автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение качества и эксплуатационных свойств цилиндрических поверхностей деталей совмещением операций хромирования и вибронакатывания (на примере штоков гидро-пневмоагрегатов)

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

НОВИКОВА ТАТЬЯНА ВЛАДИМИРОВНА

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ СОВМЕЩЕНИЕМ ОПЕРАЦИЙ ХРОМИРОВАНИЯ И ВИБРОНАКАТЫВАНИЯ (НА ПРИМЕРЕ ШТОКОВ ГИДРО- ПКЕВМОЛГРЕГАТОВ) .

Специальность: 05.02.08 - Технология машиностроения.

АВТОРЕФЕРАТ

ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Нижний Новгород

1998 год

Работа выполнена на кафедре " Технология машиностроения " Нижегородского государственного технического университет.

Научный руководитель

Член-корреспонденг А Т II Р Ф. доктор технических наук, профессор Сорокин В.М.

Научный консультант

кандидат технических наук. Пучков В.П.

доцент

Официальные

оппоненты

доктор технических паук, профессор Сорокин Г. К.

кандидат технических наук, доцент Сухоруков З.М.

Ведущее предприятие

АО "Арзамасский машиностроительный ча под"

Защита состоится "_" декабря 1998г. в 15_____часов на заседании

диссертационного совета К.063.85.07 но присуждению ученой степени кандидата технических наук г.ри Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, г.Н.Новгород, ул.Минина, 24, ауд.1258.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного техническою университета. Автореферат разослан "__"ноября 1998г.

Ученый секретарь диссертационного

совета кандидат технических наук,

доцент Симонов А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. В условиях вочрастающсй конкуренции на рынке машиностроительной продукции одной из важнейших 1адач является повышение качества оборудования и, в частности, -эксплуатационных свойств их деталей.

Сущее п!\ег целый ряд деталей, например, штоки силовых гидроцилиндров и пневмоагрегатов автомобилей, самолетов, дорожных и Сфоигельных машин, судовых дизилей и др., изготавливаемых из конструкционных сталей и эксплуатирующихся в условиях коррозионного воздействия окружающей среды при знакопеременных нагрузках.

Обеспечение высоких 'эксплуатационных показателей таких деталей невозможно без применения упрочняющей технологии, в частности, нанесения износостойких покрытий (хрома) и поверхностного пластическою деформирования (ГШД).

Благодаря своим технологическим преимуществам данные методы упрочнения получили широкое распространение и реализуются в машиностроении с помощью различных схем. В то же время весьма важными остаются поиск и внедрение в практику более перспективных и эффективных методов упрочнения поверхностей деталей, среди которых существенное значение приобретают комбинированные методы упрочняющей технологии, особенно процессы, совмещающие операции обработки, обеспечивающие высокие параметры качества поверхностного слоя и производительность обработки.

Однако, несмотря на перспективность данного направления, сведения о совмещенных процессах упрочнения поверхностей деталей весьма ограничены в связи с их малоизученностыо. Поэтому, исследования, направленные на разработку процесса совмещения хромирования с одновременным послойным упрочнением наносимых износостойких покрытий (хрома) Г1Г1Д. например, вибронакатыванием являются актуальными.

Цель работы. Разработка технологического процесса совмещенного гальнаподеформационного упрочнения поверхностей деталей с образованием ре1улярного микрорельефа. исследование его эффективное!и и. на этой основе, повышение эксплуатационных свойств изделий (штоков гидро- пневмоагрегатов и др.).

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1.На основе анализа выбрать рациональную схему совмещенного комбинированного процесса упрочнения поверхностей деталей и обоснован, основные технологические параметры при обработке наружных цилиндрических поверхностей.

2.Разработать методику и пронести теорешко-эксперименталыше исследования изменения модуля упрут ос ги и осштчных напряжений при комбинированном упрочнении поверхности деталей.

3.Исследовать влияние технологических факторов на величину и стабильность параметров качества поверхностною слоя, получаемого при совмещенном комбинированном упрочнении.

4.Исследовать влияние геометрических караморой после предварительной обработки заготовки и процесса ГДУ на прочность сцепления износостойких покрытий с мешллом основы.

5.Исследовать влияние ГДУ на эксплуатационные свойства штоков гидро- пневмоагрегатов: износостойкость, коррозионную стойкость, герметичность и др.

6.Разработать рекомендации но практическому применению результатов работы.

Методы исследований. В рабше использовались (еорешческие и экспериментальные методы исследований. Теоретические исследования выполнены на базе научных основ технологии машиностроения, теории ;упруго-пластических деформаций металлов, физики твердою тела, теории ППД, аппарата математической статистики.

