автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Совершенствование технологии изготовления прецизионных деталей "тело вращения" на основе применения ультразвукового упрочнения и поверхностно-активных веществ

На правах рукописи

Кудашева Ирина Олеговна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ «ТЕЛО ВРАЩЕНИЯ» НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО УПРОЧНЕНИЯ И ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

Специальность 05 02 08 - Технология машиностроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2008

003172170

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Косырев Сергей Петрович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Аникин Анатолий Афанасьевич

кандидат технических наук, профессор Болкунов Владимир Васильевич

Ведущая организация

ОАО «Балаковский завод запасных деталей»

Защита состоится 25 июня 2008 г в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212 242 02 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу 410054, г Саратов, ул Политехническая, 77, корп 1, ауд 319

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Автореферат разослан 46 мая 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета

А А Игнатьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Эксплуатационная надежное п. машин определяется в основном качественным состоянием рабочих поверхностей легален, формируемых на финишных операциях технологических процессов (напряженно-деформированное состояние поверхностною слоя, техполо!ические ос га точные напряжения, динамита нагружения, физико-механические свойства материала, макро- и микрогеометрия, геометрическая точность) Стабильность ¡сомсфиче-ских размеров, например, достигается за счет снижения начальных технологаче-ских остаючных напряжении и повышения релаксационной стойкости, осуществляется различными техноло1 ическими методами, называемыми процессами вибрационного старения Выходным параметром систем вибрациопно) о старения является динамическая сила, изменяемая как по амплитуде, так и по частоте, так как эффективность вибрационного старения зависит главным образом от деформации металла, которая, в свою очередь, определяется прикладываемой динамической нагрузкой Создание на рабочих поверхностях прецизионных дета лей композиционных покрытий из поверхностно-активных веществ (ПАВ) как разновидность технологии поверхностного пластического деформирования (ППД) снижает динамическую нагрузку в слое путем формирования гонких износостойких пленок из эмульгатора на поверхностях контакта прецизионных деталей с втулками При этом колебательный процесс в масляном слое полностью демпфируется, повышая его несущую способность и, соответственно, эксплуатационную надежность конструкций Применение таких покрытий является весьма перспективным направлением, открывающим широкие возможности управления физико-механическими свойствами контактирующих поверхностей Несмотря на успех в этих областях, ряд важных теоретических и практических вопросов не нашли свое отражение в техполотических процессах получения биметаллических слоев и композиционных покрытий из шульгаторов, различных участков поверхности конструкций

Одним из перспективных методов, позволяющих решить поставленные задачи, является эффективный и экологически чистый способ упрочняющей обработки деталей ультразвуком (УЗО) с одновременным нанесением ашифрик-ционных композиционных покрытий И основу метола положен процесс техно логического ППД, который позволяет, варьируя технологическими режимами обработки и составом покрытия, получить поверхность с необходимыми физико-механическими свойствами В процессе обработки происходит формирование благоприятного напряженно-деформированного состояния материала поверхностных слоев прецизионных деталей, гехнолошческих остаточных напряжений в них, оптимальной шероховатости, обеспечивающих повышенные эксплуатационные характеристики рабочих поверхностей

В связи с вышеизложенным, актуальным является комплексное исследование процесса обработки, изучения взаимосвязи показателей липамики нагружения поверхностей с режимами обработки, составом покрытия, жеплуатаци-онными характеристиками контактирующих поверхностей

Данная работа является частью исследований, входящих в комплексные научно-технические программы ОАО «Волжский дизель им Маминых» 0 13 07 «Создание и освоение производства новых типов двигателей внутреннего сгорания и агрегатов на их базе», а также других целевых комплексных научно-технических программ по развитию транспортного двигателестроения, что подтверждает её актуальность

Целью работы является совершенствование технологии изготовления прецизионных деталей «тело вращения» на основе применения УЗО и ПАВ для обеспечения эксплуатационной надежности деталей машин за счет улучшения эксплуатационных свойств рабочих поверхностей

На основании изучения состояния вопроса и предварительного анализа по выбору перспективных путей повышения эксплуатационной надежности прецизионных деталей «тело вращения» для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи

- исследовать влияние технологических факторов УЗО на технологические остаточные напряжения и усталостную прочность прецизионных деталей,

- разработать методы и провести исследования напряженности и гидродинамики масляного слоя прецизионных деталей «тело вращения» в условиях применения ПАВ,

- провести исследования процессов нагружения прецизионных деталей в условиях поверхностной ультразвуковой обработки и технологических остаточных напряжений,

- разработать, внедрить в производство и эксплуатацию технологические методы повышения эксплуатационной надежности прецизионных деталей «тело вращения»

Научная новизна диссертации заключается в комплексном подходе к достижению поставленной цели, учитывающем

- разработку и апробацию на практике технологического метода УЗО, решение аналитическим методом задачи по определению комплексного критерия -коэффициента динамичности во время УЗО,

- разработку, обоснование и внедрение технологического метода эксплуатационного исследования гидродинамики прецизионных деталей, а также совокупность научных положений и рекомендаций по применению ПАВ,

- развитие и решение поставленной практикой задачи теории виброударного динамического нагружения прецизионных деталей и образцов-свидетелей при УЗО

Методы и средства исследования. Теоретические исследования были проведены с использованием методов технологии машиностроения, расчетно-аналитических методов теории упругости, сопротивления материалов и метода конечных элементов Экспериментальные методы исследования базировались на электротензометрии с применением приборов «Стресскан-500» и «ИОН-4М» при исследовании начальных технологических остаточных напряжений после технологического ППД прецизионных деталей «тело вращения» и образцов-свидетелей

Практическая ценность и реализация результатов работ. Предложенные технологические методы ППД нагруженных поверхностей прецизионных

деталей «тело вращения», проведенные в лабораторных и производственных условиях, повышают эксплуатационную надежность путем снижения неравномерности результирующих напряжений по сечениям деталей в 3-5 раз

Конструкгорско-технологические решения, применение композиционных материалов и поверхностно-активных веществ изменяют условия смазки в прецизионных деталях путем демпфирования колебательного процесса и снижения динамики нагружения, чем повышается несущая способность масляного слоя и прецизионной детали

Научные и практические результаты работы выполнены в соответствии с грантом № НШ-2064 2003 8 Минпромнауки России и использованы в плановых госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работах за 20002007 гг, выполняемых на кафедре «Технология и автоматизация машиностроения» Балаковского института техники, технологии и управления СГТУ по направлению «Разработка научных основ повышения эксплуатационной надежности машиностроительных изделий конструкторско-технологическими методами», что подтверждается имеющимися актами внедрения ОАО «Волжский дизель им Маминых», ОАО «Саратовдизельаппарат», ООО ПКР «Дизельсервис», ООО «Автоколонна» Работа прошла апробацию на практике совершенствования технологий ППД прецизионных деталей «тело вращения» и образцов-свидетелей На защиту выносятся:

- технология ППД образцов-свидетелей прецизионных деталей деформированием технологической У30 и ПАВ,

- результаты экспериментальных исследований по изучению влияния технологических остаточных напряжений от технологического ППД УЗО и ПАВ на общее суммарное напряженное состояние прецизионных деталей,

-результаты теоретических исследований по определению основных закономерностей напряженного состояния прецизионных деталей «тело вращения» на основе базового метода конечных элементов

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XI Международной конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2007), Межгосударственных научно-технических семинарах по двигателям внутреннего сгорания (Саратов, 2006-2007), УШ Российской научной конференции «Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах» (Саратов, 2005), IX Межвузовской Российской научной конференции «Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах» (Балаково, 2007), ежегодных научно-технических конференциях кафедры «Технология машиностроения» Саратовского государственного технического университета (2007), ежегодных научно-технических конференциях кафедры «Технология и автоматизация машиностроения» Балаковского института техники, технологии и управления СГТУ (2002-2007)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК РФ

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 100 наименований Объем диссертации составляет 129 страниц, в том числе 43 рисунка и 16 таблиц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во «ведении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель, задачи и научная новизна, представлены основные положения, выносимые на защшу

В нерпой (лаве нроводшся обзор работ по совершенствованию техноло-ши изготовления прецизионных деталей в области процессов упрочняющей обработки методами хехнологического ПГ1Д и его особенности Методы техноло-шческого ППД - высокоэффективные способы технологическою обеспечения качества тделий машиностроения в сроки при минимальных затратах труда, материальных и энергических ресурсов Из приведенною определения следует, чю одной ш основных задач является совершенствование технолохии машиностроения, направленное на обеспечение заданною качества изделий и их эксплуатационной надежноеги нри изготовлении Одним из наиболее эффективных направлений в решении лих задач является технологическое обеспечение оптимальных для заданных условий эксплуатации параметров состояния поверхностного слоя, точности изютовления деталей и сборки машин

