автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Улучшение механических свойств деталей машин типа тел вращения методом ЭЛАН

На правах рукописи

Малеев Данил Николаевич

УЛУЧШЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ТИПА ТЕЛ ВРАЩЕНИЯ МЕТОДОМ ЭЛАН

Специальность: 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

\Л

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону 2013

005538055

005538055

Работа выполнена на кафедре "Автоматизация производственных процессов" при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет».

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор кафедры

«Автоматизация

производственных процессов» Минаков B.C.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор кафедры «Технология конструкционных материалов» Кохановский В.А.

кандидат технических наук начальник отдела снабжения ООО «ТД «Альфа-Трейд»» Сугера A.A.

Ведущее предприятие ФГБОУ ВПО Южно-Российский

Государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).

Защита состоится "25" сентября 2013 г. в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.058.02 в Донском государственном техническом университете по адресу: 344010, г.Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ.

Отзыв в двух экземплярах, заверенный печатью, просим высылать в диссертационный совет по указанному адресу.

Автореферат разослан 23 августа 2013 года

Ученый секретарь Диссертационного совета

д-р тех. наук, профессор Бурлакова В.Э.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В настоящее время к основным причинам потери работоспособности узлов современных машин можно отнести: разнообразные виды изнашивания; усталостные поломки и усталостное выкрашивание; различного рода коррозионные поражения; кавитационное разрушение; жидкостную и газовую эрозию; разрушение вследствие ползучести; всевозможные сочетания отмеченных выше причин. Установлено, что наибольшее число отказов (до 80 %) обусловлено процессами изнашивания или комплексными причинами, где изнашивание играет доминирующую роль.

В связи с постоянным увеличением удельного веса машиностроительного производства, а, следовательно, и ассортимента деталей машин, проблема увеличения ресурса работы, износостойкости и прочности, при одновременном уменьшении себестоимости, не утратила своего значения и на сегодняшний день. Решение этой проблемы, как показывает отечественный и зарубежный опыт, связано с разработкой и внедрением эффективных и производительных технологических процессов, базирующихся на использовании различных видов энергии: плазмы, лазера, электрического и магнитного полей, ультразвуковых колебаний и другое. Для создания высокоэффективных технологий упрочнения деталей машин актуален поиск новых научно-технических решений, основанных на результатах системного исследования физико-технических процессов.

Одним из таких решений является широкое использование энергии комплексных ультразвуковых колебаний (УЗК), позволяющих создавать принципиально новые технологии, отличающиеся высокой эффективностью и стабильностью. Исключительная технологическая гибкость комплексных УЗК дает возможность во многие случаях интенсифицировать действующие технологические процессы, а так же эффективно использовать их энергию с другими видами энергий различными по своей физической природе, например, световой, электрической и др.

Степень разработанности проблемы.

Вопросами разработки новых технологических процессов, базирующихся на сочетании различных высококонцентрированных потоков энергии, предназначенных для улучшения эксплуатационных свойств деталей машин и формообразующего инструмента, занимается научная школа профессора B.C. Минакова в лаборатории «Ультразвуковые процессы и технологии» при ФБГОУ ВПО «Донской государственный технический университет».

Цель работы: повышение прочностных и эксплуатационных свойств деталей машин, типа тел вращения, путем увеличения трещиностойкости на основе технологии электроакустического напыления (ЭЛАН).

Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд задач:

• Провести сравнительный анализ существующих методов повышения прочности и износостойкости деталей машин;

• Установить основные электро-физические закономерности протекания процесса ЭЛАН при упрочнении поверхностей деталей машин;

• Проработать технологические режимы упрочнения ЭЛАН на детали машин типа тел вращения;

• Оценить результаты повышения эксплуатационных параметров упрочненных деталей машин;

• Проверка разработанной аппаратуры и технологии в промышленных условиях.

Предметом-исследования являются металлические детали

машиностроения типа тел вращения и другие металлические тела вращения.

