Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Современные требования к деталям машин таковы, что традиционные методы обработки часто не позволяют эффективно получать необходимые значения параметров качества поверхностей. В результате все шире применяются высокоинтенсивные методы, в основу которых положено использование концентрированных источников энергии и вещества (плазменных и электродуговых, ионных и электронных), формообразующих инструментов (режущих и деформирующих) и их различных сочетаний . в процессах комбинированной обработки.
При высокоинтенсивной комбинированной обработке поверхностный слой детали поглощает в короткое время значительное количество энергии, которая аккумулируется в нем, образуя неравновесные диссипативные структуры. Обладающие высокой энергией неустойчивые структуры самопроизвольно стремятся к состоянию с меньшей свободной энергией. С течением времени структуры переходят в более устойчивое состояние термодинамического равновесия, при котором свободная энергия поверхностного слоя минимальна. Аккумулированная структурами вігутренияя энергия уменьшается, а связанная энергия системы (представляемая произведением температуры на энтропию) возрастает. Происходящие при этом в поверхностном слое процессы наследственности и самоорганизации путем наложения и совместных действий, внесенных и трансформированных потоков энергии и вещества ведут к образованию комплекса структур.
Управление процессами поглощения энергии И вещества, при послойном прохождении высокоинтенсивных, воздействий, дает возможность создавать требуемые в эксплуатации структуры и "конструировать" поверхностные слои, повышающие прочность и износостойкость Детали. Устойчивость образования структур определяется диффузией компонентов и энергетическим состоянием как самих структур, так и их поверхностей раздела. Поэтому для послойного разграничения свойств Материала детали требуется рассматривать устойчивые при внешних воздействиях поверхности раздела" слоев - технологические барьеры.
В результате создается возможность сквозной оценки и управления Свойствами материала детали на различных структурных уровнях при формировании требуемых значений параметров качества обработки, что определяет Необходимость выполнения данной работы и ее актуальность.
Связь с крупными научными программами и темами. Работа выполнена в соответствии с программой, утвержденной решением Комиссии Президиума Совета Министров Республики Беларусь по вопросам Научно-технического проіресса (протокол № 5 (123) от 1 декабря 1993 г.); проектом "Самоорганизация поверхностных явлений при интенсивной обработке и ?кс-
плуатации изделий" (T96-J05), поддержанным Белорусским республиканским фондом фундаментальных исследований; в рамках республиканских научно-технических программ "Матсриал-30" (раздел 2); "Инструмент" (раздел 4.04); "Триботехника" (раздел 2.06); программ фундаментальных исследований "Поверхность", "Машиностроение".
Цель и задачи исследования: создание теоретических и технологических основ интенсификации процессов механической и физико-технической обработки, базирующихся на наследственности и самоорганизации поверхностных явлений при управлении формированием структур и фаз, повышающих прочность и износостойкость деталей машин.
Указанная цель достигается решением следующих задач:
-
Разработать концепцию повышения качества и производительности поверхностной обработки, заключающуюся в "конструировании" струкгур и фаз технологическими воздействиями, посредством использования наследственности и самоорганизации поверхностных явлений.
-
Сформировать структуры и фазы, образующие: зону термодеформационного упрочнения при измельчении зерна, повышении плотности покрытия в процессе ротационного резания хромоникелевых наплавок с плазменным электродуговым нагревом; зону диффузии основы легирующими элементами быстрорежущих сталей в процессе электромагнитной наплавки с поверхностным деформированием. Провести: анализ формирования поверхностных, конвекционных течений, создающих ячеистые структуры в процессе электроннолучевого оплавления титановых сплавов с покрытиями; анализ релаксации и диссипации ионных потоков, образующих интерметаллидные фазы в процессе имплантации с осаждением хрома на быстрорежущую сталь.
З.Разработать математическую модель, описывающую структурные изменения и фазовые переходы в процессах термомеханической, физико-химической и лучевой обработки, для определения критериев (Ре, Re, Mr, Gr, R1) формирования структур и фаз поверхностных слоев.
4.Установить закономерности совместных тепловых и деформационных воздействий при формировании геометрических (Ra, Rz, Rmax, Sm, S , tp, г*) и физико-механических (HRC3, HV, H^, 0|, оц, D, p*) параметров, обеспечивающих прочность и износостойкость (5„, со) поверхностным слоям покрытий, для оптимизации (v, v , S) черновой и чистовой обработки.
