автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Технологическое обеспечение и повышение износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек трения скольжения

На правах рукописи

Цуканов Иван Юрьевич

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ВИНТОВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ХОДОВЫХ ГАЕК ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ

Специальности: 05.02.07 - технология и оборудование механической и физико-технической обработки; 05.02.04 - трение и износ в машинах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 ПАЙ 2013

Москва- 2013

005059744

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный индустриальный университет».

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Суслов Анатолий Григорьевич;

Албагачиев Али Юсупович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения и

информатики», заведующий кафедрой «Технологическая информатика и технология машиностроения»

Хандожко Александр Владимирович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Металлорежущие станки и инструменты»

ФГБОУ ВПО «Государственный университет -учебно-научно-производственный комплекс», г. Орёл

Защита диссертации состоится «30» мая 2013г. в 14 часов 15 минут на заседании диссертационного совета Д 212.129.01 при ФГБОУ ВПО «МГИУ» по адресу: 115280, г. Москва, ул. Автозаводская, 16, ауд. 1804.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет».

Автореферат разослан «26» апреля 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Иванов Юрий Сергеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Винтовые пары трения скольжения используется для преобразования движения из вращательного в поступательное с высокой точностью при стесненных габаритах и существенной осевой нагрузке. Основными областями техники, где применяются винтовые пары трения скольжения, являются: авиастроение (механизмы управления закрылками, стабилизаторами и т.д.), производство заготовок (прокатные станы, прессы), техника для проведения испытаний (стенды, подъемники), технологические машины различного назначения.

Основной недостаток винтовых передач трения скольжения -повышенный износ винтовых поверхностей ходовых гаек, расчетная оценка которого позволяет предупредить различные негативные явления, начиная с брака продукции от потери точности исполнительным органом технологического оборудования до авиакатастрофы, и снизить себестоимость обслуживания машин. Разработка новых и модернизация существующих методов обработки внутренних винтовых поверхностей, повышающих износостойкость ходовых гаек, позволяет повысить надежность узлов машин с винтовыми парами скольжения.

Для оценки эффективности применения методов, повышающих износостойкость винтовых поверхностей на стадии технологической подготовки производства, необходим теоретический метод расчета винтовых поверхностей на износ, позволяющий оценить влияние различных факторов на износостойкость ходовой гайки на стадии проектирования винтовой передачи. Существующие методы расчета внутренних винтовых поверхностей на износ либо являются экспериментальными, либо не учитывают такие важные факторы, как параметры качества винтовой поверхности гайки, режим трения, температурные напряжения от трения, неравномерность износа витков.

В то же время анализ работ, в которых технологически достигалось повышение износостойкости внутренних винтовых поверхностей показывает, что в этих целях достаточно разработаны только методы раскатывания и комбинированной режуще-деформирующей обработки резьб, которые экономически целесообразны для узкого диапазона типоразмеров резьб ходовых гаек, применяющихся в силовых механизмах. Кроме того, отсутствует четкая методика выбора методов повышения износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек, в зависимости от их размеров и функционального назначения.

Поэтому разработка методов обеспечения и повышения износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек с учетом их функционального назначения и методики их выбора в комплексе с методом расчетной оценки износостойкости внутренних винтовых поверхностей открывает новые возможности повышения качества и снижения себестоимости этих

ответственных деталей машин при проектировании и изготовлении, что является актуальной задачей современного машиностроения.

Цель работы: технологическое обеспечение и повышение износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек трения скольжения с учетом их функционального назначения.

Задачи работы:

1. Получить теоретическую зависимость интенсивности изнашивания винтовой поверхности ходовой гайки трения скольжения от условий работы, геометрии гайки, ее материала и качества поверхности на основе современных представлений о физической картине взаимодействия винтовых поверхностей в различных типах механизмов. Экспериментально проверить полученную зависимость.

2. Модернизировать экспериментальную установку для исследования изнашивания винтовых механизмов трения скольжения в целях обеспечения возможности исследования коэффициента трения и износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек различного функционального назначения.

3. На основе анализа влияния параметров качества поверхностного слоя внутренней винтовой поверхности скольжения на ее износостойкость, разработать универсальный финишный метод обработки, позволяющий повышать износостойкость винтовой поверхности ходовых гаек скольжения на определенную величину с широкими технологическими возможностями. Разработать теоретические зависимости, связывающие режимы обработки и параметры качества винтовых поверхностей. Экспериментально проверить данные зависимости.

4. На основе анализа модели изнашивания внутренней винтовой поверхности скольжения определить дополнительные технологические воздействия, позволяющие усовершенствовать известные методы их обработки в целях повышения износостойкости.

5. Создать общую методику технологического обеспечения износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек трения скольжения с учетом функционального назначения винтового механизма.

Объект исследования: винтовые поверхности ходовых гаек трения скольжения.

Предмет исследования: процесс изнашивания винтовых поверхностей ходовых гаек скольжения и методы технологического обеспечения и повышения их износостойкости.

