Содержание к диссертации
Введение
1 . Анализ современных методов технолгического обеспечения качества рабочих поверхностей деталей машин. 20
1.1 .Влияние технологических воздействий на качество поверхностного слоя 21
1.2. Формирование качества поверхности на финишных операциях технологических процессов . 28
1.3.Метод упрочняющей обработки с одновременным нанесением покрытия. 48
1.4.Основная цель и задачи исследований. 63
2. Теоретические основы физико-механических процессов и качество поверхности при упрочняющей обрабртке с нанесением покрытий . 66
2.1 .Физическая модель процесса упрочняющей обработки с нанесением покрытия. 66
2.2. Определение оптимальной толщины антифрикционных покрытий и давлений в зоне контакта после упрочняющей обработки . 86
2.3.Влияние напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя на износостойкость поверхностей деталей. 94
2.4.Области рационального осуществления процесса упрочняющей обработки с нанесением покрытия. 107
2.5.Выводы 112
3. Математическое моделирование процесса упрочняющей обрабртки с нанесением покрытия . 114
3.1. Математическое моделирование параметров процесса обработки. 114
3.2. Моделирование физико-механических свойств поверхностного слоя . 126
3.3. Моделирование напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя при упрочняющей обработке с нанесением покрытия. 141
3.4. Моделирование напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя покрытия и диффузионного слоя. 155
3.5. Выводы 174
4. Исседование влияния параметров обработки на каческтвенное состояние поверхности и поверхностного слоя. 175
4.1. Исследование напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя при упрочняющей обработке с нанесением покрытия. 175
4.2. Шероховатость и точность обработанных поверхностей. 197
4.3. Влияние параметров обработки на контактную выносливость. 206
4.4. Усталостная прочность материала после обработки. 218
4.5. Устойчивость остаточных напряжений в процессе контактного взаимодействия поверхностей (при трении). 241
4.6. Выводы 252
5. Разработка методологии определения оптимальных режимов обработки и составов антифрикционных покрытий . 254
5.1.Методология поиска оптимальных параметров обработки и составов спецжидкости для нанесения покрытий. 254
5.2. Разработка и исследование композиционных покрытий. 265
5.3. Методика определения долговечности и коэффициента полезного действия высоконагруженных контактных поверхностей. 289
5.4. Методика определения остаточного ресурса рабочих поверхностей деталей машин. 303
5.5. Эффективность и внедрение разработанного метода в производство. 316 5.6.Выводы 334
Заключение 335
Литература 338
Приложения 351
- Формирование качества поверхности на финишных операциях технологических процессов
- Определение оптимальной толщины антифрикционных покрытий и давлений в зоне контакта после упрочняющей обработки
- Моделирование физико-механических свойств поверхностного слоя
- Влияние параметров обработки на контактную выносливость.
Введение к работе
Долговечность и надежность работы машин и механизмов обеспечивается, в первую очередь, улучшением качественных показателей рабочих поверхностей деталей. Среди многообразия направлений для решения этой задачи важное место занимает группа технологических методов силовой природы, объединенных принципом жесткой кинематики: обработка резанием, обкатывании, накатывание, алмазное выглаживании и т.п. Эти методы в сочетании с другими, например, нанесение металлических покрытий позволяют существенно улучшить качественные показатели поверхностей и поверхностного слоя, управлять процессом формирования поверхностей и поверхностного слоя с определенными качественными показателями, обеспечивающих требуемый уровень эксплуатационных характеристик деталей машин.
Актуальность работы. Современной тенденцией в практике производства и эксплуатации машин является целенаправленное повышение качества поверхностей контактирующих деталей, определяемое, в первую очередь, макро- и микрогеометрией поверхности, напряженно-деформированным состоянием, структурой и физико-химическими особенностями поверхностного слоя. В этой связи одной из наиболее важных и актуальных проблем технологии машиностроения является создание и применение новых, научно обоснованных, технически доступных, экологичных и экономически целесообразных технологических процессов обработки рабочих поверхностей деталей машин для повышения их эксплуатационных параметров.
Для деталей, работающих в условиях контактного взаимодействия, (деталей пар трения), эта проблема предопределяет необходимость совершенствования известных и разработки новых технологических процессов финишной обработки, что позволить управлять качественным состоянием поверхности и поверхностного слоя. Одним из перспективных методов, позволяющих решить поставленные задачи, является новый, простой в исполнении, экономически эффективный, высокопроизводительный и экологически чистый способ упрочняющей обработки деталей с одновременным нанесением антифрикционных композиционных покрытий. В основе метода лежит поверхностного пластического деформирования (ППД). Предложенный метод позволяет, варьируя составом покрытия и технологическими режимами обработки, получить поверхность с необходимыми физико-механическими и трибологическими свойствами.
В процессе обработки происходит формирование благоприятного напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя материала и создание ювенильной поверхности, что обеспечивает высокую прочность адгезионного сцепления покрытия с материалом основы, что обеспечивает получение качественного биметаллического слоя с требуемыми эксплуатационными характеристиками. В связи с этим, комплексное исследование взаимосвязи показателей качества поверхностей с режимами обработки и составом покрытий, разработка новых трибматериалов, а также создание адекватных физических и математических моделей процесса обработки, являются крайне важными и актуальными проблемами, особенно для тяжелонагруженных контактирующих поверхностей.
