Научное обоснование выбора и разработки методов упрочняюще-отделочной обработки для обеспечения износостойкости деталей машин Улашкин, Анатолий Петрович

Введение к работе

Аісгуальность проблемы.

При открытой рыночной экономике решение задачи развития машиностроительного производства требует повышения качества и конкурентоспособности выпускаемых изделий. Одним из путей обеспечения качества машин является повышение эксплуатационных показателей их деталей, в значительной степени определяемых параметрами качества повермю-стного слоя (ПКПС). Многочисленные исследования показали, что до 70 % причин выхода из строя машин и механизмов связано с износом узлов трения. Отсюда вытекает одно из направлений улучшения качества маним - повышение износостойкости их деталей за счет применения технологических процессов изготовления и восстановления, позволяющих создавать оптимальные для условий эксплуатации значения ПКПС.

В виду того, что износ зависит от большинства функциональных параметров качества поверхностного слоя, представляет интерес технологическое управление комплексом этих параметров, определяющих износостойкость, включая геометрические, механические, физические, химические и структурные свойства. Для технологического управления ПКПС в промышленности широкое применение находят различные методы упрючяякхце-отделочной обработки (УОО), втом числе и .для повышения износостойкости деталей пар трения.

Имеющиеся исследования по УОО посвящены, как правило, изучению отдельных групп методов, поэтому отсутствуют научно обоснованные рекомендации по выбору наиболее подходящих методов из всей совокупности известных. Юроые этого, при использовании УОО значительные трудности представляет одновременное технологическое управление большим количеством ПКПС, определяющих износостойкость деталей.

Представленные в настоящей диссертационной работе исследования яапра&іе-ны на решение актуальной проблемы, имеющий важное шроіно-хозяйсгпвенное значение — )то повышение иінесастойюсніи деталей машин и механизмов технологическими методами УОО путем научим? обоснования выбора известных или разработки нових методов и решение проблемы технологического управления необходимым комплексом ПКПС с минимальными затратили.

Цель рабаты.

Повышение износостойкости и надежности деталей машин, работающих в условиях граничного трения и износа за счет разработки научно обоснованного подхола к выбору известных или созданию новых метопов УОО путем технологического управления значениями

4 ПКПС, определяющими износостойкость конкретных деталей, в той числе и с использованием комплекспых параметре» (обобщенных переменных) ПКПС.

Объекты исследования. . Сопряжения деталей машин, технологического оборудования и оснастки, работающие в условиях; трения скольжения (например, подшипники скольжения, пары трения железнодорожных вахонов, штоки и поршни гидроцилиндров, направляющие скольжения станков, быстроизнашивающиеся детали энергетического оборудования и др.), а также технологические методы УОО (поверхностное пластическое деформирование, злектрочехаинческое упрочнение, химико-термическая обработка, обработка инструментами для упрочняющего резания и др.) применительно к повышению износостойкости конкретных деталей

Методологиям методы исследований.

Методологической основой работы является системный подход к игучанию и описанию процессов, происходящих при взаимодействии поверхностей в процессе -фения скольжения, и процессов формирования функциональных параметров кичостіи позерхностного слоя при изготовлении и восстановлении деталей, а также в процессе их изнашивания.

Теоретические исследования базируются на основных, положениях технологии машиностроения, теоретических основах технологического обеспечения эксплуатационных свойств деталей машин, теории контактного взаимодействия поверхностей деталей, молеку-лярно-механической теории грения и изнашивания, теории пластической деформааии металлов, а также на аппарате дйффереї ткального и интегрального исчислений.

Экспериментальные исследовании базируются на теории планирования экспериментов, корреляционной и множественном регрессионном анализе и на широком использовании вычислительной техники.

При выполнении работы применяются современные методы исследования ПКПС, а также показателей характеризующих износостойкость.

.Авзгор защищает

Решение научно-технической проблемы, имеющей важное народнохозяйственное значение, которое-заключается в научно обоснованном выборе существующих или в определении требований к разработке новых методоз УОО для обеспечения и повышения износостойкости деталей машин. Это решение;базируется на разработке:

1. Научных основ выбора методов УОО для обеспечения износостойкости деталей, работающих в условиях граничного трения и износа.

1. Методологии обеспечения износостойкости деталей при различных методах УОО с использованием обобщенных переменных ПКПС, определяемых на базе теории моделирования трибологических задач, на основе чего получены и экспериментально проверены обобщенные переменные С_х, Ящспс и р, позволяющие решать проблему повышения износостойкости поверхностей деталей конкретных пар трения.

2. Сформулированного и экспериментально подтвержденного критерия определения условий граничного трения при контактировании поверхностей в условиях скольжения со смазкой.

3. Теоретически установленных и экспериментально проверенных зависимостей для определения параметров шероховатости и высоты волугастостн при вибрационном накатывании

5. Теоретических зависимостей для определения оптимальной формы и размеров смазочных каналов на поверхностях подшипников скольжения.

6. Нового подхода к назначению ПКПС, изменяющихся по поверхности деталей, работающих в условиях неравномерного износа, с использованием обобщенных переменных, позволяющего добиваться повышения равномерности износа в начальный период работы узлов трения.

7. Новых конструкций устройств и способов УОО ППД, позволяющих на универсальном и специальном оборудовании получать требуемые закономерно изменяющиеся по поверхности обрабатываемых деталей ПКПС, а также для обработки плоских поверхностей и отверстий, позволяющих реализовывать процесс резания с одновременным упрочнением поверхностного слоя. Новых конструкций устройств для высокопроизводительного образования на поверхностях трения масляных карманов, для УОО ППД винтовых поверхностей и зубчатых колес, а также новых конструкций узла уплотнения и штока гидроцилиндра, обеспечивающих повышенные эксплуатационные показатели.

