Способ определения оптимальных условий шлифования

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при обработке деталей, восстановленных плазменным напылением металлического порошка. Осуществляют предварительное шлифование обрабатываемой детали и проводят ее физико-химический анализ. По результатам анализа изменяют условия шлифования в зависимости от элементного состава поверхностного слоя детали, его фазового состояния и микроструктуры. Упомянутые параметры определяют комплексом микрозондовых методов анализа. Последний включает проведение рентгенофазового анализа под скользящим углом, рентгенофотоэлектронной спектроскопии, масс-спектроскопии вторичных ионов с послойным анализом. При этом проводят измерение микротвердости и шероховатости обрабатываемой поверхности. Такие действия позволяют выбрать оптимальные режимы шлифования, что повышает качество обрабатываемой поверхности. 1 табл.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при обработке металлов резанием.

Известен способ определения оптимальных условий шлифования (авторское свидетельство СССР №852501, МПК В24В 1/00, 1981 г.), при котором в качестве критерия оптимальности выбирают концентрацию химических элементов, перенесенных с абразивного инструмента.

Недостатком способа является то, что он не учитывает возможные изменения в тончайших поверхностных слоях обработанной детали, происходящие в процессе шлифования газотермического покрытия и влияющие на его качество, - фазового состояния, микроструктуры, шероховатости и микротвердости. Изменения шероховатости, микротвердости, фазового состава и микроструктуры в поверхностном слое шлифуемой детали влияют на достижение требуемой износостойкости трибосопряжения и, как следствие, - ресурс.

Технический результат направлен на повышение качества обрабатываемой поверхности.

Технический результат достигается тем, что деталь предварительно шлифуют, затем проводят физико-химический анализ обрабатываемой поверхности, по результатам которого изменяют условия шлифования с выбором критерия оптимальности.

При этом для определения оптимальных условий шлифования деталей класса «валы», восстановленных плазменным напылением металлического порошка, в качестве критерия оптимальности выбирают шероховатость, микротвердость, а также элементный состав, фазовое состояние, микроструктуру поверхностного слоя, влияющие на достижение требуемой износостойкости трибосопряжения «плазменное покрытие-вкладыш» и определяемые комплексом микрозондовых методов анализа, включающим проведение рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, рентгенофазового анализа под скользящим углом, масс-спектроскопии вторичных ионов с послойным анализом.

Отличительными признаками от прототипа является то, что для определения оптимальных условий шлифования деталей класса «валы», восстановленных плазменным напылением металлического порошка, в качестве критерия оптимальности выбирают шероховатость, микротвердость, а также элементный состав, фазовое состояние, микроструктуру поверхностного слоя, влияющие на достижение требуемой износостойкости трибосопряжения «плазменное покрытие-вкладыш» и определяемые комплексом микрозондовых методов анализа, включающем проведение рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, рентгенофазового анализа под скользящим углом, масс-спектроскопии вторичных ионов с послойным анализом.

Суть способа поясняется на примере шлифования коренных шеек коленчатого вала, восстановленного плазменным напылением металлического порошка ПН85Ю15.

Для определения оптимальных условий шлифования подготавливали пять групп образцов (таблица). Образцы всех групп вырезали из коренных шеек коленчатого вала двигателя КамАЗ-740.10 (сталь-42ХМФА-Ш). Изношенную поверхность образцов второй, третьей, четвертой и пятой групп восстанавливали плазменным напылением порошка ПН85Ю15 (ТУ-14-1-38-82-81) на установке плазменного напыления ПН-УПУ-3Д. Толщина покрытия составляла не более 3 мм на диаметр. Напыление порошка осуществляли по технологии, обеспечивающей получение максимально возможной адгезионной прочности и износостойкости трибосопряжения.

Образцы первой, третьей, четвертой и пятой групп шлифовали на станке 3А-423 с одинаковыми параметрами режима, обеспечивающими максимальную износостойкость трибосопряжения «шейка вала-вкладыш»: скорость круга V_к=30 м/с, скорость вращения детали V_д=20 м/мин, глубина шлифования t_м=0,025 м/мин с охлаждением «Эмульсолом-1» с подачей 8 л/мин.

За эталон приняты образцы первой и второй групп. Причем образцы первой группы шлифовали для изучения изменения свойств шейки коленчатого вала после шлифования. Образцы второй группы напыляли для изучения исходного элементного состава, фазового состояния, микроструктуры и микротвердости плазменного покрытия. При определении оптимальных условий шлифования образцов 3-й, 4-й и 5-й групп изменяли твердость шлифовального круга. После шлифования образцов всех групп измеряли шероховатость поверхности, микротвердость, изучали элементный состав, фазовое состояние, микроструктуру шлифованной поверхности. После этого испытывали трибосопряжение «вкладыш-шейка коленчатого вала» на износостойкость. Физико-химические свойства поверхности, сформированные при шлифовании, сравнивали с износостойкостью трибосопряжения. На этой основе формулировали вывод о влиянии элементного состава, фазового состояния, микроструктуры, микротвердости и шероховатости поверхности на износостойкость трибосопряжения. После этого изменяли твердость круга, шлифовали покрытие и повторно проводили исследование.

