RU2220026C1

RU2220026C1 - Method for making friction articles

Info

Publication number: RU2220026C1
Application number: RU2002120627/02A
Authority: RU
Inventors: А.В. Конаков; Е.Ю. Минаков; О.В. Довгаль; Б.Я. Мокрицкий
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Дальневосточная технология"
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2003-12-27

Abstract

FIELD: machine engineering, namely processes for making braking and friction devices having metal ceramics frictional members. SUBSTANCE: method comprises steps of preparing mixture; shaping and sintering metal ceramics members; making base and joining said members with base; additionally strengthening metal ceramics members by applying to their ends compression efforts; combining strengthening process and process of joining members with base due to fixing members in openings of base at plastic deforming members during application of compression effort. EFFECT: lowered labor consumption of process for making friction articles, enhanced operational properties, for example increased wear resistance of friction articles. 3 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к способам изготовления тормозных и фрикционных устройств, в том числе к способам изготовления дисков с металлокерамическими фрикционными элементами, используемыми в электроприводах железнодорожных стрелочных переводов. The invention relates to mechanical engineering, in particular to methods for manufacturing brake and friction devices, including methods for manufacturing disks with cermet friction elements used in electric railroad switches.

Известно [смотри стр. 336-338 в работе: В.Н. Анциферов, Г.В. Бобров, Л. К. Дружинин и др. - М.: Металлургия, 1987, - 792 с.] решение, в котором изготовление фрикционных изделий включает в себя изготовление стального основания (основы), фрикционных элементов (прокладок) методом порошковой металлургии, соединение их между собой и последующую механическую обработку (шлифование) элементов (для обеспечения параллельности сторон и плоскостности элементов). Недостатками решения является высокая трудоемкость изготовления, обусловленная необходимостью совместного спекания (припекания под давлением в течении 2,5-5 часов) подготовленного стального основания и фрикционных элементов для их соединения между собой. It is known [see p. 336-338 in the work: V.N. Antsiferov, G.V. Bobrov, L. K. Druzhinin et al. - M .: Metallurgy, 1987, - 792 pp.] A solution in which the manufacture of friction products includes the manufacture of a steel base (base), friction elements (gaskets) by powder metallurgy, compound between them and subsequent machining (grinding) of the elements (to ensure parallel sides and flatness of the elements). The disadvantages of the solution are the high complexity of manufacturing, due to the need for joint sintering (baking under pressure for 2.5-5 hours) of the prepared steel base and friction elements for connecting them together.

Наиболее близким, по мнению заявителя, является [смотри стр.63-65 в работе: Производство порошковых изделий. Учебник для техникумов. - М.: Металлургия, 1990 г. - 240 с.], способ изготовления фрикционных изделий, включающий в себя приготовление порошковой смеси, формование (прессование) и спекание металлокерамических фрикционных элементов (колец, пластин и т.д.), изготовление основания и соединение (напрессовка на основание и спекание под давлением, склеивание, выполнение отверстий под заклепки и расклепывание) элементов с основанием (а также в большинстве случаев механическая обработка шлифованием рабочих поверхностей фрикционных элементов). Недостатком способа является высокая трудоемкость изготовления (а именно трудоемкость соединения элементов с основанием) и недостаточная работоспособность фрикционных элементов из-за ограниченных физико-механических характеристик (особенно твердости) используемых фрикционных материалов. The closest, according to the applicant, is [see p. 63-65 in the work: Production of powder products. Textbook for technical schools. - M .: Metallurgy, 1990 - 240 p.], A method of manufacturing friction products, including the preparation of a powder mixture, molding (pressing) and sintering of ceramic-metal friction elements (rings, plates, etc.), the manufacture of the base and connection (pressing on the base and sintering under pressure, gluing, making holes for rivets and riveting) of the elements with the base (as well as in most cases mechanical processing by grinding the working surfaces of the friction elements). The disadvantage of this method is the high complexity of manufacturing (namely, the complexity of connecting the elements with the base) and the insufficient performance of the friction elements due to the limited physical and mechanical characteristics (especially hardness) of the friction materials used.

Техническим результатом предлагаемого решения является снижение трудоемкости изготовления фрикционных изделий с металлокерамическими элементами на стальном основании и повышение их работоспособности (эксплуатационных параметров). The technical result of the proposed solution is to reduce the complexity of manufacturing friction products with cermet elements on a steel base and increase their performance (operational parameters).

