автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Повышение качества специальных изделий путем оптимизации характеристик их поверхностного слоя

На правах рукописи

Я?

Леонов Димилян Божидаров

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА СПЕЦИАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИИ ПУТЕМ ОПТИМИЗАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК ИХ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

Специальность 05.11.14 - Технология приборостроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

25" СЕН 2014

Санкт-Петербург - 2014

005552769

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики».

Научный руководитель: Иванов Андрей Юрьевич

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Челпанов Игорь Борисович

доктор технических наук, профессор, «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», профессор кафедры «Автоматы»

Красный Виктор Адольфович

кандидат технических наук, доцент, Национальный минерально-сырьевой

университет «Горный», доцент кафедры «Машиностроения»

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное

предприятие «Научно-исследовательский институт «Поиск»», Ленинградская область, 188662, Всеволожский район, пос. Мурино, ул. Лесная, д. 3

Защита состоится «28» октября 2014 г. в 14:30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.227.04 в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49., ауд. 206.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49. и на сайте www.ifmo.ru.

Автореферат разослан « » СВМЬЧаРчЬЛ. 2014 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.04 кандидат технических наук, доцент

Киселев С. С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Повышение качества выпускаемой продукции является важнейшим фактором, определяющим развитие приборостроения и машиностроения. Общепризнано, что функциональные свойства деталей в большой, а иногда и в решающей степени, зависят от качества поверхности Деталей, поэтому улучшение характеристик их поверхностного слоя является задачей весьма актуальной. Это, в первую очередь, связано с оптимизацией микрогеометрии поверхности для конкретных эксплуатационных свойств деталей и согласованием остаточных напряжений в поверхностном слое материала деталей с реальной технологией их изготовления. Среди ученых, занимавшихся проблемами исследования влияния характеристик поверхностного слоя на эксплуатационные свойства деталей, следует отметить И.В. Крагельского, Н.Б. Демкина, Ю.Г. Шнейдера, И.А. Биргера, П.Р. Наяка (P.R.Nayak), К.Н. Войнова, В.М. Мусалимова, В.А. Валетова и др.

В работе исследованы вопросы качества поверхности на примере конкретного производства - комбината «Вазовские машиностроительные заводы» АО г. Сопот, республика Болгария («ВМЗ» АО). Организация этого производства ориентирована на массовое производство широкого спектра изделий. Для их комплектации используются детали, разнообразные по форме, размерам и видам материалов. При этом имеет место тенденция расширения круга используемых материалов, усложнения конфигурации деталей и расширения диапазона их типоразмеров. Существующие технологии не позволяют решить проблемы, связанные с развитием производства и созданием конкурентоспособной продукции при необходимости повышения качества и точности изделий, а также снижении энергоемкости. Поэтому требуется разработка новых технических решений, позволяющих повысить уровень технологического обеспечения и расширить возможности производства в реальных условиях.

Учитывая это, в работе рассматриваются следующие актуальные проблемы:

- обеспечение конкретного времени перемещения поршня во втулке пневматического механизма, при селективной сборке;

- долговечность и безопасность прессового соединения, подвергаемого во время эксплуатации циклическим вибрациям и знакопеременным нагрузкам;

- исключение коррозии при изготовлении деталей между этапами механической обработки и нанесением лакокрасочного покрытия;

- увеличение коэффициента запаса адгезии от негативного влияния отклонений в условиях проведения лакокрасочных работ;

- уменьшение остаточных напряжений в материалах при ротационной вытяжке.

Цель диссертационной работы. Исследование процесса и разработка технологических методов и средств оптимизации шероховатости функциональных поверхностей и остаточных напряжений в деталях для улучшения эксплуатационных характеристик изделий комбината «ВМЗ» АО.

Разработка информационно-логической модели базы данных по

установлению оптимальной микрогеометрии поверхности и допустимой величины остаточных напряжений в исследуемых деталях для конкретных функциональных свойств изделий. Задачи работы:

1. Экспериментальные исследования влияния шероховатости поверхности на следующие функциональные свойства:

- время перемещения поршня во втулке пневматического механизма;

- усилие распрессовки прессового соединения между валом и втулкой;

- коррозионную стойкость поверхностей стального и алюминиевого корпусов и адгезию их поверхностей и лакокрасочного покрытия.

2. Исследование влияния технологических режимов обработки материалов на напряжения в этих материалах при ротационной вытяжке алюминиевых корпусов.

Научная новизна. Разработан комплекс научно обоснованных методик оценки качества поверхности деталей, основанных на применении непараметрических критериев оценки шероховатости поверхности и резистивного электроконтактного метода определения остаточных напряжений.

Выявлены технологические зависимости, позволяющие оптимизировать ряд функциональных свойств деталей и сборочных единиц, включая время перемещения поршня во втулке пневматического механизма, усилие распрессовки, коррозионную стойкость, адгезию и прочность корпуса.

