Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние вопроса плакирования изделий гибким инструментом 11
1.1 Основные принципиальные схемы процесса плакирования изде-лий гибким инструментом и их развитие 11
1.2 Анализ методов определения контактных параметров при обра-ботке проволочным инструментом 17
1.3 Анализ моделей тепловых процессов при обработке проволоч-ным инструментом 27
1.4 Оценка параметров поверхностного слоя после плакирования 32
1.5 Выводы по главе 1 36
ГЛАВА 2. Математическое моделирование параметров зоны контакта 38
2.1 Модель распределения отпечатков и зон пластической деформа-ции, формирующихся при ударах проволочного ворса 38
2.2 Методика расчета геометрических и силовых параметров зоны контакта на участке скольжения ворса 45
2.3 Моделирование тепловых процессов в зоне контакта при сколь-жении сжато-изогнутого ворса 53
2.4 Выводы по главе 2 57
ГЛАВА 3. Экспериментально-аналитическое исследование параметров зоны контакта 59
3.1 Исследование параметров зоны контакта на ударном участке при входе ворса в контакт 59
3.2 Исследование геометрических и энергосиловых параметров зоны контакта при скольжении сжато-изогнутого ворса 72
3.3 Анализ теплового и адгезионного состояния при плакировании 85
3.4 Выводы по главе 3 95
ГЛАВА 4. Экспериментально-аналитическое иссле дование эксплуатационных характеристик поверхно стей, обработанных плакированием гибким инстру ментом 96
4.1 Экспериментальная оценка износостойкости пар трения от тех-нологических режимов плакирования и параметров гибкого инструмента 96
4.2 Исследование влияния плакирования бронзой на износостой-кость пар трения скольжения 108
4.3 Устройство для формирования плакированных слоев на внут-ренних поверхностях цилиндрических пар трения скольжения 120
4.4 Выбор рациональных технологических режимов плакирования 122
4.5 Внедрение технологии плакирования гибким инструментом на производстве 124
4.6 Выводы по главе 4 127
Выводы по работе 128
Список литературы
- Анализ методов определения контактных параметров при обра-ботке проволочным инструментом
- Методика расчета геометрических и силовых параметров зоны контакта на участке скольжения ворса
- Анализ теплового и адгезионного состояния при плакировании
- Исследование влияния плакирования бронзой на износостой-кость пар трения скольжения
Введение к работе
Актуальность. В современных условиях развития технологического комплекса России, когда более 60% производственного оборудования имеет возраст старше 20 лет, а 70 % инвестиций в основной капитал обеспечивают только 1 % обновления оборудования, возникает производственная необходимость в повышении эффективности ремонта и увеличения сроков эксплуатационной службы технологического оборудования. Учитывая, что порядка 80 % сопряжений в машинах отказывают в работе вследствие износа, а основной причиной капитального ремонта металлообрабатывающего оборудования является износ его направляющих, то выбор в качестве объекта – направляющих скольжения пар трения суппортного узла металлорежущего оборудования является актуальным.
В этих условиях внедрение нового высокопроизводительного метода комбинированной обработки поверхностей изделий машиностроения методом плакирования гибким инструментом (ПГИ) является своевременным решением поставленной производственной задачи.
Эффективность новых технологий оценивается по критериям ресурсосбережения, экологической безопасности, понижения трудоемкости, повышения износостойкости и точности обработки. ПГИ соответствует всем вышеперечисленным критериям.
Несмотря на положительные результаты использования метода ПГИ, проведенные обширные экспериментальные исследования и создание многочисленных установок, важной задачей на данный момент является создание научного подхода назначения рациональных режимов обработки изделий, изготовленных из серого чугуна.
Цель работы - повышение износостойкости направляющих скольжения металлообрабатывающего оборудования путем плакирования гибким инструментом.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
-
Создан комплекс математических моделей, позволяющих определять: распределение отпечатков проволочного ворса, формирующихся при входе в контакт с обрабатываемым изделием и распределение соответствующих зон пластической деформации; геометрические, энергосиловые и тепловые характеристики при скольжении сжато-изогнутого ворса.