Цель и задачи работы. Целью работы является разработка теоретических основ процесса упрочняющей обработки с одновременным нанесением антифрикционных композиционных покрытий для обеспечения долговечности деталей машин за счет улучшения эксплуатационных свойств рабочих поверхностей.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
- рассмотреть физико-химические процессы при образовании покрытия с одновременной упрочняющей обработкой;
- определить оптимальные значения давлений в зоне контактного взаимодействия поверхностей и толщины антифрикционных покрытий; - исследовать влияние напряженно-деформированного состояния и структуры материала поверхностного слоя на процессы трения и изнашивания поверхностей с покрытиями;
- разработать физические и математические модели процесса обработки поверхностного слоя детали с антифрикционными композиционными покрытиями и определение их механических свойств;
- разработать методику расчета напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя на различных стадиях технологического процесса упрочняющей обработки с нанесением покрытия;
- провести теоретические и экспериментальные исследования по оценке влияния режимов обработки на качество поверхности (параметры напряженно-деформированного состояния, шероховатость и точность) и эксплуатационные свойства рабочих поверхностей (износостойкость, контактную выносливость и усталостную прочность);
- разработать методику расчета долговечности поверхностей с покрытиями по контактным напряжениям с учетом усталостной прочности материала; - разработать методику оценки предельных напряжений и остаточного ресурса рабочих поверхностей после упрочняющей обработки с нанесением покрытий на основе кинетической модели усталостной повреждаемости материала в процессе эксплуатации деталей;
- провести комплексное исследование физико-механических свойств композиционных покрытий с неметаллическими материалами, технологического процесса формирования покрытия на рабочих поверхностях;
- разработать методологию оптимизации технологических процессов и составов покрытий, обеспечивающих высокие эксплуатационные свойства контактирующих поверхностей.
Объект исследования - технологический процесс упрочняющей обработки деталей с одновременным нанесением антифрикционных покрытий и качество рабочих поверхностей и поверхностного слоя деталей после обработки. Методы исследований. В работе использовались системный подход к изучению процессов упрочняющей обработки и нанесения покрытий, формирование параметров качества поверхностного слоя основного материала и покрытия. При проведении исследований использовались фундаментальные теоретические положения технологии машиностроения, физики твердого тела, механики деформируемого твердого тела, теории контактного взаимодействия и пакета прикладных методик, разработанных автором, и стандартных методик с использованием методов математической статистики, а также современных физических методов исследования материалов, в том числе рентгенографических методов. Теоретические исследования и анализ экспериментальных данных проводился с использованием ЭВМ.
Достоверность теоретических разработок и экспериментальных исследований, а также эффективность практических рекомендаций подтверждена результатом опытно-промышленной проверки и внедрения в производство разработанных технологических процессов.
Научная новизна работы состоит в решении крупной научной проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение, состоящей в разработке и исследовании нового технологического процесса упрочняющей обработки с одновременным нанесением антифрикционных покрытий на рабочие поверхности деталей для улучшения их эксплуатационных параметров. В этой связи новыми научными результатами являются:
- технологический процесс упрочняющей обработки с одновременным нанесением антифрикционных покрытий с оценкой рациональных областей его применения;
- методика расчета оптимальных давлений в трибоконтакте, толщин антифрикционных покрытий для достижения максимальной износостойкости поверхностей с учетом влияния напряженно-деформированного состояния поверхностных слоев деталей с покрытием и физико-химических процессов, протекающих в зоне контакта индентора и обрабатываемой поверхности; - физико-математическая модель упруго-пластического состояния композиционного покрытия и диффузионного слоя, формируемого при упрочняющей обработке с учетом упругих свойств компонентов покрытия и основы;
- решение задачи определения величины остаточных напряжений в многослойных поверхностях, формируемых по предложенной технологии, с применением конечно-элементного моделирования в среде ANSYS для различных схем нагружения;
- результаты теоретических и экспериментальных исследований: влияния параметров обработки и состава покрытия на напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя; взаимодействия компонентов покрытия с основой; величины диффузионного слоя, образованного в процессе нанесения покрытия; качественных показателей сформированного биметаллического слоя и эксплуатационных параметров готовых деталей (износостойкости, усталостной прочности, контактной выносливости);
- общий методологический подход к оптимизации режимов обработки, составов композиционных антифрикционных покрытий, обеспечивающих повышенные эксплуатационные показатели;
- методики расчета долговечности поверхностей с учетом значений контактной выносливости деталей с покрытиями и прогнозирования остаточного ресурса контактирующих поверхностей;
- результаты комплексных исследований физико-механических свойств нового фторопластового покрытия.
Новые технические решения, относящиеся к процессу обработки рабочих поверхностей деталей, технологии приготовления спецжидкостей для нанесения покрытий, составам покрытий, позволяющие управлять качеством обработанных поверхностей, защищены авторскими свидетельствами и патентами. Практическая ценность работы заключается в следующем:
- разработан новый технологический процесс упрочняющей обработки деталей с нанесением антифрикционных покрытий для обеспечения качественных показателей поверхностного слоя за счет выбора оптимальных составов покрытий и режимов обработки;
- методики расчета долговечности поверхностей с учетом контактной выносливости биметаллического материала и прогнозирования остаточного ресурса рабочих поверхностей в процессе эксплуатации деталей;
- результаты экспериментальных исследований физико-механических свойств новых многослойных меднофторопластовых и бронзофторопластовых покрытий для поверхностей трения;
В первом разделе приводится анализ проблемы повышения эксплуатационной надежности машин и механизмов, связанный с качеством обработки рабочих поверхностей деталей. В основе решения этой задачи лежит применение новых материалов, совершенствование существующих и разработка новых технологических процессов финишной обработки, обеспечивающих оптимальные качественные показатели рабочих поверхностей, при которых достигаются наилучшие эксплуатационные свойства в широком диапазоне действующих нагрузок, скоростей и влияний различных сред.
