автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение коррозионно-механической стойкости изделий на основе исследования трибофизических явлений в процессе механической обработки

-- £

НИЖЕГОРОДСКИЙ ФИЛЙМ ИНСТИТУТА ММШНОНЕДЕНИЯ ИМ.А.А.ВЛАГОНРАВОВА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИЙ НАУК

ПОВЫ1ЕНМЕ КОРРОВИОШО-МЕХАНИЧЕСКОЙ СТОЙКОСТИ ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТРИВСЖЗИЧЕСКЙХ ЯВЛЕНИЙ В ПРОЦЕССЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Специальность: 0b.02.08.- технология машиностроения

диссертация на соискание ученой степени

На правах рукописи

МОТОВА ЕЛЕНА АЛЕКСЕЕВНА

кандидата технических наук

Научный руководитель -

кандидат технических наук КУЛАКОВ С.И.

Научный консультант -

доктор технических наук СОРОКИН Г.К.

Нижний Новгород, 1998 г.

фп

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР .............................10

1.1. Технологическое обеспечение оптимальной шероховатости обрабатываемых поверхностей....................11

1.2. Влияние методов обработки на надежность и долговечность деталей ......... ............... 14

1.3. Применение технологических жидкостей при механической обработке деталей .............. ..... 1?

1.4. Влияние водорода на механическую обработку. ...... 19

1.4.1, Наводороживание деталей узлов и механизмов

сельскохозяйственных машин 21

1.5. Методология выполнения диссертационной работы,Выводы. . 23

1.6. Задачи исследования....................................25

9 WTfynu МГ™ФАШЙ Тл ТЯРЛ шттпрДШЙ

2.1. Физико-химические методы исследования. .......

2.1.1. Измерение микротвердости ....... .... 27

2.1.2. Исследование микроструктуры поверхностного слоя. Рентгеновский спектральный микроанализ .....

2.1.3. Исследование характеристик микрорельефа ....

2.1.4. Метод "меченых атомов".Авторадиография. ..... 28

2.1.5. Инфракрасная спектроскопия. . ......... . 29

2.1.6. Масс-спектрометрия. . ...... ....... 29

2.1.7". Метод газовой хроматографии. ........30

2.1.8. Метод вакуумной экстракции. ........ 31

2.2. Определение триботехнических характеристик. ...... 31

2.3. Статистическая обработка экспериментальных данных.. . . 33

2.4. Образцы и материалы ......................34

2.5. Разработка экспериментальных установок ......... 34

Х'У

о о

iCO

3. ИССЛЕДОВАНИЕ НАВОДОРОШШАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛА В ПРОЦЕССЕ АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКИ (ШЛИФОВАНИЯ)....... . 40

3.1. Исследование наводороживания при абразивной обработке. . 41

3.1.1. Исследование состояния поверхностного слоя титана после обработки абразивом. ........... .46

3.1.2. Рентгеноспектральные исследования. ....... 48

3.1.2.1. Анализ TiKßs-линии.............. . 48

3.1.3. Оценка глубины проникновения водорода в обрабатываемую металлическую поверхность. .... 54

3.2. Исследование наводороживания при абразивной обработке

органическим материалом. . ............... 57

3.2.1. Изучение поведения трибофизического водорода при

шлифовании. ....... ...... . ..... 60

3.3. Разработка методов повышения коррозионно-механической стойкости изделий .... ....... ........ 66

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРШЗОШЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ ПРИ ПОЛИРОВАНИИ. . . 70

4.1. Исследование трибокоррозии при полировании ....... 77

4.2. Влияние триботехнических характеристик ......... .85

4.2.1. Роль накопляемой энергии при механическом

взаимодействии в процессе обработки........89

4.3. Разработка аналитической модели коррозионно-механического разрушения в процессе механической

обработки....................................91

4.3.1. Обработка экспериментальных данных. . . ..... 99

4.4. Исследование физичееки-адсорбированных слоев 104

5. РАЗРАБОТКА ПРАКТИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ И ИХ ВНЕДРЕНИЕ. . . 108 5.1. Разработка составов для обработки поверхностей.....108

5.1.1. Технология нанесения составов. .... ..... 109

5.1.2. Сравнительная оценка проникновения водорода в

обрабатываемую поверхность............109

5.1.3. Триботехнические испытания разработанных составов. . .110

5.1.4. Испытания составов на коррозионную стабильность. . . .113 5.3. Натурные испытания и внедрение разработанных составов., 115

