автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Исследование микрогеометрии поверхностей трения - скольжения

Введение

1. Анализ состояния проблемы

1.1. Изменение свойств поверхностного слоя при трении

1.2. Изменение поверхностного слоя в процессе трения и некоторые гипотезы образования «равновесной» шероховатости

1.3. Расчет «равновесной» шероховатости

2. Исследование и развитие методов оценки микрогеометрии поверхностей трения

2.1. Полное параметрическое описание профилей

2.2. Описание нормально распределенных случайных профилей

2.2.1. Модель Наяка

2.2.2. Автокорреляционная модель

2.2.3. Упрощенная классическая модель

2.2.4. Проверка эффективности рассмотренных моделей

2.3. Описание ненормально распределенных случайных профилей

2.3.1. Параметрическое описание функции плотности распределения

2.3.2. Набор базовых критериев для ненормально распределенных случайных профилей

2.4. Полное параметрическое описание профилей, содержащих периодическую составляющую

3. Непараметрическая оценка микрогеометрии поверхностей и эффективность ее использования

3.1. Непараметрические критерии оценки микрогеометрии поверхности и метод их практического использования

3.2. Исследования эффективности применения непараметрического метода оценки микрогеометрии

3.2.1. Взаимосвязь непараметрических методов оценки микрогеометрии поверхности и режимов резания

3.2.2. Исследование зависимости качества серебряного напыления ферритовых стержней от микрогеометрии их поверхности

3.2.3. Исследование влияния химического вещества для удаления коррозии на микрогеометрию поверхности 86 4. Исследование изменения характера микрогеометрии поверхностей трения-скольжения

4.1. Исследование зависимости характера изменения микрогеометрии поверхностей от продолжительности процесса трения-скольжения

4.2. Исследование влияния исходной микрогеометрии на микрорельеф поверхностей в процессе их трения

В настоящее время наиболее актуальными проблемами, стоящими перед мировой промышленностью остаются проблемы связанные с повышением качества выпускаемой продукции. В приборостроении качество продукции всегда было наиболее актуальным вопросом в виду роли этой отрасли в промышленном хозяйстве развитых государств. Качество и надёжность изделий приборостроения 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 проблемы, связанные с состоянием поверхностного слоя рассматриваются в настоящее время как наиболее перспективное направление в борьбе за повышение качества выпускаемой продукции, а, как известно в условиях конкурентной рыночной экономики качество продукции играет не последнюю роль. Актуальность проблемы оптимизации микрогеометрии поверхностей объясняется ещё и тем, что возможности повышения качества изделий в результате увеличения точности размеров и формы поверхностей 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 корпорации мира. В тоже время и в решении самой проблемы оптимизации микрогеометрии поверхностей существуют различные подходы к решению. Очевидно, что для поиска оптимальной шероховатости поверхности необходимо иметь наиболее полно описывающие эту шероховатость критерии, что, естественно, создаст предпосылки для более точных оценок и прогнозов будущей эксплуатации изделий. К сожалению, в большинстве случаев исследование проблем, связанных с оптимизацией микрорельефа поверхностей, проводятся при помощи параметрического описания профиля поверхности. Эксперименты, базирующиеся на этих стандартизированных параметрических критериях, определяющих лишь отдельные усреднённые характеристики отклонений поверхности, не только не могут полностью описать одну, конкретную поверхность, но часто даже и определить вид обработки, которой подвергалась та или иная поверхность изделия. В тоже время существует множество функциональных свойств поверхности, на которые влияет её микрогеометрия и для достижения оптимальных значений которых необходимо обладать возможностью полного описания характера микрорельефа поверхности. Поэтому одной из основных задач является поиск и исследование возможностей применения наиболее информативных критериев оценки микрогеометрии поверхностей. Необходимо проанализировать существующие методы оценки микрогеометрии поверхности, выявить их достоинства и недостатки, а также исследовать возможность их применения на практике.

Возможность управления свойствами функциональных поверхностей деталей приборов открывает новые пути повышения качества продукции. Но оптимизации микрогеометрии поверхности очень трудоемкий и сложный процесс, связанный с многочисленными исследованиями и экспериментами. 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. Известно, что в большинстве случаев выход изделия из строя связан с изнашиванием подвижных узлов в процессе их трения.