Установлено, что наилучшие показатели качества поверхностей достигаются при применении различных комбинированных методов обработки, в частности, упрочняющей обработки поверхности в сочетании с её насыщением различными химическими элементами и нанесением покрытий. Данные методы обработки позволяют в широких пределах варьировать прочностные и триботехниче-ские параметры поверхностей, за счет чего обеспечивается возможность получения требуемых характеристик рабочих поверхностей, путем формирования оптимального напряженно-деформированного состояния и физико-механических свойств поверхностного слоя.
Несмотря на успехи, достигнутые при реализации различных методов ресур-соповышающих технологий, проблема повышения долговечности контактирующих поверхностей остается по-прежнему актуальной. Многие научные и практические вопросы, касающиеся физико-технологических особенностей процесса формирования качественного поверхностного слоя с требуемыми свойствами, не решены и требуют анализа и осмысления.
Одним из перспективных направлений улучшения качественного состояния поверхностей является метод упрочняющей обработки с одновременным нанесением антифрикционных покрытий. В предлагаемом методе предварительно проводится упрочняющая обработка поверхности каким-либо деформирующим инструментом, например, шариком, роликом, металлической щеткой. Затем в зону деформирования подается спецжидкость, содержащая соли наносимого металла покрытия, например, меди в сочетании с другими компонентами. В результате химико-механического взаимодействия компонентов спецжидкости и инструмента на обрабатываемой поверхности предварительно образуется диффузионный слой, а затем - само покрытие. Далее производится упрочняющая обработка покрытия. В основе процесса лежат известные методы упрочняющей обработки поверхностей. Комплексное рассмотрение физико-технических особенностей разрабатываемого процесса, разработка его физических и математических моделей, анализ сопутствующих эффектов, открывают качественно новые возможности для совершенствования известных и разработки новых технологических процессов упрочняющей обработки деталей машин.
Основными эксплуатационными показателями рабочих поверхностей деталей машин являются: износостойкость, усталостная прочность и контактная выносливость. Существенное влияние, на которые оказывает, в первую очередь, напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя материала. Поскольку долговечность деталей машин является случайной величиной, в ответственных узлах и механизмах контроль фактического состояния рабочих поверхностей и определение их выработанного и остаточного ресурса в процессе эксплуатации является весьма важной задачей. Прогнозирование долговечности возможно на основе применения объективных критериев прочности и параметров состояния материала и поверхностных слоев.
Во втором разделе рассматриваются теоретические основы процесса упрочняющей обработки поверхностей с нанесением антифрикционных покрытий. Основной задачей раздела является разработка физической и расчетных моделей изучаемого процесса, на основе которых определяются оптимальные значения показателей качества (шероховатости, толщин покрытия, упрочненного и диффузионного слоев) обработанных поверхностей по критерию максимальной долговечности, области рационального использование процесса. Физическая модель упрочняющей обработки основывается на комплексном рассмотрении физико-механических и химических процессов, происходящих в зоне контакта инструмента и обрабатываемой поверхности, и включает в себя анализ геометрических, физических, механических, триботехнических свойств поверхностных слоев; режимов обработки; химических и механических процессов.
Процесс упрочняющей обработки с образованием покрытия рассматривается в виде трех последовательных переходов: а) предварительная упрочняющая обработка с целью формирования благоприятного напряженно-деформированного состояния, оптимальной микрогеометрии и активации поверхности; б) образование диффузионного слоя при подаче спецжидкости в зону контакта за счет ее химического взаимодействия с обрабатываемой поверхностью; в) наращивание слоя покрытия с одновременной послойной упрочняющей обработкой материала покрытия и основы.
В качестве основных деформирующих инструментов в данном технологическом процессе наиболее часто используются: ролик (профильный ролик); шарик; быстро вращающаяся металлическая щетка с дискретным расположением ворса, воздействие которых на обрабатываемую поверхность является дискретным и носит статический и динамический характер.
Установлена оптимальная величина кислотности состава рН = 12,0 (порог безопасности 12,5), которая определят скорость осаждения покрытия при химическом взаимодействии компонентов состава и основы.
В процессе формирования диффузионного слоя глубина проникновения ио- . нов зависит от кинетики процесса межкристаллитной диффузии в поверхностных слоях обрабатываемых деталей. Этот процесс наиболее полно характеризу ется обобщенным параметром 3D - произведением коэффициента диффузии и величины размеров зерен.
На заключительной стадии процесса (переход «в») осуществляется послойное уплотнение покрытия с одновременным формированием в диффузионной зоне благоприятных остаточных напряжений. Установлено благоприятное влияние оптимальной плотности дислокаций и напряжений сжатия в поверхностном слое на износостойкость поверхностей.
В третьем разделе разрабатываются расчетные модели для оценки параметров процесса упрочняющей обработки с одновременным нанесением антифрикционных покрытий, механических свойств материала покрытия и диффузионного слоя и остаточных напряжений в поверхностном слое, а также конечно-элементная модель для исследования напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя детали с покрытием.
При разработке технологических основ процесса получения биметаллических поверхностей с определенными показателями качества, установлена взаимосвязь режимов обработки, составов наносимых покрытий с эксплуатационными характеристиками получаемых поверхностей. Разработан математический аппарат, основанный на фундаментальных принципах теорий упругости и пластичности, теории топохимических реакций, что позволило для заданных условий обработки определить основные параметры и режимы обработки.
Вторая часть раздела посвящена моделированию физико-механических свойств материала покрытий. Важным шагом на пути управления процессом
создания биметаллических поверхностей с определенными свойствами является разработка и исследование математических моделей, на основе которых возможно прогнозирование физико-механических свойств покрытия и диффузионной зоны.
