автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Разработка и исследование технологии формирования дискретного серповидного микрорельефа рабочих поверхностей деталей вибрационным микрорезанием

На правах рукописи

ЕРМОЛЬЧЕВА Надежда Викторовна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ ДИСКРЕТНОГО СЕРПОВИДНОГО МИКРОРЕЛЬЕФА РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ВИБРАЦИОННЫМ МИКРОРЕЗАНИЕМ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

00554491А

Саратов 2013

005544912

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель наук РФ Королев Альберт Викторович

Официальные оппоненты: Шумячер Вячеслав Михайлович

доктор технических наук, профессор, Волжский институт строительства и технологий филиал Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет», директор филиала, заведующий кафедрой «Технология обработки и производства материалов»

Бойченко Сергей Григорьевич кандидат технических наук, ООО «Лапик» (г. Саратов) заместитель директора

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет»

Защита состоится 11 декабря 2013 г. в 13ш часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.02 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, Политехническая, 77, корп. 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Автореферат разослан 8 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.А. Игнатьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Как показывает опыт эксплуатации, долговечность большинства механизмов и машин ограничивается преждевременным износом подвижных соединений. К таким соединениям относятся, в частности, подшипники скольжения, а также подшипники качения, ресурс и эксплуатационные характеристики которых в значительной мере определяются износом трущихся поверхностей дорожки качения подшипника и шариков вследствие их относительного перемещения в условиях повышенных нагрузок. Повышенный износ, особенно в первоначальный период, приводит к возникновению различных дефектов, основными из которых являются: усталостное разрушение поверхности, абразивный износ, надиры, выбоины поверхности.

Весьма важное влияние на процесс приработки трущихся поверхностей деталей оказывает правильный выбор технологического микрорельефа этих поверхностей и способ его образования. Основная задача при нанесении частично регулярного микрорельефа заключается в удержании смазки на поверхностях деталей трения, что приводит к уменьшению износа. При этом параметры микрорельефа должны обеспечить оптимальное соотношение между опорной площадью поверхности и объемом смазки. Существующие способы формирования микрорельефа на рабочих поверхностях деталей, например, синусоидальных канавок вибрационным обкатыванием или резанием (Шнейдер Ю.Г., Азаре-вич Г.М., Тененбаум М.М. и др.), этого не обеспечивают, так как обычно смазочные канавки не имеют замкнутых контуров. В этом случае смазка может свободно вытекать из смазочных канавок. Имеются формы смазочных канавок с замкнутыми контурами (Орлов Б.С. и др.), но способы их изготовления нетехнологичны и поэтому не нашли широкого практического применения. Кроме того, существующие разработки в области создания частично регулярного микрорельефа предполагают использование сложного оборудования.

Поэтому разработка эффективной технологии формирования регулярного микрорельефа поверхностей деталей, обеспечивающего надежное удержание смазки в рабочей зоне, является актуальной.

Целью данной работы является повышение надежности удержания смазки на поверхности трения деталей на основе применения технологии создания частично регулярного микрорельефа серповидной формы с замкнутым контуром.

Методы и средства исследований. Теоретические исследования проведены на основе технологии машиностроения, теории резания, методов аналитической геометрии, интегрального и дифференциального исчисления. Для моделирования использовался программный продукт МаЙаЬ у10, \1athCAD VI5. Адекватность математической модели подтверждена на основе экспериментальных данных. Экспериментальные исследования проводились с применением современной лабораторной контрольно-измерительной аппаратуры и оборудования на основе теории многофакторного планирования экспериментов, а обработка полученных данных проводилась с использованием методов математической статистики. Производственные испытания осуществлялись на основе методов и средств, предоставленных Саратовским государственным техническим университетом имени Гагарина Ю.А. и ООО «Рефмашпром». Выводы и рекомендации данной работы апробированы в производственных условиях.

Научная новизна работы:

1. Построена математическая модель процесса образования частично регулярного микрорельефа в виде микроуглублений серповидной формы дискретным вибрационным микрорезанием, обеспечивающая высокую опорную способность поверхности и возможность удержания смазки.

2. Предложены алгоритм и программа расчета зависимости влияния основных технологических факторов на параметры микрорельефа, которые позволяют, задавая значения параметров микрорельефа, определять значения режима виброрезания.

3. Получены регрессионные зависимости, отражающие влияние режимов обработки: глубины микроуглубления, амплитуды осцилляции резца и частоты вращения заготовки при образовании микроуглублений серповидной формы, на эксплуатационные параметры деталей: опорную площадь поверхности и удельный объем смазочных микроуглублений, подтверждающие теоретические расчеты.

4. Разработана методика определения технологических параметров, обеспечивающая максимальную производительность при заданных ограничениях по соотношению опорной площади поверхности и удельного объема смазочных микроуглублений и ограничению по возможным режимам обработки.

5. Выявлено влияние серповидного микрорельефа на износ щеток микродвигателей и на работоспособность упорно-радиальных подшипников.

Практическая ценность и реализация работы:

- разработан способ формирования микроуглублений серповидной формы способом дискретного вибрационного микрорезания (патент на изобретение № 2495287);

- разработана конструкция устройства для формирования серповидного микрорельефа (патенты на полезную модель № 96810, И 3686);

- разработаны практические рекомендации по промышленному применению результатов выполненных исследований, обеспечивающих высокий экономический эффект при производстве упорных подшипников;

- разработаны практические рекомендации по нанесению микроуглублений серповидной формы на упорно-радиальные подшипники 1118-2902840.

Практические рекомендации приняты к внедрению на ООО «Рефмаш-пром» и в Научно-производственное предприятие «Нестандартные изделия машиностроения» СГТУ (НПП НИМ СГТУ). Результаты исследований внедрены в учебный процесс СГТУ имени Гагарина Ю.А. по дисциплине «Технология машиностроения».

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается лабораторными исследованиями, выполненными с применением современных методов планирования экспериментов и обработки экспериментальных данных, а также показателями эффективности опытно-производственного применения разработанной технологии и практических рекомендаций.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 9 научных конференциях различного уровня:

- 7 международных конференциях: «Проблемы управления, передачи и обработки информации», (Саратов, 2009); «Математические методы в технике и

технологиях» - ММТТ-22 (Иваново, 2009); «Современные техника и технологии» (Томск, 2010); «Математические методы в технике и технологиях» -ММТТ-23 (Саратов, 2010); Интернет-конференция в рамках Международного Интернет-фестиваля молодых ученых «Молодые ученые за инновации: Создавая будущее!» (Саратов, 2011); «Математические методы в технике и технологиях»

- ММТТ-24 (Саратов, 2011); «Математические методы в технике и технологиях»

- ММТТ-25 (Саратов, 2012);

- 2 Всероссийских конференциях: «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2010); «Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий» (Саратов, 2013);

- научных семинарах кафедры «Технология машиностроения» СГТУ имени Гагарина Ю.А. (2010-2013 гг.).