Методика исследований: Теоретические исследования в области изнашивания, винтовых поверхностей ходовых гаек трения скольжения базируются на усталостной теории изнашивания И.В. Крагельского, положениях механики деформируемого твердого тела, инженерии поверхности, методах дифференциального и интегрального исчисления, численных методах.

Теоретические исследования в области технологического обеспечения и повышения износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек скольжения базируются на положениях механики деформируемого твердого тела, теориях отделочно-упрочняющей обработки, инженерии поверхности, научных основах технологии машиностроения, аналитической геометрии, методах дифференциального и интегрального исчисления, численных методах.

При проведении экспериментов были использованы методы планирования. Анализ результатов экспериментальных исследований выполнен с использованием методов математической статистики и алгоритмов фильтрации сигналов.

Научная новизна по специальности 05.02.07 «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки»:

• впервые получены теоретические зависимости, связывающие параметры качества винтовой поверхности ходовой гайки трения скольжения и параметры отделочно-упрочняющей обработки ППД однороликовым инструментом.

• установлено определяющее влияние фактического контактного давления при ОУО ППД на интенсивность изнашивания винтовой поверхности ходовой гайки, что позволило разработать способ выравнивания интенсивностей изнашивания по виткам ходовой гайки за счет закономерного изменения качества винтовой поверхности.

Научная новизна по специальности 05.02.04 «Трение и износ в машинах»:

• впервые в теоретической зависимости для определения интенсивности изнашивания винтовой поверхности ходовой гайки трения скольжения, полученной на основе усталостной теории изнашивания И.В. Крагельского, комплексно учтены качество внутренней винтовой поверхности, нелинейность силовых и температурных напряжений и деформаций в винтовом сопряжении, обусловленная статической неопределимостью системы, перераспределение нагрузки по виткам гайки в процессе приработки.

• разработано подвижное резьбовое соединение с переменным средним диаметром винтовой поверхности ходовой гайки, обеспечивающее равномерное распределение контактных давлений по виткам при односторонней нагрузке, а также рациональные с точки зрения симметрии износа распределения контактных давлений по виткам при реверсивной нагрузке с различным соотношением прямой и обратной нагрузок. Получен патент РФ на изобретение.

Автор защищает:

• математические модели определения распределений контактных давлений с учетом особенностей работы винтовых механизмов, температурных напряжений, сил трения по виткам ходовой гайки.

• теоретическую зависимость для определения начальной интенсивности изнашивания витков ходовой гайки в период приработки и математическую модель изнашивания витков с учетом перераспределения нагрузок на них.

• методику расчетного определения износостойкости винтовой поверхности ходовой гайки с учетом функционального назначения винтового механизма.

• метод отделочно-упрочняющей обработки внутренней винтовой поверхности пластическим деформированием по схеме с однороликовым нецентральным инструментом с постоянным или закономерным изменением качества поверхности.

• теоретические и экспериментальные зависимости, связывающие параметры качества внутренней винтовой поверхности и режимы отделочно-упрочняющей обработки ППД.

• математическую модель ОУО ППД с закономерным изменением качества винтовой поверхности.

• методику технологического обеспечения износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек трения скольжения с учетом функционального назначения винтового механизма.

Практическая ценность:

• разработана методика расчетного определения износостойкости винтовой поверхности ходовой гайки с учетом функционального назначения винтового механизма.

• модернизирована установка для исследования трения и изнашивания в винтовых механизмах скольжения.

• разработана конструкция инструмента для реализации метода ОУО ППД внутренней винтовой поверхности по схеме с однороликовым несоосным инструментом.

• разработана научно обоснованная методика технологического обеспечения износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек скольжения с учетом их функционального назначения.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах: 3-ей Международной научно-технической конференции «Модернизация машиностроительного комплекса России на научных основах технологии машиностроения (ТМ-2011) (г. Брянск, 2011 г); Международной научно-практической конференции «Итоги и перспективы интегрированной системы образования в высшей школе России: образование -наука - инновационная деятельность» (г. Москва, 2011 г.); 4-ой Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (г. Москва, 2011 г.); XXIII Международной Инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов МИКМУС-2011 (г. Москва, 2011 г.); IV

Международной научно-технической конференции «Наукоёмкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении» (г. Рыбинск, 2012 г.); II Международной научной конференции «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении» (г. Москва, 2012 г.); Научном семинаре по трению и износу в машинах им. М.М. Хрущова (г. Москва, 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 4 работы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ для публикации материалов диссертационных исследований, получено 2 патента РФ на изобретение и 1 патент РФ на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных результатов и выводов по работе, списка литературы из 101 наименования. Работа содержит 196 страниц, в том числе 71 рисунок и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы исследования, определены цель, задачи, объект, предмет и методы исследования, раскрыта научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе представлены результаты научно-технического обзора современного состояния проблемы технологического обеспечения износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек трения скольжения.

Проанализирована классификация винтовых передач трения скольжения по их функциональному назначению. Из анализа был сделан вывод, что ограничения, накладываемые функциональным типом механизма (кинематический, силовой, комбинированный) на условия работы, и в, свою очередь, на физические взаимодействия в контакте поверхностей, вызывают необходимость дифференцированного подхода к технологическому обеспечению износостойкости винтовых поверхностей.