При расчетном моделировании механических свойств композиционных покрытий необходимо учитывать большое число факторов, включая параметры внешних воздействий, структуры материала и др. В обобщенном виде модель покрытия и приповерхностного слоя предполагает равномерность расположе ния различных включений в объеме материала покрытия. Анализ модели показал возможность оптимизации физико-механических свойств биметаллического слоя за счет изменения концентрации добавок в основном составе спецжидкости.
Третья часть раздела посвящена моделированию и расчету напряженно-деформированного состояния материалов покрытия и основы. Установлено, что основное напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя формируется на первом переходе. Анализ модели напряженно-деформированного состояния поверхности обрабатываемой детали, позволяет оптимизировать режимы обработки.
При оценке напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя основы использовались: принцип независимости действия сил, основные закономерности механики сплошных сред. Величина остаточных напряжений определялась при использовании метода последовательных приближений.
Вычислен поправочный коэффициент при формировании на поверхности частично регулярного микрорельефа (дискретное воздействие индентора).
В процессе образования диффузионного слоя и покрытия (переходы «б» и «в»), за счет химического взаимодействия компонентов спецжидкости и стальной поверхности происходит процесс разупрочнения поверхности, а последующая упрочняющая обработка по нанесенному покрытию, восстанавливает благоприятное напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя. Предложена математическая и расчетная модель для определения напряженно-деформированного состояния диффузионной зоны и покрытия с использованием программного комплекса ANSYS. Предложенная методика расчета остаточных напряжений позволяет определить параметры напряженно-деформированного состояния биметаллической материала после упрочняющей обработки.
В четвертом разделе представлены исследования влияния режимов обработки на качество поверхностного слоя и основные эксплуатационные характеристики. В качестве основных параметров состояния рабочих поверхностей рассматривались: напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя (остаточное напряжение, микротвердость) параметры шероховатости поверхности после обработки, усталостная прочность материала, контактная выносливость поверхностей.
Исследования напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя включали изучение влияния режимных параметров процесса на изменение величины остаточных напряжений в поверхностном слое, деформационное упрочнение поверхности.
При упрочняющей обработке независимо от предшествующей обработки в поверхностном слое формируются благоприятные остаточные напряжения сжатия. Установлено, что на величину и глубину распространения напряжений оказывает влияние, в основном, силовые параметры процесса, вид деформирующего инструмента, метод обработки. Состав тонкого покрытия не оказывает существенного влияния на величину и глубину залегания остаточных напряжений, однако следует отметить, что максимум остаточных напряжений смещается ближе к поверхности, микротвердость поверхности так же зависит от силовых и скоростных параметров обработки. Однако наличие на поверхности "мягкого" слоя и наличие диффузионного слоя покрытия снижает величину деформационного упрочнения на 8... 10% у поверхности, но характер изменение микротвердости остается без изменений.
При обработке методами поверхностного деформирования происходит снижение высотных параметров шероховатости, точностные характеристики рабочих поверхностей детали не изменяются. Для тонкостенных деталей определены оптимальные режимы обработки, исключающие искажение геометрической формы детали и снижения ее точности.
Проведены исследования влияния параметров обработки на эксплуатационные характеристики, контактирующих поверхностей, таких как контактная выносливость, усталостная прочность. Основной эффект получен за счет упрочнения рабочих поверхностей (повышение микротвердости, формирование в поверхно стном слое благоприятных остаточных напряжений) и снижение коэффициента трения в контакте. Особенности кинетики усталостного разрушения изучались с помощью фактографических исследований изломов образцов.
В пятом разделе представлена разработка общей методологии определения оптимальных режимов обработки, составов и технологий приготовления спецжидкостей для нанесения покрытия, методика разработки и комплексное исследование сложных многослойных покрытий с политетрафтороэтиленом (фторопластом), определения контактной долговечности с учетом значений усталостной прочности, методики определения остаточного ресурса рабочих поверхностей. Намечены пути создания рациональных технологических процессов и видов антифрикционных покрытий, обеспечивающих требуемое качество и эксплуатационную надежность и долговечность.
По предложенной методике разработана гамма различных составов для антифрикционных покрытий: композиционные покрытия на медной основе, медно-серебреные, серебренные, многослойные меднофторопластовые и бронзофто-ропластовые. Проведенные комплексные исследования износостойкости поверхностей (противозадирные свойства) с различными видами покрытий показали состоятельность предложенной схемы определения оптимального состава антифрикционных покрытий. Противозадирные показатели поверхностей с композиционными покрытиями в 2,5 раза выше, чем у поверхностей с базовым покрытием.
Эксплуатационные характеристики контактирующих поверхностей определяются в первую очередь характером взаимодействия поверхностей трения, действующих нагрузок в зоне контакта, контактной выносливостью поверхностей. Наличие в поверхностном слое благоприятных остаточных напряжений повышает не только усталостную прочность, но и контактную выносливость. Этот вопрос наиболее актуален для быстроходных зубчатых передач. Предложена методика расчета на контактную долговечность эвольвентных поверхностей с учетом усталостной прочности, после упрочняющей обработки, повыша ется предел допустимых значений контактных напряжений за счет благоприятных напряжений в поверхностном слое, снижения сил трения в контакте.
Предложена методика неразрушающего контроля, основанная на выявлении и раскрытии механизмом появления усталостных повреждений, накапливающихся в процессе эксплуатации, определяемая методом склерометрии. Затем рассчитывается энергия активации пластической деформации щ при применении структурно - чувствительного показателя у. Основный преимуществом предложенного способа является возможность проведения исследований на различной глубине поверхностного слоя, и имитировать различные механизмы повреждаемости и разрушения: от микрорезания до усталостного выкрашивания, варьируя направлением царапания можно исследовать анизотропию механических свойств исследуемых поверхностей. Для диагностики остаточного ресурса рабочих поверхностей разработаны устройства, программы исследований и методики расчетов.
