Авторефераты по всем темам >> Авторефераты по техническим специальностям

На правах рукописи

Клочков Дмитрий Петрович

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ ПУТЕМ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ С НАЛОЖЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ

05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград - 2012

Работа выполнена на кафедре Технология строи- тельного производства в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете.

Научный руководитель доктор технических наук, доцент Бурлаченко Олег Васильевич.

Официальные оппоненты: Матлин Михаил Маркович доктор технических наук, профессор Волгоградский государственный технический университет, заведующий кафедры Детали машин и подъемно-транспортные устройства;

Пушкарев Олег Иванович доктор технических наук, доцент, Волжский институт строительства и технологий (филиал) Волгоградского государственного архитектурно- строительного университета, профессор кафедры Технология машиностроения и стандартизация.

Ведущая организация ОАО ВНИИТМАШ, г. Волгоград.

Защита состоится 17 апреля 2012 г. в 12.00 на заседании диссертационного совета Д 212.028.06 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, г. Волгоград, проспект им. В.И. Ленина, д. 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан л____ марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Быков Юрий Михайлович.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одной из главных задач машиностроения является повышение качества и конкурентоспособности продукции на основе совершенствования технологических процессов механической и физико-технической обработки.

К числу эксплуатационных показателей, определяющих надежность работы деталей и узлов машин, относится износостойкость контактирующих поверхностей.

Проблема повышения износостойкости в машиностроении является особенно актуальной. Известно, что до 80 % всех отказов машин и оборудования связано с износом рабочих поверхностей трения.

Для повышения износостойкости поверхностей трения принципиальное значение имеют параметры микрогеометрии, структура, физические, химические, механические свойства обрабатываемого материала. Улучшение триботехнических характеристик осуществляют главным образом повышением твердости поверхностей трения путем цементирования, азотирования, хромирования, цианирования, поверхностной закалки, лазерной обработки и т. д. Одновременно с этим поверхностное упрочнение сопровождается снижением пластичности и вязкости материала, что негативно влияет на трещиностойкость.

С помощью широко применяемых методов окончательной обработки (шлифование, хонингование, доводка) создается необходимая форма деталей с заданной точностью, но часто не обеспечивается оптимальное качество поверхностного слоя. Оно достигается с помощью дополнительных способов доработки, к числу которых относится поверхностное пластическое деформирование (ППД), при котором происходит пластическое деформирование поверхностного слоя, а также его упрочнение, вследствие чего повышаются износостойкость, стойкость к коррозионным воздействиям и т.

д. Кроме того, повышения износостойкости поверхностного слоя металла можно добиться путем насыщения поверхности трения смазывающими веществами. Перспективной представляется технология комбинированной механической и физикотехнической обработки поверхностей деталей, основанная на поверхностном пластическом деформировании поверхностного слоя металла с применением легирующего вещества и металлической дроби. Такое комбинированное воздействие не только упрочняет поверхностный слой, но также модифицирует его.

Несмотря на положительные моменты использования комбинированного способа обработки, до настоящего времени не разработано обоснованной методики получения рациональных режимов ППД с использованием энергии ультразвукового поля и легирующего вещества.

Таким образом, является актуальным исследование и выявление рациональных режимов процесса комбинированной механической и физико-технической обработки металлических поверхностей для повышения эффективности процесса обработки.

Диссертация выполнена в рамках государственного гранта Участник молодежного научно-инновационного конкурса.

Цель работы. Повышение износостойкости поверхностей трения за счет выбора рациональных режимов комбинированной физико-технической и механической обработки деталей, основанной на поверхностном пластическом деформировании с использованием энергии ультразвукового поля и частиц легирующего вещества.

Для достижения поставленной це- ли в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:

1. Описать механизм изменения глубины остаточного отпечатка дробинки в зависимости от механических свойств поверхности трения, относительной опорной длины профиля, динамики дробинки, толщины слоя легирующего вещества, а также упругопластической деформации обрабатываемой поверхности.

2. Установить функциональные зависимости, учитывающие закономерность изменения значений параметров обработки (суммарная масса дроби и масса легирующего вещества) в зависимости от площади обрабатываемой поверхности, а также свободного внутреннего объема рабочей камеры.

3. Провести предварительные экспериментальные исследования, с целью определения граничных значений параметров обработки (суммарная масса дроби и масса легирующего вещества) в рамках которых происходит повышение износостойкости поверхностей трения.

4. Провести экспериментальные исследования влияния режимов комбинированной физико-технической и механической обработки, с учетом граничных значений параметров обработки (суммарная масса дроби и масса легирующего вещества), на износостойкость поверхностей трения.

5. Разработать методику выбора рациональных режимов комбинированной механической и физико-технической обработки поверхностей трения. Определить экономическую эффективность использования наиболее рационального режима обработки.

