Обеспечение работоспособности и ресурсосбережения при восстановлении и упрочнении сложнопрофильных шлицевых деталей накаткой (на примере шлицевых деталей автотракторных карданных передач)
| Вид материала | Автореферат |
- Исследование тепловых эффектов экзотермических реакций при термодиффузионном упрочнении, 113.6kb.
- Отяга модели 7А623 предназначен для обработки протягиванием разнообразных сквозных, 204.81kb.
- Моделирование и динамическая стабилизация нановыглаживания прецизионных поверхностей, 151.88kb.
- Программа вступительного экзамена в аспирантуру по специальной дисциплине 05. 02., 266.3kb.
- Механическая обработка, 11.65kb.
- 3 Допуски и посадки деталей машин и механизмов, 86.91kb.
- Особенности плазменной закалки крупногабаритных деталей из чугуна Батрак В. В., Веремейчик, 55.51kb.
- Задачи календарного планирования (теории расписаний, 162.35kb.
- Семинар на тему Оценка технологичности конструкций деталей, изготавливаемых, 461.77kb.
- Клепочное соединение, 38.71kb.
Усилие раздачи отверстия ступицы пуансоном (рисунок 11) имеет вид  (28)При поперечной накатке шлицев (рисунок 13) усилие определяется выражением  (29)П   родольная прокатка внешней поверхности (рисунок 13) описывается выражениемРисунок 13 – Схема деформации при продольной прокатке внешней поверхности с одновременной накаткой шлицев  (30)Исходя из приведенного агнализа схем формообразования сконструированы универсальные установки для восстановления внешних и внутренних шлицевых поверхностей накаткой (рисунок 14). Н  а рисунках 15, 16 представлены шлицевые ступица и втулка до восстановления – а и после восстановления – б.Рисунок 14 – Общий вид установки для восстановления шлицевых поверхностей   а б Рисунок 15 – Изношенная и восстановленная ступица карданных передач   а б Рисунок 16 – Изношенная и восстановленная втулка карданных передач В третьем разделе «Математическое моделирование ресурсосберегающего эффекта при разработке восстановительных технологий» определялась оптимальная с позиции ресурсосбережения технология в условиях ограниченности запасов тех или иных ресурсов на ремонтном предприятии. Д  ля выбора ресурсосберегающей технологии восстановлении упрочнения деталей сельскохозяйственной техники построена экономическая математическая модель (рисунок 18). Рисунок 17 – Схема модели выбора ресурсосберегающей технологии восстановления и упрочнения деталей Поскольку восстановленная деталь, с одной стороны, должна иметь высокий ресурс, а с другой – высокую безотказность, коэффициент оптимальности принятой технологии восстановления  определяется как произведение коэффициента  , учитывающего восстановление ресурса детали, на коэффициент безотказности  : (31)где  и  (32)За критерий оптимизации рассматриваемой задачи принимался минимум затрат ресурсов в расчете на комплексный коэффициент восстановления эксплуатационной способности детали. То есть необходимо найти максимум интенсивности технологий восстановления Xi при которых достигается минимум целевой функции С(Х):  (33) где  – производительность i–ой технологии с единичной интенсивностью;  – трудоемкость i–ой технологии с единичной интенсивностью;  – среднечасовая заработная плата рабочего;  – металлоемкость i–ой технологии с единичной интенсивностью;  – цена единицы материальных ресурсов;  – энергоемкость i–ой технологии с единичной интенсивностью;  – цена единицы энергетических ресурсов;  – капиталоемкость i–ой технологии с единичной интенсивностью;  – прочие удельные затраты по i–ой технологии с единичной интенсивностью.При решении поставленной задачи вводятся следующие ограничения: по условию выполнения программы восстановления деталей (34) Ресурсы на восстановление всегда ограничены, и конъюнктура рынка трудовых, материальных, энергетических, финансовых и прочих ресурсов накладывает свои ограничения на выбор технологии восстановления деталей: по условию использования трудовых ресурсов  (35) по условию использования материальных ресурсов  (36) по условию использования энергетических ресурсов  (37) по условию использования финансовых ресурсов  (38) по условию использования прочих производственных ресурсов  (39) по условию использования на неотрицательность переменных  (40)Функция цели (35) и ограничения (36) – (40ссылка скрыта) представляют собой строго формализованную математическую модель выбора ресурсосберегающей технологии восстановления деталей, учитывающую технический и экономический аспекты ресурсосбережения. Р  есурсосберегающий эффект при восстановлении и упрочнении деталей пластическим деформированием проиллюстрирован на рисунке 18 и в таблице 1. Эффективность восстановления деталей по этой технологии обосновывается путем сопоставления трех возможных вариантов. По первому варианту детали изготавливаются на механическом заводе из переплавленного на металлургическом предприятии изношенного ремонтного фонда и затем через службу сбыта поставляются потребителю. Переработка вторичного сырья на металлургическом предприятии сопровождается вредными выбросами в атмосферу. По второму варианту осуществляется восстановление деталей пластическим деформированием непосредственно на участке ремонтного предприятия. Наиболее дорогостоящий, третий вариант, связан с добычей металла вновь. Рисунок 19 – Ресурсосбережение за счет восстановления и упрочнения деталей Таблица 1 – Ресурсосберегающие показатели применяемых технологий в сфере ремонта сельхозтехники