Проведено комплексное исследование прочностных, адгезионных и трибо-технических параметров композиционных медьсодержащих покрытий и брон-зофторопластового покрытия. По их результатам определен общий подход по определению составов покрытий и рациональных режимов обработки.
На основе предложенной методики разработан ряд типовых технологических процессов для процесса упрочняющей обработки поверхностей с нанесением антифрикционных покрытий. Предложенные технологические процессы вполне конкурентоспособны с подобными методами и в ряде случаев имеют существенные преимущества. Анализ разработанных технологических процессов показывает, что энергоемкость, металлоемкость, себестоимость единицы обработанной поверхности находится на низком уровне.
На защиту выносятся следующие наиболее существенные теоретические, методические и практические результаты:
1. Системный методологический подход к разработке технологического процесса упрочняющей обработки с одновременным нанесением антифрикционных покрытий, в соответствии с которым решается задача технологического обеспечения качества обработанных поверхностей, через оптимизацию режимов обработки.
2. Комплексные теоретические и экспериментальные исследования физической модели предложенного технологического процесса и влияния напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя на основные эксплуатационные характеристики поверхностей с покрытием.
3. Теоретические и экспериментальные исследования процесса формирования напряженно-деформированного состояния биметаллического поверхностного слоя в процессе обработки и влияние режимных параметров процесса и состава покрытия на основные эксплуатационные показатели рабочих поверхностей (износостойкость, усталостная прочность, контактная выносливость, параметры шероховатости).
4. Математическая модель материала композиционного покрытия и диффузионного слоя, позволяющая определять их физико-механические свойства;
5. Методичкские основы расчета долговечности контактирующих поверхностей с учетом усталостной прочности материала для эвольвентных поверхностей после упрочняющей обработки с нанесением покрытий и методика прогнозирования остаточного ресурса деталей с покрытиями в процессе эксплуатации.
6. Комплексный методологический подход по разработке различных видов антифрикционных композиционных покрытий с содержанием ультрадисперсных частиц металлических и неметаллических материалов, основанный на результатах триботехнических исследований.
7. Совокупность технических решений для реализации новых и перспективных технологических процессов, обеспечивающих существенное улучшение эксплуатационных свойств рабочих поверхностей деталей пар трения.
Формирование качества поверхности на финишных операциях технологических процессов
Макро - и микрогеометрия рабочих поверхностей оказывает весьма существенное влияние на эксплуатационные характеристики рабочих поверхностей. Как отмечалось выше, параметры шероховатости целенаправленно формируются на финишных операциях технологических процессов. Наличие макро - и микронеровностей при работе в контакте приводит к дискретному характеру взаимодействия поверхностей в соединениях. В результате фактическая площадь контакта значительно меньше номинальной и составляет начальный момент 25...30%, что вызывает повышение давления и деформации и существенное возрастание износа (приработочный износ).
Технологическое обеспечение параметров шероховатости базируется на экспериментальных зависимостях режимов, видов окончательной обработки и высотных характеристик микронеровностей. Следует отметить, что кроме высоты микронеровностей существенное значение на эксплуатационные показатели оказывает форма и периодичность их расположения (закон высотного изменения опорной поверхности). Специально выполненные исследования показали, что при равной высоте микронеровностей величина опорной поверхности может отличаться в 2,0...3.0 раза [138]. Элементы шероховатости являются технологическими концентраторами напряжений, и снижает прочностные характеристики материала независимо от напряженно-деформированного состояния и внешнего температурного воздействия (см. зависимость (1.2)). При уменьшении высотных параметров шероховатости Ка=\,25икм до 7?о=0,32мкм коэффициент концентрации снижается более чем в 2,0 раза. Широко известна эмпирическая зависимость [154] влияние шероховатости на предел выносливости: где Аш -коэффициент концентрации, а - показатель степени (определяются экспериментально).
Шероховатость оказывает существенное влияние на коррозийную стойкость. Снижение величины высотных параметров шероховатости повышает коррозионную стойкость, т.к. во впадинах собираются коррозирующие вещества и образуются очаги коррозии, интенсифицирующие процесс разрушения металла. Кроме того, низкая шероховатость позволяет лучше удерживаться пассивирующей пленки, защищающей поверхность от внешнего воздействия.
Важную роль в оценке влияния шероховатости на эксплуатационные характеристики играет направленность микронеровностей. Здесь следует учитывать не только продольную, но поперечную направленность шероховатости. Как показали исследования, изменения взаимного расположения неровностей при прочих равных условиях может привести к различию контактной жесткости и выносливости и износостойкости в несколько раз. Сопротивление усталости в поперечном направлении снижается в 1,5 раза [49, 89, 163] при одинаковых высотных параметрах.
Несущая способность рабочих поверхностей деталей, кроме высотных параметров определяется волнистостью и макронеровностями (отклонения формы). Снижение фактической площади контакта в соединениях приводит к увеличению давления и деформации, что значительно повышает износ поверхностей, снижает усталостную и контактную выносливость.
При изготовлении высокоточных прецизионных деталей, рекомендуется устанавливать оптимальную высоту микронеровностей в зависимости от допуска на размер (размерность мкм): где Т— допуск на размер поверхности.
При упрочняющей обработке в качестве деформирующего инструмента наиболее часто используются шарики, ролики, быстровращающиеся щетки.
Здесь наблюдается некоторая специфика формирования микрорельефа. При использовании роликов и шариков, высотные параметры шероховатости целесообразно определить в зависимости от силовых режимов обработки и подачи деформирующего элемента. Высотный параметр Rz при оптимальном усилии обработки определяется зависимостью [99]: где г - радиус деформирующего инструмента, s- продольная подача.