Экспериментальные исследования базируются на теории планирования экспериментов, корреляционном и множественном анализе и на использовании ПЭВМ. При выполнении работы применялись современные методы исследования параметров качества поверхностного слоя: профиллометрии, тензометрии, микроскопии, металло1-рафии. Опыты по оценке эксплуатационных свойств, проводились на специально разработанных установках, с использованием современных средств измерений и контроля.

Научная новизна. На основе теорстико-эксперимепгальных исследований разработаны схема и теоретическое обоснование структуры процесса совмещенного ГДУ. обеспечивающею высокие параметры качества поверхностного слоя и его эксплуатационные показатели.

Разработана методика и получены математические зависимости для оценки, неразрушающим методом, остаточных напряжений с учетом изменения модуля упругости в металле в процессе совмещенного ГДУ поверхностною слоя деталей.

Изучено влияние режимов совмещенного ГДУ па формирование параметров качества поверхностного слоя и эксплуатационные характеристики штоков гидро- иневмоагрегаюв. Получены математические зависимости на основе меюда планирования эксперимента, оценивающие влияние параметров обраГхнки на геометрические, физико-механические, структурные параметры качества

поверхносшого слоя, позволяющие прогнозировать изменение этих показателей и эксплуатационных свойон обрабатываемых изделий. Подтверждена адекватное! ь математических зависимостей, полученных аналитическим и стшиетическим метлами исследований.

Практическая значимость работы. Разработан новый совмещенный процесс ГДУ, который позволяет использовать одну единицу технологического оборудования для нескольких операций, что обеспечивав сокращение вспомогательного времени и трудоемкости обработки. повышение производительности труда, экономии материальных ресурсов, сокращение себестоимости обработки.

Па основе результатов исследований и полученных математических зависимостей разработана методика расчета величин модуля упругости (Е) и остаточных напряжений (а) по толщине поверхностного слоя при ГДУ изделия, без его разрушения (неразрушающий метод).

Получены математические модели, отражающие влияние режимов ГДУ на парамефы качества поверхностною слоя (а, П,,.!^, , микроструктуру и ее дефектноегь. прочность сцепления покрытий с основой), на основе которых разработаны рекомендации, обеспечивающие получение заданного качества поверхностного слоя штоков гидро-пневмоагрегатов.

Разработаны алгоритм и программа определения оптимальных режимов ГДУ для заданных параметров качества поверхностного слоя. Предложенные схемы и установка совмещенного ГДУ, полученные результат исследований могуг быть использованы при разработке новых совмещенных процессов упрочняющей обработки.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы при разработке опытно-промышленной технологии изготовления штоков гидро-иневмоагредаюв в НГ'ГУ и переданы для апробации на ряд промышленных предприятий Нижегородского региона.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на ежегодных научных конференциях и семинарах Нижегородского государственного техническою университета в 1994-1998г.г._ заседаниях кафедр " Технология машиностроения" НГТУ и Арзамасскою филиала НГТУ в 1993-1997г.г., проблемном совете "Ресурсосберегающие технологии в машиностроении и приборостроении" Академии технологических наук РФ в 1995-1998г.г., на международных конференциях: " Влияние технологии на состояние поверхностного слоя. -ПС-96" г.Пошань (Польша) в 1996г.; "УП-е Бернардосовские чтения"

г.Иваново (Россия) в 1997г.. на юбилейно« нл.конф. с учасшсм зарубежных специалистов г.Н.Новгород в 1997г.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка из 97 наименований и приложений. Содержит 147 страниц машинописного текста, 33 рисунка, 21 таблицу.

Основное содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной рабогы. Дана общая характеристика результатов исследований, полученных в диссертации, представлены основные положения выносимые на защиту.

В первой главе приведен анализ современного состояния в области упрочняющей обработки поверхностей обеспечивающих их высокие •эксплуатационные показатели. Известно, чю основными показателями характеризующими работоспособность гидро-пневмоагрегатов. являются коррозионная стойкость, износостойкость, герметичность хромированных деталей и соединений. Для их обеспечения разработаны самые различные способы: нанесение износостойких и антифрикционных покрытий, поверхностное пластическое деформироваиие, химико-тсрмические, физические, комбинированные процессы упрочнения.

