Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Технологические проблемы обеспечения качества поверхностного слоя деталей машин

Технологические проблемы обеспечения качества поверхностного слоя деталей машин

Обеспечение и повышение качества изделий машиностроения — задача многоплановая. Особую роль в ее решении играет технология машиностроения, так как именно через нее реализуются новые конструкторские разработки, обосновывается заданная точность деталей машин, свойства поверхностного слоя (ПС) и качество сборки.

В процессе эксплуатации ПС деталей подвергается наиболее сильному механическому и физико-химическому воздействию. Поэтому в подавляющем большинстве случаев разрушение деталей начинается с ПС. Характерно следующее высказывание аналитика К.С. Колесникова о роли ПС в проблеме качества машин: "...основными технологическими методами машиностроительных производств создаются машины, которые при рациональных конструктивных формах и правильном выборе материалов могут быть легкими, жесткими и прочными. Однако долговечность работы машин будет зависеть от того, как быстро или медленно будут изнашиваться различные трущиеся поверхности, как быстро или медленно будут возникать и развиваться трещины, особенно при знакопеременных нагрузках, т.е. долговечность будет зависеть от качества ПС детали".

По ПС накоплен большой, но недостаточно обобщенный и систематизированный экспериментальный материал, выполнены серьезные теоретические разработки, в частности по микрогеометрии ПС, которые служат базой для создания рациональных технологических процессов и изготовления деталей различных классов из металлических и не металлических материалов. Однако, актуальность проблемы ПС за последние годы не только не уменьшалась, но еще более возросла. Основными причинами этого являются:

1) повышение требований к качеству машин, в первую очередь к их надежности и долговечности;

2) усложнение условий работы машин в связи с интенсификацией режимов, повышением рабочих параметров, воздействием окружающей среды (высоких температур, давлений, агрессивных сред, вакуума, радиационного облучения и др.);

3) все более широкое использование высокопрочных, жаропрочных, жаростойких, коррозионных и радиационностойких сталей и сплавов, материалов со специальными свойствами в виде монокристаллов и поликристаллов (на основе титана, никеля, кобальта, вольфрама, молибдена, ниобия и др.), которые обладают высокой чувствительностью к состоянию ПС;

4) необходимость изготовления ультрапрецизионных деталей и создания нанотехнологий, обеспечивающих точность деталей, измеряемую микронами, шероховатость и искаженный ПС - нанометрами (10 м), особые физико-химические свойства ПС (отражательную способность, лучевую стойкость, выход электронов и др.).

Одной из основных характеристик физико-химического состояния ПС деталей является значение, знак (растяжение или сжатие) и характер распределения (эпюра) остаточных напряжений. Они оказывают влияние практически на все эксплуатационные свойства деталей, что показано во многих исследованиях.

В связи с повышением требований к точности изготовления деталей увеличением количества маложестких деталей становится актуальной проблема технологических остаточных деформаций деталей. Формирование технологических начальных напряжений, остаточных напряжений и остаточных деформаций деталей необходимо рассматривать как единый взаимосвязанный процесс.

Материал многих высоконагруженных деталей (турбинных и компрессорных лопаток, дисков, лопаток гидротурбин дизелей, деталей атомных, термоядерных установок и др.) работает на пределе своих возможностей. Требуемый ресурс их работы может быть обеспечен только путем создания ПС, обладающего максимальными эксплуатационными свойствами в заданных условиях работы.

В практике было много случаев, когда несоблюдение требуемых свойств ПС приводило к преждевременному, а иногда и к аварийному выходу из строя отдельных деталей машин. Так, уникальный ротор турбогенератора мощностью 1 млн 200 тыс. кВт вышел из строя в первый год работы вследствие усталостного разрушения, причиной которого явилось плохое состояние ПС после фрезерования пазов для обмоток (большое деформационное упрочнение, остаточные напряжения растяжения, шероховатость). Наблюдался массовый выход из строя парогенераторов атомных электростанций из-за разрушений высоко-нагруженных коллекторов с 11 тысячами глубоких отверстий диаметром 16,2 мм. При этом технология обработки обеспечивала заданные конструктором требования по точности и шероховатости поверхности. Но этого оказалось недостаточно. Дальнейшие исследования показали, что для особых условий работы коллекторов парогенераторов АЭС (высокие температуры, давление, вибрации, радиационное облучение, щелевая коррозия и др.) существенное влияние на прочность оказывает не только шероховатость поверхности, но также деформационное упрочнение ПС и технологические остаточные напряжения.