В четвертом разделе «Исследование технологического процесса восстановления шлицевых деталей карданных передач накаткой» представлены результаты теоретического и экспериментального исследования разработанных технологий. Теоретическое моделирование основывалось на следующих технических вводных. Нагретая до температуры пластической деформации То деталь 1 перемещают под действием усилия Р с постоянной скоростью V между вращающимися с частотой N накатными роликами 2 и профилирующими шлицевые впадины роликами 3. При этом происходит перераспределение металла с наружной на внутреннюю поверхность детали 1 за счет установленной величины перемещаемого для устранения износа и создания припуска для механической обработки металла h (рисунок 19).  Рисунок 19 – Схема деформации внешней поверхности и втулки карданной передачи накаткой: 1 – восстанавливаемая деталь; 2 – деформирующие ролики; 3 –профилирующие ролики В качестве основных факторов эксперимента были приняты частота вращения накатников Х1, температура нагрева Х2 и припуск на накатку Х3, параметром оптимизации являлось осевое усилие накатки Р. Факторный эксперимент типа 23 проведен в двукратной повторности. Выборка составляла 30 экспериментов. Для Х1 уровни факторов являются величинами дискретными (100, 125, 160, 200 мин -1), так как частота вращения шпинделя изменяется не плавно, а ступенчато в соответствии с конструктивными особенностями коробки станка. Кроме того, исходя из условий пластичности, принято, что при скорости вращения накатников ниже 100 мин-1 из-за интенсивного остуживания детали процесс в начальной стадии крайне затруднен и практически невозможен в конце по всей ее длине, а при частоте вращения выше 200 мин-1 происходит заклинивание накатных роликов. Для Х2 при нижнем уровне ниже 650 оС резко увеличивается напряжение текучести металла, что требует значительных усилий накатки и, соответственно, ведет к усложнению конструкции оснастки. Верхний уровень в 950 оС выбран потому, что при этой температуре деформация переходит в пластическую. Для Х3 уровни фактора определялись величиной износа рабочих поверхностей восстанавливаемой детали. Гипотеза адекватности модели, проверенная по критерию Фишера, с доверительной вероятностью 0,95 подтвердилась. Уравнение регрессии имеет вид  (41)где  0,93297, b = 0,00542475, c = 5,8883303, d = 0,6404138.Новизной данного метода является многоэтапный подход к планированию эксперимента, включающий в себя: выбор функции распределения; составление матрицы планирования; определение границ уровней факторов; предварительный расчет коэффициентов уравнения; уточнение и окончательный расчет кривых; проверка сходимости и построение кривых. Этот способ позволяет избежать или свести к минимуму ошибки и существенно ускорить процесс обсчета результатов эксперимента. На основании полученных коэффициентов регрессии и результатов анализа уравнения можно сделать следующие выводы:
Реализация эксперимента позволила найти теоретически оптимальные режимы восстановления. Г  рафическая интерпретация в результате регрессионного анализа модели при фиксированной частоте вращения 100 мин-1 представлена на рисунке 20.
Результаты экспериментальных проверок технологии и их сравнение с теоретическими приведены на рисунках 21, 22 и 23.  Рисунок 21 – Исследование технологических режимов при восстановлении шлицевой ступицы карданной передачи   Рисунок 22 – Исследование технологических режимов при восстановлении шлицевой втулки карданной передачи  Рисунок 23 – Исследование технологических режимов при восстановлении шлицевой ступицы раздачей отверстия пуансоном В пятом разделе « Анализ показателей качества и эффективности технологий восстановления накаткой сложнопрофильных шлицевых деталей карданных передач» приводятся результаты и анализ геометрических, физико-механических и структурных показателей восстановленных деталей. Анализируя данные микрометражных исследований следует, отметить, что диаметр впадины ступицы, имеющей внешнее расположение шлицев, после деформации достиг 55,4…57,4 мм (рисунок 24). Это дает общее приращение шлица в 2,8…3,4 мм.  