Показан большой вклад отечественных ученых Алексеева П.Г., Бабичева А.П., Балтер М.А., Брондза Л.Д., Горленко O.A., Дальского A.M., Евсеева Д.Г.. Кравченко Б.А., Кудрявцева И.В., Михайлова A.A., Мухина B.C., Одинцова Л.Г., Лаптева Д.Д., Рябого А.Я., Смелянского В.М., Смоленцева А.П., Сорокина В.М., Сулимы A.M., Суслова А.Г., Хворостухина Л.А., Чистосердова И.С., Шнейдера Ю.Г.. Юдина Д.Л., Ящерицина П.И. и других в развитие и совершенствование технологии данных способов упрочняющей обработки деталей машин, оборудования и приборов. Раскрыты особенности основных из них. нанесения износостойких покрытий (хромирование), ППД (вибронакатывание, вибровыглаживание), комбинированных и др. получивших распространение в промышленности для упрочнения цилиндрических поверхностей изделий: проанализированы их достоинства и недостатки.

На основании проведенного обзора литературных источников сделаны выводы о необходимости совершенспитания и разработки новых схем и совмещенных комбинированных процессов упрочнения

¡¡онсрхжхлей деталей; сформулирована цель и определены задачи

ИССЛСДОНаНИЙ.

Вторая глава посвящена разрабо1ке схемы и структуры процесса ГДУ с образованием РМР на наружных цилиндрических поверхностях изделий, а также методики исследований остаточных напряжений в поверхностном слое с учетом изменения модуля упругости по глубине слоя металла при ГДУ.

Кроме того приводятся меюдики исследований параметров качества поверхностного слоя: микро гвердост и с помощью прибора Г1МТ-3. твердое! к по Виккерсу, микроструктуры поверхностного слоя и дефектности покрытий с помощью микроскопов МИМ-8А, МИМ-10, характеристик микрорельефа профилометром-профилографом модели 201; эксплуатационных характеристик поверхностного слоя: прочности сцепления хромовых покрытий под нагрузкой в зависимости от способа подготовки поверхности, износо- и коррозионной стойкости деталей, герметичности соединений н плавности хода.

Стремление избавиться от присущих недостатков, известных комбинированных процессов и повысить эффективность упрочняющей обработки путем сочетания и объединения различных схем упрочнения, совмещающих в частности, операции подготовки поверхности под покрытие, нанесения износостойких покрытий (хрома) и ППД (вибронакатывание, вибровыглаживание) привело к созданию новых схем и способа совмещенного гальванодеформационного упрочнения (СГДУ) с образованием РМР на обрабатываемых поверхностях деталей.

Сушноси. ею состит в том. что рабочая поверхность изделия, подлежащая гальваподеформационному упрочнению, предварительно подвергается вибронакатыванию или вибровыглаживанию, для обеспечения качественных характеристик покрытия, а затем производится синхронное осаждение тонких слоев хрома с одновременным послойным вибронака гыванием.

Выполненный анализ схем комбинированной обработки показал перспективность применения предложенной схемы совмещенного ГДУ, реализуемой с.помощью специальной установки (рис.1). Она включает в себя: приспособление для установки детали, являющейся катодом, упругую державку с индентором для ППД, анод, насосную установку для подачи электролита (ванну с электролитом), источник питания постоянного тока.

Исследования проводи.)тсь на сплошных цилиндрических и полых образцах из сталей 45 , 30ХГСА и 30ХГСН2А получивших распространение при изготовлении различных штоков пневмо-гидроагрегатов.

По результатам анализа и предварительно проведенным исследованиям для предложенных схем СГДУ и дальнейшего изучения

процесса были выбраны следующие основные параметры и режимы обработки еибронакатывания (ВН), (вибровыглаживания -ВВГ): усилие Р = 15-ЗОкгс, радиус индентора (шарика) 1-2мм. скорость вращения заготовки У3=!0-30м/мин., амплитуда А=1.5мм., подача 8^0.05-0.15мм/об. Материал индентора - шарики из стали ШХ15, металлокерамики. Гальваноосаждение -электролит стандартный 1Ь[СгО,], Н:804, при плотности тока ¡г= 150-500а/дм2, 1=50-60°С, материал анода сплав свинца с добавлением 6% олова и 2% серебра. ___

Покинуто иа У0°

Рис.1. Схема обработки СГДУ горизонтально установленного вала: 1-электродвигатель, 2- редуктор, 3- ванна с электролитом, 4-деформирующий инструмент, 5- хромируемый образец, 6- анод (5шт.), 7-источник тока.

Практика и проведенные исследования показывают, что при соответствующем выборе параметров и режима ГДУ можно получить безпористые хромовые и другие покрытия с различным микрорельефом на поверхности, обладающие высокой твердостью, благоприятным напряженным состоянием (сжимающими напряжениями), весьма прочным сцеплением с основой, износостойкостью и т.д.

Рассмотрены особенности и механизм формирования параметров качества поверхностного слоя при совмещенном ГДУ.

