящих к микросхватыванию привнесенных ворсом частиц элемента материала покрытия с ювенильной, активированной поверхностью основы и возникающей в связи с этим массоперенос, обеспечивающий формирование непрерывной пленки покрытия.

Для плакирования различных изделий медью и латунью был спланирован и проведён эксперимент по симметричному некомпозиционному плану Бокса - Бенкина 10. Покрытие наносилось на круглошлифовальном станке, на котором вместо круга устанавливали щётку с наружным диаметром D = 250 мм, диаметр ворса d_в = 0,25 мм, пруток из материала покрытия прижимался к щётке с усилием Q = 20 Н. В качестве варьируемых были взяты следующие факторы: скорость скольжения щётки по поверхности детали = 25,0 - 38,0 м/с (фактор Х₁); натяг N = 1,0 - 2,0 мм (фактор Х₂); время обработки (выражали целым числом проходов щётки по образцу с определенной скоростью подачи) n = 3 - 9 (фактор Х₃). Были проведены опыты по нанесению покрытий на ролики диаметром 60 мм из стали 45. Исследовали два вида покрытия - латунное (латунь Л68) и медное. После нанесения покрытия образцы были испытаны на машине трения с целью нахождения числа циклов N_и, соответствующего потере образцом массы в 1 г. Для оценки эффективности применения процесса деформационного плакирования гибким инструментом на машине трения также были испытаны образцы, не подвергавшиеся обработке щётками. С их износостойкостью сравнивали износостойкость образцов, подвергнутых ДПГИ. Результаты приведены на рис. 3.1.

Анализ результатов позволяет заключить следующее. Разброс значений показателя износостойкости по всем исследованным режимам для латунного покрытия составляет N_и = циклов. Износостойкость латунированных образцов по сравнению с необработанными увеличилась в 2,8 - 12,85 раз. Наивысшую износостойкость N_и = циклов показывают образцы, обработанные по режимам 2 и 3. Разброс значений показателя износостойкости образцов с медным покрытием составляет N_и = циклов. Износостойкость увеличилась в 1,17 - 10 раз. Наиболее эффективными режимами, обеспечивающими наибольшую износостойкость, являются режимы 1 и 2.



Рис. 3.1 Результаты испытаний образцов на износ при Р = 184Н (а) и 327Н (б): I - без смазки; II - латунь; III - медь; 1 - натяг N = 1,5 мм, n = 9; 2 - N = 2 мм, n = 6; 3 - N = 1,5 мм, n = 3. Скорость во всех испытаниях = 25 м/с,

Статистическая обработка результатов эксперимента позволила получить уравнения регрессии для нахождения числа циклов N_и:

при нанесении медных покрытий

циклов.

при нанесении латунных покрытий

, циклов.

В результате эксперимента получены сплошные покрытия, прочно сцеплённые с основой. При работе с образцами не наблюдалось вздутие и отслаивание. Толщина медных покрытий для большинства режимов обработки составляла 2 - 4 мкм, латунных - 3 - 7 мкм. Максимальная толщина латунных покрытий составляла 25 - 30 мкм. Глубина деформированного слоя основы находится в пределах 3 - 5 мкм. Его микротвердость в среднем на 30% выше, чем у основы.

По данным микрорентгеноспектрального анализа переходный слой толщиной в несколько микрометров состоит из смеси материала основы, её окислов, снимаемых с поверхности щётками, и материала покрытия. Непосредственно в покрытии имеются включения материала основы. Твердость покрытия в 1,8 - 2 раза больше, чем материала, используемого для его нанесения.

Методом деформационного плакирования гибким инструментом были обработаны штоки гидроцилиндров наждачно - зачистных станков длиной 5165 мм, диаметром 90 мм. Штоки изготовлены из стали 45 с последующей закалкой до твердости 50 - 65 HRC. Штоки работают в паре с бронзовыми втулками и резиновыми уплотнителями в условиях сильной запыленности. Во время работы окалина вместе с пылью налипает на шток, вызывая его интенсивный износ. Обычно штоки меняют через каждые два месяца. Максимальный срок службы достигает 4 месяца. На штоки наносилось медное покрытие толщиной 3 - 4 мкм. при помощи щёток диаметром 250 - 300 мм, диаметр ворса 0,25 - 0,30 мм, материал ворса - стальная гофрированная проволока. Скорость скольжения щётки по поверхности детали 25 - 35 м/с, натяг составляет 1 - 2 мм. Два штока с нанесённым медным покрытием проработали 17 месяцев и по состоянию поверхности пригодны к дальнейшей эксплуатации.