По тематике данной работы были получены грамоты и награды в конкурсах:

- выигран грант по программе «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса» («У.М.Н.И.К.»), 2010-2012 гг.;

- грамота за призовое место в номинации «Актуальность», «Инновацион-ность» на Международном Интернет-Фестивале «Молодые ученые за инновации: Создавая будущее!», 2011 г.;

- диплом именного стипендиата главы администрации муниципального образования «Город Саратов» в номинации «За выдающиеся достижения в области образования и науки», 2012 г.;

- диплом за II место в конкурсе научных работ в рамках Всероссийской молодежной научной конференции «Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий», 2013 г.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 19 работ, в том числе 8 статей в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, получены 2 патента на полезную модель и 1 патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы из 101 наименования, 7 приложений. Диссертационная работа изложена на 157 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц, 45 рисунков.

Положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Способ (|юрмирования микроуглублений серповидной формы путем дискретного вибрационного микрорезания.

2. Математическая модель процесса образования микроуглублений серповидной формы на цилиндрических, торцовых и тороидальных поверхностях дискретным вибрационным микрорезанием.

3. Результаты экспериментальных исследований и построенные на их основе регрессионные зависимости опорной площади поверхности и удельного объема смазочных микроуглублений от основных технологических факторов.

4. Результаты экспериментальных исследований влияния серповидного микрорельефа на эксплуатационные свойства упорных шарикоподшипников, которые показали, что долговечность этих подшипников и другие эксплуатационные показатели значительно превосходят требования ТУ.

5. Практические рекомендации по использованию полученных результатов и их промышленная апробация.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель, сформулированы научная новизна, практическая ценность и основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации результатов работы.

В первой главе произведен анализ современных способов и технических средств, применяемых при формировании микрорельефа рабочих поверхностей деталей.

Одной из основных задач машиностроения и приборостроения является улучшение эксплуатационных характеристик деталей машин. В связи с этим одной из важнейших проблем в области качества поверхности является изыскание методов обработки, обеспечивающих возможность образования на поверхности деталей регулярных, тонко управляемых, аналитически рассчитываемых микрорельефов. Работы в этом направлении ведутся в нашей стране и во многих передовых промышленных странах.

Выполнен обзор работ Одинцова Л.Г., Торбило В.М., Шнейдера Ю.Г., Орлова Б.С., Солдатова В.И. и других авторов, в которых приведена классификация и дано описание наиболее широко применяемых способов создания регулярного микрорельефа на поверхностях деталей машин и приборов в виде дискретных и непрерывных микроуглублений.

Также рассмотрены способы образования микрорельефа на дорожках качения подшипников (Шнейдер Ю.Г., Гущин А.Ф., Королев A.B., Jacek Kaminski, Henning Wittmeyer, Азаревич Г.М. и др.). Анализ данных способов показал, что технологическое исполнение данных способов требует применения сложных конструкций виброголовок. Кроме того, созданный с помощью известных технических средств микрорельеф не имеет замкнутых контуров и под действием нагрузки смазка выдавливается из рабочей зоны трущихся поверхностей деталей.

На основе вышеизложенного сформулированы цель и задачи исследований:

1. Разработать способ формирования микроуглублений серповидной формы на основе применения дискретного вибрационного микрорезания и конструкцию устройства для его осуществления.

2. Разработать математическую модель процесса образования частично регулярного микрорельефа в виде микроуглублений серповидной формы дискретным вибрационным микрорезанием.

3. Выполнить экспериментальное исследование влияния основных технологических факторов процесса нанесения серповидного микрорельефа на эксплуатационные свойства поверхности: опорную площадь поверхности и удельный объем смазочных микроуглублений.

4. Выполнить исследование эффективности обработки предложенным способом дискретного вибрационного микрорезания дорожек качения упорных подшипников и деталей микродвигателей коллекторного типа.

5. Разработать практические рекомендации по применению способа дискретного вибрационного микрорезания, осуществить его производственную апробацию и оценку технико-экономической эффективности.

Во второй главе рассматривается способ образования регулярного микрорельефа дискретным вибрационным микрорезанием, выполнено построение математической модели процесса образования частично регулярного микрорель-

ефа в виде микроуглублений серповидной формы на цилиндрических и торцовых поверхностях, на дорожках качения колец шарикоподшипников, разработаны алгоритм и программа расчета зависимости влияния основных факторов на параметры микрорельефа.

Схема технологического процесса образования регулярного микрорельефа дискретным вибрационным микрорезанием на цилиндрических поверхностях представлена на рис. 1.

Сущность способа дискретного вибрационного микрорезания состоит в следующем. Обрабатываемая деталь 1, закрепленная в приспособлении, получает вращение с частотой п от шпинделя токарного станка (рис. 1а). Глубину микрорезания Н задают, устанавливая галтельный резец 2 в крайнее правое положение обрабатываемой детали при его наибольшем отклонении от положения равновесия. Галтельному резцу 2 на Г-образной оправке с помощью виброголовки, установленной в резцедержателе станка, сообщается продольная подача 5 и дополнительные возвратно-качательные движения вдоль образующей обрабатываемой детали с частотой колебания пдв,х и амплитудой е, при которых он часть периода может не соприкасаться с обрабатываемой поверхностью. При этом на обрабатываемой поверхности создаются дискретно расположенные синусоидальные канавки или микроуглубления серповидной формы (рис. 16), форма и размеры которых зависят от времени соприкосновения инструмента с поверхностью детали т за период осцилляции резца Т. На рис. 16 вид I соответствует условию Т = Т, вид И - 7 = 7/2, вид Ш- Т <Т /2.

Механизм нанесения регулярного микрорельефа на плоские торцовые поверхности такой же, как и при нанесении микрорельефа на цилиндрические поверхности.

Сущность способа образования серповидного регулярного микрорельефа дискретным вибрационным микрорезанием на дорожках качения колец шарикоподшипников представлена на рис. 2 и заключается в следующем.

Обрабатываемая деталь 1 (кольцо упорного шарикоподшипника) получает вращение с частотой п, а галтельный резец 2 - осциллирующее перемещение перпендикулярно оси вращения обрабатываемой детали 1 с частотой В результате обработки на поверхности дорожки качения кольца шари-

51

Ш

ЕН

Г л л

9 \\ й %

А А

# % ¡1 %

Рис. 1. а) схема образования микрорельефа дискретным вибрационным микрорезанием; б) виды микроуглублений

Рис. 2. Схема обработки упорного шарикоподшипникадискретным вибрационным микрорезанием

коподшипника 3 образуется частично регулярный микрорельеф в виде системы серповидных масляных микроуглублений 4.

