Композиционная опора скольжения и способ ее изготовления

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в конструкциях подшипниковых узлов. Композиционная опора скольжения содержит последовательно расположенные стальную основу, слой алюминия или его сплава и слой оксидокерамики. При этом между стальной основой и слоем алюминия или его сплава дополнительно размещают слой термопластичного полимера, выбранного из группы, включающей полиамид, поливинилхлорид, полиэтилен, полиэтилентерефталат. Стальная основа имеет расположенные в шахматном порядке выступы и впадины, высота профиля которых превышает толщину полимерного слоя в 1,2...1,4 раза, а слой алюминия или его сплава имеет комплементарную полимерному слою поверхность. Технический результат: повышение прочностных и улучшение виброизолирующих характеристик. 2 с.п.ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к деталям машин и может быть использовано в конструкциях подшипниковых узлов, опорах скольжения, парах трения и других устройствах, применяемых в машиностроительной, металлообрабатывающей, станкостроительной, авиационной, приборостроительной промышленности.

Известны многослойный подшипник скольжения для двигателей внутреннего сгорания и способ его изготовления (патент ФРГ 3934141, кл. F 16 С 33/12, опубл. 1990), содержащий корпус с покрытием из слоистого пластика. При изготовлении многослойного подшипника скольжения слоистый пластик наносится на корпус с помощью клеевых составов, являющихся промежуточным и связующим элементом рабочих слоев из слоистого пластика.

Существенным недостатком этого подшипника является относительно невысокий диапазон допустимых удельных нагрузок.

Из известных аналогов наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является композиционный подшипник скольжения и способ его изготовления (патент ФРГ 4038139, кл. F 16 С 33/10, опубл. 1990). Этот подшипник содержит стальную основу, на которую нанесен слой алюминия, и на последнем сформирован рабочий слой оксида алюминия, пропитанный твердой смазкой. Способ изготовления подшипника включает литьевое формирование на стальной основе слоя алюминия или его сплава и его последующее оксидирование.

Недостатком этого подшипника является низкая адгезия между слоями, поскольку промежуточный слой алюминия литьевым методом нанесен на гладкую стальную основу. При его работе даже относительно невысокие касательные напряжения могут приводить к сдвигу слоя алюминия с образованием трещин и микродефектов, в результате чего в последующем разрушается весь композитный слой. Кроме того, подшипник имеет относительно низкую демпфирующую способность, поскольку содержит слои из достаточно жесткого материала с высоким модулем упругости, имеющего ограниченные возможности гашения колебаний и вибраций. Способ изготовления подшипника не позволяет сформировать тонкий (40-200 мкм) промежуточный слой с высокими виброизолирующими и демпфирующими свойствами. Указанные недостатки существенно снижают прочностные и виброакустические характеристики подшипника, ухудшают его эксплуатационные свойства.

Задачей изобретения является создание композиционной опоры скольжения с повышенными прочностными и улучшенными виброизолирующими характеристиками и способа ее изготовления, позволяющего обеспечить эти качества.

Для решения поставленной задачи в композиционной опоре скольжения, содержащей последовательно расположенные стальную основу, слой алюминия или его сплава и слой оксидокерамики, согласно изобретению между стальной основой и слоем из алюминия или его сплава дополнительно размещают слой из термопластичного полимера из группы, включающей полиамид, полиэтилентерефталат, поливинилхлорид, полиэтилен, при этом стальная основа имеет расположенные в шахматном порядке выступы и впадины, высота профиля которых превышает толщину полимерного слоя в 1,2...1,4 раза, а слой алюминия или его сплава имеет комплиментарную полимерному слою поверхность и толщину, выбираемую из соотношения _A = (0,5-0,7)K_ф(C_уд/E_a)^1/3, где _A - толщина слоя алюминия или его сплава; К_ф - коэффициент, учитывающий форму рабочей поверхности опоры скольжения (для цилиндрической замкнутой опоры скольжения K=R, где R - радиус рабочей поверхности цилиндрической опоры скольжения); С_уд - удельная контактная жесткость полимера; Е_а - модуль упругости алюминия или его сплава.