Изучению процессов техиол отческого ППД посвящены работы И В Кудрявцева, М А Ьалтер, АЛ Овсеенко, Б А Кравченко, В М Смелянско-го, А Г Суслова, Я И Бараца, Ж А Мрочека, С С Макаревича, Л М Кожуро и др Их исследованиями доказано, что повышение эксплуатационных свойств деталей доетшается упрочнением поверхностного слоя и образования в нем благоприятных начальных технолошческих остаточных напряжений

Имеется ряд публикаций, раскрывающих механизмы ультразвукового на-гружепия образцов - свидетелей нри технологическом ППД Анализ этих работ показывает, что при 1ехноло1ическом ППД поверхностного слоя детали имеется количественная и качественная взаимосвязь между нагруженным состоянием конструкции и начальными технологическими остаточными напряжениями

Вопросам повышения несущей способности и эксплуатационной надежности прецизионных деталей «тело вращения» технологическими методами путем снижения динамики нагружения масляного слоя и демпфирования колебательною процесса гехнолошческими методами посвящены работы ряда авторов (С М Захарова, С Н Полевого, В.Д Евдокимова, Н А Буше, С П Косырева и др) Как отмечено в этих работах, эффективным методом, снижающим динамику на1ружсния, является покрытие рабочей поверхности прецизионной детали ПАВ Вместе с тем в известных методах при оценке динамики нагружения масляного слоя в силу недостаточной изученности процесса и разноречивых толкований в технической литера1уре принимается широкий диапазон значений жесткости масляного слоя (от нуля до жесткости опор), что требует дальнейшего уточнения и корректировки расчетных методик по оценке гидродинамики масляного слоя прецизионной детали Следует отметить, что работы по применению методов тсхшшлического ППД в прецизионных деталях «тело вращения» находятся в стадии развития

Гехнолошческие процессы механической обработки, УЗО наряду с микро! еометрией детали, Шубиной и степенью упрочнения поверхностною слоя

формируют неоднородное силовое поле начальных технологических остаточных напряжений, вызывающих при изготовлении деталей коробление, усталостные трещины Проследить последовательно этапы формирования неоднородного силового поля начальных технологических остаточных напряжений очень сложно Имеющиеся немногочисленные теоретические разработки базируются на определении начальных технологических остаточных напряжений в режиме «насыщения», т е на таком этапе процесса, дальнейшее проведение которого практически не изменяет напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя Показано, что при УЗО поверхностного слоя начальные технологических остаточные напряжения дифференцированно зависят от рабочих и монтажных напряжений в конструкции Показаны пути совершенствования технологии УЗО, связанные с оптимизацией технологических режимов и изучения основных влияющих факторов и параметров Сделан вывод о недостаточной изученности технологических остаточных напряжений в поверхностном слое при технологическом ППД Определены в качестве первоначальных задач определения технологических параметров и анализа напряженно-деформированного состояния в очаге деформации Обоснованы и поставлены задачи исследований

Вторая глава посвящена исследованию напряженного состояния прецизионных деталей «тело вращения» в условиях технологического ППД Отечественными и зарубежными исследователями (И В Кудрявцев, Н А Буше, В В Петросов и др) доказано, что при технологическом ППД поверхностных слоев деталей начальные технологические остаточные напряжения зависят от рабочих и монтажных напряжений в конструкции При технологическом ППД прецизионных деталей в условиях знакопеременного циклического нагружения поверхностного слоя начальные технологические остаточные напряжения а^ определяются зависимостью

где - среднее напряжение цикла, определяемое соотношением

арт _ . о02 ~ предел текучести материала

При развитии расчетных методик по определению прецизионных деталей в настоящее время распространено применение метода конечных элементов (МКЭ) При этом конкретные рекомендации по эффективному использованию методик на базе МКЭ в технической литературе отсутствуют, нет математического пути решения сходимости по МКЭ, а используемое шаговое увеличение числа конечных элементов (КЭ) приводит к тому, что решение по МКЭ сходится при бесконечном увеличении числа КЭ Поэтому требуется детальное изучение вопросов применения МКЭ в расчетах напряженного состояния прецизионных деталей В представленной постановке МКЭ используется как дополнительный метод для создания новых конструкций на стадии проектирования с решением задачи параметрической оптимизации конструкции

Приведенные в данной работе теоретические предпосылки для расчета прецизионных деталей в рамках плоской нелинейной задачи, включающей определение граничных условий, напряжений и деформаций, реализованы в расчете

прецизионных деталей на примере регулятора скорости форсированного дизеля 6ДМ-21А (бЧН'21/21). Как пример, разбивка МКЭ прецизионной детали золотника регулятора скорости дизеля 6ДМ-21А представлена на рис. 1 с применением комплексных программ ХЛ^гайсв, Desaignspase,

Результаты расчётов напряжений в прецизионной детали МКЭ от действия сил сжатия представлены эпюрами на рис. 2. Согласно этим эпюрам, можно заключить, что напряжения в поршне сервомотора распределяются неравномерно.

Ж'

Рис. 1. Разбивка МКЭ прецизионной детали (золотника регулятора скорости дизеля 6ДМ-21А (6ЧН21/21))

Рис. 2. Эпюры расчётных МКЭ нормальных напряжений в прецизионной детали (поршне сервомотора регулятора скорости)

Как показал расчёт, минимальный запас усталостной прочности в прецизионной детали (на примере золотника и поршня), определённый по зависимости

К=~, соответствует 1,31 и 0,71, здесь ав=800-1400 МПа - временное сопро-а

тивление растяжения стали - материала прецизионной детали. Согласно литературным данным, рекомендуемый допустимый запас усталостной прочности по пределу текучести пт =1,5-2,5. Таким образом, прецизионные детали в точках с максимальными напряжениями по пределу текучести находятся ниже допустимых значений, что требует проведения технологического ППД.

Изучение технологии ППД и установление количественных связей между режимами последнего и напряженно-деформированным состоянием обработанных технологическим ППД поверхностей деталей составляет предмет исследования важного технологического направления, так как аналитически учесть факторы, влияющие на формирование поверхностных слоев после технологического ППД, сложно. Для теоретической оценки начальных технологических остаточных напряжений в поверхностном слое прецизионной детали технологическим ППД на примере нагружения стержня - образца предложена зависимость

от ■ Е • Е

а = —1--= 66,66аг^,

0,015Е г

где от - предел текучести стальной основы; £-приведенный модуль упрочнения.

С

Начальные технологические остаточные напряжения в поверхностном слое прецизионной детали на примере поршня регулятора скорости при От=200 МПа, = -0,97 а7 = -194 МПа

Упрочнение наружной шлифованной поверхности прецизионных деталей УЗО ликвидирует начальные растягивающие остаточные напряжения, заменяя их начальными остаточными напряжениями сжатия с максимальной величиной на поверхности 50 200 МПа при глубине наклепа 0,3 0,4 мм

С целью изучения природы гармонических колебаний рассмотрим математическую модель при использовании ПАВ Приложенная масса колеблющейся системы 1 жестко опирается на пластину 2, покрытую антифрикционной пленкой 3, взаимодействующей с масляным слоем 4 (рис 3)

\тхг =

Для решения системы выполняем преобразование Лапласа и, преобразуя его, получаем коэффициент динамичности в масляном слое прецизионных деталей «тело вращения» в условиях применения ПАВ

Аг . Ь

- Мх|тх

~~ ~ г

Рис 3 Динамическое нагружение масляного слоя в условиях использования ПАВ

К„

= 1 + ^ = 1 + -,-

А Vт^+Ь2

= 1,082

Расчетное значение Кд=\,082 соответствует с Кд=1,066, найденным двумя методами, и находится в пределах погрешности измерения (10%) Приведенное значение Кд отличается от расчетного ~ на 2%, что находится в допустимой для практики точности

Ввиду сложности формирования неоднородного поля начальных технологических остаточных напряжений в поверхностном слое прецизионных деталей проведена теоретическая оценка напряженного состояния после технологического ППД УЗО на стержнях образцов - свидетелей Доказано, что учет начальных технологических остаточных напряжений в расчете прецизионных деталей на усталостную прочность на 17,6% повышает эксплуатационную надежность

Динамическая модель нагружения масляного слоя в прецизионных деталях в условиях технологического поверхностного упрочнения представлена идеализированной максвелловой моделью Результаты расчета показывают, что величина минимальной толщины слоя смазки ктп на 18% ниже значений в масляном слое прецизионных деталей без ПАВ

В третьей главе приводятся результаты исследования, направленные на совершенствования технологических методов и средств для обоснования параметров УЗО, определения критериев оптимизации и решения задачи покрытия рабочей поверхности прецизионных деталей ПАВ

В качестве примера исследуются начальные технологические остаточные напряжения в поверхностном слое образцов, изготовленных из штатных золотников и поршней как прецизионных деталей регуляторов скорости дизелей ЧН 21/21

Начальные технологические остаточные напряжения в поверхностном слое образцов оцениваются на глубине 2 1 (Г5 м и контролировали посредством метода измерения магнитоупругости материала прибором «Стресскан 500» (США - Финляндия).

