Введение к работе
Актуальность проблемы. Важнейшей задачей сельскохозяйственного машиностроения в условиях рыночной экономики является производство продукции высокого качества и надёжности при минимальной ее себестоимости.
Сравнительные полевые испытания зарубежных и отечественных сельскохозяйственных машин, проведенных Кубанским научно-исследовательским институтом (КубНИИТиМ) в 1997-1998гг. показали: средняя наработка до отказа комбайнов Джон Дир CTS и Дон 1500Б составила 250 и 25 моточасов, тракторов Джон Дир модели 7810 и МТЗ-82 соответственно 1440 и 94 моточаса.
Из выше приведенных данных следует, что средняя наработка до отказа комбайна Джон Дир CTS в 10 раз выше, чем отечественного комбайна Дон-1500Б. Наработка до отказа трактора Джон Дир модели 7810 оказалась выше отечественного трактора МТЗ-82 в 15 раз.
Низкие показатели надежности отечественных комбайнов и тракторов увеличивают время их ремонта, снижают эффективность уборки сельскохозяйственной продукции, что в конечном итоге повышает её потери и себестоимость.
Эксплуатационные свойства (износостойкость, усталостная прочность, коррозионная стойкость, контактная прочность и др.), характеризующие долговечность и надежность работы сельскохозяйственных машин, в значительной степени зависят от исходного состояния материала деталей (начальный уровень упругой энергии накопленных дефектов Ueo, твердость HVo, шероховатость Rz, остаточные напряжения первого рода оост), которое задается при проектировании и формируется различными технологическими методами обработки.
В настоящее время при конструкторско-технологической подготовке производства выбор, назначение и технологическое обеспечение системы параметров состояния материала, обеспечивающих повышение долговечности и надёжности эксплуатации изделия, осуществляется в основном эмпирическим путем с использованием различных методик статистической обработки экспериментальных данных.
Проведение экспериментальных исследований требует больших трудозатрат, связанных с расходом материала, инструмента, электроэнергии, что не позволяет оперативно и гибко реагировать на изменение требований рынка. При этом необходимо учитывать, что полученные эмпирические зависимости пригодны только для определенных технологических условий обработки материалов, а также заданных условий эксплуатации изделия.
Отсутствие научного подхода к назначению параметров состояния материала и рабочих поверхностей деталей, как правило, приводит к необоснованному завышению требований, а следовательно, и удорожанию выпускаемых сельскохозяйственных машин без должного повышения их долговечности и надежности.
В связи с вышеизложенным, установление взаимосвязи между параметрами, характеризующими исходное состояние материала (Ueo, HVo, R» аост.Х которое прогнозируется, а затем формируется различными технологическими методами обработки детали и её эксплуатационными свойствами, является важной научной проблемой.
Цель работы и задачи исследования. Целью данной работы является повышение долговечности и надёжности деталей сельскохозяйственных машин на
основе прогнозирования и технологического обеспечения термодинамических и физико-механических свойств материала.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие научные задачи.
-
Исследовать процесс упрочнения материала при резании и на основе анализа зависимости "деформация-твердость" разработать методику определения уровня напряжений, при которых начинается пластическая деформация и достигается оптимальная или максимальная твердость обрабатываемого материала.
-
Разработать методику расчета упрочнения и разрушения металлов в процессе механической обработки на основе предложенной дислокационно-термодинамической схемы пластической деформации, которая базируется на введенном в работе понятии: энергетически пульсирующих линейных дефектах (дислокациях).
-
Разработать методику расчета твердости материала по величине накопленной упругой энергии дефектов в процессе легирования, термической и механической обработок.
-
Исследовать кинетику энергетических изменений в деформируемых объемах материала: скорости накопления упругой (скрытой) энергии дефектов и теплового эффекта пластической деформации в зависимости от энергии активации элементарных актов атомно-молекулярных перегруппировок.
-
Разработать методику определения энергии активации .образования и аннигиляции различных дефектов в деформируемом объеме материала с учетом структурного, силового и температурного факторов.
-
Предложить методику расчета длины образующихся субмикротрещин и размеров субблоков в материале при механической обработке и других видах силового нагружения.
-
Разработать методику расчета шероховатости и остаточных напряжений в поверхностном слое обработанной детали на основе предела прочности на сдвиг и истинного предела текучести
-
Разработать методику расчета допустимого износа режущего инструмента в зависимости от заданной шероховатости и точности обработки конкретной детали.
-
Разработать методические принципы обеспечения надежности изделий на основе комплексного подхода.
10. Разработать методику определения рациональных условий изготовления
деталей с заданными термодинамическими и физико-механическими свойствами
материала.
Методы исследования. В работе использовались основные положения технологии машиностроения, теории резания, механики пластической деформации, физики твердого тела, теплофизики технологических процессов, термодинамики и термокинетики. Широко применялась вычислительная техника, а также стандартное и специальное оборудование: измерительные устройства и приборы.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Методика расчета упрочнения и разрушения металлов в процессе механической обработки на основе предложенной дислокационно-термодинамической схемы пластической деформации, которая базируется на впервые введенном в работе понятии: энергетически пульсирующих линейных дефектах (дислокациях).
-
Методика расчета коэффициента перенапряжения межатомных связей к„ и истинного предела текучести сит., а также впервые введенного механического свойства - максимального предела прочности 0вт, которые показывают, при каком напряжении начинается пластическая деформация материала и достигается его максимальная (критическая) твердость HV».
-
Методика расчета твердости материала HVj по величине накопленной упругой энергии дефектов Uej и наоборот в процессе легирования, термической и механической обработок.
