Отделочные методы обработки деталей машин

Аннотация

Отделочные методы обработки деталей машин. В данной статье рассмотрены методы обработки деталей машин: шлифование, притирка, хонингование, суперфиниширование, полирование, ультразвуковая обработка, электроискровая обработка, светолучевая обработка металлов, вибрационное выглаживание, алмазное выглаживание. Приведены схемы.

Общие сведения

Каждая деталь машины должна иметь определенные эксплуатационные свойства – прочность, износостойкость, долговечность и т.д. Однако зависят они не только от материала, из которого деталь изготовлена, но и в значительной степени от шероховатости поверхности детали.

Рис.1. Способ обработки материала при помощи режущего образивного инструмента.

Чистовая обработка выполняется не только для получения точной и гладкой поверхности, но и для наиболее высоких механических и физических свойств поверхностного слоя.

Бурный рост технического прогресса предъявляет все большие требования к современным машинам, а это заставляет машиностроителей искать новые более совершенные методы обработки поверхности деталей.

Шлифование

Шлифование – способ обработки материала при помощи режущего образивного инструмента 2 (рис. 1). Обрабатываемая поверхность 1 может быть цилиндрической и конической, фасонной и др.

Шлифованием можно затачивать инструменты, а при острой необходимости произвести отрезку, разрезку заготовок и т. д. В зависимости от характера обрабатываемых поверхностей шлифование можно разделить на следующие виды: наружное (рис. 1, I) и внутреннее (рис. 1, II), плоское периферией (рис. 1, III) или торцом круга (рис. 1, IV).

Абразивные инструменты состоят из зерен абразивного материала, сцементированных связкой. Это шлифовальные круги, головки, сегменты и бруски.

Обычно твердые материалы (закаленная сталь, твердые сплавы, чугун) шлифуются мягкими кругами, так как затупившиеся при этом зерна круга легко дробятся и выкрашиваются из связки, обнажая новые острые кромки, которые продолжают резание до нового затупления, и т. д. Таким образом, круг обладает способностью самозатачиваться , т. е. восстанавливать автоматически в процессе работы остроту режущих кромок зерен, расположенных на поверхности круга. На рис. 2 показан процесс шлифования.

Рис. 2. Процесс шлифования.

Мягкую сталь обрабатывают твердыми кругами, для шлифования меди и латуни применяют мягкие крупнозернистые круги.

Твердые круги содержат наждачные корундовые, карборундовые порошки и порошки, твердость которых превышает твердость закаленной стали.

Мягкие круги содержат порошки из окисей хрома, алюминия, олова, железа, твердость которых ниже твердости закаленной стали.

Шлифовальные круги маркируют. Маркировка характеризует форму, размеры, род абразивного материала, зернистость, твердость, связку и другие параметры инструмента. Формы и размеры абразивных инструментов всех видов (круги, головки, бруски, сегменты) стандартизованы.

Из шлифовальных станков наибольшее распространение в массовом производстве получил плоскошлифовальный с прямоугольным столом, работающий периферией круга (рис. 3).

Рис.3. Шлифовальный станок.

Шлифуемая деталь устанавливается на магнитной плите 7, которая со столом 5 совершает движение подачи. Вращающийся шлифовальный круг 4, закрепленный в бабке 2 и прикрытый защитным кожухом 3, удаляет неровности, оставшиеся после предварительной обработки металлорежущими инструментами. Круг устанавливают в необходимое положение с помощью маховичков 1 и 6.

Притирка

Притирка, или доводка, – отделочная операция механической обработки деталей машин, приборов и других изделий. Этой опе-рацией достигаются высокая точность (до 1-го класса) и высокий класс шероховатости обработки (до 14-го класса). Инструментом служит притир, изготовленный из более мягкого материала, чем обрабатываемый. Это может быть чугун марок СЧ 15 или СЧ 20, красная медь, твердые породы древесины и т. д. На поверхность этих материалов наносят абразивный порошок в масле или пасту.

Процесс насыщения поверхности притира абразивным материалом называется шаржированием.

Притиркой производят точную доводку резьбовых, круглых и гладких калибров, измерительных плиток, разверток и др.

В машиностроении этот процесс широко распространен при изготовлении шариков и роликов для Подшипников, а также коленчатых валов (доводка шеек), клапанов, цилиндров, плунжеров, поршневых колец и других деталей, требующих высокой точности или герметичности при соединении.

В настоящее время создано много различных конструкций притирочных станков и приспособлений от простых вращающихся дисков-притиров до самых сложных.

