автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение износостойкости отверстий деталей сельскохозяйственной техники электромеханической закалкой

На правах рукописи

ФРИЛИНГ Владимир Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОНКОСТИ ОТВЕРСТИИ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ

ЗАКАЛКОЙ

Специальность: 05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 3 ДЕК 2012

005056960

Уфа-2012

005056960

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия им П.А. Столыпина»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Федорова Лилия Владимировна

Официальные оппоненты: Сайфуллин Ринат Назирович

доктор технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Башкирский государственный аграрный университет», кафедра технологии металлов и ремонта машин, профессор

Федотов Геннадий Дмитриевич

кандидат технических наук, доцент. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия им П.А. Столыпина», кафедра технической механики, доцент

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н. П. Огарева»

Защита диссертации состоится 20 декабря 2012 г. в 10.00 ч. на заседании диссертационного совета ДМ 220.003.04 при ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ по адресу: 450001, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, д. 34, ауд. 257/3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Башкирский ГАУ.

Автореферат разослан « 20 » ноября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, д.т.н., профессор

С.Г. Мударисов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эффективность использования и качество функционирования машин определяются уровнем их работоспособности и надежности.

В конструкциях машин и механизмов различного назначения большое распространение имеют гладкие цилиндрические подвижные сопряжения. В данных сопряженияхот-верстие может выполнять функцию опоры для вала, так же и вал, установленный в отверстии, может служить для данной детали опорой. Отверстия деталей, выполняющих роль опоры для вала, в процессе эксплуатации испытывают неравномерность распределения контактного давления и скорости скольжения, многократные смещения и проскальзывания сопрягаемых поверхностей друг относительно друга, циклический характер приложения нагрузки, что приводит к дополнительным пластическим деформациям и изменению геометрии профиля, контактному и усталостному разрушению неровностей последнего, а в некоторых случаях — к возникновению микрорезания. Все это вызывает достаточно быструю потерю работоспособности пар трения «вал — втулка».

Проведенный анализ изнашиваемости опорных отверстий деталей показал, что большинство из них выходит из строя в связи с низкими эксплуатационными свойствами исполнительной поверхности.

Обзор современных способов поверхностного упрочнения, анализ их преимуществ и недостатков позволяет рекомендовать технологию электромеханической закалки как один из эффективных способов повышения долговечности опорных поверхностей отверстий стальных деталей.

Работа выполнена в соответствии с планами НИОКР ФГБОУ ВПО Ульяновская ГСХА на 2011-2015 г.г. «Разработка ресурсо-, энергосберегающих технологий и средств механизации сельского хозяйства» (регистрационный номер № 01.200.600147), федеральной программой исследований ГНУ ГОСНИТИ «Программа фундаментального и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК РФ на 2008...2013 гг.» (регистрационный номер № 09.04.04 «Разработать методы, нормативно-техническую документацию, технологии и средства технического оснащения нового поколения для технического обслуживания сельскохозяйственной техники и оборудования»).

Цель работы. Повышение износостойкости подвижных цилиндрических сопряжений за счет избирательной электромеханической закалки (ИЭМЗ) опорных поверхностей отверстий деталей техники сельскохозяйственного назначения.

Объект исследования. Технологические процессы электромеханической поверхностной закалки.

Предмет исследования. Закономерности влияния режимов избирательной электромеханической поверхностной закалки опорных поверхностей отверстий на повышение физико-механических свойств и износостойкость подвижных цилиндрических сопряжений.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель процесса избирательной электромеханической поверхностной закалки опорных поверхностей отверстий с учетом физико-механических параметров упрочняемых деталей;

2. Установлены зависимости износостойкости подвижных цилиндрических сопряжений от режимов избирательной электромеханической поверхностной закалки.

Новизна предложенных технических разработок подтверждена патентами РФ на полезную модель № 117341 и № 113198, решением о выдаче патента РФ по заявкам № 2011132837, №2011140148.

Практическая значимость. Разработаны технологии, оборудования, инструменты, оснастка, позволяющие в мастерских предприятий АПК изготавливать детали с высокими

физико-механическими и эксплуатационными свойствами трибонагруженных участков подвижных соединений.

Вклад автора в проведенное исследование. Разработана математическая модель процесса избирательной электромеханической поверхностной закалки опорных поверхностей отверстий, разработан и изготовлен инструмент, изготовлена установка для выполнения избирательной электромеханической поверхностной закалки, разработан и изготовлен стенд для сравнительных стендовых испытаний подвижных соединений, проведены лабораторные и производственные исследования, обработаны результаты экспериментов, определены оптимальные значения режимов обработки и их влияние на глубину закалки, подготовлены основные публикации и выводы по выполненной работе.

Апробация. Основные положения диссертации и ее результаты доложены и получили положительную оценку на всероссийской научно-производственной конференции (НПК), посвященной 50-летию инженерного факультета ФГБОУ ВПО Чувашская ГСХА «Повышение эффективности механизации сельскохозяйственного производства», 24-25 ноября, Чебоксары, 2011 г.; международной НПК «Аграрная наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути решения», Ульяновск 2011 г.; международной НПК «Актуальные вопросы современной техники и технологии» Липецк, 2012.

Реализация результатов исследований. Технологический процесс ремонта сельскохозяйственной техники с применением ИЭМЗ внедрен в производство в ООО «Улья-новскавтодор» (г. Ульяновск) и в ОАО «Мелекесскремтехпред» (г. Димитровград).

