автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Повышение износостойкости поверхностей трения путем выбора рациональных режимов поверхностного пластического деформирования с наложением ультразвуковых колебаний

На правах рукописи

Клочков Дмитрий Петрович

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ ПУТЕМ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ С НАЛОЖЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ

05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 З МАР 2С12

Волгоград-2012

005012991

005012991

Работа выполнена на кафедре «Технология строительного производства» в Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете.

Научный руководитель доктор технических наук, доцент

Бурлаченко Олег Васильевич.

Официальные оппоненты: Матлин Михаил Маркович

доктор технических наук, профессор, Волгоградский государственный технический университет, заведующий кафедры «Детали машин и подъемно-транспортные устройства»;

Пушкарев Олег Иванович доктор технических наук, доцент, Волжский институт строительства и технологий (филиал) Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета, профессор кафедры «Технология машиностроения и стандартизация».

Ведущая организация ОАО «ВНИИТМАШ», г. Волгоград.

Защита состоится 17 апреля 2012 г. в 12.00 на заседании диссертационного совета Д 212.028.06 при Волгоградском государственном техническом университете но адресу: 400005, г. Волгоград, проспект им. В.И. Ленина, д. 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан » марта 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Быков Юрий Михайлович.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одной из главных задач машиностроения является повышение качества и конкурентоспособности продукции на основе совершенствования технологических процессов механической и физико-технической обработки.

К числу эксплуатационных показателей, определяющих надежность работы деталей и узлов машин, относится износостойкость контактирующих поверхностей. Проблема повышения износостойкости в машиностроении является особенно актуальной. Известно, что до 80 % всех отказов машин и оборудования связано с износом рабочих поверхностей трения.

Для повышения износостойкости поверхностей трения принципиальное значение имеют параметры микрогсометрии, структура, физические, химические, механические свойства обрабатываемого материала. Улучшение триботехнических характеристик осуществляют главным образом повышением твердости поверхностей трения путем цементирования, азотирования, хромирования, цианирования, поверхностной закалки, лазерной обработки и т. д. Одновременно с этим поверхностное упрочнение сопровождается снижением пластичности и вязкости материала, что негативно влияет на трещи-ностойкость.

С помощью широко применяемых методов окончательной обработки (шлифование, хонингование, доводка) создается необходимая форма деталей с заданной точностью, но часто не обеспечивается оптимальное качество поверхностного слоя. Оно достигается с помощью дополнительных способов доработки, к числу которых относится поверхностное пластическое деформирование (ППД), при котором происходит пластическое деформирование поверхностного слоя, а также его упрочнение, вследствие чего повышаются износостойкость, стойкость к коррозионным воздействиям и т. д. Кроме того, повышения износостойкости поверхностного слоя металла можно добиться путем насыщения поверхности трения смазывающими веществами. Перспективной представляется технология комбинированной механической и физико-технической обработки поверхностей деталей, основанная на поверхностном пластическом деформировании поверхностного слоя металла с применением легирующего вещества и металлической дроби. Такое комбинированное воздействие не только упрочняет поверхностный слой, но также модифицирует его.

Несмотря на положительные моменты использования комбинированного способа обработай, до настоящего времени не разработано обоснованной методики получения рациональных режимов ППД с использованием энергии ультразвукового поля и легирующего вещества.

Таким образом, является актуальным исследование и выявление рациональных режимов процесса комбинированной механической и физико-технической обработки металлических поверхностей для повышения эффективности процесса обработки.

Диссертация выполнена в рамках государственного гранта «Участник молодежного научно-инновационного конкурса».

Цель работы. Повышение износостойкости поверхностей фения за счет выбора рациональных режимов комбинированной физико-технической и механической обработки деталей, основанной на поверхностном пластическом деформировании с использованием энергии ультразвукового поля и частиц легирующего вещества.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:

1. Описать механизм изменения глубины остаточного отпечатка дробинки в зависимости от механических свойств поверхности трения, относительной опорной длины профиля, динамики дробинки, толщины слоя легирующего вещества, а также упругопластической деформации обрабатываемой поверхности.

2. Установить функциональные зависимости, учитывающие закономерность изменения значений параметров обработки (суммарная масса дроби и масса легирующего вещества) в зависимости от площади обрабатываемой поверхности, а также «свободного» внутреннего объема рабочей камеры.

3. Провести предварительные экспериментальные исследования, с целью определения граничных значений параметров обработки (суммарная масса дроби и масса легирующего вещества) в рамках которых происходит повышение износостойкости поверхностей трения.

4. Провести экспериментальные исследования влияния режимов комбинированной физико-технической и механической обработки, с учетом граничных значений параметров обработки (суммарная масса дроби и масса легирующего вещества), на износостойкость поверхностей трения.

5. Разработать методику выбора рациональных режимов комбинированной механической и физико-технической обработки поверхностей трения. Определить экономическую эффективность использования наиболее рационального режима обработки.

6. Результаты исследований внедрить в практику на предприятиях производственного комплекса.

Методика исследования. Теоретические исследования проведены с использованием современных достижений технологии машиностроения, ме-таллобработки, материаловедения, математического моделирования технологических процессов и обработки экспериментальных данных. Экспериментальные исследования проведены в лабораторных помещениях, имеющих современные средства регистрации, обработки и вычисления экспериментальных данных.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Описан механизм закономерности изменения глубины остаточного отпечатка дроби, с учетом механических свойств поверхности трения, относительной опорной длины профиля, динамики дробинки, толщины слоя легирующего вещества, а также упругопластической деформации обрабатываемой поверхности.