Поэтому научный интерес представляет не только степень и характер влияния микрогеометрии на процесс трения, но и изменение самой микрогеометрии, установление закономерностей этого изменения. Практическая реализация таких исследований позволит вывести процесс оптимизации микрогеометрии поверхностей на качественно новый уровень, повысив тем самым качество производимых приборов.

Основные выводы по главе:

1. Экспериментально доказан факт постоянного изменения микрогеометрии поверхностей в процессе их трения, а также выявлен циклический характер этого изменения.

2. Экспериментально установлен факт зависимости микрогеометрии поверхностей при их трении от исходного микрорельефа.

112

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Попытки исследовать характер изменения микрогеометрии поверхностей при их трении-скольжении были предприняты учеными, изучающими процессы трения, еще в середине прошлого века. В первой главе диссертации показаны некоторые наиболее распространенные варианты решения этой проблемы. Стоит отметить, что практически все такие исследования исходят из параметрического метода описания микрогеометрии, когда для оценки микрорельефа поверхностей трения использую один, в некоторых случаях несколько стандартизированных параметрических критериев, таких как Ra, Rz или Rq. На основании полученных при помощи таких малоинформативных критериев результатов развивается гипотеза о «равновесной» или «установившейся» шероховатости. Считается, что под воздействием сил трения микрогеометрия поверхности стремится к некому стабильному значению, характер которого не зависит от исходного микрорельефа. На основании этой гипотезы даются различные практические рекомендации по оптимизации микрогеометрии поверхностей, которые, в большинстве случаев, оказываются малопригодными для использования в реальных условиях производства. Осознавая непригодность этих критериев для получения достоверных результатов исследований, многие ученые пытались решить проблему синтезом различных комплексных критериев, варьируя в различных комбинациях все те же Ra, Rz или Rq.

Очевидно, что результаты исследований изменения характера микрогеометрии при трении-скольжении, проводившиеся при помощи параметрических критериев Ra, Rz или Rq, не могут считаться исчерпывающими, а должны быть проверены при помощи более информативных критериев оценки микрогеометрии. Необходимо иметь возможность полного описания микрогеометрии поверхности для решения задачи изучения характера ее изменения под воздействием сил трения.

Во второй главе диссертации исследуется возможность полного параметрического описания микрогеометрии поверхности. Для решения задачи полного параметрического описания профиля поверхности необходимо выполнение следующих условий:

1. Выведенные из базовых производные критерии должны хорошо согласовываться с этими же производными критериями, вычисленными по реальному профилю.

2. Описание профиля одним критерием (набором критериев) следует считать полным, если из этого критерия можно генерировать только один профиль, совпадающий с измеренным.

Рассматривается ряд теоретических моделей, основанных в основном на применении принципов случайных процессов. На основе анализа собранного материала и практической проверки некоторых моделей сделан вывод о теоретической возможности полного параметрического описания микрогеометрии поверхности, но для этого требуется от 3 до 25 параметров и сложное математическое моделирование. Поэтому применение методов полного параметрического метода на практике не реально. Для решения задачи изучения изменения характера микрогеометрии поверхностей при трении-скольжении необходимо применение принципиально новых критериев и методов оценки микрогеометрии.

В качестве критериев оценки микрогеометрии поверхностей предлагается использовать предложенные В.А. Валетовым так называемые непараметрические критерии. Непараметрический метод основан на использовании наиболее информативных критериев оценки микрогеометрии поверхности, а именно плотностей и функций плотностей распределения ординат и тангенсов углов наклона профиля, а также его микротопографии и самого профиля. Эффективность применения непараметрического метода для решения оптимизационных задач доказана многочисленными исследованиями, в том числе проведенными в рамках данной работы, результаты которых представлены в третьей главе. На основании результатов исследования эффективности применения непараметрического метода оценки микрогеометрии сделан вывод о целесообразности использования непараметрического метода для изучения изменения характера микрогеометрии поверхностей при их трении.

В четвертой главе диссертации приводятся результаты экспериментального исследования изменения характера микрогеометрии поверхностей в процессе трения-скольжения. Для оценки микрогеометрии применяются непараметрические критерии оценки. Для сравнения с результатами более ранних исследований микрогеометрия поверхностей оценивается и с помощью параметрических критериев, которые использовались в этих исследованиях.

