Обоснование параметров инструмента и технологии упрочняющего деформационного формоизменения поверхностей трения

Повышение износостойкости поверхностей трения и долговечности деталей малоподвижных и номинально (условно) неподвижных соединений, работающих в условиях вибраций (фреттинга) и повторно-переменных нагрузок, является одной из наиболее важных задач. Наиболее опасны проявления фреттинга на контактных поверхностях замков и бандажных полок титановых лопаток компрессоров низкого давления газотурбинных двигателей (ГТД), повышенные износы которых приводят к потере [1,2] эффектов бандажирования: предварительного натяга по окружности бандажа, механического демпфирования в системе, жесткости, вибрационной прочности лопаток и замковой части колеса и др. В мировой и отечественной практике накоплен значительный арсенал средств и методов борьбы с фреттинг-износом [3], однако единых представлений о мерах по его предупреждению не достигнуто.

Цель настоящей работы показать технологические возможности упрочнения поверхностей трения методом деформационного формоизменения при обкате роликом с клиновидными инденторами на периферии, обосновать и оценить рабочие параметры деформирующегося инструмента и параметры регулярного рельефа (гравюр) образуемого на обрабатываемой поверхности.

ТРЕБОВАНИЯ К ПОВЕРХНОСТЯМ ТРЕНИЯ

Проведенные исследования процесса вибротрения, механизма фреттинг-износа конструкционных жаропрочных сплавов ЖС6У, ЖС6К, бронзы БраЖМЦ10-3-1,5, титановых сплавов ВТ9 и ВТ3-1 [4, 5] , а также анализ динамической модели контактирования лопаток компрессора ГТД в замках и по бандажам полкам показали, что существенное повышение фреттингостойкости может быть реализовано при решении следующих конструкторно-технологических задач: создания напряженного состояния поверхностного слоя с оптимальным уровнем сжимающих напряжений; фрагментированной структуры, блокирующей дальнейшее накопление дефектов и замедляющей цикл перестройки тонкой кристаллической структуры и износа при трении; разработки способов и средств активирования процессов окисления и пассивирования поверхностей трения с целью воздействия на процессы образования и разрушения пленок окислов, снижения тепло-напряженности и интенсивности схватывания поверхностей; регуляризации микро- и макро - рельефа с целью увеличения опорной и фактической площади контактирования, повышения несущей и демпфирующей способности, что приводит к снижению амплитуды нормальных и тангенциальных колебаний, инерционных сил и фактического контактного давления; экранирования поверхностей от коррозионно-активных компонент атмосферы, повышения пористости, смазывающей способности и антифрикционных свойств контакта; удаления продуктов фреттинг-износа из зоны контакта и исключения абразивного износа поверхностей трения.

СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Указанные выше требования объединены в технологическим способе [6] нанесения твердых смазочных и других покрытий на формоизмененные поверхности трения. Способ предусматривает совмещение упрочняющего деформационного формоизменения (УДФ) контактирующих поверхностей специальным инструментом [7] с другими методами модификации поверхностей: нанесением на них твердых смазочных покрытий, пленок мягких металлов (медь, никель, латунь и др.), карбонофторидных пленок, борированием, химико-термической обработкой и др. Формоизменение поверхностей контакта (образование гравюр) осуществляется методом копирования формы деформирующего инструмента при его движения обката (рис. 1). Деформирующий инструмент I выполнен в виде цилиндрического ролика, на периферии которого расположены клиновидные инденторы 2, вершины которых образуют замкнутую сетку гексагональной или иной формы. При обкате под нагрузкой инденторы инструмента внедряются в упрочняемую поверхность детали 3, образуя регулярный рельеф (гравюру) в виде чередующихся элементарных выступов с площадками 4 разделенными гексагональной сеткой каналов 5. Упрочнение поверхности осуществляется в процессе одновременного встречного тангенциального деформирования (всестороннего сжатия) выступов по гексагональному контуру боковыми поверхностями клиновидных инденторов. При этом в деформированных объемах элементарных выступов образуются остаточные напряжения сжатия, которые закрепляются наклепанным слоем металла 6 по боковым стенкам образованных каналов, при сохранении запаса пластичности в центральной части площадок контакта выступов с сопряженной поверхностью. Степень тангенциальной деформации выступов, уровень остаточных напряжений сжатия и наклепа боковых граней определяются величиной внешнего давления Р, глубиной внедрения инденторов h и углом заострения клина α.