5.2.1. Натурные испытания состава "АЛАН-4" в производстве . . деталей судовых дизелей ............... 115

5.2.2. Внедрение присадки "АЛАН-11" в производство деталей цилиндро-поршневой группы ДВС ....... ..... 122

5.2.3. Натурные испытания в швейном и текстильном производстве ..................... 122

ВЫВОДЫ.......................... . 129

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ. .............. 131

Приложение 1. Акты внедрения, ...................140

Приложение 2. Расчет экономической эффективности. . . . . . 147 Приложение 3. Методика нанесения медного покрытия, .... 150 Приложение 4. Методика нанесения нитрида титана. ...... 151

ВВЕДЕНИЕ

Современное машиностроительное производство предъявляет повышенные требования к эксплуатационным характеристикам оборудования, которые во многом зависят от качества рабочих поверхностей деталей.

Качество поверхностного слоя деталей формируется на финишных этапах механической обработки, проводимых в присутствии смазоч-но-охлаждающих жидкостей (СОЖ) на основе воды с добавлением различных, в т.ч. органических веществ и присадок. 'Таким образом в основе финишных операций шлифования и полирования лежат процессы коррозионно-механического разрушения металлической поверхности. Совершенствование технологии финишной обработки, например, операций шлифования и полирования, рецептур СОЖ является резервом для повышения надежности и долговечности изделий машиностроения. Сложность исследования и управления процессами, происходящими при механической обработке объясняется широким спектром используемых материалов, значительно отличающихся по механическим (твердость), физическим (твердое тело, жидкость) свойствам, химическому составу (неорганические материалы: металлы, керамика;, органические вещества: полимерные связующие, ПАВ и т.п.), что подчеркивает необходимость более полно использовать подходы, разрабатываемые в смежных машиноведческих дисциплинах, в частности, применяемые в трибологии. Трибологическое моделирование позволило решить многие практические вопросы повышения надежности машин и механизмов, увеличения износостойкости и снижения энергетических потерь на трение. Все процессы механической обработки сопровождаются взаимодействием поверхностей, поэтому вопросы трения и износа являются составной частью проблем механической обработки. Кроме того.

- ь ~

использование трибологического подхода при решении проблем механической обработки возможно, так как процессы, протекающие при механической обработке и изнашивании, обусловлены диссипацией энергии и могут рассматриваться как трибофизические. Поэтому, исследование механизма трибофизических процессов и разработка на их основе путей повышения качества поверхности и совершенствование технологического процесса на этапе финишной обработки, в т.ч. шлифования и полирования является актуальной задачей, представляющей научный и практический интерес. Исследование данных процессов актуально и для сельскохозяйственного, текстильного производства, в связи с возможностью наводороживания стальных деталей при механическом взаимодействии с биомассой (растительного либо животного происхождения: или тканью (полимерным органическим материалом) . Повышение качества поверхности на этапе финишной обработки приведет к снижению коррозионно-механического изнашивания на стадии эксплуатации.

Цель работы

Повышение коррозионно-механической стойкости изделий на основе исследования трибофизических явлений в процессе механической обработки, на установках, моделирующих отделочные операции шлифования и полирования.

Работа выполнена в соответствии с планом НМР РАН по фундаментальным проблемам машиностроения (ПАН от 21.05.90 г. N 758) п/п 2.6.1. и Программой фундаментальных исследований "Повышение надежности систем "Машина-человек-среда" раздел 1.3.24. Код научного направления 1.11.2.3. и при поддержке программы "Интеграция".

В работе использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования базировались на научных основах технологии машиностроения, физико-химической ме-

ханике, энергетическом подходе к анализу процессов разрушения, физическом моделировании, физике твердого тела. При проведении экспериментальных исследований использовались современные физико-химические методы с обработкой результатов на ПЭВМ.

Обзор литературных источников подтвердил перспективность изучения процессов происходящих при механической обработке на трибологических моделях, показал возможность использования полученных результатов для прогнозирования основных физико-химических процессов разрушения поверхности на этапе эксплуатации; позволил сформулировать цель (п.1.6.) и определить задачи исследования.

Научная новизна данной работу .