Объект исследования - процесс нанесения защитных токопроводящих покрытий с использованием высококонцентрированных потоков энергии.

Методологической базой исследования являются разработанные нами и уже известные методики, применяемые для проведения исследований в области процессов с использованием высококонцентрированных потоков энергии.

Теоретической базой исследования являются наблюдаемые эффекты, которые были описаны математически и позволили аналитически показать, что при воздействии высококонцентрированных потоков энергии происходит захлопывание микрогрещик.

Эмпирической_базой явились исследования износостойкости и

механических свойств деталей машин, типа тел вращения, а также влияния высококонцентрированных потоков энергии на архитектонику дислокационной структуры.

Научные результаты, выносимые на защиту:

- аналитическое представление возможности захлопывания микротрещин при совместном действии высококонцентрированных потоков энергии (ВКПЭ);

воздействие продольно-крутильных ультразвуковых колебаний интерпретируемое нами как «удар со сдвигом» (эффект полигонизации дислокаций) на архитектонику дислокационных структур;

- интерполяция линейно-регрессионных моделей по двум критериям микротвердости и шероховатости покрытия.

Научная новизна работы; заключается в эффективном воздействии технологии ЭЛАН на характеристики прочности и износостойкости деталей машин, типа тел вращения. При решении этой общей проблемы получены следующие новые научные результаты: о Установлено влияние ультразвукового и электромагнитного полей на трещиностойкость и микропластическую деформацию деталей машин типа тел вращения; '

о Доказано, что совместное действие высококонцентрированных потоков энергии (электрическая искра и ультразвук) способствует замедлению роста микрстрещин, их схлопыванию и раздроблению, что приводит к

увеличению энергии поверхностного слоя деталей машин и появлению устойчивых диссипативных структур, о На основе экспериментальных исследований получены регрессионные модели воздействия процесса ЭЛАН на поверхность деталей машин, обеспечивающего наибольшую микротвердость и минимальную шероховатость (Н=1.71; Ка=0,63 мкм). Совместное решение моделей в режимных координатах позволило установить значение режимов обработки, обеспечивающих одновременное повышение относительной микротвердости и снижение шероховатости. Эффективность совместного (по параметрам поверхности Н и 11а) воздействия на 15% меньше для относительной микротвердости и на 29% меньше для шероховатости Ла. Теоретическая и практическая значимость работы. На основе теоретических и экспериментальных исследований механизмов схлопывания и дробления поверхностных микротрещин и эффекта электропластичности, используя принципы математического моделирования процесса, были созданы линейно-регрессионные модели, отражающие зависимость выходных параметров ЭЛАН по критериям микротвердости и шероховатости покрытия и произведена их интерполяция. Для подтверждения лабораторных исследований была проведена апробация технологии ЭЛАН в промышленных условиях, В частности, на предприятии ООО «Руукки Рус» было произведено упрочнение прокатных валков размером 185x2800 мм, выполненных из инструментальной легированной стали 9X1. Промышленные испытания показали, что износостойкость валков, упрочненных технологией ЭЛАН на 30-40% больше, чем износостойкость неупрочненных валков. Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Область диссертационного исследования включает рассмотрение технологического процесса как объекта управления износостойкостью деталей машин, типа тел вращения, за счет подавления поверхностных микротрещин, с точки зрения их дробления и частичного схлопывания, и увеличения энергии поверхностного слоя. Также область исследования включает обеспечение требуемого качества параметров шероховатости и микротвердости поверхностного слоя деталей машин, типа тел вращения.

Указанная область исследования соответствует формуле специальности 05.02.07 — «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки (технические науки)», а именно: Исследование механических и физико-технических процессов в целях определения параметров оборудования, агрегатов, механизмов и других комплектующих, обеспечивающих выполнение заданных технологических операций и повышение производительности, качества, экологичности и экономичности обработки. Создание, включая проектирование, расчеты и оптимизацию, параметров инструмента и других компонентов оборудования, обеспечивающих технически и экономически эффективные процессы обработки. Новые технологичеохие процессы

механической и физико-технической обработки и создание оборудования и инструментов для их реализации.

