Эффективность полирования свободным абразивом, т. е. достижение высоких параметров поверхности и производительности зависит в основном от технологической среды, которая включает полировальник, абразивную и неабразивную составляющие технологического состава и материал обрабатываемый заготовки.

По эксплуатационным характеристикам и конструкции полировальники можно разделить на две группы: мягкие и композиционные. Мягкие полировальники классифицируются на замшевые, войлочные, фетровые, кожаные, резиновые, бумажные; композиционные -- на пекоканифольные, полимерные и комбинированные.

Основные требования, предъявляемые к полировальникам:

1) высокая износостойкость;

2) оптимальный модуль упругости материала;

3) оптимальная текстура, обеспечивающая хорошее закрепление абразивных зерен и их подачу в зону обработки;

4) оптимальная толщина, обеспечивающая необходимую форму обрабатываемой поверхности и ее физико-химические свойства;

5) стойкость к агрессивным полирующим составам.

Особое место среди полировальников занимают композиционные полировальники, а также полировальники из замши, которые нашли наибольшее применение для обработки лазерных зеркал, магнитных дисков, подложек микросхем. Композиционные полировальники на смоляной основе могут обеспечить хорошее качество поверхности при длительном полировании абразивными суспензиями, так как их поверхностный слой быстро насыщается шаржированными частицами абразива и практически мало изнашивается, они легко принимают требуемую форму.

Условия взаимодействия абразивных зерен с материалом заготовки и полировальника зависят от свойств и состояния всех техно-элементов системы: полировальник -- абразивная прослойка - заготовка.

При полировании незакрепленным абразивом поверхности заготовок деталей с высокой отражательной способностью применяют различные полировальники, например из технической шерсти, фторопласта, полихлорвинила или пекоканифольной смолы.

Полировальные составы применяют в виде твердых мазеобразных паст, суспензий. Физико-механические свойства основных абразивных материалов, выпускаемых промышленностью, приведены на рис. 14.

Промышленность изготовляет абразивные микропорошки с размерами зерен до нескольких десятков микрометров (рис. 15).

При выборе абразивных составляющих следует учитывать размер, форму и твердость абразивных частиц, так как с увеличением их размера и твердости скорость съема материала возрастает, но одновременно ухудшаются физико-химические параметры поверхности, шероховатость и глубина дефектного слоя.

Рис. 14. Физико-механическое свойства абразивных материалов

Рис. 15. Зернистость микропорошков и размер зерен

Полирующая способность абразивов определяется начальной формой зерен и динамикой их изменения в процессе обработки. Предпочтительной, с точки зрения производительности обработки, является остроугольная пластинчатая форма частиц, а для уменьшения шаржируемости -- овализированная или круглая форма.

Концентрация абразива в полировальных составах может достигать 70%. Оптимальная концентрация порошков зависит от их химической активности, твердости обрабатываемого материала и других факторов. Оптимальное количество абразивных частиц в суспензиях можно определить по максимуму коэффициента абразивного взаимодействия(6).

К_i = n_i/Sхkt (6)

где n_i - число зерен, попавших на элементарную площадку обрабатываемой поверхности;

х - скорость истечения суспензии м/с;

k - концентрация абразива в суспензии; / - время переноса через элементарную площадку, с;

S - подача.

Соотношение количества жидкости (Ж) и микропорошка (Т) в суспензиях изменяется в широких пределах -- от 2 : 1 до 60 : 1.

Важным свойством абразивных зерен является степень гидрофобности их поверхностей. Плохая смачиваемость жидкостных абразивных частиц и отсутствие между ними и полировальником жидкостной прослойки улучшают сцепление абразива с полировальником и условия удаления с поверхности. Например, гидрофобизация порошков растворами, содержащими олеиновую кислоту, является очень эффективной. Мягкие абразивные материалы на основе окислов, особенно металлов с переменной валентностью, способны оказывать на обрабатываемую поверхность химическое воздействие с образованием преимущественно на микровыступах поверхности окисной пленки, облегченное удаление которой улучшает качество полирования как мягких, так и твердых материалов.

Для улучшения качества поверхности абразивные зерна подвергают корректированию формы различными методами, например методом механической (вариант А) или термической (вариант Б) овализации. Геометрия зерен существенно влияет на характер физико-механических явлений, что может значительно улучшить эксплуатационные характеристики. Такому корректированию (овализации) подвергаются и алмазные микропорошки, часто применяемые для изготовления деталей. Они изготовляются из синтетических алмазов АСМ и АСН и природных алмазов AM и АН.

Твердые абразивные материалы, особенно алмазные микропорошки, проверяют на соответствие содержанию основных, крупных и мелких фракций зерен.

Для наноабразивной обработки созданы ультрадисперсные абразивы оксида алюминия сферической формы с размером зерен около 0,1 мкм (100 нм), полученных газодисперсным синтезом (ГДС). Стандартный химический анализ такого абразива: AI₂O₃ -- 99,80%, MgO - 0,03%, SiO₂ - 0,05%, Fe₂О₃ - 0,06%, ТiO₂ - 0,05%, СаО - 0,01%.

Суть метода ГДС заключается в синтезе ультрадисперсных порошков в зоне горения ламинарного двухфазного факела газовcмесей металлических порошков в кислородсодержащем газе.

Жидкость в абразивных составах обеспечивает транспортировку абразивных зерен в зону обработки ,с равномерным распределением их по поверхности, удаляет шлам, охлаждает полировальник и деталь, химически взаимодействует с материалом для облегчения его удаления с поверхности. Эти функции могут быть реализованы, если жидкость имеет малую вязкость, большую теплоемкость, плохо смачивает полировальник и абразивные частицы, обладает достаточной химической активностью. В качестве жидкости в полирующих суспензиях используют воду, керосин, скипидар, спирт, машинное масло, ПАВ, щелочные растворы и др.