2. Разработаны функциональные зависимости, устанавливающие закономерность изменения значений параметров обработки ППД (масса легирующего вещества и суммарная масса металлической дроби) в зависимости от площади обрабатываемой поверхности и внутреннего «свободного» объема рабочей камеры. Экспериментально установлено рациональное соотношение между массой металлической дроби и массой легирующего вещества.

3. На основе проведенных экспериментальных исследований установлены регрессионные зависимости, характеризующие изменение износостойкости обработанных поверхностей трения в зависимости от сочетаний и значений параметров обработки.

Практическая ценность. На базе теоретических и экспериментальных исследований разработана методика назначения рациональных режимов процесса обработки, позволяющая добиться максимальной износостойкости металлических поверхностей трения при использовании методов ППД.

На защиту выносится:

- математические выражения, устанавливающие закономерность изменения глубины отпечатка от механических свойств и относительной опорной длины профиля обрабатываемой поверхности, а также от динамики дроби;

- математические выражения, устанавливающие закономерность изменения значений параметров обработки ППД (масса легирующего вещества и суммарная масса металлической дроби) в зависимости от площади обрабатываемой поверхности и внутреннего «свободного» объема рабочей камеры.

- результаты экспериментальных исследований влияния режимов обработки на износостойкость металлических поверхностей;

- методика выбора рациональных режимов обработки металлических поверхностей.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 9 работ, 3 из которых в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК.

Струюура и объем работы.

Диссертация состоит из оглавления, введения, четырех глав, общих выводов по работе, списка литературы и приложений. Содержит 127 страницы машинописного текста, 29 рисунков, 31 таблиц, список использованных источников из 123 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы износа рабочих поверхностей, сформулирована цель работы и задачи исследования. Отмечается актуальность исследований проводимых в направлении повышения износостойкости поверхностей трения. Сформулированы цель и задачи диссертационной работы, а также ее новизна.

В первой главе проведен анализ проблемы износа поверхностей трения. Рассмотрен механизм изнашивания поверхностей трения и основные факторы, влияющие на его интенсивность. Изучение работ отечественных и зарубежных ученых показало, что необходимым условием повышения износостойкости металлических поверхностей является уменьшение деформаци-

онной составляющей трения. Зачастую это достигается сглаживанием вершин микронеровностей, тем самым увеличивается площадь опорной поверхности. Одновременно с тем чрезмерное увеличение фактической площади контакта может привести к увеличению молекулярной составляющей трения. Следовательно, при обработке поверхностей трения необходим выбор такого режима технологического процесса, который позволит добиться оптимального соотношения между деформационной и адгезионной составляющими трения.

Рассмотрены основные способы обработки поверхностей трения: шлифование, хонингование, лазерная обработка, доводка и т.д. Анализ данных способов обработки показывает, что, несмотря, на преимущества, они имеют ряд недостатков, которые не позволяют ни один из них считать универсальным способом обработки для получения оптимальных триботехнических характеристик поверхности при минимальной трудоемкости и себестоимости процесса обработки.

В связи с этим, перспективным представляется способ обработки, основанный на поверхностном пластическом деформировании поверхностного слоя металла с использованием легирующего вещества и ультразвуковых колебаний. Необходимо отметить, что при использовании данного способа обработки происходит пластическое деформирование поверхностного слоя, а также диффузия легирующего вещества в обрабатываемую поверхность. Кроме того, использование ультразвуковых колебаний имеет ряд преимуществ: звукокапиллярный эффект обусловленный глубоким проникновением жидкости и мельчайших частиц в капилляры и трещины под воздействием ультразвуковых колебаний; интенсивный процесс диспергирования порошкового материала легирующего вещества.

Рассматриваются научные труды: Крагельского И.В., Рыжова Э. В., Суслова Л. Г., Нерубая М. С., Одинцова Л. Г., Смольникова Н.Я., Матлина М. М., Демкина Н. Б., Сердобинцева Ю. П., Хворостухина Л. А., Гусенкова А. П., Лихтмана В. И., Криштала М.А. и других ученных.

Таким образом, представляет интерес разработка методики применения ППД с использованием энергии ультразвукового поля и легирующего вещества.

Вторая глава посвящена аналитическому исследованию физических процессов поверхностного пластического деформирования с использованием энергии ультразвукового поля и частиц легирующего вещества (комбинированная механическая и физико-техническая обработка). В качестве изменяемых факторов обработки были выбраны: частота ультразвуковых колебаний, суммарная масса легирующего вещества и суммарная масса металлической дроби (шариков), так как, изменением частоты ультразвуковых колебаний можно изменять кинетическую энергию дроби; изменением суммарной массы легирующего вещества и металлической дроби можно варьировать эффективность процесса обработки.

Площадь части дробинки, вдавленную в металлическую поверхность образца, определяли с помощью выражения:

где, К - радиус металлической дробинки, /)„„ - глубина внедрения дробинки в обрабатываемую поверхность под нагрузкой.

Площадь контакта зависит от геометрии поверхности (пропорциональна относительной площади опорной плоскости), поэтому площадь деформированной поверхности образца по глубине определяли из выражения:

^»•СЛ-^.-О/,]» (2)

где, /(1) - относительная длина опорной линии профиля по глубине.

Напряжение под металлическим шариком, до начала пластической деформации обрабатываемой поверхности, находили по следующей формуле:

с^Т^и (3)

•V)

где, <гм - условный предел текучести материала металлического образца;

Ускорение, с которым шарик замедляется по ходу деформирования поверхности:

(4)

т,„ Лл-р-Я '

где, тш - масса металлической дробинки (шарика).

