Совершенствование технологического процесса азотирования на основе методов статистического анализа и моделирования Хасанова Лейла Александровна

Введение к работе

Актуальность работы. Большинство деталей различных узлов, механизмов и изделий в целом работают в условиях взаимного контакта, передавая различные усилия или крутящие моменты. Ресурс работы таких сопряженных пар определяется свойствами поверхностных слоев сопрягаемых деталей. Наиболее распространенным типом сопрягаемого узла является зубчатое соединение. В большинстве случаев разрушение зубчатых колес, как и других многочисленных деталей машин, начинается на поверхности и в поверхностных слоях. Фундаментальные комплексные исследования процессов улучшения поверхности, выполненные Ю. М. Лахтиным, Я. Д. Коганом, С. А. Герасимовым, В.М. Зинченко, А.Г. Сусловым, В. Ф. Безъязычным, В. М. Приходько, Л. Г. Петровой, О. В. Чудиной и др. позволили создать новое научное направление – инженерия поверхности деталей. Одной из основных задач этого направления является формирование оптимальных параметров структуры, фазового состава и свойств поверхностных слоев зубчатых колес за счет совершенствования технологического процесса азотирования с учетом условий работы детали и рекомендуемой для нее марки стали.

Многие зубчатые колеса имеют недостаточный ресурс из-за контактного разрушения и износа упрочненного слоя. Разброс долговечности однотипных зубчатых колес, изготовленных и упрочненных в одинаковых условиях производства, достигает 10 и более раз. Это указывает на существенное влияние технологических факторов на характеристики азотированного слоя и на отсутствие надежных и адекватных математических моделей для прогноза и обеспечения заданных параметров слоя в зависимости от технологических факторов и марки (химического состава) стали. Учитывая сложный и многофакторный характер данной задачи для ее решения целесообразно использовать методы математической статистики. Возможность эффективного использования статистических методов обусловлена наличием значительного объема литературных и производственных данных по качеству азотированного слоя для различных марок сталей.

Возможности технологического процесса азотирования обусловлены тем, что многообразие формирующихся структурных и фазовых особенностей азотированных слоев, особенно в легированных сталях, не полностью использованы. В этой связи большое значение приобретает совершенствование технологии азотирования, с целью формирования заданной структуры и свойств азотированного слоя, обеспечивающие необходимые характеристики изделий. Это возможно на основе использования обобщенной математической модели процесса азотирования адекватно отражающей реальный процесс.

Таким образом, тематика диссертационной работы, направленная на решение проблемы получения требуемых показателей азотированного слоя зубчатых колес с учетом условий эксплуатации, представляется актуальной, поскольку позволит обеспечить стабильное качество азотированного слоя деталей.

Цель работы. Разработка и внедрение мероприятий по совершенствованию технологического процесса азотирования и оценки напряженного состояния азотированного слоя, обеспечивающих работоспособность азотированного слоя.

Для реализации поставленной цели сформулированы и решены следующие основные задачи:

1. Разработать обобщенную математическую модель расчета показателей качества слоя на основе анализа кинетики формирования азотированного слоя.

2. Выявить степень и характер влияния химического состава сталей на показатели качества азотированного слоя методом статистического анализа с использованием ППП STATISTICA 6.0.

3. Установить взаимосвязь показателей качества упрочненного слоя с эксплуатационными свойствами азотированных зубчатых колес, используя статистические методы оценки.

4. Определить упругие свойства (модуль Юнга) азотированных слоев на промышленных сталях. Выполнить анализ напряженного состояния азотированного зубчатого колеса на основе решения контактной задачи методом конечных элементов с использованием программного комплекса ANSYS.

5. Провести промышленные испытания и опробование основных результатов исследования и разработанного программного обеспечения.

6. Выработать рекомендации по оптимальным технологическим режимам азотирования зубчатых колес.

Научная новизна работы.

1. Получены регрессионные статистические модели для оценки и прогноза качества азотированного слоя в зависимости от химического состава материала.

2. Установлена взаимосвязь показателей качества азотированного слоя с эксплуатационными свойствами зубчатых колес.

3. Предложен критерий качества азотированного слоя K_р, по величине которого можно рассчитать контактную прочность и интенсивность изнашивания азотированного слоя, а следовательно предсказать характер разрушения слоя (выкрашивание или износ)

4. Разработана методика определения модуля упругости азотированного слоя и впервые определены модули Юнга азотированных слоев на сталях: 38Х2МЮА, 40ХНМА, ЭИ415, 18Х2Н4МА, ЭИ 736, ЭИ961.

5. Впервые выполнен анализ напряженного состояния зуба шестерни с учетом азотированного слоя методом конечных элементов с использованием ППП ANSYS 10.0. Ввод азотированного слоя при моделировании напряженного состояния зубчатого колеса увеличивает адекватность численных методов оценки возникающих в зацеплении азотированных зубчатых колес контактных напряжений.