Угол заострения клина и глубина внедрения индентора выбираются из условия отсутствия разрушения или скола рабочей поверхности элементарной площадки в процессе деформации при обкате. Экспериментально установлено, что оптимальными на пластичных сплавах и сталях являются: глубина внедрения клиновидного индентора h≤0,3 мм; угол заострения α=50-60°.

РАСЧЕТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СПОСОБА

Фрагментация структуры, создание необходимого уровня остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое и наклепа на боковых гранях выступов рельефа обеспечиваются в процессе обработки инструментом, при обкате которого происходит одновременное всестороннее сжатие элементарных ячеек боковыми поверхностями клиньев инденторов при их внедрении в материал. Всестороннее сжатие достигается (рис. 2) при условии, когда длина дуги АВ контакта ролика с поверхностью превысит величину двух шагов рельефа, а коэффициент перекрытия будет k≥2:

К >  АВ /t=(2nRarccos(1-h/R))/(180°(S+2htg(a/2)))^2, (1) где К – коэффициент перекрытия, АВ – длина дуги контакта накатного ролика с обрабатываемой поверхностью, t=S+2htg(α/2) – шаг регулярного рельефа, R – радиус накатного ролика, S – размер площадки элементарного выступа (рис. 1).

Рис. 1. Образование регулярного рельефа (гравюры) гексагональной структуры и нанесение твердого смазочного покрытия

Рис. 2. Схема обкатки к обоснованию геометрических параметров деформирующего инструмента и рельефа

Из анализа выражения (1) следует, что оптимальными параметрами накатного ролика, при которых коэффициент перекрытия К≥2 являются: глубина внедрения инденторов h=0, I…0,3 мм; размер площадки гексагональной ячейки S= I, 5...2 мм; угол заострения клиньев а=60°; диаметр накатного ролика D=2R≥20 мм. Окончательно диаметр ролика (2) устанавливается из расчета размещения целого n числа ячеек по длине рабочей окружности:

D=nt/n=n(S+2htg(a/2))/n, (2)

Величина внешней нагрузки на деформирующий инструмент при его движении обката определяется с учетом допустимых напряжений смятия обрабатываемого материала по формуле (3):

P^F , (3) где [с.Д-допустимое напряжение смятия в кН/ мм², F=2,3hL – площадь контактирования инденторов инструмента с обрабатываемой плоской поверхностью (рис. 1,2) при двукратном коэффициенте перекрытия [8] и a=60⁰, L - длина накатного ролика в мм, принимается конструктивно. Расчетные величины внешних нагрузок необходимые для деформационного формоизменения рабочих поверхностей, например титанового сплава ВТ9 с [а_см]= 0,435кН/мм², в зависимости от геометрических параметров накатного инструмента приведены в таблице.

Важнейшими характеристиками поверхности с регулярным рельефом являются размеры и форма элементарной площадки, которые определяются из условия повышения сопротивления износу, контактной жесткости и снижения контурного давления, предотвращения схватывания.