При использовании в качестве инструмента быстровращающуюся металлическую щетку, процесс формирования высотных параметров микрорельефа может быть представлен в виде уравнения регрессии. Математическая модель обработки гибким инструментом имеет вид [4]: где х\-наружный диаметр щетки, х3- отношение длины ворса к наружному диаметру щетки (0,2...0,4), х4- материал ворса щетки, х9-скорость обработки (от 30 м/с). По мнению авторов [83] шероховатость поверхности определяется условиями скольжении ворса в зоне контакта. В этом случае параметр Ra микропрофиля, авторы рекомендуют определять по формуле: где Rmax -максимальная высота исходной шероховатости поверхности; / -глубина внедрения конца ворса проволоки в поверхность при скольжении; Rk= 6,25-коэффициент, учитывающий нерегулярной шероховатости. Основные параметры шероховатости поверхностей определяются по высотным параметрам рельефа в соответствии с ГОСТ 2789-81. Необходимо отметить, что в настоящее время проведено большое количество исследований, в основном экспериментальных, о влияние различных параметров микро и макрогеометрии на эксплуатационные характеристики рабочих поверхностей, выработанные рекомендации широко подробно описаны в литературе.
Определение оптимальной толщины антифрикционных покрытий и давлений в зоне контакта после упрочняющей обработки
При сближении поверхностей, меньше критического, второе слагаемое правой части уравнения (2.19) обращается в ноль, и связь между сближением и нагрузкой принимает вид:
Для тонких покрытий, можно подобрать параметры, характеризующие геометрию контакта, чтобы площадь фактического контакта была максимально возможной для данного состояния материала покрытия и действующей нагрузки.
Решая уравнение (2.20) относительно Єї и приравнивая sj= єкр с учётом (2.13) получим значение критической величины толщины покрытия Акр. где Акр — минимальная толщина покрытия, при которой площадь фактического касания и сближения не зависит от толщины покрытия, и будут такими же, как и при контакте шероховатого тела массивного материала покрытия. Данная зависимость справедлива для покрытия большой толщины, без учёта влияния подложки, Ъ, У, параметры шероховатости поверхности; Ъ, v = 2,0.. .2,2 для большинства видов механической обработки поверхностей; Rmax — параметр шероховатости поверхности; Р - действующая нагрузка (нормальная сила); а т- предел текучести материала покрытия; Аа — номинальная площадь контакта.
При взаимодействии единичной неровности с покрытием, необходимо рассмотреть вопрос перехода от упругого деформирования материала покрытия к пластическому в этом случае принимаем, что модуль упругости покрытия Еп значительно меньше модуля упругости подложки Е0.
Данные о напряжённо-деформированном состоянии покрытия при внедрении единичной неровности (сферического индентора) можно использовать для получения расчётных зависимостей для прогнозирования характеристик контакта шероховатых тел. Среднее давление на пятне контакта при переходе от упругих деформаций к пластической деформации можно выразить зависимостью предложенной в работе [158]: цп ,[л0 — коэффициент Пуансона соответственно для материалов покрытия и подложки (основы); А - толщина покрытия.
За критерий начала пластической деформации при внедрении сферического индентора в упругопластическое пространство считают нагрузку, создающее среднее упругое давление на пятне контакта, равное среднему давлению пластической деформации полупространства. Принимаем это положение за начало перехода от процесса упругой деформации покрытия в пластичное.
Для достижения минимального износа и сокращения времени приработки необходимо, чтобы в процессе трения реализовались условия упругого контакта. В процессе приработки увеличивается площадь фактического контакта, уменьшается давление на пятне контакта, в этом случае реализуются условия упругого контакта, т.е. условия стационарного (нормального) изнашивания контактирующих поверхностей.
Практический интерес представляет предельное номинальное значение давления единичного выступа рпр при котором деформация покрытия будет упругой. Для рассмотрения этого случая необходимо прировнять величины относительного сближения и предельного сближения, т.е. а=апр, а значение относительного сближения поверхностей при трении Є; предельной величине єпр. В этом случае величина внедрения больше толщины покрытия и в работу вступает подложка. С достаточной для инженерной практики точностью величину предельного давления можно выразить зависимостью, предложенной в работе [158]: Еп — модуль упругости материала покрытия; R - радиус индентора при внедрении; т, г - параметры шероховатости поверхности (определяются по про филограмме); епр - величина предельного сближения поверхностей; Д - толщина покрытия; v — параметр апраксимации кривой опорной поверхности (и=2,0...2,2 для большинства видов механической обработки).
Для проверки адекватности разработанной модели оптимального выбора физико-механических свойств и толщины покрытия были проведены экспериментальные исследования на торцевом трибометре ТТ-1. На торцевую поверхность образцов из стали 40Х, после термообработки, наносилось покрытие различных толщин от 0,8мкм до 1,5 мкм. Номинальное давление варьировалось от 1,5 до 5,0 МПа за счет изменения статической нагрузки (нагружением на шпиндель станка). Для оценки характеристик использовался обобщённый параметр -"интенсивность изнашивания". Величина интенсивности изнашивания определялась на основе кинематической модели линейного износа и определялась зависимостью предложенной в [45]: где И - величина разрушаемого слоя (в расчётах принималась постоянной), а- напряжение в зоне контакта,/- коэффициент трения (определялся по изменению силы трения в процессе испытаний), Н - микротвёрдость слоя изнашивания (в расчетах принималась постоянной), 0 - постоянная времени «10 12,с U0 - энергия активация изнашиваемой поверхности (принималась постоянной), R - универсальная газовая постоянная (в расчетах принималась постоянной), Т - абсолютная температура в разрушаемом материале, п — число циклов нагру-жения (в расчетах принималась постоянной).
