Проблемы машиностроения и надежности машин, 2023, № 2, стр. 28-33

Для работы машин и механизмов в условиях Крайнего Севера необходимо получать поверхности на деталях машин с особыми свойствами. Это обосновано тем, что в Арктике очень суровые климатические условия: влажность воздуха до 90%, сильные снегопады, температура зимой опускается до –48°С, (летом поднимается до +40°С), скорость ветра до 30–40 м/c. Такие климатические условия снижают работоспособность, увеличивают число отказов, возникает явление схватывания или примерзания деталей сопряжений при длительном простое техники (рис. 1) [1–7].

Рис. 1.

Влияние температуры окружающего воздуха на удельное количество отказов.

Специфика природно-климатических условий зоны холодного климата (низкие температуры окружающего воздуха, большая продолжительность зимнего периода со снеговым покровом и заснеженными дорогами) обусловливает ряд особенностей эксплуатации механизмов.

Работы, направленные на исследования поверхностей деталей машин, которые будут иметь высокий ресурс работы в условиях низких температур являются актуальными. Повысить ресурс работы, исключить схватывание или примерзание деталей в различных сопряжениях можно разделив поверхности слоем смазки. Это позволит снизить износ и исключить примерзание. Решение таких задач лежит в области технологий.

Авторами разработана технология комбинированной обработки, которая позволяет получить регулярные микрорельефы на цилиндрических поверхностях. Представленная технология реализуется на стандартном оборудовании [8–10]. Комбинированная обработка заключается в последовательном выполнении двух этапов: упрочняющей технологии – электромеханической обработки и отделочной – алмазном выглаживании. Преимущество разработанной технологии – вся обработка осуществляется на одном рабочем месте, т.е. за одну операцию (рис. 2). После механической обработки резанием специальным роликом-электродом проводят электромеханическую обработку (рис. 3а), а затем – алмазное выглаживание (рис. 3б).

Рис. 2.

Оборудование для комбинированной обработки на базе универсального токарного станка: 1 – универсальный токарно-винторезный станок; 2 – источник тока; 3 – планшайба патрона; 4 – приспособление; 5 – гидростанция для охлаждения источника тока; 6 – электрошкаф; 7 – мотор-редуктор для уменьшения скорости вращения шпинделя; 8 – трансформатор; 9 – амперметр для контроля величины силы тока.

Рис. 3.

Установка для комбинированной обработки: (а) – этап электромеханической обработки (1 – ролик электрод, 2 – образец); (б) – этап алмазного выглаживания (1 – образец, 2 – алмазный выглаживатель, 3 – приспособление).

Применение установки для комбинированной обработки (КО) на базе токарного станка позволит сократить время на промежуточные операции и повысить производительность.

После применения комбинированной обработки на поверхности образцов образуются регулярный микрорельеф, который будет удерживать смазку и исключать примерзание деталей в сопряжении.

Для бесперебойной работы машин и механизмов необходимо сохранить полученные свойства на поверхности (регулярные микрорельефы). Для этого были проведены исследования по влиянию низких температур на изменение полученных свойств поверхностного слоя после комбинированной обработки. Эти исследования проводили путем выдержки образцов, после комбинированной обработки, при T = –46–50°C в течение двух часов в смеси воды и спирта в кипящем азоте (рис. 4а).

Рис. 4.

Исследования по влиянию низких температур на изменение полученных свойств поверхностного слоя после комбинированной обработки: (а) – проведение эксперимента; (б) – образцы после обработки в смеси воды и спирта в кипящем азоте.

Изменение свойств поверхностного слоя после низкотемпературного воздействия проводили методом сравнения значений твердости и остаточных напряжений. Твердость измеряли на твердомере Instron Wilson HardnessTUKON 2500, остаточные напряжения измеряли рентгеновским методом согласно [10, 12, 13].

Результаты измерений твердости на поверхности образцов до низкотемпературного воздействия и после воздействия представлены на рис. 5а, б, в.

Рис. 5.

Результаты замеров твердости (1 – после КО, 2 – после низкотемпературного воздействия): (а) – сталь 1045; (б) – сталь 5140; (в) – сталь 420.

Результаты измерений остаточных напряжений на поверхности образцов до низкотемпературного воздействия и после воздействия представлены в табл. 1.

Анализ результатов исследований показывает, что низкотемпературные воздействия не изменяют основные показатели поверхностного слоя: твердость на поверхности не снижается или изменяется в пределах ошибки измерения. В работах [14–23] отмечено положительное влияние упрочнения в криогенных средах. Отмечено повышение твердости, коррозионной стойкости, получение благоприятной структуры.

После КО повышается твердость, снижается шероховатость до Ra 2.5–0.4 мкм, образуется благоприятная структура – мелкоигольчатого мартенсита [9, 11]. Однако при низкотемпературном воздействии может произойти вторичное упрочнение: уменьшится твердость и изменится знак и величина остаточных напряжений [17, 22, 23]. Исследования, проведенные авторами, не подтверждают это. Все положительные качества поверхностного слоя, полученные после КО сохраняются.

Сочетание полученных свойств позволит повысить ресурс работы деталей – увеличить износостойкость. Регулярный микрорельеф, полученный на поверхности, будет удерживать смазку, и предохранять от примерзания деталей в сопряжении при длительном простое в условиях Арктики.

Выводы. 1. Представленные исследования проведены впервые. 2. Решать проблемы низкого ресурса работы машин и механизмов при Т = –50°С можно технологическими методами, например, комбинированием методов. 3. Сочетание благоприятных свойств на поверхности после комбинированной обработки и сохранение этих свойств в низкотемпературной среде – результат синергетического эффекта: по отдельности метод электромеханической обработки и алмазное выглаживание не получают таких свойств. При объединении этих методов поверхность имеет новые свойства. 4. Авторы планируют продолжить исследования – разработать теоретические зависимости параметров поверхностного слоя от режимов комбинированной обработки для прогнозирования результатов на этапе технологической подготовки производства.