В абразивных пастах неабразивная часть содержит смесь вспомогательных веществ, которые формируют жировую основу пасты, служат связующими веществами, химически активными добавками, растворителями. Это, прежде всего, стеариновая и олеиновая кислоты, церезин, парафин, костное, вазелиновое, машинное масла, говяжий жир, канифоль, солидол, пчелиный воск, петролатумы, скипидар, керосин. Олеиновая и стеариновые кислоты выполняют функции химически активных добавок, ПАВ и в некоторой степени смазок. Парафин, стеарин, вазелин, пчелиный воск, петролатум создают требуемую вязкость и служат загустителями; пасты, масла, жиры, керосин, скипидар, олеиновая кислота уменьшают поверхностную энергию материалов и облегчают условия диспергирования. Керосин, скипидар, бензин, дибутилфталат, этиленгликоль, асидон, глицерин, изопен, касторовое, костное, веретенное масла служат растворителями и разбавителями в пастах. С увеличением вязкости пасты шероховатость обработанной поверхности возрастает. Оптимальной считают плотность абразива 0,1-0,2 г/см³.

Важным параметром материалов связок абразивных паст является температура испарения. При медленном испарении связки в составе абразива оказывается большое количество разрушенных и истративших свою режущую способность частиц, что приводит к засаливанию и снижению скорости съема. При слишком быстром испарении связки происходит преждевременное сбрасывание работоспособных частиц с полировальника. Учитывая, что процесс полирования абразивными суспензиями сопровождается как динамическим, так и физико-химическим воздействиями с помощью неабразивной среды, при ее подборе следует учитывать следующие основные требования:

1) необходимое и достаточное поверхностное натяжение;

2) хорошую смазочную способность;

3) отсутствие окисления обрабатываемой поверхности в процессе обработки;

4) экологическую чистоту.

1.3.5 Суперфиниширонание

Суперфиниширование -- процесс доводочной абразивной обработки поверхностей деталей с использованием в качестве инструмента мелкозернистых абразивных брусков. Характерным признаком процесса суперфиниширования является колебательное движение брусков с частотой 10 ... 50 Гц (600 ... 3000 дв. ходов/мин) и амплитудой заготовки в пределах каждого оборота на 360°. Применение микропроцессора, аксиально-поршневого гидромотора для привода вращения заготовки позволяет поддерживать заданную объемную интенсивность съема металла на всех участках профиля и обеспечивают плавность движения в точках изменения радиусов кривизны (например, при переходе от начальной окружности радиуса r₀ к боковым участкам с большими радиусами кривизны). 2 ... 5 мм. Схема процесса приведена на рис. 16.

Рис. 16. Схема процесса суперфиниширования: 1 - заготовка, 2 - брусок, n_б, а - частота и амплитуда колебаний бруска, х_ок - окружная скорость заготовки, х_ос - скорость движения осевой подачи

Колебательное движение брусков может быть не только прямолинейным, но и в виде качаний с дуговой траекторией, например, при обработке дорожки качения кольца шарикоподшипника (рис. 17). Заготовка, как Правило, совершает вращательное движение. В ряде случаев необходимо движение осевой подачи, которое совершает либо брусок (рис. 17, а), либо заготовка (при бесцентровой схеме обработки).

Рис. 17. Схемы различных операций суперфиниширования: а - в центрах; б - бесцентровое; в - внутреннее; г - с угловыми колебаниями; д, е - торцовое

Физическая сущность процесса суперфиниширования заключается во взаимодействии с обрабатываемой поверхностью одновременно большого количества (4 * 10² ... 5 * 10³ 1/мм²) мельчайших (3 ... 40 мкм) абразивных частиц. Основными видами взаимодействия являются процессы микрорезания металла со снятием тончайших стружек и трения-выглаживания с пластическим оттеснением металла. Преобладание того или иного вида взаимодействия может быть достигнуто путем соответствующего выбора оптимальных характеристик брусков и режимов обработки. Наиболее эффективный рабочий цикл суперфиниширования состоит в последовательном осуществлении этапов интенсивного стабильного микрорезания со скоростью съема металла до 0,5 ... 3 мкм/с и последующего трения-выглаживания, при котором съем металла резко уменьшается, но одновременно существенно улучшается качество поверхности, включая состояние поверхностного слоя металла.

Схема такого рабочего цикла, отражающая изменение съема металла и параметров шероховатости, приведена на рис. 18.

Суперфиниширование следует применять для решения следующих технологических задач:

- уменьшения отклонений от круглости до 0,3 ... 0,5 мкм, волнистости до 0,05 ... 0,10 мкм;

- получения параметра шероховатости поверхности Ra = 0,03 ... 0,06 мкм;

- значительного увеличения фактической опорной поверхности;

- удаления дефектного слоя от предшествующих операций шлифования, получение поверхностного слоя металла с характеристиками, улучшающими эксплуатационные свойства деталей.

Рис. 18. Схема изменения съема металла (1) и параметров шероховатости поверхности (2) в двухстадийном рабочем цикле суперфиниширования

Ф_рез - время этапа микрорезания;

ф_тр - время этапа трения - выглаживания.

Суперфиниширование целесообразно применять в качестве финишной технологической операции, в основном, при обработке наружных поверхностей деталей, работающих в условиях трения скольжения или качения; в ряде случаев суперфинишированием обрабатывают также внутренние и торцовые поверхности. Основные схемы операций суперфиниширования приведены на рис. 17. Обрабатываемая деталь может быть установлена в центрах (рис. 17, а), либо на опорньгх валках при бесцентровой схеме (рис. 2.2.23, б). Находит применение также процесс торцового суперфиниширования (рис. 17, д, ё).

Процесс суперфиниширования, как окончательная технологическая операция, широко распространен в следующих областях:

- в производстве подшипников качения при обработке дорожек качения колец, а также при обработке цилиндрических, конических, бомбинированных роликов;

- в производстве двигателей внутреннего сгорания при обработке коленчатых и распределительных валов, клапанов, поршневых пальцев;

- в автомобильном и тракторном производстве при обработке валов коробок скоростей, штоков амортизаторов;

- в производстве топливной и гидроаппаратуры при обработке плунжеров, золотников; в станкостроении при обработке шпинделей, пинолей.