Рис 4 Результаты замера ст°' в зависимости от показаний прибора «Стрескан-500» на поверхностях образцов 1 - сталь 3,2 - 20X13, 3 — 40ХН2МА

Рис 5 Блок-схема стабилизации технологических остаточных напряжений

в поверхностном слое детали 1 - ультразвуковой генератор, 2 - ванна, 3 - прецизионная деталь, 4 - средство анализа и обработки информации, 5 - система управления

Результаты замера ст0^ в зависимости от показаний прибора «Стресскан-500» на поверхностях образцов из сталей 3, 20X13 и 40ХН2МА представлены графически на рис 4 (по приведенной методике оценки в поверхностном слое прецизионных деталей)

Полученные данные показывают, что состояние поверхностного слоя прецизионной детали по параметру а"! не является рациональным, правильно регламентированным в научно-технической литературе и технологически не обеспеченным, что не способствует наиболее полному использованию эксплуатационных свойств материала заготовки

На рис 5 представлена блок-схема способа технологической стабилизации технологических остаточных напряжений в поверхностном слое прецизионной детали Способ осуществляется следующим образом

1 Устанавливают прецизионную деталь 3 на плиту магнитострикционного преобразователя 2 марки ПМС-6-22 (потребителя)

2 Включают в электросеть питание и управление схемой

3 Устанавливают резонансную частоту работы магнитострикционного преобразователя 2 и ультразвукового генератора 1 марки УЗГ-2-4М в 19-21 кГц

с амплитудой колебаний в 50-80 мкм путём увеличения мощности потребителя до 3-3,5 кВт.

4. Производят обработку прецизионной детали ультразвуковыми колебаниями в течение 10-12 мин.

5. Степень стабилизации начальных технологических остаточных напряжений в деталях оценивают по прибору «ИОН-4М» или «Стрескан-500». Нри этом контроль качества стабилизации напряжений осуществляют но истечении 24 часов после УЗО прецизионной детали.

Изложенное позволяет сделать вывод, что предложенный способ стабилизации технологических остаточных напряжений в новерхносгяом слос прецизионной детали «тело вращения» повышает работоспособность конструкции пу тём снижения технологических остаточных напряжений с 200-250 МГ1'а до 5-15 Mlla и их стабилизации во времени, повышается эксплуатационная надёжность конструкций.

Рис. 6. Рабочая поверхность прецизионной детали (поршня регулятора) с кавитационной эрозией

Рис. 7. Рабочая поверхность прецизионной детали (золотника регулятора) с кавитационной эрозией

Рис. 8. Рабочая поверхность прецизионной Рис. 9. Рабочая поверхность прецизионной детали (поршня регулятора) детали (золотника ре|улятора)

с эмульгатором 6СФК-180-0,5 с эмульгатором 6СФК-180-0,5

В масляном слое прецизионных деталей за счет ударно-циклического па-гружепия параллельно с кавитационной эрозией возникают гидродина-мические колебания, определяемые коэффициентом динамичности Кд. Расчетио-экснериментальными исследованиями доказано, что на примере прецизионных деталей регуляторов скорости величина Кд в масляном слое составляет 1,20. Для экспериментальной проверки теоретических положений и с целью снижения коэффициента Кд с 1,2 до 1,0 изменением условий смазки разработана конструкция поршня, золотника и направляющей втулки, выполненные с нанесенными с рабочей стороны ПАВ, представляющими композиционную смазку- эпилами-

Зоньце_!ШШЩЖШИН£!й

., эрозией

рующий раствор высокомолекулярных поверхностно-активных веществ во фторсодержащих растворигелях хладонах 112, 113, 114В2 или их смесях В качестве ПАВ использованы отечественные эмульгаторы 6СФК-180-0,5 Как пример, внешний вид рабочей поверхности прецизионных деталей (поршня и золотника регулятора) с кавитационной эрозией без покрытия ПАВ представлен на рис 6, 7, с покрытием ПАВ - на рис 8,9

Из сравнения рис б, 7 и 8, 9 видно, что при покрытии рабочей поверхности прецизионной детали эмульгатором образуется защитная антифрикционная пленка в сопряжении «поршень - втулка регулятора», «золотник - втулка регулятора»

Технологический процесс покрытия рабочих поверхностей прецизионной детали и направляющей втулки ПАВ включает

1 Обезжиривание поверхностей в спирте, бензине, ацетоне или других растворителях

2 Детали погружают в емкость с растворителем, механические примеси удаляют с поверхностей до обезжиривания

3 Просушку на воздухе при комнатной температуре в течение 300-400 с

4 Погружение прецизионной детали, направляющей втулки в эпилами-рующий раствор на 360-480 с при температуре окружающей среды с периодическим перемешиванием состава Ёмкость эпилама составляет 1кг на 6 м поверхностей прецизионной детали

5 Сушка эпиламированных прецизионных деталей на воздухе в течение 1200-1800 с является заключительной стадией технологии их обработки эмульгатором

В масляном слое без ПАВ прецизионных деталей (золотников, поршней регуляторов скорости) имеют место гидродинамические колебания, вызванные воздействием ударной возмущающей силы, и коэффициент динамичности Кд= 1,2 В этом же слое с эмульгатором Кд снижается 1,2 до 1,0, т е коэффициент трения приближается к нулю из-за формирования тонких износостойких пленок из эмульгатора на поверхностях контакта прецизионной детали (поршня, золотника) и направляющей втулки При этом колебательной процесс в масляном слое полностью демпфируется

В масляном слое с ПАВ колебательный процесс полностью демпфируется, подтверждая правильность выводов о возможности повышения эксплуатационной надежности прецизионных деталей за счет изменения условий смазки

В четвертой главе рассматривается практическое применение полученных результатов и методики экспериментальных исследований напряженного состояния прецизионных деталей на примере золотника и поршня регулятора скорости в условиях технологического ППД при совершенствовании технологии машиностроения

Для проверки достоверности расчетных величин циклических напряжений в прецизионных деталях (золотнике и нижнем поршне регулятора скорости), определенных по методике главы 2, для оценки точности расчета напряженного состояния прецизионных деталей, погрешность которого может быть вызвана тем, что прецизионная деталь рассматривается в рамках плоской, а не пространственной задачи теории упругости, а также для определения среднего напряже-

ния цикла с целью назначения начальных технологических остаточных напряжений конструкции при технологическом ППД проведено экспериментальное исследование напряженного состояния прецизионной детали на примере золотника и поршня регулятора скорости

Статическое тензометрирование прецизионной детали растягивающими и сжимающими эксплуатационными нагрузками проводилось на безмоторном стенде - гидропульсаторе ЦЦМ200ПУ Диаметральные зазоры в соединениях прецизионной детали «поршень - втулка» и «золотник - втулка» соответствовали НОГ* и 2 Ю^м

В качестве регистрирующего прибора в прецизионной детали и с учетом проведенной тарировки используемых тензорезистров на балке использовался измеритель статических напряжений «Орион» Схемы установки тензорезисто-ров на прецизионных деталях приведены на рис 2 Результаты замера квазистатических напряжений в прецизионных деталях золотника и поршня регулятора скорости приведены в таблице

Квазистатические напряжения на наружной поверхности прецизионной детали на примере золотника и поршня от действия рабочих нагрузок

Характерные расчетные точки 1 2 3 4

Тензометр 1 2 3 4

золотник Оэгеп, МПа -345 -165 190 370

Орасч, МПа -288 -139 159 309

поршень Оэ,сп, МПа -1355 -920 -480 385

(Траст. МПа -1130 -768 -404 322

Статическое тензометрирование прецизионных деталей подтвердило высокий уровень квазистатических напряжений на наружных поверхностях Сравнительный анализ напряженного состояния показал, что разница .между расчетными и экспериментальными напряжениями не превышает 15%, что указывает на соответствие расчетной методики МКЭ и экспериментальных методик определения напряжений

Комплекс аппаратуры, применяемой для исследования гидродинамики масляного слоя, включает трехканальный усилитель ПТМП-3-55 конструкции НПЦ «ЦНИИТМАШ»

Согласно осциллограмме изменений толщины масляного слоя в узлах трения регулятора скорости дизеля ЧН21/21 Кд= 1,20