Проанализированы виды изнашивания и основные подходы к их изучению. Был определен превалирующий вид изнашивания винтовой поверхности ходовой гайки скольжения - усталостное изнашивание, так как винтовые передачи скольжения чаще всего выполняются закрытыми и защищены от попадания абразивных частиц, а смазочный слой полностью не разделяет винтовые поверхности. Выбран подход к изучению процесса изнашивания, основанный на усталостной теории изнашивания, предложенной И.В. Крагельским и исследованиях А.Г. Суслова в области качества поверхностного слоя и контакта реальных поверхностей деталей машин.

Установлено, что при работе винтовых передач скольжения возможны два режима трения - сухой (силовые передачи с небольшим путем трения) и граничный. Установлено, что имеющиеся теоретические модели процесса изнашивания винтовых поверхностей ходовых гаек скольжения недостаточно полны, так как они не учитывают функциональный тип винтового механизма и

соответствующие ему условия работы, температурный фактор, режим трения, перераспределение нагрузки по виткам в процессе эксплуатации.

Проанализированы применяющиеся в настоящее время методы получения наружных и внутренних винтовых поверхностей трения скольжения. Анализ показывает, что количество работ, посвященных повышению износостойкости внутренних винтовых поверхностей незначительно по сравнению с работами по повышению износостойкости наружных винтовых поверхностей. Среди методов, используемых для повышения износостойкости винтовой поверхности ходовых гаек трения скольжения применяется только режуще-деформирующая обработка. Установлено, что для технологического повышения износостойкости внутренней винтовой поверхности скольжения эффективно может применяться поверхностная обработка: притирка, ОУО ППД, ФАБО.

Во второй главе приведена методика проведения теоретических и экспериментальных исследований: общая структурная схема проведения исследований, применяемые методы исследований и математический аппарат, измерительное оборудование и образцы для экспериментальных исследований.

Геометрическая сложность винтовой поверхности и статическая неопределимость системы винт-гайка определили сложный характер математических зависимостей, описывающих физические взаимодействия в этой системе, поэтому для всех вычислений в теоретических исследованиях было принято решение использовать сочетание численных и символьных математических методов, реализуемых программными комплексами MathCAD и Wolfram Mathematica.

В третьей главе отражены теоретические исследования трибологических характеристик винтовых пар трения скольжения.

В ходе анализа экспериментальных исследований, выполненных в различных работах, было выявлено, что неравномерность износа витков объясняется неравномерностью распределения номинальных контактных давлений, поэтому теоретически были решены следующие задачи.

1. Составлено нелинейное уравнение совместимости деформаций в статически неопределимой системе винт-гайка с учетом контактных перемещений винтовой поверхности ходовой гайки. Для этого к перемещениям витков гайки в результате изгиба и сдвига были добавлены упругие контактные перемещения винтовой поверхности, определяемые формулой А.Г. Суслова. В преобразованном виде уравнение имеет вид:

где q{z) - интенсивность распределения осевых сил по осевой координате винтовой линии г; Е - модуль упругости 1-рода материала гайки; ^ - площадь

q\z)~

q\z)

(1)

диапазоне ее изменения в процессе износа и среднюю скорость их изнашивания.

Так как период приработки винтовой поверхности протекает относительно долго в связи с перераспределением нагрузки на витки, то именно в снижении большого приработочного износа находится резерв для технологического повышения износостойкости. Расчеты по зависимости (7) показывают, что на величину интенсивности изнашивания влияют распределение контактных давлений, параметры шероховатости и поверхностная микротвердость, что создает предпосылки для разработки методов обработки винтовых поверхностей в целях повышения их износостойкости.

В четвертой главе были представлены теоретические исследования по технологическому повышению износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек трения скольжения. Проанализировав особенности изнашивания ходовых гаек скольжения, были разработаны два новых метода повышения их износостойкости.

1. Получение ходовой гайки с переменным средним диаметром резьбы, приращение которого создает равномерное (для механизмов с односторонней нагрузкой или двусторонней при равном соотношении) или рациональное с точки зрения симметричности износа среднего витка (для механизмов с двусторонней нагрузкой при неравном соотношении прямой и обратной нагрузок) распределение давлений. Такая модификация винтовой поверхности возможна при нарезании резьбы резцом на станках с ЧПУ. Данный метод подойдет для беззазорных комбинированных тяжелонагруженных ((20 > 1кН) винтовых механизмов с цельной ходовой гайкой, особенно тонкостенной, имеющей более 10 витков. К таким механизмам относятся, например, механизмы перекладки стабилизаторов самолетов.

Были получены следующие функции изменения среднего диаметра, резьбы гайки от осевой координаты винтовой линии г при различных случаях нагружения:

- при соотношении нагрузок обратного и прямого хода <2о6р / <2п/) = 0.. .0,3

<2„„с?г(а /2) , = г' (10)

где £>2« - средний диаметр резьбы по ГОСТ 9484-81; £>3 - диаметр тела гайки.