8. Нового подхода к оценке эффективности инвестиционных вложений в создание и внедрение технологий для изготовления и восстановления изнашивающихся деталей машин.

Научная новизна работы состоит в разработке следующих методологических и теоретических положений:

1) научно обоснованного подхода к выбору методов УОО поверхностей деталей, работающих в условиях трения скольжения и износа, основанного на оценке возможностей технологического управления ПКПС. оказывающими существенное влияние на износостойкость;

2. впервые предложенного технологического управления износостойкостью поверхностей деталей машин с использованием обобщенных переменных ПКПС, полученных с использованием методов теории моделирования трибологических задач, и в исследовании взаимосвязи обобщенных переменных с интенсивностью изнашивания;

3. в установлении возможности вынесения части процесса приработки поверхностей деталей пар трения на стадию финишной обработки, для чего предложен новый способ обработки, позволяющий осуществлять УОО ППД с одновременным срезанием выступов микронеровностей.

Практическая ценность работы.

Наибольшую практическую ценность представляют следующие результаты выполненных исследований:

методика выбора известных или определения требований к разработке новых методов УОО для повышения износостойкости деталей машин, работающих в условиях граничного трения, основанная на определении влияния ПКПС на износостойкость в различных условиях и на оценке возможностей методов по обеспечению соответствующих параметров;

разработанные на уровне изобретений новые способы и устройства для УОО деталей машин, а также усовершенствованные конструкции отдельных деталей пар трения, позволяющие повысить их износостойкость;

методика оценки эффективности внедрения различных технологий повышения износостойкости с применением принципов разработки бизнес-планов, учитыкающая характер деятельности предприятия на котором планируется их применение, а также дополнительные факторы, позволяющие реализовать предусмотренные действующим законодательством льготы в налогообложении и меры государственной поддержки научных исследований;

теоретические зависимости для определения параметров шероховатости и высоты волнистости при вибрационном накатывании;

зависимости для определения оптимального угла наклона и размеров поперечного сечения смазочных каналов на поверхностях подшипников скольжения, работающих в условиях граничного трения;

- методика установления закономерно изменяющихся по поверхности деталей пар
трения значений обобщенных переменных ПКПС, обеспечивающая повышение равномерно
сти изнашивания.

Исследования и разработки автора осуществлялись в процессе выполнения заданий по разделу 2.20 "Разработка гибких технологий управления эксплуатационными свойствами поверхностей деталей машин, работающих в местных условиях" региональной НТП Минобразования России "Дальний Восток России" на 1993 - 1996 гг. и разделу 1.16 "Разработка технологий изготовления и восстановления быстроизнашивающихся деталей оборудования добывающих и перерабатывающих отраслей региона" данной программы на 1997 - 2000 гг.; по разделу 4.2 "Создание системы реализации научно-технической продукции" региональной НТП Министерства по науке и технологиям РФ "Дальний Восток" на 1996 - 2000 годы, а также по НТП Минобразования России "Конверсия и высокие технологии" на 1997 - 2000 гг. по разделу "Производственные технологии", проект "Использование техногенного сырья от утилизации вооружений и военной техники в дальневосточном регионе для изготовления композиционных металлических материалов и восстановления быстроизнашивающихся деталей оборудования добывающих отраслей". Часть исследований проводилась в рамках межвузовской НТП "Ресурсосберегающие технологии машиностроения", подпрограмма №26 "Разработка аппаратно-программного комплекса системы управления качеством поверхностного слоя деталей машин" на 1992 - 1995 гг.

Реализация результатов работы.

Проведено опытно-промышленное внедрение технологии УОО пары трения балка-подвеска тележки рефрижераторной секции на ПО "Брянский машиностроительный завод". Методика выбора методов УОО, а также технология обкатывания штоков гидроцилиндров роликами внедрена на Шкмановском машиностроительном заводе "Кранспецбурмаш" с экономическим эффектом 120 млн. рублей. Данная технология передана также на Оренбургское ПО "Гидропресс". Технология борирования поверхностей колес тягодутьевых машин передана на ПО "Дальэнергомаш", г. Хабаровск. Узел уплотнения по а. с. № 1158809 внедрен на ПО "Салаватнефтеоргсинтез". Инструмент для чистовой и упрочняющей обработки по а. с. № И 99600 внедрен на Шестнадцатом государственном подшипниковом заводе.

Апробация работы.

Результаты исследований докладывались на междунарюдных, всесоюзных, республиканских и региональных семинарах и конференциях, в том числе на Всесоюзной конференции "Технологическое управление качеством обработки и эксплуатационными свойствами деталей машин" (Киев, 1980), Международном семинаре "Сверхтвердые материалы" (Киев, 1981), Международном конгрессе "ЕВРОТРИБ-81" (Варшава, 1981), Всесоюзной научно-технической конференции "Использование методов поверхностно-пластического деформи-

8 рования материалов в машиностроении" (Владимир, 1981), Региональной научно-технической конференции "Совершенствование методов, инструментов, оборудования, техпроцессов и их проектирование при обработке деталей машин" (Омск, 1983), 5-й Международной конференции "Триботехника - 87" (Бухарест, 1987), 1-м советско-китайском симпозиуме "Актуальные проблемы научного и технологического прогресса в дальневосточном регионе" (Хабаровск, 1991), Всесоюзной научно-технической конференции "Надежность технологического оборудования, качество поверхности, трение и износ" (Хабаровск, 1991), Российской научно-технической конференции "Проблемы создания и эксплуатации технологического оборудования и гибких производственных систем" (Хабаровск, 1992), 2-м Международном симпозиуме "Проблемы научного и технологического прогресса в дальневосточном регионе" (Харбин, 1992), Международном научно-практическом семинаре "ТРИБОЛОГ-10М - СЛАВЯНТРИБО-1" (Рыбинск, 1993), 3-м российско-китайском симпозиуме "Актуальные проблемы научного и технологического прої ресса в дальневосточном регионе" (Хабаровск, 1993), Региональной научно-технической конференции по межвузовской региональной НТП "Дальний Восток России" (Хабаровск, 1995), Региональной научно-технической конференции "Машиностроительный и приборостроительный комплексы ДВ" (Комсомольск-на-Амуре, 1996), 2-й Международной научно-технической конференции "Износостойкость машин" (Брянск, 1996), 5-м международном симпозиуме "Актуальные проблемы научного и технологического прогресса в дальневосточном регионе" (Хабаровск, 1997).