Практическая ценность работы. На базе созданных методик и выявленных технологических зависимостей проведены процессы оптимизации характеристик поверхностного слоя деталей и разработаны структурные схемы технологического проектирования, которые позволили повысить качество данной продукции, увеличить производительность и уменьшить расходы в условиях серийного производства этих деталей, включая:

- обеспечение комплектации пар поршень-втулка;

- обеспечение большего усилия распрессовки прессовых соединений;

- отсутствие необходимости нанесения гальванического покрытия перед процессом нанесения краски на детали из материалов Д16Т и Сталь 40;

- повышение качества изготовления конических деталей из материала АМг5 посредством ротационной вытяжки.

Результаты диссертации внедрены и используются в деятельности комбината «Вазовские машиностроительные заводы» АО - Болгария.

Методы исследования: В работе использовались теоретические и экспериментальные исследования. Основу теоретических исследований составляют методы математического анализа и теоретических основ технологии приборо- и машиностроения. Экспериментальные исследования построены на базе применения теории планирования экспериментов.

Положения выносимые на защиту. 1) комплекс техно логических методов и средств исследования влияния шероховатости поверхностей деталей на их функциональные свойства, включая время перемещения поршня во втулке пневматического механизма, усилие распрессовки прессовых соединений, коррозионную стойкость этих

поверхностей и адгезию лакокрасочного покрытия с использованием непараметрических критериев оценки и контроля шероховатости;

2) методики исследования комплексного влияния шероховатости поверхности детали на две и более эксплуатационные характеристики (коррозионную стойкость и адгезию лакокрасочного покрытия) с использованием непараметрических критериев оценки и контроля шероховатости;

3) средства математического обеспечения процесса формообразования тонкостенных конических деталей посредством ротационной вытяжки, определяющие взаимосвязь технологических режимов обработки заготовок с уровнем остаточных напряжений в поверхностном слое образцов;

4) методика исследования, анализа и оценки остаточных напряжений в поверхностном слое деталей при их изготовлении ротационной вытяжкой с использованием резистивного электроконтактного метода неразрушающего контроля;

5) результаты проведенных исследований по оптимизации характеристик поверхностного слоя деталей (шероховатости и остаточных напряжений).

Достоверность результатов проведенных исследований. Достоверность научных результатов, полученных в работе, подтверждается корректным использованием основных положений системного анализа, теории технологии приборостроения и математической статистики. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на различных межвузовских и международных конференциях, имеются публикации материалов в виде научных статей и тезисов докладов.

Личный вклад автора. Все результаты, представленные в диссертации, получены лично автором, либо по его инициативе и при его непосредственном участии.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на расширенном заседании кафедры «Управление ресурсами и технологиями» национального университета г. В. Тырново, Болгария (2013 г.); на Первом и Втором Всероссийских конгрессах молодых ученых (Санкт -Петербург, 2012 - 2013 гг.); на Intrenacia simpozio «Apliko de Esperanto en la profesia agado» AEPA (Karlovo, Bulgaria 2011 г.); на Научной конференции «Юбилейна научна конференция по повод 10 години от създаването на НВУ» (Велико Тырново, Болгария 2012 г.); на Научных сессиях НВУ «Васил Левски» (Шумен, 2012 - 2013 гг.); на Международной научно- технической конференции «Techtes» (Veliko Tarnovo, Bulgaria 2013); на Третьей национальной конференции с международным участием «Металознание, хидро- и аеродинамика, национална сигурност» (София - Болгарская Академия Наук, 2013 г.); на Одиннадцатой сессии Международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» (Санкт - Петербург, 2013 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационного исследования изложено в 14 печатных работах в виде научных статей и тезисов докладов, среди них 4 работы в журналах из перечня ВАК.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 78 наименований и приложений. Основной текст работы изложен на 118 страницах, и включает в себя 44 рисунков и 38 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи исследования.

В первой главе проводится анализ состояния проблем, связанных с оптимизацией микрогеометрии поверхностей деталей машин и оценкой влияния остаточных напряжений в материале изделий на их качество.

Обоснована эффективность применения, при оптимизации микрогеометрии функциональных поверхностей деталей, непараметрического подхода, разработанного профессором Валетовым В.А. В основе этого метода лежит использование графических представлений различных функций (графики распределения ординат и углов наклона профиля и графики опорных кривых профиля) в качестве критериев оценки и контроля микрогеометрии поверхности. Развитие данного метода связано с расширением возможностей его использования для конкретных функциональных свойств.

Вторая часть первой главы посвящена остаточным напряжениям, которые возникают вследствие пластических деформаций кристаллических решеток материала заготовки в процессе ее механической или термической обработки. Обосновано использование в данной работе неразрушающего резистивного электроконтактного метода для определения напряженного состояния поверхностного слоя деталей, основанного на измерении эффективного удельного электросопротивления через слои материала, в которых присутствуют напряжения.