Хонингование

Это способ шлифовально-притирочной обработки наружных и внутренних цилиндрических поверхностей. Он производится специальным инструментом – хоном, состоящим из головки со вставленными по окружности абразивными брусками (рис. 4, I). На рис. 4, II дана схема хонингования.

Рис. 4. Схема хонингования.

Хонинговальная головка (хон) имеет два движения: сравнительно медленное вращательное вокруг оси обрабатываемого отверстия и возвратно-поступательного вдоль этой оси.

Хонинговальные головки имеют конструкцию, которая позволяет сдвигать или раздвигать бруски как во время ввода, так и вывода из отверстия, а также и в процессе работы для получения нужного размера по диаметру. Устройство головок дает возможность брускам самоустанавливаться, плотно прижимаясь к поверхности обрабатываемого отверстия. Бруски приклеиваются к подвижным колодкам – башмакам, которые стягиваются к центру головки пружинами.

Хонингованием может быть получена шероховатость обработанной поверхности Rа0,32. 0,080. Хонингование выполняется на хонинговальных станках. По своему устройству они напоминают сверлильные станки.

Суперфиниширование

Суперфиниширование — один из наиболее производительных процессов обработки. Этим способом обрабатываются главным образом наружные поверхности тел вращения и плоскостей. Сущность процесса состоит в том, что головке с абразивными брусками 1 с очень мелкой зернистостью сообщается возвратно-поступательное, колебательное движение, а обрабатываемой детали 2 – вращательное (рис. 5).

Рис. 5. Схема суперфиниширования.

Процесс суперфиниширования широко применяется для обработки ответственных деталей автомобильных и авиационных двигателей (поршней, шеек коленчатых валов, подшипников и т. д.).

Суперфиниширование позволяет получить шероховатость поверхности Rz 0,160. 0,040, в отдельных случаях Rz 0,100. 0,050.

Полирование

Полирование – отделочная операция, которая применяется для придания поверхности детали металлического блеска, повышения долговечности и внешней красоты, или как подготовительная операция перед хромированием, никелированием и другими покрытиями.

Полировальники обычно имеют форму круга и вращаются с большой скоростью. Для предварительного полирования применяются абразивные порошки, стеклянная и наждачная шкурка, а для окончательного полирования – полирующие составы, пасты, для наведения блеска – фетр и стекло. Широкое применение для полирования находит паста ГОИ – смесь абразивного порошка с поверхностноактивными веществами. В этом случае шероховатость поверхности может быть доведена до зеркального блеска.

Полирование выполняется как на простых полировальных станках, так и на полуавтоматических и автоматических.

Метод анодно-механической обработки

В современном машиностроении для заточки инструментов и резки металлов применяют прогрессивный метод анодно-механической обработки. Этот метод применяется также для обработки деталей машин, требующих высокого качества шероховатости поверхности и точности размеров.

Сущность процесса анодно-механической обработки состоит в электрохимическом и механическом воздействии на обрабатываемую поверхность.

Производительность этого процесса не уступает производительности при хонинговании и суперфинише и, что самое главное, не зависит от механических качеств обрабатываемого металла.

Известен также процесс чистовой обработки поверхностей деталей машин жидкой абразивной струей. Суть этого процесса заключается в том что зерна абразива, хорошо перемешанные с жидкостью под давлением в несколько атмосфер, направляются на поверхность и сглаживают на ней гребешки (рис. 6).

Рис. 6. Процесс чистовой обработки поверхностей деталей машин жидкой абразивной струей.

Большим достоинством этого процесса является то, что для него доступны поверхности любой формы и любых размеров.

Алмазное выглаживание

Весьма эффективен метод отделки и поверхностного упрочнения деталей алмазным выглаживанием. Выглаживанию легко поддаются поверхности стальных деталей, цементированные и азотированные, имеющие твердые покрытия, а также детали из бронзы и других сплавов. Осуществляется зтот процесс на токарных или расточных станках и не требует особой оснастки. Кристалл алмаза 3, закрепленный в оправке приспособления 1 и 2 (рис. 7), перемещается вместе с суппортом станка. Наконечник для выглаживания обычно изготовляют из искусственных алмазов.

Рис. 7. Схема приспособления для алмазного выглаживания.

Разновидностью алмазного выглаживания является процесс вибрационного выглаживания или виброобкатывания. Конструкции виброобкатных головок бывают разные.

Все они крепятся на суппорте токарного станка и перемещаются вместе с ним.

Существуют и другие прогрессивные методы обработки деталей. Рассмотрим некоторые из них.