- при соотношении нагрузок ()о6р / ()пр = 0,7... 1

г = ——0 --;——г

2 2 яЕГ(0;-0;)Н (П)

А(г) =

■ при соотношении нагрузок (2обр / ()пр = 0,3...0,7

Я 20сге(аг„ / 2) ,

2 ' лЕг(й;-0;)Н

02(г) =

А = А.

1 жЕ(Р; - О; )Н 1

, 8(0,-а*)

3£FгH:!fg(a„ / 2)

(а„ / 2) Е/,Н218 (а„ / 2)

2. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием по схеме с однороликовъш нецентральным инструментом (рис. 3, а) - основной метод обеспечения и повышения износостойкости, который подходит для ходовых гаек кинематических и комбинированных механизмов с трапецеидальной резьбой, нарезанной резцом и имеющей диаметр > 30 мм.

Для получения теоретических зависимостей параметров качества винтовой поверхности ходовой гайки от режимов обработки была предложена следующая физическая картина (рис 3, б). Взаимодействие витка и обрабатывающего ролика при обработке винтовых поверхностей с углом подъема < 5° и трапецеидальным профилем можно представить как контакт конических поверхностей, соприкасающихся по линии, являющейся рабочей высотой витка. При приложении деформирующей силы эта линия переходит в эллиптическую площадку. Процесс образования площадки контакта сопровождается пластическими деформациями в поверхностном слое. При вращении заготовки происходит процесс обкатывания, при этом снижается высота исходных неровностей и происходит упрочнение поверхностного слоя.

Математическое описание физической картины процесса обработки основывалось на последовательном рассмотрении взаимодействий в номинальной и фактической площадях контакта.

Рис. 3. Схема обработки (а) и схема, поясняющая физическую картину (б) для ОУО ППД внутренней винтовой поверхности

В качестве основного управляемого параметра процесса обработки используется фактическое контактное давление. Для пары стальной ролик -бронзовая гайка была получена зависимость фактического контактного давления от геометрии гайки и ролика и исходного качества винтовой поверхности:

0,27 -107^Р18(.а„ / 2)(Р2-Рр+ 0.5.У) '

5 ' • /тм>/202фр -0,55)(1 + /2)

где Р - сила деформирования; Вр - наружный диаметр ролика; В2 - средний диаметр резьбы; 5 — шаг резьбы; / — коэффициент трения; ^иисх Пр и £шисх-поп — исходные относительные опорные длины профиля шероховатости на уровне средней линии в продольном и поперечном направлениях соответственно.

Для определения параметра шероховатости Яг после ОУО ППД предложена зависимость:

✓ ч1/3

лРИа„„

(2^1+ /2 -1), (14)

Нмисх8асов(ап/2)^

где Яцисх - исходная микротвердость винтовой поверхности; Дг„сх; Лаисх -исходные параметры шероховатости винтовой поверхности; а - сторона номинальной площадки контакта, определяемая как:

г V2

' 4РЯ Л

а =

(15)

кжЕ„рсоз(а„12) ^

где Ипр - приведенный радиус витка и ролика; Епр - приведенный модуль

упругости материалов ролика и гайки.

При получении зависимости для определения относительной опорной длины профиля шероховатости при ОУО ППД использовалось моделирование единичной неровности эллиптическим параболоидом и условие постоянства объема при пластическом деформировании. Была получена зависимость:

Пп = \2,1^^21,тисхмр-Пписхгюп. (16)

Коэффициент упрочнения поверхности при ОУО ППД определялся исходя из положения о равенстве фактического контактного давления и поверхностной микротвердости материала при образовании фактической площади контакта:

к =-Ег-, (17)

т к -10 Н

Лточ (1иех

где кгоц- коэффициент упрочнения винтовой поверхности после'точения.

ОУО ППД целесообразно производить на отделочных (гайки кинематических винтовых механизмов) и отделочно-упрочняющих (гайки комбинированных механизмов) режимах с металлоплакирующим смазочным

В седьмой главе представлена методика технологического обеспечения износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек трения скольжения. Используя результаты теоретических и экспериментальных исследований, была разработана структурная схема общей методики технологического обеспечения износостойкости внутренней винтовой поверхности, включающая этапы расчетного определения интенсивности изнашивания, сравнения ее с допускаемым значением и в случае, если износостойкость не обеспечена -выбора методов повышения износостойкости (как известных, так и новых). Приведены особенности расчета на износ винтовых поверхностей ходовых гаек с различным функциональным назначением. Также рассмотрена методика конструкторско-технологического обеспечения износостойкости для проектируемых ходовых гаек, включающая этапы расчетов размеров гайки (по известным методикам), выбора материала, метода и режимов обработки для обеспечения необходимой долговечности гайки по критерию износа. Особое внимание уделено назначению режимов обработки. Приведен пример расчета экономического эффекта при повышении износостойкости ходовой гайки механизма линейного позиционирования типа QST фирмы bahr за счет ОУО ППД. Он составил 840,55 руб. на один механизм.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Научно обоснованно решены задачи технологического обеспечения износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек трения скольжения за счет применения отделочно-упрочняющей обработки ППД в комплексе с разработанным методом их расчета на износ и технологического повышения их износостойкости за счет закономерного изменения среднего диаметра и качества поверхности витков и технологической их реализации, что позволяет значительно увеличить долговечность современных винтовых пар.