Во второй главе приведен общий план проведения исследований, включающий:

— анализ влияния шероховатости поверхности на конкретное функциональное свойство;

— проведение оптимизации микрогеометрии поверхности для исследуемого функционального свойства в конкретных производственных условиях;

— применение аппарата оптимизации с проверкой адекватности полученных технологических зависимостей для исследуемых функциональных характеристик поверхности.

На каждом из данных этапов до момента проверки уровня исследуемого функционального свойства, оценивалась и контролировалась шероховатость поверхности опытных образцов с использованием непараметрических критериев оценки. При этом, чтобы достаточно полно охарактеризовать свойства поверхности, была проведена оценка стационарности ее микрогеометрии и фильтрация профилей с помощью прямого и обратного Фурье- преобразования.

На основе приведенного выше плана разработаны методики исследования влияния шероховатости поверхностей деталей на их функциональные свойства

— время перемещения поршня во втулке пневматического механизма и усилие распрессовки прессовых соединений.

1 .Пневматический механизм типа поршень-втулка.

В основе функционирования данного механизма, содержащего поршень, размещенный с пружиной во втулке, заложено вытекание воздуха через зазор между цилиндрическими поверхностями поршня и втулки. Процесс описывается системой уравнений:

d2x

m~ = -Rc6+cx(t) + P(t)S„

dM(t)

dt

= 42(0

,(l)

M(t) = p(t)x(t)S

где m - масса поршня, Rc0 - усилие пружины в сборке, с - жесткость пружины, S - площадь, через которую вытекает воздух, Q(t) - секундный расход воздуха, M(t) - массовый расход воздуха, S„-плошадь поршня, P(t) и p(t) - давление и плотность воздуха, x(t) - перемещение поршня во втулке.

Решение системы уравнений (1) в программной среде «МаОаЬ» позволяет получить граничные значения для времени перемещения поршня во втулке, в диапазоне: 104 мс > / > 37 мс для условий, учитывающих трение между деталями и при отсутствии трения.

Правильность проведенных расчетов была подтверждена применением выборки из генеральной совокупности механизмов данного типа с фиксацией фактического времени перемещения поршня во втулке.

Кроме того, в указанном диапазоне было исследовано влияние шероховатости поверхностей узлов в пневматическом механизме на время перемещения.

До момента проверки времени перемещения с поверхности каждого образца была снята информация о шероховатости его поверхности. Полученные данные профиля были обработаны и получены графики непараметрических критериев (рисунок 1).

0.30 0.25 Плотность распределения ординат

0.20 ■ X 0.15 2 А

0.10 ysJ V

0.05

ООО \

-4 -3 -2 -1 0 1 Y/Rq

(а) (б)

Рисунок 1 - Графики плотности распределения тангенсов углов наклона профилей (а) и плотности распределения ординат профилей (б). На этом рисунке: Н-частота повторения значения тангенса соответствующего значения (а); Н- частота повторения соответствующих значений безразмерной амплитуды (б); 1 -шероховатость поверхности втулки, соответствующей Яа= 0,32 мкм, 2 - шероховатость поверхности поршня, соответствующей Яа= 0,30 мкм

Из графиков на рисунке 1 следует, что технология обработки втулок и поршней позволяет обеспечить одинаковые стандартизованные критерии

шероховатости их поверхностей, однако более информативные непараметрические критерии показывают, что эти микрорельефы разные.

Параметром оптимизации было принято время перемещения (/) поршня во втулке в составе механизма. Проведение дополнительных расчетов и экспериментальных исследований показали, что оптимальный уровень времени перемещения поршня во втулке в механизме данного типа, должен составлять 80 мс с возможным допуском ± 10 мс. В качестве факторов процесса оптимизации были выбраны режимы окончательной обработки (подача при полировании 5П0Л, скорость при полировании Упол, круговая подача при шлифовании 5кр, скорость шлифовального круга Ушл.кр). С учетом технологических возможностей использования оборудования, а также результатов проведенных предварительных экспериментов, значения факторов на основном уровне составляли £пол =0,5 мм/мин, КПШ1 =35 м/с, 5кр =50 м/мин, Ушл. кР =30 м/с. А их интервалы варьирования: 5пол =±0,4 мм/мин, Упол =±15 м/с, =±15 м/мин, Ушл,кр =±10 м/с.

Поскольку факторы процесса неоднородны и имеют различные размерности, а числа, выражающие величины факторов, имеют различные порядки, они были приведены к единой системе счисления, путем перехода от действительных значений факторов к кодированным:_

где л- кодированное значение фактора; Х-, X. = —--гни- — действительные значения фактора; Х,оси -

АХ;

значение фактора на основном уровне; АХ, -интервал варьирования текущего фактора; г - номер фактора.

В результате статистического анализа получили, адекватную по критерию Фишера, математическую модель технологического процесса изготовления образцов: < = 74,25+17,55,т-6,5Уш,-5,255„-2^-2^.