Практическая значимость работы.

1. Разработана и внедрена на ОАО «НПО «Сатурн» математическая модель и алгоритм расчета показателей качества азотированного слоя от технологических факторов и химического состава стали, обеспечивающая возможность компьютерного управления качеством упрочненного слоя, а также оптимизации технологических режимов азотирования. Программа зарегистрирована в Отраслевом фонде алгоритмов и программ свидетельство об отраслевой регистрации № 7824 на разработку программы «NITROTOMOS (азотированный слой)».

2. Получены многофакторные регрессионные статистические модели для оценки и прогноза показателей качества азотированного слоя. Это позволяет не только прогнозировать характеристики азотированного слоя в зависимости от марки стали, но также решать и обратную задачу: для требуемой твердости и толщины слоя (при соответствующих технологических режимах) выбирать марку стали.

3. В результате проведения исследований на ОАО «НПО «Сатурн» предложены рекомендации по совершенствованию технологического процесса за счет оптимального соотношения компонентов насыщающей среды (N₂:H₂; N₂:Ar) с учетом марки стали и условий эксплуатации зубчатых колес.

Положения, которые составляют основу работы и выносятся на защиту.

1. Математическая модель расчета показателей качества азотированного слоя в зависимости от технологических факторов на основе анализа физико-химических процессов азотирования.

2. Результаты статистического анализа влияния химического состава легированных сталей (для 27 марок) на показатели качества и эксплуатационные свойства азотированного слоя с использованием предложенного критерия качества (работоспособности) слоя.

3. Методика и результаты измерения модуля упругости азотированного слоя на сталях.

4. Результаты численного моделирования напряженного состояния азотированного зубчатого колеса.

5. Результаты практического использования методов статистического анализа и моделирования при производстве азотируемых зубчатых колес для ГТД.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на XXIX конференции молодых ученых и студентов. г. Рыбинск, 2005, на международной молодежной научной конференции XXXII Гагаринские чтения, Москва, 2006, на 5-ой и 7-ой международной конференции «Авиация и космонавтика, Москва, (2006, 2008), на международной школе – конференции молодых ученых, аспирантов, и студентов РГАТА имени П. А. Соловьева, Рыбинск, 2006; на IX Международной молодежной научно-практическая конференции, г. Днепропетровск, Украина, 2007, на международной молодежной научной конференции XV Туполевские чтения, Республика Татарстан, г. Казань, 2007, на научной конференции «Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве», Рыбинск, 2007, на международной научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики» Республика Татарстан, г. Казань, 2007, на всероссийской молодежной научной конференции «Мавлютовские чтения», Республика Башкортостан, г. Уфа, (2007, 2008), на международном молодежном научно-производственном форуме «Будущее высоких технологий и инноваций за молодой Россией», г. Санкт-Петербург, 2009.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ в различных журналах, сборниках научных трудов и прочих изданиях. Получено 1 свидетельство об отраслевой регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, приложений, списка использованных источников. Изложена на 177 страницах машинописного текста, содержит 25 таблиц, 22 рисунка, 5 приложений, библиографический список содержит 150 наименований.

Похожие диссертации на Совершенствование технологического процесса азотирования на основе методов статистического анализа и моделирования

Изучение газосодержания в благородных металлах при получении изделий, их деформации и термической обработке на основе совершенствования метода газового анализаВолкова Елена Анатольевна

Разработка и применение рентгеновских методов анализа текстурированных и дисперсионно упрочненных материалов на основе титана, никеля и магния для оценки прочности и долговечности конструкцийБецофен, Сергей Яковлевич

Исследования фазовых превращений методами структурного и термического анализа в двухфазных сплавах на основе титанаГадеев, Дмитрий Вадимович

Анализ и моделирование процессов формирования дендритной неоднородности в сталях с целью её устраненияСуфияров, Вадим Шамилевич

Совершенствование технологических процессов изготовления лопаток газотурбинных двигателей из жаропрочных никелевых сплавов с монокристальной структуройСеменова, Ирина Петровна

Изменение фазового состава и свойств сталей в процессе азотирования и его влияние на работоспособность деталей резинотехнического машиностроения Коновальцев Владислав Иванович

Структуро- и текстурообразование в электротехнической анизотропной стали, изготовляемой с использованием процесса азотированияГомзиков Андрей Иванович

Разработка процесса ионного азотирования с предшествующей ему пластической деформацией для повышения контактной долговечности никельсодержащих низкоуглеродистых сталей мартенситного классаЕлисеев, Эдуард Анатольевич

Прогнозирование процессов формирования структуры и свойств в конструкционных сталях при азотированииБай Фан

Анализ влияния легирования и параметров процесса на структуру и свойства азотированных слоев сталей с целью оптимизации состава стали и технологии азотированияБудзыновский Томаш