В полном обьеме диссертация доложена и одобрена на кафедре «Автоматизированные технологические системы» Брянского государственного технического университета, на кафедре «Технологическая информатика и информационные системы» Хабаровского государственного технического университета и на заседании технологической секции Брянского государственного технического университета.

Публикации. Основные результаты выполненных в диссертации исследований опубликованы в 65 работах, в том числе 1 монографии, 4 отчетах по законченным научно-исследовательским работам, защищены 24 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения. Без соавторов опубликовано 18 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа выполнена на 365 страницах машинописного текста, включая 85 рисунков и 27 таблиц. Список использованной литературы содержит 388 наименований.

9 КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ^s

Во введении обоснована актуальность работы, приведена ее цель и задачи, изложены научная новизна и практическая значимость, а также основные результаты, достигнутые в ходе теоретических и экспериментальных исследований, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу состояния проблемы выбора упрочняюще-отделочных методов обработки для повышения износостойкости поверхностей деталей машин, а также анализу возможностей этих методов по управлению параметрами качества поверхностного слоя.

На основе анализа работ ряда ведущих отечественных и зарубежных ученых Алексеева П.Г., Аскинази Б.М., Бабичева А.П., Балтера М.А., Баумана В А , Безъязычного В.Ф., Белова В.А., Вельского Е.И., Браславского В.М., Голсго Н.Л., Дальского A.M., Дорожкина КН., Евдокимова В Д., Елизавегина М.А., Жукова А.А., Коваленко В С, Лахтина ЮМ, Ля-хович Л.С, Маталина А.А., Папшева Д.Д., Подураева В.Н., Полевого С.Н , Проскурякова Ю.Г., Рыжова Э.В., Сильмана Г.И., Смелянского В.М., Суслова А.Г., Фрумина И.И., Харчен-кова B.C., Хасуй А., Хворостухина Л.А., Шнейдера Ю.Г., Ящерицина П.И. и др., посвященных исследованию различных методов упрочняюще-отделочной обработки установлено, что существующие методы позволяют решать задачи повышения износостойкости деталей пар трения, работающих в различных условиях изнашивания за счет управления ПКПС, определяющими износостойкость. В результате обзора сведены в единую таблицу данные о возможностях отдельных методов по управлению параметрами шероховатости, волнистости, макроотклонения, физико-химического состояния поверхностного слоя. Ниже приведен фрагмент данной таблицы для одной из групп методов УОО (табл. 1). Установлено, что отсутствуют обоснованные рекомендации по выбору из всей совокупное ги существующих методов обработки, наиболее подходящих для обработки поверхностей конкретных деталей пар трения. Большинство методов УОО решают проблемы управления только частью требуемых ПКПС, особенно для пар трения, в которых значительной влияние на износостойкость оказывают показатели точности обработки, макро и микрогеометрические отклонения. Это требует применения методов УОО в сочетании с другими финишными методами обработки, а также использования комбинированных или разработки новых методов для конкретных деталей пар трения, позволяющих обеспечивать управление всеми ПКПС, имеющими влияние на износ.

Таблица

позволяет управлять незначительно;

Анализ возможностей методов упрочняюще-отделочной обработки по управлению ПК'НС для повышения износостойкости поверхностей

Методы УОО эстного слоя""^"-—-~_^__^

Шероховатость

Волнистость

Погрешность формы

Параметры

твердости

поверхи, слоя

Остаточные напряжения

Структура

и фазовым

состав

Химический состав

Поверхи, взаимодействие

с жидкостью

* - позволяет управлять в значительной степени; О -не позволяет управлять.

На основании анализа выполненных ранее работ в области трения и износа рассмотрены различные варианты классификации видов износа и узлов трения, ранее предложенные Дж. Бравелом и К. Стронгом, Бринелем, Д.Н. Гаркуновым Л.К. Зайцевым, В.Н. Константине-ску, Б.И. Костецким, И.В. Крагельским, Р.Дж. Лефевром, В.Ф. Лоренцом, Д. Павелеску, М.

Петерсоном, АС. Прониковым, Э. Рабиновичем, М.М. Хрущевым, И.В. Крагельским, Г. Флейшером и др., и выбран наиболее подходящий для оценки влияния ПКПС на износостойкость. Установлены группы ПКПС, определяющие износостойкость для конкретных видов износа (см. табл. 2).

Обзор выполненных исследований показал, что необходима разработка научно-обоснованного подхода к выбору оптимальных методов УОО из совокупности подходящих с точки зрения управления необходимым набором ПКПС для обеспечения износостойкости с учетом экономических требований, технологических и конструкторско-технологических ограничений по применению соответствующих методов в конкретных парах трения, а таюке необходима методика установления технологических режимов для выбранных методов упрочнения с цельк) обеспечения требуемых значений ПКПС, что особенно важно при необходимости одновременного управления большим количеством параметров.

Таблица 2. ВЛИЯНИЕ ПКПС НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ ИЗНОСА

Поверхностное взаимодействие с жидкостью

* - оказывает основное влияние; + - оказывает влияние в определенных условиях; О - не влияет; ? - отсутствует информация о влиянии

Задача выбора методов УОО для повышения износостойкости любой пары трения имеет несколько решений, то есть, может быть реализована с применением различных технологических процессов даже при одних и тех же конструктивных решениях и сочетаниях материалов пар трения. В связи с этим требуется обоснование подходов к определению оптимального пути решения проблемы с учетом всей совокупности факторов, действующих в конкретных производственных, технических и экономических условиях.