В пластически деформированном металле ПС в условиях радиационного облучения более активно протекают процессы деформационного старения, которые сопровождаются снижением пластических свойств металла, его охрупчиванием (уменьшается относительное удлинение, сужение, ударная вязкость). Остаточные напряжения растяжения интенсифицируют процесс коррозийного растрескивания ПС отверстий. Эти примеры показывают, что для ответственных деталей машин, работающих в сложных эксплуатационных условиях, недостаточно устанавливать и обеспечивать требования к ПС только по параметрам шероховатости: Ra, Rz, Rmах, S, Sm, tp. Необходимо также регламентировать глубину и степень наклепа, остаточные напряжения, вид и размер допустимых поверхностных дефектов, устанавливать методы контроля дефектов.

Исследования показали, что при нерациональных методах и режимах обработки никелевых, титановых, молибденовых, вольфрамовых и других сплавов в ПС могут возникать дефекты в виде прижогов различной интенсивности, слоя с измененной микроструктурой, слоя с измененным химсоставом, микротрещинами, адгезионными налипами, глубокими рисками, шламом во впадинах микронеровностей, кратерами, закрытым "намазанным" металлом.

Шлифовочные прижоги образуются в результате возникновения высоких температур в зоне шлифования. Их появление сопровождается газонасыщением, изменением структуры ПС, образованием больших остаточных напряжений растяжения и микротрещин. Образование прижога на титановых сплавах связано с развитием зоны оксидных, гидроксидных, нитридных пленок и зоны структурно-фазовых превращений. Под ними лежит слой, не имеющий явного кристаллического строения. Глубина этого слоя зависит от интенсивности прижога и составляет десятые и даже сотые доли микрометра. Они обусловливаются среднеконтактными температурами шлифования. При больших скоростях резания (v > 30 м/с), малых продольных подачах (Sпр < < 600 м/мин) и больших глубинах резания (t > 0,01 мм) среднеконтактная температура достигает 950 °С и более, пленки на обработанной поверхности приобретали сине-фиолетовый цвет. Снижение скорости шлифования до 10... 15 м/с практически исключает появление прижогов.

Распространенным видом дефектов поверхности жаропрочных и титановых сплавов являются адгезионные налипы. При малом увеличении они видны на поверхности как многочисленные светлые пятна разной формы и размеров. При большом увеличении на этих белых пятнах просматривается сетка микротрещин, перпендикулярных к следам обработки, что указывает на хрупкий характер разрушений. Налипы представляют собой остатки стружки в виде сильно окисленного и оплавленного металла, попавшего на обработанную поверхность со шлифовального круга.

Налипший металл огибает микронеровности основного металла, провисая и не доходя до дна впадин. Его толщина изменяется от 3...5 мкм (над впадинами) до 15...20 мкм (над выступами). Налипы имеют слабое адгезионное сцепление с основным металлом и микротвердость до 10000 МПа при твердости основного метала 3200 МПа. Налип отличается повышенным содержанием кислорода и пониженным - титана (по сравнению с основным металлом). Дефекты в виде адгезионных налипов имеют место при сухом шлифовании с высокими скоростями резания, когда температура в зоне резания достигает значительной величины, стружка находится в расплавленном состоянии, а зона резания и формирования ПС не очищается от продуктов шлифования (шлама).

Дефекты в виде закрытых "намазанным" металлом кратеров образуются в основном при полировании поропластиковыми и войлочными кругами с наклееным абразивом из электрокорунда белого или карбида кремния зеленого. В зависимости от условий полирования среднеконтактная температура ПС может измениться в пределах 150...200 °С. Уже при этих температурах пластичных титановых сплавов существенно повышается, усиливается адгезионное взаимодействие образивных зерен с обрабатываемым металлом.

В результате выравнивания с ПС блоков зерен при схватывании основного металла с налипшим на абразив образуются кратеры, которые затем закрываются наволакивающимся металлом, налипшим на других абразивных зернах.

"Намазанный" металл ввиду большой пластической деформации и газонасыщения имеет микротвердость до 8000 МПа. Люминесцентный контроль обработанной поверхности не обнаруживает указанных дефектов, так как наволакивающийся металл и кратеры не имеют трещин. Кратеры обнаруживаются только после легкого травления обработанной поверхности специальным раствором.

Исследования под микроскопом показали, что поверхность титановых сплавов после шлифования весьма неоднородна, покрыта нерегулярными впадинами и наплывами, ориентированными в направлении резания. Многие впадины имеют вид узких канавок с рваными краями. Отдельные канавки проникают глубоко в металл, что характерно для сухого шлифования, при котором выпавшие с круга крупные абразивные зерна не смываются с обработанной поверхности, а участвуют в процессе шлифования, образуя глубокие риски.

