Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния проблемы обеспечения эксплуатационных свойств криволинейных партрения. постановка цели и задач исследования 10
1.1 Применение криволинейных пар трения в машинах 10
1.2 Контакт криволинейных поверхностей 16
1.3 Трение и изнашивание пар с криволинейным профилем поверхностей трения 26
1.4 Технологические методы повышения износостойкости деталей пар трения 32
1.5 Постановка целей и задач исследования 33
ГЛАВА 2. Методика проведения исследований 35
2.1 Объект исследований 35
2.2 Обоснование выбора алмазного выглаживания в качестве отделоч-но-упрочняющей обработки криволинейных поверхностей 37
2.3 Структурная схема исследований 40
2.4 Методика проведения теоретических исследований 42
2.5 Методика проведения экспериментальных исследований 47
2.6 Приспособление для обработки криволинейных поверхностей методами алмазного выглаживания и раскатывания шаровым инструментом 54
2.7 Выводы к главе 2 58
ГЛАВА 3. Определение параметров качества криволиней ной поверхности, обуславливающих ее мини малбный износ и сохраняемостб геометрии при эксплуатации 59
3.1 Методологический подход к определению параметров качества криво линейной поверхности
3.2 Назначение параметров качества поверхностного слоя статора ра диально-поршневого гидромотора многократного действия МР 2,5 67
3.3 Выводы к главе 3 76
ГЛАВА 4. Технологическое обеспечение параметров качества и износостойкости поверхности с криволинейным профилем 77
4.1 Влияние различных методов отделочно-упрочняющей обработки на эксплуатационные свойства поверхностного слоя деталей 77
4.2 Особенности обработки криволинейных поверхностей методом алмазного выглаживания 78
4.3 Влияние контактного давления, создаваемого при алмазном выглаживании, на параметры качества поверхности 84
4.4 Влияние технологических факторов на параметры шероховатости поверхности при алмазном выглаживании 87
4.5 Технологическое обеспечение требуемого закона распределения контактных давлений, возникающих в процессе алмазного выглаживания по точкам криволинейной поверхности 89
4.6 Выводы к главе 4 94
ГЛАВА 5. Внедрение и перспективы использования результатов исследования 95
5.1 Обработка криволинейной поверхности статора радиально-поршне-вого гидромотора многократного действия МР2,5 на установке для обработки криволинейных поверхностей методами алмазного выглаживания и раскатывания шаровым инструментом 95
5.2 Обработке криволинейной поверхности статора радиально-поршневого гидромотора многократного действия МР2,5 на станках с ЧПУ 100
5.3 Результаты натурных испытаний на износостойкость криволинейной поверхности статора радиально-поршневого гидромотора многократного действия МР 2,5 105
5.4 Рекомендации по повышению долговечности криволинейной по
верхности статоров радиально - поршневых гидромоторов многократного
действияМР2,5иДП510 108
5.5 Расчет экономического эффекта от внедрения исследований по повышению износостойкости пары трения "Кольцо направляющее - обойма" радиально-поршневого гидромотора многократного действия МР 2,5 ( в ценах на 1 декабря 2000г.) 110
5.6 Выводы к главе 5 115
Основные выводы и результаты 116 заключение 118
Литература
- Контакт криволинейных поверхностей
- Обоснование выбора алмазного выглаживания в качестве отделоч-но-упрочняющей обработки криволинейных поверхностей
- Назначение параметров качества поверхностного слоя статора ра диально-поршневого гидромотора многократного действия МР 2,5
- Влияние контактного давления, создаваемого при алмазном выглаживании, на параметры качества поверхности
Контакт криволинейных поверхностей
АВ - участок положительного ускорения; ВС - участок постоянной скорости; СВ - участок отрицательного ускорения приведенной скорости, соответствующее началу рассматриваемого участка; ual - значение приведенного ускорения рассматриваемого участка; а! - текущий угол поворота; Влт - минимальный диаметр окружности, описывающей криволинейный профиль; Вкат - диаметр цилиндрических катков.