Для аналитического расчета геометрических характеристик частично регулярного микрорельефа, получаемого дискретным вибрационным микрорезанием на поверхностях деталей, построена математическая модель, основанная на следующих допущениях:

1. Обрабатываемая заготовка считается идеальным круговым цилиндром или плоской торцовой поверхностью, а режущая кромка инструмента выполнена в виде дуги окружности.

2. Искажения формы и размеров микроуглублений, связанные с упругим последствием обрабатываемого металла, принимаются пренебрежимо малыми.

3. Резец имеет передний угол у=0, а в резании участвует только закругленная часть его вершины.

4. Задняя поверхность резца, участвующая в резании, выполнена в виде полусферы с радиусом, равным радиусу режущей кромки.

На основе математической модели процесса образования серповидного микрорельефа получены расчетные зависимости, позволяющие определить относительную площадь поверхности микроуглублений (параметр по ГОСТ 24773-81) по известным технологическим факторам:

. _ ¿'Г

-100%,

(1)

где / - отношение частоты осцилляции резца к частоте вращения заготовки; г/, -диаметр обрабатываемой поверхности, мм; 5 - шаг расположения микроуглублений, мм;/- площадь микроуглубления за один период осцилляции резца, мм2. Величина опорной площади поверхности:

= 100%-/4.

(2)

Означив через х, у текущие координаты точек огибающих, через К+- верхнюю границу микроуглубления, через К_- нижнюю границу микроуглубления (рис. 3) были найдены их уравнения.

При врезании резца, режущая часть которого представляется как полусфера с радиусом в обрабатываемую поверхность без ее вращения на глубину Я, образуется отпечаток, граница которого на плоскости развертки имеет вид кривой, близкой к полуокружности с радиусом р, определяемым по формуле

Рис. 3. Форма микроуглублений на плоскости развертки детали: а) при едЭД; б) при то=0

4

2 грез Н-Н<

(3)

Уравнения кривых К_ в пределах границ от т0 до 7'/4и К' в пределах границ от 7/4 до (т/2-т0), где т0 - начальное время касания инструмента с поверхностью детали, имеют вид

х = V • т

/ _ \ . 2 л г}, (4)

У = 1>, Т + (« + Лп») -81П ---[ V ;

где (-) - для кривой К_, а (+) - для кривой К',

Уравнения кривых ЛГ+ в пределах границ от т0 до Т/4 и К" в пределах границ от 7/4 до (Г/2-г0):

, 2 ■ яг ■ т . 2 • я- ■ (г - т„) к Р т« С05-=--81П---—

1 + к2 ■ сое 2

2 ■ л • г

. 2- л ■ т А_-яп-

у = V, Г + £ • БШ -+ -

Т

2 л-(т -т.,

1 + А:2 • сск2

2 - л - т

(5)

где (+) - для кривой /С"+, а (-) - для кривой К", 1с = 2еч •/с1, .

Для расчета площади микроуглубления серповидной формы/, образуемой за один период Г осцилляции резца, используем известную формулу для вычисления площади криволинейной трапеции в случае кривой, заданной параметрически:

<2= ¡у(т)-х'(т)с1т. (6)

я

Площадь микроуглубления из рис. 3 представляет собой величину

/=&.-&„+!2к:~вк:. (7) где ()к и <2К. - площади криволинейных трапеций, заключенных между осью ОХ и кривыми К+ и К* в пределах от т0 до (т/2-т0);

<2к_ и _ площади криволинейных трапеций, заключенных между осью ОХ и кривыми и К' в пределах от т0 до {Т/2-т0).

При этом

2 л--(г-гп)Л

а, -1

. 2- лт

V. ■ г + е • бш----Ь

[, 7* -,2-я-т

, I + *" соб"-

V т

2- к к ■ о ,

XI V--

, ,2 , 2-г-г1 2л(2т-та) ,, . 2-я-г -,2-лт . 2 я(т-т„) \ + -сой" —г— I■ сое---— + к' -йш--сое"--бш---—

(1т,

1 + к1 ■ соэ2

2 л т

V, т + е • бш-

2-пт

2-я (т-т0)

1 + к ■ СОБ

2 л т

[ 2 л к- р х у--сла^х

1 + к~ ■ СОБ

2 к-тЛ 2я(2т-т0) 2 . 2-л-т ,2 лт . 2л(т-т0)

- + к -вт

(1т,

1 + к сое

2-л-г

=у

4

= V \

Го

7"

2

1

7' 4

2-л-г

(/Г,

V, -Г+(<? +)-5Ш

2-лг-г

(/Г.

(Ю)

(11)

В результате расчетов величина площади микроуглубления за один период осцилляции резца при дискретном вибрационном микрорезании, когда резец соприкасается с поверхностью детали в течение полупериода, равна

/ =

2 ■ Р«ш

е 2 ■ л- е - £>,„. — +-—

12 к

2л/2

, + 1

л-к ■ р2 12~

72 к2

(1 + 0.5 к2

(12)

^1 + 0.5 к2

где ртах - максимальное значение радиуса полуокружности отпечатка при т = Г/4, мм; е - амплитуда осцилляции резца, мм.

Объем микроуглублений при обработке цилиндрических и торцовых поверхностей рассчитывается по формуле (мм3):

где Н - максимальная глубина микроуглубления, мм. Удельный объем микроуглублений (мм31мм1):

(13)

_4

■ н-н1

9-5

(14)

Объем микроуглублений при обработке дорожек качения колец шарико подшипников с учетом кривизны профиля рассчитывается по формуле (мм1):

Хб л И ^-рта Н-Нг \н -г + ^г2 - 2-р,

V =-

Н-Н-

91

(15)

где Н - максимальная глубина микроуглубления, мкм; г - радиус беговой дорожки качения шарикоподшипника, мм; 1радиус шарикоподшипника, мм.

Удельный объем микроуглублений (мм ' /мм1)'.

Н - г + л]г2 -2- ршх ■ Н -Н 2

9- (• г ■ агсйт е/г + е

Удельный объем масляных микроуглублений характеризует степень обеспеченности поверхности смазкой, т.е. ее маслоемкость, которая влияет на эксплуатационные свойства шарикоподшипника (долговечность и др.).