2. Установлено, что процесс изнашивания винтовой поверхности ходовых гаек скольжения характеризуется нелинейностью, связанной с взаимодействием по криволинейной винтовой поверхности с несколькими контактами, приводящем к статической неопределимости. Рассмотрены решения задач по определению распределений нагрузки по виткам гайки с учетом функционального назначения механизма.

3. Получена теоретическая зависимость интенсивности изнашивания внутренней винтовой поверхности скольжения в период приработки от условий работы, геометрии гайки, материала и качества поверхности на основе современных представлений о физической картине взаимодействия винтовых поверхностей с учетом функционального назначения механизма и особенностей его эксплуатации. Зависимость учитывает нелинейность контактных взаимодействий, силовых и температурных напряжений.

4. Установлено, что значительное влияние на интенсивность изнашивания винтовой поверхности ходовой гайки скольжения оказывают неравномерность

распределения контактных давлений по виткам и качество винтовой поверхности.

5. Модернизирована экспериментальная установка для исследования процессов трения и изнашивания в винтовых передачах скольжения.

6. Установлена возможность выравнивания нагрузки по виткам беззазорной ходовой гайки за счет закономерного изменения среднего диаметра витков и разработана технология их получения.

7. Разработан и изготовлен универсальный однороликовый инструмент для ОУО ППД винтовых поверхностей ходовых гаек с диаметром резьбы более 30 мм.

8. Получены теоретические и экспериментальные зависимости, связывающие режимы обработки при ОУО ППД на основе схемы с однороликовым несоосным инструментом и параметры качества винтовой поверхности.

9. Установлена возможность создания винтовых поверхностей с закономерным изменением их качества и разработан метод ОУО ППД, обеспечивающий это. Описана методика получения зависимости перемещений инструмента от угла поворота шпинделя при обработке на станках с ЧПУ.

10. Экспериментально установлен значительный положительный эффект применения ОУО ППД внутренних винтовых поверхностей для повышения их износостойкости.

11. Разработаны общая методика технологического обеспечения износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек скольжения, а также методики расчета спроектированных ходовых гаек на износ и конструкторско-технологического обеспечения износостойкости проектируемых гаек с учетом функционального назначения винтового механизма.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах Список публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Суслов А.Г., Цуканов И.Ю. Конструкторско-технологическое обеспечение износостойкости винтовой пары трения скольжения// Трение и смазка в машинах и механизмах. 2010. №6. С 16-23.

2. Цуканов И.Ю. Функционально-ориентированный подход к обеспечению долговечности подвижной резьбы // Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2011. № 4(04). С 10-19.

3. Цуканов. И.Ю. Отделочно-упрочняющая обработка ППД резьбовых поверхностей ходовых гаек. «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии» ОрелГТУ, 2010. №2-4 (292) С 71-75.

4. Цуканов И.Ю. Моделирование упрочняющей обработки резьб ходовых гаек пластическим деформированием по предварительно нарезаемым канавкам // Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2012. № 11. С 34-38.

Список публикаций в других изданиях

5. Прокофьев А.Н., Цуканов И.Ю. Расчет винтовых передач скольжения на износ с учетом технологии изготовления ходовых гаек. Материалы международной научно-технической конференции: «Процессы механической обработки в машиностроении». Сб. трудов Международной научно-технической конференции: «Процессы механической обработки в машиностроении». Житомир: Изд-во Житомирского гос. тех. университета, 2009. С 221-227.

6. Цуканов И.Ю. Математическая модель изнашивания винтовой передачи скольжения. Тез. докл. региональной конференции студентов и аспирантов «Достижения молодых ученых Брянской области». Брянск: Изд-во БГТУ, 2010. С 83-85.

7. Цуканов И.Ю. Направления совершенствования обработки резьбы ходовых гаек для обеспечения их износостойкости. Сборник трудов 3-й Международной научно-технической конференции «Модернизация машиностроительного комплекса России на научных основах технологии машиностроения (ТМ-2011)». Брянск: Десяточка, 2011. С. 166-167.

8. Цуканов И.Ю. Технологическое обеспечение износостойкости ходовых гаек на базе функционально-ориентированного подхода. Будущее машиностроения России: сб. тр. Всерос. конф. молодых ученых и специалистов. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. С. 51-53.

9. Суслов А.Г., Прокофьев А.А., Цуканов И.Ю. Повышение долговечности неподвижных и подвижных резьбовых соединений. Les problemes contemporains du technosphere et de la formation des cadres d'ingenteurs. Труды международной конференции в Табарке (Тунис) (615 октября 2011 г.). С. 204 - 207.

10. Цуканов И.Ю. Обеспечение износостойкости ходовых гаек винтовых пар скольжения на базе уточненной теоретической модели их изнашивания. Тез. докл. ХХ1П Международной Инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов МИКМУС-

2011. М.: Мзд-во ИМАШ РАН, 2011. С 94.