Публикации. По теме диссертации опубликовано тринадцать научных работ, в том числе шесть работ в изданиях, входящих в перечень ВАК, получены два патента РФ на полезную модель № 117341, № 113198, решения о выдаче патента РФ по заявкам № 2011132837, №2011140148

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 140 наименований, из них 7 на иностранном языке, изложена на 190 страницах, включая 59 рисунков, 21 таблицу и 13 приложений.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

- анализ износа трущихся деталей гладких подвижных цилиндрических сопряжений;

- теоретическое обоснование применения технологии ИЭМЗ отверстий деталей;

- исследование теплового режима избирательной электромеханической закалки;

- результаты экспериментальных исследований отверстий втулок после ИЭМЗ;

- результаты эксплуатационных исследований отремонтированных подвижных сопряжений сельскохозяйственных машин, содержащих детали после ИЭМЗ, и технико-экономическая оценка применения данного способа.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований и изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса, цель и задачи исследований», выполнен анализ отечественных и зарубежных исследований способов повышения износостойкости деталей, исследований в области повышения износостойкости деталей способами механической, термической, химико-термической и комбинированной обработками. Обоснована необходимость и возможность повышения износостойкости отверстий деталей гладких цилиндрических сопряжений электромеханической закалкой.

Детали, имеющие цилиндрические поверхности трения, используются в различных механизмах автомобильной, строительной, сельскохозяйственной техники и общего машиностроения.

Гладкие цилиндрические подвижные сопряжения с вращательными, возвратно - кача-тельными и возвратно - поступательными перемещениями работают чаще всего в условиях граничной смазки, усталостного, абразивного, адгезионного, коррозионного и кавитационного изнашивания.

При одностороннем контактировании пар трения с противоположной стороны образуется зазор. Распределения рабочих давлений и скоростей скольжения происходит по дуге контакта /, что приводит к неравномерному износу вдоль образующей поверхности контакта, потере первоначальной геометрической формы опорного отверстия, а в результате -к ухудшению работоспособности и уменьшению долговечности пары трения в целом, что не учитывается в настоящее время, как при проектировании, так и при изготовлении изделий. С целью повышения долговечности гладких цилиндрических подвижных сопряжений необходимо добиваться улучшения физико - механических свойств контактного участка поверхности отверстия деталей за счет упрочняющих технологий. Большой вклад в исследования в области повышения долговечности рабочих поверхностей деталей сельскохозяйственной техники внесли: Б.М. Аскиназн, В.П. Багмутов, М.Н. Ерохин, П.П. Лезин, М.З. Нафиков, С.Н. Паршев, Р.Н. Сайфуллин, М.Н. Фархшатов, и др.

Актуальной является задача энергосбережения, для реализации которой снижают площадь закалки отверстия, ограничиваясь участком локального износа. В результате уменьшаются энергетические затраты на закалку. Известные способы упрочняющей обработки цилиндрических отверстий деталей подвижных сопряжений, в частности, способ электромеханического дорнования, данную задачу не решают.

На основании изучения состояния вопроса и предварительного анализа по выбору перспективных путей обработки отверстий, позволяющих повысить их эксплуатационную надежность и одновременно решающих задачу энергосбережения, определены основные задачи исследования:

1. Выявить закономерности и теоретически описать процесс изнашивания отверстий гладких цилиндрических сопряжений при односторонней радиальной нагрузке, обосновать схему упрочнения и выбор материала упрочняющего инструмента.

2. Теоретически обосновать распределение температурных полей в зоне контакта инструмента с отверстием обрабатываемой детали с учетом теплообмена

3. Разработать и изготовить инструмент, приспособления и установку для избирательной электромеханической закалки, испытательный стенд для сравнительных исследований пар трения, и скомпоновать технологическое оборудование с целью получения качественной внутренней поверхности с высокими физико-механическими свойствами;

4. Провести экспериментальную проверку расчетных значений температурных кривых в зоне нагрева; экспериментально обосновать режимы ИЭМЗ и их влияние на изменение структуры обработанной поверхности, шероховатость, физико - механические свойства и износостойкость, а также провести лабораторные, стендовые, эксплуатационные исследования деталей.

5. Выполнить технико-экономическое обоснование технологии избирательной электромеханической закалки отверстий гладких цилиндрических подвижных сопряжений.

Во второй главе «Обоснование и теоретические предпосылки упрочнения отверстий деталей, имеющих односторонний износ, ИЭМЗ фасонным бронзовым инструментом», проведена оценка величины одностороннего износа опорного отверстия деталей, проведена статистическая обработка результатов измерения износа, выполнено моделирование изнашивания отверстия деталей при односторонней нагрузке, обоснована схема упрочнения и материал упрочняющего элемента инструмента, исследованы температурные поля в зоне контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью при избирательной электромеханической закалке. Для оценки величины односторонних износов отверстий де-

талей устанавливали распределение их износов. С этой целью при помощи индикаторного нутромера втулку кронштейна кулака трактора МТЗ - 80.1 и втулку каретки подвески трактора ДТ-75М подвергали микрометражным исследованиям. Наблюдения проводили для 42 изношенных отверстий каждой детали.