На основе полученных аналитических зависимостей становится возможным решение задач технологического обеспечения дискретного вибрационного микрорезания для образования поверхностей с требуемыми параметрами .микрорельефа. Для этого с помощью математического пакета МаЙаЬ VI0 были разработаны номограммы для определения опорных площадей поверхностей и разработана блок-схема, которая позволяет по заданным параметрам микрорельефа определить значения параметров режима резания, при которых образуется микрорельеф со значениями указанных его параметров из заданных полей допусков этих величин. Выполнен анализ результатов расчета параметров микрорельефа, определены области варьирования факторов.

В третьей главе представлена методика проведения экспериментальных исследований. Обоснован выбор объектов, средств и условий проведения экспериментальных исследований, разработана конструкция экспериментальной установки.

Объектом исследования являются параметры микроуглубления на диаметре 75 мм торцовой поверхности тонкого диска.

Исходя из требований, предъявляемых к параметрам процесса, учитывая особенности конкретного способа нанесения микрорельефа, устанавливаем факторы варьирования: глубина микроуглубления (Н, мкм), амплитуда осцилляции резца (е, мм), частота вращения заготовки (п, об/мин), при частоте осцилляции резца //¿,¡.1—2800 1/мин.

Для нанесения серповидного микрорельефа на поверхности трения было создано специальное устройство для дискретного вибрационного микрорезания (рис. 4). В результате этой обработки на поверхности детали образуются дискретно расположенные микроуглубления серповидной формы.

В качестве контролируемых параметров приняты:

• Рт - опорная площадь поверхности, %;

• - удельный объем .микроуглублений, мм3/мм .

Поскольку число факторов в данном случае равно трем, выбран план полного факторного эксперимента 2'.

Рис. 4. Устройство для вибрационной обработки поверхности пластическим деформированием или резанием

Границы области определения варьируемых факторов определены по результатам анализа априорной информации и предварительных экспериментов и

представлены в табл. 1.

Таблица 1

__Варьируемые факторы и области их определения_

№ п/п Обозначение фактора Наименование фактора, размерность Натуральные границы области определения

нижняя верхняя

1 Х,(Н) Глубина микроуглубления, мкм 10 30

2 Х2(е) Амплитуда осцилляции резца, мм 0.20 0.35

3 Частота вращения заготовки, об/мин 9 45

Опорную площадь поверхности контролировали через измерение площади микроуглубления за один период осцилляции резца на программно-аппаратном комплексе для анализа геометрических параметров микрообъектов АГПМ-6М с помощью видеокамеры и микроскопа. Удельный объем микроуглублений рассчитывали на основе определения веса находящейся в микроуглублениях смазки на аналитических весах ЕК-ЗОСН.

В четвертой главе приведены результаты и выполнен анализ экспериментальных исследований, определены рациональные условия нанесения микроуглублений серповидной формы.

Получены следующие уравнения регрессии, связывающие глубину микроуглублений Н, амплитуду осцилляции резца е и частоту вращения заготовки п, с показателями обработки: опорной площадью поверхности Роп и удельным объемом микроуглублений ук, мм1 /мм1.

(8)

С \ 0.155 - 3.066+1п(Н)0.781+1п(п)-0.252 0.305

Роп(Н,е,п) := 19.27-Н -е п

■ /о \ „„,...0.129 0.047-1п(Н)■ 0.164-1п(п)• 0.034 0.013 ук(Н,е,п) := 0.024 Н -е п

(9)

Для графического анализа влияния отдельных факторов построены графики (рис. 5-6).

Глубина микроуглубления, мкм Рис. 5. Зависимость опорной площади поверхности Роп(Н,е,п) (%) от глубины микроуглубления Н(мкм) при максимальных, средних и минимальных значениях других факторов

Глубина микроуглубления, мкм Рис. 6. Зависимость удельного объема микроуглублений ук(Н,е,п) (мм /мм2) от глубины микроуглубления Н (мкм) при максимальных, средних и минимальных значениях других факторов

Ьо.<Н.с0,.ч) ,

Н'н,',^)

Как видно из рис. 5, значительное влияние на опорную площадь поверхности оказывает глубина микроуглубления Н. С увеличением глубины микроуглубления опорная площадь поверхности уменьшается. Объясняется это тем, что при увеличении глубины микроуглубления возрастает площадь микроуглубления за один период осцилляции резца/(формула (12)), следовательно, увеличивается относительная площадь поверхности микроуглубления (формула (1)) и соответственно уменьшается опорная площадь поверхности (формула (2)).

Как показано на рис. 6, с увеличением глубины микроуглубления удельный объем микроуглублений увеличивается. Это связано с тем, что с увеличением глубины микроуглубления одновременно возрастает и площадь микроуглубления за один период осцилляции резца /(формула (12)).

Адекватность математических моделей с результатами опытов проверяли путем сравнения расчетных и фактических (приведенных в главе 4) значений опорной площади поверхности (рис. 7) по критерию Стьюден-та с уровнем значимости 0,05. Как видно, расчетные значения находятся в пределах доверительных границ экспериментальных значений, что подтверждает соответствие расчетных значений экспериментальным данным.

Оптимизация условий осуществления процесса формирования дискретного серповидного микрорельефа выполнялась на основе симплекс-метода. Ограничительными факторами являлись частота вращения заготовки, амплитуда осцилляции резца, опорная площадь поверхности и удельный объем микроуглублений. В качестве критерия оптимальности принято наименьшее значение времени обработки детали. Выполненные исследования позволили определить рациональные условия осуществления обработки: амплитуда осцилляции инструмента е = 0.35 мм , глубина микроуглублений Я=30л</си, частота вращения заготовки п =9 об /мин, частота осцилляции резца п,)„г=2800 1/мин, что соответствует отношению частот / = 311.

В пятой главе приведены исследования влияния параметров регулярного микрорельефа на эксплуатационные свойства деталей трения и рассмотрен технологический процесс изготовления подшипника с регулярным микрорельефом.

На этапе проведения экспериментальных исследований была проведена апробация способа дискретного вибрационного микрорезания на коллекторных парах микродвигателей типа 2657W012CR...DL 1006 на фирме Раи1ЬаЬег (Германия) в течение 472 ч.

п

Рис. 7. Зависимость опорной площади поверхности (%) от глубины микроуглубления Н (мкм): Ропо(Н) - теоретическая зависимость, Роп(Н) - экспериментальная зависимость, Ропу(Н) и Ропп(Н) - границы доверительного интервала

Из рис. 8 видно, что износ щеток микродвигателей, обработанных дискретным вибрационным микрорезанием, существенно ниже, чем у изделий, изготовленных по заводской технологии. Снижение износа происходит в среднем на 15%.

Результаты испытаний свидетельствуют о целесообразности создания на

поверхностях коллекторов микродвигателей частично регулярного микрорельефа методом дискретного вибрационного микрорезания.