-
Исследовано влияние технологических режимов процесса ПГИ на геометрические и энергосиловые характеристики процесса, а также на тепловое состояние обрабатываемой поверхности, степень покрытия и равномерность упрочненного слоя.
-
Разработана технология плакирования гибким инструментом пар смешанного трения скольжения технологического оборудования с обеспечением их максимальной износостойкости.
Научная новизна:
1. Разработана математическая модель распределения отпечатков ворса гибкого инструмента, формирующихся при его ударном динамическом воздействии на обрабатываемую поверхность.
-
Разработана математическая модель расчета геометрических и энергосиловых параметров зоны контакта гибкого инструмента с обрабатываемым изделием, основанной на точном решении дифференциального уравнения упругой линии методом эллиптических параметров.
-
Разработана математическая модель расчета средневероятной температуры основы обрабатываемой поверхности, учитывающей взаимовлияние локальных температур контактных площадок сжато-изогнутого ворса при его скольжении.
-
На базе разработанных математических моделей исследовано влияние режимов процесса ПГИ на основополагающие параметры зоны контакта.
-
Разработан алгоритм выбора рациональных технологических параметров процесса ПГИ, учитывающий специфику обработки, с целью формирования поверхностного слоя обрабатываемых изделий с требуемым уровнем эксплуатационных характеристик.
Практическая значимость работы заключается в возможности использования следующих результатов:
математических моделей расчета параметров процесса плакирования, реализованных в виде программ для ЭВМ (свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014612918, № 2014612919);
устройств для обработки материалов методом поверхностного пластического деформирования с одновременным нанесением покрытий с расширенными технологическими возможностями (патенты на изобретение № 2360034, № 2360035);
регрессионных моделей определения толщины формируемого покрытия и износостойкости обработанных изделий;
методики назначения эффективных технологических режимов ПГИ для получения изделий с заданными эксплуатационными характеристиками.
Методология и методы исследования. Теоретические исследования проводили на основе положений технологии машиностроения, точной нелинейной теории изгиба стержней, теории вероятности, теории математического моделирования.
Экспериментальные исследования были проведены на конфокальном лазерном сканирующем микроскопе LEXT OLS4000, микроскопе металлографическом Polivar-Met (ф. Reichert, Австрия) с видеоприставкой на базе SIAMS 600, микротвердомере Wilkers мод.536 (ф. Karl Frank, США), твердомере бривископ ХПО-250 (СССР), специализированных стендах для испытаний на трение и износ, толщиномере QuaNix 4500, профилографе Hommelwerk Turbo Wave V7.20.
Положения, выносимые на защиту:
-
Комплекс математических моделей позволяющих оперированием конструктивных особенностей инструмента, тепловых и энергосиловых параметров процесса плакирования выбрать рациональные технологические режимы обработки направляющих скольжения.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса ПГИ, позволивших установить влияние режимов обработки на основополагающие параметры зоны контакта.
-
Результаты экспериментальных исследований в виде регрессионных моделей определения толщины формируемого покрытия и износостойкости обработанных изделий.
-
Методику назначения эффективных технологических режимов ПГИ для получения изделий с заданными эксплуатационными характеристиками.
Степень достоверности и апробация результатов.
Результаты работы были представлены на международной научно-технической конференции «Инновация – 2008» (Ташкент, 2008 г.); международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Прогрессивные направления развития машино-приборостроительных отраслей и транспорта» (Севастополь, 2009 г.); II Всероссийской научно-практической конференции «Управление инновациями: теория, инструменты, кадры» (Санкт-Петербург, 2009 г); XII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Механики XXI веку» (Братск, 2013 г.); III Всероссийской научно-технической конференции аспирантов, магистрантов и молодых ученых с международным участием «Молодые ученые – ускорению научно-технического прогресса в XXI веке» (Ижевск, 2015); IV Международной научно-технической конференции «Теплофизические и технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства» (Тольятти, 2015 г.).