В способе изготовления композиционной опоры скольжения, включающем формирование на стальной основе покрытия, содержащего слой алюминия или его сплава и слой оксидокерамики, на основу предварительно наносят слой термопластичного полимера, причем формирование слоев осуществляют газопламенным методом и толщину полимерного слоя определяют из соотношения где - толщина слоя, м; D - диаметр капли распыленного алюминия или его сплава, м; - время, прошедшее с момента контакта капли с температурой Т распыленного алюминия с полимерным слоем до распространения теплоты вглубь него =0,4...0,6 с;
N - коэффициент, равный 4,2...4,5;
- удельная теплота плавления Дж/кг алюминия или его сплава;
₁ - удельная масса кг/м³ алюминия или его сплава соответственно;
с₁ - удельная теплоемкость Дж/кгград алюминия или его сплава;
а - температуропроводность м²/с полимерного слоя;
с, - удельная теплоемкость Дж/кгград и удельная масса кг/м³ полимерного слоя соответственно;
К - коэффициент, равный 1,1510¹¹ (м³град)^-1.

На чертеже представлена заявляемая опора скольжения.

Опора содержит стальную основу 1 со сформированными на ней выступами 2 и впадинами 3, расположенными в шахматном порядке. На стальной основе последовательно расположены слой термопластичного полимера 4, слой алюминия 5 и слой оксидокерамики 6.

Высокие прочностные и виброизолирующие свойства опоры скольжения обусловлены тем, что на стальной основе выполнены выступы 2 и впадины 3, расположенные в шахматном порядке, на которых сформированы тонкий виброизолирующий слой из полимерного материала 4 и слой алюминия или его сплава 5 с комплиментарной полимерному слою поверхностью. Высота профиля выступов 2 и впадин 3 превышает толщину полимерного слоя 4, что обеспечивает создание на нем шахматно-расположенных выступов и впадин и возможность повторения этого профиля последующим слоем 5 алюминия или его сплава. Слой 4 полимера и слой 5 алюминия или его сплава формируют с помощью газопламенного напыления. Нанесение слоя алюминия с помощью газопламенного напыления при приведенных выше соотношениях толщин слоев не разрушает слой полимера, поскольку полимер не нагревается выше 120^oС. При этом образуется композиционное изделие с высокой прочностью сцепления между слоями. Кроме того, при выполнении упомянутых выступов и впадин с высотой профиля, превышающей толщину полимерного слоя в 1,2. . .1,4 раза, не требуется дополнительной обработки поверхности полимера (обеспечения шероховатости) перед нанесением слоя алюминия, что повышает технологичность изготовления опоры.

Улучшенные виброакустические характеристики опоры скольжения обеспечены за счет того, что между стальной основой и слоем из алюминия или его сплава дополнительно выполнен виброизолирующий слой из термопластичного полимера. При заполнении впадин между выступами покрытием из термопластичного полимера толщиной, определенной по указанному соотношению, опора устойчива при воздействии касательных напряжений, приводящих к сдвигу, за счет взаимного перекрытия профилей выступов и впадин на стальной основе и алюминиевом слое, а также возможности распределения нагрузки на большее число выступов при упругой деформации полимера. Полимер выбран из группы, включающей полиамид, поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, полиэтилен. Эти полимеры имеют модуль упругости 4...8 ГПа и обладают высокой демпфирующей способностью.

Реализация полученной в результате исследований зависимости для определения толщины слоя алюминия или его сплава обеспечивает:
- при значении, меньшем минимально допустимого, жесткость алюминиевого кольцевого элемента недостаточна и при нормальном по отношению к наружной поверхности локализованном нагружении он прогибается, что вызывает хрупкое разрушение поверхностного оксидокерамического слоя;
- при значении, большем или равном минимально допустимого, необходимую жесткость алюминиевого кольцевого элемента, исключающую при нормальном по отношению к наружной поверхности локализованном нагружении его "прогиб" и связанное с этим хрупкое разрушение поверхностного оксидокерамического слоя;
- при значении, меньшем или равном максимально допустимого, высокую эффективность композиционной опоры с позиций виброизоляции и виброакустики в целом;
- при значении, большем максимально допустимому, эффективность композиционной опоры с позиций виброизоляции и виброакустики существенно снижается при одновременном увеличении себестоимости ее создания за счет необходимости нанесения газопламенным напылением значительных по толщине слоев алюминия.

Для формирования слоев был выбран метод газопламенного напыления, поскольку именно этим способом с наибольшей эффективностью на поверхностях различных конфигураций можно формировать покрытия из легкоплавких материалов толщиной от двух десятков микрон до нескольких миллиметров, не перегревая при этом материал подложки и повторяя ее профиль.