На основании анализа проведенных исследований сделан вывод о постоянном изменении характера микрогеометрии поверхностей при их трении. Более того, отмечается некоторая цикличность в изменении характера микрогеометрии поверхностей при их истирании, которая зависит от условий процесса трения. Экспериментально установлен факт зависимости изменения характера микрогеометрии поверхностей в процессе их трения от исходного микрорельефа этих поверхностей. Доказана полная непригодность стандартизованных параметрических критериев оценки микрогеометрии поверхности для решения оптимизационных задач и эффективность непараметрического метода.

При решении оптимизационных задач в конкретных производственных условиях необходимо учитывать полученные экспериментальные данные. Это позволит наиболее эффективно решить проблему оптимизации конкретных функциональных свойств поверхностей деталей приборов и, соответственно, повысит качественные показатели выпускаемых изделий.

115

1. Аверченков В.И. Изменение шероховатости и микротвердости поверхностей деталей в процессе приработки. - В кн.: Технология машиностроения. М.: Наука, 1975, с. 48-65.

2. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976, с.113-156.

3. Алейников С.В., Рудзит Я.А., Лукьянов B.C. Исследование аппроксимаций корреляционных функций для нерегулярной шероховатости поверхности. Микрогеометрия и эксплуатационные свойства машин, 1979, №7, с. 11-22.

4. Безъязычный В.Ф., Ершов В.А. Экспериментальное исследование связи усталостно разрушаемого объема материала с величиной силы трения. Трение и износ, 1990, Том 11, №3, с. 447-453.

5. Валетов В.А. Экспериментальное определение некоторых конструктивно-технологических факторов на работу РКД. Труды ЛКИ, 1967, вып. ОХХ, с. 107-114.

6. Валетов В.А., Кравченко В.Л., Киселев Н.Н. К вопросу вибропрочности специальных изделий. Труды ЛКИ, 1970, вып. OXXV, с. 116-124.

7. Валетов В.А., Киселев Н.Н., Лещенко В.Д. О выборе показателей надежности проектируемых образцов. Труды ЛКИ, 1972, вып. XXVIII, с. 136-138.

8. Валетов В.А. Возможные критерии оценки шероховатости обработанных поверхностей. Труды ЛКИ, 1977, вып. 108, с. 135-140.

9. Валетов В.А. Определение базовой длины профиля для новых критериев оценки шероховатости поверхности. Труды ЛКИ, 1977, вып. 118, с. 115-119.

10. Валетов В.А. О практической пригодности некоторых критериев для оценки шероховатости поверхности. В кн.: Технология корпусостроения, судового машиностроения и сварки в судостроении. Л.: ЛКИ, 1978, с. 62-65.

11. Валетов В.А. Оценка шероховатости, волнистости и отклонений формы поверхности с помощью ЭВМ. В кн.: Технология корпусостроения, судового машиностроения и сварки в судостроении. Л.: ЛКИ, 1978, с. 113-116.

12. Валетов В.А. Использование безразмерного профиля поверхности для оценки ее шероховатости. В кн.: Технология судостроения, судового машиностроения, обработки металлов и сварка. Л.: ЛКИ, 1980, с. 133135.

13. Валетов В.А. Оценка шероховатости и волнистости поверхности с помощью ЭВМ. В кн.: Технологическое управление качеством обработки и эксплуатационными свойствами машин. Киев: Институт сверхтвердых материалов АН СССР, 1980, с. 20-22.

14. Валетов В.А. Особенности контроля шероховатости продольно шлифованных поверхностей. В кн.: Процессы постройки, сварки и монтажа судов. Л.: ЛКИ, 1980, с. 160-166.

15. Валетов В.А. Использование новых критериев для оценки микрогеометрии поверхностей деталей машин. В кн.: Технологическое управление качеством обработки и эксплуатационными свойствами машин. Киев: Институт сверхтвердых материалов АН СССР, 1980, с. 23-25.

16. Валетов В.А. Влияние исходной шероховатости поверхностей роликовых направляющих на их усталостную прочность. В кн.:

17. Качество поверхности и эксплуатационные свойства деталей машин и приборов. Новосибирск: НТО Машпром, 1982, с. 24-26.

18. Валетов В.А. Анализ изменения микрорельефа поверхностей зубьев в процессе приработки зубчатых колес. В кн.: Качество поверхности и эксплуатационные свойства деталей машин и приборов. Новосибирск: НТО Машпром, 1982, с. 26-28.

19. Валетов В.А. Влияние исходной микрогеометрии на коэффициент сопротивления качению и долговечность роликовых направляющих. -Трение и износ, 1982, том 3, №5, с. 914-918.

