Содержание к диссертации
ОГЛАВЛЕНИЕ 2
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 6
БЛОК-СХЕМА РАБОТЫ 8
ВВЕДЕНИЕ 9
ГЛАВА 1 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ УВЕЛИЧЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПАР ТРЕНИЯ 15
1.1 Существующие способы увеличения долговечности пар трения 15
1.2.1. Способы формообразования маслоемкого микрорельефа 19
1.2.2. Струйно-абразивный способ формообразования микрорельефа на деталях прецизионных пар трения
1.3 Финишная антифрикционная обработка 35
1.4 Цель и задачи исследования .49
ГЛАВА 2 ТЕОРИЯ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ СМАЗОЧНЫХ МИКРОКАРМАНОВ 51
2.1 Определение оптимального шага смазочных микрокарманов 51
2.2 Теоретическое исследование струйно-абразивной обработки 62
2.3 Фрактология струйно-абразивной обработки 81
ГЛАВА 3 УПРАВЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ АБРАЗИВНЫХ ЧАСТИЦ В ГАЗО-АБРАЗИВНОЙ СТРУЕ 95
3.1 Характеристики газовой струи 95
3.2 Параметры, характеризующие абразивные частицы 99
3.2.1 Теоретическое определение скорости удара абразивной частицы .105
3.3 Экспериментальное определение скорости удара абразивных частиц 108
3.4 Технологические характеристики газо-абразивной струи 115
3.5. Управление концентрацией абразивных частиц в газо-абразивной струе для создания смазочных микрокарманов с заданным шагом 119
Выводы 142
ГЛАВА 4 ТЕОРИЯ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ СМАЗОЧНЫХ МИКРОКАНАВОК 144
4.1 Анализ существующих теорий разрушения материалов с позиций струйно-абразивной обработки 145
4.2 Способы расчета удаляемой массы при струйно-абразивной обработке 174
4.3 Модель съема металла, основанная на учете удельной энергии разрушения обрабатываемого материала 176
4.4 Модели съема металла, основанные на балансе сил в зоне обработки (а 90°) 1
4.4.1 Приближенное решение системы уравнений, описывающих съем металла 183
4.4.2 Точное решение системы уравнений описывающих съем металла 200
4.5. Расчет удаляемой массы металла при формообразовании микроканавок (угол атаки а=90°) 209
Выводы 216
ГЛАВА 5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ АНТИФРИКЦИОННОЙ ПОВЕРХНОСТИ СТРУЙНО-АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКОЙ...219
5.1 Анализ исследований производительности струйно-абразивной обработки 219
5.2 Экспериментальное исследование процесса струйно-абразивной обработки 225
5.3 Влияние расстояния от технологического сопла до обрабатываемой поверхности на съем металла 236
5.4 Финишная антифрикционная обработка 240
5.5 Экспериментальное исследование влияния струйно-абразивной обработки и фрикционного латунирования на износ трибосоединений 255
5.6 Экспериментальный стенд для исследования струйно-абразивной обработки. Методика проведения эксперимента 260
Выводы , 263
ГЛАВА 6 ТЕХНОЛОГИЯ СТРУЙНО-АБРАЗИВНОЙ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ 265
6.1 Выбор технологических параметров струйно-абразивного формообразования смазочных микрокарманов 265
6.2 Выбор технологических параметров при формообразовании смазочных микроканавок 275
63 Комбинированная технология, создание запаса твердого смазочного
материала на весь срок службы прецизионных пар трения 277
6.4 Микрогеометрия поверхности после струйно-абразивной финишной обработки 278
6.5 Восстановление размеров прецизионных деталей струйно-абразивной обработкой 285
6.6 Технологические приспособления, устройства и технологии, реализующие технологию струйно-абразивной финишной обработки 294
6.6.1 Струйно-абразивный аппарат с управлением концентрацией абразивных частиц 294
6.6.2 Устройство для струйно-абразивной обработки тел вращения 296
6.63 Влияние микрорельефа притира на производительность и качество доводки 298
6.6.4 Безабразивная притирка герметичных подвижных соединений .301
6.6.5 Подшипник скольжения с регулярным микрорельефом 305
6.7 Объект приложения струйно-абразивной финишной технологии прецизионные пары трения 307
6.7.1 Особенности изготовления и сборки прецизионных деталей .313
6.7.2 Условия эксплуатации и износ прецизионных деталей 315
Выводы 321
ГЛАВА 7 ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОВЕРХНОСТИ, ФОРМООБРАЗОВАННОЙ СТРУЙНО АБРАЗИВНОЙ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКОЙ 324
7.1 Контакт поверхностей, определение диаметра смазочных микрокарманов 324
7.2 Остаточные поверхностные напряжения в зоне удара абразивных частиц 326
7.3 Методика расчета напряженно-деформированного состояния при струйно-абразивной обработке 331
7.4 Маслоемкость поверхности, имеющей смазочные микрокарманы 332
Выводы 337
НАУЧНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 342
ЛИТЕРАТУРА 345
Введение к работе
Задача обеспечения надежности и долговечности как отдельных узлов и деталей, так и изделия в целом, является одной из важнейших в машиностроении.
