автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологическое обеспечение качества поверхностного слоя деталей машин на основе оценки его характеристик с применением теории фракталов

На правах рукописи

ГЕНЕРАЛОВА Александра Александровна

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН НА ОСНОВЕ ОЦЕНКИ ЕГО ХАРАКТЕРИСТИК С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕОРИИ ФРАКТАЛОВ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

2 2 ИЮН 2012

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2012

005046076

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

АРТЁМОВ Игорь Иосифович.

Официальные оппоненты: САВИЦКИЙ Владимир Яковлевич,

доктор технических наук, профессор, Военный учебно-научный центр Сухопутных войск «Общевойсковая академия вооруженных сил Российской Федерации» (филиал в г. Пензе), профессор кафедры «Общепрофессиональные дисциплины»;

СПИЦЫН Иван Алексеевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия», проректор по учебной работе.

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им. Ю. А. Гагарина».

Защита состоится 5 июля 2012 г., в 14 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.03 в ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Автореферат разослан « У » Ц.Ц2Ш4 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Воячек Игорь Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важнейшим фактором, определяющим качество деталей и соединений, является состояние поверхностей, которое формируется в процессе изготовления. Установление взаимосвязи качества поверхности с технологическими параметрами и условиями обработки возможно только на основе адекватной параметрической оценки состояния поверхности после обработки.

Обработка поверхностей современными технологическими методами (концентрированными потоками энергии, электрофизическая, электрохимическая, нанесением покрытий и др.) часто формирует шероховатость, имеющую сложную геометрическую форму (грибообразные, гребешковые и чешуйчатые структуры). Применение стандартных методов и параметров для оценки свойств подобных поверхностей малоэффективно. В то же время имеются исследования, направленные на применение теории фракталов при описании свойств поверхностей. Такой подход дает возможность оценки свойств шероховатой поверхности независимо от формы ее элементов и плотности их распределения, что позволяет повысить информативность и адекватность оценки и назначить эффективные режимы обработки. Однако исследований, выполненных в указанном направлении, недостаточно - не разработаны методические основы данного подхода.

Таким образом, тема диссертационной работы, направленная на технологическое обеспечение качества поверхностного слоя деталей машин на основе оценки характеристик поверхности с применением теории фракталов, является актуальной.

Цель работы - технологическое обеспечение качества поверхностного слоя деталей машин при обработке методами, позволяющими формировать шероховатость сложной геометрии, на основе адекватной оценки характеристик поверхности с применением теории фракталов.

Объект исследования - взаимосвязи между режимами обработки и качеством поверхностного слоя деталей машин.

Предмет исследования - адекватная оценка и обеспечение качества поверхности при обработке технологическими методами, обеспечивающими формирование сложного профиля шероховатости, на основе теории фракталов.

Методы исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений технологии машиностроения, теории фракталов, математического анализа, моделирования методом конечных элементов (МКЭ). Экспериментальные исследования прово-

ч

дались с применением теории планирования эксперимента и аттестованных средств измерения: профилометра Сейтроник ПШ8-4 С .С., толщиномера Константа К5, микроскопа МИМ-7. Обработка экспериментальных данных выполнялась методами математической статистики с использованием вычислительной техники и программного обеспечения (ПО) Advanced Grapher 2.11, а также специально разработанного ПО.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются результатами теоретических и экспериментальных исследований, их сходимостью, а также результатами моделирования методом конечных элементов и реализации методики в производственных условиях.

На защиту выносятся:

1. Методика технологического обеспечения качества поверхности при обработке методами, обеспечивающими формирование шероховатости со сложной геометрией, на основе оценки свойств поверхности с применением фрактальных параметров.

2. Методика определения фрактальных параметров шероховатости поверхности.

3. Комплекс фрактальных параметров, позволяющий адекватно оценивать характеристики шероховатости поверхности и назначать эффективные режимы обработки.

4. Соотношения между стандартными и фрактальными параметрами шероховатости, позволяющие проводить их сравнительную оценку.

5. Зависимости, устанавливающие взаимосвязь режимов обработки поршневых колец с показателями качества поверхностей и рекомендации по их технологическому обеспечению.

Научная новизна:

1. Разработана методика технологического обеспечения качества поверхности для методов обработки, обеспечивающих формирование шероховатости сложной геометрической формы, на основе оценки характеристик поверхности с применением теории фракталов, и показана ее эффективность.

2. Установлен комплекс фрактальных параметров, адекватно оценивающий качество поверхности, имеющей шероховатость сложной формы, с учетом которого можно определять эффективные технологические режимы обработки и обеспечивать заданные свойства поверхности, и разработана методика его определения.

3. Получены соотношения между стандартными и фрактальными параметрами шероховатости, позволяющие проводить сравнительную оценку их эффективности.