Ультразвуковая обработка

Этот метод обработки основан на применении упругих колебаний сверхзвуковой частоты (16 . 20 тыс. колебаний в секунду). Ультразвуковые колебания получают чаще всего с помощью специальных устройств – излучателей. Для обработки металлов и твердых материалов обычно используют магнитострикционные излучатели. (Магнитострикция – способность некоторых материалов (кобальта, никеля, их сплавов и др.) изменять геометрические размеры под действием магнитного поля, а при его снятии – восстанавливаться в первоначальных размерах).

С помощью ультразвука можно сверлить, шлифовать, сваривать, паять, разрезать и выполнять многие другие работы. Так, например, еще недавно нельзя было обнаружить скрытые дефекты в материале, теперь на помощь человеку приходит ультразвук, магнитное поле, рентген, гамма-лучи, интроскопия (внутривидение) – метод контроля, позволяющий видеть дефекты внутри непрозрачных тел.

Электроискровая обработка

Электроискровой метод обработки металлов основан на явлении электрической эрозии. Электроэрозия разрушает поверхность металла под воздействием искр, получаемых от электрических разрядов. В результате можно получить в металле любой твердости отверстия размерами 0,15 мм и менее, профильные канавки, пазы (в штампах, волочильных досках, режущем инструменте и др.).

Светолучевая обработка металлов

Эта обработка основана на использовании мощного светового луча, который посредством оптической системы фокусируется на обрабатываемую поверхность, создавая температуру в несколько тысяч градусов. Источником энергии является лазер – прибор, излучающий свет в виде направленного луча. Этот луч используется для обработки небольших отверстий, пазов, разрезки заготовок из материалов, имеющих любые физико-механические свойства.

Способы ремонта деталей

Изношенные детали механизмов автомобиля можно ремонтировать следующими основными способами:

1. обработкой под ремонтный размер;
2. наращиванием металла сваркой, хромированием и металлизацией;
3. установкой колец, втулок и гильз;
4. пластической деформацией (раздачей и обжимом).

Обработка деталей под ремонтный размер

Способ восстановления деталей под ремонтный размер заключается в том, что одна из сопряженных деталей подвергается механической обработке для восстановления правильной геометрической формы. При этом неизбежно изменяется (увеличивается и уменьшается) номинальный размер детали. Для сохранения первоначального зазора или натяга сопряженную деталь в этом случае следует заменить или переконструировать. Например, изношенные цилиндры двигателя подвергают расточке и шлифованию на больший размер (увеличение диаметра), а затем к этим цилиндрам подбирают новые увеличенного размера поршни. Размер новых поршней должен обеспечивать получение нормального зазора между стенкой цилиндра и поршнем. Для этого существуют заранее установленные ремонтные размеры как для цилиндров, так и для поршней.

Ремонт деталей наращиванием металла

Этот способ заключается в том, что на изношенную поверхность наносят слой металла, затем поверхность подвергают механической обработке для получения нужного размера и после этого подвергают термической обработке. Для нанесения металла на изношенные поверхности существует несколько способов.

Газовая кислородно-ацетиленовая сварка. Сварка заключается в расплавлении пламенем горелки обрабатываемой поверхности детали и соответствующего присадочного материала. При этом расплавленный металл детали соединяется с присадочным и слой металла наращивается на поверхность. Сварочная ацетилено-кислородная установка состоит из баллона с кислородом, находящимся под давлением до 150 ат.

Рис. Ацетилено-кислородная установка:
1 — присадочный пруток; 2 — сварочная горелка; 3 — шланги; 4 — редуктор; 5 — кислородный баллон; 6 — ацетиленовый генератор.

На баллоне установлен редуктор для снижения давления кислорода на выходе до 2—3 ат и два манометра — один контролирует давление в баллоне, а другой — на выходе.

Для получения ацетилена имеется ацетиленовый генератор, в котором путем воздействия воды на карбид кальция получается ацетилен.

Ацетилен и кислород по шлангам подаются к сварочной горелке; здесь они поджигаются, отчего создается пламя с температурой до 3000°, которым и расплавляется металл.

Кроме наплавления металла с целью восстановления размера детали, сварку применяют также для заварки различных трещин и изломов в деталях. Газовую сварку обычно используют для чугунных деталей и для деталей из цветных металлов.

Чугунные детали, имеющие сложную конфигурацию (блок цилиндров, головка цилиндров), перед сваркой медленно нагревают до 650—700° и после медленно охлаждают во избежание коробления и появления трещин. Менее сложные детали ремонтируют сваркой без подогрева.

