автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка и исследование процесса сглаживания поверхности газотермических покрытий деталей текстильных машин с целью повышения их работоспособности

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕКСТИЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ имени А. Н. КОСЫГИНА

На правах рукописи

МНАЦАКАНЯН ВИКТОРИЯ УМЕДОВНА

УДК 677.054.324,25: 621,793=7

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СГЛАЖИВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИХ . ПОКРЫТИЙ ДЕТАЛЕЙ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАШИН С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ИХ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

Специальности 05.02.13 - Машины и агрегаты

(легкая промышленность), 05.02.08 - Технология машиностроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: проф., доктор технических наук Москалев М.А.

МОСКВА -

1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение............................................... 5

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ OE3QP................................... .10

1.1. Анализ конструктивных особенностей ткацкого

станка типа СТБ...................................10

I.E. Особенности газотермических методов

напыления покрытий................................ 14

1.2.1. Применение ГТН для упрочнения и восстановления деталей текстильных машин................................21

1.2.2. Обрабатываемость газотермических покрытий.......22

1.3. Поверхностное пластическое деформирование -

как эффективный способ окончательной обработки..28

1.3.1. Основные параметры процесса ПОД

и микрогеометрия поверхности....................30

1.3.2. Принятие модели шероховатого тела............... 36

1.3.3. Геометрические аспекты формирования

очага деформации...............................................39

1.4. Выводы........................................... .44

1.4.1. Цель и задачи исследования......................45

ГЛАВА 2. ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА НАНЕСЕНИЯ

ПОКРЫТИЙ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИХ ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ.....................47

2.1. Обоснование выбора материала покрытия.............47

2.1.1. Исследование процесса нанесения

бронзовых покрытий..............................49

2.2. Определение механических характеристик материалов покрытий............................... 58

2.2.1. Способы оценки напряжений при

вдавливании шара................................ 59

2.2.2. Методика проведения испытаний...................63

- з -

2.«2.3. Результаты испытаний..............................64

2.3. Оценка прочности сцепления и,работоспособности деталей с металлопокрытиями.......................67

2.4. Выводы...................................____.....79

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

ДЕТАЛИ С МЕТАЛЛОПОКРЫТИЕМ В ПРОЦЕССЕ ППД.............. .80

3.1. Принятые допущения................................80

3.1.1. Выбор расчетной механической модели тела........81

3.1.2. Стадии деформирования неровностей...............82

3.2. Математические зависимости, применяемые

для анализа напряженного состояния............... .86

3.3. Исследование напряженного состояния металлопокрытия...................................91

3.3.1. Постановка задачи...............................92

3.3.2. Анализ первой стадии деформирования.............93

С; О О

W.

Построение полей линий скольжения.

3.3.4. Анализ второй стадии деформирования.............103

3.3.4.1. Определение верхних значений удельных усилий

деформирования................................107

3.3.5. Определение среднего контактного давления....... 113

3.4. Исследование деформированного состояния металлопокрытия................................... 116

3.4.1. Глубина внедрения инструмента в поверхность..... 120

3.4.2. Оценка деформационного упрочнения материала покрытия........................................123

3.5. Расчет нормального усилия деформирования____...... 126

3.6. Выводы....................................................135

ГЛАВА 4. ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО

ОКОНЧАТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКЕ НАПЫЛЕННЫХ ПОКРЫТИЙ..........136

4.1. Экспериментальные исследования по механической обработке напыленных покрытий.....................136

4.1.1. Методика проведения эксперимента................136

4.1.2. Результаты проведенных исследований............. 137

4.2. Экспериментальные исследования по обработке ГТП поверхностным пластическим деформированием........147

4.2.1. Методика проведения эксперимента................ 148

4.2.2. Выбор плана проведения многофакторного эксперимента. Факторы и уровни их варьирования..151

4.2.3. Исследование влияния факторов Р, Б} Рпр на шероховатость поверхности покрытия..............154

4.2.4. Исследование влияния факторов Р, 3, Рпр на упрочнение поверхности покрытия................. 160