С помощью масс-спектроскопии вторичных ионов с послойным анализом (МСВИ) на поверхности плазменного покрытия образцов второй группы (без шлифования) обнаружено скопление СО₂. Это подтверждено рентгеноспектральным микроанализом (РСМА). Концентрация химических элементов установлена рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией (РФЭС) и составила: Al - 15,2%, Ni - 84,8% (см. таблицу). Это соответствует химическому составу порошка ПН85Ю15, используемого при напылении. Рентгенофазовым анализом под скользящим углом в поверхностном слое обнаружено 2,3% фазы Al₂О₃. Микроструктура также соответствует плазменному покрытию порошка ПН85Ю15. Микротведость ниже, чем у шейки коленчатого вала. Поскольку покрытие образцов второй группы не шлифовали, шероховатость покрытия и износостойкость трибосопряжения не измерялись.

С помощью МСВИ, РСМА после шлифования плазменного покрытия твердым кругом 24А25СТ15КБ на поверхности образцов третьей группы обнаружено увеличение концентрации Al и O₂ (см. таблицу). Методом РФЭС установлено, что на поверхности после шлифования твердым кругом накапливается 28% Al, а концентрация Ni снижается до 72%. Рентгенофазовый анализ под скользящим углом позволил установить наличие фаз: NiAl, AlNi₃ и Al₂O₃ с концентрацией AlNi₃ меньше 1% и Al₂О₃ около 7% (корунд), снижающих износостойкость трибосопряжения. Доминирующее влияние на снижение износостойкости трибосопряжения оказывает фаза Al₂О₃. Микроструктура покрытия уплотнена по сравнению с покрытием до шлифования и способствует повышению износостойкости восстановленной поверхности после шлифования и трибосопряжения в целом. Микротвердость снизилась до 300 кг/мм². Шероховатость полученной поверхности составила 0,32 мкм. Износостойкость трибосопряжения «шейка вала с плазменным покрытием после шлифования-вкладыш» на 18% ниже, чем эталонное сопряжение.

С целью уменьшения концентрации Al₂О₃ и, как следствие, увеличение износостойкости трибосопряжения проводили изменение условий обработки. Для этого изменили твердость шлифовального круга. Поверхность плазменного покрытия после шлифования кругом средней твердости 24А25С15КБ претерпела изменения по сравнению с покрытием, шлифованным твердым кругом 24А25СТ15КБ. Реализация комплекса микрозондовых методов анализа показала уменьшение концентрации Al с 28% до 21,2% (см. таблицу). Концентрация фазы Al₂O₃ снизилась до 5%. При неизменной уплотненной микроструктуре снизилась микротвердость покрытия и шероховатость. Износостойкость трибосопряжения повысилась на 5% по сравнению с эталонной и на 23% по сравнению с износостойкостью третьей группы.

Несмотря на снижение концентрации Al₂O₃, износостойкость трибосопряжения повысилась недостаточно. По этой причине принято решение о дальнейшем снижении твердости круга и увеличении подачи смазочно-охлаждающей жидкости до 9 л/мин. Методом РФЭС на поверхности плазменного покрытия после шлифования кругом 24А25СМ15КБ установлено снижение концентрации Al с 21,2% до 17,4%. Это подтверждают МСВИ и РСМА. Методом РФАСУ установлено, что концентрация фазы Al₂O₃ снизилась до 2%. При увеличении микротвердости до 329 кг/мм², снизилась шероховатость. Износостойкость трибосопряжения с покрытием, обработанным средне-мягким кругом, повысилась на 15% по сравнению с образцами первой, на 33% по сравнению с образцами третьей и на 10% четвертой группы (см. таблицу). В результате параметры режима шлифования образцов пятой группы приняты оптимальными.

Таким образом, применение комплекса микрозондовых методов анализа позволило в полном объеме провести анализ поверхностных слоев после шлифования и по результатам определить оптимальные условия обработки, влияющие на достижение требуемой износостойкости трибосопряжения, повысить ресурс.

Исследуемые образцы	Характеристика поверхности после шлифования	Относительная износостойкость трибосопряжения «шейка вала-вкладыш»
Группа	Характеристика		Элемент состав	Фазовое состояние Al2О3, %	Микроструктура	Микротвердость Нμ, кг/мм2	Шероховатость Ra, мкм
Al	Ni
1	Шейка коленчатого вала КамАЗ-740 без покрытия	-		не обнаружено	Стандартная для стали 42-ХМФА-Ш	580-610	0,29-0,32	1 (эталон)
2	Шейка с плазменным покрытием без шлифования	15,2	84,8	2,3	Стандартная для покрытия ПН85Ю15	450	не измерялась	не измерялась
3	Шейка коленчатого вала с плазменным покрытием ПН85Ю15 Шлифованная кругом 24А25СТ15КБ	28	72	5,3-7	уплотненная	300	0,32	0,82
4	То же. Шлифованная кругом 24А25С15КБ	21,2	77,8	4-5	то же	290	0,31	1,05
5	Шлифованная кругом 24А25СМ15КБ	17,4	82,6	1,3-2	"	329	0,30	1,15

Способ определения оптимальных условий шлифования, включающий предварительное шлифование обрабатываемой детали, проведение физико-химического анализа обрабатываемой поверхности, изменение условий шлифования, отличающийся тем, что при определении оптимальных условий шлифования деталей, восстановленных плазменным напылением металлического порошка, изменение условий шлифования осуществляют в зависимости от элементного состава поверхностного слоя детали, его фазового состояния и микроструктуры, определяемых комплексом микрозондовых методов анализа, включающим проведение рентгенофазового анализа под скользящим углом, рентгенофотоэлектронной спектроскопии, масс-спектроскопии вторичных ионов с послойным анализом, с измерением микротвердости и шероховатости обрабатываемой поверхности.