После микрометражных исследований значения односторонних износов отверстий деталей сводили в ряды распределения и проводили статистическую обработку, результаты которой представлены на рисунке 2.1.

«/.%[:,„:.......„„.................. ~т.....~1 " •% «,-, % ......~Т27%1.............-р............г— „. %

100% 25% -.......— 1щ1.................-J----------\............. -Т^»....... 100%

0% и™ П11 ■г™ Mill ■turn Оо/0

0,23 0,27 0,31 0,35 0,39 0,43 Ах, мм ■■■Частота, % -^"Накопленная частота,%

0% ' ' ' ........ ' г 1 I 1 I о%

0,73 0,77 0,81 0,85 0,89 0,93 Лх, мм в* Частота. % -^"Накопленная частота, %

а) б)

а) втулка кронштейна кулака трактора МТЗ - 80.1, б) втулка каретки подвески

трактора ДТ - 75М Рисунок 2.1 - Распределение износов п, отверстий втулок

Статистическая обработка результатов измерений показала, что износ втулки кронштейна кулака находится в диапазоне 0,25...0,29 мм, износ втулки каретки подвески трактора ДТ-75М составляет 0,75.. .0,79 мм.

Рассматривая контакт упругого цилиндра S0 радиуса R0 с круговым отверстием радиуса RI в бесконечной упругой среде S/ (рисунок 2.2) считаем, что радиусы R0 и R, мало отличаются друг от друга.

Вал нагружен погонной силой Q, которая распределена по верхней полуокружности вала и действует в направлении, противоположном оси у. Считается также, что сечение

сопряжения находится в условиях плоской деформации, й ^ Упругий цилиндр S0 вращается в цилиндрическом от-

/ .'--—1—* верстии Sj , при этом оба тела изнашиваются. Интен-

/ рр- q - dw dw

/ / иИмв сивности износа вала —- и втулки -- зависят от

/ \ш dl dl

I / ° ( \ _ \ г : / контактных давлений р и линейной скорости скольже-

I / S0 "х | Г нияи

5Д\ WJBk ^ = -и* XV. ' шЩ/ dl

^ -W' (2.1)

X dW ^ а а

-----------_ \/ ч R0 , ■ К. ■ Р ■»

^ ^Vo , ^ где К. - коэффициент износа

Рисунок 2.2 - Схема контакта а., /?., (г = 0,1) - заданные параметры

вал - втулка Реальную нагрузку Q для сопряжения, имеющего

размеры R„m R

е = (2.2)

По найденному распределению давлений (2.2) на основании заданных уравнений износа (2.1) интегрированием по пути трения / находили износы вала (он считается равномерным по всей поверхности) и втулки №/(<р) на э-ом обороте

ж: = а/?,: = к,

'АЖ0 ]р"'((р)-и"°с1<р

(2.3)

где N - количество оборотов, совершённых валом за текущую итерациюр"' (<р)= сг(ф) -контактные давления на э - ом шаге.

Из приведенного выше анализа износов отверстий гладких цилиндрических сопряжений выявлено, что изнашиванию наиболее подвержена зона контакта вала и отверстия. Таким образом, целесообразно производить закалку участка поверхности отверстия, который наиболее подвержен износу. Для этих целей разработана схема избирательной электромеханической закалки. При разработке схемы закалки контактного участка за основу взят способ электромеханического дорнования, в отличие от которого при ИЭМЗ упрочняющий элемент выполнен фасонным, длина дуги которого равна длине дуги контакта вала с отверстием. Прижатие инструмента производят радиально отверстию втулки. Упрочнение по разработанной схеме позволяет получить заданную глубину закалки, при этом значительно сократить энергозатраты при упрочнении. Применение в качестве упрочняющего элемента инструмента из сплавов БрХ1, БрХЩр, БрНБТ позволит эффективно вести избирательную электромеханическую закалку отверстий с большой площадью контакта.

Зона соприкосновения фасонного инструмента с поверхностью отверстия представляет собой полосовой контакт. Считаем, что процесс теплового влияния на изделие является равномерным по всей площади контакта. Зона активного тепловыделения при обработке является закрытой для лучевого и конвективного теплообмена. Непосредственно в зоне контакта на процесс тепловыделения оказывает влияние охлаждающая жидкость. Таким образом, задача сводится к определению температурного поля закрытого полосового источника с теплообменом на свободной поверхности. В данном случае можно применить теорию быстродвижущегося полосового источника и расчеты вести по методике, рекомендованной Сипай-ловым В.А. при плоском шлифовании.

По поверхности полубесконечного тела, на которой задан теплообмен, в положительном направлении оси Ъ с постоянной скоростью Ни движется закрытый полосовой источник шириной 2Ь (рисунок 2.3). Плотность теплового потока q принимаем по всей площади контакта распределенной равномерно.

Математическая задача о нахождении температурного поля в некотором объеме, нагреваемом непрерывным тепловым источником движущимся по поверхности детали со скоростью г>и решали на основе дифференциального уравнения теплопроводности в пространстве

Рисунок 2.3 - Расчетная схема определения температурного поля обрабатываемого отверстия

дТ

- = а\

д2Т д2Т ~дх7 ~д/

д2Т

дг2

+ V-

дТ_

аГ

(2.4)

с начальными и граничными условиями

Т,,„, -А — +аТ,,.=0, -А— =а=соп$1.