11. Цуканов И.Ю. Особенности отделочно-упрочняющей обработки ППД резьбовых поверхностей ходовых гаек. Тез. докл. XV Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы техники и технологии. Технология-2012». М.: Издательский дом «Спектр». С 141-142.

12. Цуканов И.Ю. Технологические процессы изготовления типовых ходовых гаек, обеспечивающие их долговечность. ZZ Известия МГИУ. Естественные и технические науки.

2012. № 1(24). С 22-26.

13. Суслов А.Г., Цуканов И.Ю. Наукоёмкая технология гетерогенной отделочно-упрочняющей обработки резьбовых поверхностей трения скольжения. Материалы IV Международной научно-технической конференции «Наукоёмкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении. Часть II. Рыбинск, 2012. С 232-237,

14. Цуканов И.Ю. Методика технологического обеспечения износостойкости резьбовых поверхностей ходовых гаек скольжения. Научные труды II международной научной конференции «Фундаментальные исследования и инновационные технологии в машиностроении». М.: Изд-во «МИКЛОШ», 2012. С 487-490.

Патенты РФ на изобретения:

15. Пат. РФ № 2414998 «Резцовая головка для фрезерования резьбы» Z Прокофьев А.Н., Малахов Ю.А., Цуканов И.Ю. Опубл. 27.03.2011. Бюл. № 9.

16. Пат. РФ № 2470198 Подвижное резьбовое соединение с выравниванием нагрузки по виткам резьбы. Суслов А.Г., Цуканов И.Ю. Опубл. 20.12.2012. Бюл. № 35.

Патенты РФ на полезные модели:

17. Пат. РФ № 102076 «Гайка для ходового винта» Z Прокофьев А.Н., Цуканов И.Ю. Опубл. 10.02.2011. Бюл. №4.

Подписано в печать 21.04.2013г.

Усл.п.л. - 1.5 Заказ №13573 Тираж: 75экз.

Копицентр «Чертеж.ру» ИНН 7701723201 107023, г.Москва, ул.Б.Семеновская 11, стр.12 (495) 542-7389 www.chertez.ru

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

АВТОМОБИЛЬНЫЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА ТЕХНОЛОГИИ И МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СИСТЕМ

АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИЯ

04201356661

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ВИНТОВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ХОДОВЫХ

ГАЕК ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ

Специальности:

05.02.07 - технология и оборудование механической и физико-технической обработки; 05.02.04 - трение и износ в машинах

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

ЦУКАНОВ Иван Юрьевич

Научный руководитель -д.т.н., проф. Суслов А.Г.

Москва 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

Глава 1. Современное состояние проблемы технологического повышения износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек скольжения........13

1.1. Классификация винтовых поверхностей ходовых гаек скольжения, их долговечность и области применения................................................13

1.2. Контактное взаимодействие, трение и износ винтовых поверхностей трения скольжения...........................................................................17

1.3. Существующие методы обработки наружных и внутренних винтовых поверхностей скольжения......................................................33

Выводы...................................................................................43

Глава 2. Методика проведения исследований.......................................44

2.1. Методика проведения теоретических исследований...........................45

2.2. Методика проведения экспериментальных исследований...............48

2.2.1. Подготовка экспериментальных образцов...............................48

2.2.2. Измерительное оборудование.......................................51

2.2.3 Математический аппарат обработки экспериментальных

данных...................................................................................55

Глава 3. Теоретические исследования трибологических характеристик винтовых пар трения скольжения.......................................................................60

3.1. Контактное взаимодействие винтовых поверхностей в винтовых парах трения скольжения.....................................................................61

3.2. Расчетное определение коэффициента и сил трения в винтовой паре скольжения.....................................................................................75

3.3. Температура трения и температурные деформации винтовой поверхности ходовых гаек........................................................................................79

3.4. Определение интенсивности изнашивания витков ходовой гайки в период приработки............................................................................83

3.5. Перераспределение износа витков в период приработки.................86

Полученные результаты и выводы.................................................93

2

Глава 4. Теоретические исследования по технологическому обеспечению и повышению износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек трения

скольжения....................................................................................95

4.1. Повышение износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек за счет технологического обеспечения закономерного изменения среднего диаметра витков...............................................................................95

4.2. Технологическое обеспечение и повышение износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек за счет отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием......................101

4.2.1. Сущность обработки и физическая картина процесса........103

4.2.2. Разработка теории отделочно-упрочняющей обработки внутренних винтовых поверхностей эксцентрично расположенным однороликовым инструментом...................................................106

4.2.3. Повышение износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек скольжения методом ОУО ППД с закономерным

изменением качества винтовой поверхности..................................121

Полученные результаты и выводы...............................................123

Глава 5. Экспериментальные исследования по технологическому обеспечению параметров качества винтовых поверхностей ходовых гаек скольжения.............................................................................................................127

5.1. Проектирование инструмента для ОУО ППД винтовых поверхностей ходовых гаек скольжения..................................................................127

5.2. Технологическое обеспечение параметров качества внутренних винтовых поверхностей скольжения...................................................133

Полученные результаты и выводы...............................................146

Глава 6. Экспериментальные исследования износостойкости винтовых

поверхностей ходовых гаек скольжения.............................................148