Анализ распределения зон минимальных толщин масляного слоя позволяет сделать следующие заключения узлы трения прецизионных деталей регулятора скорости работают в гидродинамическом режиме смазки, на номинальном режиме работы дизеля (п=25 с"1, Рг= 13 МПа) при монтажных зазорах в узлах трения прецизионных деталей регулятора скорости 0,1-0,2 мм и максимально допустимой по техническим условиям температуры масла М-14 В2, равной 75°С, минимальная толщина слоя смазки в сопряжениях «прецизионная деталь - направляющая втулка» составляет 3,15 мкм, что выше допустимого значения 2,9 мкм согласно статическим данным аналогов зарубежных дизелей, на режиме

холостою хода работы дизеля (п=27,5 с Рг--3,5 МПа) минимальная толщина слоя смазки попытается на 40-50%, повышение темперахуры масла 6 корпусе регулятора до 80°С снижает толщину слоя смазки на 10-15%, в результате чего на номинальном режиме работы дизеля ктт в рс!уляторс скорости уменьшается до 2,73 мкм, чю пыходиг за пределы допустимого значения

Для экспериментальной оценки коэффициента динамичности Кд и его влияния па уровень начальных остаточных напряжений в контрольной пластине после УЧО в ОАО «Волжский дизель им Маминых» проведены специальные исследования

На рис 10 представлена осциллограмма динамических напряжений в консольной пластине в процессе УЗО Анализ показывает, что напряжения образованы сложением двух вынужденных колебаний первой и второй гармоник

Рис 10 Осциллограмма динамического нагружения образца-свидетеля при УЗО

Уровень динамики нагружения консольной пластины в процессе УЗО, оцениваемый коэффициентом динамичное га Кд, определяется из соотношения Кд= 1+/АР, гдеотносительное динамическое изменение напряжений в пластине рашость между средними значениями пик амплитуды I и И гармоник, Р~ среднее относихелыюе значение амилшуды I гармоники напряжений в пластине Согласно осциллограмме 1+6,6/33-1,2 Начальные технологические остаточные напряжения п^д, в пластине при виброударном нагружении 1 определяются между двумя нулевыми линиями 2 и 3, отмеченными на осциллограмме до и после ульгразвуковох о упрочения

Принимая во внимание виброударный характер нагружения консольной пластшш и процессе УЗО и учитывая при этом амплитуду динамического прогиба У0 = КДУС при снятии образца, получим для определения нормальных технологических остаточных напряжений

„, 8Е

Реализация технологии упрочняющей обработки ПАВ и УЗО повышает экенлуашшопную надежность по критерию «коэффициент влияния поверхностного упрочнения» до 1,244, который лежит в пределах ГОСТ 25 504-82 -1,10-1,30

В пятой главе дано технико-экономическое обоснование совершенствования 1схноло1 ии изюювлепия прецизионных деталей «тело вращения» на при-

мере золотника и поршня регулятора скорости от внедрения УЗО, который составил 445346,3 руб и от внедрения и ПАВ - 84894,8 руб Комплексный годовой экономический эффект от внедрения УЗО и ПАВ составил 530241,1 руб

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 Анализ основных опубликованных материалов показал, что в настоящее время проблема совершенствования технологического обеспечения повышения эксплуатационных свойств прецизионных деталей решается деформационным упрочнением, но имеющийся опыт нельзя привнести на практику без дополнительных исследований

2 Разработаны методики определения начальных технологических остаточных напряжений в поверхностных слоях прецизионных детален при совершенствовании технологического поверхностного пластического деформирования Например, упрочнение наружной шлифованной поверхности прецизионной детали УЗО ликвидирует начальные растягивающие остаточные напряжения, заменяя их начальными остаточными напряжениями сжатия с максимальной величиной на поверхности в 50 200 МПа при глубине упрочнения 0,3 0,4 мм Указанное обстоятельство повышает эксплуатационную надежность конструкций по критерию «усталостная прочность» на 17,6%

3 В условиях динамического нагружения масляного слоя прецизионной детали при применении технологического ППД путем использования ПАВ аналитическим методом решена задача определения необходимой величины минимальной толщины масляного слоя в зависимости от максимального давления цикла, упругости, коэффициента динамической вязкости - параметрах, характеризующих поведение масляного слоя при применении ПАВ

4 Разработан и освоен на практике теоретический метод МКЭ определения напряженного состояния прецизионной детали «тело вращения» Результаты исследования напряженного состояния в эксплуатационных условиях с применением МКЭ позволяют более верно судить об эксплуатационной надежности конструкций по критерию усталостной прочности

5 Решением задачи динамического нагружения масляного слоя в прецизионных деталях «тело вращения» в условиях технологического ППД деформирования доказано, что эксплуатационная надежность прецизионных деталей повышается путем снижения коэффициента динамичности Кд с 1,18 до 1,0 и минимальной толщины масляного слоя смазки Итт на 18% из-за изменений условий смазки применением ПАВ за счет демпфирующей способности антифрикционной пленки

6 Результаты экспериментальных исследований материалов образцов на усталость до и после совершенствования технологического ППД свидетельствуют о том, что упрочняющие обработки ПАВ и УЗО повышают эксплуатационную надежность прецизионных деталей по критерию «коэффициент влияния поверхностного упрочнения» до Л\д=1,244, который лежит в пределах ГОСТ 25 504-82 - 1,10-1,30

7 Результаты совершенствования технологии УЗО и ПАВ внедрены в производство и эксплуатацию с годовым экономическим эффектом 530241,1 руб

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих 9 работах:

в изданиях, входящих в перечень ВАК-

1 Кудашева И О Оценка виброударного нагружения и начальных остаточных напряжений после поверхностного пластического деформирования поршней и золотников регуляторов скорости форсированных дизелей / И О Кудашева, С П Косырев // Вестник Саратовского государственного технического университета 2007 № 3 (27) Вып 2 С 48-52

в других изданиях

2 Поверхностное пластическое деформирование высоконагруженных деталей транспортных дизелей / И О Кудашева, С П Косырев, Н Л Марьина и др // Современные технологии в машиностроении сб статей XI Междунар конф Пенза ПДЗ, 2007 С 62-66

3 Кудашева И О Постановка вопроса повышения эксплуатационной надежности регуляторов частоты вращения непрямого действия высокофорсированных дизелей / И О Кудашева // Проблемы прочности и надежности строительных и машиностроительных конструкций межвуз науч сб, посвященный 30-летию каф СММ БИТТУ Саратов СГТУ, 2005 С 293-297

4 Кудашева И О Динамическое нагружение элементов регулятора непрямого действия высокофорсированного дизеля в условиях использования поверхностно-активных веществ / И О Кудашева, С П Косырев // Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах докл 8 Российской научной конференции Саратов СООО «АНВЭ», 2005 С 14-17

5 Кудашева И О Математическая модель напряженного состояния элементов регуляторов скорости дизелей / И О Кудашева, С П Косырев // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания материалы Межгос науч -техн семинара. Саратов «Саратовский ГАУ», 2007 № 19 С 8-12

6 Кудашева И О Поверхностное пластическое деформирование элементов регуляторов транспортных дизелей / И О Кудашева, С П Косырев // Проблемы прочности надёжности и эффективности сб научных трудов, посвященный 50-летию БИТТУ (филиала) СГТУ Саратов СГТУ, 2007 С 60-64

7 Кудашева И О Особенности применения метода конечных элементов для расчета напряженного состояния поршней и золотников регуляторов скорости форсированных дизелей / И О Кудашева // Математическое моделирование, оптимизация техники, экономических и социальных систем Саратов СГТУ, 2007 С 62-70

8 Кудашева И О Технологическое обеспечение усталостной прочности элементов регулятора непрямого действия / И О Кудашева, С П Косырев, Л В Купцова // Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах научные труды 9 Межвуз Рос науч конф Балаково СООО «АНВЭ», 2007 № 1 С 76-79

9 Динамическое нагружение поверхностного слоя высокофорсированной детали после поверхностно-пластического деформирования / И О Кудашева, С П Косырев, Е А Горшков и др // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания материалы Межгос науч -техн семинара Саратов «Саратовский ГАУ», 2008 Вып 20 С 24-26

Подписано в печать 14 05 08 Формат 60x84 1/16

Бум офсет Уел печ л 0,93(1,0) Уч-изд л 0,9

Тираж 100экз Заказ 125 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул , 77

Отпечатано в РИЦ СГТУ 410054, Саратов, Политехническая ул , 77

ВВЕДЕНИЕ

1 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ «ТЕЛО ВРАЩЕНИЯ»

1.1 Обзор и анализ опубликованных работ по совершенствованию технологических методов повышения эксплуатационной надежности прецизионных деталей «тело вращения»

1.2 Эксплуатационные свойства прецизионных деталей

1.2.1 Усталостная прочность

1.2.2 Сопротивление изнашиванию

1.2.3 Противозадирные свойства

1.3 Анализ особенностей и свойств антифрикционных материалов прецизионных деталей «тело вращения»

1.4 Объекты исследования

1.5 Анализ показателей эксплуатационной надежности прецизионных деталей «тело вращения»