При исследовании влияния параметров регулярного микрорельефа на эксплуатационные свойства упорных подшипников на дорожки качения обоих колец упорно-радиального подшипника 1118-2902840-04 наносили частично регулярный серповидный микрорельеф методом дискретного вибрационного микрорезания (рис. 9). Испытания подшипников проводились на предприятии ООО «Рефмашпром».

В результате испытаний было установлено, что момент сопротивления вращению подшипника в среднем составляет 0.6 Им, что ниже требований ТУ ООО «Рефмашпром», которое составляет 0,8 Нм. Статиче-с нанесенным серповидным микрорельефом екая грузоподъемность подшипников

составляет 30000 Н при потребной статической грузоподъемности 19500 Н (ТУ ООО «Рефмашпром»).

Тестирование на сопротивление удару, показало, что критическая высота падения груза массой 20 кг находится в пределах 195-250 мм, что соответствует требованиям ТУ.

Исследование на ресурс работы подшипников проводился на специальном стенде, имитирующем работу верхней опоры стоек передней подвески при движении автомобиля, при следующих условиях: осевая нагрузка 5000 Н; угол качания ±37"; частота качаний 2 Гц. Испытания прекратились при достижении 2450 тыс. циклов, что соответствует ТУ. Осмотр подшипников после испытаний показал, что на поверхности дорожек качения сохранилась смазка, в то время как при испытании обычных подшипников смазка выдавливается из подшипника после полутора тысяч циклов испытания. Подшипники после испытания находились в работоспособном состоянии, при этом внешний вид подшипников удовлетворительный, геометрические параметры подшипников в процессе испытаний существенно не изменились и находились в пределах допустимых значений, замки кожухов сохранили работоспособность, момент сопротивления вращению подшипника после стендовых испытаний у обоих подшипников не изменился. Все это позволяет сделать вывод о том, что наличие серповидного

Стандартный Испытуетй ЗЬигтет, Шгать с ЧРМР

Рис. 8. Гистограмма износа щеток

Рис. 9. Кольцо подшипника

микрорельефа на дорожках качения подшипника способствует сохранению и удержанию смазки, при этом незначительное уменьшение опорной площади поверхности не влияет на работоспособность подшипника.

Разработана и передана в НПП НИМ СГТУ и в ООО «Рефмашпром» технологическая документация на выполнение операции нанесения на дорожки качения подшипника 1118-2902840-04 серповидного микрорельефа. Данная операция вводится перед отделочной операцией изготовления подшипника - операцией суперфиниширования. Введение в технологию изготовления подшипника специальной операции незначительно повышает себестоимость изготовления подшипника, но существенно повышает качество подшипников и способствует увеличению объема их продаж на рынке сбыта. В итоге при внедрении предлагаемой технологии в реальное производство при объеме выпуска 110000 шт./год обеспечивается годовой экономический эффект в сумме 331000 руб., а затраты на внедрение новой технологии окупаются за 0,4 года.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили решить поставленную в работе актуальную задачу разработки эффективной технологии формирования регулярного микрорельефа поверхностей деталей, обеспечивающего надежное удержание смазки в рабочей зоне.

2. Предложена математическая модель процесса образования микроуглублений дискретной серповидной формы на цилиндрических, торцовых и тороидальных поверхностях дискретным вибрационным микрорезанием, позволившая раскрыть механизм данного процесса и установить влияние на параметры микрорельефа условий обработки, в том числе схемы резания, формы обрабатываемой поверхности, режима обработки и других факторов.

3. Выполнены экспериментальные исследования, позволившие построить регрессионные зависимости опорной площади поверхности и удельного объема масляных микроуглублений от основных технологических факторов: глубины микроуглублений, амплитуды осцилляции инструмента и частоты вращения заготовки, позволившие подтвердить адекватность математической модели и определить рациональные условия обработки.

4. Предложена методика определения рациональных условий осуществления процесса формирования дискретного серповидного микрорельефа, определены рациональные условия осуществления обработки: амплитуда осцилляции инструмента е = 0.35лш, глубина микроуглублений // = 30 мкм, частота вращения заготовки и = 9 об/мин , отношение частот 1 = 311.

5. Определена область практического использования результатов работы - в основном это производство упорных и радиально-упорных подшипников. Но предложенная технология также может найти применение и в других областях промышленного производства - при производстве шарнирных подшипников, в станкостроении, в двигателестроении при производстве опор скольжения автомобильных двигателей, в производстве летательных аппаратов, в производстве различного рода турбин, бытовой техники, различных приборов и во многих других случаях, где требуется обеспечить высокую надежность удержания смазки в рабочей зоне пар трения.

6. Экономическая эффективность практического использования предложенной технологии обеспечивается за счет повышения качества подшипников и, как следствие, увеличения рыночного спроса и объемов выпуска, при этом годовой экономический эффект составляет 331000 руб., а затраты на внедрение новой технологии окупаются за 0,4 года. Результаты работы внедрены в НПП НИМ СГТУ в условиях серийного производства и в ООО «Рефмашпром» в условиях массового производства подшипников 1118-2902840-04, используемых в верхней опоре передней стойки автомобилей ВАЗ «Калина», «Приора», «Гранта», и предложены к внедрению при производстве коллекторных микродвигателей.

Основные научные положения и результаты опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ

1. Ермольчева Н.В. Определение опорной поверхности при дискретном вибрационном резании / Н.В. Ермольчева, Б.С. Орлов, A.A. Скрипкин // Авиационная промышленность. - 2009. - № 3. - С. 28-30.

2. Ермольчева Н.В. К вопросу расчета параметров частично регулярного микрорельефа поверхности деталей при дискретном вибрационном резании / Н.В. Ермольчева, Б.С. Орлов // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2009. 3 (41). - С. 147-150.

3. Ермольчева Н.В. Аналитический расчет объемных характеристик микрорельефа поверхностей при дискретном вибрационном резании / Б.С. Орлов, A.A. Скрипкин, Н.В. Ермольчева// Авиационная промышленность. -2010. -№ 3,- С. 35-39.

4. Ермольчева Н.В. К вопросу технологического обеспечения микрорельефа поверхностей деталей, обработанных дискретным вибрационным резанием / Н.В. Ермольчева, Б.С. Орлов, A.B. Королев // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2010. - № 4 (51). - С. 43-47.

5. Ермольчева Н.В. Устройство для дискретного вибрационного резания с созданием регулярного микрорельефа с требуемыми параметрами / Н.В. Ермольчева, A.B. Королев, Б.С. Орлов // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2011. - № 2 (56). - С. 52-57.

6. Ермольчева Н,В. Оценка маслоемкости колец шарикоподшипников, обработанных дискретным вибрационным резанием / Н.В. Ермольчева, Б.С. Орлов, A.A. Скрипкин // Авиационная промышленность. - 2011. - № 3. - С. 25-28.