Определяли скорость шарика:

= (5)

В итоге получили выражение для определения скорости шарика в процессе его внедрения в обрабатываемую поверхность:

= (6)

* 4 я-р Л у(Л)

Таким образом, рассчитывали глубину внедрения металлического шарика в обрабатываемую поверхность:

3-О'о.21\*>

Глубину остаточного отпечатка определяли с помощью выражения: 2

К2> (8)

3-а,а -5В

где, а„

9- к1 • Р1 (к + к

"р 1 г - - обратимая упругая часть полного сближе-

V 16-л

ния; =——-; Е - модуль нормальной упругости (1 - модуль упругости Я-Е.,

дробинки, 2 - модуль упругости детали); Рv =408- R ' ^ < °V • крити-

ческая нагрузка, соответствующая появлению пластических деформаций на поверхности детали в центре площадки контакта (автор проф. Матаин М.М.).

С учетом изменения значений механических характеристик в условиях динамического удара дробинки по поверхности детали, выражение 8 преобразовали:

где, Нд - динамическая твердость; цн - динамический коэффициент твердости; в - коэффициент пропорциональности.

Для подтверждения достоверности установленного выражения 9 проводили эксперимент. В качестве дробеструйного механизма использовали пневматический пистолет марки МР-654к. При этом стальной дробинке диаметром 4,5 мм сообщалась скорость 70 м/с. Стрельба производилась с расстояния 2 м по закрепленной металлической пластине, изготовленной из стали марки 40Х, толщиной 12 мм. Глубину остаточного отпечатка определяли с помощью микрометра МК-25 с ценой деления 0,01 мм. По результатам данного экспериментального исследования выявлено, что расхождение между теоретическими (выражение 9) и экспериментальными значениями глубины остаточного отпечатка не превышает 12%.

Массу легирующего вещества и суммарную массу металлической дроби в процессе обработки поверхности трения, рассчитывали из выражений:

где, /?,„„„„ - плотность легирующего вещества; ргр - плотность металлической дроби; V, - объем детали; ку- коэффициент пропорциональности объема рабочей камеры к объему детали; <?„ - толщина слоя легирующего вещества; й*»» " площадь обрабатываемой поверхности; к„ - безразмерные коэффициент, отражающий отношение металлической дроби к «свободному» объему рабочей камеры.

Установленные выражения позволяют определить значения управляемых факторов обработки, в рамках которых происходит процесс поверхностного пластического деформирования и диффузии легирующего вещества в поверхностный слой детали.

В конце даны основные выводы и заключения по данному разделу диссертационной работы.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию зависимости массового износа образца от режимов обработки. Изложена методика проведения экспериментальных исследований, охватывающая вопросы вы-

К

(9)

(10) (П)

бора геометрических размеров экспериментальных образцов, режимов обработки, технологии испытания металлических образцов.

Металлические образцы изготавливались из сталей марок 40Х, 15Х и 45, так как данные стали используются при производстве деталей подверженных изнашиванию (коленчатый вал, оси, валы и т.д.). Для выявления более точной закономерности влияния ППД на износостойкость поверхностей трения были использованы образцы с разной шероховатостью поверхности Яа =0,63 мкм, ./?„ = 1,25 мкм.

Также в данной главе был обоснован выбор материала металлической дроби и легирующего вещества. Материалом металлической дроби была принята низкоуглеродистая сталь, диаметром дроби - 1,8 мм (ГОСТ 1196481). Материалом легирующего вещества был принят дисульфид молибдена.

Для разработки практических рекомендаций по применению рассматриваемого способа обработки, проводили исследования комплексного влияния управляемых факторов обработки на триботехнические свойства поверхности трения. В качестве управляемых факторов обработки были приняты: частота ультразвуковых колебаний, суммарная масса дроби и масса легирующего вещества. Численные значения данных факторов обработки представлены в таблице 1.

Таблица 1.

№ Частота ультразву- Масса легирующего Суммарная масса ме-

опыта кового поля, кГц. вещества, гр. таллических шариков,

Ф-

1 18 2 10

2 20 4 20

3 22 6 30

С целью выбора параметров технологического процесса обработки осуществляли трехфакторный эксперимент на трех уровнях.

Обработку металлических поверхностей производили на установке, представленной на рис. 1, испытания обработанных и необработанных образцов проводили на машине трения СМТ-1 по схеме «диск - колодка». Взвешивание обработанных и необработанных образцов проводили на электронных весах ОЬ-ЗОО.

Рис. 1. Схема установки по обработки поверхностей трения с использованием энергии ультразвукового поля. 1 - магнитострикционный ультразвуковой преобразователь (ПМС-0.63-22); 2 - конический концентратор; 3 - рабочая камера; 4 - обрабатываемая деталь; 5 -металлическая дробь; 6 - частицы легирующего вещества (Мо82); 7 - фиксаторы крышки установки; 8- крышка установки.

При исследовании влияния управляемых факторов на износостойкость поверхностей трения использовали регрессионный анализ как метода статистической обработки экспериментальных данных.

Использовали полиномиальную модель процесса в виде модели второй степени, которая с достаточной точностью описывает влияние факторов обработки на износостойкость поверхностей трения.