5.Определить особенности взаимовлияния термодеформационных и электрофизических процессов, при использовании плазменных и электродуговых потоков, зависящих от пространственных и временных (L, т) факторов, свойств инструментальных'и обрабатываемых материалов (X , u ) для управления обраннями связями между і сомётрнческими и фіпнко-механическими парамет-
рами качества.
6.Выявить механизмы взаимодействия с поверхностью электронных и ионных потоков при изменении структуры зерен и внутреннего строения кристаллов для ограничения интенсивности потоков энергии, определения состава компонентов вещества и количества технологических воздействий
7.Создать процессы: ротационного резания с плазменным электродуговым нагревом хромоиикелсвых покрытий, электромагнитной наплавки быстрорежущих сталей с поверхностным деформированием, обеспечивающие исключение ряда операций термической и механической обработки и повышение в 1,5. .2 раза износостойкости упрочненных деталей.
Методы исследований. Работа выполнена на основе структурно-энергетического подхода к поверхностным явлениям, физико-химического анализа процессов высокоинтенсивно'и комбинированной обработки и с использованием фундаментальных положений термодинамики, физики твердого тела, механики жидкости и газа, электродинамики, квантовой механики. В работе применялись современные экспериментальные методы изучения поверхностного слоя: оптическая металлоірафия, рентгеноструктурный, микрорентгеноспек-тральнын анализ, растровая электронная микроскопия. Планирование экспериментов, обработка и анализ полученных данных проводились на ЭВМ с использованием методов математической статистики.
Научная новизна полученных результатов:
> обосновано использование для анализа процессов "конструирования" и фюрмирования поверхностных слоев деталей уравнения Гиббса (Ф=(К+П)-С), позволившее установить взаимовлияние последовательных и параллельных воздействий потоками вещества и энергии на обрабатываемую поверхность; это дало возможность создавать структуры и фазы, образующие зоны термодесЬор-маиионного упрочнения, диффузионного н конвективного легирования, ионного модифицирования;
разработана математическая модель, описывающая структурные изменения и фазовые переходы в процессах термомеханической, физико-химической и лучевой обработки, которая позволяет по термодинамическим критериям (Ре, Re, Mr. Gr, R1) определять последовательность процессов образования структур и фаз при увеличении мощности (Pv, Ш, q) воздействий;
описаны величиной и положением технологических барьеров условные' поверхности раздела структур и фаз для послойного формирования физико-ме: анических свойств (MV, Н^, 0|, оц, D, Q) поверхностей, которые обеспечивают им прочность и износостойкость (5Н, R(i); технологические барьеры определяют граничные услочия процессов механической и физико-технической обработки по глубина поверхностного слоя;
установлена цикличность состояний в процессах формирования структур I фаз поверхностных слоев, обусловленная переходом объемной вязкости тех-(ологнческой среды через ротационную в динамическую (С, -> и -» т|); определены типы устойчивости (If!/, ПІД, НС), позволившие выявить стаднії структу-эообразования и виды изнашивания поверхностей в зависимости от интенсивности нагрева и скорости формообразования (I, v) и оптимизировать но термо-цинамическим критериям (Ре, Re , Pr ) термомеханическую обработку;
определены механизмы действия обратных связей между геометрическими (Ra, Sm) и физико-механическими (HV, HRC3) параметрами поверхностных слоев - положительной при формировании и отрицательной при упрочнении поверхностей деталей-и обеспечено управление потоками энергии и вещества посредством обратных связей дня оптимизации нестабильных показателей процесса (К, Q) по парамеграм производительности (v, S) и качества (8,,, Є(>) физико-химической обработки;
разработаны методы ограничения мощности и количества воздействии на поверхность путем использования технологических барьеров; методы управления посредством организации обратных связей и методы оптимизации комбинированных воздействий потоками вещества и энергии, позволяющие проектировать высокоэффективные процессы механической и физико-технической обработки.