Технический результат достигается одновременно двумя путями:
1. Металлокерамические фрикционные элементы после спекания дополнительно упрочняются (повышается твердость, по крайней мере на рабочих поверхностях создается наклеп и снижается пористость) путем приложения к их торцам (рабочих поверхностей) усилий сжатия;
2. Совмещают указанное упрочнение с соединением металлокерамических фрикционных элементов с основанием путем закрепления элементов или их фиксации в отверстиях основания при пластической деформации элементов во время приложения усилий сжатия.The technical result is achieved simultaneously in two ways:
1. The sintered metal friction elements after sintering are additionally hardened (hardness is increased, at least work hardening is created and porosity is reduced) by applying compression forces to their ends (work surfaces);
2. Combine the specified hardening with the connection of cermet friction elements with the base by fixing the elements or fixing them in the holes of the base during plastic deformation of the elements during the application of compression forces.

Причинно-следственная связь между техническим результатом и средствами его достижения состоит в повышении эксплуатационных свойств фрикционных элементов, достигаемом при сжатии элементов путем приложения усилий к торцевым сторонам и использовании этого сжатия для закрепления или фиксации элементов в отверстиях (пазах, прорезях и т.д.) основания при пластической деформации элементов. The causal relationship between the technical result and the means to achieve it consists in increasing the operational properties of the friction elements, achieved by compressing the elements by applying forces to the end sides and using this compression to fix or fix the elements in the holes (grooves, slots, etc.) bases during plastic deformation of elements.

Ограничительные признаки изобретения: способ включает в себя приготовление смеси, формование и спекание металлокерамических фрикционных элементов, изготовление основания и соединение элементов с основанием. Limiting features of the invention: the method includes preparing a mixture, molding and sintering of ceramic-metal friction elements, manufacturing a base and connecting the elements to the base.

Отличительные признаки изобретения: элементы после спекания дополнительно упрочняют путем приложения к их торцам усилий сжатия, совмещают упрочнение с соединением путем закрепления или фиксации элементов в отверстиях основания при пластической деформации элементов во время приложения усилий сжатия. Distinctive features of the invention: the elements after sintering are further strengthened by applying compression forces to their ends, combine hardening with the connection by fixing or fixing the elements in the holes of the base during plastic deformation of the elements during the application of compression forces.

На фиг.1 представлены варианты реализации способа с закреплением или фиксацией элементов в отверстиях основания, на фиг.2 - фрагменты фрикционного диска с элементами различной конфигурации. Figure 1 presents the options for implementing the method with fixing or fixing elements in the holes of the base, figure 2 - fragments of the friction disk with elements of various configurations.

Сущность заявляемого способа состоит в следующем. The essence of the proposed method is as follows.

Металлокерамические фрикционные спеченные элементы, как правило, содержат медь или железо в качестве основы, свинец, олово, алюминий и т.д. в качестве твердой смазки, асбест, оксиды, карбиды металлов и неметаллов в качестве фрикционной составляющей. Физико-механические параметры, эксплуатационные параметры и эксплуатационные свойства таких фрикционных элементов зависят от состава компонентов и режимов спекания. Но в любом случае работоспособность таких элементов будет ограничена из-за их относительно невысокой твердости и износостойкости. Твердость и, как результат, износостойкость элементов можно (при прежнем составе ингредиентов и режиме спекания) повысить хотя бы в приповерхностных слоях, если эти слои пластически деформировать путем приложения усилий сжатия. В результате элемент получит деформационное упрочнение, его работоспособность (износостойкость в условиях сухого трения или трения с масляной смазкой) возрастет. Это объясняет достижение второй части технического результата. Ceramic sintered friction elements typically contain copper or iron as a base, lead, tin, aluminum, etc. as a solid lubricant, asbestos, oxides, carbides of metals and nonmetals as a friction component. Physico-mechanical parameters, operational parameters and operational properties of such friction elements depend on the composition of the components and sintering conditions. But in any case, the performance of such elements will be limited due to their relatively low hardness and wear resistance. The hardness and, as a result, the wear resistance of the elements can (with the same composition of ingredients and sintering mode) be increased at least in the surface layers if these layers are plastically deformed by applying compressive forces. As a result, the element will receive strain hardening, its performance (wear resistance in conditions of dry friction or friction with oil lubrication) will increase. This explains the achievement of the second part of the technical result.

