Повышение надежности и долговечности работы манжетных уплотнений валов автомобилей ВАЗ (стр. 4 из 14)
Контакт манжеты с вибровыглаженным валом характеризуется во всем диапазоне скоростей и давлений образованием стабильной разделительной смазочной пленки и циркуляцией масла в зазоре, уменьшенной тепловой и механической напряженностью, отсутствием крутильных колебаний рабочей кромки.
Сколь существенно влияние микрорельефа рабочей поверхности металлического контртела на гидроплотность и износостойкость соединения можно видеть из примеров на рис. 2.3. Объем утечки смазки в зависимости от микрорельефа вибровыглажанных подманжетных втулок изменялся от 39 до 310,5 см8, однако во всех случаях был меньшим, чем у пар со шлифованной и хромированной втулками (V= 357,5 см3). При этом была выявлена несостоятельность практики нормирования лишь высоты неровностей рабочих поверхностей металлического контртела. Несравнимо большее значение имеет форма микронеровностей и их расположение. Пары со шлифованными до Ra = 0,32 мкм втулками были наименее герметичными (V= 337,5 см3), в то время как вибровыглаживание с Ra = 2,5 мкм обеспечили наилучшую герметичность (V = 39 см3). Характерно, что пары с наилучшей герметичностью оказались и наиболее износостойкими. По-видимому, образующийся при вибровыглаживании микрорельеф с неровностями относительно большей высоты (Ra= 10 мкм) по сравнению со шлифованием (Ra = 1,88 мкм), а также пологой формой (r = 2580 мкм, при шлифовании s = 39,4 мкм) и с большим шагом (s = 712 мкм, при шлифовании s = 0,021 мм) благоприятен не только в отношении сопротивления износу, но и обеспечения герметичности.
В этом случае резина «затекает» во впадины микрорельефа, заполняя его и предотвращая тем самым протекание масла. Немаловажное значение имеет и лабиринтный характер взаиморасположения выступов и впадин поверхности образующейся при вибровыглаживании.
Рис. 2.3. Зависимость величины накопленных утечек Vот длительности tиспытаний уплотнительной пары вращательного движения; подманжетные втулки обработаны: 1 – шлифованием; 2-4– вибронакатывание
Таким образом, оптимизация микрорельефа рабочих поверхностей металлических деталей гидроуплотнительных пар является радикальным средством повышения их герметичности.
2.3 Факторы, обеспечивающие возникновение остаточных напряжений сжатия и повышение микротвердости поверхности, обработанных ППД
Долговечность работы подманжетной шейки вала во многом зависит от величины остаточных напряжений, глубины и степени упрочнения поверхностного слоя. Поэтому определение этих физико-механических параметров является важной задачей при проектировании технологии изготовления конкретных деталей.
Упрочнение поверхностного слоя детали при различных видах обработки зависит от силового и температурного факторов. Так как в работе Коршунова В. Я. [16, 18] рассматривается процесс упрочнения, связанный с технологией поверхностного пластического деформирования (ППД), который характеризуется сравнительно малыми температурами (100—150°С), основное внимание уделено действию силового фактора.
При пластической деформации происходит раздробление кристаллов на фрагменты и блоки с большими искажениями кристаллической решетки на их границах. Границы фрагментов и блоков служат препятствием для сдвиговой деформации, и с увеличением количества фрагментов и блоков соответственно возрастает и число границ, около которых задерживаются дислокации. Увеличение степени разориентировки фрагментов и блоков дополнительно повышает сопротивление границ прохождению через них дислокаций, что также увеличивает сопротивление деформированию. Это является основной причиной упрочнения металлов при пластической деформации.
Эффективность упрочнения алмазным выглаживанием во многом зависит от правильного выбора основных его параметров. Рекомендуемый радиус сферы связан с твердостью выглаживаемой поверхности. При выглаживании стальных закаленных деталей этот радиус не должен превышать 1,5 мм. Для деталей, твердость которых меньше и лежит в пределах HRC 35…50, радиус R выглаживателя должен составлять 1,5 – 2,5 мм. Для других сталей и цветных сплавов радиус может быть увеличен до 2,5 – 3 мм.
При увеличении подачи сокращается число повторных деформаций, что должно вызвать снижение поверхностной твердости. Однако при обкатывании закаленных сталей шаром диаметром 5 – 10 мм подача изменяется от 0,06 до 0,12 мм/об, а при выглаживании алмазом с радиусом сферы 1,0 – 2,5 мм подача изменяется от 0,03 до 0,09 мм/об, что мало влияет на эффективность упрочнения [16]. Дальнейшее увеличение подачи уменьшает повышение твердости. Это особенно заметно при обкатывании шаром диаметром 5 мм с подачей 0,3 мм/об и при алмазном выглаживании (R = 2 мм) с подачей 0,13 мм/об. Влияние подачи существенно зависит от размеров текущего очага деформации, определяемого контактным давлением, свойствами материала и размерами деформирующего инструмента. с уменьшением текущего очага деформации, происходящего при снижении давления, с повышением твердости материала и с уменьшением размеров инструмента влияние подачи возрастает и при ее увеличении прирост поверхностной твердости заметно снижается. В частности, уменьшением очага деформации при обработке закаленных сталей объясняется и более сильное влияние подачи на поверхностную твердость по сравнению с ее влиянием при обработке мягких сталей.