В результате обработки полученных экспериментальных данных определяли коэффициенты регрессии для образцов с разной чистотой обработки. Для образцов (сталь 40Х) с чистотой обработки Яа = 0,63 мкм:

у = 0,078-0,005л, +0,002-л2 + 0,003-л, + 0,01л2 -0,002-л2 +0,003-^ +0,002.*,*; + 0,003л,л3 + 0,001л2х„

(12)

Для образцов (сталь 40Х) с чистотой обработки Яа = 1,25 мкм: у = 017-0 0045- л, +0,0012- л2 + 0,0021-л3 + 0,0024- х} + 0,0036- л* +0,0014 л? -0,0008*,л, -0,0007л,л, -0,00075^л,

(13)

Для образцов (сталь 15Х) с чистотой обработки Яа = 0,63 мкм:

у = О 071 - О 0077 ■ л, + 0,0013 ■ хг + 0,0019 ■ л, + 0,0053 - л,2 - 0,0052 • х\ + 0,0021 ■ л,2 - 0,001л,л2 - 0,0009л,л, + 0,001л2л,

(14)

Для образцов (сталь 15Х) с чистотой обработки Д„ = 1,25 мкм:

у = 0 18 -0,0068 ■ л, + 0,0019 ■ л2 +0,0032 ■ л, + 0,0024 л,2 -0,0026 • х\ + 0,002 ■ х) + 0,0006 л, л2 - 0,0007л,л, -0,0006лгл,

(15)

Для образцов (сталь 45) с чистотой обработки = 0,63 мкм:

у = 0 084 - О 0054 ■ л, + 0 001 • х2 + 0,0021 ■ л, - 0,0023 • л2 + 0,001 ■ л2 + 0,0018 ■ л2 + 0,008лЛ - 0,0009л, л3 - 0,0007л2л3

(16)

Для образцов (сталь 45) с чистотой обработки Яа = 1,25 мкм:

>/ = 018-0007■ л, + 0,0019■ л, + 0,004■ л, -0,0041 ■ л,2 + 0,0012■ л2 + 0,003■ л,2 + 0,001л,л, -0,0007*,*, -0,0007*,*,

(17)

где, л, - нормированное значение частоты ультразвуковых колебаний; хг -нормированное значение массы легирующего вещества; - нормированное значение суммарной массы дроби; у - функция отклика.

В процессе испытания образцов строились графики, отображающие изменение массы образцов в процессе испытания на машине трения СМТ-1.

После испытания образцов, обработанных при разном сочетание факторов, был определен наиболее рациональный режим обработки, при использовании которого износостойкость, по сравнению с необработанными образцами, увеличилась в среднем на 15 % .

40 60 80

Время испытания образцов, мин

0,12

о 0,04

Рис. 2, Изменение массы образцов (сталь 15Х) Ля=0,63 мкм. — испытание необработанного образца; - испытание образца (наиболее рациональный режим обработки).

20 40 60 80 100

Вромя испытания образцов, мин

Рис. 3. Изменение массы образцов (сталь 15Х) /?„=',25 мкм. — испытание необработанного образца; ■ испытание образца (наиболее рациональный режим обработки).

0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0

- 81

г- -- 8

у А К

%

У / , / /

// -1

40 60 30

Время испытания образцов, мин

Рис. 4. Изменение массы образцов (сталь 40Х) Л„=0,63 мкм. — испытание необработанного образца; - испытание образца (наиболее рациональный режим обработки).

0,25

В 0,2

г

о

с 0,05

Вромя испытаний образцов, мин

Рис.5. Изменение массы образцов (сталь 40Х) Л„=1,25 мкм. — испытание необработанного образца; - испытание образца (наиболее рациональный режим обработки).

— я

г~ " _ ! —- ■ И* "П -А

•1 •О

А / Г

-1

120

20 40 60 80 100

Время испытания образцов, мин

Рис. 6. Изменение массы образцов (сталь 45) К„=0,63 мкм. — испытание необработанного образца; - испытание образца (наиболее рациональный режим обработки).

20 40 60 80 100

Время испытания образцов, мин

Рис. 7. Изменение массы образцов (сталь 45) Л„=1,25 мкм. — испытание необработанного образца; - испытание образца (наиболее рациональный режим обработки).

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что при рациональном режиме обработки значения управляемых факторов составляют - частота ультразвукового поля 22 кГц, масса дроби 20 гр., масса легирующего вещества 4 гр. Результаты, полученные в ходе экспериментального исследования свидетельствуют о том, что при данных значениях управляемых факторов происходит упрочнение поверхностного слоя, а также диффузия легирующего вещества в поверхность металла.

Наиболее эффективно процесс поверхностного пластического деформирования и диффузии легирующего вещества наблюдался для образцов, изготовленных из сталей 45 и 15Х. Как следствие, разница между износом об-

разцов. обработанных при наиболее рациональном режиме обработки, и износом необработанных образцов была больше чем для стали 40Х.

Для выявления факта диффузии легирующего вещества в металлическую поверхность, в процессе обработки дробью, был выполнен рентгеност-руктурный анализ обработанных поверхностей, по результатам которого установлено содержание дисульфида молибдена в поверхности металла. Были сделаны фотографии срезов обработанных поверхностей (рис. 8 - 10). При этом глубина диффузии дисульфида молибдена составляет в среднем 50 - 70 мкм. В ходе экспериментального исследования измерялась твердость металлических поверхностей. В результате измерения твердости установлено ее увеличение в среднем на 10 - 15% в зависимости от марки стали.

Рис. 8. Фотофафия среза металлической поверхности стали марки 45 х 2000 (1 - слой металла, содержащий дисульфид молибдена; 2 - твердый раствор металла без дисульфида молибдена)

Рис. 9. Фотография среза металлической поверхности стали марки 15Х х 2000 (1 - слой металла, содержащий дисульфид молибдена; 2 - твердый раствор металла без дисульфида молибдена)

Рис. 10. Фотография среза металлической поверхности стали марки 40Х х 2000 (1 - слой металла, содержащий дисульфид молибдена; 2 - твердый раствор металла без дисульфида молибдеиа)

Четвертая глава посвящена вопросу создания методики выбора рациональных режимов комбинированной механической и физико-технической обработки, с целью повышения эксплуатационных свойств поверхности 1рс-ния.