Бруски для суперфиниширования. Для обработки деталей из термообработанных сталей используются бруски из традиционных абразивных материалов -- электрокорунда и карбида кремния, причем бруски из карбида кремния применяют на окончательных операциях (переходах). Для обработки наиболее твердых (не менее 60 HRCg) сталей, а также твердых покрытий (хромирование, плазменные) весьма эффективными являются бруски из кубического нитрида бора (наиболее широко известного под маркой "эльбор"). Для обработки твердосплавных и керамических деталей наиболее эффективны бруски из синтетического алмаза. При необходимости суперфиниширования деталей из цветных сплавов применяют бруски из карбида кремния. Бруски для суперфиниширования в большинстве случаев изготовляют из микропорошков зернистостью М28-М7 (для сверхтвердых материалов обозначения 40/28 ... 7/5), размер частиц основной фракции которых составляет, соответственно, 20 ... 28 мкм и 5 ... 7 мкм. В особых случаях обработки используют бруски зернистостью М5 и МЗ (5/3 и 3/1) с размерами частиц основной фракции 3 ... 5 мкм и 1 ... 3 мкм. Выбор зернистости бруска тесно связан с требованиями к параметрам шероховатости поверхности (рис. 19).

Рис. 19. Рекомендации по выбору зернистости брусков

Бруски из электрокорунда и карбида кремния изготовляют, как правило, на керамических связках; на окончательных, полировальных переходах используют также бруски на бакелитовой связке с графитовым наполнителем. Бруски из эльбора изготовляют на керамической связке, алмазные бруски -- на металлической связке и на органических (каучуксодержащих) связках, придающих бруску эластичность. Широко используется пропитка брусков серой, что уменьшает хрупкость брусков, предотвращает их сколы, значительно повышает износостойкость брусков, т.е. увеличивает их ресурс, улучшает качество обработанной поверхности. Важным показателем качества брусков является их твердость, которая контролируется прямым методом на приборе "Роквелл", а также косвенным акустическим методом с помощью приборов "Звук". Абразивные бруски на керамической связке применяют, как правило, степеней твердости ВМ1-ВМ2 и мягче (показатели по прибору "Звук" -- звуковые индексы -- в пределах 25-33). Бруски из эльбора на керамической связке имеют твердость степеней СТ1-Т1, обеспечивающую оптимальное сочетание режущей способности и износостойкости.

Суперфиниширование с дополнительным наложением ультразвуковых колебаний позволяет повысить скорость съема металла в 1,4- 1,7 раза, полностью исключить налипание частиц металла на рабочую поверхность бруска, что особенно важно при обработке вязких сталей и сплавов (коррозионно-стойких, цветных, титановых).

Ультразвуковые колебания с частотой 18 ... 22 кГц и амплитудой 5 ... 10 мкм, как правило, сообщаются бруску, для чего державка с наклеенным бруском плотно соединяется с торцом концентратора ультразвуковой системы, работающей от специального генератора.

Наложение ультразвуковых колебаний снижает силы резания в 1,3-2 раза, причем больший эффект достигается с увеличением амплитуды колебаний. С целью повышения износостойкости бруска рекомендуется при суперфинишировании с ультразвуковыми колебаниями применять бруски повышенной твердости. Для уменьшения шероховатости поверхности заключительный этап цикла обработки следует выполнять с отключением ультразвуковых колебаний.

Повышение эксплуатационных свойств деталей, обработанных суперфинишированием, обусловлено следующими факторами:

- увеличением опорной длины профиля поверхности в 1,8-3 раза по сравнению с шлифованной поверхностью;

- увеличением микротвердости поверхностного слоя на 15 ... 35%;

- формированием в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия, величина которых составляет 300 ... 700 МПа.

Указанные факторы обеспечивают повышение, по сравнению с обработкой шлифованием, износостойкости в 1,6-3, контактной жесткости в 1,2-1,8, сопротивления усталости в 1,5-1,7 раза.

Таким образом, суперфиниширование является высокоэффективной технологической финишной операцией обработки деталей, в особенности работающих в условиях знакопеременных и контактных нагрузок, характерных для узлов трения качения и скольжения.

1.3.6 Микрофиниширование

Микрофиниширование применяется для окончательной обработки высокоточных поверхностей заготовок. Снятие припуска осуществляется осциллирующими брусками по схеме, подобной суперфинишированию. Однако микрофиниширование является прецизионным процессом, так как наряду с незначительной шероховатостью поверхности он обеспечивает и высокую точность обработки за счет снятия припуска. Обработка может выполняться в одну или несколько операций.

1.4 Обработка поверхности пластическим деформированием

Поверхностное пластическое деформирование используют для повышения сопротивления усталости и твердости поверхностного слоя металла, а также для формирования в этом слое направленных внутренних напряжений (преимущественно напряжений сжатия) и образования регламентированного рельефа микронеровностей на поверхности. Эффективно применение упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием на финишных операциях технологического процесса изготовления деталей машин взамен операций окончательной обработки резанием лезвийным или абразивным инструментом. При обработке нежестких в сечении тонкостенных деталей наиболее пригодна динамическая обработка пластическим поверхностным деформированием инструментами ударного действия, ультразвуковое или импульсное обкатывание.

Наклеп: пластическое деформирование, выполняемое без использования внешней теплоты для обеспечения нужного комплекса свойств поверхностного слоя, называют наклепом, а слой металла, в котором проявляются эти свойства, соответственно - наклепанным. В результате наклепа повышаются все характеристики сопротивления металла деформации, понижается его пластичность и увеличивается твердость. Упрочнение незакаленной стали происходит в результате изменения структурных несовершенств (плотности, качества и взаимодействия дислокаций, количества вакансий и др.), дроблением блоков и созданием микронапряжений. При упрочнении закаленных сталей, помимо этого, происходит частичное превращение остаточного аустенита в мартенсит и выделение дисперсных карбидных частиц. Поверхностная деформация приводит к образованию сдвигов и упругому искажению кристаллической решетки, изменению формы и размеров зерен. Интенсивность наклепа тем выше, чем мягче сталь. У закаленных сталей в результате поверхностного деформирования можно получить увеличение твердости более чем на 100%, а у закаленных - только на 10-15%. Прирост твердости определяется структурой деформируемой стали. Наибольшее повышение твердости наблюдается у сталей с аустенитной, ферритной и мартенситной структурами (рис. 20), наименьшее - с перлитной и сорбитной структурами. Абсолютный прирост твердости в результате наклепа составляет: для мартенситных структур 180-320 НВ; для сталей, содержащих избыточный феррит, 60-120 НВ. Значительное увеличение твердости мартенситных структур объясняется тем, что, помимо упрочнения пластическим деформированием, происходит частичное превращение аустенита в мартенсит и выделение высокодисперсных карбидных частиц. Наклеп поверхности выполняют бомбардированием ее струей стальной или чугунной дроби и шариков, а также суспензией, содержащей абразивные частицы; обкатыванием роликами, шарами или ротационным инструментом; чеканкой.