4.2.5. Определение оптимальных технологических параметров процесса ППД.........................167

4.3. Определение глубины проникновения

пластической деформации......................................170

4.4. Исследование микроструктуры ГТП до и после обработки ППД...............................................175

4.5. Исследование износостойкости напыленных бронзовых покрытий, обработанных ППД.....____..... 181

4.5.1. Методика проведения эксперимента и оценки величины износа................................. 182

4.5.2. Результаты испытаний по износостойкости бронзовых покрытий..............................186

4.6. Выводы............................................ 193

Общие выводы...................................................195

Литература............................................. 199

Приложение.............................................210

— ь, —

Введение

Актуальность темы. Развитие текстильной промышленности, увеличение нагрузок и скоростей современных механизмов и узлов, возросшие требования к обеспечению работоспособности текстильных машин приводят к необходимости применения прогрессивных технологий и высокоэффективных методов обработки.

Одна из основных задач текстильного машиностроения - повышение работоспособности деталей машин - может быть решена применением методов газотермического напыления покрытий (ГТН), среди которых наиболее широкое внедрение получили плазменное, газопламенное напыление и электродуговая металлизация.

Напыление покрытий применяется с целью упрочнения и восстановления деталей, повышения износостойкости рабочих поверхностей, защиты деталей от коррозии, создания антифрикционных слоев, а также с целью получения обращенных подшипниковых пар ( металлизированная антифрикционным металлом шейка вала в сопряжении со стальной втулкой).

Нанесенные покрытия имеют достаточно прочное сцепление с материалом основы С порядка 25...45 МПа ), при работе со смазкой обладают высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения. Вследствие указанных преимуществ газотермические покрытия (ГТП) могут быть успешно применены при изготовлении новых и восстановлении изношенных деталей текстильных машин.

Исследованиями Е.В. Антошина, Л.К. Дружинина, В.В. Кудинова, М.Х. Шоршорова, А. Хасуйя и других ученых определены возможности методов ГТН и выявлены оптимальные режимы напыления различных материалов.

Если характеристики самого покрытия определяются в процессе напыления, то качество всей детали с покрытием зависит от трех

этапов их получения: при подготовке поверхности перед напылением; в процессе нанесения покрытия и при окончательной обработке напыленного слоя.

Формирование детали с ГТП завершается окончательной механической обработкой напыленного слоя, чем обеспечивается требуемая шероховатость и точность размеров.

Механическая обработка ГТП являлась предметом изучения ряда исследователей: Н.В. Катца., Н.Н.Фролова, Э. Кречмара, В.В. Юшкова и др. Однако однозначных решений по многим вопросам обработки пока не имеется. В особенности это относится к отделочным операциям. Обычно, рекомендуемое для этих целей шлифование проходит с большими трудностями, сопровождается шаржированием поверхности покрытия абразивными частицами, характеризуется большим разбросом по показателям качества поверхности и является малопроизводительным способом обработки, особенно, для мягких материалов.

Весьма прогрессивным и перспективным способом окончательной обработки поверхности деталей является обработка поверхностным пластическим деформированием ( ППД ), при которой происходит сглаживание шероховатости поверхности, сопровождающееся смятием выступов и заполнением впадин микрорельефа материалом деформируемой поверхности. В результате упрочняется поверхностный слой, повышается износостойкость, стойкость материала поверхности к коррозионным воздействиям и обеспечивается низкая шероховатость последней.

Известны многочисленные теоретические и экспериментальные исследования, посвященные вопросам обработки ПЦД различных однородных материалов, выполненных под руководством П.Г. Алексеева, В.М. Враславского, И.В. Кудрявцева, М.А. Москалева, Д.Д. Папшева,

Ю.Г. Шнейдерз, и др. Что же касается обработки ПЦЦ тонкослойных покрытий, то данные в литературе весьма ограничены.