"-0 &цф* |и>л асцф,

Для удобс^в^ решения задачи вводим безразмерные комплексы

-А

„2?а

2а 2а 2а

(2.5)

(2.6)

а также обозначения безразмерной температуры в, характеризующей закон распределения температуры, и безразмерный коэффициент теплообмена /?, характеризующий интенсивность теплообмена

лАоТ 2аа

0 =-, р=-,

2да Аои

(2.7)

где А - коэффициент теплопроводности, Вт/(см • °С); а - коэффициент температуропроводности, см /с; (X - коэффициент теплоотдачи, Вт/(см • °С); а -плотность теплового потока, Вт/см2.

Граничные условия в новых обозначениях

Ш- = йй

дХщ* рдХ\\г Плотность теплового потока, Дж-с/см3

омы

= л.

(2.8)

Р

-К1,

(2.9)

где N— мощность теплового источника, Вт; - площадь зоны теплового контакта, см ; К -коэффициент, показывающий долю тепла, проникающего в деталь

п

К =-

1 + п

(2.10)

где п ■

А2с2у2 Т, "С

1150

1050

950

850

750

650

550

- отношение тепловых активностей.

^»яД—1 1100 ЦЧ4

■ 1182: 1186 ,

10'51 ■ :Й>59' Ж» даКИ» ; 1074; 1082 1091 1106 109 8 '

9И 423 «1 93? : 939 939 939 '

820 §23 825 83} 842;; 867 : 851

690 РЩЩйШйЗи«"^ 700 710 725 752 1 740 730 г

-0,4 -0,35 -0,3 -0,25 -0,2 -0,15 -0,1 -0,05 0 мм и х = 0 и х = 0,1 и х = 0,2 и х = 0,5 у х = 1 Рисунок 2.4 - Температурные кривые при избирательной электромеханической закалке отверстия втулки из стали 45 фасонным инструментом га бронзы марки БрХ1

Теплофизические параметры X, с, у с индексами 1 и 2 характеризуют, соответственно, обрабатываемое изделие и материал инструмента.

Температура в зоне контакта инструмента с деталью

2 да

Т =

жЯи„

-■в, "С.

(2.11)

■

Результаты расчета температуры перед источником и за источником по глубине обрабатываемого участка представлены на рисунке 2.4.

Таким образом, пример расчета температуры на поверхности изделия с учетом охлаждения показывает, что охлаждающая среда серьезным образом влияет на снижение температуры за пределами источника.

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» изложена структурная схема проведения исследования, описаны методика исследований, разработаны экспериментальные установки и инструмент, принятые способы тарировки датчиков и обработки экспериментальных данных.

Исходя из проведенного анализа цилиндрических подвижных сопряжений, используемых в сельскохозяйственной технике, по маркам применяемого материала и основным размерам данных деталей, в качестве материала для исследований выбрана среднеугле-родистая сталь 45.

В качестве образцов для исследования из стали 45 изготавливали втулки с диаметром отверстия (1 = 38 мм, наружным диметром О = 45 и высотой Ь = 50 мм.

Отверстия образцов обрабатывали развертыванием до шероховатости Ра 0,63... 1,25, так как такая чистота соответствует поверхностям большинства рассматриваемых сопряжений.

В качестве упрочняющего элемента для ИЭМЗ применяли фасонный упрочняющий зуб из жаростойкой бронзы марки БрХ1. Выбор материала объясняется достаточной стойкостью и прочностью при высоких температурах.

Для избирательной электромеханической закалки отверстий втулок спроектирована установка.

Основными элементами установки являются: механизм перемещения, верхняя платформа, нижняя платформа, фиксирующее устройство.

Механизм перемещения содержит патрон, в который устанавливают инструмент.

Управление механизмом перемещения инструмента осуществляли шаговым приводом, которым управляли через персональный компьютер с помощью программного обеспечения через импульсный источник питания и блок управления, что позволяло изменять скорость электромеханической закалки в исследуемых интервалах. В качестве источника тока применяли установку УЭМО - 5 с аппаратурой регулирования электрических параметров, приборами контроля, управления и защиты, объединенными в одной конструкции.

1 - персональный компьютер; 2 - инструмент; 3- втулка; 4 - фиксирующее устройство Рисунок 3.1 - Схема процесса избирательной электромеханической закалки поверхности отверстия

Исследование микротвердости проводили с помощью микротвердомера ПМТ - 3 квадратной алмазной пирамидкой с углом при вершине 136°. Нагрузка на индентор составляла 1,0 Н.

Для исследования параметров шероховатости поверхности, обработанной ИЭМЗ, использовали профилометр модели 130 ООО «Завод ПРОТОН - МИЭТ».

Исследования на износостойкость проводили на машине трения 2070 СМТ-1 по схеме «ролик - колодка». Колодку и ролик изготавливали из исследуемых пар трения.

Исследование проводили на двух видах смазки: консистентной «Литол-24» при п = 200 об/мин, нагрузке 800 Н и дизельном масле М10Г2 при 500 об/мин и нагрузке и 400 Н. В смазочный материал, подающийся в зону контакта, добавляли 3% (по весу) кварцевую пыль размером 20...40 мкм.

Для замера величины температуры в зоне трения использовали стандартную термопару, которая с одной стороны впаивали в испытуемую колодку, а с другой стороны при помощи разъема подключали к мультиметру.