6. Результаты исследований внедрить в практику на предприятиях производственного комплекса.

Методика исследования. Теоретические исследования проведены с использованием современных достижений технологии машиностроения, металлобработки, материаловедения, математического моделирования технологических процессов и обработки экспериментальных данных. Экспериментальные исследования проведены в лабораторных помещениях, имеющих современные средства регистрации, обработки и вычисления экспериментальных данных.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Описан механизм закономерности изменения глубины остаточного отпечатка дроби, с учетом механических свойств поверхности трения, относительной опорной длины профиля, динамики дробинки, толщины слоя легирующего вещества, а также упругопластической деформации обрабатываемой поверхности.

2. Разработаны функциональные зависимости, устанавливающие закономерность изменения значений параметров обработки ППД (масса легирующего вещества и суммарная масса металлической дроби) в зависимости от площади обрабатываемой поверхности и внутреннего свободного объема рабочей камеры. Экспериментально установлено рациональное соотношение между массой металлической дроби и массой легирующего вещества.

3. На основе проведенных экспериментальных исследований установлены регрессионные зависимости, характеризующие изменение износостойкости обработанных поверхностей трения в зависимости от сочетаний и значений параметров обработки.

Практическая ценность. На базе теоретических и экспериментальных исследований разработана методика назначения рациональных режимов процесса обработки, позволяющая добиться максимальной износостойкости металлических поверхностей трения при использовании методов ППД.

На защиту выносится:

- математические выражения, устанавливающие закономерность изменения глубины отпечатка от механических свойств и относительной опорной длины профиля обрабатываемой поверхности, а также от динамики дроби;

- математические выражения, устанавливающие закономерность изменения значений параметров обработки ППД (масса легирующего вещества и суммарная масса металлической дроби) в зависимости от площади обрабатываемой поверхности и внутреннего свободного объема рабочей камеры.

- результаты экспериментальных исследований влияния режимов обработки на износостойкость металлических поверхностей;

- методика выбора рациональных режимов обработки металлических поверхностей.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 9 работ, 3 из которых в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из оглавления, введения, четырех глав, общих выводов по работе, списка литературы и приложений. Содержит 127 страницы машинописного текста, 29 рисунков, 31 таблиц, список использованных источников из 123 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы износа рабочих поверхностей, сформулирована цель работы и задачи исследования. Отмечается актуальность исследований проводимых в направлении повышения износостойкости поверхностей трения. Сформулированы цель и задачи диссертационной работы, а также ее новизна.

В первой главе проведен анализ проблемы износа поверхностей трения. Рассмотрен механизм изнашивания поверхностей трения и основные факторы, влияющие на его интенсивность. Изучение работ отечественных и зарубежных ученых показало, что необходимым условием повышения износостойкости металлических поверхностей является уменьшение деформационной составляющей трения. Зачастую это достигается сглаживанием вершин микронеровностей, тем самым увеличивается площадь опорной поверхности. Одновременно с тем чрезмерное увеличение фактической площади контакта может привести к увеличению молекулярной составляющей трения.

Следовательно, при обработке поверхностей трения необходим выбор такого режима технологического процесса, который позволит добиться оптимального соотношения между деформационной и адгезионной составляющими трения.

Рассмотрены основные способы обработки поверхностей трения: шлифование, хонингование, лазерная обработка, доводка и т.д. Анализ данных способов обработки показывает, что, несмотря, на преимущества, они имеют ряд недостатков, которые не позволяют ни один из них считать универсальным способом обработки для получения оптимальных триботехнических характеристик поверхности при минимальной трудоемкости и себестоимости процесса обработки.

В связи с этим, перспективным представляется способ обработки, основанный на поверхностном пластическом деформировании поверхностного слоя металла с использованием легирующего вещества и ультразвуковых колебаний. Необходимо отметить, что при использовании данного способа обработки происходит пластическое деформирование поверхностного слоя, а также диффузия легирующего вещества в обрабатываемую поверхность. Кроме того, использование ультразвуковых колебаний имеет ряд преимуществ: звукокапиллярный эффект обусловленный глубоким проникновением жидкости и мельчайших частиц в капилляры и трещины под воздействием ультразвуковых колебаний; интенсивный процесс диспергирования порошкового материала легирующего вещества.

Рассматриваются научные труды: Крагельского И.В., Рыжова Э. В., Суслова А.

Г., Нерубая М. С., Одинцова Л. Г., Смольникова Н.Я., Матлина М. М., Демкина Н. Б., Сердобинцева Ю. П., Хворостухина Л. А., Гусенкова А. П., Лихтмана В. И., Криштала М.А. и других ученных.

Таким образом, представляет интерес разработка методики применения ППД с использованием энергии ультразвукового поля и легирующего вещества.