Величина предельного давления определялась по формуле (2.23). Номинальное значение давления определялось в зависимости от величины действующей статической нагрузки и площади контакта образцов, интенсивность изнашивания рассчитывалась по вышеприведенной формуле. Результаты экспериментальных исследований и расчетных данных представлены в таблице 2.1
В результате эксперимента установлено, в тех случаях, когда действующая нагрузка превышает допустимую, интенсивность изнашивания высокая. В случае, когда номинальное давление меньше предельного, интенсивность изнашивания поверхностей трения на несколько порядков ниже.
Моделирование физико-механических свойств поверхностного слоя
Теоретическое прогнозирование макроскопических свойств поверхностных покрытий является одной из актуальных задач механики деформируемого твердого тела. Моделирование макроскопических определяющих соотношений и вычисление эффективных характеристик композиционных поверхностей позволяет достаточно точно определить деформационные свойства, предельное состояние и несущую способность поверхностей с покрытиями для различных конструкционных материалов, полученных из композитов с применением различных порошков. Многие материалы на диаграммах растяжения не имеют явно выраженных площадки текучести, что существенно затрудняет решения технологических задач. Упругопластические свойства подобных материалов обычно описывают соотношениями деформационной теории пластичности.
Практика показала, что, моделируя физико-механические свойства и варьируя составом покрытия, можно добиться благоприятного сочетания свойств поверхности и основы. Проектирование поверхностей трения с композиционными покрытиями весьма сложная задача, которую можно решить следующими способами: — последовательный подбор компонентов композиционных покрытий с целью получения наперед заданных физико-механических свойств поверхностей с покрытиями; - разработка адекватной модели взаимодействия поверхностей дает воз можность судить о том, какие компоненты необходимо ввести в покрытие для получения требуемых свойств. В рамках механики твердого деформируемого тела покрытие можно представить как сплошную неоднородную среду, образованную двумя или несколькими компонентами с различными физико-механическими свойствами. Построение адекватной модели механического поведения композиционного слоя дает возможность достаточно точно оценивать его деформационные свойства, прочностные характеристики, несущую способность и т.д. Помимо механических свойств компонентов на характеристики слоя существенным образом влияют геометрические особенности структуры материала, т.е. характер распределения компонентов в слое. В качестве структурных моделей композиционного слоя, рассмотрим здесь две: - случай, когда оба компонента представляют собой взаимопроникающие каркасы (так называемая матричная смесь); - случай, когда компоненты хаотически распределены в слое. При разработке модели композиционного слоя накладываются следующие ограничения: - композиционный слой предполагается только двухкомпонентным; - механическое поведение материала компонентов описывается в рамках теории малых упругопластических деформаций; - физические и геометрические величины, рассматриваемые в модели, считаются статистически однородными и эргодическими полями; - все процессы деформирования слоя, протекающие под воздействием детерминированных нагрузок, являются квазистатическими; - адгезия между материалами компонентов по границам раздела предполагается идеальной; - воздействие массовых сил на компоненты композита не учитывается; - функции, описывающие в определяющих уравнениях не линейное деформирование материала компонентов, зависят только от второго инварианта тензора деформаций. Схема расчета основывается на том, что кристаллы материала включений различной формы, размещенные в материал основы, обладают новыми упруго-пластическими свойствами [179]. Неупругая микронеоднородная среда описывается нелинейными уравнениями вида[132, 193]: где (іу(г) — компоненты тензора напряжений, єи(г) - компонент тензора скоростей деформаций, Eiju(r,pq(r)) - тензор случайных полей, описывающих механические свойства композитов. Занимаемый объем ограничиваемая поверхность S, V YXs где Vs - объем составляющих компонентов, r(xj,X2,x3 ...xj - радиус-вектор координат, геометрические особенности структуры рассматриваемых композитов можно описать набором индикаторных функций kj(r), к2(г), к3(г). Все физические и геометрические поля рассматриваемой задачи предполагаются случайными, статически однородными и эргодическими величинами, а их математическое ожидание заменяется средними значениями по объему. Индикаторные функции, напряжения и деформации предполагаются статистически однородными и эргодическими случайными полями, поэтому их математические ожидания заменяются средним по объемам величинам [176]. Угловые скобки обозначают операцию статического осреднения. Рассмотрим в слое покрытия представительный объем V, ограниченный поверхностью S (размеры V меньше размеров слоя, но гораздо больше размеров неоднородностей). Упругопластические свойства материалов компонентов по объему задаются уравнениями (в виде поверхности Мизеса): омпоненты тензоров напряжений и деформаций; //д (е) — модули пластичности сдвига, ід — объемные модули компонен тов (КА= const); є — ekeeke — перемещение. Структуру композита будем описывать двумя индикаторными функциями хьу) (А = 1,2), каждая из которых равна единицы на множестве точек А—го компонента V& и равна нулю в не этого множества (V=Vi+V2). Тогда с помощью этих функций уравнение (3.25) можно записать в виде:
Влияние параметров обработки на контактную выносливость.
Как указывалось выше, одним из показателей работоспособности контактирующих поверхностей является допустимая нагрузочная способность поверхностей (контактная выносливость). Этот вид разрушения поверхностей характерен для деталей качения с проскальзыванием (опоры качения буровых долот, подшипники качения, зубчатые колеса). Допустимая нагрузочная способность поверхностей определяется способностью поверхности противостоять усталостному выкрашиванию. Повышая тем или иным прочность контактирующих поверхностей можно существенно уменьшить габариты поверхностей, повысить их долговечность и надежность работы.