Отмеченные выше обстоятельства предопределили цель данной работы, для достижения которой необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методику выявления комплекса ГЖПС, оказывающих определяющее влияние на износостойкость для конкретных условий работы пар трения.

2. Научно обосновать принципы выбора существующих, создания новых или модернизированных методов УОО, а также определить пути решения задачи технологического управления ПКГІС, обеспечивающие уменьшение объема экспериментальных исследований путем минимизации количества рассматриваемых параметров или введением новых критериев, оценивающих состояние поверхностного слоя.

3. Разработать обобщенные критерии оценки ГЖПС и провести исследования по определению оптимальных значений отдельных ГЖПС или их обобщенных критериев, необходимых для обеспечения износостойкости.

4. Исследовать отдельные методы УОО для установления теоретических и экспериментальных зависимостей влияния режимов обработки на единичные параметры и обобщенные критерии ПК'ПС.

5. Теоретически и экспериментально обосновать выбор оптимальных конструктивных параметров некоторых элементов поверхностей деталей пар трения (смазочные каналы, карманы и др.), формирующихся при реализации отдельных методов УОО.

6. Теоретически и экспгриментально обосновать выбор оптимальных методов УОО для обеспечения износостойкости конкретных деталей с созданием новых конструкций устройств или новых способов обработки.

7. Определить методику выбора наиболее эффективного использования инвестиционных вложений в создание и внедрение методов УОО для повышения износостойкости.

Вторая глава посвящена анализу исследований по оценке влияния ПКПС деталей машин на их износостойкость.

По данным исследований отечественных и зарубежных ученых Аверченкова ВИ, Алексеева П.Г., Безъязычного В.Ф., Бутенко ВИ., Горленко О.А., Дальского A.M., Дуннн-Барковского И.В., Дьяченко П.Е., Маталина А.А., Папшева Д.Д., Проникова А.С, Проскурякова Ю.Г., Рыжова Э.В., Суслова А.Г., Тихомирова В.П., Тотай А.В., Федорова В.П., Харчен-кова B.C., Хворостухина Л.А., Шнейдера Ю.Г., Ящерицина ПИ., Whitehous D.F. и др., посвященных изучению технологического обеспечения эксплуатационных свойств деталей машин, для повышения износостойкости необходимо управлять многими ПКПС, причем значительное влияние на данное эксплуатационное свойство оказывают параметры микрогеометрии, в том числе и направление неровностей. Известно, что в процессе трения устанавливается равновесная шероховатость, зависящая только от условий трения. Достижение при финишной обработке параметров микрогеометрии, близких к эксплуатационным значениям позволяет снизить величину износа в начальный период работы. Кроме микрогеомст-рии на формирование оптимального состояния поверхностного слоя влияют показатели микротвердости, микроструктуры и дислокационной структуры материала, а также других физико-химических параметров. Из оказывающих наибольшее влияние на износостойкость выделяются свойства материалов пары трения о„, ст_т, Е, НВ; размеры и точность контактирующих деталей; геометрические параметры рабочих поверхностей - макроотклонения Н,^, Н_г, волнистости W_z, W_p, Smu, шероховатости R_a, R,, Rm„, R_p, S_m, S, t_p; субшероховатости - R„$, S_rf, a также взаимного положения (направления) геометрических параметров неровностей поверхности при контактировании; физико-химических свойств поверхностных слоев Н^,, и„, а^_т, є, I,, р_д. В работах Виттенберга Ю.Р., Горленко О.А., Демкина КБ., Крагельского ИВ., Комба-лова B.C., Рыжова Э.В., Суслова А.Г., Greenwood J.А. и др. рассматривается возможность решения задачи повышения износостойкости с использованием комплексных параметров качества поверхностного слоя.

Па базе выбранной ранее классификации сопряжений по условиям изнашивания и видам износа поверхностей деталей машин установлено влияние различных групп ПКПС на износостойкость и предложена методика выбора методов УОО для конкретных деталей пар трения, которая позволяет установить возможные варианты обработки из всех существующих методов повышения износостойкости, а также исключить из рассмотрения те методы, которые не обеспечивают управления всеми ПКПС, определяющими износостойкость для рассматриваемых деталей.

Таблица 3.

Рекомендуемые группы основных ШСПС^!, создаваемых при УОО и определяющих по-вышенне износостойкости в зависимости от условий трения и изнашивания

* Классы и виды сопряжений приняты в соответствии с классификацией Пропикова А, С.

Условные обозначения групп ПКПС: МО - параметры макроогклонения, ВО - параметры волнистости, Щ -параметры шероховатости; ТВ - параметры поверхностной твердости; ОН - параметры остаточных напряжений; СФ - параметры структурного и фазового состава, ХС - химический состав; ПЖ - параметры поверхностного взаимодействия с жидкостью, ПР - пористость.

Окончание табл. 3.

В табл. 3 приведена классификация изнашивающихся сопряжений работающих в условиях трения скольжения с учетом видов сопряжений и видов изнашивания и даны рекомендации по выбору групп ПКПС, управление которыми может быть рекомендовано при применении методов УОО для повышения износостойкости.

Проведенный анализ состояния вопроса по выполненным ранее работам позволяет рекомендовать состав параметров качества поверхностного слоя, по которым наиболее целесообразно осуществлять выбор методов УОО и оптимизировать параметры выбранных технологических процессов для обеспечения их износостойкости.