7. Ермольчева Н.В. О влиянии основных факторов дискретного вибрационного резания на объемные характеристики микрорельефа поверхности / Н.В. Ермольчева, A.B. Королев, Б.С. Орлов, И.В. Родионов // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2011. - № 3 (58). - С. 31-34.

8. Ермольчева Н.В. О влиянии конструктивных элементов устройства для дискретного вибрационного резания на форму и параметры микрорельефа поверхности / Н.В. Ермольчева, A.B. Королев, Б.С. Орлов, И.В. Родионов // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2011. - № 3 (58). - С. 34-38.

Публикации в других изданиях

9. Ermolcheva N.V. Influence quality to surfaces of collector pair with automated by regular microrelief / N.V. Ermolcheva, B.S. Orlov, V.l. Orlov, A.A. Skripkin, R. Bessey, О Mast // Проблемы управления, передачи и обработки информации: сборник трудов международной научной конференции. Саратов, 2009. - Р. 153-155. (на англ. языке)

10. Ермольчева H.B. Расчет относительной площади поверхности при дискретном вибрационном резании / Н.В. Ермольчева, B.C. Орлов // Математические методы в технике и технологиях 22: материаты Международной научной конференции: в 11 т. Т. 11: Летняя Школа молодых ученых / под общ. ред. д.т.н., проф. B.C. Балакирева; Иваново: Изд-во Иванов, гос. хим.-технол. ун-та, 2009. - Т. 11. - С. 75-77.

11. Ермольчева Н.В. Об аналитическом определении объемных характеристик частично регулярного микрорельефа образованного дискретным вибрационном резанием / Н.В. Ермольчева, B.C. Орлов // Современные техника и технологии: сб. тр. XVI международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: в 3 т. Т. 1 / Национальный исследовательский Томский политехнический университет. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. - Т. I. -С. 321-323.

12. Ермольчева Н.В. Оценка качества торцовых и конических поверхностей деталей при дискретном вибрационном резании / Н.В. Ермольчева, B.C. Орлов // Математические методы в технике и технологиях 23: материалы Междунар. науч. конф. - Саратов, 2010.-Т. 5.-С. 156-158.

13. Ермольчева Н.В. Аналитическое определение опорной поверхности цилиндра при дискретном вибрационном резании / Н.В. Ермольчева, B.C. Орлов // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий: материалы Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых: в 2 т. Т. 2 / под общ. ред. A.A. Большакова. Саратов, 2010-С. 92-94.

14. Ермольчева Н.В. Механизм дискретного вибрационного резания / Н.В. Ермольчева, А.В.Королев, Б.С.Орлов // Наука: 21 век: культурно-просветительское научное информационное издание. - Саратов, 2010. - № 4. - С. 57-62.

15. Ермольчева Н.В. Условия образования различных видов регулярного микрорельефа / Н.В. Ермольчева, Б.С. Орлов // Прогрессивные направления развития технологии машиностроения: сб. науч. тр. - Саратов, 2010. - С. 65-68.

16. Ermolcheva N.V. Technological provision of some quality parameters of surface/ N.V. Ermolcheva, A.V. Korolev, B.S. Orlov // Молодые ученые за инновации: Создавая будущее!: материаты Междунар. науч.-практ. Интернет-конференции в рамках Международного Интернет-фестиваля молодых ученых 2011. Саратов, 2011. - С. 77-81. (на англ. языке)

17. Ермольчева Н.В. Определение параметров для оценки маслоемкости колец шарикоподшипников / Н.В. Ермольчева, A.B. Королев, Б.С. Орлов // Математические методы в технике и технологиях 24: материалы Междунар. науч. конф. - Саратов, 2011. -Т. 5. - С. 95-96.

18. Ермольчева Н.В. О влиянии конструктивных элементов устройства для дискретного вибрационного резания на форму микрорельефа поверхности / Н.В. Ермольчева, Б.С. Орлов // Математические методы в технике и технологиях 25: материалы Междунар. науч. конф.: в 10 т. Т. 3. Секция 5 / под общ. ред. A.A. Большакова. -Волгоград: Волгогр. гос. техн. ун-т, 2012; Харьков: Национ. Техн. ун-т «ХПИ», 2012. -С. 85-87.

19. Ермольчева Н.В. Оценка параметра микрорельефа, нанесенного дискретным вибрационным резанием / Н.В. Ермольчева, A.B. Королев, О.П. Решетникова // Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий: материаты Всерос. молодеж. науч. конф. - Саратов: ООО «Издательский Центр «Наука», 2013. - С. 39-44.

Патенты на полезные модели и изобретения

20. Пат. 96810 Российская Федерация, МПК В24В39/00. Устройство для вибрационной обработки поверхностей / Орлов Б.С., Черепанов Д.В., Скрипкин A.A., Ермольче-ва Н.В.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет» (СГТУ). -№2010113096/02; заявл. 05.04.2010; опубл. 20.08.2010, Бюл. № 23. - 2 е.: ил.

21. Пат. 113686 Российская Федерация, МПК В24В39/00. Устройство для вибрационной обработки поверхностей / Ермольчева Н.В., Орлов Б.С., Королев A.B.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет» (СГТУ).-№2011133805/02; заявл. 11.08.2011; опубл. 27.02.2012, Бюл. № 6. - 2 е.: ил. .

22. Пат. 2495287 Российская Федерация, МПК F16C33/66, F16C33/58, F16CI9/04, F16C19/10, В23В1/00. Способ повышения маслоемкости шарикоподшипника / Ермольчева Н.В., Орлов Б.С., Королев A.B.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет» (СГТУ). - №2012102582/11; заявл. 25.01.2012; опубл. 10.10.2013, Бюл. № 28. - 6 е.: ил.

Автор выражает особую благодарность к.т.н., доценту кафедры «Приборостроение» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина ¡O.A. Орлову Борису Степановичу за консультации и рекомендации при постановке задач исследования и построении математической модели.

