Влияние технологических параметров на шероховатость при обработке покрытий

Введение

Современные методы обработки (такие как электроимпульсная и абразивная обработка с охлаждением) значительно улучшают эксплуатационные свойства деталей. Такие виды обработки минимизируют микронеровности, снижают трение и износ, а также предотвращают появление микротрещин. Применение сверхтвердого алмазного и эльборного шлифования повышает твердость и износостойкость, а прецизионные технологии обеспечивают высокую геометрическую точность обработки, что особенно важно для деталей, работающих в условиях динамических нагрузок. Таким образом, современные методы обработки повышают не только качество, но и надежность деталей в эксплуатации [1 – 3]. Однако при нарушении режимов обработки возможны перегревы, которые приводят к изменению структуры материала, появлению закалочных трещин и снижению прочности, что может приводить к короблению или разрушению детали в процессе эксплуатации.

Для нанесения покрытий, упрочнения и восстановления деталей, эксплуатируемых в условиях интенсивного износа, перспективным решением является использование износостойких порошковых материалов, таких как ПГ-СР2 и ПГ-10Н-0,2. Основными компонентами данных материалов являются хром, железо, никель и карбидообразующие элементы (W, Mo, V), которые обеспечивают высокую твердость, износостойкость, жаропрочность и коррозионную стойкость [4 – 6].

На рис. 1 представлены микроструктуры покрытий ПГ-СР2 + 30 % НПЧ1 и ПГ-СР2 + 75 % НПЧ1. По результатам визуального анализа микроструктура покрытия с меньшим содержанием наполнителя (30 % НПЧ1) характеризуется большей однородностью. В частности, микроструктура покрытия состава ПГ-СР2 + 30 % НПЧ1 представлена спеченными частицами базового компонента, армированными частицами наполнителя за счет процесса жидкофазного спекания.

При использовании состава ПГ-СР2 + 75 % НПЧ1 микроструктура характеризуется формированием блоков, состоящих из частиц порошка ПГ-СР2 относительно крупных размеров, между которыми распределены мелкодисперсные частицы наполнителя НПЧ1.

Полученные экспериментальные данные демонстрируют, что добавление к порошку ПГ-СР2 наполнителей на основе никеля (НПЧ1, НПЧ2, НПЧ3) и железного порошка ПЖ6М в количестве до 35 и 25 % соответственно позволяет создавать качественные покрытия с пористостью, не превышающей 15 %.

Предварительные эксперименты по напеканию порошковых композиций показали, что для всех рассматриваемых двухкомпонентных порошковых смесей их спекаемость и напекаемость к основе гильзы ухудшаются с повышением содержания наполнителя. Увеличение содержания порошков типа НПЧ1, НПЧ2, НПЧ3, ПГ-10Н-04 более, чем на 35 %, и железного порошка ПЖ6М более, чем на 25 %, в двухкомпонентных смесях с порошком ПГ-СР2 ведет к повышению пористости покрытия, которая при увеличении содержания наполнителя переходит в макропористость с величиной пор от 0,5 до 1,5 мм (рис. 2, а).

С помощью растрового микроскопа изучены поверхности со свежими следами разрушения, полученными в результате отрыва штифта от напеченного покрытия. На рис. 2, б показана фрактограмма локальной зоны разрушения поверхности покрытия ПГ-СР2. Исследуемая зона представляет собой смешанный излом с элементами вязкого и хрупкого разрушения. Резкие границы перехода – это элементы хрупкого излома, более сглаженные при вязком разрушении. Отрыв штифта по переходной зоне (рис. 2, б) характеризуется вязким разрушением, что говорит о хорошем контакте покрытия с основой гильзы.

Для повышения свойств напеченных слоев разработана технология накатывания поверхностей после индукционного центробежного напекания (ИЦН). Этот метод восстанавливает детали путем нанесения металлического слоя, который затем обрабатывается накатыванием. При таком процессе снижается шероховатость, уплотняется структура, уменьшается пористость, создаются остаточные сжимающие напряжения, что повышает усталостную прочность и снижает износ рабочих поверхностей.

Восстановление внутренней поверхности гильзы цилиндра методом индукционного спекания включает нанесение порошкового материала с последующим нагревом. Этот метод обеспечивает прочную адгезию, минимальное тепловое воздействие и повышенную износостойкость (рис. 3). Однако обработка восстановленного слоя затруднена из-за высокой твердости, неоднородности структуры и изменений в металле при быстром нагреве и охлаждении [5; 6].

