Введение к работе
Актуальность. В приборо- и машиностроении качество продукции всегда было наиболее актуальным вопросом в виду роли этих отраслей в промышленном хозяйстве развитых государств. Качество и в первую очередь надёжность изделий в основном обусловлены безотказностью работы их подвижных сочленений, а она в свою очередь определяется точностью размеров, формы и взаимного расположения сопрягаемых поверхностей деталей, а также состоянием их поверхностного слоя. Именно решение проблем, связанных с состоянием поверхностного слоя, является одним из средств повышения качества выпускаемой продукции, а, как известно, в условиях конкурентной рыночной экономики качество продукции играет важную роль. Доказано, что на два десятка функциональных свойств поверхности, таких как износостойкость, коррозионная стойкость, отражаемость световых лучей, теплоотражаемость, электрическая прочность, контактная жесткость, пылеудаляемость и др., существенно влияет ее микрогеометрия, поэтому одной из основных задач является обеспечение оптимизации ее для конкретных функциональных свойств в конкретных условиях эксплуатации. Современное приборо- и машиностроение характеризуется сложными условиями эксплуатации, связанными с высоким уровнем действующих напряжений, вибрациями, широким температурным интервалом, агрессивными средами и т.п. Поэтому необходимо соблюдение особых требований к качеству поверхностей для обеспечения надежности и долговечности деталей. По статистике большинство приборов и машин (85-90%) выходят из строя в результате износа поверхностей отдельных деталей, а затраты на ремонт и техническое обслуживание изделий в несколько раз превышают их стоимость. Создание приборов и машин, не требующих капитальных ремонтов, позволяет сэкономить огромное количество финансовых средств, трудовых ресурсов, материалов. Актуальность проблемы оптимизации микрогеометрии поверхностей объясняется ещё и тем, что возможности повышения качества изделий в результате увеличения геометрической точности изделий практически исчерпаны и связаны со значительным увеличением затрат. Поэтому не удивительно, что именно на создание оптимального микрорельефа поверхностей деталей в процессе повышения их качества и делают ставку ведущие приборостроительные и машиностроительные корпорации мира.
Очевидно, что для поиска рациональной шероховатости необходимо иметь критерии, описывающие ее, что естественно, создаст предпосылки для более точных оценок и прогнозов будущей эксплуатации изделий. Традиционно
отечественные и зарубежные исследования шероховатости проводятся с использованием параметрического описания профиля. В настоящее время наиболее часто используемый критерий Ra был бы достаточным для полного описания геометрии профиля, если бы по нему можно было вычислить форму функции распределения ординат профиля, распределения выступов, средний наклон профиля, средний радиус заострения и т.д. Однако этого невозможно сделать. В рамках параметрического подхода технологическое обеспечение функционального свойства поверхности сводится к достижению значения параметра шероховатости, указанной на чертеже. А это фактически означает невозможность оптимизации микрорельефа для конкретного функционального свойства поверхности, т.к. для полного описания профиля требуется от 3 до 25 параметров. Ситуация усугубляется еще и тем, что совокупность параметров часто не отражает действительный характер рельефа. Подтверждается это простым примером: два зеркальных профиля, описывая абсолютно разный рельеф, имеют одинаковый набор параметров. Возникла необходимость в создании нового метода описания микрогеометрии функциональных поверхностей. В работах профессора В.А. Валетова обоснованы недостатки использования параметрических критериев в процессе оптимизации микрогеометрии для конкретных функциональных свойств и предложены непараметрические критерии оценки шероховатости для точного ее описания.
Успешная реализация оптимизационных задач тесно связана с научным изучением процессов, приводящих к изменению поверхностного слоя функциональных поверхностей. Основные экспериментальные исследования в этой области посвящены изучению изменения поверхностного слоя при трении. Действительно, экспериментально доказано, что одним из основных факторов, влияющих на трение-скольжение, является микрогеометрия трущихся поверхностей.