Электрическая сварка применяется чаще для наплавки изношенных поверхностен стальных деталей, а также для заварки трещин. При ремонте автомобильных деталей применяют преимущественно электродуговую сварку по способу инж. Славянова. При этом способе свариваемую деталь соединяют с одним из полюсов сварочного генератора постоянного или переменного тока, имеющего напряжение 30—40 в и силу тока до 300 а. Другой полюс сварочного генератора соединяют с держателем электрода.

Рис. Схема установки для дуговой сварки:
1 — электрод; 2 — держатель электрода; 3 — сварочный генератор; 4 — свариваемая деталь.

При соприкосновении электрода с деталью и при последующем удалении электрода на 2—3 мм между деталью и электродом возникает электрическая дуга с температурой 4000—5000°, вызывающая плавление металла. Сварка ведется металлическим электродом соответствующего состава. По содержанию углерода электрод должен быть близок к свариваемой стали. Электросварку, так же как и газовую сварку, можно производить с подогревом детали и вхолодную.

В процесс наварки и заварки входят следующие операции:

1. очистка мест наварки металлической щеткой (трещины разделывают крейцмейселем для получения скоса кромок под углом 45°);
2. наварка металла электродом;
3. нормализация или отжиг детали;
4. слесарно-механическая обработка наваренного слоя;
5. термическая обработка стали (по техническим условиям);
6. окончательная механическая обработка — шлифование под номинальный размер.

Хромирование применяется как защитно-декоративное покрытие для износостойкости и для восстановления изношенных поверхностей деталей до номинальных размеров. Хромированием восстанавливают поршневые пальцы, шкворни, опорные шейки распределительного вала, толкатели, стержни клапанов и другие детали. Нанесенный на поверхность слой хрома обладает высокой твердостью и износостойкостью. Сущность хромирования основана на законах электролиза. Если через электролит, содержащий раствор металла, пропускать постоянный ток, то из электролита будет выделяться и осаждаться на минусовом электроде чистый металл.

Электролитом при хромировании служит водный раствор хромового ангидрида и химически чистой серной кислоты. Наиболее употребительная следующая концентрация растворов:

1. Хромовый ангидрид: 150 г.
   Серная кислота: 1,5 г.
   Вода: 1 л.
2. Хромовый ангидрид: 250 г.
   Серная кислота: 2,5 г.
   Вода: 1 л.

Один из указанных растворов заливают в железную ванну с двойными стенками. Пространство между стенками заполняют горячей водой для обогрева ванны. Источником тока служат 6—12-вольтовые генераторы от 250 до 1000 а.

При наличии соответствующих выпрямителей можно пользоваться и переменным током.

Рис. Схема соединения детали при хромировании:
1 — ванна; 2 — генератор; 3 — свинцовая пластина; 4 — деталь.

При хромировании минус генератора соединяется с деталью, подвешенной в растворе ванны, а плюс — с нерастворимой свинцовой пластиной, также опущенной в раствор. Толщина слоя хрома, наносимого на изношенную поверхность детали, обычно достигает 0,5 мм. Более толстый слой хрома менее износостоек.

В процесс хромирования изношенной поверхности детали входят следующие операции:

1. шлифование и полирование детали для придания ей правильной геометрической формы;
2. защита мест, не подлежащих хромированию, путем покрытия их целлулоидом, растворенным в ацетоне;
3. укрепление детали в специальном подвесном приспособлении, обеспечивающем удобное размещение детали в ванне;
4. обезжиривание детали в растворе щелочи и промывка ее в горячей воде;
5. погружение деталей в 5%-ный раствор серной кислоты на 1—1,5 мин. для удаления с них пленки окислов;
6. хромирование — опускание детали в ванну и включение ее в цепь тока;
7. промывка детали в дистиллированной воде для сбора с нее электролита, затем промывка в проточной воде;
8. снятие детали с подвески;
9. шлифование детали под требуемый размер.

Металлизация заключается в нанесении на изношенную поверхность детали слоя металла или сплава в расплавленном и распыленном состоянии. Различают газовую и электрическую металлизацию.

При электрической металлизации металл расплавляется электрической дугой, а при газовой — ацетилено-кислородным пламенем.

Рис. Электрометаллизатор;
а — схема металлизации; б — схема подающего механизма: 1 — воздушная турбинка; 2 и 3 — червячные передачи; 4 — ведущие ролики для подачи проволоки; 5 — прижимные ролики; 6 — проволока; 7 — деталь; 8 — канал подачи воздуха.

Электрометаллизатор представляет собой прибор, в котором помещен механизм, подающий проволоку; к патрубку корпуса присоединяется шланг для подачи сжатого воздуха от компрессора к соплу электрометаллизатора. Кроме этого, часть сжатого воздуха подводится по каналу к турбинке подающего механизма. От турбинки вращение передается через две червячные пары роликам, подающим две проволоки к соплу.