Так как данный способ упрочнения приводит к существенным изменениям химического состава, структуры, физико-механических свойств поверхностного слоя обратываемых изделий, в том числе и его констант упругости по глубине, то эти изменения необходимо учитывать для более точной оценки напряженности в поверхностном слое. Поэтому возникла необходимость поиска и разработки более точного и простого, нетрудоемкого и не дорогостоящего неразрушающего метода определения остаточных напряжений с(г) и характеристик упругости (модуля упругости 1-го рода) Е ( г).

В основу разработанной методики определения о( г ) и Е (г ) по глубине деформируемого поверхностного слоя деталей типа штоки, цилиндры при совмещенном ГДУ положены известные приемы и теоретические положения ученых Давиденкова H.H.. Биргера И.А., Деля Г'.Д., Дсхтяря Л. И. и др.

В общем виде метод основан на замере, с помощью наклеенных по специальной методике тензодатчиков с базой 10мм. деформаций изделия в процессе СГДУ его поверхностного слоя и использовании полученных ■экспериментально деформационных кривых (рис.2) X(r )r- ÏÎT) и 8( г) =fi[F) при выводе расчетных зависимостей (гл J) для определения Е(г) и ст(г).

А,0,1х1О":

6 5 4 3 2 1

к

л

»

20 40 60

Рис.2. Деформационные кривые.

80 а.мкм

здесь Д( г) Я<г)<-(.15 (г ) 0(г ) г) | г )-приведенные деформации изделия (цилиндра ) в осевом и окружном направлениях соответственно; Р ■элементарная площадь упрочненного слоя в сечении на радиусе г.

В третьей главе представлены результаты. теоретико-чкеперименгальных исследований основных параметров, характеризующих качество поверхностного слоя изделия после ГДУ.

На основе предложенной методики с учетом работ И.А. Биргера, Г.Д.Деля. Л.И.Дехтяря дается вывод аналитических зависимостей для определения модуля упругости Е (г ) и остаточных напряжений о„а (г ) и приводятся результаты экспериментальных исследований и расчета напряженного состояния поверхностного слоя при послойном ГДУ.

Формулу для оценки измене кия модуля упругости, по толщине > прочияемого поверхностного слоя получили, основываясь на уравнениях теории упругости и ППД с учетом результатов экспериментальных исследований: степени пластической деформации £Т1|/К,И.( Ь-глубина внедрения индентора при обработке, вдавливании;!^.-эквивалентный

радиус индснтора.), твердости но Виккерсу HV, в зависимости от усилия обработки (вдавливания) Р и результатов деформаций полученных тензометрированием:

Eír)А

п\] dr

где Л]-замеренная деформация при определении твердости IIV.

Теоретические зависимости для определения остаточных напряжений с(г) с учетом изменения Е(г) по глубине упрочненного слоя получены исходя из следующих предпосылок. Послойное осаждение и упрочнение ППД хрома толщиной dr на радиусе г приводит к деформациям изделия и возникновению в нем радиальных a¡, окружных a¡- и осевых aL остаточных напряжений, представляющих собой сумму двух ела! аемых:

здесь o-^(i-),CTy(r),o-¿(r) - напряжения, непрерывно возрастающие в слое покрытия в связи с осаждением и упрочнением ППД, последующих слоев dr в интервале от г до тк, (конечного слоя). <r"(r),<r'T (г),<т\(г)-напряжения, связанные с осаждением и упрочнением самого слоя толщиной dr, на радиусе г. Эти составляющие напряжений можно представить, как возникающие при приложении к поверхности изделия с радиусом г обратных остаточных напряжений а(г) и обратного осевого усилия N (г). Отсюда, вызываемые ими деформации и напряжения будут определяться аналогично, как для случая обточки биметаллического цилиндра до радиуса г.

Тогда расчетные формулы для определения о (г) в послойно осажденных и упрочненных ППД покрытиях и тонком слое металла основы для рассматриваемого способа ГДУ (при равенстве упругих констант хрома и стали) с учетом изменения Е(г) по глубине будут иметь вид:

, > 1 eHVRl, dhx

1-рг гЛ, (г) dr 1 eHVR2^ с/Л, 1-fi1 rh\(r) dr

2 r dr r2-R,2 а©+/-2+Л,:

2r dr 2r2

, ч 1 eHVRL d\. r1 ~R¡ <r, , »

l-fj rA.\(r) dr 2 r

где К)-внутренний радиус детали; г-радиус детали с промежуточным слоем покрытия.

Проверка методики и полученных зависимостей проводилась на полых цилиндрических образцах из сталей 45 и ЗОХГСА с размерами 1^1=27 и 46.5мм, 11к=30-50мм. Наружную поверхность образцов

обрабатывали по схеме: вибронакатывание (ВН), шариком с1=3мм с усилием 15-30кгс, плюс послойное нанесение хромового покрытия (толщина слоя хрома Юмкм, общая толщина 50-80мкм) с ВН каждого слоя. Модуль упругости и остаточные сжимающие напряжения, рассчитанные через измеренные деформации по выше приведенным формулам составили : К =(2.1-2.55)*104 кГс/мм2, ат=70-100кГс/мм2, О[,=50-80кГс/мм2 (см.табл.1).