Практическая значимость полученных результатов заключается в:'
разработанных способах высокоинтенсивной комбинированной обработки деталей при деформировании и резании вращающимся инструментом нагретой поверхности (ас. № 1685610), при резании с нагревом и подачей сма-зочно-охлаждающей технологической' среды ротационным инструментом (ас. № 1717286), при резании нагретой до оплавлення поверхности ротационным резцом (ас. № 1748955) и др.;
рекомендациях по выбору потоков энергии и проектированию инструментов и оснастки для повышения производительности комбинированной обработки и качества поверхностного слоя при нанесении покрытий, термообработке, резании и деформировании;
методиках определения технологических барьеров, расчета структурной устойчивости состояний рабочей зоны технологической системы, выявления обратных связей между параметрами процесса, применяемых при проектировании высокоинтёнсивной комбинированной обработки деталей;
статистических зависимостях производительности и качества обработки износостойких покрытий, устанавливающих оптимальные режимы ротационного резания с плазменным нагревом, электродуговой наплавки проволоки с упрочняющей ротационной обработкой, электромагнитной наплавки с поверхне-
стпым пластическим деформированием, маппгшо-абразиБНОго полирования;
рекомендациях по назначению рационального маршрута обработки, обеспечивающего увеличение в 2...3 раза производительности восстановления и повышение в 1,5...2 раза износостойкости поверхностей деталей, упрочненных покрытиями на хромоннкелевой и железной основе.
Результаты работы внедрены в учебный процесс подготовки студентов машиностроительных специальностей вузов Республики Беларусь.
Экономическая значимость полученных результатов. Годовой экономический эффект от внедрения результатов работы на Вяземском заводе графиковых изделий (НПО "Ссюзуглерод") при ротационном точении электродов в 1990 г. составил б тыс. руб.. Па заводе "Измеритель" г. Повополоцка (Министерство общего машиностроения СССР) при использовании пакета прикладных программ по проектнроваппіо режущего инструмента в 1990 г. - 19 тыс. руб. На Полоцком авторемонтном заводе (НПО "Аі ромашремонт") при ротационном резании износостойких покрытий на гильзах цилиндров двигателей, ротационной обработке, совмещенной с наплавкой проволоки при восстановлении распределительных палов,в 1990 г.' И тыс. руб. и при использовании металлорежущих инструментов н штампов, упрочненных ионной имплантацией с осаждением покрытая, в 1995 г. - 624 млн. руб. На Полоцком районном агропромышленном объединении при восстановлении электромагнитной наплавкой с пластическим деформированием поверхностей валов глубинных насосов в 1993 г.-116 млн. руб.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту. Автор защищает создание теоретических и технологических основ высокоинтенсивной комбинированной обработки деталей, включающих:
1: Концепцию повышения качества и производительное поверхностной обработки, заключающуюся в "конструировании" структур и фаз посредством использования наследственности и самоорганизации поверхностных явлений при последовательных и параллельных воздействиях потоками энергии и вещества. Структуры и фазы формируют зоны термодеформационнсго упрочнения, диффузионного и конвективного легирования, ионного модифицирования, которые обеспечивают прочность и износостойкость поверхностным слоям.
-
Математическую модель, описывающую структурные изменения и фазовые переходы в процессах термомеханической, физико-химической и лучевой обработки, устанавливающую последовательность формирования структур и фаз при увеличении мощности (Pv, NJ, q) воздействий, используя термодинамические критерии (Ре, Re, Mr, Gr, Rl).
-
Методики расчета структурной устойчивости состоянии рабочей зоны технологической системы її" изменениям силы фц^юоС-рлзовянич поверхности,
определения нач&чьных условий процессов формирования поверхностных слоев - величиной потока энергии, граничных условий - величиной и положением технологических барьеров.
4. Циклические зависимости состояний рабочей зоны (НУ, ПІД, НС) в про
цессах формирования структур и фаз поверхностного слоя от интенсивности
нагрева и скорости формообразования (I, v), обусловленные переходом объем
ной вязкости технологической среды через ротационную в динамическую (С, ->
и -> П)
5. Обратные связи между геометрическими (Ra, Stn) и физико-
механическими (HV, HRC3) параметрами поверхностных слоев - по
ложительные при формировании поверхности, связанные с разрушением мате
риала, и отрицательные при упрочнении, обусловленном етруктурообразовани-
ем в поверхностном слое.