При контроле шероховатости конкретных поверхностей втулок и поршней было предложено использовать графики функции плотности распределения тангенсов углов наклона и безразмерных ординат профилей. В качестве примера, приведены эталонные графики «Плотность распределения тангенсов углов наклона профиля» и назначены допуски на возможные отклонения при контроле в серийном производстве для втулок и поршней (рисунок 2).

(а) (б)

Рисунок 2 - Эталонный график «Плотность распределения тангенсов углов наклона профиля» с допуском на возможные отклонения: (а) для втулок, (б) для поршней. На рисунках указаны графики, удовлетворяющие требуемому значению времени перемещения, которые входят в поле допуска и другие графики, которые выходят за поле допуска, так как не удовлетворяют требованиям

Величина допуска на рисунке 2 выбрана 30%. Это обусловлено полученным разбросом при наложении графиков всех поверхностей при допустимом значении функционального свойства.

Определив наилучший (эталонный) из возможных микрорельефов для данного функционального свойства поверхности, появилась возможность получить технологические методы воспроизведения данного микрорельефа: Sin™ =0,572 мм/мин; Vn0„ =34 м/с; 5кр =49,2 м/мин; Уш„.кр=29,8 м/с. 2. Усилие распрессовки прессовых соединений.

В качестве объекта исследования использовано соединение, полученное поперечной запрессовкой за счет температурных деформаций одной из деталей.

В соответствии с методикой, указанной выше, для экспериментального исследования влияния шероховатости поверхности на усилие распрессовки прессового соединения из материала сталь 40 ГОСТ 1050-88, было изготовлено 9 образцов, которые были разделены на 3 группы, в зависимости от технологии их получения. Все изготовленные образцы были подвергнуты распрессовке соединения, с фиксацией приложенного усилия (таблица 1).

Таблица 1 - Результаты эксперимента

Номера образцов Усилие распрессовки, Н Действительный натяг, мм

1 группа 1 10,9- 10J 0,023

(обработка 2 11,8-10J 0,024

точением) 3 13,3-10J 0,028

2 группа 4 15,4-Ю3 0,025

(обработка 5 17,610J 0,028

шлифованием) 6 16,2-10J 0,027

3 группа 7 22-10J 0,026

(обработка 8 24,6- 10J 0,028

полированием) 9 24-10J 0,028

В качестве параметра оптимизации было принято усилие распрессовки соединений F, кН. При этом необходимо стремиться к максимальному усилию распрессовки, которое возможно обеспечить в данных условиях производства.

Факторами процесса оптимизации приняли технологические режимы обработки втулки и вала (подача при полировании втулок S„, скорость при полировании втулок FBT, подача при полировании валов 5вал, скорость при полировании валов Увал). Их значения на основном уровне составляли: ¿"8Т = 0,5 мм/мин, V„ = 35 м/с, 5"вал = 0,5 мм/мин, Увал = 35 м/с), а диапазоны их варьирования: S„= ±0,4 мм/мин, VBT =±15 м/с, SBajl =±0,4 мм/мин, Гвал =±15 м/с. После статистических расчетов получили:

- математическую модель для усилия распрессовки прессовых соединений

F = 25,25—3,5S + 2,5V -1,255 + V + 0,85 V S V

' em 1 ни 1 вач вач ' вт вт вал вал ■

- наилучшие (эталонные) графики «Плотность распределения тангенсов углов наклона профиля» и допуск на возможные отклонения при контроле в серийном производстве для втулок и валов (рисунок 3);

(а) (б)

Рисунок 3 - Эталонный график «Плотность распределения тангенсов углов наклона профиля» с допуском на возможные отклонения: (а) для втулок, (б) для валов

Плотность распределения тангенсов

0,35 0.30 0.25 = 0,20 0,15 010 0.05

- технологию получения наилучшей (эталонной) микрогеометрии, которую можно обеспечить следующими технологическими режимами: ¿V,. =0,43мм/мин, Квт= 37,5 м/с, 5вал =0,467мм/мин, ¥вал=36 м/с.

В третьей главе проводятся экспериментальные исследования влияния шероховатости поверхности металлов и сплавов на коррозионную стойкость и адгезию лакокрасочных покрытий. Представлены результаты экспериментальных исследований деталей из двух материалов (Сталь 40 ГОСТ 8732-78 и Д16Т ГОСТ 18482-79). Для каждого из материалов влияние на каждое из свойств рассмотрено отдельно. В заключение, учитывая, что рассматривается одна и та же поверхность (для каждого материала), подверженная влиянию одновременно двух исследуемых свойств - и коррозии, и адгезии, было выбрано наиболее приоритетное свойство.

1.Влияние шероховатости поверхности детали из сплава Д16Т на коррозионную стойкость и адгезию лакокрасочных покрытий.

В качестве объекта исследования был использован корпус из сплава Д16Т. Все образцы были подвергнуты отжигу, с целью исключения влияния наклепа.

1.1 .Исследование коррозионной стойкости поверхности.