Отсутствие удаления отходов шлифования ведетктому, что многие микроканавки забиты плотными сгустками шлама, микротвердость которого доходит до 104 МПа. Вследствие боковых пластических деформаций микровыступов при шлифовании края некоторых канавок сходятся и при внешнем осмотре под микроскопом они кажутся меньшей ширины, чем на самом деле. При шлифовании на низких скоростях резания (v < 15 м/с) и с небольшими силами Рyy < 15 Н) изменений в микроструктуре и микротвердости ПС практически не происходит.

Шлифование крупнозернистым кругом со скоростью v = 35 м/с и Рy = 70 Н вызывает существенное изменение микроструктуры ПС на большую глубину. ПС глубиной до 0,05 мм имеет измельченное зерно, которое переходит в крупное зерно и на глубине 0,75 мм принимает структуру основного металла. Несмотря на это, изменение микротвердости обнаружено только на глубине до 0,03 мм, что объясняется интенсивным разупрочнением ПС в результате его нагрева до высоких температур.

Кроме пластических деформаций в ПС титановых сплавов при шлифовании протекают сложные физико-химические процессы: диффузия кислорода, водорода, азота и других элементов; образование оксидов, гидридов, нитридов и других химических соединений, охрупчивающих ПС. В результате интенсивного поглощения водорода при температуре 300 °С, кислорода при 200 °С и азота при 600 °С на поверхности титановых сплавов образуется газонасыщенный слой. Все эти процессы приводят к неоднородным фазово-структурным превращениям в ПС, временным и остаточным напряжениям растяжения, которые могут вызвать образование микротрещин.

Микрорентгеноспектральные исследования состава ПС титановых сплавов после шлифования кругами из карбида кремния зеленого показали наличие кремния в виде отдельных включений, что указывает на адгезионный характер переноса осколков зерен с образивного круга на обработанную поверхность.

В результате большой химической активности на поверхности титановых сплавов всегда присутствует оксидная пленка. После шлифования содержание кислорода в ПС существенно превышает содержание кислорода в поверхностной оксидной пленке. Увеличивается содержание водорода (после точения оно составляло 0, 015 % по сравнению с 0,005 % до точения).

Таким образом, проблема обеспечения требуемого качества ПС и эксплуатационных свойств деталей машин становится все более актуальной. Однако до настоящего времени не разработаны теоретические зависимости между параметрами состояния ПС, эксплуатационными свойствами деталей и параметрами процессов механической обработки, позволяющие решать задачу технологического обеспечения заданных эксплуатационных свойств. Управление технологическими процессами с целью обеспечения требуемого состояния ПС базируется в основном на накопленном производственном опыте и результатах лабораторных исследований, представленных в виде справочного материала и частных имперических формул. Этот ценный материал требует теоретического обобщения и разработки концептуальных положений создания оптимальных технологических процессов обработки деталей, обеспечивающих требуемое качество (точность и состояние ПС), производительность и минимальную себестоимость.

Назрела необходимость сосредоточить внимание на решении следующих задач, связанных с состоянием ПС:

1) установлении теоретических и экспериментальных зависимостей характеристик состояния ПС от методов и режимов обработки с учетом технологической наследственности;

2) теоретическом и экспериментальном исследовании процессов финишной обработки, в частности процессов нанотехнологии и микрорезания; выявлении физической сущности и установлении общих закономерностей формирования ПС с определенной микрогеометрией, физико-химическими свойствами и структурно-фазовым составом;

3) выявлении физической сущности, установлении общих закономерностей влияния характеристик ПС на эксплуатационные свойства деталей;

4) разработке математических моделей, связывающих эксплуатационные свойства деталей с технологическими параметрами их изготовления; создании методических и нормативных материалов по проектированию технологий, обеспечивающих заданные эксплуатационные свойства деталей;

5) создании неразрушающих методов и средств измерения и контроля параметров состояния ПС, как объекта технологического управления качеством обработки деталей и их эксплуатационными свойствами;

6) разработке методологии структурной и параметрической оптимизации технологических процессов обработки деталей по критериям качества и эксплуатационным свойствам с учетом себестоимости обработки, в том числе на решении задач оптимизации в САПР ТП.

А.Н. ОВСЕЕНКО, д-р техн. наук

Приложение. Справочник. Инженерный журнал, №9,2002 стр. 10-12

Статьи партнеров