Введение к работе
Актуальность проблема. Эффективность функционирования (точнос-ь позиционирования, герметичность, несущая способность газового ноя, надежность , долговечность и т.п.) многих машин, механизмов и эиборов обусловлена качеством пзготовлвшія и работоспособностью эецизионных пар трения. Детали прецизионных пар трения изготавлива-р с большой точностью, высокой чистотой поверхности л, как правило, з твердых и высокотверднх материалов.
Основными требованиями, предъявляемыми к прецизионным парам зляется малая величина износа за весь период работы, высокие изкос-згойкость и стабильность малых по величине сил трения между деталя-і п контактная прочность.
Обеспечение качества и работоспособности прецизионных пар трен-\ достигается рациональным конструированием, подбором ысокоэффект-зных материалов и методов их технологической обработки, выбора сма-эчннх материалов и покрытий.
Б дело создания новых машиностроительных материалов и улучшения с свойств объектом повышенного внимания.исследователей и разработч-сов являются поверхностные слои твердых тел. Именно они в значител-юй степени ответственны в реальних деталях за износостойкость, )личину потерь на трение, коррозионную и усталостную прочность, ряд зугих служебных (функциональных) характеристик материала. Однако сложность традиционных методов модифицирования поверхностей в осн-5Ном исчерпаны. Принципиально новые перспективы открывают тбхнолог-I, основанные на воздействии на поверхность концентрированными пот-;ами энергий и веществ и, в частности, вакуумные ионно-ялазменнне Ш) методы.
Разработка материалов триоотехшческого назначения тесно связа-! с технологией создания повер' носгных слоев с требуемым комплексом шботехнических свойств. Технологическое направление повышения раб-'оспособности заключается в определении оптимальной технологии пол-іения покрытий при обеспечении заданных параметров качества. Актуа->ным является исследование всех возможных для даннс 'о метода наке-іния технологических' режимов на изменение параметров качества и
создание на основе полученных результатов новых оригинальных технич еских (технологических) решений и общее принципов получения качестЕ енных покрытий с определенным комплексом слукебных свойств.
Работоспособность покрытий с точки зрения обеспечения как высе них триботехнических свойств, так и сопротивляемости системы "покры тле - основа" механическому воздействию от внешних силовых эксплуат ационных нагрузок, во многом определяется наїгряженно-деформированнк состоянием (НДС) материала (среды) в контактной зоне.
Современные метода расчета параметров контакта и напряжение деформированного состояния твердых тел с покрытиями требуют мощног программного обеспечения и использования ЭВМ, либо имеют доеольё громоздкий вид или невысокую точность и не вполне пригодны для инже нерных расчетов.
С этой точки зрения актуально создание аналитических решения которые позволяют наиболее просто-и наглядно проанализировать влияї ие различных параметров на контактные характеристики и НДС слоиста тел. Актуально создание методов расчета несущей способности и износ остойкости , а также методологии оптимизации толщины покрытия уже к этапе проектирования узла трения.
Задачи оптимизации, как правило, много-параметрические задачи корректность решения таких задач для условия контактирования и трвї ия слоистых тел во многом зависит от знания истинных численных зная ений, входящих в оптимизационную задачу, расчетных параметров, .этой точки зрения актуальны разработка и создание методов расчета методик экспериментального определения таких параметров как величш; остаточных напряжений, упругие характеристики и коэффициент термин еского расширения материала слоя.
Работа выполнялась в соответствии с координационными планами і СССР в области естественных наук и фундаментальных проблем машине строения (Постановление АН СССР № 642); заданиями и программами Пре зидиума АН СССР, Российской АН, ГКНТ СМ СССР, Миннауки РФ "Повышен! надежности системы "машина-человек-среда", "Машиностроение и tbxhoj огия", "Безопасность населения и народохозяйственных объектов с уче том риска возникновения природных и технологических катастроф", "Щ оизводства, технологиями и машшы будущего"; проектом Российско: фонда фундаментальных исследований J* 93-013-16916; планами совместі
: работ с научно-исследовательскими институтами , техническими цен-, іами ГДР, Финляїздш; планами МНГК "Надежность машин" и другими.