Объяснение первой части (снижение трудоемкости изготовления) состоит в следующем. Нами вводится дополнительное действие - упрочнение. Фактических затрат времени на это действие нет, т.к. упрочнение проводится во время соединения фрикционных элементов с основанием. The explanation of the first part (reducing the complexity of manufacturing) is as follows. We introduce an additional action - hardening. There is no actual time spent on this action, because hardening is carried out during the connection of the friction elements with the base.

Реализовали способ при следующих условиях. В качестве фрикционного изделия взяли фрикционный диск, используемый в муфте электропривода железнодорожного стрелочного перевода. Диск представляет собой стальное кольцо (диаметр 85 и 44 мм либо 65 и 44 мм соответственно) толщиной 2 мм. Составом порошковых компонент для фрикционного материала (как накладок и колец по способу-прототипу, так и элементов по заявляемому способу) варьировали, мас. %: Fe - 70÷88; SiO₂ - 2÷5; С - 2÷5; Сu - 1÷3; Ni - 0,05 и др. Из этих компонентов готовили смесь, формовали (засыпали в пресс-форму и прессовали) и спекали (в вакуумно-водородной среде при температуре до 1300^oС) фрикционные элементы длиной в 7 мм и 9 мм. По способу-прототипу фрикционные элементы устанавливали на основание (диск), загружали в печь и припекали (соединяли элементы с основанием). Эта операция длилась 3 часа. Также по способу-прототипу реализовали иной вариант: фрикционные диски устанавливали на основание, изготавливали в них отверстия, в отверстия вставляли заклепки, заклепки расклепывали (соединяли элементы с основанием). Эта операция занимала 0,4 ч на одно изделие. В том и другом варианте реализации способа-прототипа элементы после соединения с основанием подвергали механической обработке (шлифовали по торцевым поверхностям) для обеспечения размеров, плоскостности и параллельности. Шлифовка занимала 0,2 часа.Implemented the method under the following conditions. As a friction product, we took a friction disk used in a clutch of an electric drive railroad switch. The disk is a steel ring (diameter 85 and 44 mm or 65 and 44 mm, respectively) 2 mm thick. The composition of the powder components for the friction material (both linings and rings according to the prototype method, and elements according to the claimed method) varied, wt. %: Fe - 70 ÷ 88; SiO ₂ - 2 ÷ 5; C - 2 ÷ 5; Cu - 1 ÷ 3; Ni - 0.05 and others. A mixture was prepared from these components, molded (filled into a mold and pressed) and sintered (in a vacuum-hydrogen medium at a temperature of up to 1300 ^° C) friction elements 7 mm and 9 mm long. According to the prototype method, the friction elements were installed on the base (disk), loaded into the oven and baked (connected the elements to the base). This operation lasted 3 hours. Also, according to the prototype method, another option was implemented: friction discs were installed on the base, holes were made in them, rivets were inserted into the holes, rivets were riveted (the elements were connected to the base). This operation took 0.4 hours per product. In one and another embodiment of the prototype method, the elements, after connecting to the base, were machined (ground on the end surfaces) to ensure dimensions, flatness and parallelism. Grinding took 0.2 hours.