Этапы выполнения методики по назначению рационального режима обработки:

1. На первом этапе устанавливаются механические характеристики металлической поверхности (твердость, предел текучести), а также квалитет ее обработки. Полученные результаты используются для выбора материала и типа дроби.

2. С помощью выражения у0 = 2тоу£ определяется скорость дробинки. С учетом найденного значения скорости, определяется диаметр дробинки:

<1 = ъ

6-Е„

г

vш -л-р

где, = т-" <°'---полная механическая энергия колеблющегося тела.

3. С помощью выражения 9 определяется остаточная глубина внедрения дробинки в металлическую поверхность. Интенсивность изнашивания определяется с помощью выражения:

8- р„ ■ М(В^) ■ Ь ■ е"

-

5-р. -Я"

гя-нв-п-ф^Сг^'У

добинцев Ю.П.).

(автор выражения проф. Сер-

5. С учетом коэффициента восстановленной скорости дробинки, а также ее массы, определяется расстояние между стенкой рабочей камеры и обрабатываемой поверхностью: Л, =-. ;

где, х - коэффициент, учитывающий вектор и модуль силы сопротивления; — - коэффициент восстановленной скорости; тш ■ gu, - вес дробинки.

6. Определяется время обработки металлических поверхностей с помощью выражения: - " ^ г * & (автор выражения проф. Одинцов Л.Г.);

7. В зависимости от площади обрабатываемой поверхности, а также с учетом экспериментально установленной приведенной толщиной слоя легирующего вещества = 440 мкм.), при котором наблюдалась максимальная износостойкость металлических поверхностей, определяется необходимая масса легирующего вещества (выражение И).

8. Определяется необходимое количество дроби (выражение 10), исходя из площади обрабатываемой поверхности и объема рабочей камеры.

Также данная глава посвящена вопросу внедрения в производство методики выбора рациональных режимов обработки, основанной на поверхностном пластическом деформировании с использованием энергии ультразвукового поля и частиц легирующего вещества. Приводится информация о результатах использования данной технологии в производство на ОАО «Себря-ковский комбинат асбоцементных изделий».

Кроме того, в четвертой главе выполнен экономический расчет по определению себестоимости единицы площади обрабатываемой поверхности.

Общие выводы и результаты

Сформулированы основные научные результаты и выводы, полученные в работе:

1. Рассмотрен механизм упругопластической деформации металлической поверхности трения в процессе ее контакта с дробинкой. Установлено выражение, позволяющее прогнозировать глубину остаточного отпечатка дробинки в зависимости от механических свойств поверхности трения, относительной опорной длины профиля, динамики дробинки, толщины слоя легирующего вещества, а также упругопластической деформации обрабатываемой поверхности.

2. Предложены зависимости, позволяющие определить опорную длину профиля с учетом возможного распределения материала в пределах базовой длины профиля. Установлены выражения, учитывающие закономерность изменения значений параметров обработки (суммарная масса дроби и масса легирующего вещества) в зависимости от площади обрабатываемой поверхности, а также от «свободного» внутреннего объема рабочей камеры.

3. Проведены комплексные исследования влияния управляемых факторов обработки на триботехнические свойства поверхности трения. Определены граничные значения факторов обработки (суммарная масса дроби и масса легирующего вещества) в рамках которых происходит увеличение износостойкости поверхностей трения. Установлены рациональные режимы процесса обработки, позволяющие добиться максимальной износостойкости поверхностей деталей. Выявлено, что износостойкость поверхностей трения образцов, обработанных при наиболее рациональном режиме обработки, увеличилась в среднем на 15% по сравнению с необработанными образцами.

4. Экспериментально установлены: значение коэффициента х = 0,47, учитывающего вектор и модуль силы сопротивления падающей дробинки; значение коэффициента пропорциональности к„ - 0,2; эффективная приведенная толщина слоя дисульфида молибдена (<5„ = 440 мкм.); рациональное отношение массы металлической дроби к массе легирующего вещества (в условиях проведенных экспериментов, составляет 5:1).

5. На основе результатов теоретического и экспериментального исследований разработана методика выбора рациональных режимов процесса обработки. Выполнен экономический расчет себестоимости единицы площади обрабатываемой поверхности.

6. Результаты данной научной работы внедрены и используются в производственной сфере: ОАО «Себряковский комбинат асбестоцементных изделий», что позволило повысить износостойкость металлических поверхностей деталей и узлов, используемых в промышленном производстве.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации из перечня научных журналов рекомендованных

ВАК:

1. Повышение эффективности обработки поверхностей деталей применением энергии ультразвукового поля /Клочков Д.П., Бурлаченко О.В./ Известия Волгоградского государственного технического университета. - Волгоград: ВолгГТУ, 2009. - выпуск 5 № 8 (56) с. 8 - 9.

2. Методика выбора рациональных режимов обработки деталей с целью повышения износостойкости поверхностей /Клочков Д.П./ Интернег-вестник ВолгГАСУ - Волгоград, 2010. - Выпуск: 2(12), 2010. Серия: Политематическая.

3. Влияние режимов поверхностного пластического деформирования с использованием частиц легирующего вещества и энергии ультразвукового поля на триботехнические свойства металлических поверхностей трения/Клочков Д.П./ Научно - технический журнал Вестник МГСУ, №1 т. J, 2011 г. Периодическое научное издание, Москва, МГСУ. С. 116 - 119.

Публикации в других изданиях:

4. Повышение эффективности строительного комплекса путем увеличения срока безотказной работы строительных машин/ Клочков Д.П. / Материалы III Всероссийской научно-технической конференции «Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного ком-

плекса региона. Наука. Практика. Образование», 22 - 23 октября 2009 г. - г. Михайловка- с. 245 246.