Текущие значения радиусов кривизны криволинейной поверхности статора Кг определяются по уравнению [32,70]: К,=К;+0,5В „ , (1.8) здесь К р - текущий радиус кривизны траектории перемещения центра катка; в уравнении (1.8) знак "-" берется для точек расположенных во впадине волны криволинейного профиля, а знак "+" берется для точек расположенных на вершине волны криволинейного профиля.
Текущий радиус-вектор профиля Кв " соединяющий его ось вращения с точками криволинейной поверхности определяется по уравнению [32,70]: К = МгАтУ + (KS + R.COSy) . (1.10) при обработке такой поверхности методом алмазного выглаживания (АВ) траектория перемещения центра кривизны полусферы алмазного наконечника инструмента эквидистантна траектории перемещения центра контртела (катка), контактирующего с рассматриваемым криволинейным профилем. Таким образом характер изменения приведенных скорости и ускорения обоих траекторий одинаковый. Следовательно, можно определить параметры графиков изменения этих величин, соответствующих траектории перемещения центра кривизны полусферы алмазного наконечника инструмента [32,70] (рис. 1.6): аллл _ текущий угол по ворота для траектории Рис. 1 . 6 . Графики изменения приведенных скорости и ускорения траектории перемещения центров кривизны полусферы алмазного наконечника обрабатывающего инструмента и контртела (катка), контактирующего с криволинейным профилем = an g к -г" 1п где ЙГ\ЛЛ - текущий угол поворота для траектории перемещения центра кривизны полусферы алмазного наконечника обрабатывающего инструмента; а\ - текущий угол поворота для траектории перемещения центра катка, контактирующего с рассматриваемым криволинейным профилем; pi - величина коррекции угла поворота а , вследствие, неравенства радиусов кривизны полусферы алмазного наконечника обрабатывающего инструмента гМЛЛ и катка Кь У1 - текущий угол контакта криволинейной поверхности и катка; КА. - текущий радиус-вектор траектории перемещения центра катка, контактирующего с рассматриваемым криволинейным профилем, соединяющий его ось вращения с точками данной траектории.
Максимальная приведенная скорость УАЛтах и приведенное ускорение аА" перемещения обрабатывающего инструмента и определяются по уравнениям [32,70] (для впадины волны), (1.15) где Ь - высота волны криволинейного профиля; АаГЛ - центральный угол, соответствующий участку положительного ускорения, траектории перемещения центра кривизны полусферы алмазного наконечника обрабатывающего инструмента; л(х,л - центральный угол, соответствующий участку постоянной скорости; АгС - центральный угол, соответствующий участку отрицательного ускорения, траектории перемещения центра кривизны полусферы алмазного наконечника обрабатывающего инструмента.
Ускорения поступательного движения обрабатывающего инструмента где (О - угловая скорость вращения заготовки с криволинейным профилем поверхности при алмазном выглаживании, радиан/сек; п - частота вращения заготовки, мин "\
Контакт шероховатой и гладкой поверхности рассмотрен Н.Б.Демкиным, И.В.Крагельским, Н.М.Михиным, Э.В.Рыжовым, А.Г.Сусловым и другими [27,29,83,87,97]. При этом полагали, что если шероховатость мала, то для описания деформации тел можно использовать формулы Г.Герца, пренебрегая деформацией неровностей. Наоборот, если шероховатость велика, а деформация выступов является преимущественно пластической, то можно пренебречь макродеформациями и выполнить расчет для пластического контакта микронеровностей шероховатой поверхности.
В зонах фактического контакта трущихся тел могут иметь место упругие, упругопластические и пластические деформации. Н.М.Михиным [55 были получены уравнения для определения условий реализации того или иного вида контакта, а также соответствующих коэффициентов трения: где р - радиус скругления верщин неровностей; Ь - сближение контактирующих поверхностей; аэф - приведенный коэффициент гистерезисных потерь; р - коэффициент Пуассона; НВ - твердость по Бринеллю; А - комплексный параметр щероховатости; Е - модуль упругости; Тд-удельное сопротивление сдвигу при экстраполяции давлении между телами до нулевого значения; 3 - коэффициент упрочнения молекулярной связи.