Измерение величины износа проводили через два часа взвешиванием на аналитических весах ВЛР-200 с точностью до 0,00005 г.

Для подтверждения результатов триботехнических исследований упрочненных втулок спроектировали и изготовили стенд, позволяющий исследовать пары трения по схеме, представленной на рисунке 3.2.

Исследуемые втулки 1, 2 устанавливали на оси 3, 4 и приводили в движение при помощи кулисных механизмов 5, 6, прикрепленных к ползуну 7. Радиальную нагрузку на исследуемые втулки задавали путем сжатия оттарированной пружины на каждом кулисном механизме. Стенд предусматривает исследование при сухом трении и с подводом смазочного материала в зону трения. Для этого в торце осей имеются каналы для подвода смазочного материала к внутренней поверхности втулки.

Пластичная смазка нагнетается по каналам через пресс масленку. Возможность установки в испытательном стенде две втулки позволяет одновременно проводить сравнительные исследования.

Исследуемые детали подвергались эксплуатационным исследованиям на предприятиях Ульяновской области.

5 3

Рисунок 3.2 - Схема сравнительных стендовых исследований втулок

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» приведены металлографические исследования структуры и измерения микротвердости упрочненного слоя, выявлено влияние режимов ИЭМЗ на глубину упрочненного слоя, результаты измерений шероховатости поверхности до и после ИЭМЗ, представлены результаты сравнительных лабораторных и стендовых износных исследований.

Исследования структуры поверхностного слоя после ИЭМЗ (рисунок 4.1) показали, что упрочненный слой представляет собой практически не травящуюся обычными способами структуру повышенной твердости (рисунок. 4.2).

Структура «белого слоя», наблюдаемая в оптический микроскоп, не имеет ни игольчатого, ни какого-либо иного характерного кристаллического строения и выглядит как сплошное, однородное светлое поле.

. =1 .. V—... -

♦ ♦ *

^•м«', 1Л?

О ♦ >; ♦ |

: 1

И * ^ $ • . ' «• ч

мш

■

Основной металл у320 Переходная зона *320 Упрочненный слой ><320

Рисунок 4.1 - Микроструктура поверхностного слоя после избирательной электромеханической закалки стали 45 на следующих режимах при I = 1000А; Р = ЮН;

V = 120 мм/мин

Это объясняется тем, что при электромеханической закалке диффузия кислорода и азота в поверхностный слой почти исключается, поскольку процесс происходит мгновенно. Как видно из графиков, при одинаковом термомеханическом воздействии по мере увеличения содержания углерода в обрабатываемых образцах, степень поверхностного упрочнения, характеризуемая относительным увеличением поверхностной микротвердости, возрастает.

Рассмотренные различия во влиянии содержания углерода в материале на характер поверхностного упрочнения могут объясняться различными механизмами поверхностного упрочнения при данном методе обработки.

Упрочнение поверхностного слоя материала обеспечивается за счет формирования высокопрочной структуры при протекании в локальном объеме материала структурных и фазовых превращений.

НУ, МПа

7000

6000

5000

4000 3000 2000 1000 0

-»-Сталь 30Х -•-Сталь 45

-лг-Сталь У8

0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1,1 1,3 1,5 Ь, мм Рисунок - 4.2 - Распределение микротвердости НУ по глубине А в зависимости от содержания углерода при I = 1000А, Р = ЮН, у = 120 мм/мин

Ответственным за формирование упрочненного слоя является содержание углерода в материале, с увеличением которого снижается температура мартенситного превращения и повышаются прочностные свойства материала. Следует отметить, что в зависимости от содержания углерода возможно получение поверхности, упрочненной ИЭМЗ с определенными предельными прочностными характеристиками, которые невозможно увеличить при дальнейшем повышении температурно-силовых условий обработки.

На основании проведенных исследований, выполненных в соответствии с планом эксперимента, были получены регрессионные модели влияния каждого из факторов на глубину упрочненного слоя.

Рисунок 4.3 - Графическое изображение поверхности отклика глубины упрочнения И от взаимодействия силы тока I и усилия прижатия инструмента Р в натуральных значениях факторов при избирательной электромеханической закалке

3,2 2,4 1,6 0.8 0

Уравнение регрессии в натуральных значениях факторов, характеризующее влияние силы тока и усилия прижатия инструмента на глубину упрочнения

И = -0,7904 - 0,0011 + 0,0265Р2 + 9,0741 ■ Ю'7!2 +

(4.1)

+ 0,00021Р - 0,0058Р .

Уравнение (4.1) в кодированных значениях факторов

У = 1,6118 + 0,7703Х, + 0,5377Х,-0,0076Х2 +

(4-2)

+ 3,0096-10~5 Х,Х2 - 0,0053X1 ■

2,5 2

1,5 1

0,5

Рисунок 4.4 - Графическое изображение поверхности отклика глубины упрочнения Н от взаимодействия силы тока 1 и скорости обработки и в натуральных значениях факторов при избирательной электромеханической закалке

Уравнение регрессии в натуральных значениях факторов, характеризующее влияние силы тока и скорости обработки на глубину упрочнения

И = 3,2401 + 0,00051 - 0,0641и + 9,0741 ■ 10~712 +

(4.3)

+ 9,65281и + 0,0002и .

Уравнение (4.3) в кодированных значениях факторов принимает следующий вид: У = 1,3335 + 0,7716Х,-0.1222Х, -0,0076Х2, -

-г , (4-4)

-8,0549-10-6 Х,Х3+0,0012Х;.