1.5.1 Прогнозирование жизненного цикла прецизионных деталей

1.5.2 Прогнозирование жизненного цикла прецизионных деталей по критерию «вероятность безотказной работы»

1.6 Цель работы и задачи исследования

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ о" ^ ^

ПРЕЦИЗИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ «ТЕЛО ВРАЩЕНИЯ» И ИХ

ГИДРОДИНАМИКИ В УСЛОВИЯХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

2.1 Особенности применения метода конечных элементов для расчета напряженного состояния прецизионных деталей в условиях технологического поверхностного пластического деформирования

2.2 Теоретическая оценка начальных технологических остаточных напряжений в поверхностном слое прецизионных деталей - поршней регулятора скорости после технологического поверхностного пластического деформирования

2.3 Теоретическая оценка начальных технологических остаточных напряжений в поверхностном слое прецизионных деталей -золотников регулятора скорости-после технологического поверхностного пластического деформирования

2.4 Динамическая модель нагружения масляного слоя в прецизионных деталях в условиях технологического поверхностного пластического деформирования путем применения поверхностно-активных веществ

2.5 Динамическое нагружение поверхностного слоя высоконагруженной прецизионной детали после технологического поверхностного пластического деформирования

2.6 Выводы

3 РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ. ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ПРЕЦИЗИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ

3.1 Технологическая ультразвуковая обработка прецизионных деталей «тело вращения»

3.2 Методика планирования многофакторного эксперимента при ультразвуковой обработке

3.3 Повышение эксплуатационной надежности прецизионных деталей «тело вращения» применением поверхностно-активных веществ

3.4 Выводы

4 МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ «ТЕЛО'ВРАЩЕНИЯ» И ГИДРОДИНАМИКИ МАСЛЯННОГО СЛОЯ ПОСЛЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

4.1 Задачи экспериментальных исследований напряженного состояния прецизионных деталей на образцах

4.2 Оценка виброударного нагружения и начальных технологических остаточных напряжений после поверхностного пластического деформирования прецизионных деталей

4.3 Определение напряжений в прецизионной детали от действия статических нагрузок

4.4 Экспериментальная оценка гидродинамики масляного слоя в узлах трения «прецизионная деталь — направляющая втулка»

4.5 Повышение эксплуатационной надёжности прецизионной детали в условиях совершенствования технологического поверхностного пластического деформирования

4.6 Выводы

5 ТЕХНИКО - ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ПРЕЦИЗИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ «ТЕЛО ВРАЩЕНИЯ»

5.1 Годовой экономический эффект от совершенствования ультразвукового упрочнения прецизионных деталей «тело вращения»

5.2 Годовой экономический эффект от совершенствования технологии поверхностно-активных веществ в технологию обработки прецизионных деталей «тело вращения» 114 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 118 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Экономически обоснованное стремление к повышению агрегатных мощностей за счет увеличение параметров термодинамического цикла и частоты вращения коленчатого вала при одновременном улучшении показателей эксплуатационной^ надежности вызывает необходимость наиболее полного совершенствования технологии изготовления прецизионных деталей «тело вращения», влияющей на усталостную прочность, износостойкость и несущую способность конструкции.

В; течение последних лет затраты на ремонт машин, работающих в различных областях машиностроения, возросли в 2,5 раза, а наработка на отказ у отремонтированных машин снизилась в 2-3 раза. Снижение эксплуатационной надежности техники, занятой в народном хозяйстве и эксплуатируемой, как правило, круглогодично^ приводит к значительному снижению эффективности производства в целом. При этом 40-50% неисправностей приходится на двигатель как энергетический объект любых машин, а из них около 25% отказов от общего количества отказов дизеля составляют неисправности прецизионных деталей регуляторов скорости. И это, несмотря на то, что 75% времени технического обслуживания приходится; на двигатель (по данным Ф.Н; Авдонькина, А.С. Денисова и др.).

Главной особенностью регуляторов скорости форсированных дизелей является то, что прецизионные детали (поршни, золотники) работают в условиях динамических деформаций под действием; ударно-циклических динамически установившихся меняющихся; нагрузок. Так, например; радиальная деформация поршней, золотников, как прецизионных деталей! регуляторов скорости эквивалентна- динамическому изменению кривизны рабочей поверхности направляющих втулок. Это, как: правило^ приводит к увеличению толщины масляного слоя и, следовательно^ к повышению запаса несущей способности сопряжений «поршень - направляющая втулка», «золотник - направляющая втулка» регулятора скорости; с другой стороны, вызывает дополнительные динамические напряжения в поверхностных слоях материала этих деталей, снижающие запасы усталостной прочности. Силы гидродинамического давления1 и деформация изгиба в элементах регулятора скорости создают в их материале сложное напряженное состояние. Силы давления вызывают знакопостоянные пульсирующие напряжения сжатия, деформация изгиба — появление .тангенциальных знакопеременных напряжений. Таким образом, поверхностный слой прецизионных деталей регулятора скорости испытывает плоское напряженное состояние, компоненты которого изменяются во времени по сложным законам. В этом случае наступление опасного состояния поверхностного слоя поршней, золотников может быть вызвано различными значениями главных напряжений, при которых наступит опасное состояние поверхностного слоя материала, связанное с возникновением больших начальных остаточных напряжений или усталостных трещин. Появление последних вызывает качественно иные гидродинамические силы, создающие расклинивающий эффект, ускоряющий процесс разрушения прецизионных деталей регулятора скорости.

- Актуальность. Эксплуатационная надёжность машин определяется в» основном качественным состоянием рабочих поверхностей деталей, формируемых на финишных операциях технологических процессов (напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя, технологические остаточные напряжения, динамика нагружения, физико-механические свойства материала, макро - и микрогеометрия, геометрическая точность). Стабильность геометрических размеров, например, достигается за счёт снижения начальных технологических остаточных напряжений и повышения релаксационной« стойкости, осуществляется различными технологическими методами, называемыми процессами вибрационного' старения. Выходным параметром систем вибрационного старения является динамическая, сила, изменяемая как по амплитуде, так и по частоте, так как эффективность вибрационного старения зависит главным образом от деформации металла, которая в свою очередь, определяется прикладываемой динамической нагрузкой. Создание на рабочих поверхностях прецизионных деталей композиционных покрытий из поверхностно-активных веществ (ПАВ) как разновидность технологии поверхностного пластического деформирования (ППД) снижает динамическую нагрузку в слое путём формирования тонких износостойких пленок из эмульгатора на поверхностях контакта прецизионных деталей с втулками. При этом колебательный процесс в масляном слое полностью демпфируется, повышая1 его несущую способность и, соответственно, эксплуатационную надежность конструкций. Применение таких покрытий является весьма перспективным направлением, открывающим широкие возможности управления физико-механическими свойствами контактирующих поверхностей. Несмотря на успех в этих областях ряд важных теоретических и практических вопросов не нашли своё отражение в технологических процессах получения биметаллических слоёв и композиционных покрытий из эмульгаторов, различных участков поверхности конструкций.

Одним из перспективных методов, позволяющих решить поставленные задачи, является эффективным и экологически чистым способом упрочняющей обработки деталей ультразвуком (УЗО) с одновременным нанесением антифрикционных композиционных покрытий. В основу метода положен процесс технологического ППД, который позволяет, варьируя технологическими режимами обработки и составом покрытия, получить поверхность с необходимыми физико-механическими свойствами. В процессе обработки происходит формирование благоприятного напряженно-деформированного состояния материала поверхностных слоёв прецизионных деталей, технологических остаточных напряжений в них, оптимальной шероховатости, обеспечивающих повышенные эксплуатационные характеристики рабочих поверхностей.

В' связи с вышеизложенным, актуальным является комплексное исследования процесса обработки, изучения, взаимосвязи показателей динамики нагружения поверхностей с режимами обработки, составом покрытия, эксплуатационными характеристиками контактирующих поверхностей.

Данная работа является частью исследований, входящих в комплексные научно-технические программы, ОАО «Волжский дизель им. Маминых»: 0:13.07 «Создание и освоение производства новых типов двигателей внутреннего сгорания и агрегатов на их базе», а также других целевых комплексных научно-технических программ по развитию транспортного двигателестроения, что подтверждает её актуальность.

Цель работы совершенствование технологии изготовления прецизионных деталей «тело вращения» на основе применения УЗО и ПАВ для обеспечения эксплуатационной надёжности деталей машин за счёт улучшения эксплуатационных свойств рабочих поверхностей.

Объектом исследования являются прецизионные детали «тело вращения» (золотники и поршни сервомотора всережимного регулятора скорости ВРН-30) для форсированных дизелей 6ЧН21/21 (6ДМ-21А) ОАО «Волжский дизель им. Маминых».