4. Получены эмпирические зависимости (на примере обработки поршневых колец), устанавливающие взаимосвязь технологических режимов обработки с показателями качества поверхности (фрактальными параметрами шероховатости, пористостью, твердостью, толщиной покрытия).

Практическая ценность:

1. Разработанная методика технологического обеспечения качества поверхностного слоя на основе применения фрактальных параметров для оценки свойств обрабатываемой поверхности позволяет назначать эффективные режимы обработки и обеспечивать заданные свойства поверхности с минимальной себестоимостью.

2. Полученные зависимости, устанавливающие взаимосвязь режимов обработки поршневых колец с фрактальными параметрами и другими показателями качества поверхности, позволяют обеспечивать заданные эксплуатационные свойства поверхности колец.

3. Разработаны методика и программное обеспечение для определения фрактальных параметров.

Реализация результатов работы. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований использовались при выполнении госбюджетной научно-исследовательской работы по заказу Министерства образования и науки Российской Федерации «Научные основы наноструктурирования для обеспечения качества поверхностного слоя ответственных деталей машиностроения». Результаты исследований приняты к внедрению в ОАО «Пен-задизельмаш».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-технических конференциях и симпозиумах: «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» (г. Москва, 2006); «Технологический, технический и информационный сервис как базовые факторы модернизации производства» (г. Кострома, 2006), «Надежность и качество» (г. Пенза, 2007,2008,2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 статей (9 статей без соавторов), из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 146 наименований и приложений. Работа изложена на 113 страницах основного текста, включает 65 рисунков и 21 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы; приведены цель и задачи исследования, основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе выполнен обзор научных работ по вопросам исследования проблем технологического обеспечения и оценки заданных свойств поверхности. Сформулированы задачи исследований.

Вопросами определения взаимосвязи качества поверхности с технологическими условиями обработки посвящены работы отечественных ученых В. Ф. Безъязычного, А. В. Боярникова, А. А. Маталина, Л. Ю. Пружанского, Э. В. Рыжова, А. Г. Суслова и др. В результате обработки деталей механическими методами образующаяся шероховатость имеет регулярный характер и может быть оценена стандартными геометрическими параметрами И„, Я„ Ятам Б, <£„, 1р. Для ее моделирования используются простые геометрические формы: конус, сфера, цилиндр.

В настоящее время широко применяются электрофизические (обработка электроэрозионная (рис. 1 ,а), электромеханическая, лучевая, рис. 1,6) и электрохимические (обработка поверхностная электрохимическая, рис. \,в, анодно-гидравлическая и анодно-механическая) методы обработки, а также различные покрытия. Форма элементов шероховатости при воздействии на материал концентрированных потоков энергии существенно отличается от форм элементов шероховатости, получаемых механической обработкой. Шероховатость, формируемая такими методами, как правило, не носит регулярного характера и часто имеет грибообразные и гребешковые структуры (см. рис. 1). К таким рельефам традиционные геометрические формы, применяемые при моделировании, не подходят, а стандартные геометрические параметры для оценки данных рельефов оказываются малоэффективными, на их основе нельзя прогнозировать эксплуатационные свойства поверхности.

а) б) в)

Рис. 1. Рельеф поверхностей, полученных разными технологическими методами обработки

В настоящее время для оценки шероховатости поверхности сложного профиля применяется теория фракталов и фрактальной размерности, потенциальные возможности которой применительно к описанию поверхностей рассмотрены в работах Ф. М. Бородина, Д. А. Онищенко, В. С. Ивановой, В. В. Лепова, О. Ф. Вячеславовой и др. Она дает возможность оценивать шероховатость поверхности независимо от формы ее элементов и плотности их распределения. Существуют различные методы определения фрактальной размерности и других оценочных характеристик теории фракталов. Однако не разработана комплексная методика, позволяющая оценивать шероховатость поверхности, имеющую сложную геометрическую форму (сюрьеюгавные структуры), и назначать эффективные технологические режимы обработки для обеспечения заданных свойств поверхности.

Таким образом, проведенный анализ показал актуальность цели работы и необходимость решения поставленных в ней задач.

На основе вышеизложенного и в соответствии с целью в диссертационной работе поставлены следующие задачи:

1. Установить комплекс фрактальных параметров, позволяющих адекватно оценивать характеристики поверхности с шероховатостью, имеющей сложную геометрическую форму, и разработать методику их определения.

2. Установить взаимосвязь между стандартными и фрактальными оценочными параметрами шероховатости.

3. Разработать методику технологического обеспечения качества путем назначения эффективных режимов обработки поверхностей на основе оценки ее характеристик с применением фрактальных параметров.

4. Провести теоретические и экспериментальные исследования, подтверждающие достоверность разработанной методики, и оценить результативность предложенных режимов обработки.

