Пластическое деформирование: сущность, особенности

3.3. Финишная антифрикционная безабразивная обработка (ФАБО)

В настоящее время широко распространены методы, заключающиеся в перешлифовке, расточке или хонинговании деталей под ремонтный размер, вследствие относительной простоты и низкой стоимости. Однако при их осуществлении происходит удаление и изменение термообработанного поверхностного слоя обрабатываемых деталей. При этом в стружку переводится не только конструкционный материалах, но и уничтожается фактически заложенный в изделие ресурс.

Важнейшее значение для  получения высокой износостойкости  трущихся поверхностей имеет вид их окончательной абразивной обработки для снижения параметра их шероховатости (тонкое шлифование, плосковершинное хонингование, суперфиниширование, полирование и т. д.), поэтому работы, направленные на повышение качества окончательной механической обработки трущихся деталей, имеют одно из первостепенных значений.

Для этих целей в промышленности широко применяется метод нанесения медьсодержащих покрытий трением - финишная антифрикционная безабразивная обработка (ФАБО).³³

Сущность ФАБО заключается во фрикционном нанесении (при помощи трения) покрытий из пластичных металлов в присутствии специальной технологической среды на трущиеся поверхности деталей, таких как шейки коленчатого вала, гильзы цилиндров, различного вида штоки, пальцы и ряд других.

ФАБО применяется в  целях снижения интенсивности изнашивания, повышения задиростойкости трущихся поверхностей и интенсификации процессов образования «сервовитных» пленок в период приработки после изготовления или ремонта изделия. Впервые данный метод нанесения покрытий (фрикционное латунирование) предложен Д.Г. Гаркуновым и В.Н. Лозовским.

Основные способы ФАБО рядом авторов условно делятся  па две группы:³⁴

1. Нанесение металлических покрытий фрикционно-механическим способом инструментом из медьсодержащего сплава (фрикционное латунирование, бронзирование и меднение):
• фрикционно-химическим способом (ФАБО в металлоплакирующих средах, содержащих в своем составе различные ПАВ и соли металлов, способных к восстановлению на обрабатываемых поверхностях при воздействии роликов, дисков, брусков, щеток, тампонов и т.д. из неметаллического инструмента);
• фрикционное нанесение покрытий из пластичных сплавов в металлоплакирующих средах.
2. Нанесение слоистых твердосмазочных покрытий в виде графита, дисульфида молибдена и других соединений контактным намазыванием различными методами.

К разновидностям ФАБО относятся:

• химико-механическое нанесение покрытий (Россия);
• нанесение покрытий трением с применением щетки (ФРГ);
• натирание поверхности латунью (Россия);
• электростатическое нанесение покрытий трением (Швейцария);
• механическое нанесение латунных покрытий трением (механическое латунирование) в среде глицерина (ФРГ, Россия);
• химико-механическое латунирование с применением медьсодержащего вспомогательного материала FPT 1 (ФРГ).

Две последние технологии объединяют упрочнение подповерхностных областей с нанесением покрытий трением. Использование этих технологий имеет такие достоинства, как: небольшие затраты расходных материалов и электроэнергии; стабильно высокое качество покрытия, в том числе и при некоторых отклонениях условий нанесения покрытий от оптимальных; автоматизация процесса; экологическая чистота; высокая экономическая эффективность.

Принцип обоих этих способов латунирования состоит в том, что натирающий латунный элемент (стержень или трубка), вращаясь относительно своей продольной оси при относительно малом усилии нажатия (табл. 4) и в присутствии вспомогательного рабочего материала (глицерина или материала FPT 1), натирает на подлежащую покрытию стальную или чугунную поверхность слой латуни. В результате одновременно происходит упрочнение подповерхностной области основного материала на глубину 70...80 мкм, вследствие высокого удельного давления в месте линейного контакта (рис. 24).³⁵