Также медные и латунные покрытия наносились на штоки длиной 3190 мм и диаметром 60 мм, плунжеры механизма гидравлического уравновешивания, различные оси, шейки валов и другие детали. Наблюдения за плунжерами в течение нескольких месяцев показали, что, несмотря на то, что покрытие в процессе работы частично стирается, интенсивного износа плунжеров не наблюдается, на рабочей поверхности нет задиров, рисок, царапин.

Эксперимент, аналогичный приведённому в работе 10 только с более высокими контактными давлениями был осуществлен в работе 11. Условия испытания образцов (см. табл. 3.1) выбирались с учётом тенденции оценить прирабатываемость и износостойкость машиностроительных материалов при возрастающих нагрузках. После каждого этапа испытания прерывались и производились замеры потери образцами своей массы. На верхние ролики пар методом ДПГИ были нанесены медные и полимерные покрытия по следующему режиму: скорость скольжения ворса щётки по поверхности образца - 37,65 м/с, натяг - 0,5 мм, число проходов - 4. Гибкий инструмент был изготовлен из канатной гофрированной проволоки диаметром 0,25 мм. и имел наружный диаметр 250 мм. при длине ворса 60 мм. Элемент из материала покрытия прижимался к щётке с усилием до 50 Н.

Табл. 3.1

Этап испытаний	Ступень испытаний	Длительность испытаний, ч.	Контактное давление, Мпа
I	1 2 3 4	2 2 2 1	400 600 800 1000
II	5 6	2 2	1200 1400
III	7 8	2 2	1600 1800

Результаты показывают следующее. На первом этапе испытаний наибольшую износостойкость показывают образцы с полимерным покрытием, на последующих - с медным. Диаграмма результатов изображена на рис. 3.2.

Микротвердость всех покрытий значительно превосходит микротвердость наносимого металла в исходном состоянии. Так, микротвердость меди перед нанесением покрытия составляла 0,84 Гпа, после же нанесения покрытия - 6,0 Гпа. Такое повышение твердости связано с наклепом, а также с наличием в покрытии большого числа оксидов, образующихся при взаимодействии частиц плакирующего материала с воздушной средой в процессе переноса щёткой.

Повышение износостойкости деталей после проведения деформационного плакирования гибким инструментом объясняется не только получаемой механическими свойствами поверхностного слоя, но и геометрическими параметрами поверхности после плакирования.

Согласно современным представлениям об изнашивании пар трения 13, в начальный период эксплуатации происходит интенсивное изменение состояния контактирующих поверхностей. Этот период носит название периода приработки. В процессе приработки исходный микрорельеф претерпевает качественные изменения: срезаются или сминаются вершины самых высоких выступов, увеличивается площадь фактического контакта с сопрягаемой поверхностью и т.д. Процесс сопровождается постепенным уменьшением коэффициента трения, скорости изнашивания и постепенно заканчивается формированием равновесной шероховатости, соответствующей наименьшему коэффициенту трения и скорости изнашивания. Поэтому, изначально получив микрорельеф поверхности соответствующий равновесной шероховатости можно исключить период приработки и связанный с ним интенсивный износ, т.е. резко повысить долговечность контактирующих деталей.

В работе 14, был проведён эксперимент, в котором сравнивались геометрические характеристики поверхности после приработки с геометрическими характеристиками после плакирования. Для этого на машине трения по схеме диск - колодка испытывались шлифованные диски из стали 45. Колодки были изготовлены из медного сплава с шероховатостью R_a = 2,8 - 3,4 мкм. Усилие прижатия колодок из медного сплава к дискам составляло 2052, 1197 и 342 Н. На графике (рис. 3.3) показано, как изменялись параметры шероховатости в процессе приработки.

Во всех приведённых на рисунке 3.3 случаях высотный параметр R_a убывает в процессе приработки. Шаговый параметр S_m наоборот увеличивается. В работе 13 была выведена эмпирическая зависимость (действующая в определённых пределах), показывающая, что при уменьшении среднего арифметического отклонения профиля R_a и увеличении среднего шага неровностей профиля S_m потери массы у детали уменьшаются.

Согласно данным 12, после проведения нанесения покрытия методом ДПГИ картина изменения параметров микрогеометрии аналогична изменениям при приработке. На шлифованные ролики из стали 12ХНЗА были нанесены покрытия из меди, латуни, бронзы, кадмия и свинца.