Проверка функционального свойства была проведена металлографическим способом, согласно ГОСТ 9.021-74, регламентирующим методы ускоренного испытания алюминия и алюминиевых сплавов на межкристаллитную коррозию.

Исследования (фиксация и замеры глубин коррозии) проводились на микроскопе МИМ-7 при 200х увеличении. Фотографии микроструктур образцов, изготовленных при разных режимах, приведены на рисунке 4.

а б в г

Рисунок 4 - Фотографии микроструктур образцов групп (а-г), с указанием глубины проникновения коррозии

1.2.Исследование адгезии лакокрасочного покрытия к поверхности.

Для проверки адгезии после механической обработки, на внешнюю поверхность образцов наносили лакокрасочное покрытие в виде эмали ГФ-1426 ГОСТ 6745-79, с вязкостью 40 с.

После нанесения покрытия, проверка адгезии проводилась с использованием метода решетчатых надрезов на исследуемой поверхности образца, согласно ГОСТ 15140-78 с оценкой сцепления по шестибальной шкале.

В итоге были получены следующие результаты:

- для образцов из первой группы - наблюдается нарушение на 7 % поверхности решетки, что позволяет обозначить степень адгезии - 3 балла;

- для образцов из второй группы - наблюдается нарушение на 16 % поверхности решетки - 4 балла;

- для образцов из третьей группы - наблюдается нарушение на 13 % поверхности решетки - 3 балла;

- для образцов из четвертой группы - наблюдается нарушение на 25 % поверхности решетки - 4 балла.

2. Исследование влияния шероховатости поверхности детали из материала Сталь 40 на коррозионную стойкость и адгезию лакокрасочных покрытий.

В качестве объекта исследования используется стальной корпус. По аналогии с приведенной выше планом эксперимента, на первом этапе проводилось исследование влияния, которое может оказывать шероховатость поверхности на конкретные функциональные свойства. 2.1 .Исследование коррозионной стойкости поверхности.

Проверка проводилась периодическим погружением образцов в 3% раствор NaCl на 10 минут с последующей просушкой на воздухе - 50 минут. После

этого, проводилась визуальная оценка состояния поверхности образцов путем замера площади каждого пятна предполагаемой коррозии.

Степень поражения поверхности металла коррозийными пятнами ((7) в процентах была вычислена по формуле:

в = -Щ—100. 5

(3)

где — площадь /-того пятна, м ;

п - количество пятен;

51 - площадь поверхности образца, м2

После 3-х разового цикла погружения и просушки были получены следующие результаты:

- для образцов из 1-й группы пятна занимали 5,5% от исследуемой поверхности;

- для образцов из 2-й группы - 2,8% от исследуемой поверхности;

- для образцов из 3-й группы - 0,5% от исследуемой поверхности; 2.2.Исследование адгезии лакокрасочного покрытия к поверхности.

На внешнюю поверхность образцов было нанесено лакокрасочное покрытие - эмалевый лак комбинированный карбамидный с вязкостью 45 с.

После нанесения покрытия проверка качества адгезии проводилась с использованием метода решетчатых надрезов на исследуемой поверхности образца согласно ГОСТ 15140-78. Результаты представлены ниже:

- для образцов из первой группы - нарушение на 12% поверхности - 3 балла;

- для образцов из второй группы - нарушение на 35% поверхности - 4 балла;

- для образцов из третьей группы - нарушение на 5% поверхности - 2 балла. 3. Оптимизация процессов.

Полученные результаты, свидетельствующие о влиянии микрогеометрии, позволили продолжить исследование, путем проведения оптимизации шероховатости поверхности для исследуемых функциональных свойств поверхности для отдельных материалов.

Были определены наилучшие уровни функционального воздействия на поверхность детали из сплава Д16Т (наименьшую глубину проникновения коррозии и наименьшую степень адгезии) и материала Сталь 40 (наименьшую степень поражения поверхности металла пятнами коррозии и наименьшую степень адгезии) при различных режимах обработки поверхности образцов точением (подача скорость резания V, глубина резания /).

Проведенный статистический расчет позволил получить: 1) адекватные (по критерию Фишера) математические модели процессов, описывающих связь между параметрами и факторами оптимизации:

- математическую модель для глубины проникновения коррозии в поверхность образцов из алюминиевого сплава Д16Т: К = 36,5 + 95" — 3,75К + 2/ + 5У.