Цель и задачи работа. Целью данной работы является разработка іучко обоснованных принципов выбора материала и вида ВИП покрытия, ютроэния ВИП технологических процессов и устройств, обеспечивающих :сокие тркботзхничвскиэ характеристика к увеличение; работоспособно-и ряда имеющих массовое применение прецизионных пар трения.
Для достижения указанной цели реиались следующие задачи:
1. Раскрытие на основе экспериментальных исследований законсмер-
істи формирования, трения, износа и работоспособности ряда твердо-
;азочных и износостойких покрытий, создаваемых.с помощью ВІШ техно-
гий и работающих з условиях трения, шдиярукщих работу характерн-
, тлеющих массовое распространение прецизионных пар трения;
2. Разработка оригинальных технологических процессов и техннчв-
их средств получения покрытий, обеспечиваниях повыше'чю качества
крытий, воспроизводимость и высокую производительность процесса, а
юке их практическая реализация;
3.Разработка инженерных методов расчета параметров контакта, определения давления и напряжений в контактной зоне, остаточных ггрязкений, модуля упругости Оса и коэффициента термического расши-ния покрытий и поверхностных слоев;
' 4. Разработка методологий к инженерных методов расчета несущей эсобности и износостойкости, принципов оптимизации толщины покрыт-, геометрических параметров профилированного регулярного мккрорел-ga комбинированных поверхностных слоев, выбора физико-механических рактеристик материалов контактируемых тел.
Научная новизна. На основе экспериментальных исследований інологші получеїшя, трения и изнашивания твердосмазочшх и гасостойких покрытий установлены ранее неизвестные закономерности Еюр?.щровании структуры покрытие, влияние их на качество (служебные зйства) и работоспособность тел с покрытиями.
Показана прішцигшальная возмокность получения с использованием I метода качественных, очень тонких (а 50 1) с высокими триботехн->скими свойствами пленок органических веществ.
Для покрытий из дисульфида молибдена установлены в зависимости температуры процесса осаждения зоны структур: лх превращений, каж-і из которых обладает определенными триботехническими свойствами
и преимущественной.структурой кристаллитов. Установлено, что структ ура к тркботехнические свойства дасульфидаолибдвновых покрытий так же зависят от толщины покрытия,. вида и величины прикладываемого мишени и обрабатываемой поверхности потенциалов, материала подложки состава мишени.
Показана принципиальная возможность создания микрорельефа ионе ым травлением и получение на основе рззработашшх технологий комбив ированшх покрытий (поверхностных слоев), обладающих высокими трибе техническими характеристиками.
Установлено, что твердые износостойкие покрытия, наносимые ВИ методами, подвергнутые тонкой механической обработке (доводке) nocj нанесения, обеспечивают существенно (до 30%) более высокие триботег ничэские характеристики.
Показано, что при абразивном изнашивании твердых износостойки ВИЛ покрытий имеет место при определенных (критических) ТОЛЩИНЕ локальное разрушение ("продавливание") покрытий в результате исчерг ания ими несущей способности.
Установлена прямая зависимость меаду степенью подготовки (очис тки) обрабатываемой поверхности и качеством получаемых покрытий і 'материалов самой различной природа (органических, неорганически вещесте), в Биде твердых износостойкий или антифрикционных покрытии
На основе рассмотрения механики контактного взаимодействия крї волинейного штампа с двухслойным полупространством решена контактн-.ая задача и разработан оригинальный инженерный метод расчета параме тров контакта {полуширины, максимального внедрения и величины давле ния в центре контактной зоны) и распределения давления по площада контакта. Выведенные достаточно простыв , удовлетворительной точное ти аналитические выражения применимы для широко используемых в маш* ностроении материалов и случаев контакта криволинейных тел, обесле* иващих контакт в виде круга, эллипса или полосы. Показано, что случае применения твердых покрытий эпюра распределения давления г контактной зоне может значительно отличаться от герцевской. В рамкг предложенного метода решения контактной задачи получены расчетнь зависимости для определения параметров контакта для многослойнь покрытий и поверхностных слоев, имеющих на своей поверхности регул} най профилированный микрорельеф.