В предположении, что контактируют два твердых тела, одно из которых абсолютно жесткое, имеющее шероховатую поверхность, а другое более мягкое, имеющее абсолютно гладкую поверхность, сближение между контактирующими поверхностями Ь и контурное давление рс в зависи
Обоснование выбора алмазного выглаживания в качестве отделоч-но-упрочняющей обработки криволинейных поверхностей
Далее определяют значения параметров (pcV); и выявляют его максимальное значение (PcV)max Подставляя найденные значения fm in (п.5), (PcV)i и (pcV)max В (3.2) получают требуемые значения коэффициентов трения во всех точках рассматриваемого криволинейного профиля Определение зависимости коэффициента трения f от параметров качества поверхности (микротвердости поверхности HV и комплексного параметра шероховатости поверхности А).
Как уже отмечалось ранее, коэффициенты трения для различных видов контакта зависят от параметров качества поверхности (микротвердости поверхности HV и комплексного параметра шероховатости А) и контактных давлений, возникающих в процессе эксплуатации рс . Последние определяются уравнениями (1.20), (1.22) и (1.24)
Анализируя графики зависимости параметров качества поверхности от режимов отделочно-упрочняющей обработки (рис. 3.2 и П.1.), приходим к выводу, что микротвердость поверхности НУ, следовательно, и твердость поверхности по Бринеллю НВ и комплексный параметр шероховатости А находятся между собой в функциональной зависимости (рис. 3.4).
Таким образом, определив вид контакта и выбрав соответствуюш;ее уравнение для определения коэффициента трения можно установить зависимость параметров качества поверхности (НУ и А) от требуемых значений коэффициентов трения во всех точках рассматриваемого криволинейного профиля f (табл.3.1 и П.5.). По данным таблицам видно, что коэффициент трения для любых значений параметров качества поверхности можно представить как
Уравнения зависимости коэффициента трения от параметров качества поверхности (микротвердости поверхности НУ и комплексного параметра шероховатости поверхности А) при алмазном выглаживании НУ А НВ Коэффициент трения f Упругопластический контакт Пластический насыщенный контакт где Ь = 0,04015 ± 1x10 а - показатель степени, зависящий от вида контакта, реализующегося в сопряжении, т.е. коэффициент к является функцией от НУ и А.
Определение параметров качества рассматриваемой криволинейной поверхности в каждой ее точке. Подставляя в уравнение (3.3) текущие значения контурных давлений рс и коэффициентов трения fi можно определить значения коэффициентов к и по табл.3.1 или П.5. соответствующие им параметры качества криволинейной поверхности в каждой ее точке.
Проверочный расчет. Па данном этапе необходимо проверить вид контакта, реализующийся в каждой точке профиля при эксплуатации. По найденным значениям микротвердости НУ, комплексного параметра шероховатости поверхности А и контактных давлений, возникающих в процессе эксплуатации Рс с помощью рис. 3.3 и уравнений (1.21) и (1.23) определяют вид контакта, реализующийся в каждой точке профиля при эксплуатации.
Если вновь принятый вид контакта совпадает с видом контакта, принятым в выше упомянутых расчетах, то для этих точек профиля при нимаются параметры качества поверхности, рассчитанные в п. 8. Если вновь принятый вид контакта не совпадает с видом контакта, принятым в выше упомянутых расчетах, то для этих точек профиля необходимо вы полнить повторный расчет параметров качества поверхности в соответст вии с указаниями данными в п.п. 5-10.
Назначение параметров качества поверхностного слоя статора радиально-поршневого гидромотора многократного действия МР 2 , 5
Криволинейная поверхность статора радиально-поршневого гидромо тора многократного действия М Р 2 , 5 (рис. 1.1) имеет восемь идентичных волн. Таким образом, чтобы исследовать все точки криволинейного профиля статора достаточно рассмотреть одну полуволну, которая соответствует центральному углу 22,5.