-
Методы ограничения мощности и количества воздействий на поверхность путем использования технологических барьеров; методы управления посредством организации обратных связей и методы оптимизации комбинированных воздействий поюками вещества и энепгии, основанные на анализе наследственности и самоорганизации поверхностных явлений.
-
Маршруты обработки и режимы операций, целесообразные с позиций технологической наследственности и самоорганизации поверхностных явлений: наплавка проволоки с упрочняющей ротационной обработкой или электромагнитная наплавка порошка с поверхностным пластическим деформированием, ротационное резание с плазменным паї ревом и (пли) алмазное шлифование, магнитно-абразивное полирование.
Личный вклад соискателя. Решена актуальная научно-техническая проблема - сформированы теоретические предпосылки "конструирования" структур и фаз на основании наследственности и самоорганизации поверхностных явлений, позволяющие проектировать процессы высокоинтенсивной комбинированной обработки деталей. При выполнении работы соискателем:
проведены исследования процессов поверхностного пластического деформирования и ротационного упрочняющего резания сталей и сплавов, износостойких покрытий на железной и хромоникелевой основе; механической обработки жаропрочных сплавов, высокопрочных наплавок с электродуговым плазменным нагревом; оплавления нанесенных покрытий и наплавки проволоки с упрочняющим резанием, деформированием и др., что обеспечило создание методов оптимизации комбинированных воздействий;
обработаны результаты экспериментов по плазменному напылению и оплавлению хромоникелевых порошков, электромагнигнои наплавке порошков ннстр\ментальных сталей и ферропорошков, магнитно-абразивному нолпрова-
ншо износостойких, высокопрочных покрытий и др., что позволило разработать методы управления обратными связями;
проанализированы экспериментальные данные по электроннолучевому нагреву поверхностей титановых сплавов с гальватгческими хромоникелевыми, детонационными на кобальтовой и никелевой связках покрытиями; ионной имплантации с осаждением хрома на поверхности инструментальных сталей, и др., что дало возможность предложить методы ограничения мощности и количества воздействий.
Апробация резульгатоз диссертации. Основные положения и результаты работы были доложены и обсуждены на 64 научно-техлнческих конгрессах, симпозиумах, конференциях и семинарах, в том числе на 29 международных: International simposiiim он the tribology of friction materials: YAROFRI-91 (Yaroslavl, 1991), Soviet - American conference "New materials and technologies in tribology" (Minsk, 1992), 6-th International congress on tribology: EUROTRIB'93 (Budapest, 1993), Seminar "Nonlinear phenomena in complex systems" (Polotsk, 1993, 1994, Minsk, 1995), "Актуальные проблемы фундаментальных наук" (Москва, 1994), ' Компьютерные технологии в промышленности" (Киев, 1994), "Отделочно-упрочняющая технология в машиностроении" (Минск, 1994), "Износостойкость машин" (Брянск, 1994, 1996), "Оснастка-94,95" (Киев, 1994, 1995), "Прогрессивная техника и технологии машиностроения" (Севастополь, 1995), "Лазерные и физико-техннческне методы обработки материалов" (Алушта, 1995), "Циклы природы и общества" (Ставрополь, 1995), "Совершенствование пгзцессов финишной обработки в машнно- и приборостроении, экология и защита окружающей среды" (Минск, 1995), "Технология-96" (Новгород, 1996) и "Машиноведение-96" (Гомель, 1996), "Современные проблемы машиностроения и научно-технический прогресс'' (Севастополь, 1996), "Синергетика, структура и свойства материалов, самоорганизующиеся технологии" (Москва, 1996) и др.
Онублнкопанносгь результатов. По теме диссертации опубликовано 145 печатных работ (1330 страниц), в том числе: 2 уебных пособия (в соавторстье), I монография, 67 статен (из них 18 без соавторов, 21 в международной печати), 75 тезисов докладов на конференциях (из них 34 на международных), 3 авторских свидетельства СССР на изобретения.
Структура її объем диссертации. Диссертация содержит введение, общую характеристику работы, шесть глав, выводы, список использованных источников и приложение (отдельная часть). Включает 198 страниц текста, 61 иллюстрацию, 48 таблиц, библиографию из 301 наименования и приложение на 75 страницах.