5. Разработать программное обеспечение для количественной оценки шероховатости поверхности со сложным (сюрьективным) профилем.

6. Осуществить практическую реализацию результатов работы.

Во второй главе разработана методика оценки шероховатости

поверхности сложной геометрии на основе теории фракталов.

Поверхность деталей машиностроения является фрактальной структурой. Любая фрактальная структура обладает монофрактальными или мультифрактальными свойствами.

Монофрактальный анализ состоит из следующих этапов:

- проведение аффинных преобразований над исходным фракталом для приведения его к единичному масштабу;

- определение границ самоподобия;

- определение фрактальной размерности D0;

- проверка самоподобия.

Пусть фрактальная структура представляет собой множество А = Ц}?=1, где о, =<х,у> - координата /'-й точки фрактальной кривой; п - количество точек. Множество А необходимо преобразовать в А' так, чтобы выполнялось следующее ограничение:

Уа(=<х„у,> при хе [0,1], >>е[0,1]. (1)

Преобразование А в А' состоит из двух шагов:

- перенос элементов в начало координат;

- приведение к единичному масштабу.

Для исходного множества А справедливо утверждение Ve, =<Xj, yt > при х е [xminxmax ], у е [ymin, ymsK ].

Так как в общем случае xmin и ymin 0, то необходимо перенести элементы множества А = {а,} в начало координат:

Va't = < х],у\ > при х; = х¡-xmin, у; = у, -утт.

После выполнения операции переноса элементы множества А = {а,} необходимо привести к единичному масштабу для удовлетворения условия (1):

х' х'

X Y

Лшах -'•шах

Для определения фрактальной размерности предложено использовать метод вертикальных сечений, который основан на аппроксимации профиля мерными элементами. Для оценки шероховатости в качестве мерного элемента приняты отрезки S, а фрактальную размерность можно определить по формуле Хаусдорфа. Экспериментально установлено, что профилограммы следует оценивать мерными отрезками бе(0,01;0,35). Разработан алгоритм, позволяющий исследовать сюрьективные структуры. Визуальное представление механизма аппроксимации показано на рис. 2, где ломаная аха2аъ - неко-

торый участок фрактальной кривой; е определяет точность вычислений; т, п, п' - промежуточные точки аппроксимации.

Рис. 2. Аппроксимация мерными отрезками участка кривой: 5 - откладываемый мерный отрезок; s - величина, определяющая точность;

8/s - составляющие мерного отрезка при заданной точности

Если точка и' на промежуточном этапе вычислений находится вне точек фрактальной кривой, т.е. тп'< 8 или тп'>та2, то аппроксимация переходит на следующую составляющую, т.е. на а2а3. В конечном итоге определяется отрезок тп, равный мерному отрезку 8, и т.д.

Таким образом, для определения фрактальной размерности D необходимо выполнить следующие шаги:

1. Определить множество величин мерных отрезков {5}™,, для которых будет производиться исследование. Причем V8, 8,- е [/min, /тах], где /min и /тах являются границами самоподобия.

2. Для каждого 8, с помощью описанной аппроксимации определить количество мерных отрезков Nt, которое возможно отложить на исследуемой кривой.

3. Нанести точки In 1/8,In// на график (рис. 3).

4. Провести аппроксимацию функцией вида у = кх + Ъ, где к есть фрактальная размерность D.

-1.2 -2.4 -3.6 -4.8

Рис. 3. Определение фрактальной размерности D шероховатости поверхности

Мультифрактальный анализ состоит из следующих этапов:

- определение фрактальной размерности D0, являющейся показателем «изрезанное™» структуры;

- построение спектра фрактальных размерностей Dq;

- определение степени однородности структуры D^;

- определение степени скрытой периодичности К;

- определение меры упорядоченности А.

Спектр обобщенных фрактальных размерностей Dq (размерности Реньи) для расчета оценочных показателей определяется также при 8е(0,01; 0,35) для каждой размерности, причем в качестве градиентных факторов в разработанной методике предлагается рассматривать доли профилограммы, приходящиеся на каждый аппроксимирующий отрезок.

Достоверность разработанной методики подтверждена путем проведения фрактального анализа кривых Коха и Киссветтера. Погрешность определения фрактальной размерности составила 7 %.

В дальнейшем данная методика используется для информативной оценки качества поверхности при обработке технологическими методами, обеспечивающими шероховатость со сложной геометрией.

В третьей главе проведены исследования эксплуатационных свойств поверхностей, имеющих разные геометрические профили, с использованием стандартных и фрактальных параметров в среде МКЭ-анализа Solid Works Simulation. Модели шероховатых поверхностей показаны на рис. 4. При исследовании свойств шероховатой поверхности детали МКЭ были использованы следующие граничные

условия (рис. 5): на поверхность детали 1 прикладывалась нормальная равномерно распределенная сила Р = 1 Н; для детали 2, имеющей шероховатую поверхность, задавались ограничения в виде отсутствия перемещений; в зоне контакта поверхностей (деталей 1 и 2) применялись граничные условия в виде «нет проникновения». Геометрические параметры моделей: Ятт = 3,214 мкм, Б = 16,4 мкм, = 137,5 мкм.