Предметом исследования являются процессы поверхностного пластического деформирования прецизионных деталей регуляторов скорости форсированных дизелей.

Методы и средства исследования. Теоретические исследования были проведены с использованием методов технологии машиностроения, расчетноJ аналитических методов» теории упругости, сопротивления материалов и метода конечных элементов. Экспериментальные методы исследования базировались на электротензометрии с применением приборов «Стресскан -500» и «ИОН — 4М» при исследовании начальных технологических остаточных напряжений после 1111Д прецизионных деталей «тело вращения» и образцов-свидетелей.

Научная новизна диссертации заключается в комплексном подходе к достижению поставленной цели, учитывающем:

- разработку и апробацию на практике технологического метода УЗО, решение аналитическим методом задачи по определению комплексного критерия - коэффициента динамичности во время УЗО.

- разработку, обоснование и внедрение технологического метода эксплуата-циионного исследования гидродинамики прецизионных деталей, а также совокупность научных положений и рекомендаций по применению ПАВ. развитие и решение поставленной практикой задачи теории виброударного динамического нагружения прецизионных деталей и образцов-свидетелей при УЗО.

Практическая ценность и реализация результатов работ. Предложенные технологические методы 1111Д нагруженных поверхностей прецизионных деталей «тело вращения», проведённые в лабораторных и производственных условиях, повышают эксплуатационную надёжность путём, снижения неравномерности результирующих напряжений по сечениям деталей в 3-5 раз.

Конструкторско — технологические решения, применение композиционных материалов и поверхностно-активных веществ изменяют условия смазки в прецизионных деталях путём демпфирования колебательного процесса и снижения динамики нагружения, чем повышается несущая способность масляного слоя и прецизионной детали.

Научные и практические результаты работы выполнены в соответствии с грантом № НШ-2064.2003.8 Минпромнауки России и использованы в плановых госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работах за 2000-2007г.г., выполняемых на кафедре «Технология и автоматизация машиностроения» Балаковского института техники, технологии и управления СГТУ по направлению «Разработка научных основ повышения эксплуатационной надёжности машиностроительных изделий конструкторскотехнологическими методами», что подтверждается имеющимися актами внедрения: ОАО «Волжский дизель им. Маминых», ОАО «Саратовдизель-аппарат», ООО ПКР «Дизельсервис», ООО «Автоколонна». Работа прошла апробацию на практике совершенствования технологий ППД прецизионных деталей «тело вращения» и образцов-свидетелей.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на XI Международной конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2007г.);

- на Межгосударственных научно-технических семинарах по двигателям внутреннего сгорания (Саратов 2006-2007г.г.);

- на VIII Российской научной конференции «Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах» (Саратов 2005г.);

- на IX Межвузовской Российской научной конференции «Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах» (Балаково 2007г.);

- на ежегодных научно-технических конференциях кафедры «Технология машиностроения» Саратовского государственного технического университета 2007г.;

- на ежегодных научно-технических конференциях кафедры «Технология и автоматизация машиностроения» Балаковского института техники, технологии и управления СГТУ (2002 - 2007г.г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 1 статья в журнале, рекомендованном-ВАК. Общий объём публикаций составляет 2,85 п.л., в том числе 2,15 п.л. принадлежащих лично автору.

На защиту выносятся: технология ППД образцов-свидетелей прецизионных деталей деформированием технологической УЗО и ПАВ;

- результаты экспериментальных исследований по изучению влияния технологических остаточных напряжений от технологического ППД УЗО и ПАВ на общее суммарное напряженное состояние прецизионных деталей;

- результаты теоретических исследований по определению основных закономерностей напряженного состояния прецизионных деталей «тело вращения» на основе базового метода конечных элементов.

А I Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, \ общих выводов, списка используемой литературы 100 наименований. Диссертационная работа изложена на 129 страницах машинописного текста, ;ржащей 40 рисунков, 16 таблиц.

4.6 ВЫВОДЫ:

1 В разработанном экспериментальном способе измерения начальных технологических остаточных напряжения путём учёта динамики нагружения от ультразвуковой обработки прецизионных деталей доказано, что эксплуатационная надёжность последних существенно, зависит от- технологических остаточных напряжений, которые при. сложении с рабочими, напряжениями должны учитываться при определении1 предела выносливости» материала конструкции.

2 Статическое тензометрирование прецизионных деталей (поршня и-золотника регулятора скорости) от действия рабочих нагрузок подтвердило высокий уровень квазистатических напряжений на наружных поверхностях. Сравнительный анализ напряженного состояния показал, что разница между расчётными и экспериментальными напряжениями не превышает 15%, что указывает на соответствие расчётной методики МКЭ и экспериментальных методик определения напряжений.

3 Как показали исследования, минимальная толщина масляного слоя смазки в сопряжениях «прецизионная деталь (золотник) — направляющая втулка» и «прецизионная деталь (поршень) - направляющая втулка» составляет 3,15мкм, что выше допустимого значения 2,9 мкм (согласно статическим данным аналогов зарубежных дизелей) и подтверждает эксплуатационную надёжность по критерию «минимальная толщина масляного слоя».

4 Результаты испытаний материалов образцов на усталость до и после технологического поверхностного пластического деформирования свидетельствует о том, что технологические упрочняющие обработки ПАВ и УЗО повышают эксплуатационную надёжность по критерию «коэффициент влияния поверхностного упрочнения» до Ку =1,244, который лежит в пределах ГОСТ25.504-82 - 1,10-1,30.

ГЛАВА 5

ТЕХНИКО - ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ПРЕЦИЗИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ «ТЕЛО ВРАЩЕНИЯ»

5.1 ГОДОВОЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ОТ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО УПРОЧНЕНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ

ДЕТАЛЕЙ «ТЕЛО ВРАЩЕНИЯ»

Разработанные технологические методы обработки прецизионных деталей (золотника и поршня) регуляторов скорости на ОАО «Волжский дизель им. Маминых» предусматривают вложение инвестиций для внедрения данной технологии, т.е. освоение дополнительного оборудования- и средств обслуживания. Очевидно, что данные расходы повлекут изменение себестоимости детали.

Переход на новую технологию изготовления прецизионных деталей, а именно: включение в технологический процесс дополнительного оборудования для проведения технологических методов по повышению эксплуатационной надежности прецизионных деталей, продлевает срок службы не только элементов регуляторов скорости, но и дизеля в целом. Данное обстоятельство ведет не только к сокращению расходов по техническому обслуживанию, но и определяет дизель в разряд конкурентоспособных на мировом рынке.

Для расчета экономического эффекта воспользуемся данными эксплуатационной надежности: время наработки до отказа регулятора скорости без обработки новыми1 технологическими методами составляет в среднем 1540 час, после обработки 26850 час.

Участок изготовления прецизионных деталей (золотников и поршней) регуляторов скорости включает в себя: необходимый для механообработки станочный парк с обрабатывающим центром, ультразвуковую установку.

109

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в настоящей-работе, можно сделать следующие выводы.

1 Анализ основных опубликованных материалов показал, что в* настоящее время проблема совершенствования; технологического обеспеченияповышения эксплуатационных свойств прецизионных деталей решается деформационным упрочнением, но имеющийся^ опыт нельзя« привнести на практику без дополнительных исследований;

2 Разработаны методики определения; начальных технологических остаточных напряжений в поверхностных слоях прецизионных деталей' при совершенствовании технологического поверхностного пластического деформирования. Например, упрочнение наружной шлифованной поверхности прецизионной детали; УЗО ликвидирует начальные растягивающие технологических остаточные напряжения; заменяя их начальными технологическими остаточными напряжениями сжатия с максимальной величиной на поверхности в 50:. .200МПа при глубине упрочнения 0,3. .0;4мм. Указанное обстоятельство! повышает эксплуатационную надежность конструкций по критерию «усталостная^ прочность» на 17,6%.

3 В условиях динамического нагружения масляного слоя прецизионной детали при применении? технологического ИНД путем использования ПАВ аналитическим методом решена задача определения необходимой величины минимальной* толщины масляного слоя? в зависимости от максимального давления цикла, упругости, коэффициента динамической; вязкости — параметрах, характеризующих поведение масляного слоя; при применении; ПАВ:

4 Разработан и освоен на практике теоретический метод МКЭ определения; напряжённого состояния, прецизионной детали «тело вращения». Результаты исследования напряженного состояния в эксплуатационных условиях с применением МКЭ позволяют более верно судить об эксплуатационной надежности конструкций по критерию усталостной прочности.

5 Решением задачи динамического нагружения масляного слоя в прецизионных деталях «тело вращения» в условиях технологического ППД деформирования доказано, что эксплуатационная надежность прецизионных деталей повышается путем снижения коэффициента динамичности Кд с 1,18 до 1,0 и минимальной толщины масляного слоя смазки 11,™ на 18% из-за изменений условий смазки применением ПАВ за счет демпфирующей способности антифрикционной пленки.

