СПОСОБ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС С НАНЕСЕНИЕМ ПОКРЫТИЯ Российский патент 2003 года по МПК C23C10/26 C23C26/00 

Изобретение относится к машино-приборостроению и может быть использовано на финишных операциях для упрочняющей обработки сложных геометрических поверхностей с одновременным нанесением композиционных покрытий из пластичных металлов.

Известен способ нанесения металлических покрытий, при котором материал покрытия вносится в зону обработки при одновременном его поверхностном деформировании за счет статического давления инструмента (SU 1504070, МПК 7 В 24 В 39/00, 30.08.1989).

Известен способ нанесения металлических покрытий с использованием быстровращающейся металлической щетки, когда материал покрытия наносится из стержня донора, расположенного перед обрабатываемой поверхностью, последний прижимается к ворсу щетки с определенным усилием (SU 1206068, МПК 7 В 24 В 39/00, 23.01.1986; SU 1540364, МПК 7 F 01 D 11/14, 30.06.1994).

Наиболее близким к предложенному способу является способ упрочняющей обработки зубчатых колес с нанесением покрытия, включающий предварительное упрочнение рабочих поверхностей, подачу в зону контакта состава, содержащего хлорид меди, ацетамид, мочевину, стеариновую кислоту, дистиллированную воду, композицию ультрадисперсных порошков меди и никеля в соотношении 1:1, глицерин остальное (RU 2138579 C1, МПК 6 С 23 С 26/00, 27.09.1999).

Недостатками вышеперечисленных способов являются невозможность обработки сложных геометрических поверхностей зубчатых колес, нанесение композиционных покрытий, недостаточная прочность сцепления с основой и качество самого покрытия.

Технический результат - повышение качества покрытия, надежности его сцепления с основным металлом, возможность обработки эвольвентной поверхности зубчатых колес достигается за счет предварительной упрочняющей обработку эвольвентной поверхности зубчатых колес путем обдувки дробью или каким-либо другим способом, при котором наблюдается упрочняющий эффект, выражающийся в повышении твердости рабочих поверхностей, формирование благоприятных остаточных напряжений сжатия, очистка поверхности от окислов. Процесс нанесения покрытия начинается подготовительной обкаткой инструментом с определенным усилием прижатия или возможным смещением осей установки. На этом этапе обработки снижается исходная шероховатость рабочих поверхностей, образуется ювенильная поверхность, что значительно облегчает процесс образования предварительного диффузионного слоя и впоследствии самого покрытия.

Далее без остановки процесса обкатки в зону контакта подается состав при следующем соотношении компонентов, мас. %: хлорид меди 4-8, антраниловая кислота 8-10, ацетамид 5, мочевина 0,5, стеариновая кислота 0,5, вода дистиллированная 15-20, композиция ультрадисперсных порошков меди и никеля в соотношении 1:1 2-4, глицерин остальное. Под действием давления в зоне контакта обрабатываемой поверхности и инструмента происходит химическое взаимодействие компонентов состава с поверхностью металла (происходит реакция замещения ионов). На этой стадии обработки образуется некоторый диффузионный слой, который обеспечивает впоследствии надежность сцепления композиционного покрытия с основой.

В процессе образования покрытия на поверхности проводится его послойная упрочняющая обработка тем же инструментом. На этом этапе происходит дополнительное внедрение ультрадисперсных частиц из состава в покрытие и диффузионный слой. Внедрение в медное покрытие ультрадисперсных частиц меди и никеля позволяет формировать композиционное покрытие на эвольвентой поверхности. Создается дополнительная защита от непосредственного контакта трущихся поверхностей. Послойная упрочняющая обработка повышает качество самого покрытия.

При нанесении покрытий уменьшается микротвердость рабочей поверхности за счет заполнения впадин микронеровностей и возможных микротрещин материалом покрытия, а вершины микронеровностей покрытия сглаживаются при упрочняющей обработке покрытия. Такая поверхность зуба в гидродинамическом режиме работы с проскальзыванием имеет меньшие значения силы трения, уменьшается тепловыделение в контакте, при этом допускается большая рабочая нагрузка на зубья колес и как результат зубчатая передача имеет больший коэффициент полезного действия.