На основе теоретико-экспериментальных исследований , обоснованы и подтверждены основные технологические факторы финишной обработки, оказывающие превалирующее воздействие на качество обрабатываемых поверхностей, такие как наводороживание и трибокоррозия.

Предложена аналитическая модель коррозионно-механического разрушения поверхности при механической обработке, учитывающая: диссипацию механической энергии; вероятность появления продуктов разрушения (ПР) на механически активированной поверхности: энергетическую вероятность образования ПР и удаления их с поверхности; физико-химические свойства материалов; технологические режимы механической обработки поверхностей.

Разработана методика исследования COI с использованием "меченых атомов" , позволившая уточнить роль воды в трибофизических процессах синтеза углеводородов и наводороживания металлических поверхностей при механической обработке.

Разработаны новые составы "АЛАН-!", "АЛАН-2", "АЛАН-4", "АЛАН-11" для физико-химического модифицирования поверхностей при механической обработке и эксплуатации.

о

- о —

Практическая ценность данной работы.

Применение метода триботехнических испытаний для изучения трибофизических явлений при механической обработке, позволило уточнить факторы, определяющие качество поверхности и наметить пути их регулирования.

Разработаны новые составы "АЛАН-1", "АЛАН-2", "АЛАН-4й , используемые в качестве добавок к СОЖ, смазочным маслам и индивидуально. снижающие скорость коррозионно-механического разрушения, позволяющие увеличить скорость обработки, повысить качество, снизить трудоемкость и повысить производительность труда.

Разработана присадка "АЛАН-11" к смазочным материалам, повышающая износостойкость изделий на стадии эксплуатации.

Предложена методика исследования трибофизических явлений с использованием "меченых атомов", позволяющая управлять разработкой рецептур добавок, к СОЖ.

Реализация результатов работы.

Применение "АЛАН-4" на операции полирования рабочих поверхностей деталей цилиндро-поршневой группы судовых дизелей способствовало повышению на 8 % их износостойкости на стадии эксплуатации, увеличению срока службы.

В результате применения присадки "АЛАН - 11" в системах смазки ДВС ЗАО "ЗШ" на 2% снизился износ деталей цилиндро-поршневой группы, в 1,2 раза увеличился срок службы моторного масла.

Результаты работы внедрены на ряде предприятий текстильной промышленности. Согласно данным производственных испытаний в 2,5 раза повышен срок службы игл, колец и бегунков, на 25% снижена обрывность пряжи, увеличился ресурс работы узлов вязального механизма, повысилось качество понижаемых изделий.

Основные результаты исследований докладывались и обсуждались

на следующих семинарах и конференциях:

1.Постоянно действующем семинаре молодых ученых Института машиноведения РАН, г.Москва, 1988-90 г.г.

2.Научно-технической конференции "Интенсификация процессов механической обработки и сборки в машиностроении",г.Горький,1988г.

3.Конференции "Современные направления совершенствования средств измерения сил и моментов сил", г.Горький,1989 г.

5.Всесоюзном научно-техническом семинаре "Диагностика, повышение эффективности долговечности двигателей",г.Ленинград, 1990 г.

6.Первой нижегородской конференции молодых ученых и специалистов г.Н.Новгорода, 1996 г.

7.Международной конференции "Износостойкость машин", г.Брянск, 1996 г.

8.Научно-технической конференции "Проблемы машиноведения", г.Н.Новгород, 199? г.

9.Научно-техническим семинаре "Проблемы трибологии производства", г.Иваново, 1997г.

10.На УШ-сессии Российского акустического общества "Нелинейная акустика твердого тела" г.Н.Новгород, 1998г.

11.На Международном симпозиуме "ЕМ31С0МТ98®\ г.Краков (Польша), 1998г.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

В главе приводится анализ состояния вопроса в области современных проблем механической обработки, в частности, связанных с •финишными операциями, обеспечивающими высокие эксплуатационные свойства изделий.

Быстрый рост современного машиностроительного производства предъявляет повышенные требования к механической обработке в целом. Возникает необходимость принимать оптимальные решения, учитывающие сложный комплекс различных вопросов: режимы и производительность обработки, геометрию (шероховатость, волнистость, гран-ность и др.), материал, изнашивание и стойкость инструмента, поведение обрабатываемого материала, коррозионая активность среды и качество обработанной поверхности, от которой во многом зависит надежность и долговечность изделия в целом. До настоящего времени каждый из этих вопросов ввиду сложности происходящих при обработке явлений рассматривался отдельно и оптимизация одного параметра отнють не означала оптимизацию процесса в целом.