Методика выбора известных методов УОО заключается в анализе условий работы конкретной пары трения, отнесении ее к определенному виду и классу сопряжений, после чего можно определить требуемые группы ПКПС, которые необходимо обеспечивать для повышения износостойкости. Далее, исходя из возможностей методов УОО по управлению соответствующими ПКПС, выбирают подходящие методы обработки. Если таковых нет, то определяется состав требований к разработке новых технологий. Используя данные, приведенные в табл. 3, а также сведения, пример которых показан в табл. 1, были оценены возможности существующих методов УОО управлять износостойкостью конкретных деталей.

Сопоставление информации из данных таблиц дает возможность принять решение о выборе методов обработки для конкретных пар трения. Предварительный анализ таблиц показывает, что для многих пар трения отсутствуют методы УОО, которые позволяют одновременно управлять всеми требуемыми группами ПКПС. Это означает, что проблема обеспечения износостойкости в большинстве случаев должна решаться с использованием комбинаций существующих методов УОО и финишной обработки, или путем создания новых методов обработки, в том числе и комбинированных.

Приведены примеры выбора методов УОО конкретных деталей пар трения, для которых на основании практического опыта известны способы повышения износостойкости. Показано, что в результате применения предложенной методики можно выбрать как известные методы УОО, так и целый ряд других, дающих аналогичный эффект и ранее не использовавшихся для данных деталей. В то же время ряд методов УОО исключается из рассмотрения, в том числе и отдельные из рекомендованных ранее, как не обеспечивающие управления всем необходимым комплексом ПКПС.

В данной главе из обзора выполненных ранее исследований также установлено, что задачу обеспечения износостойкости поверхностей при использовании методов УОО можно решать путем выбора отдельных определяющих ПКПС, влияние которых является преобладающим для данного узла трения, однако увеличение количества определяющих параметров пропорционально увеличивает трудоемкость.экспериментальных исследований при отработке оптимальных условий осуществления технологического процесса.

В третьей главе описано использование обобщенных переменных ПКПС для технологического управления износостойкостью.

Показано, что существующая в теории моделирования трибологических задач методика определения обобщенных критериев подобия может быть применена для установления обобщенных переменных ПКПС, которые применимы для анализа результатов экспериментальных исследований по использованию методов УОО для повышения износостойкости поверхностей деталей. В этом случае исследования проводятся относительно одной комплексной характеристики, представляющей совместное влияние свойств поверхностного слоя на износостойкость в конкретных рассматриваемых условиях. Такие обобщенные переменные могут быть получены дня любой изнашивающейся детали одним из методов, применяемых в теории подобия и моделирования.

С учетом принятых ограничений при выборе объектов исследований на базе положений теории упрутогидродинамической смазки и теории контактного взаимодействия при скольжении получено выражение для критерия, определяющего условия существования граничного трения:

[

^- < /<, + 0,2»'_:+0,17rY_mas-

ч I" J

E
где/;' = r, k и // - модуль упругости и коэффициент Пуассона; р - номинальное давле-

^Vl ^{+ V}2

ниє; v = ———,v,h vj - скорости относительного перемещения поверхностей; rj и а - дина
мическая вязкость и пъезокоэффициент вязкости базового масла, входящего в состав смажи,
при температуре входа в контакт; R_x =- —, R_/x и R?_x - приведенные радиусы кривизны

"и — "2«

поверхностей в направлении скольжения с учетом радиусов кривизны контактирующих по-

верхпостей, а также выступов шероховатости и волнистости; х - ~" . R, ⁼ К/\- ^п

R;_v - приведенные радиусы кривизны в направлении, перпендикулярном скольжению, определяемые аналогично Л'_г; R» - среднее арифметическое отклонение профиля шероховатости; W, - средняя высота волнистости; Н_шач - наибольшая высота макроотклонения; Н₍„, - поверхностная микротвердость; S_m - средний шаг профиля шероховатости по средней линии.

Проведенная экспериментальная проверка подтвердила работоспособность преложенного критерия.

Для условий граничного трения с использованием метода умозрительно-логических построений на базе теории контактного взаимодействия при трении, предложенной Сусловым А Г. и молекулярно-механической теории трения Крагельского И.В. с использованием аппарата интегрального и дифференциального исчисления было получено выражение для обобщенной переменной, позволяющей характеризовать равновесное состояние поверхно-

, («-—)

стей фения: С_х -(«„" (Г,,² Я.² Г*⁴ , (2)

\ р t р і р

а также выражение для определения оптимального значения данной переменной, соответст-

0,25 г„⁴

вующего минимальной интенсивности изнашивания; С = ——; ; гт—7Гп~, (3)

л' 9 а,- <г_т" р

где Rp, \V_г Н_р - высота сглаживания профилей шероховатости, волнистости и макроооткло-нения; К - степень наклепа; v - параметр степенной аппроксимации начального участка опорной кривой профиля шероховатости; р- коэффициент упрочнения молекулярных связей под действием сжимающих напряжений; р - номинальное давление; р- средний радиус кривизны выступов шероховатости; т„ - сдвиговое сопротивление при зксграполяиии нормального давления к нулю; а_г- коэффициент гистерезисных потерь при трении.

Были также получены выражения для теоретического определения интенсивности изнашивания на базе молекулярно-механической теории трения и износа ИВ. Крагельского, включающие в себя значения полученной обобщенной переменной и позволяющие с удовлетворительной точностью рассчитывать величину износа, что подтверждено экспериментальной проверкой.

Предложена методика выявления обобщенных переменных для конкретных деталей пар трения с использованием метода корреляционного и регрессионного анализа экспериментальных результатов. На базе данной методики получено выражение обобщенной переменной для оценки износостойкости пары трения, "диск - колодка", изготовленной из стали 45 ГОСТ 1050-74, при работе с маслом И-12А ГОСТ 20799-75 в условиях граничного трения:

Z_p = ^0,313(.^,-0,85)² +0,429(х₂ - 1,4l)² + 0,323(а'₃ - 1.32)³ +

+ 0,53( Л'₄ - 2)² +' 0,385(Л"₅ - 1,258)² + 0,461( Х„ - 1,26)² , (4)

где Л',,Л'₂,Л',,Л'₄,Л'₅,Х₆ - безразмерные значения параметров качества поверхностного слоя, соответственно R_max, Rp, Wp, Оо, h, а_тих.