-
Механизм формирования субмикротрещин и субблоков в обрабатываемом материале при механической обработке.
-
Кинетические уравнения, описывающие скорость накопления в микрообъёмах скрытой энергии Uet и скорость ее выделения в виде тепла qt при аннигиляции образующихся дефектов в процессе пластической деформации.
-
Зависимости для расчета температуры начала и конца процесса рекристаллизации при механической обработке материалов, полученных на основе критической плотности внутренней энергии U» и введенного в работе понятия энергетически пульсирующих линейных дефектов (дислокаций).
-
Методики расчета шероховатости обработанной поверхности Rz и остаточных технологических напряжений <Зо„ разработанных на основе предела прочности на сдвиг So» и истинного предела текучести оит
-
Методика расчета допустимого износа режущего инструмента по задней поверхности в зависимости от заданной шероховатости и точности обработки конкретной детали.
-
Методические принципы повышения надежности деталей сельскохозяйственных машин на основе комплексного подхода..
10. Методика выбора технологических параметров изготовления деталей с
заданными термодинамическими и физико-механическими свойствами состояния
материала.
Научная новизна работы. Механизм пластической деформации при резании рассматривается на основе дислокационно-термодинамической схемы, которая базируется на физически обоснованном и экспериментально доказанном понятии: энергетически пульсирующих линейных дефектах (дислокациях) .Установлена взаимная связь накопленной упругой (скрытой) энергии дефектов Uej с твёрдостью материала, что позволило получить зависимости для расчёта упрочнения, разупрочнения и разрушения металлических материалов в процессе легирования, термической и механической обработок.
Установлено, что пластическая деформация материала начинается при напряжении, равном величине истинного предела текучести оит, а его максимальная (критическая) твёрдость HV» достигается при значении напряжени%оторое назовём максимальным пределом прочности. Для расчёта остаточных напряжений первого рода Сост. после механической обработки необходимо использовать величину истинного предела текучести о„ т, а не физического от. Получены зависимости для расчёта напряжений Ои.т. и авт.
На основе термодинамического критерия разрушения (критической плотности внутренней энергии U*) и предложенного в работе понятия: энергетически пульсирующих линейных дефектов (дислокаций), получены уравнения для расчёта температур начала и конца процесса рекристаллизации при механической обработ-
ке, которые используются как ограничения при разработке технологий изготовления конкретных деталей.
Практическая ценность работы. Методики расчёта относительной абразивной износостойкости и усталостной прочности деталей на основе прогнозирования термодинамических и физико-механических параметров материала, а также расчётно-аналитический метод определения рациональных технологических условий обработки, который позволяет обеспечить получение заданных параметров.
Методики определения температуры начала и конца процесса рекристаллизации и методика расчёта допустимого износа инструмента позволяют получить заданный уровень шероховатости поверхности и остаточных технологических напряжений при механической обработке.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных и республиканских конференциях, симпозиумах, а также научных семинарах: на II Республиканской научно-технической конференции "Производство и научно-техническое творчество ученых и специалистов" (г. Ташкент, 1974); на Всесоюзной конференции "Теория трения, износа и смазки" (г. Ташкент, 1975); на Республиканской научно-технической конференции "Прогрессивные технологические процессы в машиностроении" (г. Ташкент, 1975); на Всесоюзной конференции "Теплофизика технологических процессов" (г. Тольятти 1976, г. Волгоград 1980, г. Ташкент 1984); на II Международной конференции по посадкам скольжения (ЧССР, г. Братислава, 1977); на Республиканской научно-практической конференции ученых и специалистов "Актуальные проблемы повышения качества продукции, производительности труда и эффективности производства" (г. Ташкент, 1978); на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Повышение долговечности деталей машин путем оптимизации физико-механических свойств покрытий" (г. Москва, 1990); на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Энергетический подход к оптимизации технологических условий абразивной обработки" (г. Москва, 1990); на Республиканской научно-технической конференции "Современные методы термической, химико-термической обработки и поверхностного упрочнения деталей машин и инструментов" (г. Ташкент, 1990); на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Поверхностный слой, эксплуатационные свойства деталей машин и приборов" (г. Москва, 1991); на Международной научной конференции "Синергетика. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях" (г. Комсомольск-на-Амуре, 1998); на Международной научно-технической конференции "Проблемы совершенствования зерноуборочной техники: конструирование, организация производства, эксплуатация и ремонт" (г. Ростов-на-Дону, 1999); на Международном научно-техническом семинаре "ИНТЕРПАРТНЕР-99" (г. Алушта, 1999); на Международной научно-технической конференции "Процессы абразивной обработки. Абразивные инструменты и материалы" (г. Волжский, 2001). Основные результаты исследований работы докладывались на научных советах: Харьковского государственного технического университета (г. Алушта, 1999); Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград, 2002); ВНИПТИМЭСХ (г. Зер-ноград, 2003); Донского государственного технического университета (г. Ростов-на-Дону, 2003); Тульского государственного университета (г. Тула, 2004). На заседании кафедры «Технология Машиностроения» Московского технологического университета «СТАНКИН».
Основное содержание диссертации опубликовано в 39 работах, в том числе в пятнадцати статьях в центральных журналах и приравненных к ним сборниках научных трудов без соавторства, в пяти статьях в центральных журналах в соавторстве, а также в трудах научных конференций. Отдельные практические разработки защищены авторским свидетельством.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, девять глав общим объёмом 351с, список литературы из 276 наименований и приложения.