Рис. 20. Относительное увеличение твердости углеродистых и легированных сталей при пластическом деформировании в различных структурных состояниях при степени деформации d/D = 0,5

I -- феррит и феррит + перлит; II -- перлит; I -- сорбит; IV -- тростит и мартенсит.

Дробеструйный наклеп обеспечивает неглубокую пластическую деформацию до 0,5-0,7 мм. Применяют для обработки поверхностей небольших деталей сложных форм, а также деталей малой жесткости типа пружин, рессор, мембран и др. Для обработки чаще всего применяют стальную дробь (реже - литую чугунную) диаметром 0,8-2 мм. Глубина наклепа при дробеструйной обработке не превышает 0,8 мм. Поверхность детали приобретает некоторую шероховатость; последующей обработке не подвергается. Режим обработки определяется скоростью подачи дроби (до 90 м/с), расходом дроби в единицу времени и экспозицией - временем, в течение которого обрабатываемая поверхность находится под ударами дроби. Режимы обработки устанавливают экспериментально. Поверхность детали должна быть полностью покрыта следами - вмятинами. Обычно экспозиция равна 0,5-2 мин на обрабатываемую поверхность.

Обкатку роликами или шариками осуществляют с помощью различных приспособлений, устанавливаемых на токарных или строгальных станках. Приспособления изготовляют одно- или многороликовыми. Давление роликов или шариков создают механическим (пружинным) или гидравлическим способом. Пружинящие элементы тарируют, что дает возможность нормировать давление на ролики. Обкатку роликами или шариками применяют при обработке деталей типа осей, валов и других деталей, имеющих форму тел вращения, реже - плоские поверхности. Устанавливают следующие параметры упрочняющей обкатки роликами: давление на ролик, форму и размеры ролика, продольную подачу и скорость обкатки. Поверхностная твердость обрабатываемого материала и глубина пластической деформации зависят от режимов упрочнения, физико-механических свойств, структуры и химического состава материала. Наибольшее влияние на поверхностную твердость оказывает давление деформирующего элемента в месте контакта с обрабатываемой деталью и кратность приложения этого давления. Значение давления определяется силой обкатывания, геометрией деформирующего элемента и детали, а также физико-механическими свойствами обрабатываемого материала. Кратность приложения давления зависит от подачи, длины линии контакта, числа проходов и деформирующих элементов.

Обработка инструмента и деталей технологической оснастки методом алмазного выглаживания. Эту операцию применяют для упрочнения изделий твердостью до 65 HRC, а также вместо операции окончательного шлифования, полирования, доводки и суперфиниширования поверхности. Метод универсален и широко применяется для обработки стальных закаленных или термически неупрочненных деталей, с поверхностными покрытиями и без них, а также деталей из цветных металлов, их сплавов, высокопрочных чугунов. Выглаживание выполняют специальными инструментами - выглаживателями, оснащенными сфероидальными, трапециевидными или конусообразными деформирующими элементами, изготовленными из синтетических сверхтвердых материалов - карбонада, гексанита-Р, эльбора-Р и других материалов, реже - из природных алмазов или твердых сплавов. В инструментальном производстве алмазное выглаживание используют при обработке колонок и направляющих втулок штампов для холодной штамповки, пуансонов, вкладышей пресс-форм, формообразующих поверхностей вытяжных штампов, зубьев круглых деформирующих, уплотняющих протяжек, прошивок, мерительных поверхностей и калибров-пробок. Износостойкость выглаженной поверхности увеличивается в 2-3 раза по сравнению со шлифованной и на 20- 40% по сравнению с полированной; износостойкость и контактная выносливость выглаженной хромированной поверхности на 35-50% выше полированной.

Гидроабразивное упрочнение. Наклеп поверхностного слоя струей суспензии (жидкость с абразивными частицами) применяют для случаев, когда необходимо получить упрочненный слой небольшой глубины. Подача абразивной суспензии к соплам установок для гидроабразивной обработки осуществляется в зависимости от конструктивных особенностей и типа установки самотеком, инжекцией сжатым воздухом или под давлением с помощью насоса. Гидроабразивное упрочнение стальных и твердосплавных инструментов. На поверхностях и гранях твердосплавных пластин и инструментов после спекания могут образоваться специфические дефекты, из которых наиболее характерными являются рваные кромки, заусенцы (наплывы), микротрещины и микропоры, неравномерность химического состава, оксидные пятна, неравномерность распределения твердости (пятнистость), ликвация и зоны высокой концентрации металлов (например, кобальта), входящих в состав сплава в качестве наполнителя и связки и отличающихся повышенной вязкостью. По этим причинам могут возникать “вторичные” дефекты - внутренние напряжения, вспучивания, искажения геометрических форм и т.п. Дефекты снижают прочность поверхностного слоя, увеличивают силу трения, создают условия для возникновения нежелательного эффекта “схватывания” металла стружки с вязкими участками на поверхности твердого сплава. Эти участки служат очагами концентрации напряжений и центрами разрушений, преобладающей причиной поломок и преждевременного изнашивания твердого сплава при эксплуатации инструмента. На поверхностях стальных, окончательно обработанных инструментов, также имеется большинство перечисленных дефектов. Кроме того, поверхностный слой металла закаленного инструмента часто содержит в себе скрытые дефекты - зашлифованные прижоги, растягивающие внутренние напряжения, зоны водородного насыщения, зоны повышенной концентрации аустенитных структурных включений.