6.1. Модернизация установки для исследований процессов трения и изнашивания в винтовой паре скольжения.............................................148

6.2. Результаты экспериментальных исследований коэффициента трения и

износа винтовых поверхностей ходовых гаек трения скольжения...............159

Полученные результаты и выводы...............................................166

Глава 7. Методика технологического обеспечения износостойкости

винтовых поверхностей ходовых гаек трения скольжения....................167

7.1. Методика расчета винтовых поверхностей ходовых гаек скольжения

на износ с учетом функционального типа винтового механизма..................169

7.2. Методика конструкторско-технологического обеспечения износостойкости винтовых поверхностей проектируемых ходовых гаек трения

скольжения....................................................................................174

7.3. Расчет экономического эффекта от внедрения разработанных методики технологического обеспечения и методов повышения износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек трения

скольжения....................................................................................180

Общие результаты и выводы по диссертационной работе.....................186

Список литературы........................................................................188

Введение

Актуальность работы. Винтовые пары трения скольжения используются для преобразования движения из вращательного в поступательное с высокой точностью при стесненных габаритах и существенной осевой нагрузке. Основными областями техники, где применяются винтовые пары с трением скольжения, являются: авиастроение (механизмы управления закрылками, стабилизаторами и т.д.), производство заготовок (прокатные станы, прессы), техника для проведения испытаний (стенды, подъемники), металлорежущие станки.

Основной недостаток винтовых передач трения скольжения -повышенный износ винтовых поверхностей ходовых гаек, расчетная оценка которого позволяет предупредить различные негативные явления, начиная с брака продукции от потери точности исполнительным органом технологического оборудования до авиакатастрофы и снизить себестоимость обслуживания машин. Разработка новых и модернизация существующих методов обработки внутренних винтовых поверхностей, повышающих износостойкость ходовых гаек позволяет повысить надежность узлов машин с винтовыми парами скольжения.

Работы по исследованию изнашивания винтовых пар начались в 60-е годы 20 века. Основные работы, посвященные этой проблеме - работы Д.Н. Гаркунова, А.П. Грибайло, Ю.Н. Дроздова, И.В. Крагельского, П.А. Курапова, А.И. Турпаева. В этих работах были затронуты вопросы взаимодействия резьбовых поверхностей при трении, механизм их изнашивания, даны рекомендации по проектированию и применению смазочных материалов, а также особенности возникновения явления избирательного переноса в контакте винта и гайки при трении.

В работах И.В. Крагельского и П.А. Курапова сформулированы методы расчета внутренних резьбовых поверхностей на износ, один из которых является теоретическим, а второй теоретико-экспериментальным.

Теоретико-экспериментальный метод П.А. Курапова требует проведения стендовых испытаний и не позволяет оценить влияние технологии изготовления винтовой поверхности на ее износостойкость, хотя экспериментальные исследования других авторов указывают на существенное влияние качества винтовой поверхности на износостойкость ходовой гайки.

В то же время, зависимость для расчета интенсивности изнашивания, предложенная И.В. Крагельским не учитывала температурный фактор, режим трения и неравномерность распределения нагрузки по виткам.

Современные исследования в различных областях технических наук: трибология, механика деформируемого твердого тела, инженерия поверхности позволяют разработать метод теоретической оценки износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек с учетом их функционального назначения и технологии изготовления.

Анализ работ, в которых технологически достигалось повышение износостойкости внутренних винтовых поверхностей показывает, что в этих целях достаточно разработаны только методы раскатывания и комбинированной режуще-деформирующей обработки резьб (работы О.С. Андрейчикова, А.Н. Афонина, A.B. Киричека, В. А. Косарева, В.М. Меньшакова, Э.В. Рыжова, А.Е. Стешкова, B.C. Середы, Г.П. Урлапова), которые экономически целесообразны для узкого диапазона типоразмеров резьб гаек винтовых механизмов скольжения, за исключением силового функционального типа. Кроме того, отсутствует четкая методика выбора методов обеспечения износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек, в зависимости от их размеров и функционального назначения.

Поэтому разработка методов обеспечения и повышения износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек с учетом их функционального назначения и методологии их выбора в комплексе с методом расчетной оценки износостойкости внутренних винтовых поверхностей открывает новые возможности повышения качества и снижения себестоимости этих

ответственных деталей машин при проектировании и изготовлении, что является актуальной задачей современного машиностроения.

Цель работы: технологическое обеспечение и повышение износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек трения скольжения с учетом их функционального назначения. Задачи работы:

1. Получить теоретическую зависимость интенсивности изнашивания винтовой поверхности ходовой гайки трения скольжения от условий работы, геометрии гайки, ее материала и качества поверхности на основе современных представлений о физической картине взаимодействия винтовых поверхностей в различных типах механизмов. Экспериментально проверить полученную зависимость.

2. Модернизировать экспериментальную установку для исследования изнашивания винтовых механизмов трения скольжения в целях обеспечения возможности исследования коэффициента трения и износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек различного функционального назначения.