Уравнение регрессии в натуральных значениях факторов, характеризующее влияние усилия прижатия инструмента и скорости обработки на глубину упрочнения

И = 2,0134 + 0,2982Р - 0,0447о - 0.0058Р2 -

(4.5)

- 0,0005Р и + 0,0002и2.

<1Р ч»

Рисунок 4.5 - Графическое изображение поверхности отклика глубины упрочнения И от взаимодействия усилия прижатия инструмента Р и скорости обработки и в натуральных значениях факторов при избирательной электромеханической закалке

Уравнение (4.5) в кодированных значениях факторов принимает 7 = 1,5407 + 0,5392Х, -0,122IX, -0.0053Х] -

(4.6)

-1,2944■ 10~3Х,Х3 + 0,0012X1

На основании полученных зависимостей (4.1 - 4.6) можно сделать определенные выводы о влиянии каждого из факторов на параметр оптимизации.

Наибольшее влияние на глубину упрочненного слоя оказывает сила тока, так как при ее увеличении возрастает температура в зоне контакта инструмента с обрабатываемым отверстием, что влечет за собой лучшую прокаливаемость обрабатываемой поверхности и увеличение глубины упрочненного слоя.

Вышеизложенное также подтверждено графическими изображениями, на основании которых можно рационально подбирать режимы избирательной электромеханической закалки в зависимости от условий эксплуатации и требований, предъявляемых к обрабатываемому отверстию.

Увеличение шероховатости при ИЭМЗ по параметрам Яа, Яг, Ятах в сравнении с исходной можно объяснить частичным переносом материала инструмента на обрабатываемую поверхность под действием высоких температур и контактного давления (рисунок 4.6). На основании полученных результатов можно предположить, что ИЭМЗ в сельскохозяйственных ремонтных мастерских для деталей общего машиностроения может являться окончательным этапом обработки внутренней поверхности без последующей чистовой механической обработки, так как полученная после ИЭМЗ шероховатость соответствует рекомендованной для большинства рассматриваемых деталей.

По результатам триботехнических исследований (рисунок 4.7) установили, что в период приработки момент трения и температура базового сопряжения имеет повышенное значение. Пара трения, колодка которой обработана ИЭМЗ, имеет гораздо меньший период приработки.

ОрЖег: 2% 3 Р-ЗТ/. (3 Б6 мкм)

1.6824 мкм •2.7356 мкм (•4.4180 мкм)

дмше

I. (длина трассы) = 3.123

• й (плотность выступов), 1/см = 91.8

• Класс шероховатости = б а (ГОСТ 2789 - 73) / 8 (1501302)

• Ра (среднеарифм. Отклон.), мкм = 0.68

• Иг (высота неровн. по 10 точк.), мкм = 13.2

• Ятах, Ку (макс, высота неровн.), мкм = 14.8

• Бт (средний шаг неровности), мкм = 109

йрМег 2% 2] р=33% (5 30 мкм)^]

(0-0) J 5.54% 0% 100*

0.0 2.917мм 5.729 мм (2.812мм) 0.09е 1_ (длина трассы) = 3.125мм 0р= 1.53?£ 1р=13.57%

• О (плотность выступов), 1/см = 73.2 • Яг (высота неровн. по 10 точк.), мкм = 14.2

• Класс шероховатости = 6а (ГОСТ 2789 - 73) / 8 (1501302) • Иглах, Яу (макс, высота неровн.), мкм = 15.8

• Иа (среднеарифм. Отклон.), мкм = 0.85 • 5т (средний шаг неровности), мкм = 117

б)

а - стандартная втулка; б - втулка после избирательной электромеханической обработки отверстия при I = 1200А, V = 140 мм/мин; Р = 10 Н Рисунок 4.6 - Профилограммы внутренних поверхностей втулок из стали 45 с диаметром

отверстия 38 мм

Температура и момент трения в процессе приработки у колодок после ИЭМЗ имеют существенно меньшие значения по сравнению с базовым сопряжением.

М„ Ихм

0,77 0,72 0,67 0,62 0,57 0,52 0,47 0.42 0,37

— -> —

— - 1

*

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 (, мим

-♦-Базовое сопряжение при смазке Литол - 24 -»-ИЭМЗ колодки при смазкс Литол - 24 -тбг-Базовос сопряжение при смазке М10Г2 -*-И.ЭМЗ колодки при смазке М10Г2

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Ъ мин "♦-Базовое сопряжение при смазке Литол - 24 -*-ИЭМЗ колодки при смазке Литол - 24 -л—Базовое сопряжение при смазке М10Г2 ИЭМЗ колодки при смазке М10Г2

а) б)

Рисунок 4.7 - Изменение момента трения Мг (а) и температуры Т (б) в зависимости от условий смазки пары трения в период приработки /

Данное явление можно объяснить тем, что в совокупности с ИЭМЗ на процесс приработки влияет материал инструмента, перенесшийся на поверхность обрабатываемого от-

верстия под воздействием температуры, так как бронза является антифрикционным материалом, что дает возможность сократить период приработки отремонтированных изделий.

Исследования износостойкости показали, что для контрообразцов из стали 45, сравнительная износостойкость распределяется в зависимости от способа обработки его поверхности (рисунок 4.8 а, б).