Интенсивность схватывания и износа при фреттинге определяются скоростью протекания окислительных процессов и пассивации поверхностей элементарных площадок на выступах рельефа в контактном зазоре. Как показала практика лабораторных испытаний интенсивность схватывания и масштабы разрушения возрастают от периферии к центру площадки элементарного выступа, где концентрация, скорость диффузии окислителя и рост защитных пленок окислов, предотвращающих ювенильный контакт, понижены. Размер отдельной площадки на элементарном выступе определяется предварительно из расчета параметров окислительных процессов на контакте по известной [9] зависимости:

X _Kp = ^D o Z o /((K i + К г )(1 — п^)) , (4) где Х_кр – расстояние от кромки к центру элементарной площадки контакта, на котором концентрация окислителя упадет до концентрации диссоциации окисла; D_о – коэффициент диффузии кислорода; К₁ и К₂ – константы скорости реакции окисления первого и второго тела; п – относительная площадь касания; Z_о – высота контактного зазора. При подстановке численных значений параметров титанового сплава ВТ9, контактирующего при фреттинге в одноимённой паре, Zo=40...100 . 10^-6 м, п=0,01--Д1, Dо=10^-12 м²/c, К₁=К₂=8,7 ^. 10^-11 м/с в уравнение (4) получим Х_кр=0,48...0,8 мм. То есть, оптимальной, с точки зрения протекания окислительных процессов и предотвращения схватывания на контакте, является протяженность элементарной площадки (S≈2х) в пределах 1...2 мм.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СПОСОБА

Обоснованность расчетных размеров, выбо-

Таблица. Величины нагрузок на деформирующий инструмент, кН

Длина ролика, мм	Глубина внедрения инденторов h, мм
	0,1	0,2	0,3
1,5	0,15	0,3	0,45
2	0,2	0,4	0,6
3	0,3	0,6	0,9
4	0,4	0,8	1,2
12	1,2	2,4	3,6
16	1,6	3,2	4,8
18	1,8	3,6	5,4

ра рациональной формы контактных площадок подтверждена экспериментально на образцах с круглой, гексагональной, прямоугольной и ромбической формой элементарных ячеек площадью от 1 до 10 мм² в режиме фреттинга с частотой f=310 Гц, амплитудой осцилляции А=0,015 мм, нагрузкой статической q ст =7 МПа, динамической q_дин=3 МПа.

Количество и интенсивность очагов микросхватывания наблюдалось в оптическом микроскопе после наработки на износ в течение 18 ч.

Наименьшее количество узлов схватывания наблюдается на образцах с гексагональной формой ячеек при уменьшении протяженности элементарной площадки до 1 мм. Гексагональная форма оказывается также наиболее эффективной по плотности упаковки ячеек на рабочей поверхности и прочности угловых участков элементарных площадок. Однако с уменьшением протяженности элементарной площадки до 1 мм линейный износ возрастает ( рис. 3), что, очевидно, вызвано ослаблением поперечного сечения выступов. Износ возрастает также при увеличении протяженности площадок свыше 2 мм, что связано, очевидно, с затруднением окислительных процессов, предотвращающих схватывание на контакте. Наибольшее сопротивление износу показывают группы образцов с размером элементарной площадки 1,5...2 мм. На основание результатов расчетов и экспериментальных данных для титановых сплавов BT9, ВТ3-1 и других пластичных конструкционных материалов приняты, как оптимальные, следующие параметры поверхностей с регулярным рельефом: форма элементарной ячейки – гексагональная, размер ячейки регулярного рельефа S = 1,5...2 мм, угол профиля канавок α=60° , глубина канавок h =0,1…0,3мм.

Важным элементом УДФ, влияющим на образование и разрушение вторичных структур, теплонапряженность, антифрикционность и активность коррозионных и адгезионных процессов является последующее нанесение на регуляризованные поверхности трения ( рис. 1) твердых смазочных 8 или металлических, с низким модулем упругости, покрытий [6], а также диффузионное насыщение активированных деформацией поверхностей углеродом, азотом, фтором и др. в процессе химико-термической обработки (ХТО). Эффективность способа УДФ и его модификаций исследована и подтверждена экспериментально в лабораторных и производственных условиях на замковых соединениях и бандажных полках титановых лопаток турбокомпрессоров, в шарнирах шасси самолетов, на чугунных направляющих скольжения металлодвижущих станков и др. [8, 10]