Награжден медалями «Лауреат ВВЦ» (удостоверение № 420, постановление от 29.06.07 № 27) в 2007 году и «За успехи в научно-техническом творчестве» (удостоверение № 289, постановление от 15.07.08 № 34) в 2008 году за разработку технологии ремонта станин металлорежущего оборудования посредством плакирования гибким инструментом по итогам проведения выставок во Всероссийском выставочном центре (г. Москва).
Разработанная технология обработки направляющих скольжения смешанного трения металлорежущего оборудования внедрена на совместном предприятии ООО «ЛАДА ИНСТРУМЕНТ» - ОАО «АвтоВАЗ».
Публикации, патенты и свидетельства. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 5 - в изданиях из перечня ВАК РФ, получено 2 патента на изобретение и 2 свидетельства РФ о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка литературы и приложений; содержит 197 страниц; включает 49 рисунков, 4 таблицы, 121 наименований литературы и 8 приложений.
Анализ методов определения контактных параметров при обра-ботке проволочным инструментом
Патентование способов и устройств формирования покрытий по 1 схеме делают и за рубежом [119,120].
Приоритет разработки 2 схемы формирования покрытий принадлежит А.А. Абиндеру [6]. В 1940 году было опубликовано описание его изобретения «Способ нанесения металлических покрытий». Сущность работы заключалась в механическом диспергировании металлов или сплавов и быстром нанесении образовавшихся частиц на покрываемую поверхность под действием центробежной силы с применением вращающихся щеток.
При обработке по 2 схеме материал покрытия в твердом состоянии прижимается к рабочей поверхности дисковой проволочной щетки, при вращении которой происходит нагрев трением и очистка поверхности элемента материала покрытия (ЭМП), что в свою очередь приводит к его схватыванию с материалом ворса. Интенсивный фрикционный нагрев способствует разрушению узлов схватывания через толщу разупрочненного поверхностного слоя ЭМП, и таким образом частицы покрытия остаются на периферийной части рабочих элементов щетки. При взаимодействии гибкого инструмента с деталью происходит перенос материала с ворса на обрабатываемую поверхность по механизму формирования покрытия, аналогичному 1-ой схеме [5].
В дальнейшем 2-я схема формирования покрытий плакированием гибким инструментом получила широкое распространение как у нас в стране, так и за рубежом [51,77-80,82,84,87-93,103,115-118].
С целью расширения технологических возможностей и повышения качества наносимого покрытия были предложены различные варианты подачи ЭМП в рабочую зону. Причем сам ЭМП выполнялся в разных вариациях - в виде цилиндра с теплоизолирующей направляющей; ленты с механизмом продольного перемещения; конического бруска, установленного с возможностью вращения вокруг собственной оси; ролика, установленного с возможностью вращения [79,80].
В частности, в работе [79] предложено устанавливать ролик периферийной поверхностью на оси с возможностью вращения и, с целью корректировки температуры нагрева ЭМП, оснастить механизм прижима регулятором силы прижатия и тормозной колодкой. А в работе [80], с целью повышения производительности, ролик предложено устанавливать торцовой поверхностью к щетке, смещенной в горизонтальном направлении относительно оси ролика на 0,2-0,4 ширины щетки.
Увеличение срока службы инструмента достигается также и сообщением ему ультразвуковых колебаний, направленных вдоль её оси вращения [91], что позволяет увеличить скорость скольжения ворсинок инструмента относительно поверхности материала покрытия и обрабатываемого изделия, а это, в свою очередь, позволяет снизить натяг в технологической системе.