Толщина полимерного слоя зависит от технологических режимов нанесения последующего слоя из алюминия и его сплавов. Чем больше размер частиц напыляемого алюминия и их температура, тем большую толщину должен иметь полимерный слой, чтобы не разрушиться от теплового воздействия первых частиц, падающих на его поверхность. Эта полуэмпирическая зависимость была установлена на основе проведенных в ИНДМАШ НАН Беларуси экспериментальных исследований.

В таблице приведены значения толщины промежуточных слоев из различных полимеров при напылении частиц алюминия с различной температурой.

Пример реализации изобретения
На цилиндрической заготовке диаметром 31,2 мм встречными винтовыми канавками созданы шахматно-расположенные ромбовидные выступы и впадины с высотой профиля 500 мкм и сечением 2,5 х 2,5 мм. Затем на указанной поверхности с помощью установки газопламенного напыления легкоплавких материалов "Терко-II" конструкции ИНДМАШ НАН Беларуси сформирован слой полиамида ПА 6-21Г с модулем упругости 4 ГПа и средней толщиной 480 мкм, определенной по указанной формуле. Слой полимера был нанесен равномерно вдоль всей наружной поверхности заготовки.

После этого на слое полимера с помощью газопламенного напыления был сформирован слой алюминия толщиной 3,4 мм, определенной по формуле

Формирование алюминиевого слоя осуществлено частицами алюминия со средним размером 70 мкм при температуре 1200^oС. При этом поверхность слоя алюминия, контактирующая с полимером, образует комплиментарную полимерной поверхность. Затем преобразованием наружного поверхностного слоя алюминия микродуговой обработкой при напряжении 420 В и плотности тока 18 А/дм² был сформирован слой оксидокерамики толщиной 150 мкм.

Исследования прочности на сдвиг в окружном направлении и виброизолирующих свойств опоры (подшипника) скольжения показали высокие надежность, износостойкость и виброизолирующие свойства, в комплексе превышающие свойства аналогов и прототипа.

Реализация предлагаемого технического решения позволяет создать для различных устройств высокоэффективные опоры скольжения, работающие в условиях жидкостного трения или с консистентными смазками.

Формула изобретения

1. Композиционная опора скольжения, содержащая последовательно расположенные стальную основу, слой алюминия или его сплава и слой оксидокерамики, отличающаяся тем, что между стальной основой и слоем из алюминия или его сплава дополнительно размещен слой термопластичного полимера, выбранного из группы, включающей полиамид, поливинилхлорид, полиэтилен, полиэтилентерефталат, при этом стальная основа имеет расположенные в шахматном порядке выступы и впадины, высота профиля которых превышает толщину полимерного слоя в 1,2. . .1,4 раза, а слой алюминия или его сплава имеет комплементарную полимерному слою поверхность и толщину, выбираемую из соотношения
_A = (0,50,7)K_ф(C_уд/E_a)^1/3,
где _A - минимальная толщина слоя алюминия или его сплава;
К_ф - коэффициент, учитывающий форму рабочей поверхности опоры скольжения (для цилиндрической замкнутой опоры скольжения К_ф=R, где R - радиус рабочей поверхности цилиндрической опоры скольжения);
С_уд - удельная контактная жесткость полимера;
Е_а - модуль упругости алюминия или его сплава.

2. Способ изготовления композиционной опоры скольжения, включающий формирование на стальной основе слоя алюминия или его сплавов и его последующее оксидирование, отличающийся тем, что на основу предварительно наносят слой термопластичного полимера, причем формирование слоев осуществляют газопламенным методом, а толщину полимерного слоя определяют из соотношения

где - толщина слоя, м;
D - диаметр капли распыленного алюминия или его сплава, м;
- время, прошедшее с момента контакта капли с температурой Т распыленного алюминия с полимерным слоем до распространения теплоты вглубь него =0,4...0,6 с;
N - коэффициент, равный 4,2...4,5;
- удельная теплота плавления Дж/кг алюминия или его сплава;
₁ - удельная масса кг/м³ алюминия или его сплава соответственно;
с₁ - удельная теплоемкость Дж/кгград алюминия или его сплава;
а - температуропроводность м²/с полимерного слоя;
с, - удельная теплоемкость Дж/кгград и удельная масса кг/м³ полимерного слоя соответственно;
К - коэффициент, равный 1,1510¹¹ (м³град)^-1.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2