В качестве отделочно-упрочняющей обработки первоначально рассмотрим метод алмазного выглаживания.
В соответствии с алгоритмом определения параметров качества криволинейной поверхности, обуславливающих ее минимальный износ и сохраняемость геометрии при эксплуатации на первом этапе определяем контактные давления, возникающие в процессе эксплуатации Рс в каждой точке криволинейного профиля по уравнениям (1.1), (1.4) - (1.7), (1.34) -(1.36). Результаты расчетов сведены в табл.3.2.
По найденным значениям контактных давлений рс определяем вид контакта, реализующийся в сопряжении. Для этого, с помощью экспериментальных графиков зависимости HV= f (рс ) и А= f (Рс ) (рис.3.2) и сравнительного графика твердости металлов и сплавов (рис. 3.3) устанавливаем максимально возможную микротвердость поверхности HV ax, минимально возможный комплексный параметр шероховатости Amin и максимально возможную твердость поверхности по Бринеллю НВтах для выбранного метода отделочно-упрочняющей обработки и вычисляем максимальные критические давления [Рс1кру„рИ 1Рс]кр.пл-ненас. определяющие точки перехода от одного вида контакта к другому по уравнениям ( 1 . 1 9 , 1.21 и 1.23). Сравнивая значения контактных давлений, возникающих в сопряжении при IMAX Г IMAX эксплуатации с критическими давлениями [Рс1кр.упрИ [Рс1кр.пл.-не„ас. принимаем вид контакта и соответствующие им уравнения для расчета коэффициентов трения во всех точках криволинейного профиля. Результаты расчета приведены в табл. 3.3.
Назначение параметров качества поверхностного слоя статора ра диально-поршневого гидромотора многократного действия МР 2,5
Как было показано выше, параметры качества поверхности зависят от контактного давления, возникаюп];его в процессе обработки р. Зависимости параметров качества поверхности (комплексного параметра шероховатости поверхности А и микротвердости НУ) от контактного давления, возникающего в процессе раскатывания шаровым инструментом НУ=(р) и A=f(p) представлены на рис. П. 1.(7,51,57,63).
Анализируя графики зависимости параметров качества поверхности от режимов отдел очно-упрочняющей обработки (рис. П.1), приходим к выводу, что микротвердость поверхности HV, следовательно, и твердость поверхности по Бринеллю НВ и комплексный параметр шероховатости А находятся между собой в функциональной зависимости. Таким образом, определив вид контакта и выбрав соответствующее уравнение для определения коэффициента трения можно установить зависимость параметров качества поверхности (HV и А) от требуемых значений коэффициентов трения fi (табл.П.5).
По найденным значениям контактных давлений рс, возникающих в процессе эксплуатации (табл.3.3) определяем вид контакта, реализующийся в сопряжении. Для этого, с помощью экспериментальных графиков зависимости HV= f (рс) и А= f фс"л"л) (рис.П.1) и сравнительного графика твердости металлов и сплавов (рис. 3.3) устанавливаем максимально возможную микротвердость поверхности HVmax, минимально возможный комплексный параметр шероховатости Aim и максимально возможную твердость поверхности по Бринеллю нвщах для выбранного метода отде-лочно-упрочняющей обработки и вычисляем максимальные критические давления определяющие точки перехода от одного вида контакта к другому по уравнениям (1.19, 121 и 1.23). Сравнивая значения контактных давлений, возникающих в сопряжении при эксплуата Imax Г Птах ции с критическими давлениями [РеЦупрИ [Р,]лР„л.„л„лл принимаем вид контакта и соответствующие им уравнения для расчета коэффициентов трения во всех точках криволинейного профиля. Результаты расчета приведены в табл. П.6.