Для нанесения покрытий из различных материалов к гибкому инструменту подводились как сразу несколько брусков ЭМП с различными вариантами их установки и кинематикой перемещения, так и многокомпонентных брусков ЭМП. Так, для решения задачи формирования на поверхности обрабатываемого изделия покрытий, обладающих одновременно комплексом высоких антифрикционных и прочностных свойств, ЭМП выполняют [89] в виде набора концентрично расположенных цилиндров, выполненных, начиная с наружного, в следующей последовательности материалов: Cu, Pl, Cu, Sn, Cu, Zn, Cu в пропорциях: Cu – 63-80 %, Pl – 6-13 %, Sn – 6-13 %, Zn – 6-13 %.
Разработаны варианты конструкций устройств и технологий для нанесения покрытий на длинномерные изделия, в основном ленты и проволоку [16,90,92].
К примеру, для обеспечения равномерного сплошного покрытия требуемой толщины при высокой производительности процесса предложено [92] выполнять щетку с ворсом переменной жесткости, устанавливать её с возможностью вращения вокруг оси обрабатываемого изделия совместно с ЭМП и при этом ось вращения щетки располагать под определенным углом к оси обрабатываемого изделия.
С целью предотвращения металлов от окисления процесс нанесения покрытия предлагается проводить в атмосфере инертного газа [115].
Для повышения порога усталости ворс гибкого инструмента предлагается скручивать и покрывать латунью [116,117], что стабилизирует процесс нанесения покрытий в течение длительного периода времени. В работе [88], для достижения это же цели, щетку предлагается выполнять с ворсинами разной длины, причем длина коротких должна составлять 0,5-0,8 размера длинных ворсин и количество коротких должно быть в пределе 25-30 % от общего количества ворсин.
Для повышения износостойкости трущихся поверхностей и сокращения времени их приработки путем создания опоры скольжения с заданными трибо-техническими характеристиками покрытие наносят в виде ориентированных под углом относительно друг друга полос различной толщины и ширины с образованием как линейчатого, так и сетчатого рисунка [77].
Нанесение покрытий повышенной толщины предлагают авторы [32,78, 118]. Так, получение покрытий с толщиной до 1000 мкм на цилиндрическом изделии осуществляют [78], сообщая дополнительно в процессе плакирования возвратно-поступательного перемещение изделия перпендикулярно оси щетки с необходимой амплитудой и частотой.
С помощью гибкого инструмента возможно нанесение также и тугоплавких материалов. В частности, в работе [93] предлагается техническое решение данного вопроса с одновременным обеспечением стабильности процесса нанесения покрытия и высокой долговечности гибкого инструмента.
При обработке прокатных валков [84] для повышения качества нанесения износостойкого покрытия предлагается разность линейных скоростей при вращении щетки и валка и их взаимном перемещении вдоль продольной оси регулировать изменением угла наклона щетки в направлении её перемещения.
А в работе [82] плакирование гибким инструментом предлагается внедрить в технологический процесс ремонта при восстановлении составного прокатного валка, причем направление вращения металлической щетки реверсировать при каждом проходе.
Методика расчета геометрических и силовых параметров зоны контакта на участке скольжения ворса
Для обеспечения требуемого качества обрабатываемой поверхности необходим выбор оптимальных режимов обработки, что, в свою очередь, предполагает необходимость определения сил в зоне контакта гибкого инструмента и детали (рисунок 2.2).
Рассмотрим метод эллиптических параметров применительно к изгибу ворса гибкого инструмента [39,41].