- математическую модель для степени адгезии к поверхности образцов из алюминиевого сплава Д16Т: А = 2,5 + 0,8755" — 0,625V;

- математическую модель для степени поражения поверхности металла пятнами коррозии из стали 40: в = 1,35 + 1,015 + 0,45/+ 0,485/+ 0,29Р/ + 0,255К/;

- математическую модель для адгезии к поверхности образцов из материала Сталь 40: А = 2,375 + 0,75S - 0,75F + 0,375/

2) технологические режимы обработки, при которых обеспечиваются наилучшие уровни функционального воздействия: 5=0,1 мм/мин, F=700 м/мин, /=0,8 мм (коррозионная стойкость поверхности образцов из Д16Т); 5=0,265 мм/мин, F=692,5 м/мин, /=0,9 мм (адгезия к поверхности образцов из Д16Т); 5=0,9 мм/об, F=175 м/мин, /=0,65 мм (коррозионная стойкость поверхности образцов из стали 40); 5=1,38 мм/об, F=136 м/мин, /=0,745 мм (адгезия к поверхности образцов из стали 40);

3) наилучшие из возможных в конкретных производственных условиях (эталонные) шероховатости поверхностей (рисунок 5, рисунок 6), обеспечивающих требуемые показатели исследуемых свойств.

Рисунок 5 - Эталонные графики «Плотность распределения ординат профиля» с допуском на возможные отклонения для сплава Д16Т: слева - коррозионная стойкость,

справа - адгезия

Плотность распределения ординат

Плотность распределения ординат

Рисунок 6 - Эталонные графики «Плотность распределения ординат профиля» с допуском на возможные отклонения для материала Сталь 40: слева - коррозионная стойкость, справа - адгезия

Так как графики для одной и той же поверхности (рисунок 7) отличаются друг от друга, то имеется возможность определить приоритетное из этих двух свойств по отношению к конкретной детали, и получить эталонный график этого свойства.

Рисунок 7 - Сравнение эталонных графиков плотности распределения ординат профиля наилучшей адгезии (с полем допуска) и наилучшей коррозионной стойкости: слева - для сплава Д16Т, справа - для материала Сталь 40

В данном случае приоритетным свойством поверхности приняли адгезию лакокрасочного покрытия, как более надежный критерий антикоррозийной защиты поверхности деталей. Выбрав в качестве эталона графики (адгезии), был проведен дополнительный эксперимент. Были обработаны образцы на режимах, обеспечивающих получение шероховатости поверхности, представленной этими графиками, и подвергнуты исследованию на коррозионную стойкость по описанным выше методикам. Результаты отличались не более чем на 15% для Д16Т и 23% для стали 40 от наилучших результатов для образцов, шероховатость поверхности которых представлена графиками коррозионной стойкости. В конкретных случаях полученные результаты позволили обеспечить лучшую коррозионную стойкость металлов по сравнению с существующими технологиями.

В четвертой главе проведено исследование напряженного состояния деталей из сплава АМг5 ГОСТ 21631 -76 при ротационной вытяжке. В качестве объекта исследования использовалась деталь из алюминиевого сплава АМг5, представляющая собой тонкостенный конический корпус, у которого в процессе ротационной вытяжки исходная толщина стенки 6 мм на первом этапе вытяжки уменьшается до 2 мм (угол конуса 64"), на втором - до 1,2 мм (угол конуса 43°), на третьем - до 0,8 мм (угол конуса 25°).

С целью исследования влияния режимов вытяжки на остаточные напряжения в поверхностном слое заготовок из материала АМг5, был проведен эксперимент, согласно следующему плану:

- измерение и анализ напряженного состояния заготовок резистивным электроконтактным методом после каждого этапа ротационной вытяжки;

- исследование влияния режимов обработки и термообработки на уровень остаточных напряжений в материале заготовок с применением теории планирования эксперимента;

- получение технологических режимов обработки, гарантирующих наименьшие остаточные напряжения в поверхностном слое заготовок.

Замеры напряжений проведены с использованием прибора «СИТОН», который реализует неразрушающий резистивный электроконтактный метод измерения. Датчик поочередно устанавливался в трех местах под углом 120° на окружной поверхности заготовки (зоны проведения замеров - 0°, 120°, 240°).

Результаты измерений показаны на рисунке I

Рисунок 8 - Распределение остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя заготовок. Каждый график содержит три кривые, соответствующие зонам проведения замеров (в градусах) на поверхности заготовки: исходная заготовка (а); первый этап ротационной вытяжки (б); второй этап ротационной вытяжки (в); третий этап ротационной

вытяжки (г)

На рисунках видно, что после каждого этапа ротационной вытяжки, несмотря на проведенную термообработку, внутренние растягивающие напряжения увеличиваются. На последнем этапе ротационной вытяжки (рисунок 8, г) эти напряжения близки к пределу прочности материала АМг5 ов. Это обусловливает необходимость исследования влияния технологических режимов обработки детали, с целью уменьшения внутренних напряжений.

Анализ полученных результатов проведен с использованием теории планирования эксперимента. Его целью было получение наименьшего уровня значений остаточных напряжений в поверхностном слое исследуемых заготовок при варьировании технологических режимов обработки и термообработки. Параметром оптимизации являлась величина остаточных напряжений а (в расчете принимали максимальную величину остаточных напряжений, замеряемых в поверхностном слое каждой заготовки). Факторами процесса приняты технологические режимы ротационной вытяжки и режимы проводимой термообработки после каждого перехода ротационной вытяжки (продольная подача Я, обороты шпинделя п, температура термообработки Т). Их основные уровни: 5= 0,41 мм/об, п= 800 об/мин, Т= 350°С. Уровни варьирования факторов выбраны исходя из результатов предварительных экспериментов: 5=±0,39 мм/об, п =±20 об/мин, 7"=±20иС.