3. На основе анализа влияния параметров качества поверхностного слоя внутренней винтовой поверхности скольжения на ее износостойкость, разработать универсальный финишный метод обработки, позволяющий обеспечивать износостойкость винтовой поверхности ходовых гаек скольжения на определенную величину с широкими технологическими возможностями. Разработать теоретические зависимости, связывающие режимы обработки и параметры качества винтовых поверхностей. Экспериментально проверить данные зависимости.

4. На основе анализа модели изнашивания внутренней винтовой поверхности скольжения определить дополнительные технологические воздействия, позволяющие усовершенствовать известные методы их обработки в целях повышения износостойкости.

5. Создать обшую методику технологического обеспечения износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек трения скольжения с учетом функционального назначения винтового механизма.

Объект исследования: винтовые поверхности ходовых гаек трения скольжения.

Предмет исследования: процесс изнашивания винтовых поверхностей ходовых гаек скольжения и методы технологического обеспечения и повышения их износостойкости.

Методика исследований: Теоретические исследования в области изнашивания винтовых поверхностей ходовых гаек трения скольжения базируются на усталостной теории изнашивания И.В. Крагельского, положениях механики деформируемого твердого тела, инженерии поверхности, методах дифференциального и интегрального исчисления, численных методах. Теоретические исследования в области технологического обеспечения и повышения износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек скольжения базируются на положениях механики деформируемого твердого тела, теориях отделочно-упрочняющей обработки, инженерии поверхности, научных основах технологии машиностроения, аналитической геометрии, методах дифференциального и интегрального исчисления, численных методах.

При проведении экспериментов были использованы методы планирования.

Анализ результатов экспериментальных исследований выполнен с использованием методов математической статистики и алгоритмов фильтрации сигналов.

Научная новизна по специальности 05.02.07. «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки»:

• разработана математическая модель процесса отделочно-упрочняющей обработки ППД внутренней винтовой поверхности на основе полученных теоретических зависимостей, связывающих параметры качества поверхностного слоя и режимы обработки.

• установлено определяющее влияние фактического контактного давления при ОУО ППД на интенсивность изнашивания винтовой поверхности ходовой гайки, что позволило разработать способ выравнивания интенсивностей изнашивания по виткам ходовой гайки за счет закономерного изменения качества винтовой поверхности.

Научная новизна по специальности 05.02.04 «Трение и износ в машинах»:

• впервые в теоретической зависимости для определения интенсивности изнашивания винтовой поверхности ходовой гайки трения скольжения, полученной на основе усталостной теории изнашивания И.В. Крагельского, комплексно учтены качество внутренней винтовой поверхности, нелинейность силовых и температурных напряжений и деформаций в винтовом сопряжении, обусловленная статической неопределимостью системы, перераспределение нагрузки по виткам гайки в процессе приработки.

• разработано подвижное резьбовое соединение с переменным средним диаметром винтовой поверхности ходовой гайки, обеспечивающее равномерное распределение контактных давлений по виткам при односторонней нагрузке, а также рациональные с точки зрения симметрии износа распределения контактных давлений по виткам при реверсивной нагрузке с различным

соотношением прямой и обратной нагрузок. Получен патент на

изобретение.

Автор защищает:

• математические модели определения распределений контактных давлений с учетом особенностей работы винтовых механизмов, температурных напряжений, сил трения по виткам резьбы ходовой гайки.

• теоретическую зависимость для определения начальной интенсивности изнашивания витков ходовой гайки в период приработки и математическую модель изнашивания витков с учетом перераспределения нагрузок на них.

• методику расчетного определения износостойкости винтовой поверхности ходовой гайки с учетом функционального назначения винтового механизма.

• метод отделочно-упрочняющей обработки внутренней винтовой поверхности пластическим деформированием по схеме с однороликовым нецентральным инструментом с постоянным или закономерным изменением качества поверхности.

• теоретические и экспериментальные зависимости, связывающие параметры качества внутренней винтовой поверхности и режимы отделочно-упрочняющей обработки ППД.

• математическую модель ОУО ППД с закономерным изменением качества винтовой поверхности.

• методику технологического обеспечения износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек трения скольжения с учетом функционального назначения винтового механизма.

Практическая ценность:

• разработана методика расчетного определения износостойкости винтовой поверхности ходовой гайки с учетом функционального назначения винтового механизма.

• модернизирована установка для исследования трения и изнашивания в винтовых механизмах скольжения.

• разработана конструкция инструмента для реализации метода ОУО ППД внутренней винтовой поверхности по схеме с однороликовым несоосным инструментом.

• разработана научно обоснованная методика технологического обеспечения износостойкости винтовых поверхностей ходовых гаек скольжения с учетом их функционального назначения.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах: 3-ей Международной научно-технической конференции «Модернизация машиностроительного комплекса России на научных основах технологии машиностроения (ТМ-2011) (г. Брянск, 2011 г); Международной научно-практической конференции «Итоги и перспективы интегрированной системы образования в высшей школе России: образование -наука - инновационная деятельность» (г. Москва, 2011 г.); 4-ой Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (г. Москва, 2011 г.); XXIII Международной Инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов МИКМУС-2011 (г. Москва, 2011 г.); IV Международной научно-т