Многие эксплуатационные свойства машин - контактная жесткость, износостойкость, усталость, герметичность соединений определяются физико-механическими свойствами поверхностных слоев и условиями контакта взаимодействующих поверхностей [1].
Уменьшение износа трибосопряжений приводит к существенной экономии средств. Например, стоимость ремонта оборудования за период его эксплуатации соизмерима со стоимостью его изготовления [2], причем большая часть этих расходов вызвана износом трибосопряжений, например, подшипников, деталей цилиндро-поршневой группы и других пар трения.
Для уменьшения износа и увеличения срока службы пар трения необходимо обеспечить, помимо твердости и структуры металла, параметры микрогеометрии и свойства поверхностных слоев, обеспечивающих необходимые эксплуатационные характеристики деталей пар трения [3].
Задача повышения долговечности и надежности особенно актуальна для деталей прецизионных пар трения (ППТ), таких как детали топливной аппаратуры, поршневые пальцы, ролики и кольца подшипников, направляющие качения, шпиндели и пиноли станков и других, аналогичных деталей и узлов.
Характерным признаком прецизионных деталей является высокая точность их размеров [4, 5, 6], которая достигается на заключительных этапах технологического процесса введением в него таких операций как доводка, выглаживание, притирка, и как следствие этого, - высокая себестоимость. Чаще всего такие операции выполняются вручную, что достаточно трудоемко и увеличивает себестоимость как отдельных деталей, так и изделия в целом.
Проблема износа прецизионных пар трения топливной аппаратуры усугубляется невозможностью организации «нормальной» смазки этих пар. Смазка производится дизельным топливом, смазочная способность которого существенно ниже смазочных масел, [7]. Поэтому актуальна проблема придания контактирующим поверхностям прецизионных пар трения максимальных антифрикционных свойств на стадии производства.
Предельный износ прецизионных деталей топливной аппаратуры двигателей составляет несколько микрометров, после чего они теряют работоспособность.
Применение современного подхода, основанного на последних достижениях науки о трении, позволяет увеличить меж-ремонтный период и снизить затраты на восстановление изношенных деталей. Исследованиями в этом направлении занимались И.В. Крагельский, Д.Н. Гаркунов, А.Г. Суслов, Н.Б. Демкин, Э.В. Рыжов, А.М. Сулима, Ю.Г. Шнейдер и др. [1, 3, 8,9,10,11], результаты трудов которых использованы в данной работе.
Большой вклад в разработку технологии обеспечения надежности и долговечности деталей машин внёс коллектив кафедры «Производство машин и механизмов» ИжГТУ [12,13].
Эффективным способом, увеличивающим работоспособность трущихся деталей, является формообразование на контактирующих поверхностях регулярного (частично-регулярного) микрорельефа [14] -смазочных микрокарманов или смазочных микроканавок, для придания поверхности трения антифрикционных свойств. Такие поверхности обладают лучшими, по сравнению с обычными поверхностями, эксплуатационными характеристиками, например, повышенной масло-газоёмкостью [15]. Их свойства улучшаются за счет наличия на поверхности смазочных микрокарманов и смазочных микроканавок, которые накапливают смазочный материал, что исключает эффект «пленочного голодания» [1].
Поверхности со смазочными микрокарманами получают различными способами [8, 16]. Преобладает метод пластического деформирования трибоповерхности единичным индентором. Этот метод малопроизводителен, кроме того, процесс пластического деформирования сопровождается значительными усилиями в контактной зоне, которые могут деформировать размеры прецизионных деталей. В данной работе рассматривается простой и технологичный способ формообразования микрорельефа - способ струйно-абразивной обработки, основанный на обработке трибоповерхности свободным абразивом, разгоняемым струей газа. Аналогом этой обработки является пескоструйная и струйно-абразивная обработки, применяемые до настоящего времени, в основном, как черновые операции [17,18]. Предлагаемый способ получения смазочных микрокарманов с помощью струйно-абразивной обработки отличается от аналогичных способов тем, что управляя концентрацией абразивных частиц в несущей их газовой струе, получают в плоскости их контакта с обрабатываемой поверхностью требуемый шаг и площадь, занятую элементами частично-регулярного микрорельфа. Управление скоростью удара абразивных частиц по обрабатываемой поверхности позволяет получить микрорельеф заданной глубины. Наличие экрана с прорезями определенной формы дает возможность формообразовывать на обрабатываемой поверхности регулярный микрорельеф.