Экспериментально установлена существующая взаимосвязь между значениями полученной обобщенной переменной и интенсивностью изнашивания рассматриваемой пары трения.

На примере анализа влияния ПКПС на процессы распространения смазки в условиях граничного трения скольжения с малыми скоростями при наличии смазочных каналов или микрокарманов, когда явления, происходящие в контакте, могут быть описаны уравнениями, определяющими значение коэффициента трения на базе молекулярно-механической теории трения и контактное сближение шероховатых поверхностей при скольжении, а также зави-

симостями, описывающими

Янкпс капиллярные явления в

№ опытов

Рис. 1. Изменение значений интенсивности изнашивания

1_Ь х 10"⁶ и обобщенной переменной Япкпс ^х Ю¹ для результатов

эксперимента.

контакте, была сделана попытка получения обобщенной переменной способом интегральных аналогов. Однако полученные зависимости являются слишком громоздкими и неудобны-

ми для практического ис-

пользования, что позволяет рекомендовать способ интегральных аналогов для выявления обобщенных переменных в наиболее простых случаях трения и износа, определяемых каким либо одним физическим процессом.

На примере пары трения "балка-подвеска" тележки рефрижераторной секции была выявлена обобщенная переменная ПКПС с использованием метода анализа размерностей;

(

\ 0.25

р р

(5)

где R/!- радиус кривизны выступов волн. Экспериментально установлена взаимосвязь значе ний данной переменной и интенсивности изнашивания (см. рис. 1).

Предложен алгоритм решения задачи технологического управления износостойко стью с использованием обобщенных переменных ПКПС (см. рис. 2)

Четвертая глава работы посвящена теоретическому обоснованию выбора оптимальных микрогеометрических параметров поверхностей деталей пар трения, получаемых с использованием методов УОО.

Проведены исследования по установлению оптимального угла наклона и размеров поперечного сечения смазочных каналов, образуемых на поверхностях радиальных подшипников скольжения, работающих в условиях граничного трения. На основании учета прохождения смазки через различные зоны подшипника с использованием зависимостей для расчета подшипников скольжения, положений теории упруго-гидродинамической смазки и дифференциального исчисления получены зависимости для определения оптимальных размеров и направления смазочных канавок на поверхности втулки подшипника. При этом установлено, что глубина и ширина канавки должна выбираться из соотношения:

Bh_k >Ъху1

(6)

'Я„а . Я;

л 4 ^v ""

а угол наклоьа смазочных каналов к оси подшипника должен быть переменным по ширине втулки и может быть определен из соотношения:

' L-b

Ъц/L ' Bh_r

(7)

кШ\-х)

2(/.- b)

%

,ель: Разработка новых, или выбор и использование существующих методов УОО і для управления комплексом параметров качества поверхностного слоя для

обеспечения износостойкости деталей пар трения І

_Р

[ikj Классификация
і влияния параметров.
I качества

J поверхностного слоя
! на износостойкость
[ при различных
условиях работы
І деталей

Мегодика

зкономкческого

анализа

методов УОО

Классификация мстолов УОО по

возможностям \правления ПКПС

Ш'

Выбор определяющих параметров, их

комплексов или

6 обобщенных переменных для

обеспечения износостойкости

L.

Физическая и

математическая

модель нлняния

комплекса параметров

качества

ІЮНерхНОСТНОІТЇ слоя

на износостойкость

;ия различных

. і Выбор или разрабч>тка методов
\ УОО для обеспечения

I требуемой износостойкоеГІІ

Функциональная зависимость для определен/л требуемых значений параметров Jl качества поверхностного слоя, их комплексов или обобщенных переменных

Математическая модель формирования

параметров качества поверхностного слоя и нх

комплексов в процессах УОО

Выбранный или повый метод УОО. требуемые

значения ІТКІ1С, их комплексов или

обобщенных переменных

условий работы

Разработка

технология еского

оснащения дія

реализации цели

, I Назначение

j оптимального I значения I КИС

Методика определения режимов У(Х>

Методика j

и способы конгроля j

ПКПС, их комплексов :

или обобщенных !

переменных ,

Рис. 2.

21 где щ- относительный зазор подшипника; L и d - длина и диаметр подшипника; q_m - коэффициент торцового истечения смазки из нагруженной зоны; % - относительный эксцентриситет подшипника; В и Л„ - ширина и глубина смазочной канавки, b - ширина центральной канавки; К - расстояние от середины подшипника до рассматриваемой точки.

На основании данных исследований была разработана новая конструкция подшипника скольжения, защищенная авторским свидетельством № 1203255, а также новая конструкция устройства для создания необходимых параметров канавок по а. с. № 977138.

Выполнены теоретические исследования по определению оптимальных размеров и формы смазочных каналов на поверхностях плоских направляющих, работающих при малых скоростях скольжения. На базе зависимостей для определения капиллярного взаимодействия смазки с поверхностями, а также дифференциального уравнения движения жидкости в зазоре получены зависимости для определения глубины и ширины каналов на верхних поверхно-

OXOS0
стях направляющих: наибольшая глубина канала г> = —, (8)

pgRz

l/(7 COS

соотношение между шириной и расстоянием между каналами х = ~z~~— (")

(lacosQY*
На нижних поверхностях направляющих: наибольшая глубина канала h_m - ,(W)

2 + 2sin0-,|~ -t- sin0 + -sm²0

,2 . о- ₂ УЗ 3 _3 /in

оптимальная ширина канала (/ =4 cos 0 ; , (11)

pg l-2sin0-sin'0

где а- коэффициент поверхностного натяжения жидкости; р- плотность жидкости; g - ускорение свободного падения;. d - расстояние между боковыми поверхностями; 0- краевой угол смачивания жидкости; где г/ - динамический коэффициент вязкости; V_CK - скорость скольжения.