6 Результаты экспериментальных исследований материалов образцов на усталость до и после совершенствования технологического ППД свидетельствует о том, что упрочняющие обработки ПАВ и УЗО повышают эксплуатационную надежность прецизионных деталей по критерию «коэффициент влияния поверхностного упрочнения» до Ку =1,244, который лежит в пределах ГОСТ25.504-82 - 1,10-1,30.

7 Результаты совершенствования технологии УЗО и ПАВ внедрены в производство и эксплуатацию с годовым экономическим эффектом 530241,1 руб.

1. Авиационные поршневые двигатели / под ред. И. Ш. Неймана. — М.: Оборонгиз, 1950.-450 с.

2. А. с. № 1657785 РФ. Биметаллический материал для подшипников скольжения / С. П. Косырев, Ф. Г. Ким, В. М. Гребнев, В. Ф. Козлов // Б. И. — 1991.-№23.-С. 49.

3. А. с. № 1530847 СССР. Тонкостенный вкладыш подшипника скольжения высокофорсированного дизеля / С. П. Косырев, В. Г. Кочерженко, В. М. Гребнев // Б. И. 1989. - № 41. - С. 132

4. Безухов, Н. И. Устойчивость и динамика сооружений в примерах и задачах / Н. И. Безухов, О. В. Лужин, Н. В. Колкунов. М.: Изд-во лит. по строительству, 1969. — С. 246-265.

5. Биргер, И. А. Остаточные напряжения / И. А. Биргер. М.: Машгиз, 1963. -232 с.

6. Буше, Н. А. Подшипниковые сплавы для подвижного состава / Н. А. Буше. М.: Транспорт, 1967. — 224 с.

7. Буше, Н. А. Повышение долговечности изделий из сплавов цветных металлов / Н. А. Буше, Г. А. Мудренко, В. А. Двоекина // Тр. ВНИИЖТ. — 1972. Вып. 473. - С. 74-77.

8. Буше, Н. А. Совместимость трущихся поверхностей / Н. А. Буше, В. В. Копытько. -М. : Наука, 1981. 126 с.

9. Буше, Н. А. Подшипники из алюминиевых сплавов / Н. А. Буше, А. С. Гуляев, В. А. Двоекина. М.: Транспорт, 1984. - С.75-80.

10. Буше, Н. А. Трение, износ и усталость в машинах. Транспортная техника / Н. А. Буше. М. : Транспорт, 1987. - 223 е.,

11. Биргер, И. А. Расчет на прочность деталей машин : справ, пособие / И. А. Биргер, Б. Ф. Шорр, Р. М. Шнейдерович. М. : Машиностроение, 1969. -459 с.

12. Ваншейдт, В. А. Дизели : справочник / В. А. Ваншейдт, Н. Н. Иваноченко, Л. К. Колеров. М. : Машиностроение, 1999. - 599 с.

13. Воронов, В. Д. Подшипники сухого трения / В. Д. Воронов. Л. : Машиностроение, 1979. -78 с.

14. Громаковский, Д. Г. Влияние ^ диссипативных и объемных свойств смазочных материалов на эффективность их применения / Д. Г. Громаковский // Химия и технология топлив и масел. 1985. — № 11. — С. 37-39.

15. Василевский, Б. И. Дискретная' модель и граничные условия в расчете шатуна методом конечных элементов / Б. И. Василевский // Тр. ЦНИДИ. -1997.-№2591

16. Григорьев, М. А. Обеспечение надежности двигателей^/ М. А. Григорьев, В. А. Долецкий. М.: Изд-во стандартов, 1978. - С. 301.

17. Гурвич, И. Б. Эксплуатационная надежность автомобильных двигателей / И. Б. Гурвич, П. Э. Сыркин. М:: Транспорт, 1984. - 141 с.

18. Денисов, А. С. Анализ причин эксплуатационных разрушений шатунных вкладышей двигателя КамАЗ-740 / А. С. Денисов, А. Т. Кулаков // Двигателестроение. — 1981. — № 9. С. 37-40.

19. Деркаченко, В. Г. Исследование усталостной прочности подшипниковых материалов на стенде СПП 1 конструкции ЦНИДИ / В. Г. Деркаченко, А. П. Загружной и др.//Тр. ЦНИДИ. - 1972.-Вып. 65.-С. 41-49.

20. Дьяков, А. К. Подшипники скольжения жидкостного трения / А. К. Дьяков. — М.: Машгиз, 1955. 320 с.

21. Зайцев, А. К. Основы учения о трении, износе и смазке машин / А. К. Зайцев. -М.-Л.: Машгиз, 1947.-256 с.

22. Захаров, С. М. Подшипники коленчатых валов тепловозных двигателей / С. М. Захаров, А. П1 Никитин, Ю. А. Загорянский. -М.: Транспорт, 1981. —179 с.

23. Захаров С. М. Гидродинамический и тепловой расчет подшипников коленчатого вала поршневого двигателя / С. М. Захаров, В. Ф. Эрдман // Вестник машиностроения. 1978. — № 5. — С. 24-28.

24. Зундема, Г. Г. Эксплуатационные свойства смазочных масел / Г. Г. Зундема. -М.: Гостехиздат, 1957. С. 21-27.

25. Кедринский, В. К. Гидродинамика взрыва / В. К. Кедринский. — Новосибирск : Сиб. отд-ние РАН, 2000. 435 с.

26. Клокова, Н. П. Тензодатчики для измерения при повышенных температурах / Н. П. Клокова. М. : Машиностроение, 1965. - 120 с.

27. Кнэпп, Р. Кавитация / Р. Кнэпп, Дж. Дейли, Ф: Хеммит. М. : Мир, 1974. -688 с.

28. Козырев, С. П. Гидроабразивный износ металлов при кавитации / С. П. Козырев. -М. : Машиностроение, 1971. 240 с.

29. Коднир, Д. С. Контактная гидродинамика смазки деталей машин / Д. С. Коднир. — М.: Машиностроение, 1976. С. 26-30.

30. Костецкий, Б. И. Трение, смазка и износ в машинах / Б. И. Костецкий. -Киев : Техшка, 1970. — 385 с.

31. Косырев, С. П. Динамическое нагружение кривошипно-шатунного механизма дизелей / С. П. Косырев // Двигателестроение. 1980. - № 11.-С. 21-23.

32. Косырев, С. П: Концентрация-напряжений! в кривошипной головке шатуна высокофорсированного дизеля и способы ее нейтрализации / С. П. Косырев // Изв. вузов,- Машиностроение. 1988. - № 11. - G. 77-81.

33. Кудрявцев, И. В. Основы выбора режима упрочняющего поверхностного наклепа ударным способом / И. В. Кудрявцев // Тр. ЦНИИТМАШ. — 1965. — Кн. 108.-С. 57-62.

34. Курицына, А. Д. Композиционные материалы и покрытия на базе фторопласта — 4 для сухого трения в подшипниках скольжения / А. Д. Курицына, И. П. Истомин. — М. : Машиностроение, 1974. — G. 57-61'.

35. Лукинский, В: С. Разработка методов обеспечения надежности большегрузных автомобилей на стадии проектирования : дис. . д-ра техн. наук / В. С. Лукинский. Л. : ЛСХИ, 1985. - 413 с.

36. Медвинский, М. Д. Трехканальный усилитель типа ПТМП-3—55 для измерения толщины масляной пленки в подшипниках жидкостного трения / М: Д. Медвинский // Тр. ЦНИИТМАШ. 1958. - № 9. - С. 18-21.

37. Мейз, Дж. Теория и задачи механики сплошных сред / Дж. Мейз. — М. : Мир; 1974.-С. 248-257.;46< Михайлов, А. М. Сопротивление материалов / А. М. Михайлов. — М. : Стройиздат, 1989. С. 85.

38. Мошков, А. Д. Пористые антифрикционные материалы / А. Д. Мошков. — М. : Машиностроение, 1968. — С. 34-42.

39. Овсеенко, А. Н. Технологическое обеспечение качества изделий машиностроения / А. Н. Овсеенко, В. И. Серебряков, М. М. Гаек. — М.: УМО АМ, 2004. 296 с.

40. Овсеенко, А. Н. Состояние поверхностного слоя лопаточных материалов после различных видов деформированного упрочнения / А. Н. Овсеенко; А. Р. Клюшин // Тр. ЦНИИТМАШ. 1989. - Кн. 105. - С. 73-79.

41. Одинцов, Л. Г. Упрочнение и- отливка деталей поверхностным пластическим > деформированием : справочник / Л. Г. Одинцов. М. : Машиностроение, 1987. - 327 с.

42. Орлин, А. С. Расчет напряженно-деформированного состояния поршней / А. С. Орлин, Н. А. Иващенко, А. В. Тимохин // Изв. вузов. Машиностроение. 1977. — № 5. — С. 73-78.