Разработана методика инженерного расчета несущей способности ці с покрытиями по критерии возникновению пластической деформации, жазано, что существует ряд толщин покрытий при определенных отнош-кях упругих характеристик и пределов текучести материалов слоя и :новы, при которых, твердые износостойкие покрытия обеспечивают гашише несущей способности (эффект "разупрочнения"), а при наличии >лев мягких поверхностных слоев - повышение несущей способности іффект "субупрочнения").
Разработана методика расчета износостойкости поверхностных гаев, имеющих регулярный профилированный микрорельеф, заполненный юрдосмазочным материалом. Эта методика базируется на использов-гаи экспериментально-расчетного гяэгода оцвіти износостойкости с [пользованием физически информативных ішвариантов и учете фактичес-к эпюры давления и размеров контактной зоны.
Разработаны методологии подбора материалов (физике механических ірактористик) и расчета оптимальных толщин покрытия и размеров рел-фа из условия обеспечения максимальной несущей способности и треб-іМОіі износостойкости уже на стадіш конструирования узла трения и 'О модельных испытаний.
Получены оригинальные расчетно-экспериментальше метода опрэде-ния остаточных напряжений, модуля Юнга и коэффициента термического ісшрения материала покрытая или поверхностного слоя.
Сформулированы научно-прикладные (механико-технологические) 1ИНЦИПЫ создания и обеспечения работоспособности и качества прецизійних пар трения, создаваемых с использованием ВИП покрытий и позе-ностннх слоев с еысокеми триботехническиш характеристиками.
Новизна разработок защищена 18 авторскими свидетельствами на обретения.
Практическая ценность работы. Проведенные теоретические и эксп-иментальныэ исследования явш~сь основой для создания ряда новых игинальных технологических процессов получения покрытий с требуем-[ комплексом триботехнических свойств (см. а.с. J6 595910, 597244, Я I03445S, & 1019902, 3 IQ7I665, JS II4I785, JS II54972, I2I87I7, й 1259692, JS 1383844, JS I5I858I, J* 15015*4, Зі 1668764, 1684549 ).
Разработаны и внедрены в производство ряд технологических
процессов по получению рабочих, поверхностей:
на опорах приборных газодинамических подшипников;
на контактных уплотнительных кольцах, используемых для герм еткзации в насосах по перекачке скикенных гвзов и жидких продукта нефтехимии;
на бесконтактных уплотнительных кольцах, используемых в комп рессорах и турбонагнетателях;
на шестернях шестеренчатых дозировочных насосах, используемы в производстве синтетических нитей;
на цилиндрических опорах сколькения блока вращающихся голово цифрового видеомагнитофона. ' ~~-
Разработаны инженерные метода расчета несущей способности, изн осостойкости, остаточных напряжений, параметров контакта, модул Юнга и коэффициента термического расширения материала покрытия.
Разработаны конструкторские документации и изготовлена установ ки по ионному травлению (фрагментированшо) рабочих поверхностей дет алей тркботехнического назначения и по нанесению покрытий на длинно мерные детали.
Реализация работы в промышленности. Результаты работы внедрен у производство: на предприятии им. Лавочкина, МИЭА, заводах НПО "Гр ознефтьоргсинтез", "Ншнвновгороднефтеоргсинтвз", ЦКТИ им. Ползуно ва, ВНЖГР и ряде других машиностроительных предприятиях.
Общий экономический эффект составляет более 1.5 млн. руб ( ценах до 1990 г.).