Так как в точке контакта L отсутствует изгибающий момент, то согласно точному уравнению упругого равновесия при плоском изгибе криволинейного стержня значение кривизны в ней будет равно нулю: Mr То 1т = — + Za = 0 , EJ где XL кривизна в точке L упруго изогнутой продольной оси стержня (упругой линии); XQ - кривизна начального очертания упруго изогнутой оси стержня; ML - внутренний изгибающий момент в рассматриваемом сечении стержня. А это, в свою очередь, означает, что точка контакта L является точкой перегиба упругой линии. Рисунок 2.2 - Схема зоны контакта ворса с обрабатываемой поверхностью Еще один параметр, на который влияет отсутствие изгибающего момента, является моментный коэффициент подобия со, равный согласно [98]: (M + EJxo) со = , : = 2cosy (2.9) где Р - изгибающая сила, Н; к = sin( / 2)1 sin у/ - модуль эллиптического интеграла; = 3 + 8 - угловой коэффициент подобия, 8- угол наклона оси х к вектору силы Р в произвольном сечении изогнутого стержня; ц/ - амплитуда эллиптического интеграла. Следовательно, в точке L - coL = 0 . А поскольку 2kcosi//L = 0, получаем y/L = 90. Далее определим силовой коэффициент подобия р. Известно: М ы \ ы \ = Г (VI/)- Г [Ці0 ), где s - длина дуги продольной оси стержня, отсчитанная от некоторой точки, принятой за начало, W А,,, F(w) = f . = - эллиптический интеграл Лежандра первого рода. 0 1 к2 sin V Тогда в точке L имеем: P = F(L)-F(0\ (2.10) А так как ц/ь = 90, то получаем полный эллиптический интеграл первого рода , \F(,A_"r2 d Ш= U= 0 1 -i2sinV, у которого только одна зависимость - от эллиптического модуля к.
Специфическим в случае больших перемещений при изгибе обстоятельством является столь же большое перемещение векторов внешних сил и моментов, под действием которых происходит изгиб. При этом закон перемещения вектора внешней силы зависит от искомых перемещений при изгибе стержня. Имеющаяся между ними зависимость, заранее неизвестна.
В нашем случае имеем общий вид перемещения, когда вектор силы не перемещается в процессе изгиба параллельно самому себе и не сохраняет в процессе изгиба постоянный угол с направлением упругой линии в точке приложения силы. Также имеем - точка приложения силы все время связана с определенной точкой упругой линии. Считаем, что коэффициент трения f на всем протяжении зоны контакта постоянен, следовательно, постоянен и угол трения ц = arctg(f), что в свою очередь определяет постоянство направления вектора силы Р относительно обрабатываемой поверхности. Тогда угловой коэффициент подобия в точке о (рисунок 2.2) равен ОІ=М±\ГІ\, (2Л1) где Yi угол, определяющий положение гибкого элемента в зоне контакта (на участке входа ворса в контакт - до оси X угол у положительный, далее до выхода ворса из контакта - отрицательный). Угол входа ворса в контакт с плоской поверхностью определим из следующего выражения: Ruj-N (2.12) уау. = arccos , где N- натяг ворса к обрабатываемому изделию. Длину набегающего участка /„определим соответственно: lH=Rmsm(yex). (2.13) Исходя из определения эллиптического модуля, для схемы нагружения ворса имеем: 2 2
Тогда модулярный угол эллиптического интеграла на входе ворса в контакт будет равен: Вследствие нелинейной зависимости больших упругих перемещений при изгибе от значения силы будет несправедлив принцип суперпозиции решений. Надо иметь в виду, что окончательный результат для каждой данной формы равновесия не зависит от предыстории приложения силы (сил), однако предыстория существенно может влиять на возникновение того или иного типа формы равновесия упругой линии. Известны уравнения упругой линии в осях, ориентированных по направлению действия силы [98]: (x -x 0)/l = 2//3-[E(y/)-E(y/0)]-s/l; (2.15) (y-y0)// = 2/ (cos 0-cos ), где х\ У, х о, Уо" координаты точек в осях, ориентированных по направлению действия силы, Е{ц/) = jVl - к2 sin2 y/dy/ - эллиптический интеграл Лежандра второго рода. о Определяя большие перемещения при изгибе стержня, можно получать траектории перемещения любой точки упругой линии. В нашем случае эти траектории будут криволинейными. Форма этих траекторий зависит от схемы нагруже-ния стержня и от вида перемещения вектора силы.