0 а 0п

Рис. 4. Модели шероховатых поверхностей: а - профиль поверхности с традиционной структурой; б - профиль поверхности с сюрьективной структурой при Я,,, ф , Яф Б'

Рис. 5. Расчетная модель контактирования поверхностей

Установлено, что при одних и тех же высотных и шаговых параметрах шероховатости поверхности поверхностный слой с традиционным профилем прочнее (следовательно, износостойкость будет выше), чем поверхностный слой с сюрьективным профилем. В частности, прочность поверхности с традиционной формой выступов в 1,2-6 раз выше, а жесткость в 1,5-2 раза больше, чем прочность шероховатого слоя со сложной формой выступов; перемещения поверхностей с сюрьективным профилем увеличиваются в 1,5-2 раза; деформации увеличиваются в 6 раз.

Определено, что несущая способность поверхности увеличивается при увеличении фрактальных параметров.

Для установления статистической связи стандартных и фрактальных параметров шероховатости проведены исследования, целями которых являлись:

а) подтверждение возможности использования группы фрактальных параметров шероховатости при оценке свойств поверхностей с традиционным профилем (табл. 1);

б) установление возможности использования группы стандартных показателей шероховатости для измерения параметров со сложной структурой шероховатости поверхности.

Таблица 1

Соотношение между стандартными и фрактальными параметрами

шероховатости

Поверхности с традиционной формой выступов Поверхности со сложной геометрией

Лтах = 90А,-99.6 Ятах= 1000^- 1020,5 Я™ = 2250^-19,5 Ятах= ЮООД- 190,5 Бт = 423460 £>02 - 959535Д) + 543604 Бт = 33924 6593457?+«,+ 32095 = 66964К2 - 4977К + 160 Я«, = 66964Д2 - 4977Д + 1855 120266Д)-278089А)+ 160756 998- 1994£>^+ 1012 5 = -А\Кг+69К+ 15,7 5= 3712Д2- 1541Д+ 167,65 Бт= -243307 Г>1 +556170Д,-317695 5,„=84£>+2„-16£>+00+82 5И= 66964К2 - 4977К + 160 5И=3100Д2-96Д+ 1855 5=8,6Д,+ 3,5А>+2,8 5= 7,1 Я2„- 10,01^+ 5 5 = —5406/Г2 + 748АГ + 23,34 5 = -2,4 Д2 + 69 Д + 15

Так как параметры этих групп не находятся во взаимно-однозначном соотношении, для реализации первой цели получены статистические взаимосвязи между каждым стандартным параметром и всеми фрактальными параметрами. Подтверждена адекватность связей, определены статистические погрешности их соответствия. Множественный коэффициент корреляции находится в пределах Я = 0,96... 0,99.

Для реализации второй цели проведены сравнения стандартных показателей, определенных при исследовании поверхностей (см. рис. 4,6) реального профиля (Ь/а> 1) и загрубленного вследствие их физической нечувствительности к реальному профилю боковой поверхности выступов Ыа< 1.

Установлено, что для подобных случаев погрешности в определении Sm и S могут достигать 80 и 58 % соответственно. Поэтому при необходимости перехода от фрактальных к стандартным параметрам следует использовать зависимости для поверхностей со сложной геометрией (см. табл. 1).

Таким образом, можно сделать вывод, что определение эксплуатационных показателей поверхностей сложной геометрической формы стандартными оценочными параметрами будет малоэффективным и неадекватным. Исследования показали, что оценочные параметры теории фракталов являются весьма чувствительными к изменению геометрии неровностей поверхности, что в дальнейшем используется для оценки поверхности при определении равновесной шероховатости.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований показателей качества поверхности, имеющей шероховатость сложной геометрической формы, на примере хромированной поверхности поршневых колец двигателей внутреннего сгорания.

Одной из доводочных операций изготовления поршневых колец является хонингование, в результате которой происходит формирование шероховатости, благоприятной для хромирования. С целью определения параметров хромирования, в результате которого формируется шероховатость, близкая к равновесной, проведены стендовые испытания дизельного двигателя 1-ПДГ4Д в течение 80 ч. Для проведения эксперимента кольца для четырех поршней (6 колец на каждом поршне) хромировались при следующий режимах (время хромирования — 7,5 ч - и температура электролита -50-52 °С - для всех колец неизменны):

-поршень № 1: сила тока / = 600 А, концентрация хромового ангидрида С = 100 г/л;

- поршень № 2: сила тока / = 650 А, концентрация хромового ангидрида С = 100 г/л;

-поршень № 3: сила тока / = 600 А, концентрация хромового ангидрида С = 150 г/л;

- поршень № 4: сила тока I = 650 А, концентрация хромового ангидрида С = 150 г/л.