ЕРМОЛЬЧЕВА Надежда Викторовна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ ДИСКРЕТНОГО СЕРПОВИДНОГО МИКРОРЕЛЬЕФА РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ВИБРАЦИОННЫМ МИКРОРЕЗАНИЕМ

Автореферат

Подписано в печать 06.11.13 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 176 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

На правах рукописи

Ермольчева Надежда Викторовна

04201 451 963

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ

ДИСКРЕТНОГО СЕРПОВИДНОГО МИКРОРЕЛЬЕФА РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ВИБРАЦИОННЫМ МИКРОРЕЗАНИЕМ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, Королев Альберт Викторович

Саратов 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.. 11

1.1 Анализ влияния микрогеометрии трущихся пар на прирабатываемость и износостойкость.........................................................................................................11

1.2 Обзор существующих способов образования регулярных микрорельефов на поверхностях деталей................................................................................................26

1.3 Цели и задачи исследования...............................................................................33

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СПОСОБА ДИСКРЕТНОГО ВИБРАЦИОННОГО МИКРОРЕЗАНИЯ................................................................35

2.1. Образование серповидного микрорельефа при дискретном вибрационном микрорезании на цилиндрических и торцовых поверхностях..............................35

2.2. Образование серповидного микрорельефа при дискретном вибрационном микрорезании на дорожках качения колец шарикоподшипников.......................37

2.3 Исследование влияния технологических факторов на параметры серповидного микрорельефа цилиндрической поверхности................................39

2.4 Исследование влияния технологических факторов на параметры серповидного микрорельефа колец шарикоподшипников....................................58

2.5 Технологическое обеспечение серповидного микрорельефа и разработка

алгоритма расчета......................................................................................................65

2.6. Выводы................................................................................................................69

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ....................................................................................................71

3.1 Объект, средства и условия проведения экспериментальных исследований71

3.2 Описание устройства и способа образования микрорельефа на рабочих поверхностях деталей................................................................................................72

3.3. Методика планирования экспериментов и обработка результатов...............79

3.4 Выводы.................................................................................................................88

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ....................................................................................................89

4.1 Анализ влияния технологических факторов при дискретном вибрационном

микрорезании на показатели обрабатываемых деталей........................................89

4.2. Оптимизация условий нанесения микроуглублений серповидной формы

с замкнутым контуром..............................................................................................94

4.3 Выводы.................................................................................................................97

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕГУЛЯРНОГО МИКРОРЕЛЬЕФА НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ДЕТАЛЕЙ ТРЕНИЯ......................................................................................................................98

5.1. Исследование влияния параметров регулярного микрорельефа на эксплуатационные свойства коллекторных узлов микродвигателей...................98

5.2. Исследование влияния параметров регулярного микрорельефа на эксплуатационные свойства упорных подшипников......................................101

5.2.1. Исследование влияния параметров регулярного микрорельефа, нанесенного на подшипники, на момент сопротивления вращению.................103

5.2.2. Исследование влияния параметров регулярного микрорельефа, нанесенного на подшипники, на статическую грузоподъемность.....................106

5.2.3. Исследование влияния параметров регулярного микрорельефа, нанесенного на подшипники, на сопротивление удару.......................................108

5.2.4. Исследование влияния параметров регулярного микрорельефа, нанесенного на подшипники, на ресурс работы подшипников..........................110

5.3. Технология изготовления подшипника с дискретным серповидным микрорельефом........................................................................................................114

5.4. Расчет экономической эффективности от внедрения предлагаемой

технологии................................................................................................................115

5.5 Выводы...............................................................................................................122

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................123

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...............................................125

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Как показывает опыт эксплуатации, долговечность большинства механизмов и машин ограничивается преждевременным износом подвижных соединений. К таким соединениям относятся, в частности, подшипники скольжения, а также подшипники качения, ресурс и эксплуатационные характеристики которых в значительной мере определяются износом трущихся поверхностей дорожки качения подшипника и шариков вследствие их относительного перемещения в условиях повышенных нагрузок. Повышенный износ, особенно в первоначальный период, приводит к возникновению различных дефектов, основными из которых являются: усталостное разрушение поверхности, абразивный износ, надиры, выбоины поверхности.

Весьма важное влияние на процесс приработки трущихся поверхностей деталей оказывает правильный выбор технологического микрорельефа этих поверхностей и способ его образования. Основная задача при нанесении частично регулярного микрорельефа заключается в удержании смазки на поверхностях деталей трения, что приводит к уменьшению износа. При этом параметры микрорельефа должны обеспечить оптимальное соотношение между опорной площадью поверхности и объемом смазки. Существующие способы формирования микрорельефа на рабочих поверхностях деталей, например, синусоидальных канавок вибрационным обкатыванием или резанием (Шнейдер Ю.Г., Азаревич Г.М., Тененбаум М.М. и др.), этого не обеспечивают, так как обычно смазочные канавки не имеют замкнутых контуров. В этом случае смазка может свободно вытекать из смазочных канавок. Имеются формы смазочных канавок с замкнутыми контурами (Орлов Б.С. и др.), но способы их изготовления не технологичны и поэтому не нашли широкого практического применения. Кроме того, существующие разработки в области

создания частично регулярного микрорельефа предполагают использование сложного оборудования.

Поэтому разработка эффективной технологии формирования регулярного микрорельефа поверхностей деталей, обеспечивающего надежное удержание смазки в рабочей зоне, является актуальной.

Целью данной работы является повышение надежности удержания смазки на поверхности трения деталей на основе применения технологии создания частично регулярного микрорельефа серповидной формы с замкнутым контуром.

Методы и средства исследований. Теоретические исследования проведены на основе технологии машиностроения, теории резания, методов аналитической геометр™, интегрального и дифференциального исчисления. Для моделирования использовался программный продукт МаЙаЬ VI0, МаШСАОу15. Адекватность математической модели подтверждена на основе экспериментальных данных. Экспериментальные исследования проводились с применением современной лабораторной контрольно-измерительной аппаратуры и оборудования на основе теории многофакторного планирования экспериментов, а обработка полученных данных проводилась с использованием методов математической статистики. Производственные испытания осуществлялись на основе методов и средств, предоставленных Саратовским государственным техническим университетом имени Гагарина Ю.А. и ООО «Рефмашпром». Выводы и рекомендации данной работы апробированы в производственных условиях.

Научная новизна работы:

1. Построена математическая модель процесса образования частично регулярного микрорельефа в виде микроуглублений серповидной формы дискретным вибрационным микрорезанием, обеспечивающая высокую опорную способность поверхности и возможность удержания смазки.

2. Предложены алгоритм и программа расчета зависимости влияния основных технологических факторов на параметры микрорельефа, которые

позволяют, задавая значения параметров микрорельефа, определять значения режима виброрезания.

3. Получены регрессионные зависимости, отражающие влияние режимов обработки: глубины микроуглубления, амплитуды осцилляции резца и частоты вращения заготовки при образовании микроуглублений серповидной формы, на эксплуатационные параметры деталей: опорную поверхность и удельный объем смазочных микроуглублений, подтверждающие теоретические расчеты.

4. Разработана методика определения технологических параметров, обеспечивающая максимальную производительность при заданных ограничениях по соотношению опорной площади поверхности и объема смазки и ограничению по возможным режимам обработки.