Проведенный статистический расчет, позволил получить: — адекватную математическую модель процесса (по критерию Фишера), описывающую связь между параметром и факторами оптимизации: сг = 207,3 +13,75 - 3,2и - 5,8Г+2,1&7 + 3,275иГ + 2,755иГ;

- оптимальное распределение остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя заготовок, обработанных при данных режимах: 5=0,21

Для проверки механических характеристик материала в конце исследования из заготовок, имеющих распределение остаточных

напряжений, показанное на рисунке 9, были вырезаны образцы согласно ГОСТ 1497-84. Испытания показали, что удлинение опытных образцов от момента начала текучести материала (при нагрузке 140 МПа)

до момента разрыва образца (при нагрузке 290 МПа) составило 15%. Полученные результаты испытаний на разрыв (при растяжении) удовлетворили требованиям по пределу текучести ат, временному сопротивлению ств и относительному максимальному удлинению 8 материала АМг5.

В приложениях к диссертации приведены: модели баз данных по установлению оптимальной микрогеометрии поверхности и приемлемой величины остаточных напряжений в исследуемых деталях для конкретных функциональных свойств изделий, включающие зависимости уровней исследуемых характеристик от применяемого оборудования и режимов обработки; протокол о внедрении результатов диссертации в деятельность комбината «Вазовские машиностроительные заводы» АО - Болгария.

Заключение

1. При применении непараметрического метода разработан комплекс технологических методов и средств исследования влияния шероховатости поверхностей деталей на их функциональные свойства, включая время перемещения поршня во втулке пневматического механизма, усилие распрессовки прессовых соединений, получаемых поперечным методом, коррозионную стойкость и адгезию лакокрасочных покрытий для материалов Д16Т и Сталь 40.

2. Разработаны научно обоснованные методики исследования комплексного влияния шероховатости поверхности детали на две и более ее эксплуатационные характеристики (коррозионную стойкость и адгезию лакокрасочного покрытия) с использованием непараметрических критериев оценки и контроля шероховатости.

3. Разработаны структурные схемы технологического проектирования процессов исследования и изготовления реальных изделий.

4. Предложены средства математического обеспечения процесса формообразования тонкостенных конических деталей посредством ротационной вытяжки, определяющие взаимосвязь технологических режимов обработки с уровнем остаточных напряжений в поверхностном слое деталей.

мм/об, п=815 об/мин, Т=360°С.

250.03 200.03

„150.00

С »

50.00 0 03

100 II, ики

Рисунок 9 - Оптимальное распределение остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя заготовок

5. Разработана научно обоснованная методика исследования, анализа и оценки остаточных напряжений в поверхностном слое деталей при их изготовлении ротационной вытяжкой с использованием резистивного электроконтактного метода неразрушающего контроля.

6. Созданы информационно-логические модели баз данных по установлению оптимальной микрогеометрии поверхности для ее конкретных функциональных свойств и модель базы данных по установлению допустимой величины остаточных напряжений в деталях, получаемых ротационной вытяжкой.

7. Проведенные процессы оптимизации характеристик поверхностного слоя деталей позволили повысить качество данной продукции, существенно увеличить производительность, и уменьшить расходы серийного производства этих деталей, в том числе:

- обеспечение комплектации пар поршень-втулка в составе механизма при выполнении сортировки, позволило увеличить на 30 % производительность данных механизмов и на 10 % уменьшить технологическую себестоимость их серийного изготовления;

- обеспечение большего усилия распрессовки прессовых соединений, позволило повысить их долговечность и безопасность при эксплуатации в составе нестандартного оборудования;

- отсутствие необходимости нанесения гальванического покрытия перед процессом нанесения краски на поверхность деталей из сплава Д16Т позволило увеличить на 1,5 % производительность данных деталей и уменьшить на 2 % технологическую себестоимость их изготовления;

- отсутствие необходимости нанесения гальванического покрытия перед процессом нанесения краски на поверхность деталей из материала Сталь 40 позволило увеличить на 10 % производительность данных деталей и уменьшить на 10 % технологическую себестоимость их изготовления;

- уменьшение брака на 5 % при производстве конических деталей из материала АМг5, ротационной вытяжки, позволило увеличить производительность их изготовления на 10 %.

Содержание диссертации изложено в следующих работах: В публикациях из перечня ВАК:

1. Иванов, А.Ю. Технологические методы обеспечения качества изделия / А.Ю. Иванов, Д.Б. Леонов // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2011. — Выпуск 5(75). - С. 111-113. - 0,19 п.л. / 0,1 п.л.