На основе проведенных исследований выявлено, что оптимальными для операции хромирования поршневых колец являются следующие режимы: ток - 650 А, содержание ангидрида - 100 г/л. При таких режимах обработки исходная шероховатость поверхности поршневых колец близка к равновесной. Изменение стандартных параметров шероховатости и параметров теории фракталов (табл. 2) при таких режимах обработки меньше, чем при других режимах, и это по-

зволяет сделать вывод, что износ поверхностных слоев в процессе приработки незначителен.

Таблица 2

Изменение параметров теории фракталов и стандартных параметров компрессионного поршневого кольца

Номер опыта (поршня) Изменение исследуемых параметров, %

Фрактальные оценочные Стандартные характеристики

параметры оценки шероховатости

А> К Д Яа ^тах 5

1 19 31 2 5 8 5 1 0,1

5 2 V 3 3 - 0,3 0,04

3 24 41 2 6 6 4,38 1,03 1

4 8 39 0,2 5 3 3,25 3 1,2

Для условий работы дизеля 1-ПДГ4Д определены параметры равновесной шероховатости рабочей поверхности поршневых колец: Яа = 0,16 мкм; = 63,14 мкм; Д> = 1,452361; £>+„ = 1,209367; К = 0,143321; А = 0,43667.

Математическая обработка экспериментальных данных параметров качества поршневых колец при проведении полного факторного эксперимента позволила получить адекватные математические зависимости и значения независимых параметров (оценочных параметров теории фракталов, толщины покрытия к, пористости КП и твердости покрытия НВ):

£>0 =1,422 + 7,84-10~3/-1,725-10_3С-0,021/С;

= 1,298 + 0,0073/+0,098С + 0,063 -10^ 1С;

К = 0,133 + 8,75-10"3/ + 6,25-10_3С-7,75-Ю"5 /С;

Д = 0,418 + 0,028/+0,01С + 2,5-10~4/С;

Л = 146,24+13,757+13,75С-3,75/С;

КП = 0,6 - 0,05/ - 0,025С - 0,025/С;

НВ = 5,15-103 -100/ + 100С-150/С.

Полученные зависимости в совокупности представляют математическую модель, связывающую реальный процесс хромирования поршневых колец; устанавливают явную взаимосвязь между фрактальными параметрами поверхности, характеристиками качества покрытия и параметрами режима хромирования, что обеспечивает возможность определения:

-параметров технологического процесса в зависимости от заданного диапазона изменения параметров поверхности и качества хромового покрытия;

-параметров поверхности и характеристик качества хромого покрытия в зависимости от допустимых параметров процесса в условиях реального производства.

Проведена оптимизация по Парето для параметров качества хромового покрытия: толщина, пористость, твердость покрытия, и фрактальных показателей качества поверхности. Согласно критерию Парето оптимальными параметрами процесса хромирования являются I = 633 А, С = 133 г/л. Расчетные значения параметров поверхности и показателей качества покрытия при этих значениях следующие: А, = 1,419; Г>+м = 1,26; К = 0,129; Л=0,409; И = 139 мкм; КП = 0,605; НВ 5140.

Для оценки точности определения оптимальных данных проведен дополнительный эксперимент с оптимальными значениями параметров режима хромирования 1= 633 А,С= 133 г/л. Результаты оценки качества поверхности поршневых колец приведены в табл. 3.

Таблица 3

Значения фрактальных параметров поверхности и показателей качества покрытия хромового кольца по результатам эксперимента

Исследуемый параметр Номер точки на поршневом кольце Среднее значение

1 2 3 4 5 6

А. 1,44 1,45 1,39 1,42 1,39 1,41 1,417

£>+„ 1,3 1,29 1,25 1,25 1,23 1,24 1,26

К 0,13 0,125 0,129 0,19 0,125 0,18 0,147

А 0,41 0,4 0,5 0,41 0,39 0,3 0,402

А 140 140 140 140 140 140 140

КП 0,6 0,65 0,65 0,6 0,6 0,6 0,62

НВ 5200 5100 5100 5100 5200 5100 5133

Визуальное представление картин компьютерной двухмерной модели поверхности поршневого кольца, полученной с использованием атомно-силового микроскопа ББМ, и пористости покрытия, полученной с помощью микроскопа МИМ-7, показано на рис. 6.

Выполненный эксперимент показывает согласованность расчетных и экспериментальных значений показателей качества поверхности и хромового покрытия.