5. Повышение износостойкости деталей строительных машин и оборудования применением энергии ультразвуковых колебаний в процессе обработки поверхностей трения /Клочков Д.П., Бурлаченко О.В./ Материалы II Всероссийской научно-технической конференции «Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона, Наука. Практика. Образование», 18-19 декабря 2008 г. - г. Михайловка - с. 68-71.

6. К вопросу о совершенствовании системы технического обслуживания и ремонта строительных и дорожных машин /Клочков Д.П., Бурлаченко О.В./ Материалы ежегодной научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава и студентов ВолгГАСУ, Волгоград: Изд-во Волг-ГАСУ, 2008. - С. 199 - 200.

7. Выбор оптимальных параметров технологического процесса безабразивной ультразвуковой финишной обработки (БУФО) поверхностей трения/ Клочков Д.П., Бурлаченко О.В./ XIII Региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области, Волгоград, 11-14 нояб. 2008 г. Изд-во ВолгГАСУ, 2009. - С. 36 - 39.

8. Математическая модель деформирования элементарного микровыступа /Клочков Д.П./ Малоэтажное строительство в рамках национального проекта .«Доступное и комфортное и доступное жилье гражданам России»: технологии и материалы, проблемы и перспективы развития в Волгоградской области: материалы международной научено-практической конференции, 15 -16 дек. 2009 г., Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ, 2009. - С. 197 -198.

9. Определение закономерности изменения опорной площади поверхности металла в процессе поверхностного пластического деформирования (ППД)/ Клочков Д.П., Бурлаченко О.В./ Наука и образование: проблемы, решения и инновации: науч.-практ. конф. профессорско-преподавательского состава ВИСТех, г. Волжский, 9—10 декабря 2010 г.: сборник статей: в 2-х ч. Ч. 1 / Волгогр. гос. архит.-строит. ун-т; ВИСТех (филиал) ВолгГАСУ. -Волгоград: ВолгГАСУ, 2010. С. 14 -18.

Подписано в печать 5.03.2012 г. Формат 60 х 84/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Заказ № 44 Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз.

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1 Отдел оперативной полиграфии

61 12-5/2970

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего и профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Клочков Дмитрий Петрович

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ ПУТЕМ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ С НАЛОЖЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ

КОЛЕБАНИЙ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Специальность: 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки.

Научный руководитель д. т. н. доцент Бурлаченко О.В.

Волгоград 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Название пункта Введение Научная новизна

ГЛАВА 1. Современное состояние проблемы обеспечения качества поверхности трения

1.1. Актуальность проблемы износа поверхностей трения

1.2. Существующие модели поверхностей трения и существующие способы обработки поверхностей деталей

1.3. Анализ методов расчетного определения пластической деформации поверхности при ударе дроби

1.4. Общие положения, характеризующие способы обработки, основанные на ППД

1.5. Общие выводы к первой главе

1.6. Постановка задачи исследования

ГЛАВА 2. Математическое моделирование процесса обработки поверхностей трения, основанного на поверхностном пластическом деформировании с применением энергии ультразвукового поля и частиц легирующего вещества

2.1. Исследование процесса упруго-пластического деформирование металлической поверхности под влиянием ППД

2.2. Определение закономерности изменения опорной площади и глубины упрочнения поверхности металла в процессе поверхностного пластического деформирования

2.3. Общие выводы ко второй главе

ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование процесса обработки поверхностей трения

3.1 Методика экспериментального исследования

3.2. Выбор параметров технологического процесса обработки

поверхностей трения, основанного на применении ППД, энер-

Стр. 4 7 9

9 15

19

22

33

34 36

37

48

60 62

62 73

гии ультразвукового поля и частиц легирующего вещества

3.3. Обработка экспериментальных данных 77

3.4. Общие выводы к третьей главе 87 ГЛАВА 4. Влияние обработки ППД с использованием энергии 89 ультразвукового поля на качество поверхностного слоя трибо-сопряжения

4.1. Влияние режимов ППД на износостойкость поверхностно- 89 го слоя стальных деталей

4.2. Методика выбора рациональных режимов обработки 98

4.3. Определение себестоимости единицы площади обрабаты- 100 ваемой поверхности

Общие выводы 102

Приложения 1 104

Приложение 2 113

Акт внедрения 116

Список литературы 117

ВВЕДЕНИЕ

Развитие современного машиностроения сопровождается усложнением конструкции, как самого машиностроительного оборудования, так и его продукции: усложнением условий эксплуатации, увеличением скоростей, давлений, тепловых режимов и других факторов их эксплуатации. Как следствие этого возникает проблема снижения износа, являющегося основной причиной выхода из строя деталей машин и механизмов которая стала наиболее актуальной в современном машиностроении и смежных к нему областях [57, 59, 86, 105, 106, 108].

Среди существующих решений снижения износа поверхностей трения (применения новых материалов, конструкторских и технологических приемов и т.д.) основным является способ, основанный на получение поверхностей с заданными физическими, механическими, химическими и другими свойствами, которые могут быть получены за счет применения различных видов обработок поверхностей трения.

Известно, что изнашивание есть процесс разрушения поверхностных слоев твердого тела при механическом воздействии на него другого тела или среды. При изнашивании акт разрушения локализуется в малом объеме материала, который удаляется из зоны трения в виде частиц износа [25]. Любая рабочая поверхность не является идеально гладкой, а представляет собой переменный микрорельеф с выступами разной высоты. Поэтому любой способ обработки рабочих поверхностей предполагает уменьшение разности высот микровыступов, а также создание более постоянного микрорельефа.

