Учеными и специалистами в области упрочнения деталей разработаны и внедрены эффективные способы, повышающие надежность машин и технологического оборудования в различных отраслях экономики РФ. Понять физическую сущность процессов упрочнения поверхностей концентрированными потоками энергии и комбинированными способами сложно даже ученым, а разобраться и определить эффективное применение этих разработок техническим специалистам на производстве — крайне затруднительно.
При этом машиностроительные предприятия РФ, опирающиеся только на оборудование и технологии конца ХХ века, не в состоянии выпускать конкурентоспособную продукцию.
Цель данной публикации — познакомить руководителей и технических специалистов предприятий с одним из направлений повышения надежности машин и технологического оборудования методом электромеханической обработки (ЭМО), которое уже востребовано со стороны специалистов машиностроения, станкостроения, автомобилестроения, инструментального производства, нефтяных и газовых компаний, сервисных центров по реновации техники, заводов по производству бурового оборудования и ремонтных служб горно-обогатительных комбинатов и др.
Целенаправленно занимаясь вопросами повышения износостойкости, прочности, точности, усталостной долговечности и другими показателями качества машин и технологического оборудования, учеными МГТУ им. Н. Э. Баумана определено наиболее эффективное технологическое направление обработки низкокачественных поверхностей деталей комбинированными потоками электрической энергии и одновременным поверхностным пластическим деформированием, реализованное в технологии ЭМО. Среди широкой номенклатуры деталей, изготавливаемых и восстанавливаемых с низким качеством, значительная часть приходится на следующие их поверхности:
— посадочные места валов и отверстий под подшипники качения;
— шпоночные пазы валов и ступиц шкивов, звездочек, зубчатых колес;
— посадочные места валов под подшипники скольжения;
— зубья звездочек цепных передач;
— наружные и внутренние шлицы;
— плоские поверхности;
— зубчатые профили;
— отверстия;
— резьбы.
Анализ причин износа вышеперечисленных деталей указывает прежде всего на необходимость целенаправленного технологического воздействия на наиболее нагруженные поверхности, а зачастую и отдельные участки поверхностей с целью получения более высоких показателей качества поверхностного слоя.
Учитывая широкое применение в экономике России машин и технологического оборудования ведущих мировых компаний, остро стоит вопрос обеспечения их ремонта. Отсутствие в машиностроении и тем более в ремонтном производстве оборудования и технологий для качественного изготовления и восстановления деталей с низкой долговечностью приводит к необходимости использования традиционных способов реновации машин сваркой, наплавкой, напылением.
Технология ЭМО и ее направления основаны на использовании инновационного оборудования, приспособлений и инструмента для выполнения операций поверхностной закалки, отделочно-упрочняющей обработки и упрочняющего восстановления деталей концентрированным потоком электрической энергии промышленной частоты (50 Гц).
При электромеханической поверхностной закалке (ЭМПЗ) заготовку зажимают в патрон токарного станка и сообщают ей главное движение вращения (рис. 1). Инструментальный ролик поджимают к поверхности заготовки с фиксированной силой и сообщают ему движение подачи для вращения вокруг своей оси. В зоне контакта инструментального ролика с обрабатываемой поверхностью, в связи с подводом электрического тока силой до 2000 А, происходит нагрев локальной области заготовки до температуры 900…1100°С и быстрое охлаждение поверхностного слоя. Размеры зоны нагрева поверхности зависят от технологических факторов обработки: усилия прижатия инструмента к детали, формы и размера инструментального ролика, подачи, твердости обрабатываемого материала, режимов обработки.
Рис. 1. Фрагмент размещения оборудования электромеханической обработки на токарно-винторезном станке
При ЭМПЗ наибольшее влияние на формирование структуры и, как следствие, свойств поверхностного слоя деталей оказывает температура в зоне контакта «инструмент — поверхность», обусловленная электрическим током в результате преобразования электрической энергии в тепловую. Поэтому наиболее приоритетным при ЭМПЗ следует признать повышение износостойкости и прочности деталей машин.
ЭМПЗ с успехом подвергают конструкционные малоуглеродистые, среднеуглеродистые, высокоуглеродистые и инструментальные стали, легированные стали и сплавы, чугуны (серый, специальный, нирезист), наплавленные и напыленные металлопокрытия (рис. 2). Эффект ЭМПЗ в ряде случаев позволяет исключить из хода технологического процесса изготовления деталей цементацию, нитроцементацию, азотирование (замена сталей типа 20ХГН, 20Х2 Н4 МА, 25ХГМ, 35ХГМ, 38ХЮА) поверхностной закалкой сталей 40Х, 45, 45Х, 50Х, У8, ХВГ на твердость 60…65 HRC. Глубина упрочнения при ЭМПЗ варьируется в широких пределах и в зависимости от обрабатываемой поверхности может составлять 0,1…2 мм.
Рис. 2. Структура стали 40 после электромеханической поверхностной закалки х 100
Процессы ЭМПЗ подразделяются на технологии, требующие последующей механической обработки точением, шлифованием, хонингованием и финишные операции. Причем в первом случае обработка может производиться на одном станке с одного установа, т. е. не меняя базирования заготовки. Это позволяет использовать ЭМПЗ для изготовления деталей на станках с ЧПУ, повышать точность и снижать себестоимость обработки.