20. Валетов В.А. Влияние фильтрации профиля на правильность оценки зависимости функциональных свойств поверхности от ее микрогеометрии. В кн.: Вопросы изготовления, сварки и монтажа судостроительных конструкций. J1.: ЛКИ, 1982, с. 114-149.

21. Валетов В.А. Оптимизация микрогеометрии поверхностей деталей в приборостроении. Л.: ЛИТМО, 1989, с. 100.

22. Витенберг Ю.Р. Оценка шероховатости поверхности с помощью корреляционных функций. Вестник машиностроения, 1969, №1, с. 5558.

23. Витенберг Ю.Р. Система характеристик шероховатости поверхности. -Вестник машиностроения, 1970, №11, с. 56-58.

24. Витенберг Ю.Р. Ардашников Б.Н. Метрологическое обеспечение характеристик шероховатости, используемых при расчетах контактной жесткости. В кн.: Жесткость в машиностроении. Брянск, БИТМ, 1971, с. 285-290.

25. Вяткин И.А., Волков Ю.В., Фонотов В.Т. О приработке пар трения в условиях скольжения с одним относительным движением. В сб.: Проблемы трения и изнашивания, Киев, Техника, 1973, с. 54-58.

26. Вяткин И.А., Фонотов В.Т. Исследование параметров шероховатости в различные периоды приработки трущихся поверхностей. В сб.:

27. Исследование качества поверхности и износостойкости материалов, Курган, Курганский политехнический институт, 1969, с. 102-112.

28. Галстян JI.A. Оптимальная шероховатость чугунных изнашиваемых поверхностей. Автореферат кандидатской диссертации, Ереван, Ереванский политехнический институт, 1969, с. 21.

29. Голубев Ю.М., Кошек JI.H. О статистических характеристиках шероховатости поверхности деталей машин. Надежность и контроль качества, 1970, №9, с. 40-52.

30. Гриб В.В., Лазарев Г.Е. Лабораторные испытания материалов на трение и износ. М.: Наука, 1968, 141 с.

31. Демкин Н.В. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Наука, 1970, 227 с.

32. Демкин Н.Б., Беркович И.И. Статистический анализ топографии шероховатых поверхностей. Известия вузов. Машиностроение, 1977, №9, с. 179-183.

33. Демкин Н.Б., Курова М.С. Распределение выступов и впадин профиля шероховатой поверхности. Известия вузов. Машиностроение, 1975, №7, с. 58-62.

34. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. М.: Машиностроение, 1981, 226 с.

35. Дунин-Барковский И.В. Основные направления исследований качества поверхности в машиностроении и приборостроении. Вестник машиностроения, 1971, №4, с. 49-55.

36. Дунин-Барковский И.В., Карташова А.Н. Измерение и анализ шероховатости, волнистости и некруглости поверхности, М.: Машиностроение, 1978, 232 с.

37. Дунин-Барковский И.В., Смирнов Н.В. Теория вероятностей и математическая статистика в технике, М.: Гостехиздат, 1955, 566 с.

38. Дьяченко П.Е. Исследование зависимости микрогеометрии поверхности от условий механической обработки, М.: АН СССР, 1949, 126 с.

39. Дьяченко П.Е. Влияние шероховатости поверхности на ее износ, В кн.: Качество поверхностей деталей машин, Л.: Машгиз, 1950, с. 20-31.

40. Дьяченко П.Е., Слинко Б.Л. Влияние микрогеометрии поверхностей цапф на работу подшипников из свинцовистой бронзы. В кн.: Трение и износ в машинах, М.: АН СССР, 1950, с. 25.

41. Дьяченко П.Е., Якобсон М.О. Качество поверхности при обработке металлов резанием. Л.: Машиностроение, 1967, 126 с.

42. Егоров И.В. Погрешность дискретного измерения параметра Ra и tp -В кн.: Трение, изнашивание и качество поверхности, М.: Наука, 1973, с. 16-21.

43. Егоров И.В., Лукьянов B.C. Влияние дискретизации и квантования на погрешность измерения некоторых вероятностных характеристик случайных процессов В кн.: Теория и практика измерений статистических характеристик, Л.: Машиностроение, 1972, с. 51-63.

44. Иванов В.А. Метрологическое обеспечение гироскопических приборов -Л.: Судпром, 1983, 167 с.