Если из общей величины приращения размера исключить 0,6…0,8 мм, приходящихся на износ, то 1,6…1,8 мм вполне достаточны для зубофрезерной операции. У шлицевой втулки приращение профиля шлица составляет 2.3…2,4 мм. Исключив величину 1,2…1,6 мм, приходящуюся на износ, получаем 1,1…0,8 мм – этого вполне достаточно для зубопротяжной операции (рисунок 25). Данные микрометражных исследований подтверждают теоретические и экспериментальные предпосылки о высоких возможностях, заложенных в технологию накатки с размерным профилированием.
  сследованиями микротвердости поверхностного слоя шлица ступицы и втулки (рисунки 26, 27) в исходном состоянии установлено, что на глубине 0,1 мм от поверхности контролируемый параметр находится в пределах 260 МПа, далее, по мере углубления от поверхности, показатель микротвердости падает и на глубине 0,3 мм достигает 210 МПа. Это объясняется зоной термического воздействия при ТМО и процессами поверхностного упрочнения детали при эксплуатации. После восстановления шлицев ступицы накаткой микротвердость на глубине 0,1 мм от поверхности шлица возрастает на 37 %. Данное превышение объясняется двумя факторами: во-первых, упрочнением, протекающим при поверхностно-пластической деформации, и, во-вторых, вторичной деформацией поверхностного слоя, наблюдаемой при профилировании шлица. Упрочнение поверхностного слоя при восстановлении шлицевой поверхности накаткой с профилированием объясняется сдвиговыми и двойниковыми характеристиками процесса деформации. Тангенциальный сдвиг происходит на первой стадии деформации и характеризуется перемещением одной части кристалла по отношению к другой по определенной плоскости. А в конечной стадии деформации, при достижении перемещаемым металлом поверхности профилирующего ролика, наблюдается двойникование. Оно сопровождается ограничением перемещения металла в направлении профиля шлица и изменением направления касательной скольжения к поверхности профилирующего ролика. Из данных эксперимента на статическую прочность (таблица 2) следует, что карданные валы автомобилей семейства ЗИЛ и ГАЗ, укомплектованные восстановленными накаткой шлицевыми ступицами и втулками, по показателям, характеризующим предел прочности, полностью отвечают требованиям, предъявляемым к новым изделиям. Таблица 2.- Статическая прочность восстановленных карданных валов автомобилей семейства ЗИЛ и ГАЗ
Испытания карданных валов автомобилей семейства УАЗ проводились в соответствии с инструкцией на автомобильном заводе в Ульяновске. Исходя из заводской инструкции, карданные валы должны выдерживать крутящий момент, равный 211 кН. Установлено, что статическая прочность карданных валов на 23–47 % превышает допустимый показатель. Повышенные сжимающие напряжения в поверхностном слое (рисунок 28) шлица ступицы объясняются активным ограничением перемещения металла профилирующим роликом, воздействующим постепенно, рассредоточенно по времени, степени и глубине при поверхностно-пластической деформации. Разница в показателях остаточных напряжений шлицев ступицы в сравнении с шлицами втулки объясняется пассивным воздействием калибрующей оправки на поверхность формируемого шлица. Данные о распределении остаточных напряжений у новых и восстановленных изделий обосновывают упрочнение поверхностного слоя восстановленного шлица сжимающими остаточными напряжениями. Кроме этого, отрицательные остаточные напряжения способствуют повышению сопротивления поверхности шлица усталостному разрушению. Повышение показателей плотности дислокаций у восстановленных шлицев (рисунок 29) объясняется поверхностно-пластической деформацией поверхности шлица. Повышение плотности дислокаций ведет к улучшению прочностных показателей поверхностного слоя. Характер распределения плотности дислокаций по глубине слоя говорит об относительно равномерном их распределении в поверхностном слое, данное обстоятельство способствует повышению сопротивления их скольжению, что увеличивает прочность деформированного металла. Показатели плотности дислокаций восстановленных шлицевых поверхностей находятся в пределах (2,5…2,8)∙1012 см-2, что не достигает предельнных показателей 1013 см-2, при которых искажение кристаллических решеток ведет к образованию субмикротрещин, являющихся зародышем очагов усталостного износа.  