Экспериментальная проверка при послойном удалении тонких слоев покрытия и металла основы показала, что полученные значения ат и аь удовлетворительно (15-22%) согласуются с расчетными данными.

Исследовано влияние параметров ГДУ и способов обработки подложки основного металла на структурные изменения и физико-механические характеристики хромового покрытия и металла основы. Образцы обрабатывали по следующим структурным схемам:

1)Шлифование Иа=0.8-0.45мкм + хромирование (8=50-80мкм).

2)Шлифование + ВН или (ВВГ) + хромирование.

3)Шлифование + ГДУ по различным схемам:

а) шлифование + хромирование (1 слой 8=0.01мм) +ВН+ послойное хромирование с упрочнением ВН каждого слоя.

б) шлифование + 1 слой хрома +ВВГ + послойное хромирование с упрочнением ВВГ каждого слоя.

в, г) шлифование + ВН (ВВГ) + послойное хромирование с упрочнением ВН (ВВГ) каждого слоя.

Результаты исследований частично представлены в таблице 1.

Анализ проведенных исследований выявил следующее:

В хромовом покрытии нанесенном на шлифованную поверхность, наблюдаются колонки зерен крупного размера 0.0012 мм со сквозными микротрещинами, проходящими через все покрытие. На границе раздела хрома с металлом основы образуются крупные и мелкие поры, снижающие сцепление покрытия с металлом основы.

Таблица 1.

Схема обработки Средняя площадь зерна, мм2 Средняя площадь дефектов покрытия, мм2 Средняя ми-кротаердость хромового покрытая, кгс/ым2 Значение модуля упругости Е*104, кгс/мм2 Значение остаточных напряжений, кгс/мм2

Т" 1.2*10"5 985*10"5 850 2.1 +(40-50)

2 2*10"4 0.8*10'5 900 2.18 -(20-40)

За 0.4*104 1.2*10"6 .930 2.2-2.35 -(55-70)

36 О^Ю"4 1,5*10"6 940 2.2-2.4 460-80)

Зв 1*10"5 0.3*10"6 945 2.25-2.5 -(65-80)

Зг 1.3* 10"5 0.5*10"6 950 2.2-2.55 470-100)

При хромировании поверхности, обработанной ВН ( ВВГ), формируются плотно прилегающие друг к другу колонки более мелких зерен (~ 0.0002мм), вместо сквозных трещин большой протяженности,

возникающих при хромировании шлифованной поверхности; появляется сетка микротрещин значительно меньших размеров . На границе раздела хрома с металлом основы поры и другие дефекты отсутствуют.

При ГДУ по схемам За,б,в,г, происходит дальнейшее измельчение и дробление зерен на фрагменты и блоки величиной до 0.00001мм со сдвигом и ориентацией их в направлении усилия деформирования. В отдельных случаях в поверхностном слое хрома наблюдается незначительное увеличение количества микротрещин, однако, измельчение и взаимное смещение блоков хрома приводит к устранению сквозных каналов в покрытии.

При послойном упрочнении ППД хрома вблизи линии раздела стали с покрытием, отмечается наличие хрома, что по видимому, сопровождается явлением массопереноса.

При ГДУ, в зависимости ог режима упрочнения, происходит повышение микротвердости покрытия и металла основы в среднем на 1020%, увеличение модуля упругости металлов в пределах 2.1*104-2.55*104 кГс/мм2, связанное с упрочнением их. поверхностных слоев явлением массопереноса и перераспределением атомов металлов основы и покрытия. В покрытии формируются высокие остаточные напряжения сжатия (50-100 кГс/мм2), которые постепенно снижаясь, переходят в металл основы на глубину до 0.2мм.

Исследование геометрических характеристик поверхностей образцов показало, что ГДУ при оптимальных режимах обработки не только снижает высоту неровностей с 1^=0.8 до 11а=0.32мкм, но и уменьшает их неоднородность с 0,5-0,8 до 0,1-0,2 по поверхности, образуя разнозначный РМР во всех направлениях, увеличивает шаг микронеровностей, изменяет их,, остроконечную форму на пологую, обтекаемую. В необходимых случаях,возможно формирование также частично РМР в соответствии с ГОСТ 24773-81.

Эти особенности микрорельефа и других рассмотренных параметров качества поверхностного слоя создают предпосылки для улучшения эксплуатационных свойств штоков и гидро- пневмоагрегатов в целом.

