Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ состояния проблемы 13
1.1 Влияние шероховатости поверхностей на их функциональные свойства 13
1.1.1 Время перемещения поршня во втулке пневматического механизма .14
1.1.2 Усилие распрессовки прессовых соединений 15
1.1.3 Коррозионная стойкость изделий 16
1.1.4 Адгезия лакокрасочных покрытий 17
1.1.5 Непараметрический метод оценки и контроля шероховатости поверхности .19
1.2 Остаточные напряжения в поверхностном слое деталей 21
ГЛАВА 2 Элементы теории и экспериментальные исследования влияния шероховатости поверхностей деталей на их функциональные свойства 25
2.1 Методика определения наилучшей из возможных в данных производственных условиях микрогеометрии, для конкретного функционального свойства поверхности деталей .25
2.2 Математическое моделирование процесса функционирования пневматической пары поршень-втулка 27
2.2.1 Методика определения оптимальной микрогеометрии поверхности, обеспечивающей требуемое значение времени перемещения поршня во втулке пневматического механизма .32
2.3 Исследование влияния шероховатости поверхности на усилие распрессовки прессовых соединений 50
2.3.1 Методика определения оптимальной микрогеометрии поверхности, обеспечивающей наибольшее усилие распрессовки соединений, получаемых поперечной запрессовкой 53
ГЛАВА 3 Влияние шероховатости поверхности металлов и сплавов на коррозионную стойкость и адгезию лакокрасочных покрытий .64
3.1 Влияние шероховатости поверхности детали из сплава Д16Т на коррозионную
стойкость и адгезию лакокрасочных покрытий .64
3.1.1 Исследование коррозионной стойкости корпусов из алюминиевого сплава Д16Т 66
3.1.2 Исследование адгезии лакокрасочных покрытий и поверхности корпусов из алюминиевого сплава Д16Т 73
3.2 Влияние шероховатости поверхности детали из материала Сталь 40 на коррозионную стойкость и адгезию лакокрасочных покрытий .80
3.2.1 Исследование коррозионной стойкости корпусов из материала Сталь 40 .82
3.2.2 Исследование адгезии лакокрасочных покрытий и поверхности корпусов из материала Сталь 40 87
ГЛАВА 4 Исследование напряженного состояния в поверхностном слое деталей из сплава АМ5 .96
4.1 Возникновение остаточных напряжений в деталях из алюминиевого сплава АМг5 при ротационной вытяжке .96
4.2 Методика по установлению приемлемой величины остаточных напряжений в исследуемых деталях, путем применения метода неразрушающего контроля .100
Заключение 109
Литература .
- Усилие распрессовки прессовых соединений
- Непараметрический метод оценки и контроля шероховатости поверхности
- Методика определения оптимальной микрогеометрии поверхности, обеспечивающей требуемое значение времени перемещения поршня во втулке пневматического механизма
- Влияние шероховатости поверхности детали из материала Сталь 40 на коррозионную стойкость и адгезию лакокрасочных покрытий
Усилие распрессовки прессовых соединений
На производстве широко применяются механизмы типа поршень-втулка, к которым предъявляются жесткие требования ко времени перемещения поршня относительно втулки. Время перемещения строго регламентировано и должно находиться в определенных пределах. Чтобы обеспечить данное требование проводится селективная сборка пар втулка – поршень. Селективная сборка реализуется не только предварительной сортировкой на группы по их размерам, но и непосредственным подбором пар. Вариантов комплектации существует множество, а также не исключается вероятность некомплектации. Все это затрудняет процесс серийного производства механизмов данного типа. Учитывая это, на производстве была поставлена задача проанализировать причины, которые препятствуют комплектации пар втулка – поршень при выполнении сортировки и предложить решение.
В данной работе (во второй главе) впервые будет проанализировано влияние шероховатости поверхности на время перемещения поршня относительно втулки при работе пневматического механизма типа поршень-втулка. 1.1.2 Усилие распрессовки прессовых соединений
Как было уже ранее отмечено, в сферу деятельности комбината «ВМЗ» АО входит и производство нестандартного оборудования. В состав такого оборудования часто входят разные прессовые сборки, с помощью которых осуществляется передача определенных осевых нагрузок и(или) крутящих моментов. Во время работы оборудования эти соединения подвергаются циклическим вибрациям, что уменьшает их долговечность и безопасность во время эксплуатации. Данное обстоятельство обуславливает необходимость повышения надежности таких соединений.
Учитывая, что качество неподвижных соединений в значительной мере определяется микрорельефом поверхностей, по которым производится сопряжение, были предложены различные способы решения этой задачи.