Апробация и реализация результатов диссертации.

Основные положения диссертационной работы докладывались на-Международном научно-техническом семинаре «Вопросы вибрационных технологий» - Ростов-на-Дону: Донской Государственный Технический Университет, 2007; Международной научной конференции молодых ученых аспирантов и студентов «Перспектива - 2008» - Нальчик: Кабардино-Балкарский Государственный Университет, 2008; 10-ой международной научно-практической конференции «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» - Санкт - Петербург: Политехнический Университет, 2008;

Международной молодежной научной конференции «Современная наука и молодежь» - Махачкала: Дагестанский Государственный Педагогический Университет, 2009 (получен диплом за 1-ое место в секции естественно-технических наук); 11-ой международной научно-практической конференции «Технологии ремонта, восстановления к упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано-до макроуровня» - Санкт - Петербург: Политехнический Университет 2009-Международной научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов - Кабардино-Балкарский университет, Нальчик 2010-Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы' развития сельскохозяйственного машиностроения»: ДГТУ, Ростов-на-Дону 20 Юг; 12-й Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано до макроуровня» - Санкт - Петербург: Политехнический Университет, 2010; Международной научно практической конференции «Дни Европы в России»: ДГТУ, Ростов-на-Дону, 2010г (получен диплом за 3-е место в секции точных наук).

Достоверность и обоснованность полученных данных подтверждается результатами квалифицированно проведенных экспериментальных исследований с использованием современного оборудования, известных методов планирования экспериментов при обработке экспериментальных данных и использованием апробированных методов физического моделирования.

Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано двенадцать печатных работ, в том числе в издательствах рекомендованных ВАК РФ, - три публикации.

Структура п объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и основных выводов, списка использованной литературы из 117 наименований, изложена на 122 страницах содержит 22 таблицы и 38 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована аетуалыюсть темы диссертации, направленной на решение важнейшей научно-технической задачи - повышения прочности и износостойкости деталей машин, типа тел вращения, методом электроакустического напыления.

В первой главе рассматриваются существующие методы поверхностного упрочнения, их достоинства и недостатки, а также присущие этим технологиям эффекты, оказывающие непосредственное влияние на механизмы зарождения и развития микротрещин. Разнообразные условия эксплуатации узлов трения оборудования, подвергающихся различным видам изнашивания, в сочетании с современными требованиями, обусловили необходимость разработки и совершенствования технологических методов нанесения износостойких покрытий.

Накопление опыта, а так же анализ результатов многолетних целенаправленных исследований позволили определить основные пути повышения износостойкости поверхностей деталей машин, типа тел вращения:

- изменение физико-химических свойств поверхностных слоев путем внедрения легирующих компонентов для образования структур, хорошо сопротивляющихся процессам изнашивания;

- механическое и тепловое воздействия на поверхностные слои металла, приводящие к структурным и субструктурным превращениям, способствующим повышению стойкости при различных видах износа;

- нанесение на поверхности трения деталей износостойких покрытий, путем сочетания различных видов энергий.

Примером могут служить следующие распространенные технологии: химико-термическая обработка, детонационные покрытия, электродуговое напыление, конденсация ионной бомбардировки в вакууме, электроннолучевая наплавка, лазерные наплавки, электроискровое легирование, магнитно-ультразвуковая наплавка износостойких сплавов, газо-термическое напыление покрытий с ультразвуковой обработкой.

Также в первой главе приведены основные данные о микротрещинах, присущих всем известным материалам и приводящих при своем развитии к разрушению этих материалов. В результате анализа отечественной и зарубежной литературы выделены основные механизмы воздействия на микротрещины, с точки зрения их схлопывания и замедления докритического роста. Проведен сравнительный анализ процессов и явлений, протекающих при ЭЛАН и присущих основным распространенным механизмам схлопывания мшфотрещин.