Таким образом в результате проведенных теоретико-экспериментальных исследований качества поверхностного слоя изделий обработанных способом ГДУ предложены и опробированы методика и расчетные формулы для определения остаточных напряжений ( без разрушения изделий ), с учетом изменения модуля упругости по толщине обрабатываемого материала. Данная методика позволила просто и точно определять напряжения в поверхностном слое с помощью стандартных измерительных средств. Рекомендована оптимальная структура процесса СГДУ илараметры его режима.

В четвертой главе с целью уточнения и оптимизации диапазона режимных параметров совмещенного процесса ГДУ, установленных в гл.2

проводились дополнительные исследования влияния их на геометрические и физико-механические характеристики обработанной поверхности.

Были поставлены полный и дробный факторные эксперименты, в которых одновременно варьировались: усилие вибронакатывания (Р=10-ЗОкГс), скорость вращения изделия (У3=0.2-0.1м/с), радиус индентора (Кинс =1-2мм), подача(8=0.07-0.12мм/об), плотность тока 1 =150-500а/дмг. Исходными и неизменяющимися параметрами процесса являлись: исходная шероховатость изделий 11а=0.8мкм, электролит для хромирования -стандартный, температура электролиза 50°С, амплитуда колебаний индентора-1.5мм, частота колебаний -1400кол/мин.

В качестве параметров оптимизации приняты шероховатость (Яа), микротвердость остаточные напряжения (о). Для облегчения расчетов разработаны программы на персональном компьютере. В результате нолучены интерполяционные математические модели, позволяющие расширить представление о механизме формирования качества поверхностного слоя, с достаточной степенью достоверности прогнозировать его при различных режимах ГДУ и определить оптимальные их значения (Р=25-30кгс, КккС.=1,5-2мм, У^ОЛ-0.2м/с, 1 =150-500а/дм2). Полученные модели имеют вид:

Ка=3.499+0,00000712-0.04381+0.0034Р3-0.13бР+0.748Кжи;2-2.244КИН(;

о =-72 - 0.488Р - 7Л5Якяс,- 0.325Р->Ккнс.

Нн = 851.138+Р00025 -Я^0™ - К001И +(ЯОа0049

В пятой главе изложены результаты теоретико-экспериментальных исследований влияния параметров состояния поверхностного слоя, получаемого при совмещенном ГДУ на эксплуатационные показатели деталей машин.

Приводятся аналитические исследования влияния способа обработки и полученного при этом микрорельефа (шероховатости) поверхности раздела основа-покрытие на нормальные о„ и касательные т„ напряжения действующие в обработанном слое. Известно, что каждому методу обработки соответствует определенный диапазон изменения углов наклона образующий микронеровностей р и их расположения у, которые определяют все другие параметры микрорельефа (Я* Б, г81ь г„ и др.).

Математические модели связывающие а„ и т„ с главными напряжениями стт аь ог, и углами р, у получены на основе решения задачи теории упругости о напряженном состоянии двухслойного полого цилиндра с шероховатой поверхностью раздела, содержащей множество элементарных площадок, ориентированных в пространстве хаотично (после абразивной обработки) или регулярно (после ВН, ВВГ):

а„ = ar ■ cosг [(arccos(cos p ■ tgy ))] + aL cos! [arccos(cos ytgP)]+ + a, cos 2 [arccos[arctg(tgfl ■ sec у )]}

rn = jcTÏcos1 [arccos(Q09 fl ■ tgy)] + a\ cosJ(arccos(cosy -tgfi)] + + cr] cos2 {arccos [acttg (tgfi ■ sec у )} - an 1 '

здесь для поверхностей обработанных вибронакатыванием : P = arcsrn---— y = arctg ■ 3 "

для поверхностей обработанных абразивным инструментом угол р снимается с профиллограмм, а угол у=аг^ Увозп./Уоь здесь dз-диaмeтp заготовки; ¡, {¡}, По«, А- параметры режима вибронакатывания; Уюз п. -скорость возвратно-поступательного движения инструмента, Уок-окружная скорость его вращения.

Анализ полученных выражений показывает, что при (3=0 ст„=ат ; это значит, что на поверхности раздела действует лишь главное радиальное напряжение, прижимающее покрытие к основе; касательное напряжение, стремящееся срезать покрытие отсутствует. С увеличением углов р и у значения стп и тп будут возрастать. Выполненные расчеты показали, что на разрушающее напряжение оказывает большее влияние возрастание утла р, чем у. Следовательно, нет необходимости накладывать жесткие ограничения на угол у. При критическом значении углов р разрушающие напряжения могут достичь предела прочности сцепления покрытия с основой или же предела прочности самого покрытия. Тогда в первом случае будет наблюдаться отслаивание покрытия от основы, а во втором -разрушение (расслаивание) покрытия вблизи границы раздела. Это может произойти уже при р>25-35°( в зависимости от угла у). Поэтому для хромируемых деталей углы р не рекомендуется назначать в пределах 1217°. Это соответствует режиму п3/пда х= 0.05-0.15; =0.18-0.27..