5. Выявлено влияние серповидного микрорельефа на износ щеток микродвигателей и на работоспособность упорно-радиальных подшипников.

Практическая ценность и реализация работы:

1. Разработан способ формирования микроуглублений серповидной формы способом дискретного вибрационного резания (патент на изобретение № 2495287).

2. Разработана конструкция устройства для формирования серповидного микрорельефа (патенты на полезную модель № 96810,113686).

3. Разработаны практические рекомендации по промышленному применению результатов выполненных исследований, обеспечивающих высокий экономический эффект при производстве упорных подшипников.

4. Разработаны практические рекомендации по нанесению микроуглублений серповидной формы на упорно-радиальные подшипники 1118-2902840.

Практические рекомендации приняты к внедрению на ООО «Рефмашпром», и в Научно-производственное предприятие «Нестандартные изделия машиностроения» СГТУ (НПП НИМ СГТУ). Результаты исследований внедрены в учебный процесс СГТУ имени Гагарина Ю.А. по дисциплине «Технология машиностроения».

Положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Способ формирования микроуглублений серповидной формы путем дискретного вибрационного микрорезания.

2. Математическая модель процесса образования микроуглублений серповидной формы на цилиндрических, торцовых и тороидальных поверхностях дискретным вибрационным микрорезанием.

3. Результаты экспериментальных исследований и построенные на их основе регрессионные зависимости относительной опорной поверхности и удельного объема смазочных микроуглублений от основных технологических факторов.

4. Результаты экспериментальных исследований влияния серповидного микрорельефа на эксплуатационные свойства упорных шарикоподшипников, которые показали, что долговечность этих подшипников и другие эксплуатационные показатели значительно превосходят требования ТУ.

5. Практические рекомендации по использованию полученных результатов и их промышленная апробация.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается лабораторными исследованиями, выполненными с применением современных методов планирования экспериментов и обработки экспериментальных данных, а также показателями эффективности опытно-производственного применения разработанной технологии и практических рекомендаций.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 9 научных конференциях различного уровня:

- 7 международных конференциях: «Проблемы управления, передачи и обработки информации», (Саратов, 2009 г.); «Математические методы в технике и технологиях» - ММТТ-22 (Иваново, 2009 г.); «Современные техника и технологии» (Томск, 2010 г.); «Математические методы в технике и технологиях» - ММТТ-23 (Саратов, 2010 г.); Интернет-конференция в рамках

Международного Интернет-фестиваля молодых ученых 2011 г. "Молодые ученые за инновации: Создавая будущее!", (Саратов, 2011 г.); «Математические методы в технике и технологиях» - ММТТ-24 (Саратов, 2011 г.); «Математические методы в технике и технологиях» - ММТТ-25 (Саратов, 2012 г.);

- 2 Всероссийских конференциях: «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2010 г.); «Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий» (Саратов, 2013);

- научных семинарах кафедры «Технология машиностроения» СГТУ имени Гагарина Ю.А. 2010-2013 гг.

По тематике данной работы были получены грамоты и награды в конкурсах:

- выигран грант по программе «Участник Молодежного.Научно-Инновационного Конкурса» («У.М.Н.И.К.») 2010-2012 гг.;

- грамота за призовое место в номинации «Актуальность», «Инновационность» на Международном Интернет Фестивале "Молодые ученые за инновации: Создавая будущее!" 2011 г.;

- диплом именного стипендиата главы администрации муниципального образования «Город Саратов» в номинации «За выдающиеся достижения в области образования и науки» 2012 г.;

- диплом за II место в конкурсе научных работ в рамках Всероссийской молодежной научной конференции «Актуальные проблемы разработки и применения новых материалов и технологий» 2013 г.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 19 работ, в том числе 8 статей в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ, получены 2 патента на полезную модель и 1 патент на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы из 101 наименований, 7

приложений. Диссертационная работа изложена на 157 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц, 45 рисунков.

Автор искренне благодарен своему научному руководителю, д.т.н., профессору Королеву A.B., а также доценту кафедры «Приборостроение» Орлову B.C. за ценные консультации, большую помощь при работе над диссертацией, при проведении экспериментальных исследований, генеральному директору ООО «Рефмашпром» Морозову С.Г., сотрудникам НПП НИМ СГТУ имени Гагарина Ю.А. за помощь при проведении экспериментов.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Анализ влияния микрогеометрии трущихся пар на прирабатываемость

и износостойкость

Исследования и опыт эксплуатации машин и приборов убедительно показывают, что характер контактирования поверхностей деталей друг с другом или с жидкой, газовой или другой средой зависит, особенно в период приработки, от комплекса параметров микрорельефа [78].

В соответствии с определением ГОСТ 23002-78 явление приработки представляет собой процесс "изменения геометрии поверхностей трения и физико-химических свойств поверхностных слоев материалов в начальный период трения, обычно проявляющийся при постоянных внешних условиях в уменьшении силы трения, температуры и интенсивности изнашивания".

Опыт эксплуатации машин и механизмов показывает также, что приработка явление неизбежное: его нельзя каким-либо методом исключить, но можно уменьшить вредные эффекты.

Явление приработки известно очень давно, его исследованию посвящено множество работ [18, 19, 51, 76, 77, 82, 83, 88, 90], однако до этого времени управление процессом осуществляется главным образом путем экспериментального подбора технологии обработки поверхностей и режима приработки.

Наиболее глубоко процесс приработки исследован в работе [76]. Анализируя динамику технологической шероховатости, а также физико-механических свойств поверхностного слоя, было установлено, что приработка представляет трехстадийный процесс. Три стадии, явно выраженные в характере изменений шероховатости и физико-механических свойств, представлены на графике рис. 1.1. Первая стадия характеризуется наибольшими значениями коэффициента трения, его скачкообразными изменениями,

наибольшей интенсивностью износа. Длительность первой стадии определяется, главным образом, точностью форм сопряженных поверхностей и при хорошем сопряжении относительно кратковременна. Вторая стадия характеризуется уменьшением трения в 2-3 раза против начального, протекает более плавно, с постепенным уменьшением трения. При этом длительность второй стадии несколько больше первой и составляет, в зависимости от исходной шероховатости и режима, 1-3 часа. В третьей стадии также происходит очень плавное снижение трения до величины, соответствующей приработанному состоянию, при этом третья стадия может длиться до 100 и более часов.

15 гг-----

12 3^5 Время приработки - I ч

Рис. 1.1 График изменения момента трения от времени приработки

Автор так характеризует трехстадийный процесс. На первой стадии, вследствии малости площади контактирования, трение происходит при резко

повышенных контактных давлениях, а локализация трения ухудшает теплоотдачу, при этом элемен