Во второй главе рассматриваются основы электроакустического напыления, процесс формирования устойчивых диссипативных структур и производится анализ общих положений теории электропластичности. Также производятся теоретические исследования влияния технологии ЭЛАН на механизмы зарождения и развития поверхностных микротрещин.. Теперь немного подробнее по некоторым пунктам:

Метод ЭЛАН является инновационным в области нанесения твердых и сверхтвердых покрытий, позволяя наносить защитные покрытия с различными электро, физико-механическими свойствами. Структурная схема установхи для ЭЛАН приведена на рис. 1. Впервые метод был гтедложсн и разработан профессором Минаковым B.C. в 1978 году. В основе его

технологии лежит использование комплексной энергии электрической искры и сложного продольно-крутильного акустического поля. В результате материал с анода на катод переносится под действием электрического искрового разряда при минимальном межэлектродном зазоре, формируемом амплитудой продольно-крутильных ультразвуковых колебаний. То есть электрод-инструмент вместо низкочастотных вибраций (как это происходит при электроискровом легировании) совершает комплексные ультразвуковые колебания. Кроме того, указанные колебания оказывают силовое воздействие на напыляемый слой и подложку.

! Подыча разрядных

Питание акустической системы

Электре« (анод) из различных токопроводящик материалов...

Заготовка (катод) из различных

токопроаодящих материал оо...

Рис. 1. Структурная схема ЭЛАН

Процесс упрочнения методом ЭЛАН происходит следующим образом (рис. 1.). С ультразвукового генератора подается высокочастотный электрическии сигнал на магнитостриктор, который совершает колебания с частотой этого сигнала. Волновод, совершающий продольно-крутильные колебания за счет естественно-закрученной геометрии, с зафиксированным на конце электродом, механически прикреплен к концентратору колебательной скорости.

Система управления опрашивает датчик обратной связи таким образом чтобы на электрод, совершающий продольно-крутильные колебания с амплитудой порядка 5-15 мкм, был подан разрядный импульс ' на определенном расстоянии от поверхности упрочняемого образца В момент подачи разрядного импульса элементы поверхности электрода разогреваются при этом, в пространстве между электродом и поверхностью подложки образуются мельчайшие «капельки» вещества электрода, находящиеся в квазижидкой фазе. На «капельки» действует электрическое поле, которое заставляет двигаться их по направлению к катоду.

В связи с тем, что электрод совершает продольно-крутильные колебания с ультразвуковой частотой, «капельки» подвергаются диспергированию, то есть они распыляются на еще более мелкие «капельки», тем самым, увеличивая активную площадь взаимодействия материала электрода с окружающей средой. При этом, они вступают в реакцию с элементами окружающей среды, такими как азот, кислород, углерод и т.д.

-По истечении полупериода происходит перенос вещества электрода на подложку. Химический состав напыленного слоя очень разнообразен и зависит от материала электрода и подложки. В напыленном слое присутствует большое количество карбидов, нитридов, карбонитридов и т.д.

На следующем этапе процесса происходит удар электрода о поверхность. В связи с тем, что электрод совершает продольно-крутильные колебания, наносимый удар классифицируется как «удар со сдвигом», вызывающий высокочастотную, направленную микропластическую деформацию, как в напыленном слое, так и на поверхности подложки. По истечении следующего полупериода происходит отход электрода от поверхности.

При этом эффекты, получаемые в результате использования метода электроакустического напыления, могут быть разбиты на две основные группы. Первую группу составляют технологические эффекты, к которым можно отнести высокую производительность порядка 6 см2/мин.; достаточно низкую себестоимость нанесения покрытия в виду того, что в качестве материала электрода используются отходы твердосплавного металлорежущего инструмента, что позволяет говорить о том, что данный технологический процесс является рационально утилизирующей экологически чистой технологией.

Вторую группу составляют физические эффекты, а именно: дислокационные структуры; элементный состав поверхностного слоя. Кроме указанного особое место занимает электропластичность и направленная микропластическая деформация.