Гидроабразивная обработка поверхностных слоев инструментальных материалов позволяет ликвидировать большинство из указанных дефектов и тем самым увеличить стойкость инструментов на 25-40%. Процесс проводят либо на гидроабразивных установках, либо с помощью центробежно-планетарных машин. При обработке поверхностей абразивное воздействие оказывают гранулы, бой абразивных инструментов, фарфоровые, стеклянные или стальные закаленные шарики, кварцевый песок. Для обработки пластин твердого сплава успешно применяют абразивный порошок зеленого карборунда марки КЗ 160. Состав рабочего раствора, г/л: триэтаноламин 6-8; калий хромовокислый 9-10 или жидкое стекло 3-4; вода - остальное. Длительность процесса обработки в центробежно-планетарных машинах 40-60 мин. Целесообразно подразделять цикл процесса на два этапа - предварительную и финишную обработки. На первом этапе (продолжительность 10-15 мин) при частоте вращения рабочей кассеты n = 200 мин-1 притупляются острые кромки на ребрах и вершинах пластин, частично снимается дефектный поверхностный слой. Окончательную обработку выполняют в течение 40-50 мин при n = 300ч350 мин^-1. На этом этапе скругляются режущие кромки до радиуса 15-50 мкм, полностью снимается дефектный поверхностный слой. В процессе обработки обеспечивается создание упругих деформаций сжатия, оказывающих положительное влияние на стойкость инструмента. Процесс экономически эффективен даже при малых партиях упрочняемого инструмента.

Упрочнение чеканкой состоит в упорядоченном ударном воздействии на упрочняемую поверхность специальными бойками механизированного инструмента - пневматического, электрического или механического. Применяют инструменты с одним бойком и многобойковые ротационные - шариковые и роликовые. Ударные бойки (шары или ролики) расположены в гнездах дисков-роторов. При их вращении в контакте с обрабатываемой поверхностью бойки поочередно наносят на нее удары, создавая эффект наклепа. Ротационную чеканку используют для упрочнения деталей с малой жесткостью или для обработки внутренних поверхностей. Вибрационно-упрочняющая обработка (чеканка) является разновидностью метода чеканки деформирующими бойками.

При вибрационной отделочно-упрочняющей обработке происходит многократное соударение частиц рабочей среды с деталью, вызывающее поверхностное упруго-пластическое деформирование. Операцию выполняют в среде вибрируемых стальных закаленных шаров или роликов. Применяют для получения наклепа и образования сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое металла детали с целью повышения износостойкости и сопротивления усталости. Наибольшие значения глубины наклепа и остаточных сжимающих поверхностных напряжений достигаются при виброобработке стальными роликами.

При обработке деталей с исходным параметром шероховатости поверхности более Rz = 20 мкм возможно ухудшение качества поверхности. Лучших результатов достигают при обработке в среде стальных закаленных полированных шаров диаметром 2-16 мм, что позволяет значительно снизить числовые значения параметра шероховатости.

В процессе отделки и упрочнения поверхности деталей в среде закаленных тел типа шаров происходит уменьшение шероховатости поверхности, образование наклепа и сжимающих остаточных напряжений. Глубина наклепа и напряжения при этом меньше, чем при обработке поверхностей роликами. После вибрационной обработки в среде стальных закаленных шаров можно получить параметры шероховатости поверхности Ra = 0,63ч0,040 мкм. Значения параметра шероховатости поверхности зависят от исходной шероховатости и твердости материала обрабатываемой детали.

Глава 2. Технологическая часть

2.1 Описание детали

Вал -- деталь машины, предназначенная для передачи вращающего момента и восприятия действующих сил со стороны расположенных на нём деталей и опор.

Ведущий вал обеспечивает соединение со сцеплением. На валу имеются шлицы для ведомого диска сцепления. Крутящий момент от ведущего вала передается через соответствующую шестерню, находящуюся с ним в жестком зацеплении.

2.2 Размеры, материал трехступенчатого первичного вала КПП Infiniti EX 30

Рассмотрим основные размеры трехступенчатого вала КПП Infiniti EX 30:

Длина вала [мм]: 280;

Диаметр шестерни [мм]: 103.

Изготавливают его из стали 40Х и цементирован на глубину 0,5-0,7 мм. После термической обработки получается твердость поверхностного слоя HRC 60…65 и твердость сердцевины HRC 35…45.

При механической обработке вала установочными базами в основном служат центровые отверстия и реже наружные цилиндрические поверхности. Шероховатость зубьев шестерни и поверхности отверстия под роликовый подшипник должна соответствовать Rа = 0,32ч0,25 мкм, остальные поверхности - Rа = 1,25ч1,0 мкм.

Первичный вал коробки передач работает в условиях контактных нагрузок в сопровождении изгибающих усилий. Разрушительными факторами являются контактные нагрузки, изгиб и трение.

2.3 Основные дефекты трехступенчатого вала КПП Infiniti EX 30

Устранение отдельных дефектов коробки передач связано с ее частичной или полной разборкой. При разборке выполняют следующие основные операции:

1. отъединяют компрессор (при его наличии) от картера коробки передач;

2. снимают верхнюю крышку с механизмом переключения передач;

3. отвертывают болты, снимают переднюю крышку и извлекают ведущий вал с подшипником;

4. отвертывают заднюю крышку и извлекают ведомый вал с подшипником;

5. вынимают из картера коробки шестерни ведомого вала, ось и вилку включения заднего хода;

6. снимают стопорную пластину оси заднего хода и оси промежуточного вала и выбивают оси;

7. вынимают из картера шестерни заднего хода и промежуточный вал или блок шестерен.

Основными проблемами трехступенчатых валов в патроне с неподвижным центром являются:

1. поломка зубьев шестерен, шлицев и валов;

2. износ подшипников входного вала;

3. износ втулки входного вала;

4. трещина на валу;

5. износ фаски.

2.4 Ремонт зубьев шестерен, шлицев и валов

Зубья шестерен подвергаются нормальному износу в результате трения, а ускоренному -- в результате неправильного ударного переключения передач, неполного зацепления зубьев, рывков или недоброкачественной смазки. При этом зубья скалываются, выкрашиваются, а иногда и ломаются. Состояние зубьев контролируют внешним осмотром, шаблоном или измерением толщины их штангензубомером по начальной окружности шестерни.