'! " Для Установления эффективности способа СГДУ проведен комплекс сравнительных исследований образцов и деталей из сталей 45, ЗОХГСНА в различных условиях. Проведенные сравнительные испытания на лабораторном оборудовании и производственных стендах показали, что изменение физико- механических параметров качества, структуры поверхностного слоя при СГДУ, формирование РМР, обеспечивающего повышенную маслоемкость контакта, увеличенную нагрузочную способность, лучший теплоотвод из зоны трения обеспечивают:

-повышение прочности сцепления хрома с металлом основы в 3-5 раз в зависимости от исходной шероховатости и режимов обработки по сравнению с обработкой по серийной технологии (о отрыва хрома увеличивается с 340 до 1700 кГс/мм2;

-повышение износостойкости образцов в 1.5-2 по сравнению с образцами, поверхность которых после хромирования подвергалась

шлифованию (Ra -О.бЗмкм) ив 1.2 раза образцов, подвергнутых гладкому накатыванию:

-повышение критической удельной нагрузки схватывания и появления чадиров в трущихся соединениях, одна ич деталей которых подвергалась ГДУ, а вторая шлифованию (R/0.63) в 5-10 и более раз (с Рсхв -10-15 МПа до Рсхв ■ 120-180 МНа);

- повышение коррозионной стойкости и условиях действия морской воды и влажного воздуха: у образцов после хромирования и шлифования обнаружены очаги коррозии и виде отдельных точек, пятен и их скоплений после 6-8 месяцев вылеживания в ванне, у образцов после ГДУ очагов коррозии не обнаружено даже после 20 месяцев вылеживания. Это обеспечиваегея как за счет образования микрорельефа пологой формы с большими радиусами закругления впадин и выступов, так и за сче| уплотнения и закрытия сквозных пор п покрытии, снижающих* коррозионное проникновение и воздействие окружающей среды;

повышение герметичности и долговечности работы уплотнительных соединений гидро- пневмоагрегатов: в соединениях, детали которых обрабатывались ГДУ утечек азота и жидкости не наблюдалось, отсутствовали риски и порезы резиновых уплотнительных колец по сравнению с соединениями без данной обработки;

-повышение плавности хода, чувствительности и точности перемещения штока и других деталей гидро- пневмоагрегатов.

Основные результаты и выводы.

1 Выполненный анализ методов упрочнения цилиндрических поверхностей деталей машин, работающих в условиях коррозионного воздействия окружающей среды, трения и износа, при знакопеременном нагружении. показал перспективность разработки и промышленного применения новых комбинированных процессов унрочнения.

2.Предложены схемы и структура упрочняющей обработки, разработан новый способ совмещенного ГДУ. позволяющий использовать одну единицу 1ехнологического оборудования для нескольких операций: -подготовит поверхности под покрытие (хромирование) BIJ с образованием РМР; - послойнор осаждение хрома с одновременным упрочнением его ВН. что обеспечивает высокое качество упрочнения поверхности, сокращение вспомогательного времени, трудоемкости и себестоимости обработки, экономии материальных ресурсов.

3. Проведен комплекс теорежчееких и экспериментальных исследований новых схем, crpyKiypbi и способа СГДУ наружных цилиндрических поверхностей деталей, которые позволили утверждать о высокой эффективности процесса обработки в обеспечении требуемого качества и эксплуатационных свойств изделий.

4. Предложена методика исследования остаточных напряжений в

поверхностном слое с учетом изменения модуля упругости в процессе СГДУ обрабатываемой поверхности без ее разрушения. Аналитическим пуюм подучены математические шшсимости для определения парима рои Е (I а.

5. Выполненные экспериментальные исследования пока:шли. чю на величину остаточных напряжений, формирующихся в процессе обрабо1ки. существенное влияние оказывает изменение модуля упругости в верхних слоях обрабатываемых материалов (покрытия, основы), которое необходимо учитывать не только при определении п. но и расчетах на прочность изделий.

6.Получены математические зависимости в виде иолииоминальных моделей, отражающие влияние режимов упрочняющей обработки на качество поверхностного слоя. Оптимизация полученных зависимостей позволяет определять рациональные режимы обработки, обеспечивающие получение заданного качества (Из, о, 11,,) поверхности.