В ряде работ отечественных ученых: Алексеева П.Г., Бабичева А.П., Варшавского И.Л., Евдокимова Ю.А., Зайцева С.А., Комарова G.H., Крагельского И.В., Комбалова В.С., Лоладзе Т.Н., Маслова А.Н., Маталина А.А., Подураева В.Н., СемкоМ.Ф., Сулима A.M., Хрущова М.М.,Шустера Л.Ш., Ящерицына П.И. и других показан большой вклад, в развитие и совершенствование процессов механической обработки.

Механическая обработка металлов по своей физической природе является необычным процессом Ei:.2;3J: при контактирование обрабатываемых материалов возникают большие давления ( до £000 МПа), высокие скорости деформации (до 10° с"1), повышается температура

(до 1300-1500К ) и т.д. При этом создаются благоприятные условия для развития адгезии, взаимной диффузии, окисления и наводорожи-вания поверхностей, изменения их структурно-фазового состава и т.д. Эти явления оказывают существенное влияние на состояние и свойства контактных поверхностей в процессе механической обработки. Одним из основных источников теплоты и факторов деформирования поверхностных слоев при обработки является трение между обрабатываемым материалом и инструментом [4;53. Для определения оптимальных технологических условий обработки возникает необходимость объединения различных аспектов процесса металлообработки в одну систему - фрикционное взаимодействие обрабатываемых поверхностей. Такой комплексный подход позволит определить оптимальные технологические условия обработки при одновременном учете и поведении инструмента и физико-механических характеристик поверхностного слоя заготовок. Этим решается проблема технологического обеспечения требуемых выходных параметров обработки [ 61.

1.1. Технологическое обеспечение оптимальной шероховатости обрабатываемых поверхностей Одним из основных условий надежной и долговечной работы машин является обеспечение в процессе технологической обработки поверхностей деталей машин таких параметров микрогеометрии, которые были бы близки к параметрам равновесной шероховатости, т.е. шероховатости приработанных поверхностей. При этом физико-механические свойства тонкого поверхностного слоя также должны быть близки или равны свойствам приработанных поверхностей. Обеспечение указанных характеристик поверхностного слоя приводит к резкому снижению приработочного износа. Г7 ].

Для заданных условий эксплуатации существует оптимальное сочетание свойств поверхности( шероховатость, наклеп, структура,

остаточное напряжение)обеспечивающие наиболее благоприятные зксплутационные характеристики деталей машин. Достижение такого сочетания возможно не только конструкторскими, но и технологическими решениями. В таблице 1.1 представлены значения параметров шероховатости поверхности в зависимости от методов технологической обработки [81.

Таблица 1.1

1 Класс i i j i i

Метод обработки 1 шероховатости i Ra i с x !

1 поверхности i i 1 i

1 ! 2 i > 3 i 4 i

Торцевое фрезерование 6 2,5 - 1, ¿5 8,0 - 0,021

Цилиндрическое

фрезерование п ! 1,25- 0,63 5,5 - 0,024

Строгание 6 2,5 - x 5 S5 4,2 - 0,023

Развертывание 6 О R _ lv , vj 1,25 1,14- 0,73

Торцевое точение г-} < JI , 25— 0,63 1,6 - 0 ? OiCjC^

Растачивание 7 •1 9Я- -L , iv.O 0,63 0,71- 0,057

Шлифование 8 0,63- 0,32 0,31- 0,006

Протягивание 8 0,63- л 0,13- 0,009

Шабрение 9 0,32 -0,16 0,03- 0,003

Полирование 10 0,16 -0,08 0,02 -0,007

Супе рфиниширование 11 0,08 -0,04 0,06 -0,003

Притирка 12 0,04 -0,02 0,02 -0,0005

сх -

комплексный параметр, связан с параметрами шероховатое-

_ -1 о_

ю

ти, волнистости и с величиной наклепа поверхностного слоя.

Большинство параметров качества поверхностного слоя деталей направленно формируется на финишных этапах технологической обработки . Из приведенных данных С93 установлено, что методы предварительной могут оказать большее влияние на изнашивание сопрягаемых поверхностей, чем метод