На расстоянии 10—12 мм от сопла проволоки скрещиваются и расплавляются электрической дугой, которая образуется электрическим током, подведенным к электрометаллизатору. Расплавленный металл струей воздуха распыливается и наносится на поверхность детали, которую устанавливают на станке и приводят во вращательное движение (если деталь цилиндрическая).

В процесс металлизации входят следующие операции:

1. очистка и обезжиривание детали — обычно производятся песочной струей в специальном пескоструйном аппарате;
2. обработка детали для придания ей правильной геометрической формы;
3. придание поверхности шероховатости — на цилиндрической детали делается нарезка рваной резьбы (30—40 ниток на 1 дюйм);
4. установка детали на станок для вращения ее со скоростью 80—100 об/мин;
5. установка металлизатора в супорте станка;
6. напыливание металла на поверхность детали; при этом супорт с металлизатором Должен перемещаться вдоль детали; толщина напыленного слоя металла доводится до номинального размера детали плюс припуск на последующую обработку; расстояние от сопла металлизатора до поверхности детали должно быть 100—150 мм; при большем или меньшем расстоянии твердость напыленного слоя снижается;
7. механическая обработка детали под номинальный размер.

Металлизацией можно восстанавливать изношенные шейки валов, места посадки подшипников, тормозные барабаны и др.

Посредством металлизации можно также заделывать трещины (блока цилиндров, головки блока), которые следует предварительно разделывать крейцмейселем и обезжиривать.

Ремонт деталей путем установки втулок, колец и гильз

Установкой колец и втулок восстанавливают изношенные места валов и осей. В процесс восстановления входят следующие операции:

1. обточка изношенной поверхности детали с учетом возможности напрессовки втулки или кольца со стенками толщиной не менее 2—3 мм;
2. изготовление новой детали (втулка, кольцо), внутренний диаметр которой должен обеспечивать прессовую посадку на подготовленную изношенную поверхность с натягом по 2-му или 3-му классам точности;
3. нагрев новой детали до светлокрасного каления и напрессовка ее на подготовленное место.
4. механическая обработка поверхности под номинальный размер; материалом для изготовления втулок служит сталь и чугун.
5. термическая обработка, если это предусмотрено техническими условиями, и окончательная механическая обработка (шлифование).

Запрессовка втулок позволяет восстанавливать, почти любое изношенное отверстие. Сущность этого процесса заключается в следующем:

• а) изношенное отверстие растачивают, а затем развертывают под размер, обеспечивающий последующую запрессовку втулки;
• 6) новую втулку изготовляют из чугуна, стали или бронзы и запрессовывают в подготовленное отверстие с натягом;
• в) запрессованную втулку развертывают под размер сопряженной детали (палец, шкворень, вал, подшипник) с учетом получения нужного зазора.

Восстановление деталей пластической деформацией

Для восстановления детали существует два способа пластической деформации: раздача и обжим.

Раздачей восстанавливают детали, имеющие форму втулки, и нерабочую внутреннюю поверхность (поршневой палец), шаровые поверхности (пальцы рулевых соединений), шлицы, зубья шестерен, клапаны и др. Сущность этого способа заключается в пластической деформации металла под действием давления.

Процесс раздачи стальной детали заключается в следующем. Деталь нагревают до ковочной температуры 1000—1100°, устанавливают в соответствующую матрицу и при помощи специальной оправки производят раздачу детали ударами или прессом. Поскольку диаметр оправки больше отверстия, деталь раздается в сторону износа, чем и достигается увеличение ее наружного размера. После раздачи деталь подвергается предварительной механической обработке, далее, если требуется, термической обработке, и, наконец, окончательной механической обработке под номинальный размер.

Обжимом восстанавливают различные бронзовые втулки (верхней головки шатуна, шкворня, рессорных пальцев и т.д.).

Сущность обжима заключается в следующем. Внутрь втулки, запрессованной в деталь, устанавливают круглую оправку с зазором, обеспечивающим уменьшение внутреннего диаметра втулки на нужную величину. Затем при помощи обжимок с двух сторон на торцы втулки оказывают давление прессом. При этом вследствие пластичности металл деформируется в сторону зазора, т.е. внутрь, и этим уменьшается внутренний диаметр втулки. После обжима втулку развертывают до требуемого размера.

Рис. Приспособление для обжима втулок:
1 — обжимки; 2 — круглая оправка; 3 — втулка; 4 — деталь или матрица.

Если требуется обжать втулку, не запрессованную в деталь, ее устанавливают в матрицу соответствующего размера и производят обжим.