Финишные методы ЭМПЗ эффективны для упрочнения сложных по профилю поверхностей (наружная и внутренняя резьба бурильных и насосно-компрессорных труб, шлицы, шпоночные пазы, зубчатые колеса, звездочки). Положительным моментом ЭМПЗ является отсутствие окисления и обезуглероживания поверхностного слоя, коробления и поводки поверхностей и деталей, получения градиентных слоев металла и мелкоигольчатого мартенсита.
Направления практического применения ЭМПЗ:
— отверстия (втулки, гильзы стаканы);
— посадочные места валов под подшипники качения (шпиндели, валы, валы-шестерни);
— наружные гладкие цилиндрические поверхности (штоки, оси, штанги), рис. 3;
— зубчатые профили (шестерни, валы-шестерни, зубчатые колеса), рис. 4;
— зубья звездочек цепных передач;
— наружные шлицы и внутренние шлицы;
— посадочные места валов под подшипники скольжения (коленчатые валы);
— резьба наружная (валы, болты, шпильки, бурильные трубы, насосно-компрессорные трубы, переводники);
— резьба внутренняя (бурильные трубы, муфты НКТ);
— шпоночные пазы валов;
— шпоночные пазы ступиц;
— плоскости (планки, клинья, направляющие станков, плиты);
— наплавленные поверхности;
— поверхности после напыления.
Рис. 3. Контроль твердости
Рис. 4. Деталь с зубчатым профилем после ЭМО
При отделочно-упрочняющей электромеханической обработке (ОУЭМО) решена задача создания единого технологического комплекса операций механической, термической и финишной отделочно-упрочняющей обработки заготовок и деталей на станках общего и специального назначения.
За один ход инструмента процессы ОУЭМО обеспечивают поверхностную закалку, формирование оптимальной высоты и формы микронеровностей, создают остаточные сжимающие напряжения, формируют благоприятную текстуру волокон металла в опасных сечениях, приводят к мелкодисперсной структуре мартенсита или гарденита.
Процессы ОУЭМО не только повышают качество поверхностей, снижают себестоимость изготовления деталей, но и позволяют получить свойства, недоступные при применении других методов обработки. Формируя за один ход инструмента высокие показатели качества поверхностного слоя, ОУЭМО заменяет термическую обработку, шлифование и методы поверхностного пластического деформирования. Поверхности деталей после ОУЭМО имеют высокую износостойкость, прочность, усталостную долговечность, сохраняют высокую пластичность внутренних слоев металла.
Направления практического применения ОУЭМО:
— отверстия;
— посадочные места валов под подшипники качения и скольжения;
— резьба наружная (болты шатунные, шпильки, ответственный крепеж, НКТ);
— резьба внутренняя (корпус электропогружного насоса);
— галтели валов и отверстий.
При отделочно-упрочняюще-калибрующей электромеханической обработке (ОУКЭМО) помимо эффектов ОУЭМО происходит исправление или целенаправленное формирование геометрических параметров поверхностей, например боковых витков или впадины резьбы, твердосплавным инструментом по схеме трения скольжения.
Эффективно применение процессов электромеханического дорнования (ЭМД), при которых повышается точность изготовления отверстий в продольном и поперечном направлениях, а также происходит поверхностная закалка, вследствие чего увеличивается износостойкость деталей.
При упрочняющем электромеханическом восстановлении (УЭМВ) воспроизводят геометрические параметры изношенных поверхностей, а также обеспечивают одновременную поверхностную закалку с формированием оптимальной шероховатости и текстуры волокон металла за счет пластического термомеханического перераспределения материала.
Направления практического применения УЭМВ:
— отверстия;
— посадочные места валов под подшипники качения и скольжения;
— резьба наружная;
— резьба внутренняя;
— подготовка поверхностей под напыление.
Каждое из вышеперечисленных направлений ЭМО (ЭМПЗ, ОУЭМО, ОУКЭМО, ЭМД, УЭМВ) реализовано и апробировано при выполнении научно-исследовательских и опытно-экспериментальных работ для предприятий Москвы, Тольятти, Самары, Сызрани, Ульяновска, Александрова, Чебоксар, Перми, Первоуральска, Тюмени, Нижневартовска, Мирного (Саха-Якутия), Республики Татарстан. Оборудование, инструменты и оснастка внедрены на предприятиях РФ при изготовлении и восстановлении деталей машин и технологического оборудования.
В целях повышения качества подготовки технических специалистов разработаны и проводятся лабораторные и семинарские занятия со студентами и магистрами в МГТУ им. Н. Э. Баумана, РГАУ МСХА им. К. А. Тимирязева, Ульяновской ГСХА им. П. А. Столыпина, Белгородской ГСХА им. В. Я. Горина и других.
С. К. Федоров, д. т.н., профессор, МГТУ им. Н. Э. Баумана, momd@yandex.ru
Л. В. Федорова, д. т.н., профессор, МГТУ им. Н. Э. Баумана
А. В. Садовников, генеральный директор ООО «Материалы, технологии, сервис», г. Москва
Ю. С. Иванова, к. т.н., доцент, МГТУ им. Н. Э. Баумана
А. М. Ломпас, М. В. Власов, аспиранты МГТУ им. Н. Э. Баумана