По заявляемому способу во время вырубки из листа основания (диска в форме кольца) одновременно (т.е. без дополнительных затрат времени) вырубали отверстия круглой, фиг. 2, либо трехгранной, либо овальной формы под соответствующие фрикционные элементы. Размер отверстий выполняли таким, чтобы между стенками отверстия и вставляемыми в отверстия элементами был зазор 0,1÷0,15 мм (d_отв-d=0,1÷0,15 мм). Элемент вставляли в отверстие и подвергали упрочнению путем приложения усилий Р сжатия с торцевых рабочих поверхностей. Это занимало до 1 мин на один элемент. Замеряли твердость на этих поверхностях, размеры d₁, d₂, d₃, d₄, d₅, d₆, длины l₁, l₂, l₃, l₄, l₅, l₆, испытывали на износостойкость на машине трения, испытывали на работоспособность в реальном электроприводе стрелочного перевода в условиях пробуксовки (интенсивное истирание, большая температура нагрева, выгорание смазки и возможность образования задиров). В отдельных случаях замеряли пористость фрикционных элементов. Проверяли соединение элементов с основанием следующими путями: 1) перемещением элемента от усилия пальцем руки при его фиксации в отверстии основания, фиг.1в, 1д; 2) то же без фиксации, фиг.1б; 3) по усилию выдавливания (на прессе) элемента из отверстия, фиг.1г, 1е; 4) по усилию вырыва из отверстия, фиг.1ж, 1з.According to the claimed method, during cutting from a base sheet (a disk in the form of a ring), round holes were cut out simultaneously (i.e., without additional time), FIG. 2, either trihedral or oval in shape under the corresponding friction elements. Size holes performed such that the clearance was 0.1 mm ÷ 0.15 (d _{of holes} -d = 0,1 ÷ 0,15 mm) between the walls of the holes and inserted into the opening elements. The element was inserted into the hole and subjected to hardening by applying compressive forces P from the end working surfaces. This took up to 1 min per element. The hardness was measured on these surfaces, dimensions d ₁ , d ₂ , d ₃ , d ₄ , d ₅ , d ₆ , lengths l ₁ , l ₂ , l ₃ , l ₄ , l ₅ , l ₆ , were tested for wear resistance on a friction machine , tested for operability in a real electric turnout switch under slipping conditions (intensive abrasion, high heating temperature, grease burnout and the possibility of scoring). In some cases, the porosity of the friction elements was measured. Checked the connection of the elements with the base in the following ways: 1) by moving the element from the force with the finger of the hand when it is fixed in the hole of the base, figv, 1e; 2) the same without fixation, figb; 3) by the force of extrusion (on the press) of the element from the hole, figs. 1d, 1e; 4) by the force of pulling out of the hole, figs. 1g, 1z.

Обычно удавалось изготовить изделие так, что последующей шлифовки элементов не требовалось. Usually it was possible to make the product so that subsequent grinding of the elements was not required.

Пример 1 реализации способа. Указанными выше способами изготавливали основание (диск с 12 отверстиями диаметром 10,1 мм под цилиндрические элементы), готовили смесь, формовали, спекали. Элемент вставляли в отверстие (если d оказывался больше d_отв, то элементы калибровали по диаметру или обычно браковали). Такую сборку помещали на пресс и к торцам элемента прикладывали усилие сжатия. Скорость нарастания усилия сжатия от нулевого значения до требуемой величины Р варьировали, но принципиального заметного значения на технический результат это не оказывало (при однократном приложении усилия). Величину Р ограничивали так, чтобы получить упрочнение (рост твердости) рабочих поверхностей и объемную пластическую деформацию (d₁>d при 1₁<l) элемента. Далее приведены отдельные варианты реализации примера 1 для цилиндрических элементов длиной 7 мм, таблица. Без приложения усилия Р сжатия параметры фрикционного элемента приведены в варианте 1.1. В вариантах 1.2÷1.7 показано влияние усилия Р сжатия на упрочнение (твердость и относительная износостойкость) фрикционных элементов и соответствующий прирост работоспособности. Снижение трудоемкости изготовления изделия показано в сравнении со способом-прототипом, где в числителе - соединение элемента и основания припеканием, в знаменателе - соединение заклепками. Таким образом, пример 1 доказывает достижение технического результата. В вариантах 1.8 и 1.9 рассмотрен способ изготовления с использованием цилиндрических элементов длиной 9 мм, где также подтверждается достижение технического результата.Example 1 of the implementation of the method. By the above methods, a base was made (a disk with 12 holes with a diameter of 10.1 mm for cylindrical elements), a mixture was prepared, molded, sintered. The element inserted into the hole (d if d has a greater _holes, the elements or calibrated diameter typically defective). Such an assembly was placed on a press and a compression force was applied to the ends of the element. The rate of increase of the compression force from zero to the required value of P was varied, but this did not have a significant noticeable value on the technical result (with a single application of force). The value of P was limited so as to obtain hardening (increase in hardness) of the working surfaces and volumetric plastic deformation (d ₁ > d at 1 ₁ <l) of the element. The following are some options for implementing example 1 for cylindrical elements 7 mm long, table. Without the application of compression force P, the parameters of the friction element are given in version 1.1. Variants 1.2 ÷ 1.7 show the effect of the compressive force P on the hardening (hardness and relative wear resistance) of the friction elements and the corresponding increase in working capacity. The decrease in the complexity of manufacturing the product is shown in comparison with the prototype method, where in the numerator is the connection of the element and the base by baking, in the denominator is the connection with rivets. Thus, example 1 proves the achievement of a technical result. In versions 1.8 and 1.9, a manufacturing method using cylindrical elements 9 mm long is considered, where the achievement of the technical result is also confirmed.