Третью группу составляют эффекты, получаемые при совместном действии продольно-крутильных УЗК и высокотемпературного поля. Данные эффекты оказывают непосредственное влияние на поверхностные микротрещины, с точки зрения их захлопывания и дробления.

Таким образом, ЭЛАН может интегрировать и синхронизировать в себе, как это следует из вышеприведенных рассуждений, эффекты термомеханического и электропластического упрочнения на микроуровне, определяемые совместным действием комплексных УЗК и энергией электрической искры.

Процесс контактного взаимодействия электрода-инструмента с подложкой с энергетической точки зрения можно представить как совокупность действующих высококонцентрированных источников механической (ультразвуковой) энергии и тепловой (электрическая искра). В зоне контакта происходит упруго-пластическая деформация, как следствие ударно-сдвигового воздействия продольно-крутильных ультразвуковых колебаний (УЗК) и мгновенного нагрева-схлаждения поверхностных слоев упрочняемого

материала в результате воздействия электрического разряда и деформации Пои этом материал подложки насыщается линейными ^ZaJJcZZZM/B результате накопления или выделения упругой внутренней энергии

BIIV_ В дканном P23^ на основе выражения (2), связывающего поглощение внутренней энергии с плотностью дислокаций, определяется верхний предел поглощенной внутренней энергии: ф А

¿A = f \Cpde-Lm (2)

"о а

ГДЄ = jc^t/^-Z,^ "Удельная энтальпия плавления;

о

- температура плавления;

- удельная изобарная теплоемкость;

Lm - скрытая теплота плавления; р - плотность дислокаций; а - параметр кристаллической решетки; Я О - энергия химической связи.

"РЄДСТаВЛЯЄМ "асыщение упрочняемой поверхности внутренней энергией, соответствующим степени упрочнения. В качестве критешя

ZeZ" ПР0ЦЄССа УПР0Ч1ІЄ!1ИЯ принимаем максимальное насьццение

поверхностных слоев дислокациями. При этом считаем что-

Р'Яо „.

S недостаточному упрочнению. В этом случае энергия воздействия при jJiAH может быть увеличена. При: дсиишия

Р'Яо

~-н«<°- (4)

перенасыщение дислокациями приводит к известному дефеету (охрупчивание и отслаивание частиц материала). v y охрупчивание и

Идеальным считаем случай:

РЯ о п

равного энергетического баланса, когда количество энергии затраченной на разрыв атомарных связей при деформации равно количеству выделенной при восстановлении этих связей количеству энергии

НСП0ЛЬЗуЯ Уравнение (6) м°жно определить предельную плотность дислокации, соответствующую «идеальной» насыщенной личными дефектами-дислокациями структуре- линеиными

Например, плотность дислокаций рид для Ре при н'„ = 8260,2Дж / см3, а = 2,5-1(Г8, =8-10-{9Дж.

8260,2-2,5-1 (Г8 ,4 2 Риь =--« 2,584-10 см

Полученное значение полностью согласуется с существующими представлениями дислокационной теории прочности. Оно соответствует плотности дислокаций, при которой возможно существование устойчивой структуры, но выше которой начинается процесс самопроизвольного разрушения, заключающийся в том, что при незначительном возмущении происходит выделение упругой внутренней энергии, связанной с аннигиляцией дислокаций или их движением с выходом на поверхность. Этот процесс может сопровождаться структурными превращениями, образованием микротрещин и другими видами нарушения сплошности материала. Одним из неблагоприятных вариантов вырождения предельной плотности дислокаций является спонтанное высвобождение упругой внутренней энергии, сопровождающееся хрупким разрушением, т.е. при ЭЛАН значения параметров процесса необходимо назначать таким образом, чтобы получаемая плотность дислокаций только приближалась к предельной.

Известно, что высокоэнергетический импульс электромагнитного (ЭМ) поля оказывает существенное влияние на пластичность и прочность проводящих материалов.