7. Проведены теоретико- экспериментальные исследования влияния СГДУ на прочность сцепления хромового покрытия с металлом основы в зависимости от способа подготовки поверхности под покрытие и получаемою при этом микрорельефа (шероховатости). Установлено, что формирование на поверхности изделия под покрытие 1'МР вибрЬнакатыванием с \т лами профиля неровностей р<12-17°, более чем в 1.5 раза повышает прочность сцепления хромовых покрытий с основой, а весь комплекс обработки способом СГДУ обеспечивает эш повышение в 3-5 раз.

8.Проведены сравнительные экспериментальные исследования влияния СГДУ поверхностного слоя на эксплуатационные характеристики изделий. В результате подтверждено, что данный способ финишной обработки обеспечивает увеличение износостойкости коп (актирующих деталей в 1.5-2 раза, сопротивления образованию задиров и схватывания в 5-10 раз и более, значительное повешение коррозионной стойкости в условиях действия агрессивных сред, герметичности хромовых покрытий и соединений в целом, плавности хода и др. показателей.

9.Разрабоганы рекомендации, по проектированию технолог ии СГДУ и конструкций установок для обработки наружных цилиндрических поверхностей изделий позволяющие получить, значительный экономический эффект.

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:

1. Сорокин В.М., Новикова Т.В. Влияние гальванических покрытий и метода их нанесения на эксплуатационные свойства деталей. V Основные направления исследований и разработок в машиностроении: Тезисы докладов науч.- техн. конф. студентов и аспирантов. Н.Новгород, 1995.

с.20-22.

2.Сорокин В.М.. Новикова Т.В. Совмещенная гальванодеформационная обработка деталей машин. /■ Прогрессивные течиодогии-основа качесша и производительности обработки изделий: Материалы науч.-техн. конф. АТН РФ. Н.Новгород. 1995. с.3-4.

3.Сорокин Ü.M.. Новикова Т В. Влияние микрорельефа поверхности леча, ich на прочное и, сцен.¡синя гальванических мокры гий.// От имизация процесса обработки конструкционных материалов: Межвуз.сб.гр-УфагУГАТУ. 1996. е.- 15-18.

•I. Сорокин D.M.. Котомина II.Г., Новикова Т.В. Повышение качесша и долговечности изделий комбинированной обработкой поверхностей.'/ Влияние технологии на состояние поверхностного слоя ПС'96: Материалы фетьей международной науч.-техн. конф. Польша, 1996. с. 502...505.

5.Сорокин В.М.. Новикова Т.В. Аналитическое моделирование и определение остаточных напряжений в трубчатых заготовках при гальваиодеформирующей обработке.// Технология машиностроения. Новые исследования и разработки с1удентов, аспирантов и преподана!елей: Материалы науч. техн. конф.. вып.2,- Н.Новгород. 1996-с.72-73.

6. Сорокин В.М., Новикова Т.В. Теоретическое и экспериментальное исследование прочности сцепления гальванических покрытий в зависимости от микрорельефа поверхности'' Технологические процессы и оборудование машипо- и приборостроения. Межвуз.сб.науч. трудов. Н.Ношород, ¡997.-C.47-I9.

7.Сорокин В.М.. Новикова Т.В. К методике определения ос!аточных напряжений в покрытиях и мепише - основы при комбинированном упрочнении.. Повышение качсс1Ва и э<|х[>ек1ивнос1И и машино- и приборостроении: Материалы юбилейной науч.мехн. конф. с участием зарубежных специалистов. Н.Новгород. 1997,- с.67-69.

8.Сорокин В.М., Новикова Т В. Структура и физико-механические характеристики покрытий при гальванодеформирующем упрочнении. // Повышение качества и эффективности в машино- и приборостроении: Ма(ериалы юбилейной науч.-техн. конф. с участием зарубежных специалистов. Н.Новгород, 1997.-С.69-72.

9. В.М.Сорокин., H.A. Тарасова., В.А.Зокжа., Новикова Т.В. К вопросу определения остаточных напряжений в деталях при комбинированной обработке. Тезисы докладов международной научно-технической конференции "VII Ненардосовские чтения "4-6 июня. Иваново; ИГЭУ, 1997.-c.314.

Ю.Сорокин В.М.. Новикова Т.В. Методика неразрушающего контроля остаточных напряжений в процессе упрочнения поверхностей деталей.'Наука- производству. Современные задачи управления.

экономики. ЮХ.1ЮЛ01 ни и экологии и машипо- и приборостроении: Материалы юбилейной на уч.-техн. конф. Арзамас: Аф НГТУ. 1998.-с.23-26,

Подписано в печать 11.11.98. Формат 60x84 '/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ 498.

Типография НГТУ. 603600, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.