Вопрос контактной выносливости наиболее актуален для эвольвентных поверхностей зубчатых колес, во-первых, из-за сложной кинематики взаимодействия поверхностей работа в условиях граничной смазки. Для этой группы поверхностей наиболее характерный вид износа — усталостное выкрашивание — питтинг. Выкрашивание наступает в результате действия цилиндрических контактных нагрузок и предварительно образованных усталостных трещин, последние зарождаются как на поверхности контакта, так и в местах концентраторов напряжений, где действуют наибольшие касательные нагрузки. Для повышения сопротивления поверхностей необходимо снизить напряженность на контактирующих поверхностях (снижение величины) коэффициента трения и увеличить глубину залегания упрочненного слоя превышающую зону действия максимальных касательных напряжений.
Касаясь непосредственно зубчатых передач, установлено, что головка зуба остается без повреждений, а ножка наиболее часто подвергается выкрашиванию. Высокая контактная выносливость головки зуба и низкая ножек является следствием особенности контактирования зубчатых передач, связанная с проскальзыванием. [64, 165].
Основными факторами, определяющий предел контактной выносливости рабочих поверхностей являются: механические свойства материала; напряженно-деформационное состояние поверхности и поверхностного слоя; величина и характер распределения остаточных напряжений; величина пластического упрочнения, состояние поверхности; прокаливаемость материала, величина зерна материала; форма переходной зоны, ее шероховатость; частота и характеристика циклов нагружения.
При контактировании и взаимном перемещении поверхностей контакт происходит по линии, которая перемещается по поверхности. Из-за разности в диаметрах (зубчатые колеса) наблюдается проскальзывание. Относительная величина проскальзывания (удельное скольжение, коэффициент скольжения) определяется зависимостью Кк=(Уг-Уд и где Vj и V2 окружные скорости первого и второго тела (ролики). Отсюда следует, что относительная величина проскальзывания у ролика с большой скоростью будет положительной величиной, а у ролика с меньшей скоростью - отрицательная.
При вращении в разные стороны будет наблюдаться чистое скольжение. Скорость скольжения определяется разностью диаметрами контактирующих роликов.
Взаимодействие эвольвентных поверхностей зубчатых передач происходит по некоторой контактной линии. Здесь же действуют основные силы и наблюдаются контактные деформации поверхностей. Оценивают усталостную прочность рабочих поверхностей по величине контактных напряжений, усталостную прочность - по величине наибольшего контактного давления ртах.
Работа материала в контакте происходит в условиях сложного напряженного состояния. Усталостная прочность поверхностей контактирующих роликов при наличии нормальной силы и касательной нагрузки можно оценить величиной приведенного поверхностного напряжения апрм_, которая определяется эмпирической зависимостью [64]: где у — отношение касательной нагрузки, направленной параллельно линии первоначального касания к нормальной, rj - отношение касательной нагрузки, направленной перпендикулярно первоначального касания к нормальной.
На роликах с параллельными осями нагрузка вдоль линии касания отсутствует (у = 0), а величина ц есть ничто иное, как коэффициент трения. В этих условиях величина приведенного поверхностного напряжения определяется выражением:
Усталостная прочность контактирующих поверхностей существенно зависит от качества изготовления, поэтому целесообразно ввести первоначальный коэффициент к„:
Разрушение поверхностей от усталости начинается вследствие повторно-переменных сдвигов в наиболее напряженных зернах материала. Линии сдвига постепенно переходят в усталостные микротрещины, а затем в трещины. Отсюда следует, что разрушающим напряжением являются напряжения сдвига (касательные силы). Если на площадках сдвига действуют растягивающие напряжения, то они будут уменьшать силу трения (силу сцепления) между плоскостями сдвига, облегчая процесс разрушения.
Касательные напряжения на поверхности можно определить, используя зависимость: где к— коэффициент неравнопрочности материала;/- коэффициент трения.
Для среднепрочных сталей =0,1...0,15, для высокопрочных сталей &=0,22. [165, 191]. В реальных производственных условиях необходимо в формулу ввести коэффициент, учитывающий погрешности изготовления и концентраторы напряжений кп. Для высоколегированных сталей после ХТО касательные напряжения определяются зависимостью:
Величины Cty и х характеризуют контактную выносливость материала.
По своему физическому смыслу эти величины должны определяться индивидуальными свойствами материала (структура), условиями действия смазочной среды в контакте. Кроме этого предел усталостного выкрашивания Рк зависит от силы трения в контакте, от качества обработки поверхностей, химической природы окружающей среды. Существенное влияние на предел контактной выносливости оказывает напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя.
Кинематика перемещения эвольвентных поверхностей предполагает определенную величину проскальзывания из-за разности окружных скоростей. В связи с этим возрастают силы трения в контакте, последние вызывают повышение контактных напряжений. Силы трения действуют в определенном направлении. Направленность действия сил трения является основной причиной различной контактной выносливости отстающих и опережающих поверхностей.
Процесс усталостного выкрашивания на примере зубчатых колес происходит в соответствии со следующей схемой. Поверхности головок эвольвент-ной поверхности - является опережающими, т. е. головки более стойкие к усталостному выкрашиванию. Поверхности ножек — поверхности отстающие, поэтому менее стойкие в отношении усталостного разрушения. Полюсная линия (линия делительной окружности) является теоретическим местом чистого качения. В районе полюсной линии наблюдаются небольшие скорости скольжения, которые соответствуют максимальному коэффициенту трения. Повышенное трение увеличивает контактные напряжения, тем самым создаются условия усталостного выкрашивания. Площадки, где легче всего распространяются усталостные трещины, определяются направление действия сил трения. Направление роста трещины определяется направлением перемещения зоны контакта.
Если напряжения в поверхностном слое зуба были ниже предела усталостного выкрашивания, то в этой зоне после начального разрушения заканчивались. При напряжениях больших предела усталостного выкрашивания, напряжения распространяются на всю зону зацепления.