В работах [12, 13] была выявлена взаимосвязь между прочностью прессовых соединений и геометрическими параметрами их шероховатости - радиусом закругления вершин неровностей г, коэффициентом заполнения профиля кзап, числом выступов на единицу поверхности N и т.д. Исследование профессора Шнейдера Ю.Г. [12] показало, что „создание регулярного микрорельефа на сопрягаемых поверхностях соединяемых деталей существенно повышает прочность неподвижных соединений, что объясняется тем, что наибольшей прочностью при прочих равных условиях обладают соединения с одинаковой высотой и формой неровностей и с одинаковым (или кратным) их шагом.
В работах [14 - 20] предлагается повышение качества неподвижных соединений проводить путем нанесения на контактирующие поверхности регулярного микрорельефа или частично-регулярного микрорельефа с последующим дорнованием соединения. Для регуляризации микрорельефа охватывающей поверхности применялось накатывание (пластическое деформирование) роликами с деформирующими элементами конусной или пирамидальной формы. При этом, шероховатость поверхности характеризовалась параметрами частично-регулярного микрорельефа: в - углом направления неровностей, hy - осевым шагом, hx - круговым шагом неровностей, h - глубиной неровностей, Sф – фактической площадью поверхности, которые определяют необходимые значения показателей прочности соединения.
Одним из важнейших эксплуатационных свойств деталей машин является коррозионная стойкость, под которой понимают способность поверхностных слоев сопротивляться разрушающему воздействию внешней среды [21 - 25]. Повышение коррозионной стойкости материалов, используемых на производстве «ВМЗ» АО обусловлено продолжительностью процессов изготовления деталей из-за возможности возникновения больших промежутков времени между этапами механической обработки и нанесением лакокрасочного покрытия. В эти моменты поверхность деталей незащищена от неблагоприятного воздействия окружающей среды, что может привести к появлению коррозии.
Имеющиеся работы [21, 22, 23] не дают исчерпывающих данных о степени влияния параметров состояния поверхностного слоя деталей на их коррозионную стойкость в атмосферной среде. Корродирование металлов в значительной мере определяется их удельной активностью, которая является свойством физико-химического состояния поверхностного слоя и окружающей среды.
В работе [24] доказано, что „коррозионная стойкость деталей машин в основном определяется физико-химическим состоянием их поверхностного слоя (степенью наклепа) и в меньшей степени зависит от геометрических параметров шероховатости поверхности (Ra, Rq, Rmax, Sm, tm.).
В работе [12] также говорится об „отрицательном влиянии наклепа на коррозионную стойкость, но предлагается повысить ее с помощью регуляризации микрорельефа поверхности. Было доказано, что два конкурирующих фактора воздействуют на сопротивление коррозии поверхностей, обработанных давлением. С одной стороны, происходит сглаживание неровностей исходной поверхности и образование микрорельефа с впадинами, радиус которых значительно больше чем у обработанных любым способом резания, что определяет меньшую концентрацию в них продуктов, вызывающих коррозию. В результате коррозионная стойкость повышается. С другой стороны, неоднородный характер пластической деформации приводит к возникновению разности потенциалов между неодинаково деформированными кристаллами, т.е. к образованию множества гальванических пар, являющихся причиной коррозии, и коррозионная стойкость снижается. При экспериментальных исследованиях влияния характеристик качества поверхности деталей на их коррозионную стойкость, шероховатость представлялась как набор различных параметров: радиусов заострения вершин г и впадин г неровностей, коэффициентов заполнения профиля кзап и т. д.
Отсюда следует необходимость проведения экспериментально-исследовательских работ по уточнению корреляционной зависимости между шероховатостью поверхности и ее коррозионной стойкостью.
Необходимость оптимизации шероховатости поверхности по отношению к адгезии лакокрасочных покрытий в данной работе обусловлена, в основном, двумя факторами. Первый фактор заключается в том, что адгезия является основополагающим свойством лакокрасочных пленок, которое определяет защитные свойства поверхности. С другой стороны, оптимизация шероховатости поверхности позволит увеличить коэффициент запаса адгезии от негативного влияния нарушенных условий проведения лакокрасочных работ. Остановимся на теории самого процесса адгезии. Различают несколько механизмов возникновения адгезии [26]: - молекулярный, согласно которому адгезия возникает под действием межмолекулярных ван-дер-ваальсовых сил и водородных связей; - электрический, который связывает адгезию с возникновением двойного электрического слоя на границе раздела между адгезивом и субстратом; - диффузионный, предусматривающий взаимное проникновение молекул и атомов в поверхностные слои взаимодействующих фаз;
Непараметрический метод оценки и контроля шероховатости поверхности
Расчеты по проверке адекватности модели крутого восхождения аналогичные вышеприведенным.