Пример 2 реализации способа. Все делали так же, но отверстия и соответственно фрикционные элементы исполняли в виде округленного равностороннего трехгранника с описанной окружностью 12 мм, длиной 6 мм. Варианты примера обозначены 2.1÷2.3. Из них видно достижение технического результата. Example 2 of the implementation of the method. Everything was done the same way, but the holes and, accordingly, the friction elements were made in the form of a rounded equilateral trihedron with a circumscribed circle of 12 mm and a length of 6 mm. Variants of the example are indicated 2.1 ÷ 2.3. From them, the achievement of the technical result is visible.

Пример 3 реализации способа. Все делали так же, как в примере 1, но в отверстия устанавливали все (12 штук) элементы и усилие сжатия прикладывали к ним одновременно. Усилие сжатия увеличивали до 60÷75 тонн. Это позволяло упрочнить все элементы одновременно и одновременно соединить (закрепить или зафиксировать их в отверстиях) их с основанием. Работоспособность изделий возрастала на 10÷25%, трудоемкость дополнительно снижалась на 10÷12 минут для одного изделия. Кроме этого, главным фактором снижения трудоемкости явилось то, что отпала необходимость в шлифовке элементов (до 20 мин на изделие). Это объясняется тем, что одновременное приложение усилия сжатия одним пуансоном позволяло обеспечить требуемую точность размеров, требования плоскостности и параллельности поверхностей. Пример показан в вариантах 3.1÷3.3. Example 3 of the implementation of the method. Everything was done in the same way as in example 1, but all (12 pieces) elements were installed in the holes and a compression force was applied to them simultaneously. The compression force was increased to 60 ÷ 75 tons. This made it possible to harden all the elements at the same time and at the same time connect them (fix or fix them in the holes) with the base. The performance of the products increased by 10 ÷ 25%, the complexity was further reduced by 10 ÷ 12 minutes for one product. In addition, the main factor in reducing the complexity was that there was no need to polish the elements (up to 20 min per product). This is due to the fact that the simultaneous application of the compression force by one punch made it possible to provide the required dimensional accuracy, flatness and parallelism of surfaces. An example is shown in options 3.1 ÷ 3.3.

Пример 4 реализации способа. Все делали так же, но усилие прикладывали ударно-циклическим методом, т.е. скорость прироста усилия от нуля до требуемого значения увеличивали (это существенно не влияло на результат) и цикл нагружения повторяли несколько раз. Это приводило к изменению формы элементов с образованием "шляпки", фиг.1д, 1е, 1ж, 1з. Работоспособность возрастала, варианты 4,1÷4,3 трудоемкость возрастала в пределах 1%, т.е. по-прежнему оставалась выше, чем у прототипа. Example 4 implementation of the method. Everything was done the same way, but the force was applied by the shock-cyclic method, i.e. the rate of increase in effort was increased from zero to the required value (this did not significantly affect the result) and the loading cycle was repeated several times. This led to a change in the shape of the elements with the formation of a "hat", fig.1d, 1e, 1g, 1z. Efficiency increased, options 4.1 ÷ 4.3 the complexity increased within 1%, i.e. still remained higher than that of the prototype.

Отметим, что во всех примерах образования задиров не наблюдалось, выпадение элементов из отверстий при эксплуатации не отмечалось, время приработки оставалось на прежнем уровне (колебания до 5%), усилие фрикции сохранялось на всем периоде работоспособности постоянным (колебания по току привода до 3%). Работоспособность считали исчерпанной, если усилие фрикции снижалось до 5%. Note that in all examples of scoring formation was not observed, the loss of elements from the holes during operation was not noted, the running-in time remained at the same level (fluctuations up to 5%), the friction force remained constant over the entire period of operability (fluctuations in drive current up to 3%) . Efficiency was considered exhausted if the friction force was reduced to 5%.

Claims

1. A method of manufacturing friction products, including the preparation of a mixture, molding and sintering of cermet elements, the manufacture of the base and the connection of the elements with the base, characterized in that the elements are further strengthened by applying compression forces to their ends, combining hardening with the connection of the elements with the base by fixing or fixing the elements in the holes of the base during plastic deformation of the elements during the application of compressive forces.

2. The method according to claim 1, characterized in that the compression force is applied simultaneously to all elements.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the force is applied by the shock-cyclic method.