Отсутствие рекомендаций по расчету и выбору основных параметров процесса сглаживающей обработки напыленных покрытий, в особенности роликовым инструментом, сдерживает применение ее в качестве отделочной операции. Поэтому исследования, проведенные в этом направлении являются весьма актуальными и представляют как научный, так и практический интерес. В связи с этим определены цель и задачи настоящих исследований.

Цель исследований. Целью диссертационной работы является разработка технологических рекомендаций по нанесению и окончательной обработке ПЦЦ износостойких покрытий деталей текстильных машин, направленных на повышение их работоспособности.

Общая методика исследований. При проведении теоретических исследований были использованы методы и закономерности теории упругости, теории пластичности, механики сплошных деформированных сред, механики контактного взаимодействия твердых тел, позволившие рассмотреть возникающие напряжения в процессе деформирования материала покрытия при ПЦЦ.

При анализе напряженно-деформированного состояния материала покрытия использовались теоретические положения, развитые в трудах Р. Хилла, Р. Прандтля, Р. Генки, Е.М. Макушка, М.А. Москалева, Е.П. Унксова, Н.М. Алексеева, А.Д. Томленова и др.

Обработка экспериментальных данных проводилась на ПЭВМ с использованием методов планирования экспериментов и математической статистики.

При анализе данных по шероховатости, упрочнению и износу контактирующих поверхностей, а также по металловедческим исследо-

ваниям были использованы теоретические положения., развитые в трудах А,П. Гуляева, М.Е. Дрица, П.Е. Дьяченко, И.В. Крагельского и ДР-

При проведении исследований использовано как отечественное, так и зарубежное оборудование.

Научная новизна. На основе теоретических исследований по изучению обработки ППД предложена методика расчета теоретически обоснованных параметров процесса ППД мягких антифрикционных покрытий по заданному конечному результату - шероховатости поверхности.

С применением современной теории планирования экспериментов определены и экспериментально подтверждены основные закономерности изменения шероховатости поверхности деталей с металлопокрытиями е процессе сглаживающего ППД. Оптимизацией уравнений регрессии выявлены и предложены рациональные режимы обработки, позволяющие получить минимальную шероховатость и максимальное упрочнение поверхности покрытия.

Определены основные механические характеристики покрытий с помощью диаграмм твердости.

Металлографическими исследованиями выявлена микроструктура напыленных бронзовых покрытий до и после обработки ППД, определена глубина наклепанного слоя поверхности покрытия , образовавшегося в результате обработки ППД роликовым инструментом.

Исследовано влияние технологии окончательной обработки на износостойкость деталей с металлопокрытиями.

Практическая ценность. Внедрение способов нанесения износостойких покрытий при изготовлении новых и восстановлении изношенных деталей текстильных машин с последующей сглаживающей обработ-

кой поверхностным пластическим деформированием позволит улучшить зкплуатационные характеристики последних и тем самым повысить работоспособность текстильного оборудования.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на межвузовской научно - технической конференции " Современные проблемы текстильной и легкой промышленности" в 1998 г., на всероссийской научно - технической конференции " Современные технологии текстильной промышленности" ( Текстиль - 98 ), а также на заседаниях кафедры технологии текстильного машиностроения и конструкционных материалов в Московской государственной текстильной академии им. А.Н, Косыгина ( 1996-1998 ).

Объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы, выводы, приложение, изложена на 210 страницах, включая 59 рисунков и 14 таблиц. Список литературы содержит 119 отечественных и за-рубежых авторов.

Публикации, По материалам диссертации опубликовано 6 статей.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1. Анализ конструктивных особенностей ткацкого станка типа СТЕ.

В настоящее время в ткацких производствах текстильной промышленности продолжается широкое внедрение бесчелночных ткацких станков различных типов: пневморапирных (АТПР), микрочелночных (СТЕ) и пневматических (П).

Удельный вес бесчелночных ткацких станков в целом по текстильной промышленности составляет около 40% , в том числе в шерстяной 80, льняной 30, шелковой 80, хлопчатобумажной 44% / 2 /. В шерстяной и льняной промышленности преобладают станки СТЕ.