Анализируя результаты в таблице 2.7, можно сделать вывод о том, что в зоне требуемого оптимума входят образцы из опытов №17-19. Величина времени перемещения образцов, участвующих в опыте №20 уже выходит за пределы искомой области. Учитывая, что значение параметра оптимизации в опыте №18 ближе всего к требуемому оптимуму, микрорельеф образцов из данного опыта был принят за оптимальный в данных производственных условиях.
До того, как были проведены эксперименты, с поверхности каждого образца была снята информация о шероховатости. Были получены графические критерии, которые были занесены в модель базы данных (Приложение A1). Учитывая результаты в таблице 2.6 и таблице 2.7 можно сделать вывод о существенном влиянии микрогеометрии поверхностей втулок и поршней на время их взаимного перемещения в механизме. При контроле шероховатости конкретных поверхностей втулок и поршней было предложено использовать графики плотности распределения тангенсов углов наклона и безразмерных ординат профилей. В качестве примера, приведены эталонные графики «Плотность распределения тангенсов углов наклона профиля» и назначены допуски на возможные отклонения при контроле в серийном производстве для втулок и поршней (рисунок 2.10).
Эталонный график «Плотность распределения тангенсов углов наклона профиля» с допуском на возможные отклонения: а ) для втулок, б) для поршней. На рисунках показаны графики, удовлетворяющие требуемому значению времени перемещения, которые входят в поле допуска и другие графики, которые выходят за поле допуска, так как не удовлетворяют требования
Величина допуска на рисунке 2.10 выбрана 30%. Это обусловлено полученным разбросом при наложении графиков всех поверхностей с подходящим значением функционального свойства.
Определив в результате эксперимента наилучший (эталонный) из возможных микрорельефов для данного функционального свойства поверхности, появилась возможность получить технологические методы воспроизведения данного микрорельефа [2, 37]. Технология обработки всех образцов была занесена в модель базы данных (Приложение А1). Результаты лучших экспериментов были введены в техпроцессы изготовления серийных образцов.
Технологию получения наилучшей (эталонной) микрогеометрии можно обеспечить следующими технологическими режимами (см. таблицу 2.8).
Режимы обработки Полирование втулок на полировальном автомате MORARА Шлифование поршней на шлифовальном автомате KU 250-02 Sпол , мм/мин Vпол , м/с Skp , м/мин Vшл. кр, м/с Значения 0,572 34 49,2 29,8 Выводы по параграфу 2.2 Проведенное исследование на базе теории планирования эксперимента позволило определить значения времени перемещения поршня во втулке пневматического механизма при разной шероховатости сопрягаемых поверхностей. Была получена математическая модель процесса, показывающая взаимосвязь времени перемещения узлов в механизме и режимов их технологической обработки. Была определена оптимальная шероховатость поверхности втулки и поршня, представленная параметрами технологического процесса изготовления деталей, при которой обеспечивается требуемое значение времени перемещения в механизме при выполненной селекции пар втулка – поршень. Контроль оптимальной микрогеометрии предложили проводить с помощью непараметрических критериев оценки и контроля шероховатости поверхности, позволяющих достаточно полно описать требуемый микрорельеф поверхностей деталей.
Влияние шероховатости поверхности на усилие распрессовки прессовых соединений В сферу деятельности комбината «ВМЗ» АО также входит производство различных инструментов и нестандартного оборудования. Эта продукция характеризуется сложными условиями эксплуатации, где отклонения размеров, формы и расположения поверхностей даже одной из деталей вызывают отклонения формы или отклонения в расположении других деталей сборочной единицы. Эти отклонения, в сумме, оказывают определенное воздействие на эксплуатационные показатели всей конструкции. Учитывая вышесказанное, на предприятии было предложено проанализировать возможность повышения качества изготавливаемых прессовых соединений, с использованием существующего на заводе инструментального оборудования. Исследуемый образец
Чтобы создать разный исходный микрорельеф, на каждом образце (группе образцов) были использованы различные методы и режимы обработки [61]. Технология обработки каждого образца и режимы обработки представлены в таблице 2.9 и в модели базы данных (Приложение А2) .