Анализ теплового и адгезионного состояния при плакировании
Для обеспечения возможности расчета основных параметров по оценке степени покрытия обрабатываемой поверхности отпечатками от ударов ворса проволочного инструмента при входе гибких элементов с ней в контакт от режимов обработки, необходимо прояснение некоторых моментов с численными значениями поправочных коэффициентов применительно к незакаленному серому чугуну.
В связи с этим, были проведены эксперименты по определению параметров остаточного отпечатка от удара ворсинок по серому чугуну. На рисунке 3.1 представлен пример микрофото, полученных на конфокальном лазерном сканирующем микроскопе LEXT OLS 4000, измерения на котором использовались для определения коэффициента, зависящего от свойств материалов ворса и обрабаты ваемого изделия. а - изометрический вид с отображением шкалы; б - вид сверху Рисунок 3.1 - Параметры отпечатка - масштаб 1:1000 (Vок = 39 м/с; N = 2 мм; dВ = 0,3 мм; Кщ = 130 мм; 1И = 30 мм) Так, после систематизации данных, полученных по результатам варьирования режимов обработки СЧ 20 (180 - 200 НВ) одиночными ворсинками, вылет за пределы периферийной поверхности щетки которых составлял от 2 до 3 мм, получили коэффициент К = 4,61 10"5 м/Нп.
Площадь соприкосновения концов гибких элементов с обрабатываемой поверхностью является одним из важнейших параметров процесса деформационной обработки, влияющим на величину контактных напряжений на участке ударного воздействия. 1»Ру (3-1) т /=1 St где Si – площадь контакта внедренного в поверхность детали конца гибкого элемента, мм2; m – количество гибких элементов в контакте с деталью на ударном участке. В процессе работы проволочного инструмента наконечники гибких элементов претерпевают изменение своей геометрии, что влечет изменение напряжений как на участке ударного воздействия (3.1), так и на участке скольжения сжато-изогнутого ворса (2.19).
В работе [5] приведена методика расчетно-аналитического метода определения площади отпечатка, разработанная на основании экспериментальных планиметрических измерений развертки поверхности. Указанная методика не учитывает изменение площади отпечатка во время работы щетки.
Был проведен эксперимент, в ходе которого собрали данные по изменению геометрических характеристик концов ворсинок проволочной щетки при обработке. Схемы внедрения ворса щетки, при различных условиях обработки, в поверхность обрабатываемого изделия, с полученными во время эксперимента фотографиями концов ворсинок, представлены на рисунке 3.2. а – цилиндрическая форма наконечника; б – форма наконечника с закругленными углами; в – сферическая форма наконечника
При этом было сознательно введено допущение, что геометрия наконечника гибкого элемента изменяется одинаково во всех направлениях. Для сравнительного анализа этого более чем достаточно. Кроме того, интересующий нас параметр, а именно ширина площадки остаточного отпечатка, на моделях отражается адекватно.
Данные эксперимента (полученные фотографии) наглядно показывают, что геометрия гибкого элемента претерпевает изменения во время работы щетки, так же как форма, а, следовательно, и площадь отпечатка.
Вывод формул и разработка методики расчета для определения характеристик такого процесса является трудоемкой задачей. Но в связи с широкой популяризацией CAD-систем появляется возможность простого и быстрого определения площади отпечатка путем 3D-моделирования.
Представлены графики зависимостей площади контакта в первой стадии удара, когда скорость ворсинки гасится до нуля. Графики построены на базе теоретических значений площади контакта, рассчитанной по известной методике [5] и полученных посредством компьютерного моделирования в программном пакете КОМПАС-3D. На процентной оси отражена погрешность расчетно-аналитических и смоделированных значений для цилиндрической формы наконечника. – аналитический расчет [5];
Таким образом, при одинаковой упругопластической деформации изменение напряжений на ударном участке может составить порядка 50 %, что, несомненно, необходимо учитывать при моделировании соответствующих параметров. Так, после приработки, в плоскости, проходящей вдоль оси проволочки по нормали к плоскости вращения инструмента наблюдается дуга, являющаяся проекцией полусферы формы ударного участка и мы с достаточной степенью точности можем принять kф = 0,5 (см. главу 2).