Установлено, что для верхних поверхностей оптимальной является треугольная форма профиля канала, а для нижних - прямоугольная, или близкая к ней. Даны практические рекомендации по использованию технологических методов для получения оптимальных конструктивных параметров каналов.

Учитывая наличие взаимосвязи между значениями обобщенных переменных ПКПС и интенсивностью изнашивания, предложена методика назначения переменных по поверхности деталей пар трення параметров, позволяющая повысить равномерность износа деталей в период приработки, в частности получена зависимость для обобщенной переменной С_ч:

2,65 и

+ А,

(12)

1 +

яСвхр/Щ.

Or = O,63-^r(*CV_r0)⁵ P

TOsffLJ - закон изменения интенсивности изнашивания по поверхности.

Проведена экспериментальная проверка, подтвердившая возможность повышения равномерности износа по данной методике.

В пятой главе приведены результаты теоретических исследований по определению отдельных параметров качества поверхностного слоя при вибрационном накатывании

Получены теоретические зависимости для определения высоты, структурных и шаговых параметров шероховатости при вибрационном накатывании, а также критерий разграничения случаев образования нового микрорельефа и системы канавок:

Л₌=Л, + Л₂ + й „+Л."\ (13)

где hj - остаточная высота исходной шероховатости с учетом заполнения впадин при пластическом деформировании; h₂ - высота шероховатости, образующейся при рабочем перемещении инструмента относительно обрабатываемой поверхности; Л„- высота образующихся наплывов, появляющихся за счет смещения части материала в направлении обработанной поверхности; R1" - шероховатость поверхности инструмента, копирующаяся на обрабатываемой поверхности.

nd, n,\S , Л

^{^^rbr4 (,4)}

где S -подача; d, - диаметр обрабатываемой заготовки; е - половина амплитуды осцилляции деформирующего элемента; п, - частота вращения заготовки; п₀ - частота осцилляции; {/} -дробная часть отношения < = «„/«,; R_ocm - радиус дна впадины профиля шероховатости, равный радиусу остаточной канавки после прохода деформирующего элемента.

Проведенная экспериментальная проверка полученных зависимостей подтвердила возможность их использования на практике.

Были также получены зависимости для определения высоты волнистости при вибронакатывании, учитывающие исходную волнистость, неравномерность распределения твердости, неравномерность шероховатости; волнистость, образующуюся из-за колебания величины рабочей подачи инструмента и дополнительных осцилляционных движений и волни-

23 стость, возникающую из-за неравномерной пластической деформации. Результаты экспериментальной проверки полученных зависимостей показали, что средняя погрешность расчетов не превышает 37 %.

В шестой главе приведены результаты разработки и исследования новых и модернизированных методов УОО.

Разработан ряд новых конструкций устройств и способов для обработки поверхностей деталей с неравномерным износом, позволяющих в процессе обработки создавать закономерно изменяющиеся но поверхности ПКПС (а. с 621557, 653097, 738349, 774933, 977138, 1101339, 1191267).

Показано, что существует возможность вынесения
части процесса приработки поверхностей деталей пар трения
на стадию финишной обработки, для чего предложен новый
способ обработки, позволяющий осуществлять УОО ППД с
U шИ f одновременным срезанием выступов микронеровностей. Раз-

Рис. 3.

работан ряд способов и устройств для обработки поверхностей деталей по предложенной схеме, (а. с. №№ 1085688, 1076259, 1172640, 1168341, 1206066). При использовании предложенного метода для обработки плоских поверхностей можно добиться эффекта, достигаемого шабрением. Физическая сущность нового метода обработки заключается в реализации процесса, аналогичного микрорезанию при трении, который может возникать в процессе контактирования поверхностей с относительным проскальзыванием. Схемы реализации обработки показаны на рис. 3. Установлена зависимость для определения режимов обработки по предложенным схемам:

р\нВ-2т)¹ц1

(16)

/J > 0,78-10"

±К.

W.H_M,HB*\^f-HBS_m + $

где р - номинальное давление в контакте.

Разработан ряд высокопроизводительных устройств для нанесения системы смазочных канавок методами ППД (авт. св. 1199600, 1013239, 1298053), а также позволяющих снизить себестоимость изготовления приспособлений для нанесения канавок (авт. св. 1217634).

24 Разработан ряд новых специальных конструкций приспособлений. Для упрочнения боковых поверхностей ходовых винтов с переменным шагом создана специальная конструкция устройства для обкатывания роликами (а. с. 996045). Для обработки ППД боковых поверхностей зубьев цилиндрических зубчатых колес с созданием на них масляных карманов созданы устройства, реализующие принцип вибрационного накатывания (а. с. 900924) и принцип выдавливания канавок деформирующим элементом специальной формы (а. с. 1146125).

Седьмая глава посвящена экспериментальным исследованиям по использованию предложенных методик повышения износостойкости и разработке практических рекомендаций для упрочнения конкретных деталей пар трения.

Показано, что при использовании методов УОО ППД, существует возможность управления значениями обобщенных переменных и с использованием статистической теории планирования экспериментов получены эмпирические зависимости для обобщенной переменной С, от режимов обработки, учитывающие влияние технологической наследственности:

при вибронакатывании (\ ^0,15-Ю'⁴ ₀._w „,,,, таГТ^

при обкатывании шариком С_х = 0,24 10"⁴ С,,,/*'" /^(/^..9⁰²⁹,

при алмазном выглаживании С, = 0,41-10'⁴(',^"^<>-⁷¹;Г^ч'⁵'7'^а82.'>"⁰⁸¹,

при обкатывании роликом С, = 0,085г⁰⁴² .р-""^-⁰¹^⁰'⁶.