Для определения оптимального усилия прижатия инструмента (создание давления в зоне контакта) используется известная формула контактных напряжений (формула Герца)

где P_N - нормальное давление в контакте определяется зависимостью

Для определения оптимального усилия (давления) в зоне контакта поверхностей детали и инструмента используется зависимость

где Р - усилие прижатия, Н;
ρ - приведенный радиус кривизны, мм;
b - рабочая длина линии контакта, мм;
Е - модуль упругости покрытия, МПа;
α - угол зацепления, град;
[σ_н] - допускаемое контактное напряжение, [σ_н] = 160÷150 МПа.

Вторым ограничивающим критерием процесса обработки покрытия (определяющим допустимую нагрузку при обкатке) является допустимая температура в контакте при обкатке. Повышение температуры в контакте (по Блоку см. справочник "Детали машин. Расчет и конструирование" /под. ред. Н.С.Ачеркана, изд. 3-е. - М.: Машиностроение, т. 1,-1968,-364с.).

где μ - коэффициент трения скольжения поверхностей;
удельная погонная нормальная нагрузка в контакте, Н/мм;
V_oкp - скорость скольжения в контакте, м/с, V_окр = |V_K1-V_K2|;
V_К1, V_К2 - скорости перемещения точки контакта вдоль зуба, м/с;


приведенный радиус кривизны, м;
радиусы кривизны профилей зуба сопрягаемых колес в точке контакта;
ω₁,ω₂ - частоты вращения колеса и инструмента, рад/с.

Установлено, что допустимая температура в контакте при отсутствии заедания профилей зуба равна 250^oС.

Величину нагрузки (расчетное усилие) в зоне обработки возможно изменяется за счет смещения осей инструмента и обрабатываемой поверхности колеса и усилием прижатия, которое обеспечивается рабочей пружиной установки для обработки.

Пример конкретного выполнения способа.

Композиционное покрытие наносится на рабочую поверхность зубчатого колеса после предварительного упрочнения (материал основы ВКС-4). Схема окончательной обработки эвольвентной поверхности колеса зубчатого показана на фиг. 1, 2. Для материала подобного типа рекомендуется состав, мас.%:
Хлорид меди - 4-8
Антраниловая кислота - 8-10
Ацетамид - 5
Мочевина - 0,5
Стеариновая кислота - 0,5
Вода дистиллированная - 15-20
Композиция ультрадисперсных металлов (медь, никель в соотношении 1:1) - 2-4
Глицерин - Остальное
После предварительного упрочнения обрабатываемое колесо 1 устанавливается на оправе в патроне, например, токарного станка (см. фиг. 1). В резцедержатель станка (на схеме не показан) устанавливается корпус державки 2, в которой крепится подпружиненный инструмент 3. Включается вращение детали. Подготовительная обработка эвольвентной поверхности проводится путем свободного обкатывания инструмента по рабочей поверхности, входящего в зацеплении с обрабатываемой деталью. Поперечной подачей суппорта и действием рабочей пружины 4, расположенной в корпусе, устанавливается оптимальное усилие Р. Напряжения (усилие), возникающие в зоне контакта, контролируются перемещением винта 5 относительно корпуса державки. Предварительное поджатие пробки 6 обеспечивает стабильность давления в зоне контакта в процессе обработки. После подготовительной обкатки через патрубок 7 подается вышеприведенный состав. Подготовительная обкатка снижает исходную шероховатость. В процессе формирования покрытия (подача состава) проводится его послойное упрочнение. Оптимальное количество спецжидкости определяется по формуле:
Q=δzb, л/м, - (5)
где δ - удельная подача состава в контакт (определено экспериментально, около 2 г);
z - число зубьев;
b - рабочая длина зуба.