Рис. 3. Зависимость износа от размера элементарной площадки гексагонального рельефа

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯДЕФОРМИРУЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Отработано два варианта технологии изготовления деформирующего инструмента из стали ШХ15 в виде многорядного (рис. 4,а) накатного ролика. Технология изготовления ролика, например, с размером гексагональной площадки S = 2 мм по первому варианту включает следующую последовательность основных операций: подготовительная; токарная; сверлильная- сверление на периферии ролика в шахматном порядке отверстий диаметром 1 мм сверлом центровочным на глубину 2,13 мм, выдерживая перемычки 0,2 ± 0,05 мм между наибольшими Ø1,8 мм отверстиями развернутой под углом 600 фаски; вальцовка – дорнование конических отверстий заостренным под углом 600 шестигранным дорном, выдерживая перемычки по периметру шестигранной ячейки не более 0,05 мм, глубина образующихся при этом впадин составляет 0,5-0,7 мм; термическая – термообработка включает нагрев ролика в электропечи в отработанном древесном угле до температуры 11230 К, закалку в масле в течение 20...25 мин. , отпуск в течение одного часа при температуре 433...4430 К до HRC 58...60; шлифовальная – ролик шлифуется до образования перемычек между гранями соседних ячеек не более 0,1 мм.

Описанная технология малопроизводительна и требует высокой квалификации рабочего. Для устранения этих недостатков предложен второй вариант технологии изготовления рабочих роликов. Во втором варианте технологии применен метод холодной накатки с использованием универсального токарного оборудования. Сущность метода состоит в том, что ролик, изготовленный по первому варианту технологии ( мастер – ролик, рис. 4,а), используется как инструмент для накатки на заготовке такого же

a

б

Рис. 4. Деформирующий инструмент (накатной ролик):

а – мастер-ролик или рабочий ролик, б – контр-ролик диаметра обратного ролика ( контр – ролика, рис. 4,б), который после термообработки – закалки в соляной ванне, отпуска до HRC 58-60 и последующего шлифования служит для холодной накатки рабочих роликов ( рис.4,а). Инденторы рабочего ролика образованного методом холодной накатки могут быть дополнительно прокалиброваны дорнованием. После закалки в соляной ванне, отпуска до HRC 58...60 и шлифования рабочие ролики используются для упрочняющего деформационного формоизменения поверхностей трения деталей, то есть в качестве мастер – роликов

При практической реализации метода холодной накатки роликов инструмент ( мастер – ролик или контр – ролик) устанавливается в динамометрической оправке, которая закрепляется в резцодержателе токарного станка. Усилие накатки обеспечивается поперечной подачей суппорта станка и контролируется динамометром, либо по лимбу. Накатка начинается после касания поверхностей инструмента и заготовки, без перекосов в горизонтальной плоскости, с натягом по лимбу - 2 мм. Затем, при поперечной подаче суппорта, натяг плавно увеличивается без остановки станка до полного формирования рабочих ячеек по боковым граням и дну рельефа.

Контроль глубины внедрения индентеров, перемычек и качества окончательной обработки поверхностей инструмента (ролика) производится без снятия заготовки визуально при помощи лупы Бринелля и индикаторной головки.

Смазочно – охлаждающая жидкость-масло индустриальное И–20 или И–20А.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основание сформулированных основных требований к свойствам и технологии обработки поверхностей трения, повышающей их фреттингостойкость, предложен способ УДФ совмещенный с нанесением покрытий на формоизмененные поверхности и инструмент для их упрочняющего деформационного формоизменения. Обоснованы и оценены рабочие параметры деформирующего инструмента и образуемого на поверхностях трения регулярного рельефа. Предложены технологические процессы изготовления деформирующего инструмента и отделочно – упрочняющей обработки рабочих поверхностей деталей машин. Способ и инструмент расширят номенклатурный ряд средств повышения фреттингостойкости (износостойкости) поверхностей трения методами поверхностной пластической деформации (ППД).