Для теоретического исследования процесса в качестве определяющих параметров примем удельную энергию импульса тока q и величину предварительной деформации Ер • Учитывая, что мощность импульса ЭМ поля

оказывает влияние на механические свойства проводящих материалов при временах I < г0, возьмем

" 0</(со (7)

го

где т0 - характерное время физических процессов действия тока, -мощность импульса, а функция М(() = 1 при 0{? < т0 и 0 < М((){\ при г0<*<«>. Физический смысл функции М(/) - часть энергии импульса, идущая

на реализацию физических процессов, приводящих к увеличению пластичности материала и не связанных с его разогревом. Мощность импульса определяется как

(8)

где 1к - компоненты вектора плотности тока, а Qk¡ - компаненты тензора проводимости, который имеет вид:

п

Здесь 0О - проводимость изотропного материала, ди - символ

Кронекера, А - константа, определяемая экспериментально, а Єк, - тензор пластической деформации.

Введем в рассмотрение параметр х, определяющий процесс пластической деформации с учетом действия импульса тока-

<*Х = Ьсієр-и{д)сІд, х>0 (10)

, ч /+1, *)ШІ"-.

где Чшхх - значение удельной энергии, соответствующее максимальному влиянию электрического тока на увеличение пластичности

При д -0 выражение (10) переходит в выражение для работы пластической деформации ¿Х = Ьсієр . Закон пластического деформирования ^писТтГв°СЄ:Г0 МаТСРИа-'И' >™ающий действие импульса тока, можно <р{х) = Ъ + Е(х), д)О, х>0

Ф) = Ъ0, Но) = о, д)О (11)

= д = 0, сИ¥р)0

где ь0 - истинный предел текучести, функции р и Г определяются экспериментально, цгр - работа пластической деформации.

,п™ ПрИМЄМ ?ЛЯ диаФаммы деформирования материала кусочно-линей^ю аппроксимацию (т - параметр упрочнения): линеиную

Ь = Ь0+тєр,д = о,^р>о 02)

Уравнение (12) можно также представить в нелинейном виде: Ь=Ч1 + (2т/ЬоК- 1=0 (13)

Пусть 0({ < г0, тогда согласно (6) м(і) = ] и уравнение (13) принимает

ВИДІ

Ь = Ь0ф + (2т/Ь20\1Гр-д1 1)0, <Мр)0 (14)

Заметим' ,гго поскольку материал обладает пластическими свойствами время имеет существенное значение только в момент действ™пульсТппи

Тл°отнПоГ0Дк°Т сСо°ст„°ЯНИЯ МаТЄРИаЛа- 0Прад™ГО действием тГвМ прГ^ состоянию, когда действие тока отсутствует должен

осуществляться мгновенно. Этот факт учтен в записи закона П 1 п™,,™ материала о действии тока намного меньше вр "действ™^тока!? ^

Рассмотрим процесс активного деформирования с постоянной скоростью є = е0 = const є = є0і- В этом случае уравнения (12) - (14) можно преобразовать к виду:

Ь(І)=Ь0+£є0І, q)0 (15)

\ П)Ро

КЕа

(16)

где р0= Ц$0 - удельное сопротивление материала, а ¡6 - новый параметр упрочнения.

Таким образом, действие импульса в указанном режиме приводит к уменьшению упрочнения, что подтверждаете:! экспериментально.

Из уравнения (14) следует, что к моменту / = О включения тока

(17)

где Р* - работа пластической деформации, накопленная до включения тока. В этом случае связь (15) имеет вид:

b(t)=b0.\\ + 2--i-, g)0

(18)

где - пластическая деформация, соответствующая Р*.

Влияние предварительной пластической деформации £" на процесс

деформирования при импульсном действии тока проиллюстрировано на рис.2, (эксперимент на стали). Зависимость (18) подтверждает эту тенденцию.