2. Иванов, А.Ю. Влияние шероховатости поверхности на усилие распрессовки прессовых соединений / А.Ю. Иванов, Д.Б. Леонов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2013. - Выпуск 3(85). - С. 147— 151.-0,31 п.л. /0,16 пл.

3. Иванов, А.Ю. Оценка влияния шероховатости поверхности на коррозионную стойкость изделий машиностроения / А.Ю. Иванов, Д.Б. Леонов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2013. -Выпуск 6(86).-С. 144-147.-0,25 п.л./0,13 п.л.

4. Леонов, Д.Б. Исследование напряженного состояния деталей из алюминиево-магниевых и алюминиевых деформируемых сплавов при ротационной вытяжке / Д.Б. Леонов, С.Д. Васильков, А.Ю. Иванов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2014. - Выпуск 3(91). - С. 112-116.-0,31 пл./0,11 п.л.

В рецензируемых научных изданиях:

5. Ivanov, A.Y. Methodology for optimization, evaluation and control of products surface roughness / A.Y. Ivanov, D.B. Leonov // Journal of the Technical University - Sofia, Plovdiv branch, Bulgaria «Fundamental Sciences and Applications». - 2012. - Volume 17.-P. 19-23.-0,31 п.л. /0,16 п.л.

6. Ivanov, A.Y. Analysis of the methods for control and measurement of residual stress / A.Y. Ivanov, D.B. Leonov // Journal of the Technical University - Sofia, Plovdiv branch, Bulgaria «Fundamental Sciences and Applications». - 2012. - Volume 17. -P. 13-19. -0,44 п.л. / 0,22 п.л.

7. Leonov, D.B. Non parametrical approach for optimisation of the roughness of the products' surfaces in the mechanical engineering / D.B. Leonov, A.Y. Ivanov // Machines, Technologies, Materials. - 2013. - Issue 7. - P. 32-35. - 0,25 п.л. /0,13 п.л.

8. Леонов, Д.Б. Методика за оптимизиране влиянието на грапавостта на повърхнините върху функционашште свойства на детайлите в машиностроенето / Д.Б. Леонов, А.Ю. Иванов, И.Л. Лилов // Сборник доклади от Трета национална конференция «Металознание, хидро- и аеродинамика, национална сигурност'2013»

- БАН. - 2013. - С. 15-18.-0,25 п.л./0,1 п.л.

9. Леонов, Д.Б. Оптимизация шероховатости функциональных поверхностей в механизмах типа поршень — втулка / Д.Б. Леонов, А.Ю. Иванов // Сборник трудов одиннадцатой сессии международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин механизмов». - 2013. - С. 440-444. - 0,31 п.л. / 0,16 п.л.

В прочих публикациях:

Ю.Леонов, Д.Б. Исследование влияния шероховатости поверхности на адгезию в условиях производства «ВМЗ» АО, г. Сопот Болгария / Д.Б. Леонов // Сборник докладов IX Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, V сессия научной школы «Проблемы механики и точности в приборостроении». - Выпуск 1.

- СПб: НИУ ИТМО. - 2012. - С. 82-85. - 0,2 п.л. / 0,1 п.л.

П.Леонов, Д.Б. Контрол на остатъчните напрежения при спининговане на детайли от алуминиеви сплави / Д.Б. Леонов, А.Ю. Иванов // Сборник научни трудове от «Юбилейна научна конференция по повод 10 години от създаването на НВУ». -Том 7. - В. Търново. - 2012. - С. 120-126. - 0,4 п.л. / 0,2 п.л.

12. Леонов Д.Б. Оценка на влиянието на грапавостта на повърхнините върху корозионната устойчивост на металите и сплавите / Д.Б. Леонов, А.Ю. Иванов // Сборник научни трудове от «Юбилейна научна конференция по повод 10 години от създаването на НВУ». - Том 7. - В. Търново. - 2012. - С. 114-120. - 0,4 п.л. / 0,2 п.л.

13. Леонов, Д.Б. Технологични методи за управление грапавостта на повърхнините на изделията / Д.Б. Леонов // Сборник научни трудове от научна сесия 2012 към НВУ-Васил Левски. - Част 1. - Шумен. - 2012. - С. 77-81. - 0,31 п.л.

14. Leonov, D.B. La korozio de la metaloj kaj rimedoj por pritakso de la korozia stabileco de la metaloj / D.B. Leonov // Intrenacia simpozio «Apliko de Esperanto en la profesia agado» AEPA. - Prelegaro Parto 2. - Karlovo. - 2012. - P. 67-71. - 0,31 п.л.

Подписано в печать 14.07.2014 Формат 60x84 /,6 Цифровая Печ. л. 1.0

Тираж 100 Заказ 15/07 печать

Типография «Фалкон Принт» (197101, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Пушкарская, д. 54, офис 2, тел. 8 812 313 26 39, e-mail: fc2003@mail.ru) Корректор Викулин A.B.