Зубья шестерен, имеющие заусенцы и небольшую выработку, зачищают абразивными брусками (оселком). Шестерни, имеющие выкрошенные или сломанные зубья, заменяют новыми. Для получения правильного зацепления зубьев необходимо сопряженные шестерни (пару) заменять одновременно. Замена одной шестерни допускается при постановке не новой, а уже работавшей шестерни, которая но своему износу может быть допущена к дальнейшей эксплуатации.

Рис. 22. Установка шестерен при наплавке зубьев

При необходимости изношенные и выкрошенные зубья можно восстановить наплавкой металла с последующей термической и механической обработкой. Наплавку зубьев газовой сваркой производят сормайтом №2 (твердый сплав) или стержнями, изготовленными из выбракованных шатунных болтов и клапанных пружин.

При наплавке торцевой поверхности зубьев производят следующие операции:

1. устанавливают шестерню в ванну с водой так, чтобы зубья были погружены в воду на 1/3--1/2 своей длины (рис. 22. а);

2. нагревают поверхность зуба ацетилено-кислородной горелкой до потения (не доводя металл до плавления), наносят флюс (буру) и каплями наносят сормайт до заполнения изношенной части зуба. После наплавки всех изношенных поверхностей шестерню оставляют в ванне до остывания. При наплавке стержнями из шатунных болтов и клапанных пружин зубья закаливают путем опускания шестерни в ванну. Зачищают наплавленные зубья абразивным бруском;

3. При наплавке боковой поверхности зубьев шестерню помещают в ванну с водой на стержне вертикально (рис. 22. б) и наплавляют второй зуб, считая от поверхности воды. Когда наплавленный зуб остынет до вишневого цвета, его погружают в воду поворотом шестерни, затем наплавляют следующий зуб.

По окончании наплавки всех зубьев их зачищают. Изношенные шлицы шестерен ремонтируют редко, так как шестерни выбраковываются обычно ранее из-за износа зубьев. Шлицы можно ремонтировать также наплавкой металла. Изношенные шлицы на валах иногда восстанавливают раздачей с последующей механической обработкой. Помимо износа шлицев, валы коробки передач могут иметь погнутость и изношенные места посадки шариковых и роликовых подшипников.

Рассчитаем полное время сварки (наплавки).

Сила сварочного тока, А, рассчитывается по формуле:

Коэффициент К в зависимости от диаметра электрода d_Э принимается равным по следующей таблице:

dэ,мм	1-2	3-4	5-6
K, А/мм	25-30	30-45	45-60

I_св = 4*40 = 160(A);

Если толщина металла S ? 3d_э, то значение I_св следует увеличить на 10-15%. Если же S ?1,5dЭ, то сварочный ток уменьшают на 10-15%.

I_св = 160+10% = 176(А);

t₀ = F*?*60/(б_н*I);

t₀ = 15*7,4*60/(9*176) = 4,2(ч).

2.5 Процесс замены подшипника и втулки трехступенчатого вала КПП

Для снятия КПП необходима смотровая яма или подъемник. Поставив автомобиль на яму, сливаете масло с КПП, отдаете кардан, снимаете рабочий цилиндр сцепления; для удобства дальнейшего снятия КПП - снимаются и «штаны» выхлопной системы, отдается стартер, трос спидометра, провода на жабку заднего хода, освобождается из салона кулиса переключения. Затем отдаются все болты крепления коробки, и она готова к снятию. Отодвинув КПП от двигателя снимаете ее, следя за тем, чтобы рычаг кулисы прошел в вырез кузов. Коробка очищается от грязи, моется и можно начинать разборку.

Замена первичного вала или его подшипника начинается со снятия кожуха сцепления с КПП. Перед этим есть смысл снять вилку выключения сцепления и выжимной подшипник, проверив их пригодность для дальнейшей эксплуатации. Вилка выключения не должна иметь трещин, приливы для установки на выжимной подшипник не должны быть сильно сношены и пружинная скоба под «солдатик» (стойка в кожухе, куда фиксируется вилка) должна быть целой. «Солдатик» не должен иметь следов износа шаровой части.

Отделяем кожух сцепления и сдвигаем его с места. Если он сидит слишком туго, то можно помочь легкими ударами деревянной киянки или молотка через проставку из дерева. Сняв кожух сцепления вместе с первичным валом КПП, извлекаем его из кожуха и приступаем к дефектовке вала.

Снимает с задней части входного вала или выходного втулку входного вала.

Внутри первичного вала находится игольчатый подшипник, который необходимо вытащить и также отдефектовать. Если он вызывает подозрения по креплению иголок или на нем видны следы механического износа, он подлежит замене. Заодно проверяем резким кручением (ударив сбоку по обойме рукой) и выжимной подшипник и если он вращается легко и бесшумно, его можно оставить для дальнейшей работы.

Сам первичный вал не должен иметь следов забоев (ввиде вмятин по краям зубьев) или износа зубьев и шлицов. Если у вас нет необходимого съемника, что, скорее всего, то снять подшипник первичного вала можно воспользовавшись подставкой и применив для удара молоток и небольшую кувалду.

Подшипник оберните плотной тканью, чтобы не пораниться об осколки при ударе. Обернутый подшипник ставите на наковальню и через наставленный носик молотка ударяете по нему кувалдой. Обычно от нескольких резких ударов, подшипник лопается и можно удалить верхнюю обойму подшипника и сам сепаратор с шариками. Затем с помощью зубила резкими ударами сбиваете оставшуюся внутреннюю обойму подшипника.

Теперь необходимо внимательно осмотреть посадочную поверхность под подшипник на первичном валу, если имеются следы выработки, то придется заменить первичный вал КПП. Если вал находится в удовлетворительном состоянии, то ставим новый подшипник первичного вала. Для этого его необходимо нагреть и быстро опустить до упора на вал. Подшипник можно напрессовать и без нагрева, воспользовавшись подходящим отрезком трубы, ударяя только по внутренней обойме подшипника. На этом операция - по замене первичного вала - закончена, и можно собирать все в обратном порядке.

2.6 Замена трехступенчатого вала

Вал проверяют на биение индикатором в центрах токарного станка.

Погнутый вал выправляют без нагрева под прессом.