Рис. 6. Компьютерная двухмерная модель, построенная по результатам сканирования (а), и пористость поверхности поршневого кольца (б) при режимах хромирования /= 633 А, С = 133 г/л

Таким образом, проведенные исследования показали, что оценочные параметры теории фракталов позволяют проводить оценку качества поверхностей со сложной геометрией и определять эффективные режимы обработки, обеспечивающие эксплуатационные свойства таких поверхностей.

В приложениях приведены листинг программного кода разработанного ПО и акт о внедрении.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана методика технологического обеспечения качества поверхностного слоя деталей машин для обработки, формирующей шероховатость сложной геометрической формы (грибообразные, гре-бешковые, чешуйчатые структуры), на основе оценки характеристик поверхности с применением теории фракталов.

2. Установлен комплекс фрактальных параметров для адекватной оценки свойств шероховатости поверхности: фрактальная размерность В0, являющаяся показателем «изрезанности» структуры, степень однородности структуры £)+00; степень скрытой периодичности К; мера упорядоченности А.

3. Разработана методика определения фрактальных параметров и адекватной оценки характеристик поверхности с шероховатостью сложной формы, позволяющая назначать эффективные технологические режимы обработки и обеспечивать заданные свойства поверхности.

4. Путем моделирования методом конечных элементов проведено исследование эксплуатационных свойств шероховатых поверхностей, имеющих традиционную и сложную (сюрьективную) форму. Установлено, что прочность и жесткость поверхности с шероховатостью традиционной формы выше в 1,5-6 раз.

5. Получены соотношения между стандартными и фрактальными параметрами шероховатости, позволяющие проводить сравнительную оценку их эффективности. Показано, что при одинаковых стандартных параметрах фрактальные параметры изменяются на 25-30 %. Погрешность в определении шаговых параметров сюрьективных профилей может достигать 80 %.

6. Проведены экспериментальные исследования показателей качества поверхности, имеющей шероховатость сложной геометрической формы, на примере хромированной поверхности поршневых колец ДВС. Установлено, что фрактальные параметры значительно более чувствительны к изменению режимов хромирования и более адекватно оценивают свойства поверхности.

7. Получены зависимости, связывающие фрактальные параметры поверхности и свойства покрытия (толщина, пористость, твердость) с режимами обработки поршневых колец. Установлены оптимальные режимы процесса хромирования, обеспечивающие равновесную шероховатость и повышенную износостойкость поверхности.

8. Разработано программное обеспечение для определения фрактальных параметров. Результаты исследования внедрены на ОАО «Пензадизельмаш» при производстве поршневых колец.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Генералова, А. А. Количественная оценка топологии поверхности деталей машин на основе теории фракталов / А. А. Генералова // Перспективы науки. - 2011. - № 1. - С. 68-76.

2. Генералова, А. А. Экспериментальные исследования разрушения листовой рессоры транспортных средств / И. И. Артемов, В. В. Келасьев, А. А. Генералова // Известия Вузов. Поволжский регион. - 2009.-№ 2. - С. 141-145.

3. Генералова, А. А. Монофрактальный анализ - инструмент оценки качества поверхностного слоя / А. А. Генералова // Автомобильная промышленность. - 2008. - № 9. - С. 32-34.

Публикации в других изданиях

4. Генералова, А. А. Исследование взаимосвязи между стандартными параметрами и оценочными параметрами теории фракталов шероховатости поверхности при различных способах обработки / А. А. Генералова, Д. В. Кочетков // Инновационные технологии в машиностроительном комплексе : сб. тр. I Междунар. науч.-практ. конф.

(г. Пенза, 15-16 декабря 2011 г.) / под ред. В. 3. Зверовщикова, М. В. Бе-лашова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2012. - С. 37-^0.

5. Генералова, А. А. Технологическое обеспечение качества поверхности поршневых колец ДВС / А. А. Генералова // Инновационные технологии в машиностроительном комплексе : сб. тр. I Между-нар. науч.-практ. конф. (г. Пенза, 15-16 декабря 2011 г.) / под ред.

B. 3. Зверовщикова, М. В. Белашова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. -

C. 150-153.

6. Генералова, А. А. Исследование поверхности разрушения шаровой опоры автомобиля с использованием теории фракталов / А. А. Генералова, А. С. Симонов Н Надежность и качество : тр. Меж-дунар. симп. : в 2 т. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. - Т. 2. -С.125-126.

7. Генералова, А. А. Диагностирование поверхности листовой рессоры с использованием мультифрактальных параметров / А. А. Генералова // Университетское образование : сб. ст. XIII Междунар. метод. конф. - Пенза : Приволжский Дом знаний, 2009. — С. 30-32.

8. Генералова, А. А. Исследование фрактальных свойств шероховатых поверхностей / А. А. Генералова // Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи : сб. науч. докл. - М. : МГСУ, 2006. - С. 258.