Ключевым этапом финальной обработки, который обеспечивает точность геометрии, минимальную шероховатость и требуемые параметры сопряжения с поршнем, является шлифование восстановленных гильз: черновое удаляет основной слой материала, а чистовое обеспечивает точные размеры и улучшает микрогеометрию. Этот процесс требует строгого соблюдения технологии, так как влияет на срок службы двигателя, износ поршневой группы и расход масла. Качественная обработка особенно важна для двигателей, работающих при высоких нагрузках [7 – 9].

В машиностроении используются различные методы повышения эксплуатационных свойств абразивных инструментов при обработке. Оптимизация структуры, состава и режимов работы инструментов позволяет увеличить их долговечность и эффективность работы. Основные направления улучшения включают: применение современных абразивов (алмаз, кубический нитрид бора); использование композитных, керамических и гибридных связок; применение самозатачивающихся и пористых кругов для лучшего отвода стружки и охлаждения. Дополнительные технологии (такие как электроимпульсное и ультразвуковое воздействия) и использование смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) снижают износ и энергозатраты [10 – 13].

Важным этапом обработки, обеспечивающим высокую точность размеров и минимальную шероховатость, является внутреннее шлифование гильз цилиндров двигателя. Однако при использовании традиционных кругов (например, 25А20ПСМ18К8БЗ) наблюдаются налипание стружки, засорение и интенсивный износ инструмента, которые снижают точность обработки. Исследования показали, что при обработке напеченных поверхностей из порошковых материалов (ПГ-СР2, содержащих хром, железо и никель) особенно остро встает проблема засаливания круга.

Одним из перспективных решений является применение импрегнированных абразивных кругов. Круги пропитываются специальными составами (маслами, полимерами, металлическими соединениями), что улучшает их характеристики. Преимуществами таких кругов являются стабильность шлифования, снижение нагрева, уменьшение засорения и повышение точности обработки. Это делает их особенно полезными для твердых и труднообрабатываемых материалов.

Импрегнированные круги решают эту проблему за счет присутствия твердой смазки в составе. При этом снижаются контактное давление и силы резания, уменьшается температура обработки и замедляется износ круга. Применение таких кругов позволяет повысить производительность и качество обработки металлических изделий, что особенно важно для серийного и массового производства, требующего высокой точности и долговечности инструмента.

Материал и методы исследования

Эксперименты показали, что при внутренней обработке восстановленных гильз двигателей использование смазочно-охлаждающей жидкости приводит к резкому охлаждению зоны стружкообразования. Это вызывает адгезионное прилипание никеля и хрома к абразивным зернам, что снижает режущую способность круга и ухудшает теплоотвод [14 – 16]. В результате увеличивается износ инструмента, повышается температура в зоне резания, что может привести к появлению микротрещин и дефектов обработанной поверхности.

Для минимизации прилипания важно правильно подбирать абразивный инструмент, оптимизировать режимы обработки и использовать эффективные СОЖ. Также необходимо регулярно проводить правку шлифовального круга [17 – 19].

Применение импрегнированных абразивных кругов снижает адгезию стружки, улучшает самоочищение зерен, продлевает срок службы инструмента и уменьшает температуру в зоне контакта. Импрегнираторы участвуют в процессе стружкообразования, улучшая условия трения и снижая силы резания при обработке порошковых материалов [20; 21].

Эффективность импрегнирования зависит от равномерности распределения импрегнатора, пористости круга и технологии пропитки. Импрегнированные круги приобретают гидрофобные свойства, что защищает их от влаги и продлевает срок хранения [18; 19].

В настоящей работе применяли три метода обработки внутренних поверхностей восстановленных гильз двигателей:

– обработка с применением СОЖ (3 % эмульсии);

– обработка абразивными кругами, импрегнированными стандартным методом [18; 19];

– обработка абразивными кругами, импрегнированными предлагаемым способом.

В предложенном способе импрегнирования абразивный круг устанавливается на шпиндель 7 пропиточного устройства (рис. 4), затем погружается в ванну 6 с пропиточным раствором, обеспечивая свободное заполнение пор. После извлечения круг вращается со скоростью 1000 об/мин, что позволяет удалить излишки раствора. Это способствует равномерному распределению импрегнатора и снижает вероятность засаливания инструмента стружкой [18; 22].