Одной из главных задач ученых в машиностроительной сфере является изучение закономерностей протекания технологических процессов и выявление параметров, воздействуя на которые можно интенсифицировать производство и повысить его качество. Знание этих закономерностей является основным условием рационального проектирования технологических процессов и применения электронных вычислительных машин, обеспечивающих

сокращение сроков проектирования, облегчение труда технологов и получение рациональных вариантов проектируемых технологических процессов.

Известно, что контактное взаимодействие деталей машин, определяющее их эксплуатационные свойства, зависит от качества сопрягаемых поверхностей. В большинстве случаев с поверхности начинается износ деталей зарождения усталостных трещин, коррозии и т.д. Кроме того, сопрягаемые поверхности определяют плотность неразъемных соединений и прочность посадок [54, 106].

Наличие на контактирующих поверхностях деталей машин неровностей (макроотклонения, волнистость и шероховатость) приводит к их прерывистому (дискретному) контакту. При этом, действительная (фактическая) площадь контакта, через которую передаются давления от одной детали к другой, составляет малую часть от номинальной, ограниченной внешними размерами сопрягаемых поверхностей и являющейся основой для проектно-конструкторских разработок [4, 25, 94].

Изменение физико-механических свойств поверхностного слоя при на-гружении вызывает изменение критического сближения и фактической площади контакта сопрягаемых поверхностей. Все это приводит к большим контактным деформациям поверхностных слоев и их пластическому течению, что в значительной степени определяет эксплуатационные свойства деталей машин (износостойкость, контактную жесткость, прочность посадок и т. д.) [58, 98, 99].

К числу эксплуатационных показателей, определяющих надежность работы деталей и узлов машин относятся: износостойкость, герметичность, отсутствие относительных перемещений в стыках и в узлах и т. д. Известно, что до 80 % всех отказов в технике связано с износом поверхностного слоя деталей машин и механизмов [91]. Данная проблема решается главным образом повышением твердости поверхностного слоя путем цементации, азотирования, хромирования, цианирования, поверхностной закалки, лазерной обработки и т.д. [98].

Чрезмерное же увеличение твердости поверхностного слоя может привести к снижению пластичности и вязкости, что негативно сказывается на трещиностойкости. Следовательно, при выборе метода обработки наряду с повышением твердости необходимо учитывать пластичные и вязкостные свойства материала обрабатываемой поверхности, которые будут иметь оптимальные значения в конкретном эксплуатационном режиме работы [98].

Для повышения износостойкости поверхностного слоя принципиальное значение имеют характеристики микрогеометрии, структуры рабочего и прилегающего к нему слоя, физических, химических, механических свойств и, следовательно, способы обработки при которых достигаются необходимые параметры поверхности контакта. С помощью широко применяемых методов финишной обработки металлических поверхностей (шлифование, хонинго-вание, доводка) создается необходимая форма деталей с заданной точностью, но зачастую не обеспечиваются необходимые параметры поверхностного слоя. В частности, данные параметры могут быть достигнуты с помощью способов поверхностного пластического деформирования (ППД), при которых не образуется стружка, а происходит тонкое пластическое деформирование поверхностного слоя [82, 95]. В результате чего, упрочняется поверхностный слой, повышается износостойкость, стойкость к коррозионным воздействиям и т. д. Во многих случаях применением ППД удается повысить запасы прочности деталей, работающих при переменных нагрузках, в 1,5 - 3 раза и увеличить срок службы деталей в несколько раз [82].

Среди способов поверхностного пластического деформирования (ППД) перспективным представляется способ, основанный на соударение дроби и легирующего вещества по обрабатываемой поверхности под воздействием ультразвукового поля. При использовании данного способа поверхность деформируется, сглаживаются вершины микронеровностей, упрочняется поверхностный слой, увеличивается относительная опорная площадь поверхности, а также происходит закрепление частиц легирующего вещества на обра-

батываемой поверхности, что также приводит к повышению ее износостойкости.

Несмотря на определенную схожесть условий, в которых происходит процесс деформирования поверхностного слоя при ударных способах 1111Д (дробеструйная, ультразвуковая, виброударная и т. д.), до сих пор не существует универсального математического аппарата, позволяющего однозначно выбрать для каждого способа наиболее рациональные режимы обработки поверхностей трения. Рассматриваемый в диссертационной работе способ ультразвуковой обработки металлических поверхностей [42, 44] не является полностью изученным, вследствие чего, в настоящее время не существует математических выражений, позволяющих с высокой достоверностью описать процесс ППД и влияние основных факторов обработки на качество обрабатываемой поверхности, как следствие, отсутствует четкая методика выбора рациональных режимов обработки.

Таким образом, возникает необходимость в разработке математической модели данного способа обработки, основанного на ППД поверхностного слоя и его насыщении легирующим веществом, а также создание методики выбора рациональных режимов обработки.

Научная новизна

Данной диссертационной работы заключается в следующем:

1. Описан механизм закономерности изменения глубины остаточного отпечатка дроби, с учетом механических свойств поверхности трения, относительной опорной длины профиля, динамики дробинки, толщины слоя легирующего вещества, а также упругопластической деформации обрабатываемой поверхности.

2. Разработаны функциональные зависимости, устанавливающие закономерность изменения значений параметров обработки ППД (масса легирующего вещества и суммарная масса металлической дроби) в зависимости от площади обрабатываемой поверхности и внутреннего «свободного» объе-

ма рабочей камеры. Экспериментально установлено рациональное соотношение между массой металлической дроби и массой легирующего вещества.