9. Генералова, А. А. Новый подход к оценке шероховатостей при плоском шлифовании / А. И. Воячек, А. А. Генералова // Технологический, технический и информационный сервис как базовые факторы модернизации производства : материалы Всерос. науч.-практ. конф. - Кострома : КГУ им. Н. А. Некрасова, 2006. - С. 50.

10. Генералова, А. А. Особенности монофрактального анализа профилограмм шероховатости детали / А. А. Генералова // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. : в 2 т. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2007. - Т. 2. - С. 55.

11. Генералова, А. А. Особенности мультифрактального анализа профилограмм шероховатости детали / А. А. Генералова // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. : в 2 т. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2008. - Т. 2. - С. 83.

12. Генералова, А. А. Применение корреляционной размерности к исследованию шероховатостей / А. И. Воячек, А. А. Генералова // Технологический, технический и информационный сервис как базовые факторы модернизации производства : материалы Всерос. науч.-практ. конф. - Кострома: КГУ им. Н. А. Некрасова, 2006. - С. 113.

13. Генералова, А. А. Метод измерения фрактальных размерностей / А. А. Генералова // Новые информационные технологии и системы : тр. VIII Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2008. -Ч. 2. - С. 104.

14. Генералова, А. А. Технология формирования структурных составляющих инженерии поверхности на основе теории фракталов / И. И. Артемов, А. А. Генералова // Проблемы исследования и проектирования машин : сб. ст. IV Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза : Приволжский Дом знаний, 2008. - С. 88.

15. Генералова, А. А. Применение мультифрактального анализа к шероховатым поверхностям / А. И. Воячек, А. А. Генералова // XIX Внутривузовская научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава и студентов : сб. науч. тр. [Электронный ресурс] - науч. электр. изд. — Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2008. - С. 84-84.

16. Генералова, А. А. Исследование поверхности разрушения листовых рессор с использованием теории фракталов / А. А. Генералова // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. : в 2 т. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. - Т. 2. - С. 124-125.

Научное издание

ГЕНЕРАЛОВА Александра Александровна

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН НА ОСНОВЕ ОЦЕНКИ ЕГО ХАРАКТЕРИСТИК С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕОРИИ ФРАКТАЛОВ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Редактор Т. В. Веденеева Технический редактор Р. Б. Бердникова Компьютерная верстка Р. Б. Бердниковой

Распоряжение № 27/2012 от 29.05.2012 г. Подписано в печать 31.05.12. Формат 60x841/16. Усл. печ. л. 0,93. Заказ № 416. Тираж 100.

Издательство ПГУ. 440026, Пенза, Красная, 40. Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: iic@pnzgu.ru

Перечень условных обозначений.

Введение.

Глава 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Роль качества поверхности деталей в машиностроении.

1.2 Влияние способов и режимов обработки на качество поверхности деталей машиностроения.

1.3 Анализ информативности существующих параметров шероховатости поверхностей деталей с сюрьективным профилем.

1.4 Практика применения теории фракталов в машиностроении.

Выводы по главе.

Глава 2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПЛЕКСА ФРАКТАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ.

2.1 Методологии описания поверхностей деталей машиностроения.

2.2 Анализ способов определения фрактальной размерности структур.

2.3 Монофрактальный анализ.

2.4 Мультифрактальный анализ кривых.

2.5 Комплексная методика количественной оценки структуры на основе теории фракталов.

Выводы по главе.

Глава 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ МЕЖДУ СТАНДАРТНЫМИ И ФРАКТАЛЬНЫМИ ОЦЕНОЧНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ.

3.1 Исследование напряженно-деформированного состояния шероховатости поверхности детали методом конечных элементов.

3.2 Моделирование шероховатости поверхности детали при использовании метода конечных элементов.

3.3 Применение оценочных параметров теории фракталов при обработке профилограмм, полученных различными технологическими методами.

Выводы по главе.

Глава 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОВЕРХНОСТИ.

4.1 Выбор объекта и характеристики исследований.

4.2 Определение характеристик процесса хромирования поршневых колец.

4.3 Предварительный контроль качества покрытия.

4.4 Стендовые испытания дизель - генератора 1ПДГ4Д.

4.5 Проведение полного факторного эксперимента.

4.6 Методика назначения параметров режима обработки деталей машин с заданными свойствами поверхностей.

Выводы по главе.

Важнейшим фактором, определяющим качество деталей и соединений, является состояние поверхностей, которое формируется в процессе изготовления. Установление взаимосвязи качества поверхности с технологическими параметрами и условиями обработки возможно только на основе адекватной параметрической оценки состояния поверхности после обработки.