Как видно по рисунку 3.1, при ударе проволочкой образуется эллипсоидная форма отпечатка, но, тем не менее, наибольшая ширина соответствует наибольшей глубине и, поэтому, с достаточной для инженерных расчетов точностью, можно упростить проекцию отпечатка на обрабатываемую поверхность до окружности радиусом rотт равным половине наибольшей ширины отпечатка.
Таким образом, на данном этапе мы уже можем определить степени покрытия поверхности обрабатываемого изделия в зависимости от режимов обработки проволочным инструментом. Например, при контактной силе P = 0,231 Н, поверхностной плотности распределения Xs = 368,3 мм"2 (VS = 300 мм/с; щ = 0,06; dB = 0,22 мм) получим радиус отпечатка romn 30 мкм и, соответственно, aотп = 0,521.
Степени покрытия при этом - 41 % площади покрыто отпечатками хотя бы один раз, 10 % - хотя бы 2 раза, 2 % - хотя бы 3 раза... и в тоже время - 31 % площади покрыто только 1 раз, 8 % - только 2 раза, 1 % - только 3 раза и т.д. Наглядно оценить степени покрытия (2.2) обрабатываемой поверхности от сред-невероятного числа ударов позволяют графики зависимостей приведенные на рисунке 3.4.
По графикам зависимостей видно, что для полного покрытия обрабатываемой площади необходимо увеличивать математическое ожидание aотт а это возможно при увеличении плотности распределения. Так, при поверхностной плотности распределения Xs = 11880 мм"2 (VS = 50 мм/с; щ = 0,15; dB = 0,15 мм), несмотря на уменьшение радиуса отпечатка (romn 20 мкм), средневероятное число ударов составило aотп = 7,47. Здесь уже 100 % площади покрыто хотя бы 2 раза, а 15 % площади покрыто 7 раз.
Исследование влияния плакирования бронзой на износостой-кость пар трения скольжения
С целью повышения эксплуатационных характеристик пар трения металлообрабатывающего оборудования, в частности - оценки износостойкости обработанных изделий от толщины формируемых покрытий, был проведен четырехфак-торный эксперимент по симметричному некомпозиционному плану Бокса-Бенкина [70]. Как показывает анализ, получение уравнений регрессии через факторный эксперимент широко распространено при оптимизации режимов плакирования [5,13,33,50,105].
В качестве варьируемых факторов были выбраны: натяг N плакирующего инструмента к обрабатываемой поверхности (XI); диаметр ворса dB инструмента (Х2); отношение угловых скоростей вращения со сОщ обрабатываемой детали и гибкого инструмента (ХЗ); отношение длины вылета ворса к радиусу его заделки l/гз (Х4). Параметрами оптимизации служили: h толщина получаемого покрытия в микрометрах и m потеря массы образца в миллиграммах [44].
При варьировании фактора Х4 была использована конструкция, запатентованная нами [85] (Приложение В), гибкого плакирующего инструмента, целью которой является расширение технологических возможностей устройства за счет изменения жесткости ворса щетки и повышение качества за счет увеличения сплошности и снижения разнотолщинности получаемых покрытий.
Насадка представляет собой плоское кольцо с приваренными к нему по диаметру перемычками, которые при установке кольца размещаются между ворсом щетки. Тем самым, уменьшается длина изгибающейся проволочки, фиктивная заделка (начальная точка изгиба) перемещается от центра к периферии. А уменьшение длины впрямую влияет на повышение жесткости, и, наоборот, при снятии насадки, жесткость ворса уменьшается. При этом, когда перемычки проникают в ворс щетки, из-за их малой толщины 1-2 мм (в зависимости от диаметра щетки) они не оказывают никакого влияния на рельеф обрабатывающей поверхности ворса, что способствует повышению качества получаемых покрытий.