Вторая глава посвящена аналитическому исследованию физических процессов поверхностного пластического деформирования с использованием энергии ультразвукового поля и частиц легирующего вещества (комбинированная механическая и физико-техническая обработка). В качестве изменяемых факторов обработки были выбраны: частота ультразвуковых колебаний, суммарная масса легирующего вещества и суммарная масса металлической дроби (шариков), так как, изменением частоты ультразвуковых колебаний можно изменять кинетическую энергию дроби; изменением суммарной массы легирующего вещества и металлической дроби можно варьировать эффективность процесса обработки.

Площадь части дробинки, вдавленную в металлическую поверхность образца, определяли с помощью выражения:

Sп.д. 2 R hвн (1) где, R - радиус металлической дробинки, hвн - глубина внедрения дробинки в обрабатываемую поверхность под нагрузкой.

Площадь контакта зависит от геометрии поверхности (пропорциональна относительной площади опорной плоскости), поэтому площадь деформированной поверхности образца по глубине определяли из выражения:

S(h) 2R hвн hвнl(2 (2) h) где, l(h) - относительная длина опорной линии профиля по глубине.

Напряжение под металлическим шариком, до начала пластической деформации обрабатываемой поверхности, находили по следующей формуле:

F(z) др (3) S(h) 0,где, - условный предел текучести материала металлического образца;

0,Ускорение, с которым шарик замедляется по ходу деформирования поверхности:

3 S(h) F(z) 0,a (4) mш 4 R где, mш - масса металлической дробинки (шарика).

Определяли скорость шарика:

t 3 S(h) 0,v(t) v0 dt (5) 4 RВ итоге получили выражение для определения скорости шарика в процессе его внедрения в обрабатываемую поверхность:

hвн 30,2 S(h) dh v(t(h)) v(h) v0 (6) 4 R3 v(h) Таким образом, рассчитывали глубину внедрения металлического шарика в обрабатываемую поверхность:

2 R3 vhвн (7) 30,2 S(h) Глубину остаточного отпечатка определяли с помощью выражения:

d 2 v hост ау (8) 3 S0,9 Р2 k1 k2 кр где, ау - обратимая упругая часть полного сближения;

16 R 1 1,2; E - модуль нормальной упругости (1 - модуль упругости дробинки, 2 - k1,2 E1,R2 k1 k2 модуль упругости детали); Ркр 408 Т - критическая нагрузка, соответp 1 2 2 e ствующая появлению пластических деформаций на поверхности детали в центре площадки контакта (автор проф. Матлин М.М.).

С учетом изменения значений механических характеристик в условиях динамического удара дробинки по поверхности детали, выражение 8 преобразовали:

d 2 v hост ау (9) Н Д 3 SН где, НД - динамическая твердость; Н - динамический коэффициент твердости; - коэффициент пропорциональности.

Для подтверждения достоверности установленного выражения 9 проводили эксперимент. В качестве дробеструйного механизма использовали пневматический пистолет марки МР-654к. При этом стальной дробинке диаметром 4,5 мм сообщалась скорость 70 м/с. Стрельба производилась с расстояния 2 м по закрепленной металлической пластине, изготовленной из стали марки 40Х, толщиной 12 мм. Глубину остаточного отпечатка определяли с помощью микрометра МК-25 с ценой деления 0,мм. По результатам данного экспериментального исследования выявлено, что расхождение между теоретическими (выражение 9) и экспериментальными значениями глубины остаточного отпечатка не превышает 12%.

Массу легирующего вещества и суммарную массу металлической дроби в процессе обработки поверхности трения, рассчитывали из выражений:

mдроби. др kV V1 V1 Sоб.пов. сл kп (10) mлег.вещ. лег.вещ. Sоб.пов. сл (11) где, лег.вещ. - плотность легирующего вещества; др - плотность металлической дроби;

V1 - объем детали; kV - коэффициент пропорциональности объема рабочей камеры к объему детали; сл - толщина слоя легирующего вещества; Sоб.пов. - площадь обрабатываемой поверхности; kп - безразмерные коэффициент, отражающий отношение металлической дроби к свободному объему рабочей камеры.

Установленные выражения позволяют определить значения управляемых факторов обработки, в рамках которых происходит процесс поверхностного пластического деформирования и диффузии легирующего вещества в поверхностный слой детали.

В конце даны основные выводы и заключения по данному разделу диссертационной работы.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию зависимости массового износа образца от режимов обработки. Изложена методика проведения экспериментальных исследований, охватывающая вопросы выбора геометрических размеров экспериментальных образцов, режимов обработки, технологии испытания металлических образцов.