После определения вида контакта, реализующегося в точке с максимальным контактным давлением рс „ах , подставляем НВЛ ах, Amil и Рс гак в соответствующее уравнение для определения коэффициента трения (120),
Таблица П.5. Уравнения зависимости коэффициента трения от параметров качества поверхности (микротвердости поверхности НУ и комплексного параметра шероховатости поверхности А) при раскатывании шаровым инструментом
Контактные Критическое Критическое давление, Текущийугол поворота давления, возникающие в процессе экс- давление, определяющее переход упругих деформа-ц и й в упругопла- определяющее переход упругопластиче-ского вида контакта в Контакт упру-гопластический Принятый вид контакта плуатации стические пластич. насыщ. в и д контакта а, град рс, М П а Г ПтахР. , МПаLr с JK p.ynp Г 1 ахР , МПа 1А С J к p .п л .-н e н a c . Г Im ax Р " Рс . крупр 0 296,9017 111,14 298,42 Да упругопластич. (1.22) или (1.24) и определяем минимальный коэффициент трения fAin, который может быть обеспечен выбранным методом отделочно-упрочняющей обработки в точке, соответствующей контактному давлению Рс гак- Требуемые значения коэффициентов трения во всех точках рассматриваемого криволинейного профиля fi, которые обеспечивают максимальную сохраняемость его геометрии определяем по уравнениям (1.10), (1.38) и (3.2). Результаты расчетов представлены в табл. П.7.
На следующем этапе по найденным значениям коэффициентов ki определяем параметры качества криволинейной поверхности HV и А , которые обеспечивают требуемые значениями коэффициентов трения fi во всех точках рассматриваемого криволинейного профиля (табл. П.5.). Результаты расчетов представлены в табл. П. 7.
Проверочный расчет вида контакта, реализующегося в каждой точке криволинейного профиля при эксплуатации производим, подставляя найденные текущие значения твердости HV, комплексного параметра шероховатости поверхности А и контактных давлений, возникающих в процессе эксплуатации рс в уравнения (1.19), (1.21) или (1.24). Перевод микротвердости HV в числа твердости по Бринеллю НВ осуществляем с помощью графика, представленного рис.3.3. [2]. Результаты проверочных расчетов представлены в табл. П.8.
Для точек, в которых вновь определенный вид контакта совпадает с видом контакта, принятым в выше упомянутых расчетах, принимаются параметры качества поверхности, рассчитанные ранее. Для точек, в которых вновь принятый вид контакта не совпадает с видом контакта, принятым в вышеупомянутых расчетах, параметры качества поверхности рассчитываются повторно в соответствии с указаниями данными в п.п. 5-10 алгоритма определения параметров качества криволинейной поверхности, обуславливающих ее минимальный износ и сохраняемость геометрии при эксплуатации. Результаты проверочных расчетов представлены в табл. П.9.
Влияние контактного давления, создаваемого при алмазном выглаживании, на параметры качества поверхности
На следующем этапе по найденным значениям коэффициентов ki определяем параметры качества криволинейной поверхности НУ и А , которые обеспечивают требуемые значениями коэффициентов трения fi во всех точках рассматриваемого криволинейного профиля (табл. П.5.). Результаты расчетов представлены в табл. П. 16.
Проверочный расчет вида контакта, реализующегося в каждой точке криволинейного профиля при эксплуатации производим, подставляя найденные текущие значения твердости НУ, комплексного параметра шероховатости поверхности А и контактных давлений, возникающих в процессе эксплуатации Рс в уравнения (1.19), (1.21) или (1.24). Перевод микротвердости НУ в числа твердости по Бринеллю НВ осуществляем с помощью графика, представленного рис. 3.3 [2]. Результаты проверочных расчетов представлены в табл. П. 17.
Для точек, в которых вновь определенный вид контакта совпадает с видом контакта, принятым в выше упомянутых расчетах, принимаются параметры качества поверхности, рассчитанные ранее. Для точек, в которых вновь принятый вид контакта не совпадает с видом контакта, принятым в вышеупомянутых расчетах, параметры качества поверхности рассчитываются повторно в соответствии с указаниями данными в п.п. 5-10 алгоритма определения параметров качества криволинейной поверхности, обуславливающих ее минимальный износ и сохраняемость геометрии при эксплуатации. Результаты проверочных расчетов представлены в табл. П. 18.