При увеличении рабочих ходов (числа циклов нагружения при широком выгдаживании) соответственно возрастает количество повторных деформаций, приводящих к изменению поверхностной твердости. Однако влияние дополнительных рабочих ходов следует рассматривать с учетом давления и подачи. Если давление ниже оптимального, то повторные рабочие ходы (до определенного числа) повышают поверхностную твердость. При этом допустимое, с точки зрения упрочнения, число рабочих ходов тем больше, тем ниже давление. При оптимальном давлении уже после второго-третьего рабочего хода прекращается повышение твердости.
Изменение скорости обработки от низких значений до 200 м/мин не оказывает существенного влияния на увеличение поверхностной твердости. Поэтому распространено мнение, что эффективность упрочнения не зависит от скорости. Действительно, при увеличении скорости от 8 – 12 до 160 – 180 м/мин прирост твердости оказался незначительным. Однако наиболее важным является изменение градиента наклепа. С увеличением скорости градиент наклепа растет, а глубина имеет тенденцию к снижению.
Процесс упрочнения деталей ППД влечет за собой упруго-пластическое деформирование поверхностного слоя. Поэтому необходимым требованием упрочнения является способность поверхностного слоя обладать определенными упругими и пластическими характеристиками. Материалы, имеющие хорошую пластичность (свинец, цинк и др.), в результате деформации получают наклеп, но сколь-нибудь заметных остаточных напряжений (об остаточных напряжениях см.ниже) в поверхностном слое создать не удается. И наоборот, материалы, обладающие высокой упругостью при малой пастичности (стекло, частично чугун, резина и др.), невозможно упрочнять поверхностным наклепом.
На рис. 2.4, где показаны изменения прочностных характеристик материала в зависимости от степени наклепа. Заштрихованная площадь М является областью возможного наклепа. В точке А наступает так называемый перенаклеп (начинается шелушение и отслаивание поверхностного наклепанного слоя), когда материал исчерпывает свои пластические свойства и начинается разупрочнение.
Расчетное определение глубины наклепанного при ППД слоя для материала с однородной структурой по сечению детали производится по следующим уравнениям [24]:
; 
, где 
; 
, где 
; 
; 
, где 
; 
,где Р – усилие при ППД; sS – предел текучести упрочняемого материала; R – приведенный радиус кривизны в месте контакта; DП – приведенный диаметр; a,А – коэффициенты, учитывающие кривизну инструмента и детали; Н – твердость по Бринеллю; D – диаметр шарика; Е – модуль упругости, R1, R2 – радиусы сопряженных цилиндров; К – коэффициент, учитывающий влияние размеров детали и обрабатываемого материала; F – площадь контакта.
Рис. 2.4. Диаграмма влияния степени наклепа на прочностные характеристики детали
3. Экспериментальные исследования процесса обработки выглаживанием широким самоустанавливающимся инструментом
3.1 Выявление зависимости между основными параметрами обработки и качеством обработанной поверхности по критерию шероховатости
Для оценки эффективности способа обработки выглыжаванием шиорким самоустанавливающимся инструментом (см. рис. 1.20-1.23) была отобрана партия коленчатых валов 2112-1005020 в количестве 5 шт. из высокопрочного чугуна ВЧ75-50-03 с твердостью обрабатываемых поверхностей 45HRC, взятых после окончательного шлифования, и обработана данным способом на модернизированном станке механосборочного производства ОАО «АвтоВАЗ» фирмы «Нагель» 30.012.724.32. Обработке подверглись шейки коленчатого вала под манжетное уплотнение (Æ28 мм и Æ80 мм) при частоте вращения заготовки 100 об/мин. Обработанные поверхности подверглись замерам на шероховатость и некруглость в метрологическом зале корпуса 15/2 МСП (замер шероховатости осуществлялся на профилометре-профилографе PerthenSI0 D (зав. № 6564), замер на некруглость – Талиценте Taylor-Hobson (зав. № 112/1322-217А)) результаты измерений представлены в таблице 3.1 и приложении 1. В результате обработки была достигнута шероховатость, находящаяся в пределах поля допуска технических требований на данные поверхности по чертежу детали: Ra 0.2…0.4 мкм. Остальные технические требования к обрабатываемым поверхностям также находятся в рамках, заданных конструктором на чертеже.