Автор .завещает:
I. Основные'закономерности трения и изнашивания твердосмазочны покрытий на основе дисульфида молибдена, органических материалов и износостойких покрытий на основе нитрида титана, алюминия и нэкотор ых других химимческих соединений;
2.. Основные закономерности формирования структур покрытий основе дисульфида молибдена, нитрида титана, нитрида алюминия обеспечения ими качества и работоспособности;
3. Принципы повышения износостойкости (долговечности) твердосм
азочных покрытий на основе дисульфида молибдена и графита путем соз
дания на поверхности профилированного регулярного микрорельефа;
4. Оригинальные технические решения по повышению качества
зботосігособности и воспроизводимости свойств покрытий, получаемых 01 методами;
-
Расчетные метода аналитического определения параметров конт-ста, эгоор давления и напряжений в контактной зоне для плоской и эостранственяой контактных задач при статическом внедрении криволи-зйного птампа в двух- и многослойное полупространства;
-
Метода расчета и методики экспериментальной оценки остзточн-; напряжений, модуля Юнга и коэффициента термического расширения зтериалов покрытия;'
-
Методологии оценки работоспособности и методов расчета несу-зй способности и износостойкости тел с покрытием, а такхе оптимиза-іи толщины покрытия и выбора физико-механических'характеристик мат-эиалов контактной пары по критериям максимальной несущей способнос-1 или износостойкости.
Аппрсбация работы. Основныэ результата исследований докладьшал-зь на международных, всесоюзных, республиканских, гор неких и дру-IX конференциях и сеюшарах:
-
На 2-ом симпозиуме по плазмотехшке.. Швейцария, Люцерн, 391 г.
-
На 3 -ей Трибологической конференции. Будапешт, 1983 г.
-
На Международной научной конференции "Трение, износ и смазо-ше-материалы". Ташкент., I9S5 г. '"
-
На Всесоюзных научно-технических симпозиумах "Современное іектротермичеекое оборудование для поверхностного упрочнения детал-Ї машин и инструмента". Саратов, 1988, 1990 гг.
-
На Всесоюзной научно-технической конференции "Теория трения, даоса и смазки". Ташкент, 1975 г.
-
На Всесоюзной научно-технической конференции "Трибоника и їтифрикционное материаловедение". Новочеркасск, 1980 г.
-
На Всесоюзной научно-технической конференции "Трение и изна-гоание композиционных материал У. Гомель, 1982 г.
-
На Всесоюзной научно-технической конференции "Повышение над-огости смазываемых узлов трения авиационной техники на основе сове-іенствования технологии применения и унификации смазочных материал-з". Москва, 1983 г,
-
На Всесоюзной научно-технической конференции "Износ машин и
методы защиты от него". Брянск, 1985 г.
-
На Всесоюзной научно-технической конференции "Ионно-лучеві модификация материалов". Каунас, 1989 г.
-
На Всесоюзном научно-техническом совещании "Ноше мето, нанесения покрытий напылением". Ворошиловград, 1976 г.
-
На Всесоюзном научно-техническоы совещании по ушютнител-ьной технике. Сумы, 1988 г.
-
На Московских научно-технических конференциях "Триботехник - машиностроению", Москва , 1985, 1937, 1989,
-
На Всесоюзной научно-технической конференции "Износостойко сть машин". Брянск, 1991 г. ~~~~ .
-
На научно-технических конференциях в Хабаровске (1977 г. Москве (1985, 1990 гг.), Киеве (I98S, 1937 гг.), Ереване (1986 г.)
Публикации по теме. Основное содержание диссертации отражено 3-х монографиях и 79 статьях (включая азторские свидетельства) . отечественных и зарубежных научно-исследовательских журналах и сбор никах трудов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения
й глав, заключения, списка литературы, актов о внедрении результате
и приложения, которое содержит промеауточные математические выкла,л
ки. Работа содержит ЧС страниц машинописного тексте