.— \

/ 20%

т

\

N

<ГЮкти3

Рис, 2. Влияние предварительной пластической деформации Е'р на процесс деформирования при импульсном действии тока

Рассмотрим теперь закон нагружения Ь = кАх/Р0 , где К - жесткость, Ах - смещение деформирующего инструмента, - площадь поперечного

сечения образца. Жесткость деформирующего инструмента можно определить по формуле:

к = 6/уг/Д/(і + гг) (19)

где д/ - удлинение образца. Учитывая, что изменение напряжения в деформирующем инструменте м = к1с/Г0 (/ . дЛИна образца), получим из (14), что (?>0, Жр)0, 0(/ < г0)

(Л-

(т + кіІГ0)9(

А =

1-

о т

m + td/Fr.

вп

(20)

(21)

Из выражений (20), (21) следует, что при действии импульса тока должен идти процесс увеличения пластической деформации при разгрузке ооразца, что также соответствует эксперименту.

Экспериментальное изучение процесса концентрации электромагнитных и тепловых полей в проводящем материале с трещиной при пропускании по ней импульса электрического тока указывает на возможность использования данного эффекта для торможения трещин, распространяющихся в реальных телах. В эксперименте Финкеля В.В. применялся импульс электрического тока с амплитудным значением средней плотности от Ю4 до 2х106 А/см2 и длительностью от I до 100 мкс. С помощью сверхскоростной киносъемки были зафиксированы следующие стадии этого процесса. На первой стадии наблюдался интенсивный разогрев материала (скорость нагрева ~ 107 град/с) в малой области окрестности вершины трещины, а затем наступала вторая стадия связанная с увеличением радиуса кривизны в вершине трещины в результате локального взрыва и образования микрократера. Из-за увеличения радиуса кривизны вершины трещины происходит уменьшение концентрации механических напряжений. и ц

Для теоретического исследования этого процесса с учетом пластичности рассмотрим плоскую задачу о мгновенном точечном источнике тепла. Уравнеш^теплопроводности при действии мгновенного точечного источника тепла, г^мещеШШгс в начале координат, имеет вид-

ср

С

где Г(г,?) - поле температур, Я - коэффициент теплопроводности, р -плотность материала, С - его удельная теплоемкость, д - мощность источника. Его решение имеет вид:

Т^-З-е-"2'"' в = 431 (22)

яв

В [7] решена также задача о воздействии мгновенного источника на упругую среду. Для напряжений получены формулы:

Ъг=*\-е-'">\ К =-4[Г1 + 24У" -1] (23) г г \ в)

где А = Спщ / Л, ОТ = а(1 + о)/(1-и), а - коэффициент температурного расширения, О - коэффициент Пуассона, О - модуль сдвига.

Рассмотрим случай идеальной пластичности при условии Мизеса с независимым от температуры пределом текучести, которое в ассиметричном случае имеет вид (Ьг-Ь1/,)=2к. Из условия Ьг~Ьг-2к и уравнения

равновесия с!Ьг I¿г + (Ьг - г = 0 найдем, что = сот/)-

Ъг = *-[1п(г2 /в)+ с, ], Аг[1п(г2 ¡в)+С,+ 2] (24)

Пусть полная деформация состоит из суммы упругой и пластической

частей. Для последней выполняется соотношениз е? = Щу, где 8у - девиатор

тензора напряжений, Т] - скалярный коэффициент, а связь упругой деформации

с напряжениями определяется законом Дюамеля-Неймона. В зоне пластичности имеем (к - коэффициент объемного расширения).

е? = -к

_1_ 2в

ерр=к

-+ -П

2в

+ -

3 к

к

ък

1п — + с, +1 в 1

1п— + с, +1 в 1

пв

, Щ с-гЧв

пО

(25)

Покажем, что почти в момент включения источника в = О вокруг него должна появиться пластическая область. В упругой области (см. (23)):

Ьг-Ь,=2А/{г), Г{г)=~

- ( -2 >

е-г2/в-1

1

(26)

Условие совместимости деформаций /с/г = (е^ — )//• дает уравнение для определения Т] , решение которого имеет вид:

» lf2 1 T} =---+ —

G

г2 кл

w-в

(27)

Из условия непрерывного перехода пластического состояния в упругое (7 = 0 при г = г0) получим из (27) уравнение для определения радиуса пластической зоны Г0:

2-и 1

- + -Г

( г\ в

е'г'/в-\

= 0

(28)

2 А 1-и

При выводе (28) постоянная с2 =сиЦ(кл) была найдена из условия

и 0 при 0, где и - перемещение.