Как было показано выше, параметры качества поверхности зависят от контактного давления, возникающего в процессе обработки р " . Зависимости параметров качества поверхности (комплексного параметра шероховатости поверхности А и микротвердости НУ) от контактного давления, возникающего в процессе раскатывания шаровым инструментом представлены на рис. П.2., П.З. и втабл.П.19. (7,51,57,63).
Используя результаты расчетов параметров качества по точкам криволинейной поверхности, представленные в табл. П.9 определяем закон рас РШ " і
пределения контактных давлении р по точкам криволинейного профиля с помощью табл. П. 19. Результаты определения закона распределения контактных давлений р по точкам криволинейной поверхности представлены в табл.П.20. Параметры качества криволинейной поверхности (Ка, Кг, Ктах, 8, 8т И 1 ), обсспечивасмые раскатыванием шаровым инструментом можно определить с помощью табл. П. 19. Результаты определения представлены в табл. П.21.
а) Раскатывание шаровым инструментом криволинейной поверхности статора радиально-поршневого гидромотора многократного действия МР2,5 на установке для обработки криволинейных поверхностей методами алмазного выглаживания и раскатывания шаровым инструментом
На основе использования закономерности распределения требуемых контактных давлений, возникающих в процессе раскатывания шаровым инструментом р =Г(а) (табл.П.20), с помощью специально разработан Используя данные уравнения можно определить максимальную и минимальную нормальные составляющие требуемых сил выглаживания РГ = 756,26 (И) (а = 1 ) и Р = 174,7 (И) (а = 22,5).
Углы поворота а,а и к, соответствующие началу участков положительного ускорения, постоянной скорости и отрицательного ускорения траектории перемещения центра кривизны обрабатывающего инструмента, определяются по уравнениям (1.11)-(1.12): Учитывая, что радиусы кривизны катка, контактирующего с криволинейным профилем статора, и обрабатывающего инструмента соответственно равны Rl=27 (мм) и г=3(мм), получим а=0,75 = 0 , 0 1 3 1 (радиан); а =8,44 = 0 , 1 4 7 3 (радиан);
Используя уравнения (5.1) (5.3), определяем силу трения Гтр, возникающую в узлах приспособления для обработки криволинейных поверхностей методами алмазного выглаживания и раскатывания шаровым инструментом Гтр « 5 (Н).
Частоту вращения заготовки п при раскатывании шаровым инструментом криволинейной поверхности статора гидромотора MP2,5 определяем по уравнениям (4.7) - (4.9), п = 82,57 (мин ). Принятое значение Ппр = 80 (мин" ).
Силы инерции движущихся элементов приспособления, возникающие в процессе раскатывания шаровым инструментом на вершине и впадине волны криволинейного профиля гл,ЛЛЛр и Гллд, определяем по уравнению (4.1), ГГ,,р =251,41 (Н) и ГГвп=191,63 (Н). Требуемую статическую силу Per, которую необходимо обеспечить в процессе обработки, определяем из уравнения (4.10), Per = 431,11(H). Давление зарядки пневмогидравлического аккумулятора рз определяется по уравнению (4.11), рз = 0,2196 (МПа). Мощность трения , возникающая в процессе работы гидромотора со статором, обработанным методом раскатывания шаровым инструментом на приспособлении для обработки криволинейных поверхностей определяется по уравнению (1.37): = 1гр »Рс л Результаты расчетов представлены в табл.П.22.
По результатам расчетов, представленных в табл.П.22, видно, что после раскатывания шаровым инструментом криволинейной поверхности статора на установке для обработки криволинейных поверхностей мощность трения, возникающая при эксплуатации гидромотора, изменяется от 13,94 до 37,74 МПахм/с, что составляет 63,06 %.