Так, контрообразцы после избирательной электромеханической закалки имеют относительную износостойкость на 60 % при смазке маслом М10Г2 и на 55 % выше при консистентной смазкой Литол - 24 по сравнению с базовыми парами трения.

/, г

/, г

0,20 0,15 0,10 0,05 0,00

0 19685

|0,2145

щш

0.18675

0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00

0,09855

0

,08170 0.08150

■

К';-:' ¡¡рей

!

Базовое сопряжение при смазке М10Г2

ИЭМЗ колодки при смазке М10Г2

Базовое сопряжение при смазке Литол - 24

ИЭМЗ колодки при смазке Литол - 24

и Ролик * Колодка

а)

!Ролик в Колодка б)

Рисунок 4.8 - Сравнительные результаты исследования износостойкости образцов а) при смазке маслом М10Г2; б) при консистентной смазке Литол - 24

1

0,8 0,6 0,4 0,2

При стендовом исследовании обработанных втулок частота вращения маховика установки составляла 200 мин"1. Нагрузку производили оттарированными пружинами. Для ускорения исследований в зону трения исследуемых пар подавали консистентную смазку Литол - 24 с абразивом. Время исследований составило 24 часа.

/, г

1,2

1 2 3

Повторение эксперимента

а Стандартная втулка ■ Втулка после ИЭМЗ

Рисунок 4.9 - Результаты стендовых исследований втулок

По окончании исследований износ фиксировали весовым методом. Графики зависимостей износа втулок (рисунок 4.9) показывают, что в результате износ упрочненных деталей был в 1,58 раза меньше износа стандартных.

В пятой главе «Эффективность применения технологии избирательной электромеханической закалки» приведены результаты эксплуатационных исследований деталей техники сельскохозяйственного назначения отверстия, которых обработаны ИЭМЗ. По данным эксплуатационных исследований проведено прогнозирование ресурса деталей и определена экономическая эффективность внедрения результатов исследования.

Для сравнительной оценки износостойкости втулок, установленных в каретку подвески трактора ДТ-75М по существующей технологии и с применением ИЭМЗ, экспериментальные втулки (16 штук) устанавливали в каретки подвески трактора ДТ-75М и отправляли на эксплуатационные исследования в районы Ульяновской области.

В процессе эксплуатации контролировали наработку трактора. Продолжительность периода эксплуатационных исследований составила 700 мото-ч, после чего втулки каретки подвески подвергали контрольным промерам.

Микрометражные исследования втулок показали, что средний износ стандартных втулок составил 0,17.. .0,18 мм, а втулок после ИЭМЗ 0,11...0,12 мм.

Ресурсы втулок определяли путем обработки массовой износной информации - методом статистического прогнозирования.

Среднее значение показателя надежности для стандартных втулок составило 1795 мото-ч, для втулок после ИЭМЗ - 2720 мото-ч.

Из проведенных расчетов следует, что прогнозируемый ресурс втулки с применением ИЭМЗ повышается на 62 %.

Расчет для ремонтных втулок каретки подвески трактора ДТ - 75М проводили с учетом повышения ресурса упрочненных деталей

Экономическая эффективность по сравнению с существующей технологией ремонта на программу 500 деталей составит 158800 руб.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенная статистическая обработка результатов измерения износов отверстий деталей техники сельскохозяйственного назначения, испытывающих одностороннюю радиальную нагрузку, позволила выявить средний износ отверстий сопряжений который для втулки каретки подвески трактора ДТ-75М составляет 0,77 мм, а втулки кронштейна кулака трактора МТЗ-80.1 - 0,27 мм.

2. Получена теоретическая зависимость для расчета температуры детали под источником в зависимости от глубины, на основании которой построены температурные кривые характеризующие фазовые превращения в диапазоне 550...1150°С.

3. Изготовленный инструмент для ИЭМЗ отверстия позволяет изменять усилие прижатия в интервале 10... 17 Н. Изготовленная установка, позволяет изменять скорость избирательной электромеханической закалки поверхности отверстия в интервале 120... 140 мм/мин. Для выполнения экспериментальных исследований скомпоновано оборудование, позволяющее в полной мере производить ИЭМЗ отверстий и отслеживать силу тока и напряжение. Сконструированный стенд, позволяет проводить сравнительные исследования на износостойкость на различных видах смазки.

4. Экспериментальная проверка расчетных значений температурных кривых в зоне нагрева показала расхождение теоретических и полученных экспериментальным путем значений на 2...7 %. Проведенные металлографические исследования поверхности обработанной избирательной электромеханической закалкой показали, что упрочненная зона представлена в виде «белого слоя», ниже которого следует исходная структура металла. Твердость упрочненной зоны стали 45 составляет 7100...7600 МПа. Полученные регрессионные зависимости влияния основных технологических режимов ИЭМЗ на глубину уп-

рочненного слоя позволяют назначать режимы обработки исходя из условий эксплуатации деталей. Исследования на износостойкость показали, что пары трения, у которых рабочая поверхность колодок обработана избирательной электромеханической закалкой, имеют износ в 1,6 раза меньше по сравнению с парами трения, имеющими колодки, выполненные из стандартных деталей. Стендовые исследования на износостойкость показали, что деталь, у которой рабочая поверхность обработана по предлагаемой технологии имеет износ в 1,58 раза меньше по сравнению с базовой деталью; Прогнозирования ресурса втулок после эксплуатационных испытаний показало, что ресурс втулки, отверстие которой, обработано ИЭМЗ, увеличился на 1,6 раза по сравнению со стандартной втулкой.