Металлические образцы изготавливались из сталей марок 40Х, 15Х и 45, так как данные стали используются при производстве деталей подверженных изнашиванию (коленчатый вал, оси, валы и т.д.). Для выявления более точной закономерности влияния ППД на износостойкость поверхностей трения были использованы образцы с разной шероховатостью поверхности R = 0,63 мкм, R = 1,25 мкм.

a a Также в данной главе был обоснован выбор материала металлической дроби и легирующего вещества. Материалом металлической дроби была принята низкоуглеродистая сталь, диаметром дроби - 1,8 мм (ГОСТ 11964-81). Материалом легирующего вещества был принят дисульфид молибдена.

Для разработки практических рекомендаций по применению рассматриваемого способа обработки, проводили исследования комплексного влияния управляемых факторов обработки на триботехнические свойства поверхности трения. В качестве управляемых факторов обработки были приняты: частота ультразвуковых колебаний, суммарная масса дроби и масса легирующего вещества. Численные значения данных факторов обработки представлены в таблице 1.

Таблица 1.

№ Частота ультразвукового Масса легирующего ве- Суммарная масса металлических опыта поля, кГц. щества, гр. шариков, гр.

1 18 2 2 20 4 3 22 6 С целью выбора параметров технологического процесса обработки осуществляли трехфакторный эксперимент на трех уровнях.

Обработку металлических поверх- ностей производили на установке, представленной на рис. 1, испытания обработанных и необработанных образцов проводили на машине трения СМТ-1 по схеме диск - колодка. Взвешивание обработанных и необработанных образцов проводили на электронных весах DL-300.

Рис. 1. Схема установки по обработки поверхностей трения с использованием энергии ультразвукового поля. 1 - магнитострикционный ультразвуковой преобразователь (ПМС-0.63-22); 2 - конический концентратор; 3 - рабочая камера; 4 - обрабатываемая деталь; 5 - металлическая дробь; 6 - частицы легирующего вещества (MoS2); 7 - фиксаторы крышки установки; 8 - крышка установки.

При исследовании влияния управляемых факторов на износостойкость поверхностей трения использовали регрессионный анализ как метода статистической обработки экспериментальных данных.

Использовали полиномиальную модель процесса в виде модели второй степени, которая с достаточной точностью описывает влияние факторов обработки на износостойкость поверхностей трения.

В результате обработки полученных экспериментальных данных определяли коэффициенты регрессии для образцов с разной чистотой обработки.

Для образцов (сталь 40Х) с чистотой обработки R = 0,63 мкм:

a 2 2 y 0,078 0,005 x1 0,002 x2 0,003 x3 0,01 х1 0,002 х2 0,003 х3 0,002х1х2 0,003х1х3 0,001х2 х(12) Для образцов (сталь 40Х) с чистотой обработки R = 1,25 мкм:

a 2 2 y 0,170,0045x1 0,0012 x2 0,0021x3 0,0024 х1 0,0036 х2 0,0014 х3 0,0008х1х2 0,0007х1х3 0,00075х2х(13) Для образцов (сталь 15Х) с чистотой обработки R = 0,63 мкм:

a 2 2 y 0,071 0,0077 x1 0,0013 x2 0,0019 x3 0,0053 х1 0,0052 х2 0,0021 х3 0,001х1х2 0,0009х1х3 0,001х2 х(14) Для образцов (сталь 15Х) с чистотой обработки R = 1,25 мкм:

a 2 2 y 0,18 0,0068 x1 0,0019 x2 0,0032 x3 0,0024 х1 0,0026 х2 0,002 х3 0,0006х1х2 0,0007х1х3 0,0006х2 х(15) Для образцов (сталь 45) с чистотой обработки R = 0,63 мкм:

a 2 2 y 0,084 0,0054 x1 0,001 x2 0,0021 x3 0,0023 х1 0,001 х2 0,0018 х3 0,008х1х2 0,0009х1х3 0,0007х2х(16) Для образцов (сталь 45) с чистотой обработки R = 1,25 мкм:

a 2 2 y 0,18 0,007 x1 0,0019 x2 0,004 x3 0,0041 х1 0,0012 х2 0,003 х3 0,001х1х2 0,0007х1х3 0,0007х2х(17) где, - нормированное значение частоты ультразвуковых колебаний; - нормих1 хрованное значение массы легирующего вещества; - нормированное значение сумхмарной массы дроби; - функция отклика.

y В процессе испытания образцов строились графики, отображающие изменение массы образцов в процессе испытания на машине трения СМТ-1.

После испытания образцов, обработанных при разном сочетание факторов, был определен наиболее рациональный режим обработки, при использовании которого износостойкость, по сравнению с необработанными образцами, увеличилась в среднем на 15 %.

0,0,0,0,0,0,0 20 40 60 80 100 1Время испытания образцов, мин Рис. 2. Изменение массы образцов (сталь 15Х) Ra=0,63 мкм.

- - - испытание необработанного образца;