Результаты и их обсуждение

Шероховатость обработанной поверхности оценивалась в зависимости от режимов обработки. Установлено, что основное влияние на шероховатость оказывает скорость вращения обрабатываемой детали. Кривая 3 (рис. 5) получена при обработке стандартным абразивным кругом с охлаждением, кривая 2 – при обработке импрегнированным стандартным методом кругом. Кривая 1 демонстрирует снижение шероховатости при использовании предложенного способа импрегнирования, это наилучший результат.

Импрегнированные предложенным методом круги обеспечивают уменьшение сил резания и пластической деформации, что снижает шероховатость поверхности. Такие круги менее подвержены засаливанию, а шлифовальная стружка эффективно удаляется из зоны контакта.

Эксперименты по влиянию режимов обработки (V_д – скорости вращения детали; V_кр – скорости вращения круга; S_пр – продольной подачи) показали, что увеличение V_д и S_пр повышают шероховатость поверхности во всех методах обработки. С увеличением скорости V_д наблюдается рост значения R_a для всех исследуемых режимов (рис. 5). Минимальные значения шероховатости характерны для режима 1 – абразивного круга, импрегнированного предложенным способом; тогда как режим 3 (обычный абразивный круг с применением смазочно-охлаждающей жидкости) обеспечивает наибольшие значения R_a во всем диапазоне скоростей.

С увеличением скорости вращения шлифовального круга V_кр наблюдается общее снижение значения R_a для всех исследуемых режимов (рис. 6). Наименьшие значения шероховатости достигаются при режиме 1 – абразивный круг, импрегнированный предложенным способом. Режим 3 характеризуется наибольшими значениями R_a во всем исследуемом диапазоне скоростей.

Из рис. 7 видно, что с увеличением продольной подачи S_пр наблюдается рост значения R_a для всех исследуемых режимов. Минимальные значения шероховатости характерны для режима 1. Режим 3 обеспечивает наибольшие значения R_a на всем диапазоне продольной подачи.

Различия между кривыми на рис. 5 – 7 указывают на существенное влияние условий обработки на формирование микрорельефа поверхности.

Эксперименты показывают, что при внутренней обработке гильз двигателя, восстановленных с использованием порошковых материалов, применение импрегнированных абразивных кругов позволяет снизить шероховатость поверхности в 1,5 – 1,8 раза. Таким образом, предложенный способ импрегнирования абразивных кругов позволяет существенно улучшить качество обработки восстановленных гильз двигателей.

На рис. 8 приведены фотографии микрошлифов изношенных гильз цилиндров 6Ч17/14 судового дизеля, прошедших межремонтный ресурс. Микроструктура изношенной гильзы соответствует по характеру распределения графита в металлической основе баллом Гд-6. Форма графита для гильз цилиндров дендритно-розеточная с включениями графита округлой формы. Металлическая основа (рис. 8, а) гильз цилиндров соответствует перлиту балла П-П95, количество феррита не превышает 1,0 – 1,5 % к площади шлифа.

На рис. 8, д, е приведена микроструктура гильз цилиндров после напекания порошкового покрытия. Графитовые включения чугуна гильз в зоне напекания порошкового покрытия соответствуют баллам Гд-5. Форма графита у гильз цилиндров дендритно-розеточная. Немного увеличилось количество графита округлой формы.

Микроструктура гильз с нанесенным покрытием после последующих механических обработок соответствует микроструктуре изношенной гильзы. Анализ показал, что структура металлической основы гильзы находится в пределах требований ГОСТ.

Выводы

При увеличении скорости вращения детали в процессе шлифования возрастает длина контакта абразивных зерен с обрабатываемой поверхностью. Это способствует увеличению остаточной высоты шероховатости, усилению тепловых эффектов и изменению механических свойств поверхностного слоя.

С увеличением скорости вращения абразивного круга возрастает частота его контактов с заготовкой, что приводит к вовлечению большего количества зерен в процесс обработки. В результате повышается равномерность съема материала, что способствует снижению шероховатости поверхности.

Анализ кинематических процессов шлифования показал, что увеличение скорости вращения детали увеличивает длину контакта абразивных зерен, что ведет к росту остаточных высот шероховатости. В то же время при повышении скорости вращения абразивного круга наблюдается общее снижение значения шероховатости внутренней поверхности гильзы.

Экспериментальные исследования подтвердили, что при внутренней обработке гильзы двигателя, восстановленной с использованием порошковых материалов, применение импрегнированных кругов снижает шероховатость поверхности в 1,5 – 1,8 раза.