Методика определения оптимальной микрогеометрии поверхности, обеспечивающей требуемое значение времени перемещения поршня во втулке пневматического механизма
Изложенное выше позволяет привести следующие утверждения. 1. Проведенное исследование позволило выявить наилучшие уровни функционального воздействия поверхности (коррозионная стойкость и адгезия лакокрасочных покрытий) образцов из материала сталь 40 в зависимости от шероховатости их поверхности. 2. Получены математические модели, описывающие процессы обеспечения наименьшей глубины проникновения коррозии в поверхность материала и обеспечивающие наилучшую степень адгезии лакокрасочного покрытия к поверхности материала. 3. Получены технологические режимы, при которых обеспечивается наименьшая глубина проникновения коррозии в поверхность материала и обеспечивающие наилучшую степень адгезии лакокрасочного покрытия к поверхности материала. 4. Определена оптимальная шероховатость поверхности детали, контроль которой предложено осуществлять на основе критерия «Плотность распределения ординат профиля» отдельно для каждого свойства. 5. Так как приведенные графики (для одной и тоже поверхности – рисунок 3.16 и рисунок 3.19) отличаются друг от друга, было предложено определить приоритетное из этих двух свойств конкретно к данной детали и применить его в качестве эталона (рисунок 3.20). Рисунок 3.20 – Сравнение эталонных графиков плотности распределения ординат профиля наилучшей адгезии (представлена как эталон с указанием поля допуска) и наилучшей коррозионной стойкости (представлена как график сравнения)
В конкретном случае приоритетным свойством поверхности также была определена адгезия лакокрасочного покрытия, как более надежный критерий антикоррозийной защиты поверхности стальной детали. Выбрав в качестве эталона график на рис. 3.19, был проведен дополнительный эксперимент. Были обработаны образцы на режимах, обеспечивающих получение шероховатости поверхности, представленной графиком на рис. 3.19 и подвергнуты исследованию на коррозионную стойкость по описанной в параграфе 3.2.1 методике. Результаты отличались не более, чем на 23% от наилучших результатов образцов, шероховатость поверхности которых представлена графиком на рис. 3.16, что в данном случае является приемлемым результатом. Так как полученные результаты позволили обеспечить лучшую коррозионную стойкость металлов по сравнению с существующими технологиями.
Выводы по третьей главе
С использованием непараметрических критериев оценки и контроля шероховатости поверхности проведен процесс оптимизации микрогеометрии поверхности для конкретных функциональных свойств: коррозионная стойкость для материалов Сталь 40 и алюминиевого сплава Д16Т, адгезии лакокрасочного покрытия к поверхности материалов Сталь 40 и сплава Д16Т. С помощью теории планирования эксперимента для каждого из этих свойств поверхности была получена математическая модель, описывающая связь между исследуемым свойством и шероховатостью поверхности. В завершении процесса оптимизации были определены лучшие из возможных в конкретных производственных условиях шероховатости поверхностей, контроль которых предложено проводить с использованием графиков плотности распределения ординат и тангенсов углов наклона профилей.
Проведенные процессы оптимизации шероховатости поверхности деталей позволили не только повысить их качество (долговечность), но и увеличить производительность изготовления, уменьшить расходы на серийное производство этих деталей: отсутствие необходимости нанесения гальванического покрытия перед процессом нанесения краски на поверхность деталей из материала Д16Т позволило увеличить на 1,5 % производительность производства данных деталей и уменьшить на 2 % технологическую себестоимость их изготовления; отсутствие необходимости нанесения гальванического покрытия перед процессом нанесения краски на поверхность деталей из материала Сталь 40 позволило увеличить на 10 % производительность производства данных деталей и уменьшить на 10 % технологическую себестоимость их изготовления. Это позволило уменьшить ограничения технологического процесса и уменьшило использование оборудования, требующего энергоемких затрат. Глава 4 Исследование напряженного состояния в поверхностном слое деталей из сплава АМг5
В различных отраслях промышлености широкое распространение нашли осесимметричные детали [71], изготавливаемые ротационной вытяжкой из листовых заготовок алюминиевых сплавов АМг3, АМг5, АМг6 и др.
Известно [72], что в основе ротационной вытяжки деталей лежат три принципа (рисунок 4.1): объемы исходной заготовки и готовой детали равны; положение любого элементарного объема относительно оси в исходной заготовке соответствует его положению в готовой детали; толщина стенки готовой детали и толщина исходной заготовки связаны между собой определенной зависимостью, известной как закон синуса & = S0sina.