45. Комбалов B.C. О комплексной оценке шероховатости поверхности в задачах трения и износа и ее связи с величиной Rz. В кн.: Контактное взаимодействие твердых тел и расчет сил трения и износа, М.: Наука, 1971, с. 89-95.

46. Комбалов B.C. Влияние шероховатости твердых тел на трение и износ -М.: Наука, 1974, 112 с.

47. Комбалов B.C., Рыбалов C.JI. Исследование влияния нагрузки на установившеюся величину шероховатости приработанных металлических поверхностей в паре с резиной. Механика полимеров, 1972, №4, с. 734-740.

48. Крагельский И.В. Влияние шероховатости поверхности на трение (при отсутствии смазки), М.: Изд-во АН СССР, 1946, 26 с.

49. Крагельский И.В. Трение и износ в машинах М.: Машгиз, 1962, 384 с.

50. Крагельский И.В. Трение и износ М.: Машиностроение, 1968, 480 с.

51. Крагельский И.В., Виноградова И.Э. Коэффициент трения М.: Машгиз, 1962, 220 с.

52. Крагельский И.В., Демкин Н.Б. Определение фактической площади касания шероховатых поверхностей В сб.: Трение и износ в машинах, т. 14, М.: Изд-во АН СССР, 1960, с. 37-62.

53. Крагельский И.В., Комбалов B.C. Расчет величины стабильной шероховатости после приработки (упругий контакт) ДАН СССР, 1970, т. 193, №3, с. 554-556.

54. Крагельский И.В., Рудзит Я.А. Методика определения средних значений радиусов закругления вершин неровностей профиля шероховатости Приборостроение, 1968, №3, с. 15-24.

55. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчета на трение и износ М.: Машиностроение, 1977, 526 с.

56. Курова М.С. Микротопография поверхности как функция микрогеометрии ее профиля Микрогеометрия и эксплуатационные свойства машин, 1979, №6, с. 45-52.

57. Линник Ю.В., Хусу А.П. Математико-статистические описания неровностей профиля поверхности при шлифовании Инженерный сборник, АН СССР, 1954, №20, с. 154-159.

58. Лукьянов B.C. Метрологическое обеспечение в области измерения шероховатости поверхности Измерительная техника, 1975, №1, с.29-32.

59. Марченко Е.А., Непомнящий Е.Ф., Харач Г.М. Циклический характер накопления искажений 2-го рода в поверхностном слое как физическое подтверждение усталостной природы износа ДАН СССР, т.231, вып.4, 1976, с. 835-837.

60. Маталин А. А. Шероховатость поверхности деталей в приборостроении М.: Машгиз, 1949, 191 с.

61. Маталин А.А. Микротвердость и износоустойчивость поверхности В кн.: Качество обработанных поверхностей, кн. №34, М.-Л.: Машгиз, 1954, с. 58-72.

62. Маталин А.А. Качество поверхности и эксплуатационные свойства деталей машин М.-Л.: Машгиз, 1956, 262 с.

63. Маталин А.А Технология механической обработки -Л. Машиностроение, 1977, 464 с.

64. Маталин А.А. Технология машиностроения Л.: Машиностроение, 1985,496 с.

65. Nayak P.R. Random process model of rough surfaces G. Lubr. Tech., Trans. ASME, July 1971, p.398-407.

66. Nayak P.R. Random process model of rough surfaces in plastic contact -Wear, 1973, #26, p.305-333.

67. Thomas T.R., Sayles R.S. Random process analysis of the effect of waviness of thermal contact resistance Thermophysics a. heat transfer Conf., Boston, MA: AIAA/ASME, July 1974, p. 74-691.

68. Thomas T.R., Sayles R.S. The application of measurement of surface roughness to tribological problems In: International Mech. Ing., Tribology convertion: University Durham, march 1976.

69. Waletow W., Staufert G. Beobachtungen beim Raugheitmessen -Technische Rundschau, 1980, # 50-51, s.16.

70. Waletow W., Staufert G. Moderne Methoden der Oberflascnebforchung Technishe Rundschau, 1981, #10, s. 5-7.

71. Whitehouse D.J. Beta-functions for surface typologie Annals of SIRP, 1978, Vol. 27/1, p.491.

72. Whitehouse D.J., Archard J.F. The properties of random surfaces of sighificance in their contact In: Proc. Royal Soc., London, 1976, Ser. A, #361, p. 97-121.1. ЕиК-н. Профиль : 512 1. Kt • / " \ <" ■- 1. J — \\ ■——.5r»n