43. Партон, В. 3. Механика упруго-пластического разрушения / В. 3. Партон, Е. М. Морозов. М.: Наука, 1974. - 246 с.

44. Пат. № 2133282 РФ. Способ стабилизации напряжений в поверхностном слое детали / С. П. Косырев и др. // Б. И. № 20. - 1999. - 27 с.

45. Петросов, В. В. Упрочнение лопаток газотурбинного двигателя обработкой дробью / В. В. Петросов // Влияние технологических факторов на качество и надежность лопаток турбин : материалы совещания. — М., 1962. — С. 138-154.

46. Погодаев, Л. И. Гидроабразивный и кавитационный износ судового оборудования / Л. И. Погодаев, П. А. Шевченко. Л.: Судостроение, 1984. — 264 с.

47. Рагульскис, К. М. Вибрационное старение / К. М. Рагульскис, Б. Б. Стульпинас, К. Б. Толутис. — Л.: Машиностроение, 1974. С. 26-33.

48. Рекомендации по применению процесса поверхностного упрочнения деталей машин. М.: ЦНИИТМАШ, 1981. - 14 с.

49. Рубин, М. Б. Подшипники в судовой технике / М. Б. Рубин, В. Е. Бахарева. -Л.: Судостроение, 1987. С. 16-17.

50. Рудницкий, Н. М. Изготовление и испытание подшипников с антифрикционным слоем из высокооловянистых алюминиевых сплавов / Н. М. Рудницкий, Ю. А. Рассадин, А. Д. Курицына // Тр. НАМИ. 1966. -Вып. 82.-С. 50-70.

51. Рыковский, Б. П. Местное упрочнение деталей, поверхностным наклёпом / Б. П. Рыковский, В. А. Смирнов, Г. М. Щетинин. — М. : Машиностроение, 1985.-С. 14-16.

52. Ряхин, В. А. Долговечность и устойчивость сварных конструкций строительных и дорожных машин / В. А. Ряхин, В. Н. Мошкарёв. М. : Машиностроение, 1984. — 69 с.

53. Саверин, М. М. Дробеструйный наклёп / М. М. Саверин. М. : Машгиз, 1955.-312 с.

54. Семенов, А. П. Маталлофторопластовые подшипники / А. П. Семенов, Ю. Э. Савинский. -М.: Машиностроение, 1976. 123 с.

55. Смелянский, В. М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием / В. М. Смелянский. М.: Машиностроение, 2002.-299 с.

56. Суркин, В. И. Оптимизация параметров шатунного подшипника тракторного дизеля / В. И. Суркин, Г. П. Попов // Двигателестроение. — 1984. -№3. С. 41-43.

57. Тимошенко, С. П. Механика материалов / С. П. Тимошенко, Дж. Гере. -М.: Мир, 1976. С. 222-223.

58. Турчин, М. И. Электрические измерения неэлектрических величин / М. И. Турчин. М.: Машгиз, 1956. - 688 с.

59. Файнгольд, Н. Ш. Малогабаритный датчик для измерения давления и температуры масляного слоя подшипников скольжения / Н. Ш. Файнгольд, М. Л. Аксельрод, И. К. Виноградова. М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ, 1971.-№ 12.-С. 12-14.

60. Хрущев, М. М. Абразивное изнашивание / М. М. Хрущев, М. А. Бабичев. — М. : Наука, 1970.-252 с.

61. Хрущев, М. М. Классификация условий и видов изнашивания деталей машин / М. М. Хрущев // Трение и износ в машинах. — Вып. 3. — М.: Изд-во АН ССР, 1953.-С. 5-17.

62. Цветков, В. Т. Двигатели внутреннего сгорания / В. Т. Цветков. — Харьков : ХГУ, 1960.-656 с.

63. Ценев, В. А. Тензодатчики с температурной компенсацией для высокотемпературного тензометрирования деталей двигателей / В. А. Ценев, О. И. Голованов // Исследование работы энергетического оборудования. — Калинин, 1973. — С. 71-78.

64. Чистяков, В. К. Динамика поршневых и комбинированных двигателей внутреннего сгорания / В. К. Чистяков. — М.: Машиностроение, 1989. — С. 215-216.

65. Чугунов, Г. П. Кавитационный износ гильз цилиндров и пути его уменьшения / Г. П. Чугунов // Актуальные проблемы транспорта Поволжья и пути его решения : межвуз. науч. сб. / СГТУ. — Саратов, 2001. С. 96-102.

66. Эффективные методы снижения трения // Машины и механизмы : обзор, информ. / Черметинформация, 1976. 57 с.

67. Юргенсон, А. А. Металлы быстроходных дизелей и их термическая обработка / А. А. Юргенсон, Г. И. Зелинская. М. : Машиностроение, 1967.-120 с.

68. Яковлев, В.Ф. Измерение деформаций и напряжений" в деталях машин / В. Ф. Яковлев. M.-JL, 1963. - 14Фс.

69. Metals Handbook // Properties and Selection, of Metals. 1961. - P. 843-851.

70. Hodes, E. Outbon von üblechen Frockenlageru ans Metals / E. Hodes // Kunststoff ver bunndwerkstoffen. 1973. - № 79.

71. Block, H. Les temperatures de surface dan des conditions de graissage sous extreme pression / H. Block // Congr. mon did du petrol. — III. — Paris, 1937. — H. 13-23.

72. Desvaux, M. P. E. Development of a high-tin aluminium plain bearing material / M. P. E. Desvaux // Reprinted fromTribology. 1972. - April. - P. 61-66.

73. Dinger, H. Das hydridynamosche Verhalten der Pleuellager : diss. / H: Dinger. -Stuttgart: Tech: univ., 1955.

74. Grobuschek, F. Optimited Engine Bearing Design by Evaluating Performance // F. Grobuschek, U. Ederer // Diesel and Gas Turbine Progress Worldwide. — 1978. October. - P. 19-20.

75. Hahn, H.W. New Calculation Methods for Engine Bearings / H. W. Hahn // SAE: Automative Engineering Congress. 1966. - Paper 660033. - P. 1-21.

76. Holland, J. Beitrag zur Erfassung der Schmierverhältnisse in Verbrennungskraftmaschinen / J. Holland // VDJ Forschungsheft 475. -Ausgabe B. - Bd. 25. - 1959. - S. 1-32.

77. Lloyd, T. An Investigation into the Performance of Dynamically Loaded / T. Lloyd et al. // Journal Bearings. Theory. Conf. on- Lubrication and Wear. — Session 1. Reciprocating Machinery. - Paper 6. — London, 1967.

78. Mainers, K. Beitrage zur Gleitlagerberechnung / K. Mainers // Warmeabfühzung und instationarer Betried. VDJ For - Schung. - 1961. - V. 488.

79. Pinkus, O. Theory of Hydrodynamic Lubrication / O. Pinkus, B. Sternlicht // McGraw Book Company, 1961. 465 p.

80. Warrinez, J.F. Thin scell bearings for Medium Speed Diesel Engine und Users Assotiation / J. F. Warrinez. Publication 364. — 1975. - February. — 20 p.

81. Selecting Bearing Materials / J. M: Conway-Jones. B. 367174. - Reprinted from June 1974. North American Edition of Diesel und Gas Turbine Progress.

82. Affenzeller, J. Some investigations of the schorter Schank of the big end of a diagonally split connecting rod / J. Affenzeller, C. E. Thien. — Barcelone: CJMAC, 1975.-P. 191-192.

83. Bremi, P. Berechung der Spaungen und wichtigsten Deformation an einen Schubstangenkopf mit Hilfe eines electronishen Rechenautomaten / P. Bremi // Techniche Rundshau Sulzer. 1971. - № 1. - P. 59-64.

84. Chapoux, B. Mesures des contraintes dynamiques sur les organs moteur et transmission d'un vechicule automobile / B. Chapoux // SIA. — 1956. — № 9. -P. 5-9.

85. Holland, J. Beitrog zur Erfassung Schmierver — hältnisse in Verbrennungskzaft machinen / J. Holland // VDJ. Forschungen 475. - Düsseldorf. - 1959. - S. 33.

86. Milbauer, M. Fotoelasticmetrie a priklady jejiho pouziti / M. Milbauer, M. Perla. -Praha, 1961.-S. 17-21.

87. Shanon, J.F. Damping Influences in Torsional Oscillation / J.F. Shanon // The Institution of Mechanical Engineers Proceedings. 1935. — Vol.131. - P. 20-24.

88. Sproless, E. S. The mechanism of material removal in fretting / E. S. Sproless, D. J. Duguette // Wear. 1978. - V.49. - № 2. - P. 339-352.

89. A.W.J. Materials research and tribology // TNO. 1971. -№ 8. - P. 445-445.