Рис. 24. Нанесение покрытий натиранием пластичных металлов: 1 - латунируемая деталь; 2 -подвижный центр задней бабки; 3 -латунный пруток; 4 - винт, закрепляющий латунный пруток; 5 - плунжер; 6 - спиральная пружина; 7 - резьбовая пробка; 8 - корпус; 9 - центр, закрепленный в патроне

 

Таблица 4

Режимы латунирования

Материал		Режим обработки
детали	покрытия		S,мм/об	P, МПа	I, рабочих ходов	Технологическая среза
сталь 45 чугун СЧ-32	медь бронза латунь	0,15 0,20 0,20	0,2 0,2 0,2	80…100 60…80 40…70	3…4	Глицерин FPT 1 СФП-2

 

За рубежом наибольшее применение технологии ФАБО получили в бывшей ГДР. Работы в данном направлении велись под руководством д.т.н., профессора Г. Польцера в Высшей технической школе г. Цвиккау. В настоящее время в ФРГ также на ряде предприятиях применяют механическое' фрикционное латунирование с использованием технически чистого глицерина к химико-механическое латунирование в присутствии вспомогательного материала РРТ 1. Эти работы проводятся в целях:

• уменьшения склонности к схватыванию (свариванию) стальных и чугунных пар фения, таких как гильзы цилиндров ДВС и др.;
• уменьшение износа трущихся соединений с фрикционными латунными покрытиями на 20...50 %.³⁶

Проведенные в Восточной  Германии с 1978 г. фундаментальные и  прикладные исследования установили, что при использовании высоколегированных СМ достигаемый благодаря фрикционному латунированию эффект ниже, чем при использовании низколегированных СМ. Это обусловило внедрение разработанной технологии в практику главным образом для условий использования низколегированных сталей.

Практически во всех технологических жидкостях используется глицерин, который в результате трибодеструкиии на поверхностях контактирующих тел (деталь-инструмент) окисляется в глицериновый альдегид, акролеин, формальдегид, глицериновую кислоту и другие продукты с меньшей, чем у глицерина молекулярной массой.

При фрикционно-химическом нанесении покрытий в металлоплакируюших средах используются различные соли пластичных металлов, например, хлорид меди (II). В процессе обработки происходит гидролиз солей с образованием кислот:

Cl+2 O > 2HCl + СuО + ;

Образовавшаяся соляная  кислота способствует удалению оксидных пленок, а на обрабатываемой поверхности  в результате взаимодействия с оксидами железа образуются защитные слои из хлоридов железа.

Происходит восстановление продуктов коррозии и растворение  активных металлов и их соединений: Взаимодействие продуктов превращения глицерина и других органических веществ, содержащихся в технологических средах, приводит также к образованию высокомолекулярных соединений и полимеров трения.

Таким образом, при ФАБО на обрабатываемой поверхности формируются равномерные антифрикционные покрытия из пластичных металлов и полимерных цепей. В процессе эксплуатации, под действием ПАВ, содержащихся в моторном масле, происходит избирательное растворение нанесенного материала с образованием тонких медных покрытий с высокими антифрикционными и противоизносными свойствами.

Литературно-патентный анализ имеющихся составов позволил сформулировать основные функциональные требования, предъявляемые к технологическим жидкостям (средам):

• содержание в составе достаточного количества ПАВ, позволяющих разрыхлить оксидные пленки и пластифицировать обрабатываемую поверхность и натирающий инструмент;
• присутствие органических материалов, в процессе нанесения способных при взаимодействии с другими компонентами состава, к полимеризации и образованию на поверхности медьсодержащего покрытия полимерной пленки;
• наличие соединений металлов (в основном пластичных) для получения композиционных покрытий с заданными свойствами (металлоплакирующие среды);
• компоненты среды должны находиться в растворенном виде для обеспечения хорошей транспортируемости состава подающими устройствами в зону обработки, для чего необходим соответствующий универсальный растворитель.

В то же время, к технологическим  жидкостям для ФАБО трущихся поверхностей предъявляется еще ряд технологических требований: ³⁷

• оптимальная вязкость;
• безопасность обращения;
• стабильность;
• низкая коррозионная активность и ряд других.