Сущность изобретения поясняется эскизом, представленном на рисунке 4.1.
Устройство для обработки поверхностей пластическим деформированием с одновременным нанесением покрытия включает металлическую щетку, состоящую из корпуса 1 и металлического ворса 2; насадку 3, выполненную в виде кольца с поперечными перемычками 7; штырями 4 с отверстиями, жестко закрепленными на корпусе 1 щетки; разрезное кольцо 5, при этом насадка 3 установлена на штырях 4 с размещением перемычек между ворсом щетки, а разрезное кольцо 5 установлено в отверстия штырей с возможностью удерживания насадки на корпусе щетки; брусок из материала покрытия 6. Обрабатываемое изделие обозначено позицией 8.
Устройство работает следующим образом. Щетка с металлическим ворсом 2 приводится во вращение с угловой скоростью со, подводится к поверхности обрабатываемого изделия 8, которое перемещается вдоль оси щетки со скоростью V. Под воздействием металлического ворса по 98 верхность детали очищается и, одновременно, разогретый материал покрытия 6 переносится ворсом 2 на обрабатываемое изделие 8.
Если требуется, например, увеличить толщину наклепанного слоя, то перед обработкой достаточно установить насадку 3 и провести обработку щеткой повышенной жесткости, а затем также быстро, сняв насадку 3, продолжить обработку щеткой заданной жесткости. При этом покрытие получается сплошным и равномерным по толщине. Экономический эффект обеспечивается за счет отказа от множества сменных щеток при выполнении различных операций, требующих разной жесткости ворса; сокращении времени перенастройки оборудования (достаточно установить нужную насадку, чем снимать щетку, устанавливать щетку, балансировать и прирабатывать ее, что занимает довольно много времени и сил).
Формирование покрытий производили на переоборудованном токарном станке, на суппорте которого была установлена плакирующая установка. Эскиз обработки представлен на рисунке 4.2.
Экспериментальные образцы 1 закреплялись на оправке 2. Причем, для обеспечения равномерной обработки поверхности образцы 1 с двух сторон под 100 жимались вспомогательными кольцами 3, изготовленных таким же диаметром. Оправка 2 закреплялась в трехкулачковом патроне и, для обеспечения необходимой точности и жесткости, поджималась задним вращающимся центром. Плакирующий инструмент 4 закреплялся на выходном валу шпинделя двигателя, а устройство 5 для подачи ЭМП на защитном кожухе 6 установки.
В качестве материала покрытия была выбрана бронза БрО5Ц5С5, брусок которой прижимался к инструменту с усилием в 20-25 Н.
Бронза, как известно, и в частности оловянная бронза широко используется в узлах трения технологического оборудования [29,32,58,111]. Такое предпочтение объясняется тем фактом, что зависимость относительного сдвигового сопротивления от относительного внедрения для сухих поверхностей у оловянной бронзы позволяет выдерживать гораздо более серьезные нагрузки, не приводящие к задиру [53], либо микрорезанию, тем самым бронза обладает лучшими фрикционными свойствами по сравнению с чугуном, либо медью.
В качестве экспериментальных образцов использовались кольца СЧ 20 (НВ 180-200) диаметром 45 мм, предварительно подвергнутые шлифовке.
Процесс формирования покрытий осуществлялся следующим образом.
Проволочный инструмент приводился во вращение с определенной угловой скоростью и подводился к уже вращающейся, с определенной частотой, оправке с закрепленным на ней экспериментальным образцом с требуемым натягом (согласно матрице эксперимента). При этом перед тем, как обрабатывать непосредственно экспериментальный образец 1, инструмент в течении 20-30 секунд работал на вспомогательных кольцах 3. За это время пятно контакта инструмента с деталью достигает определенной температуры, необходимой для прочного сцепления покрытия с основой, и за это же время, ЭМП достигает необходимой температуры для обеспечения возможности переноса материала к обрабатываемой поверхности.