Обработка поверхностей современными технологическими методами (концентрированными потоками энергии, электрофизическая, электрохимическая, нанесением покрытий и др.) часто формирует шероховатость, имеющую сложную геометрическую форму (грибообразные, гребешковые и чешуйчатые структуры). Применение стандартных методов и параметров для оценки свойств подобных поверхностей малоэффективно. В то же время имеются исследования, направленные на применение теории фракталов при описании свойств поверхностей. Такой подход дает возможность оценки свойств шероховатой поверхности независимо от формы ее элементов и плотности их распределения, что позволяет повысить информативность и адекватность оценки и назначить эффективные режимы обработки. Однако исследований, выполненных в указанном направлении, недостаточно - не разработаны методические основы данного подхода.

Таким образом, тема диссертационной работы, направленная на технологическое обеспечение качества поверхностного слоя деталей машин на основе оценки характеристик поверхности с применением теории фракталов, является актуальной.

Цель работы - технологическое обеспечение качества поверхностного слоя деталей машин при обработке методами, позволяющими формировать шероховатость сложной геометрии, на основе адекватной оценки характеристик поверхности с применением теории фракталов.

Объект исследования - взаимосвязи между режимами обработки и качеством поверхностного слоя деталей машин.

Предмет исследования - адекватная оценка и обеспечение качества поверхности при обработке технологическими методами, обеспечивающими формирование сложного профиля шероховатости, на основе теории фракталов.

Методы исследований. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений технологии машиностроения, теории фракталов, математического анализа, моделирования методом конечных элементов (МКЭ). Экспериментальные исследования проводились с применением теории планирования эксперимента и аттестованных средств измерения: профилометра Сейтроник ПШ8-4 С.С., толщиномера Константа К5, микроскопа МИМ-7. Обработка экспериментальных данных выполнялась методами математической статистики с использованием вычислительной техники и программного обеспечения (ПО) Advanced Grapher 2.11, а также специально разработанного ПО.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются результатами теоретических и экспериментальных исследований, их сходимостью, а также результатами моделирования методом конечных элементов и реализации методики в производственных условиях.

На защиту выносятся:

1 Методика технологического обеспечения качества поверхности при обработке методами, обеспечивающими формирование шероховатости со сложной геометрией, на основе оценки свойств поверхности с применением фрактальных параметров.

2 Методика определения фрактальных параметров шероховатости поверхности.

3 Комплекс фрактальных параметров, позволяющий адекватно оценивать характеристики шероховатости поверхности и назначать эффективные режимы обработки.

4 Соотношения между стандартными и фрактальными параметрами шероховатости, позволяющие проводить их сравнительную оценку.

5 Зависимости, устанавливающие взаимосвязь режимов обработки поршневых колец с показателями качества поверхностей и рекомендации по их технологическому обеспечению.

Научная новизна:

1 Разработана методика технологического обеспечения качества поверхности для методов обработки, обеспечивающих формирование шероховатости сложной геометрической формы, на основе оценки характеристик поверхности с применением теории фракталов, и показана ее эффективность.

2 Установлен комплекс фрактальных параметров, адекватно оценивающий качество поверхности, имеющей шероховатость сложной формы, с учетом которого можно определять эффективные технологические режимы обработки и обеспечивать заданные свойства поверхности, и разработана методика его определения.

3 Получены соотношения между стандартными и фрактальными параметрами шероховатости, позволяющие проводить сравнительную оценку их эффективности.

4 Получены эмпирические зависимости (на примере обработки поршневых колец), устанавливающие взаимосвязь технологических режимов обработки с показателями качества поверхности (фрактальными параметрами шероховатости, пористостью, твердостью, толщиной покрытия).

Практическая ценность:

1 Разработанная методика технологического обеспечения качества поверхностного слоя на основе применения фрактальных параметров для оценки свойств обрабатываемой поверхности позволяет назначать эффективные режимы обработки и обеспечивать заданные свойства поверхности с минимальной себестоимостью.

2 Полученные зависимости, устанавливающие взаимосвязь режимов обработки поршневых колец с фрактальными параметрами и другими показателями качества поверхности, позволяют обеспечивать заданные эксплуатационные свойства поверхности колец.

3 Разработаны методика и программное обеспечение для определения фрактальных параметров.

Реализация результатов работы. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований использовались при выполнении госбюджетной научно-исследовательской работы по заказу Министерства образования и науки Российской Федерации «Научные основы наноструктурирования для обеспечения качества поверхностного слоя ответственных деталей машиностроения». Результаты исследований приняты к внедрению в ОАО «Пензадизельмаш».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-технических конференциях и симпозиумах: «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» (г. Москва, 2006); «Технологический, технический и информационный сервис как базовые факторы модернизации производства» (г. Кострома, 2006), «Надежность и качество» (г. Пенза, 2007,2008,2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 статей (9 статей без соавторов), из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы из 146 наименований и приложений. Работа изложена на 113 страницах основного текста, включает 65 рисунков и 21 таблицу.