Поэтому научный интерес представляет не только степень и характер влияния микрогеометрии на процесс трения, но и изменение микрогеометрии, установление закономерностей этого изменения. Практическая реализация таких исследований позволит вывести процесс оптимизации микрогеометрии поверхностей на качественно новый уровень, повысив тем самым качество производимых изделий.
Не менее важным условием долговечной и безопасной эксплуатации пар трения является использование качественных консистентных и пластичных смазочных материалов, однако возникает проблема обеспечения постоянного присутствие смазочного материала в узлах трения. Недостаточное количество смазки вызывает повышение температуры в области контакта, приводит к износу подвижных сопряжений, увеличению кинематических погрешностей,
повышению динамических нагрузок, снижению КПД и долговечности узла трения в целом. Решение задачи по поиску оптимального микрорельефа, позволяющего без дополнительного оборудования сохранять смазочный материал в зоне трения, обеспечит увеличение долговечности узла трения и сократит расходы на ремонтные работы.
Таким образом, оптимизация микрогеометрии рабочих поверхностей деталей приборов и машин является актуальной задачей.
Цель работы. Исследование влияния микрогеометрии на конкретные функциональные свойства деталей приборов и машин, основываясь на применении непараметрических критериев оценки и контроля микрогеометрии поверхностей.
Задачи работы:
Проанализировать существующие теории и выполненные исследования по изучению влияния микрогеометрии на конкретные функциональные свойства деталей приборов и машин.
Проанализировать существующие методы описания профиля и возможности их применения в области изучения микрорельефа функциональных поверхностей.
Разработать новую методику определения влияния микрогеометрии поверхности на конкретные функциональные свойства деталей приборов и машин.
Исследовать характер изменения микрогеометрии поверхностей пар трения с применением непараметрических критериев ее оценки и контроля.
Исследовать влияние микрогеометрии поверхности на ее адгезионные свойства.
Разработать рекомендации по технологии оптимизации микрогеометрии функциональных поверхностей деталей приборов и машин.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались основные научные положения теории технологии приборостроения, параметрические исследования выполнены на базе теории случайных функций, а непараметрические - носили, в основном, экспериментальный характер.
Научная новизна результатов заключается в следующем:
Разработана общая методика оптимизации микрогеометрии поверхностей для любого ее функционального свойства.
Впервые экспериментально подтвержден циклический характер изменения микрогеометрии поверхностей пар трения-скольжения.
Впервые были проведены исследования по изучению адгезионных
свойств поверхностей деталей приборов и машин с использованием
непараметрических критериев оценки микрогеометрии.
Практическая ценность выполненных исследований заключается в следующем:
Обоснована методика определения влияния микрогеометрии на функциональные свойства деталей приборов и машин, основанная на использования графиков различных функций, таких как плотности распределения ординат профиля, плотностей распределения тангенсов углов наклона профиля и д.р.
Доказано цикличное изменение микрогеометрии пар трения скольжения.
Предложен быстрый и надежный метод определения влияния микрогеометрии поверхности на ее адгезионные свойства.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
Методика определения влияния микрогеометрии на функциональные свойства деталей приборов и машин, основанная на использовании графиков различных функций.
Результаты исследования характера изменения микрогеометрии поверхностей трения-скольжения.
Результаты исследования влияния микрогеометрии на адгезионные свойства деталей приборов и машин.
Рекомендации по оптимизации микрогеометрии поверхности с учетом полученных экспериментальных данных.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VII, VIII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2010-2011 гг.); на XXXIX, XL, XLI Научной и учебно-методической конференции СПб НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2010-2012 гг.); на десятой сессии международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» ИПМАШ РАН (Санкт-Петербург, 2011 г.); на X, XI международной научной конференции Трибология и Надежность СПбГУПС (Санкт-Петербург, 2010-2011 гг.)
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ в виде научных статей и тезисов докладов, 3 из которых опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 63 наименований. Работа содержит 101 страницу машинописного текста, 47 рисунков, 12 таблиц.