Влияние шероховатости поверхности детали из материала Сталь 40 на коррозионную стойкость и адгезию лакокрасочных покрытий
С использованием непараметрических критериев оценки и контроля шероховатости поверхности проведен процесс оптимизации микрогеометрии поверхности для конкретных функциональных свойств: коррозионная стойкость для материалов Сталь 40 и алюминиевого сплава Д16Т, адгезии лакокрасочного покрытия к поверхности материалов Сталь 40 и сплава Д16Т. С помощью теории планирования эксперимента для каждого из этих свойств поверхности была получена математическая модель, описывающая связь между исследуемым свойством и шероховатостью поверхности. В завершении процесса оптимизации были определены лучшие из возможных в конкретных производственных условиях шероховатости поверхностей, контроль которых предложено проводить с использованием графиков плотности распределения ординат и тангенсов углов наклона профилей.
Проведенные процессы оптимизации шероховатости поверхности деталей позволили не только повысить их качество (долговечность), но и увеличить производительность изготовления, уменьшить расходы на серийное производство этих деталей: отсутствие необходимости нанесения гальванического покрытия перед процессом нанесения краски на поверхность деталей из материала Д16Т позволило увеличить на 1,5 % производительность производства данных деталей и уменьшить на 2 % технологическую себестоимость их изготовления; отсутствие необходимости нанесения гальванического покрытия перед процессом нанесения краски на поверхность деталей из материала Сталь 40 позволило увеличить на 10 % производительность производства данных деталей и уменьшить на 10 % технологическую себестоимость их изготовления. Это позволило уменьшить ограничения технологического процесса и уменьшило использование оборудования, требующего энергоемких затрат. Глава 4 Исследование напряженного состояния в поверхностном слое деталей из сплава АМг5
Известно [72], что в основе ротационной вытяжки деталей лежат три принципа (рисунок 4.1): объемы исходной заготовки и готовой детали равны; положение любого элементарного объема относительно оси в исходной заготовке соответствует его положению в готовой детали; толщина стенки готовой детали и толщина исходной заготовки связаны между собой определенной зависимостью, известной как закон синуса & = S0sina.
Из схемы видно, что каждый элемент объема заготовки сдвигается параллельно оси оправки, оставаясь в вытянутой детали на том же расстоянии от оси. При этом фактическая толщина стенки уменьшается, тогда как „осевая толщина, определяемая параллельно оси оправки, остается без изменения. Процесс ротационной вытяжки характеризуется локализацией деформации в небольшой зоне обрабатываемого металла, перемещение которой, вследствие вращения заготовки и подачи инструмента по заданным траекториям, приводит к необратимому изменению формы и получению нужного изделия [73]. Как и каждая другая технологическая операция изготовления деталей приборов из металлов и сплавов, данный процесс сопровождается накоплением или перераспределением остаточных напряжений, которые могут оказывать существенное влияние на эксплуатационные характеристики изделий. Причиной возникновения внутренних напряжений при ротационной вытяжке является очаг пластической деформации. Появление таких напряжений может привести к локальным деформациям и дефектам заготовки. Увеличение сжимаемых напряжений может привести к гофрообразованию, а растягивающие напряжения могут привести к образованию окружных трещин [74]. Оба последствия являются браковочными показателями изделий. Это обуславливает необходимость в контроле распределения внутренних напряжений по глубине поверхностного слоя заготовок в процессе проведения ротационной вытяжки.
Исследуемый образец На производстве важно определить возможность вытяжки с утонением стенки заданного профиля из применяемых материалов без появления трещин. Применение метода последовательных попыток, который позволял делать только ориентировочные выводы, приводило при освоении производства новых изделий к значительному браку в виде трещин, расслоений и других дефектов (рисунок 4.2). Поэтому разработка ускоренных и экономичных методов определения способности материалов к ротационной вытяжке имеет важное практическое значение. Рисунок 4.2 – Дефект детали В качестве объекта исследования использована деталь из сплава АМг5, приведенная на рисунке 4.3.
С целью снятия остаточных напряжений в поверхностном слое заготовок, между этапами ротационной вытяжки проводится термообработка. Процесс ротационной вытяжки характеризуется локализацией деформации в небольшой зоне обрабатываемого металла, перемещение которой, вследствие вращения заготовки и подачи инструмента по заданным траекториям, приводит к необратимому изменению формы и получению нужного изделия. Степень деформации материала АМг5 варьирует в пределе между 60% и 70%. Вычисление = (1-sin)100% для процесса, связанного с конкретной деталью показывает : первый этап ротационной вытяжки – = 67% второй этап ротационной вытяжки - = 40% третий этап ротационной вытяжки - = 33%
Высокое значение степени деформации на первом этапе вытяжки, обусловлено минимальным количеством переходов, может привести к локальной потере устойчивости толщины стенки заготовок вследствие накопления внутренних напряжений в поверхностном слое заготовок.