В качестве гибкого инструмента использовалась щётка с наружным диаметром 250 мм и ворсом длиной 60 мм. и диаметром 0,25 мм. Скорость скольжения ворса щётки по поверхности образца - 37,65 м/с, натяг - 0,5 мм, число проходов равно четырем. После обработки были определены параметры микрогеометрии и . Результаты измерений представлены в таблице 3.2

Явное сходство изменений микрогеометрических параметров поверхности после приработки и деформационного плакирования гибким инструментом является одной из причин уменьшения износа и времени приработки деталей пар трения, так как после плакирования поверхностному слою придаётся определённый микрорельеф, близкий к микрорельефу, соответствующему равновесной шероховатости.

Табл. 3.3

Материал покрытия	Толщина покрытия h, мкм.	Параметры микрогеометрии
		До обработки	После обработки
		, мкм.	, мкм.	, мкм.	, мкм.
медь	2,7	0,41	60	0,3	129
латунь	2,3	0,40	63	0,36	167
бронза	2,3	0,35	63	0,32	109
кадмий	3,0	0,39	66	0,31	135
свинец	5,1	0,40	72	0,32	109

Кроме этого необходимо отметить, что, так металл при деформационном плакировании гибким инструментом подвергается пластической деформации, то в результате наклепа ему будет присуща некоторая степень упрочнения. Это подтверждается экспериментальными данными, приведенными выше. Таким образом, упрочнение металла является ещё одной причиной повышения износостойкости. Анализ достаточно большого объема исследований показывает, что все технические режимы оказывают определенное влияние на значения характеристик поверхностного слоя. Является возможным подбор технического режима плакирования, при котором будут достигаться необходимые значения характеристик поверхностного слоя, таких как степень наклепа, глубина деформированного слоя и др.

Для оценки возможности придания поверхности антикоррозионных свойств с помощью обработки гибким инструментом были проведены следующие исследования. Для проведения испытаний в качестве материала покрытия использовались алюминий и алюмоцинковые сплавы. Материал покрытия изготовлялся в виде цилиндров или пластин. Состав слитков для материала покрытия приведен в табл. 3.1

Результаты испытаний показывают, что лучшие результаты по коррозионной стойкости труб, покрытых с помощью гибкого инструмента, показывают образцы, покрытые чистым алюминием и сплавом 80% Al и 20% Zn.

Табл. 3.1

№ слитка	Содержание Al, %	Содержание Zn, %
0	100	0
1	95	5
2	90	10
3	85	15
4	80	20

При покрытии чистым алюминием потемнения покрытия не наблюдается, коррозия стали при двух проходах щетки в конце испытаний составила 0,5%; при 4 и 8 проходах - отсутствует. При покрытии сплавом 80% Al и 20%Zn коррозия стали отсутствует, потемнение покрытия составляет 10 - 15%. Это показывает, что метод обработки деталей гибким инструментом может с успехом применяться для защиты различных деталей от коррозии.

Приведенные результаты исследований показывают, что метод деформационного плакирования гибким инструментом может с успехом применяться для повышения износостойкости деталей широкой номенклатуры.

4. Технология плакирования плоских деталей

Явление формирования на поверхности изделия биметаллического слоя из привнесённых гибкими элементами высоконагретых частиц другого материала путём их совместного с основой пластического деформирования, осуществляемого теми же гибкими элементами, определяет суть метода деформационного плакирования гибким инструментом.

Согласно 6, после ДПГИ в поверхностном слое металлических изделий выделяют три отличных друг от друга области: пластически деформированный слой основы, промежуточная область и собственно покрытие. Протяжённость по глубине каждой из этих областей определяется режимами обработки, конструктивными особенностями гибкого инструмента и видом плакируемых материалов.

Нижняя область состоит из сильнодеформированных и измельчённых зёрен материала основы, вытянутых в направлении обработки. Под деформированным металлом основы находится промежуточная область, состоящая из перемешанных при обработке щёткой упрочнённых частиц основы и покрытия, а также разрушенных оксидных плёнок. Она имеет слоистое строение с толщиной отдельных слоёв 1 - 3 мкм. Общая толщина промежуточной области может достигать 10 - 50 мкм.

Верхняя область является собственно покрытием, представляющим собой, согласно 6, механическую смесь сцеплённых между собой и с основой частиц наносимого металла и материала изделия в соотношении 3:1, 4:1.