Подготовительная обкатка, образование покрытия, его послойное упрочнение длится примерно 40-60 с при частоте вращения колеса 15-20 рад/с. Расчетная, удельная сила давления в контакте составляет 30-40 Н/мм².

Сравнительная оценка качества получаемых композиционных покрытий проводилась по кинетическим параметрам обработанных поверхностей методом склерометрии и по результатам стендовых испытаний образцов. В качестве кинетического параметра определялась величина энергии активации поверхностей с покрытиями, с повышением численных значений которых повышается и износостойкость поверхностей. У исходных поверхностей (без покрытия) величина энергии активации достигает величин 15 кДж/моль, а у поверхностей с предлагаемым композиционным покрытием 26 кДж/моль. Стендовыми испытаниями установлено, что износостойкость образцов с композиционными покрытиями возросла на 25...30% по сравнению с исходными, снизился коэффициент трения на 15...20%. Результаты исследований по изменению коэффициента трения от времени наработки (противозадирные свойства) для различных составов представлены на фиг. 3.

Предлагаемый состав готовится путем поочередного смешивания компонентов с последующим добавлением глицерина и ультрадисперсных порошков. Компоненты, входящие в состав, неядовитые, экологически чисты, безопасны при эксплуатации. При длительном хранении возможно оседание ультрадисперсных порошков, поэтому перед применением состав тщательно перемешивается.

Изобретение относится к машиноприборостроению и может быть использовано на финишных операциях для упрочняющей обработки сложных геометрических поверхностей с одновременным нанесением композиционных покрытий из пластичных металлов. Задачей изобретения является повышение качества покрытия, а также надежности его сцепления с основным металлом. Предложенный способ включает предварительное упрочнение рабочих поверхностей, подачу в зону контакта состава при следующем соотношении компонентов, мас.%: хлорид меди 4-8, антраниловая кислота 8-10, ацетамид 5, мочевина 0,5, стеариновая кислота 0,5, вода дистиллированная 15-20, композиция ультрадисперсных порошков меди и никеля в соотношении 1:1 2-4, глицерин остальное, при этом сила трения в зоне контакта достигает 10-12 Н, а в процессе образования композиционного покрытия проводят его послойное упрочнение инструментом по рабочему профилю, при этом оптимальное усилие в зоне контакта, прикладываемое к инструменту, P = 2sinαρb[[σ_н]/0,418]²/E, где Р - усилие прижатия, н; ρ - приведенный радиус кривизны, мм; b - рабочая длина линии контакта, мм; Е - модуль упругости покрытия, МПа; α - угол зацепления, град; [σ_н] - допускаемое контактное напряжение, МПа. Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости образцов с нанесенным заявленным способом покрытием. 3 ил.

Способ упрочняющей обработки зубчатых колес с нанесением покрытия, включающий предварительное упрочнение рабочих поверхностей, подачу в зону контакта состава, содержащего хлорид меди, ацетамид, мочевину, стеариновую кислоту, дистиллированную воду, композицию ультрадисперсных порошков меди и никеля в соотношении 1: 1 и глицерин, отличающийся тем, что состав дополнительно содержит антраниловую кислоту при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Хлорид меди - 4-8
Антраниловая кислота - 8-10
Ацетамид - 5
Мочевина - 0,5
Стеариновая кислота - 0,5
Вода дистиллированная - 15-20
Композиция ультрадисперсных порошков меди и никеля в соотношении 1: 1 - 2-4
Глицерин - Остальное
при этом сила трения в зоне контакта достигает 10-12 Н, а в процессе образования композиционного покрытия проводят его послойное упрочнение инструментом по рабочему профилю, при этом оптимальное усилие в зоне контакта, прикладываемое к инструменту
P = 2sinαρb[[σ_н]/0,418]²/E,
где Р - усилие прижатия, Н;
ρ - приведенный радиус кривизны, мм;
b - рабочая длина линии контакта, мм;
Е - модуль упругости покрытия, МПа;
α - угол зацепления, град;
[σ_н] - допускаемое контактное напряжение, МПа.