Изношенные места посадки подшипников на валах восстанавливают наплавкой металла сваркой, хромированием, металлизацией или протачиванием шеек с последующей напрессовкой стальных втулок.

Если трещина не допустимая, то происходит замена трехступенчатого вала в патроне с неподвижным центром, которая описана в предыдущем пункте.

2.7 Износ фаски трехступенчатого вала

Углекислый газ (С0₂) при этом методе сварки и наплавки подается в зону сварки, тем самым оттесняет воздух и предохраняет металл от воздействия кислорода и азота. Схема наплавки в углекислом газе приведена на рисунке 8.

Наплавку в среде углекислого газа целесообразно применять для восстановления наружных и внутренних поверхностей деталей цилиндрической формы небольшого диаметра.

Сварку в среде углекислого газа применяют при ремонте тонколистовых конструкций. Наибольшее применение этот сварочный процесс получил для заварки трещин и приварки заплат при ремонте облицовки, кабин тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин.

Сварка и наплавка в углекислом газе осуществляются автоматическим и полуавтоматическим способами. При полуавтоматической сварке и наплавке механизированы только операции подачи углекислого газа и электродной проволоки, при автоматической сварке механизирована также операция перемещения электрода относительно детали.

Материалы. Для сварки и наплавки в среде углекислого газа применяют проволоки следующих марок: Св-08ГС, Св-08Г2С, Св-12ГС, Св-10ХГ2С, Св-18ХГСА, Нп-ЗОХГСА, ПП-АН4, ПП-АН5, ПП-АН8, ПП-ЗХ2В8Т, ПП-Р18Т, ПП-Х12ВФТ и другие. Выбор электродной проволоки производится по содержанию элементов раскислителей. Основные раскислители в проволоке для сварки и наплавки углеродистых и низколегированных сталей -- кремний и марганец. Сварка и наплавка проволокой, не содержащей достаточного количества раскислителей и с большим содержанием углерода, сопровождается повышенным разбрызгиванием, металл шва становится пористым, появляется опасность возникновения трещин.

Для обеспечения защитной среды углекислый газ получают обычно из пищевой углекислоты или специальной осушенной углекислоты. В баллонах содержится 20... 25 кг жидкой углекислоты под давлением 5,0... 6,0 МПа. В нормальных условиях из одного килограмма углекислоты при ее испарении получают 509 л СО₂.

Для сварки и наплавки в среде углекислого газа выпускаются комплекты специального оборудования различных конструкций. В комплект входят автоматическая головка, подающий механизм, пульт управления, подогреватель, осушитель. Пост автоматической и полуавтоматической сварки и наплавки в углекислом газе, кроме узлов, входящих в комплект, дополнительно оборудуется понижающим редуктором, баллоном с СО₂, резиновыми шлангами для подачи газа к горелкам, расходомером для определения расхода газа при сварке или наплавке.

Рис. 23. Наплавка в среде углекислого газа

Для сварки и наплавки в углекислом газе используют аппараты А-547-Р, А-547-У, А-929, ПДПГ-300, А-577-У.

Полуавтомат А-547-Р предназначен для сварки и наплавки электродной проволокой диаметром 0,5... 1,2 мм. Скорость подачи проволоки можно регулировать в пределах 120 ... 140 м/ч. В качестве источника питания полуавтомат комплектуется селеновым сварочным выпрямителем ВС-200, рассчитанным на номинальный ток 200 А и напряжение 17 ... 25 В.

Полуавтомат А-547-У. Диаметр применяемой электродной проволоки 0,6... 1,2 мм. Скорость подачи ее 140... 600 м/ч. Номинальный сварочный ток 300 А. Источник питания -- выпрямитель ВС-300. Полуавтомат обеспечивает качественную сварку металла толщиной 0,8 ... 4 мм.

Полуавтомат А-929. Диаметр электродной проволоки 1...2 мм. Скорость подачи проволоки 120... 620 м/ч. Толщина свариваемого металла 1 ... 8 . мм. Номинальный сварочный ток питания дуги 350 А, напряжение 17... 30 В. А-929 работает от сварочного преобразователя ПСГ-500.

Аппарат ПДПГ-300 работает с электродной проволокой диаметром 0,8 ... 2 мм. Скорость ее подачи 90... 960 м/ч. Номинальный ток 300 А. Толщина свариваемого металла 0,8 ... 6 мм.

Аппарат А-577-У работает с электродной проволокой диаметром 1,6 ... 2 мм. Скорость ее подачи 80 ... 600 м/ч. Ток питания дуги 500 А. Толщина свариваемого металла свыше 3 мм.

Специально для сварки в среде углекислого газа выпускаются сварочные преобразователи ПСГ-300, ПСГ-500, сварочные выпрямители ВС-200, ВС-300, ВС-500, ВС-600 и др.

Для поворота узлов и деталей в удобное для сварки или наплавки положение используют наплавочные станки или манипуляторы. Установки для автоматической наплавки в среде углекислого газа монтируют также на токарных станках. Наплавляемую деталь закрепляют в патроне станка, на суппорте станка устанавливают наплавочный аппарат, к которому подводят мундштук для подачи углекислого газа в зону наплавки. Для наплавки деталей используют любую автоматическую головку со специальным мундштуком.

При выходе из баллона температура углекислого газа резко падает, так как жидкая углекислота испаряется и поглощает тепло. Снижение температуры углекислого газа может привести к замерзанию влаги и закупорке каналов вентиля и редуктора и перекрытию доступа газа к соплу горелки. В связи с этим углекислый газ подогревают с помощью электрических подогревателей. Для удаления влаги из углекислого газа применяют осушители. Реагенты (силикагель или медный купорос), заполняющие осушитель, нужно периодически (не менее одного раза в неделю) прокаливать при температуре 200... 250°С в течение двух часов.

Режимы сварки и наплавки. Качество сварного шва и наплавленного слоя, их химический состав и структура зависят не только от материала наплавочной проволоки, но и от режимов сварки и наплавки. Основные параметры режимов: сила сварочного тока, напряжение дуги, диаметр, величина вылета и скорость подачи электродной проволоки, скорость сварки, расход углекислого газа.