Значительная практика исследований процесса деформационного плакирования показывает, что, во-первых, не всегда удаётся получить качественное покрытие: в некоторых случаях возникают дефекты в виде чешуйчатости, шелушения или отслоения плёнки покрытия, во-вторых, даже при наличии качественного, бездефектного покрытия, одни режимы проведения ДПГИ приводят к существенному повышению эксплуатационных показателей, а другие даже ухудшают их. В частности возможно повышение более чем на порядок показателя износостойкости плакируемых изделий и в то же время его уменьшение в 1,5 - 2 раза.

В результате многочисленных научных исследований разработан алгоритм для назначения оптимальных и рациональных режимов обработки, связывающий свойства покрытия и основы с режимами, позволяющими таких свойств добиться. Данный алгоритм схематично представлен на рис. 4.1

Алгоритм представляет собой два основных этапа, на каждом из которых последовательно и во взаимосвязи решается ряд конкретных частных задач.

На первом этапе на основе анализа функционального назначения и условий работы изделия определяются значения характеристик поверхностного слоя, которые обеспечивают требуемые эксплуатационные свойства. Решение этих задач осуществляется с использованием данных о взаимосвязи характеристик поверхностного слоя и эксплуатационных свойств изделий.

На втором этапе проводится собственно технологическое проектирование режима ДПГИ. Этот этап включает в себя следующий набор операций:

1. Выбор схемы плакирования. Основываясь на экспериментальных данных, при нанесении никеля, черных и тугоплавких металлов необходимо использовать первую схему ДПГИ, а при плакировании цветными металлами - вторую схему.

2. Оценка тепловых условий реализации ДПГИ. При нанесении покрытий из никеля, черных и тугоплавких металлов крайне необходимо определить значение температуры изделия при данном режиме ДПГИ в зоне контакта со щёткой, которое должно превысить температуру начала термически активированного адгезионного взаимодействия , но быть меньше температуры начала интенсивного окисления. При формировании покрытий из других цветных металлов нужные значения легко достижимы и не требуют специального внимания. В этом случае основным является достижение температур контактной поверхности ЭМП в пределах . Практика показала, что при нанесении полимерных покрытий тепловые состояния изделиё и ЭМП не являются ограничением протекания процесса ДПГИ.

3. Оценка деформационных условий реализации процесса ДПГИ. В случае пластической деформации поверхностного слоя степень использования запаса пластичности должна быть меньше критического значения , иначе происходит растрескивание металла. Такую проверку необходимо производить только для изделий из отожженной и нормализованной стали, т.к. опыт плакирования показывает, что при ДПГИ закалённых и химикотермически обработанных поверхностей деформация, как правило, протекает чисто упруго и .

4. Оценка геометрических (размерных) ограничений применения покрытий. В некоторых случаях определение увеличение размеров за счёт нанесения слоя покрытия может служить ограничением применения ДПГИ. Поэтому необходимо определить толщину получаемого слоя.

5. Оценка долговечности гибкого инструмента. Некорректным и экономически невыгодным было бы использование инструмента с низкой стойкостью, подверженного усталостному разрушению, поскольку разрушение инструмента во время обработки приводит к снижению качества слоя покрытия. Поэтому необходим выбор параметров обработки при которых выполняется условие отсутствия усталостного разрушения ворса.

6. Оценка дополнительных ограничений ДПГИ. Кроме условий, перечисленных в предыдущих пунктах, особенности эксплуатации могут оказывать дополнительные ограничения на процесс ДПГИ.

Произведём назначение режимов нанесения покрытия на направляющие станины токарного станка 1К62 согласно приведённому алгоритму.

Направляющие суппорта токарного станка 1К62 являются направляющими скольжения открытого типа и являются опорой для перемещающейся по ним каретки, воспринимают нагрузку от сложной системы сил, в которую входят сила резания, тяговая сила, перемещающая суппорт, и сила тяжести самого суппорта. Из практики работы станков при условии их нормальной эксплуатации известно, что контактные давления для направляющих составляют 2,5 - 3 Мн/м² [7]. Согласно [7], подавляющее большинство направляющих скольжения станков работают в условиях граничной смазки. Направляющие прямолинейного движения подвержены значительному износу по следующим причинам: невозможности полной изоляции их рабочих поверхностей от попадания отходов обработки (абразивных частиц стружки, окалины и др.). Направляющие станины подвержены процессу коррозии, происходящего из-за того, что на них постоянно проливается СОЖ из зоны резания. Поэтому интенсивность износа растет ещё и по причине коррозии. Учитывая вышесказанное, основными требованиями к поверхностному слою покрытия будут стойкость к износу и коррозии. Для повышения износостойкости доминирующей характеристикой является толщина наклепанного слоя h_н. Допустим требуется получить h_н = 160 мкм.