При струйно-абразивной обработке используется свободный абразив, что полностью исключает прижоги, температурные и силовые деформации обрабатываемой детали. Последующее применение финишной антифрикционной обработки, например, фрикционного латунирования поверхности по формообразованному струйно-абразивной обработкой частично-регулярному и регулярному микрорельефу дает возможность создавать запас антифрикционного материала (медь, латунь и других пластичных металлов и полимеров) в зоне контакта, так называемое «третье тело» на весь срок службы деталей трибоузлов, при условии, что глубина впадин микрорельефа не менее величины износа трибоповерхности. В таком аспекте задача повышения надежности и долговечности прецизионных деталей поставлена и решается, по данным автора, впервые.
В настоящее время, несмотря на то, что доля финишных операций при производстве высокоточных деталей достаточно велика, струйно-абразивная обработка прецизионных деталей практически не изучена. Привлекательной стороной струйно-абразивной обработки является высокая производительность, управляемость процессом и простота технологического оборудования. Однако, для её внедрения в производство необходимо всестороннее исследование физических явлений и закономерностей газо-абразивной струи, как высокоточного технологического инструмента для формообразования микрорельефа на прецизионных деталях трения.
Исходя из вышеизложенного, для повышения работоспособности деталей трибосопряжений, необходимо теоретическое и экспериментальное исследование струйно-абразивной обработки, как отдельной операции, так и как подготовительной в комбинированной технологии с последующим заполнением углублений микрорельефа антифрикционным материалом. Гетерогенная структура поверхностных слоев деталей трибосопряжений, формообразованных комбинированной технологией, глубина которых не менее величины износа этих деталей обеспечивает выполнение двух задач: жесткая основа, создаваемая струйно-абразивной обработкой несет соответствующую эксплуатационную нагрузку, а пластичные смазочные материалы, размещенные в углублениях микрорельефа, обеспечивают минимальный коэффициент трения и износ.
Работа выполнена в Боткинском филиале Ижевского государственного технического университета. Основные положения диссертации опубликованы в 53 работах, докладывались на 12 конференциях. Список работ прилагается.
В первой главе приведен обзор работ по теме диссертации, сформулирована цель и задачи исследования.
Во ВТОРОЙ главе решаются задачи определения оптимального шага смазочных микрокарманов, полученных струйно-абразивной обработкой на обрабатываемой поверхности; находятся размеры смазочных микрокарманов; определяются размеры и масса абразивных частиц, необходимых для определения кинетической энергии их удара, а также проведены исследования фрактологии струйно-абразивной обработки.
В третьей главе решаются вопросы управления скоростью абразивных частиц для получения смазочных микрокарманов заданной глубины, а также управления концентрацией частиц в плоскости их взаимодействия cs обрабатываемой поверхностью для получения заданного шага смазочных микрокарманов. Получено дифференциальное уравнение в частньк производных, описывающее распределение частиц в газо-абразивной струе, проведено его исследование. Результаты расчетов сравниваются с экспериментальными данными.
В четвертой главе решается задача формообразования смазочных микроканавок, которая сводится к задаче нахождения удаляемой массы металла, в зависимости от прочностных характеристик материала и условий обработки. Объем металла в микроканавках задан чертежем детали. Зная объем микроканавок и удаляемую в единицу времени массу металла, определяется технологическое время, необходимое для формообразования смазочных микроканавок. В работе приведены три модели для определения величины удаляемой массы, что вызвано различными физическими процессами удаления металла, при изменении угла атаки а абразивных частиц к обрабатываемой поверхности от 0...900. При угле атаки а 90°, съем металла происходит вследствие скольжения абразивных частиц по обрабатываемой поверхности. При угле атаки а=90°, съем металла определяется поворотом в формообразующейся лунке абразивных частиц, вследствие их не симметричной формы.
В пятой главе приведены результаты экспериментального исследования процесса струйно-абразивной обработки. Показано, что для конструкционных сталей максимальный съем металла наблюдается при угле атаки а 40°. С уменьшением твердости обрабатываемого металла, уменьшается и угол атаки. У хрупких металлов, в том числе закаленных сталей, максимальный съем имеет место при угле атаки а=90°. Приведена обобщенная кривая максимального съема металлов во всем диапазоне твердостей, применяемых в машиностроении: НВ=300...6Ю0 МПа.
В шестой главе дано описание струйно-абразивной финишной триботехнологии: выбор технологических параметров струйно-абразивного формообразования смазочных микрокарманов, микроканавок, комбинированная триботехнология, микрогеометрия поверхности после финишной триботехнологии, восстановление размеров прецизионных деталей.
В седьмой главе приведены эксплуатационные характеристики поверхности, формообразованной струйно-абразивной финишной триботехнологией. Рассматривается контакт двух поверхностей, определяется диаметр смазочных микрокарманов, остаточные напряжения, маслоемкость поверхности после струйно-абразивной обработки.