Р  исунок 28 – График напряженного состояния изношенных и восстановленных шлицевых деталейРисунок 29 – График плотности дислокаций изношенных и восстановленных шлицевых деталей Макроструктура восстановленных шлицев (рисунок 30) характеризуется сплошностью по глубине слоя, отсутствием зародышей трещин, наличие которых возможно при выборе ошибочных режимов преддеформационного нагрева и схемы деформации при формообразовании. Сравнение макроструктуры восстановленных деталей с изношенными (рисунок 30) показывает на явное улучшение поверхностного и глубинного слоев восстановленных шлицев. Наблюдаемое при этом уменьшение пористости и вытянутая ориентация зерен подтверждают гипотезу о возможности управления процессом упрочнения поверхности восстанавливаемых деталей.     а б Рисунок 30 – Макроструктура изношенных и восстановленных шлицев ступиц (а) и втулок (б) (х3) Микроструктура шлицев ступицы после калибрующей накатки (рисунок 31, а) по торцу шлица, на глубину до 0,5 мм характеризуется сорбитизированным перлитом. Сердцевина шлица состоит из перлита и феррита мелкозернистого строения. Основной металл представлен тонкопластинчатым перлитом с ферритом по границам аустенитного зерна (рисунок 31, б). Тип, повышенная плотность распределения зерен, геометрия и топография структуры говорят об упрочнении фаз, происходящем при поверхностно-пластическом деформировании в процессе восстановления деталей накаткой с профилированием. Рабочая поверхность восстановленных шлицев втулок по всей высоте шлица имеет нормализованную структуру (рисунок 31, а) состоящую из скрытопластинчатого перлита с ферритом по границам зерен. В процессе накатки втулок с последующим активным воздействием профилирующей оправки по впадинам и боковым поверхностям шлица наблюдается вытянутая вдоль оси втулки волокнистость структуры. В поперечном сечении зуба (рисунок 31, б) видны торцы вытянутых зерен, что говорит о начале процесса двойникования и о соответствующем упрочнении структуры восстановленного шлица. Основной металл (рисунок 31, в) состоит из крупнозернистого перлита и феррита. Структура после термообработки характеризуется однородностью мелкодисперсного мартенсита 1…2 балла. Сравнение микроструктур термически обработанных восстановленных с серийными деталями указывает на различие в состоянии мартенсита; у серийной детали наблюдается его неоднородность (рисунки 32, 33). 1    а б в 2    а б в Рисунок 31 – Микроструктура восстановленных шлицев ступицы 1 и втулки 2 (x100) Структура металла детали после восстановления и термообработки характеризуется однородностью мелкодисперсного мартенсита 1…2 балла.  
Сравнительный микроструктурный анализ восстановленных и серийных деталей в закаленном состоянии показывает улучшение поверхностного слоя восстановленных методом профилирующей накатки деталей и подтверждает данные механических и физических характеристик. В шестом разделе «Показатели технико-экономической эффективности технологии восстановления шлицевых деталей» выполнен расчет годового экономического эффекта от внедрения результатов исследования в производство. В соответствии с ним себестоимость восстановления шлицевой втулки на 40 % и шлицевого вала более чем в 4 раза ниже стоимости новых изделий. Суммарный экономический эффект от внедрения результатов исследования при производственной программе 10 тысяч карданных передач составит порядка 10 млн рублей. Технологический процесс с комплектами оснастки прошли производственную проверку и внедрены на предприятиях: - ОАО «Новозахаркинский ремонтный завод» в 1996 г.; - ОАО «Саратовский подшипниковый завод» в 1999 г. Результаты работы доложены и получили положительную оценку на заседаниях техсоветов ОАО «Автовазтранс» и ОАО «Ульяновский автомобильный завод» в 2009 г. Общие выводы
Применен новый метод разделения усилий по осям деформации, позволяющий снизить потребное усилие деформации до 30 %. Предложенные зависимости являются основой для инженерных расчетов конструкций оснастки для восстановления шлицевых деталей различных типоразмеров.
Экспериментальной проверкой математической модели режимов формообразования подтверждена 95 % сходимость данных.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
распределены равномерно по всему периметру профиля шлица и повышаются на 15 %. Плотность дислокации, характеризующая изменения, протекающие в кристаллической решетке, повышается на 10–12 % и находится в пределах (2,5…2,8)·1012, что также подтверждает эффект упрочнения поверхности шлица;