3. На основе проведенных экспериментальных исследований установлены регрессионные зависимости, характеризующие изменение износостойкости обработанных поверхностей трения в зависимости от сочетаний и значений параметров обработки.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ТРЕНИЯ

1.1. Актуальность проблемы износа поверхностей трения

Проблема преждевременного износа деталей машин и механизмов является одной из самых актуальных в современной техники и, особенно, в двигателях внутреннего сгорания. Одним из условий длительной и безотказной работы деталей, узлов, а, следовательно, и машины в целом, является поверхностный слой высокого квалитета. В настоящее время наблюдается тенденция к возрастанию нагрузок, скоростей и температур в парах трения, что неизбежно приводит к отрицательным явлениям (преждевременный износ, потеря герметичности, деформации поверхностного рабочего слоя и др.). Появлению данных негативных явлений способствует не только условия работы детали, но и геометрические, физические, химические характеристики поверхностного и нижележащих слоев, которые в свою очередь зависят от материала детали и способа обработки рабочих поверхностей.

В настоящее время используют многочисленные методы обработки поверхностей деталей: цементация, нитроцементация, сульфидирование, газопламенная закалка, индукционная закалка, электроискровое упрочнение, напыление, лазерная обработка и т. д. [22, 88, 102, 110].

Даже незначительной износ поверхностных слоев таких деталей как поршень, поршневой палец, распределительный вал и т. д. приводит к утечке масла, увеличению автоколебаний, повышенному шуму при работе, снижению мощности двигателя, увеличению ударных нагрузок и т. д. (рис. 1.1., 1.2.).

Особенно остро проблема износа проявляется у рамовых шеек коленчатых валов дизельных двигателей, где за 1000 ч работы (в зависимости от конструкции и условий эксплуатации двигателя) износ составляет 0,002 -0,015 мм, а мотылевых - от 0,01 до 0,02 мм. [108].

Преждевременный износ деталей технологического оборудования является также актуальной проблемой в промышленном производстве (рис. 1.З.). Валы, подшипники скольжения зачастую эксплуатируются в условиях высоких скоростей, давлений, вибраций.

Например, частота вращения вала молотковой дробилки варьируется от 600 до 2500 об/мин. [46].

Рис. 1.1 Износ гильзы поршня.

Рис. 1.2. Износ рулевой тяги.

место вала

подверженное

износу

места вала подверженные износу

Рис. 1.3.Износ вала молотковой дробилки и ее общая схема (1 - электромотор, 2 - муфта).

Известно, что фактическая площадь контакта всегда меньше номинальной, следовательно, поверхность трения изнашивается неравномерно, что приводит к высоким давлениям и температурам в местах контакта, и как следствие, к преждевременному износу деталей и узлов [98].

Работы Ф. П. Боудена И. Д. Тейбора [9, 114, 115] показали, насколько мала фактическая площадь касания, которая в их экспериментах составляла 0,01 - 0,1% от номинальной. Исследуя площадь фактического касания на модели, представляющей собой жесткую сферу, внедряемую в плоскость из мягкого материала, они приходят к выводу, что пластическая деформация

неровностей с малым радиусом кривизны начинается при очень малых нагрузках. Например, для сферы радиуса 10"4см пластическая деформация начинается уже при нагрузке в 10"5н, а полная пластичность будет достигнута при 10"3н. Вследствие этого, большинство контактирующих выступов находится в состоянии полной пластичности.

В этом случае, по мнению авторов [13, 15, 16] для единичного выступа, имеет место соотношение:

Аг=Ы!Чт (1.1.)

где,

Аг- фактическая площадь контакта [мм ]; ТУ - нормальная нагрузка [Н]; - давление, соответствующее переходу выступа в пластическое состояние [Н/мм ].

Шероховатость металлических поверхностей, высота которой колеблется от 0,05 до 300 мкм [98], первой воспринимает механические, тепловые, электрические и другие воздействия и во многом определяют работоспособность деталей и узлов машин, и именно микровыступы максимальной высоты подвергаются самому интенсивному износу.

Большинство способов обработки поверхности деталей подразумевает создание более регулярного микрорельефа с незначительным перепадом высот микровыступов, а некоторые способы еще с одновременным упрочнением поверхностных слоев.

Существует много формулировок термина износа, остановимся на общей: износ - это изменение размеров, формы, массы объекта или состояния его поверхности вследствие остаточной деформации от постоянно действующих нагрузок либо из-за разрушения поверхностного слоя [98]. Изучение трения и износа следует рассматривать как учение о прочности твердых тел, точнее о разрушении поверхностных слоев твердых тел. Эти процессы необходимо рассматривать, учитывая взаимодействие твердых тел с окружающей средой, которая может в значительной мере менять свойства поверхностного слоя [7, 26, 37, 54, 59].

Изнашивание - процесс разрушения поверхностных слоев твердого тела при механическом воздействии на него другого тела или среды. Если механическое воздействие проявляется в виде силы трения, то говорят об изнашивании при трении. Следовательно, износ является следствием изнашивания.

При изнашивании акт разрушения локализуется в малом объеме материала, который удаляется из зоны трения в виде частиц износа. О величине износа обычно судят по уменьшению размера тела в направлении, перпендикулярном к поверхности трения (линейный износ), а также по изменению массы детали.

Различают стадии процесса износа.

Первая стадия - приработка является неравновесной стадией процесса изнашивания, доля которой в общем ресурсе времени работы сопряжения

dH

мала. Она характеризуется значительной интенсивностью изнашивания ——

d-Lmp

(здесь Я - износ [гр, мкм], Lmp - путь трения [км]), которая по мере работы

сопряжения падает.

Вторая стадия процесса - самая продолжительная по времени и характеризуется постоянными значениями интенсивности изнашивания

^ = const [55].

dLn,p

Третья стадия - катастрофический износ, характеризуемая резким увеличением интенсивности изнашивания.

Для определения величины износа материала и распределения износа по поверхности трения применяются различные методы. Например, метод определения линейно