Сварка и наплавка в среде углекислого газа производятся на постоянном токе обратной полярности. Сварочный ток и диаметр электродной проволоки определяют в зависимости от химического состава и толщины свариваемого металла, числа слоев шва и применяемого сварочного оборудования. В зависимости от величины, сварочного тока, напряжения дуги, диаметра и химического состава электродной проволоки выбирают скорость подачи электродной проволоки с таким расчетом, чтобы обеспечить устойчивое горение дуги.

Вылет электрода должен быть в пределах 8... 14 мм. Он зависит от удельного электрического сопротивления проволоки, ее диаметра, силы тока и существенно влияет на качество сварного шва. Расход углекислого газа, достаточный для защиты зоны сварки от воздуха, составляет 7... 10 л/мин, с возрастанием плотности тока расход газа увеличивается.

Механизированную наплавку в среде углекислого газа целесообразно применять для восстановления цилиндрических деталей диаметром 10... 40 мм и глубоких отверстий, когда затруднительно применять другие способы. Наплавку во всех случаях проводят при напряжении 17... 20В, силе тока 75... 90А. Электродную проволоку применяют диаметром 0,8 ... 1,0 мм, вылет электрода составляет 8 ... 15 мм, смещение электрода должно быть в пределах 3... 8 мм, скорость подачи проволоки 175... 230 м/ч. Скорость наплавки -- 35... 45 м/ч, шаг -- 2,5-- 3,5 мм, толщина наплавленного слоя достигает 0,8 ... 1,0 мм. Применяя данные режимы, этот способ широко используют для восстановления гладких и шлицевых валов. Наплавка деталей, для которых требуется высокая твердость (до HRC 50), осуществляется проволоками Нп-ЗОХГСА, Св-18ХГСА и другими с последующей закалкой токами высокой частоты. Наряду с проволокой сплошного сечения применяются порошковые проволоки с введением титана и углерода.

2.8 Приспособления для сварки и наплавки в углекислом газе

Отечественная промышленность располагает значительным числом различных автоматов и полуавтоматов для сварки в среде защитных газов. В трубопроводном строительстве применяют полуавтоматы и автоматы для сварки плавящимся электродом А-547Р (А-547, А-547У), А-1230М, СГУ-301, ИК-6.

Полуавтомат А-547Р (А-547, А-547У) предназначен для сварки плавящимся стальным электродом в среде углекислого газа. Особенность полуавтомата - облегченный держатель с коротким шлангом длиной 0,8-1 м

Полуавтомат рассчитан на электродную проволоку диаметром 0,8-1,2 мм и его используют для сварки первого слоя шва. В комплект полуавтомата входят пульт управления 1; подающий механизм, размещенный в чемодане 7; сварочный держатель 9 с гибким шлангом 8; защитный щиток 10; газовая система, состоящая из баллона 3 с газом, подогревателя 2, осушителя газа 4 и редуктора 5; провода управления 6. Держатель полуавтомата А-547Р малогабаритный, облегченный. Сопла и наружные детали держателя изолированы от токоведущих частей. Гибкий шланг состоит из двух спиралей, обтянутых тремя слоями медной токоведущей оплетки и установленных в общую резиновую трубку. Механизм подачи электродной проволоки малогабаритный, смонтирован вместе с катушкой для электродной проволоки в небольшом чемодане. Подача электродной проволоки осуществляется со скоростью 100-340 м/ч приводом от электродвигателя постоянного тока. Пульт управления полуавтомата находится на передней стенке выпрямителя ВС-300. Пульт управления имеет малогабаритный контактор КМ-400Д, реостат регулировки скорости подачи электродной проволоки, переключатель, амперметр, вольтметр и розетку для включения подогревателя газа. В трассовых условиях полуавтомат А-547Р может питаться от стационарного пункта электрогазового питания, который имеет источник сварочного тока и углекислотную рампу, состоящую из трех баллонов, змеевиков, подогревателя газа и редуктора. Стационарный пункт СДАУ создан на базе преобразователя ПГС-500 и может одновременно обслуживать два сварочных поста.

Полуавтомат А-1230М предназначен для сварки стальных магистральных трубопроводов и листовых конструкций в среде углекислого газа. Его устройство подобно полуавтомату А-547Р. Подающий механизм размещен в небольшом чемодане вместе с кассетой - катушкой для электродной проволоки. Механизм подачи проволоки размещают поблизости от свариваемого стыка. Подачу электродной проволоки осуществляют через редуктор со скоростью 140-670 м/ч. Изменять скорости подачи можно плавно с помощью реостата и ступенчато - при помощи сменных подающих роликов различного диаметра. Полуавтомат А-1230М рассчитан на применение проволоки диаметром 0,8-1,2 мм. Сварка может проводиться на максимальном токе 315 А с регулированием напряжения в пределах 16-24 В.

Сварочный автомат СГУ-301 применяют для автоматической сварки поворотных стыков трубопроводов в среде углекислого газа. Он состоит из тележки, на которой смонтированы сварочная головка, механизм корректировки положения электрода, пульт управления и кассета с проволокой. Автомат удерживается на трубе с помощью штатива. Подача электродной проволоки и колебание газовой камеры осуществляются электродвигателем мощностью 100 Вт через редуктор. Механизм колебания электродной проволоки имеет эксцентрик, при помощи которого можно обеспечить амплитуду колебаний 0-6 мм. На пульте управления автоматом размещены следующие детали: реостаты для регулировки сварочного тока и скорости сварки, тумблер для включения силового контактора и электромагнитного газового клапана, тумблер для включения электродвигателя сварочной головки и выключатель для управления электродвигателем вращателя. Смещение электрода с зенита и поддержание требуемого уровня сварочной ванны обеспечивают вращением штурвала опорного штатива. Угол наклона электрода изменяется при помощи фиксатора, что позволяет приподнимать и откидывать сварочную головку для доступа к газовой камере и токоподводящему устройству. Автомат СГУ-301 предназначен для сварки труб тонкой проволокой диаметром 1,2 мм на токах до 300А (источник питания - сварочный агрегат САУ-501) при скорости подачи электродной проволоки до 550 м/ч. Скорость сварки труб диаметром 89-273 мм может достигать 15-45 м/ч.