5. Технологический процесс избирательной электромеханической закалки внедрен в ООО «Ульяновскавтодор», г. Ульяновск и в ОАО «Мелекесскремтехпред», г. Димитров-град. Экономический эффект от внедрения предлагаемой технологии ремонта каретки гусеничного трактора ДТ-75М с применением ИЭМЗ в сравнении с существующей технологией ремонта на программу 500 деталей составит 158800 руб.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

публикации в изданиях из перечня ВАК

1. Фрилинг В.А. Влияние режимов избирательной электромеханической закалки поверхности отверстия на глубину упрочненного слоя / В.А. Фрилинг // Научно - технический вестник Поволжья - 2012,- №2. - с. 295 - 300.

2. Фрилинг В.А. Исследование влияния содержания углерода на микротвердость при избирательной электромеханической закалке трибонагруженного участка отверстия / JI.B. Федорова, A.B. Морозов, В.А. Фрилинг//Известия ТулГУ. - 2012.- Выпуск 3. -С.18-21.

3. Фрилинг В.А. Повышение износостойкости втулки балансира трактора МТЗ -80.1 избирательной электромеханической закалкой / Л.В. Федорова, A.B. Морозов, В.А. Фрилинг// Известия ТулГУ. - 2012.- Выпуск 9. - С. 18 - 21.

4. Фрилинг В.А. Повышение эффективности электромеханической закалки отверстий гладких цилиндрических подвижных сопряжений испытывающие одностороннюю радиальную нагрузку / Л.В. Федорова, A.B. Морозов, В.А. Фрилинг // Ремонт восстановление модернизация. - 2012. - №8. - С. 49 - 53.

5. Фрилинг В.А. Повышение износостойкости гладких цилиндрических подвижных сопряжений избирательной электромеханической закалкой отверстий / Л.В. Федорова, A.B. Морозов, В.А. Фрилинг // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. - 2012. - № 9. - с. 25 - 29.

6. Фрилинг В.А. Исследование температурных полей в зоне контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью в процессе избирательной электромеханической закалки / С.К. Федоров, A.B. Морозов, В.А. Фрилинг // Известия ТулГУ. - 2012.- Выпуск 9. - С.117 -125.

патенты

7. Фрилинг В.А. Пат. 113198 Россия, МПК B29D 30/12. Дорн для выборочного электромеханического упрочнения внутренних поверхностей деталей / A.B. Морозов, Л.В. Федорова, С.К. Федоров, В.А. Фрилинг. - №113198; заявл. 04.08.2011. опубл. 10.02.2012. Бюл. №4 -2с.

8. Фрилинг В.А.Пат. 117341 Россия, МПК В24В 39/00. Устройство для местного электромеханического упрочнения поверхности отверстия / A.B. Морозов, Л.В. Федорова, С.К. Федоров, В.А. Фрилинг. - №117341; заявл. 12.12.2011. опубл. 27.06.2012. Бюл. №18 -2с.

публикации в сборниках научных трудов и материалах конференции

9. Фрилинг В.А. Анализ причин и характера износа отверстий коромысла клапана ГРМ двигателя Камаз 740.11 - 240 / A.B. Морозов, В.Б.Салов, В.А. Фрилинг // Материалы международной научно - практической конференции «Техника и технологии пути инновационного развития». - Курск: ЮЗГУ, 2011. — С.93 - 96.

10. Фрилинг В.А. Характер эксплуатационного износа гладких цилиндрических подвижных сопряжений применяемых в сельскохозяйственной технике / A.B. Морозов, В.А. Фрилинг // Материалы III международной научно - практической конференции «Аграрная наука и образование на современном этапе развития: опыт, проблемы и пути их решения». - Ульяновск: Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина, 2011. - С. 271 - 275.

11. Фрилинг В.А. Эффективность применения антифрикционного покрытия при ремонте автотракторной техники / В.А. Фрилинг // Материалы II международной научно - практической конференции «Современные инновации в науке и технике». - Курск: ЮЗГУ, 2011. - С. 192 -195.

12. Фрилинг В.А. Энергосберегающая технология электромеханического упрочнения отверстий / A.B. Морозов, В.А. Фрилинг // Материалы всероссийской научно - практической конференции, посвященной 80 - летию инженерного факультета ЧГСХА «Повышение эффективности механизации сельскохозяйственного производства». — Чебоксары: ЧГСХА, 2011. - С. 92 -95.

13. Фрилинг В.А. Исследование качества нанесения антифрикционного покрытия на поверхность отверстия деталей гладких цилиндрических сопряжений / A.B. Морозов, В.А. Фрилинг, H.H. Горев // Материалы VII - ой международной научной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии». — Липецк: Издательский центр «Гра-вис», 2012.-С. 103 -107.

Подписано в печать 19.11.12 г. Формат бумаги 60х84'/1б. Усл. печ. л. 1,0. Бумага офсетная Печать офсетная. Гарнитура «Тайме». Заказ 887. Тираж экз. 100

Типография ФГБОУ ВПО «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия

им. П.А. Столыпина» 432980 г. Ульяновск, бульвар Новый Венец, 1