Однако главным критерием качества технологической среды является комплекс триботехнических свойств покрытий, получаемых с ее использованием. Триботехнические свойства покрытий, в свою очередь, оцениваются по следующим основным показателям:

• равномерность нанесенных покрытий;
• маслоемкость (пористость);
• шероховатость;
• толщина покрытия;
• износостойкость.

В настоящее время  разработана и изготовляется группа отечественных технологических жидкостей СФП-2 и СФП-3, в достаточной степени удовлетворяющая приведенным выше требованиям. В качестве прототипа для их создания взята технологическая жидкость FPT 1, разработки профессора Г. Польцера (г. Цвиккау, Германия).

Среда СФП-2 содержит глюкозу, глицерин, хлорид олова или цинка  в воде, а состав СФП-3 включает в  себя соляную кислоту, соли никеля, олова, меди, а также глицерин и глюкозу, растворенные в воде.

Процесс нанесения покрытия осуществляется за счет переноса металла  натирающего инструмента в присутствии данных технологических сред, а восстановление и осаждение содержащихся в них солей, позволяет получить композиционное покрытие с высокими антифрикционными и противозадирными свойствами.

Использование в качестве восстановителя глюкозы, позволяет  активизировать процесс фрикционного натирания, уменьшить давление натирающего инструмента и увеличить скорость обработки. Глюкоза в определенных условиях способна к образованию полимерных пленок в результате трибохимических реакций на поверхности обрабатываемых деталей.

Количественное содержание глюкозы ниже 0,5 % не обеспечивает восстановление достаточного количества металла из состава. Содержание составляющей более 10 % не улучшает свойств покрытия и ведет к ее перерасходу.

Содержание глицерина  в количестве 35...50 % обеспечивает оптимальную вязкость состава и необходимую концентрацию поверхностно-активных веществ в результате трибодеструкции глицерина при трении.

Количественное содержание солей металлов определяется следующим. Содержание солей ниже 1,5 % не обеспечивает формирование равномерного покрытия по толщине и поверхности, что снижает противозадирные и противоизносные свойства обработанной детали. Содержание солей выше 15 % приводит к усилению коррозии обрабатываемой поверхности и самого покрытия, вследствие увеличения концентрации ионов хлора.

Наличие в составе  СФП-3 соляной кислоты в количестве 1...3 % масс, обеспечивает более быстрое разрушение на обрабатываемой поверхности оксидных пленок,

Вода оказывает охлаждающее  действие, обладает хорошей растворяющей способностью по отношению к другим компонентам состава и позволяет регулировать вязкость состава, что не создает трудностей с использованием технологической среды в циркуляционных системах подачи СОТС станков.

3.4. ФАБО гильз цилиндров

На рис. 25 приведена  схема фрикционного латунирования  втулки. Приспособление с латунным прутком крепят в борштанге, установленной в резцедержателе токарного станка. В процессе латунирования латунный пруток прижимается к поверхности с усилием, соответствующим давлению 70 МПа, и перемещается вдоль втулки с подачей 0,2 мм/об. Втулка, закрепленная в патроне токарного станка, вращается со скоростью 0,3 м/с. Среда, состоящая из глицерина и активатора, подается в зону латунирования обычной капельницей.³⁸

Рис. 25. Схема фрикционного латунирования втулки: 1 - токарный патрон; 2 - втулка; 3 - латунный пруток; 4 - приспособление; 5 - борштанга; 6 - держатель токарного станка

 

Режим фрикционной обработки прутковым инструментом следующий: окружная скорость поверхности детали 0,15...0,3 м/с; давление прутка 102... 150 МПа; продольная подача прутка 0,1...0,2 мм/об; число рабочих ходов 1 ...2; толщина покрытия при использовании латуни Л62 или ЛС59-1 -2...3 мкм, меди или бронзы - 1...2 мкм.