Проведены также исследования по надежности технологического управления при обкатывании шариком, которые подтвердили возможность надежного управления значениями обобщенной переменной С_х.

С использованием обобщенной переменной, полученной методом анализа размерностей, решена задача повышения износостойкости пары трения "балка - подвеска" тележки рефрижераторной секции на основе метода симплекс планирования. При этом была подтверждена возможность технологического управления величиной обобщенной переменной Лцкис По результатам этих исследований создана новая конструкция устройства для

обработки поверхности шейки балки (а. с. № 952549).

Выполнены исследования по выбору метода УОО для повышения износостойкости поверхностей колес тягодутьевых машин. На основании предложенной в работе методики был определен метод УОО поверхностей - борирование с использованием обмазок. Предложены составы и технология для диффузионного насыщения.

С использованием алгоритма обеспечения износостойкости путем выбора определяющих параметров была решена задача повышения износостойкости деталей уплотнитель-ных узлов гидроцилиндров за счет применения обкатывания роликами. При этом установлены зависимости для определения оптимальной высоты шероховатости с точки зрения обеспечения гидроплотности и износостойкости.

Разработаны новые конструкции отдельных деталей пар трения. В частности измерительный калибр (а. с. 1201665), имеющий на рабочей поверхности непрерывную канавку с переменными по длине параметрами. Достоинство данной конструкции в меньшей трудоемкости ее изготовления и повышении равномерности износа рабочей поверхности калибра в процессе эксплуатации. Аналогичные преимущества заложены в разработанную конструкцию штока гидроцилиндра (а. с. 1399549), на рабочей поверхности которого в местах, где скорость скольжения минимальна, нанесена система смазочных канавок, которая позволяет сохранять слой смазки в контакте с уплотнениями. Исходя из анализа условий работы узла уплотнения, работающего со штоками возвратно-поступательного движения была предложена новая конструкция узла (а. с. 1158809), отличительной особенностью которого является изготовление специальной формы опорной поверхности кольца. Применение новой конст-р\тшии узла позволяет в значительной мере уменьшить износ манжеты и ее усталостное раз-рушение

Восьмая глава посвящена изучению путей повышения эффективности затрат на создание и внедрение новых технологий для изготовления и восстановления изнашивающихся деталей.

При определении эффективности применения новых технологий целесообразно осуществлять оценку вариантов по величине чистой прибыли, получаемой в результате инвестиций в новые технологии.

Определено, что путями оптимизации формирования чистой прибыли являются увеличение операционного дохода, снижение расходов при использовании заемных средств, снижение затрат на производство, снижение ставок налогов и прочих платежей.

При подготовке и внедрении новых технологий может быть реализовано четыре варианта стратегии повышения эффективности внедрения: сокращение сроков от вложения средств в новые технологии до получения реальной отдачи; применение эффективных форм иложения средств в новую разработку, сводящих к минимуму затраты на ее освоение; выне-

26 сение затрат на разработку и внедрение за пределы основного производства; использование необходимых комплектующих с требуемыми свойствами, поставляемых со стороны.

На основании проведенных исследований предложена схема финансового планирования эффективного внедрения новых технологий, включающая этап первоначального обоснования необходимости внедрения новой технологии, где выявляются пути возможного увеличения доходов при реализации нововведения; этап анализа различных вариантов новых технологий; разработку производственного плана и после этого разработку финансового плана, на основе которого оценивается эффективность предлагаемых вариантов новых технологий. Разработана программа для прогнозирования финансовых потоков по данной методике. Приведены примеры оценки эффективности внедрения УОО по всем рассмотренным вариантам практического повышения износостойкости.

В приложении приведены описания устройств и приспособлений, применявшихся при проведении исследований, табличные данные по результатам экспериментальных исследований, алгоритмы программ для ЭВМ и документы, подтверждающие внедрение результатов исследований.

Похожие диссертации на Научное обоснование выбора и разработки методов упрочняюще-отделочной обработки для обеспечения износостойкости деталей машин

Одноступенчатое технологическое обеспечение износостойкости наружных цилиндрических поверхностей деталей машин при механической обработкеМедведев, Дмитрий Михайлович

Технологическое обеспечение износостойкости деталей машин микродуговым оксидированием и нанесением медного слояТитов Николай Владимирович

Технологическое обеспечение износостойкости деталей машин на основе применения метода электроэрозионного синтеза покрытий Земсков Вячеслав Алексеевич

Разработка эффективных методов компенсации технологических погрешностей обработки винтовых поверхностей винта и гайки с целью обеспечения рациональных геометрических параметров винтовых передачИзнаиров Олег Борисович

Повышение износостойкости ответственных деталей машин легкой промышленности технологическими методамиАль Клуб, Насер Юсеф Абдалла

Повышение износостойкости цилиндрических поверхностей деталей машин виброударным пластическим упрочнениемМорозова Наталья Александровна

Повышение износостойкости внутренних цилиндрических поверхностей деталей машин методом электрохимического осаждения композиционных покрытийЗяблицева, Ольга Витальевна

Исследование и разработка методов токарной обработки крупногабаритных бандажей в условиях их эксплуатацииШрубченко, Иван Васильевич

Исследование эксплуатационной повреждаемости лопаток компрессора ГТД и разработка технологии их ремонта на основе виброупрочняющих методов обработкиРумянцева Наталья Викторовна

Разработка научных методов создания технологии высокоэффективной многокоординатной автоматизированной обработки с синергетическим управлением формообразующими движениямиФлек Михаил Бенсионович