Наиболее полно требованиям всех отраслей текстильной промышленности по ассортиментным возможностям удовлетворяют бесчелночные ткацкие станки СТЕ с малогабаритными прокладчиками утка: на этих станках можно вырабатывать ткани с шириной заправки по берду до 330 см, с использованием утка малой линейной плотности (до 220 текс) и до 6 цветов, что невозможно на пневморапирных и пневматических станках.

Производительность станков СТЕ зависит как от качества сырья, так и от технического состояния станков. Техническое состояние, в свою очередь, характеризуется большим числом факторов и, в частности, надежностью и работоспособностью отдельных узлов, в том числе, узлов трения скольжения.

Известно / 102 /, что значительная часть отказов текстильного оборудования связана с износом трущихся поверхностей, в частности, в современных бесчелночных ткацких станках до 40% всех отказов возникает из-за износа деталей и примерно 8-10% из-за поломок.

В связи с этим важным и необходимым является постановка и решение ряда задач, заключающихся в :

1. определении наиболее изнашиваемых деталей узлов трения скольжения ткацкого станка СТБ;

2. выявлении причин износа;,

3. исследовании возможности создания обращенных подшипниковых пар, заключающейся в нанесении износостойкого антифрикционного покрытия на поверхности тел вращения в местах посадки подшипников скольжения из бронзовых материалов с целью замены их на стальные , а также с целью повышения износостойкости сопряженных поверхностей деталей.

На кафедре технологии текстильного машиностроения и конструкционных материалов в МГТА проводились исследования износостойкости определенных групп деталей, входящих в различные узлы станка, такие как уточная боевая коробка, батанный и ремизоподъемный механизмы, товарный регулятор, основный регулятор, механизм смены цвета утка. Анализ работы сопряженных пар показал, что большинство из них работают в условиях граничного трения, когда подача смазочного материала в зону контакта затруднена, а также при невысоких скоростях скольжения ( до 1 м/с). На основе проведенного анализа составлена таблица, в которой приведена номенклатура быстроизнашиваемых деталей различных узлов ткацкого станка СТБ215 с указанием материала, условий эксплуатации и срока службы деталей /68 /.

Эти обстоятельства , а также комплекс требований, предъявляемых к подшипниковым материалам /1,105/, явились основанием для попытки применения в узлах трения скольжения станка СТБ 216 валов и осей с напыленными покрытиями в местах установки подшипников скольжения.

В частности, исследовался кулачковый ремизоподъемный механизм станка СТБ 218, включающий в свой состав большое количество бронзовых втулок.

Механизм зевообразования предназначен для перемещения групп нитей основы в определенной последовательности с целью образования пространства между ними (зева) путем поднимания и опускания ремиз, что достигается с помощью системы кулачков (эксцентриков), рычагов и тяг. На рис. 1.1 показана схема данного механизма.

С рабочими поверхностями кулачков контактируют каточки 1 и 2. Они вращаются на осях двуплечих ремизоподъемных рычагов 6.Нижний каточек в паре с передним кулачком 3 производит опускание ремизки, верхний каточек и задний кулачок - подъем.

Рычаги 8 свободно посажены на оси 4 и в своей верхней части несут хомутики 5. Крепление хомутика на рычаге производится вкладышем 7 и болтом 8.

Хомутик осью 9 связан с серьгой 10, в которую входит утоненная часть тяги 12 и жестко крепится болтом 11.

Ось 13 обеспечивает шарнирное соединение тяги 12 с двуплечим рычагом 14. Количество рычагов соответствует числу ремизных рамок, и вращаются они на оси 15, закрепленной в отверстиях кожуха.

Нижнее плечо рычага с помощью оси 16 соединено с горизонтальной тягой 17. На конце тяги имеются сухарик и пружина 18. Сухарик и пружина обеспечивают надежное соединение горизонтальной тяги со штангой 19, левый конец которой выполнен с небольшим паз-зом.

Штанга осями 20 связана с дву