В окружающей упругой области уравнение Ламе для перемещений имеет вид;

а2и . 1 (1и и 2дт_ _гг/в

dr2+ г dr

-re

(29)

г dr rí дв2 Его решение получается с помощью преобразования Ханкеля:

U = 2¡^h~eC^C0nst При этом для напряжений получим:

Постоянные с, и с3 определяются из условия непрерывности напряжений на границе упругой и пластической областей.

Уравнение (28) для определения г0 имеет один корень при 0 = 0 :

rm = [2^/at(1-u)/(2-u)]1/2. В последующие моменты в

появляются два корня, которые по мере возрастания 9 сходятся друг к другу

ВГГ? ДВа Варианта: ЛИб° первый К°Реиь (28> явл™ текущей ZT^uLT ™ас™«ой 30"Ь,, либо в последующие моменты в

о^ ™ Г~иЗОЗНИКаеТ ра3гру3ка и пеРвоначальная пластическая область изменяется. Из упругого решения (23) видно, что должен

осуществиться второй вариант, т.к. при в Ф 0, ^ 0, при ,->0. Поле

напряжений в зоне разгрузки будет определяться по формуле = _д6 , где

К ' Напряжения ПРИ ^ = 0, Щ - упругое изменение напряжений при изменении в от нуля до текущего значения.

Пусть теперь в момент 0 = 0 вместе с возникновением мгновенной пластической области за счет большой мощности источника мгновенно

образуется круглое отверстие радиуса Г, с центром в начале координат и на его

поверхности действует давление р(в). Радиус Гф можно оценить из условия

ТкТт в области 0 < г < г,, где Тт - температура плавления. Из (22) получим,

что = тах{#1п[<7/лТтв\п = [Ч/{леТт)]'2

Будем считать, что г,{гй0 и р{в) монотонно убывает, р{0)(к, р(°о)= 0 • Решение термоупругой задачи с граничными условиями Ъг = -р{в) при г = г, и температурой (22) имеет вид (см. (29)):

А - А г

А А

-е

-г2! в

'( г2 1 + 2—

I

2

р{д) А

Как и в предьщущем случае, в области г, <г < г00 будет происходить разгрузка, в которой получим:

Ъ=к

К-*

А

'оо г2

-г.2 /0 ,

¡в

1П—г- +1

г г2^ 1+2—

V

у

(30)

Из (30) видно, что Ъу - Ьг {2к и условие текучести в области разгрузки принимает ввд Ъ/р—Ъг = —2 к (пластичность меняет знак) или

2к_

А

1

1 + ^-в

Вторичная пластичность возникает в окрестности отверстия не сразу, а в момент в0, который определяется из уравнения:

Ъс___1_ .

А в/

Из условия текучести и уравнения равновесия, используя граничные условия Ьг = ~р[в) при г = г, в зоне вторичной пластичности г, < г < г2, в)90 для напряжений получим:

ва + [р{во)~ рЩ/ А = 0

(31)

г:

ъг =-к]п~-р(в), ьр =-к

В области г2<г<,гт напряжения имеют вид „2

Ьг-к

-р{е)

'00

Ьр= к

1п^- + 1

'оо

а

,+2тГ

—с.

Граница пластической зоны Г2 и константа с4 определяются из условия непрерывности напряжений

1

то 2к

в А

+ е

-г? !в

(32)

В области г > г : — '00

А А

Ъг =---

г

А А

(

1 0)

-2г/)н

г

г\

1 + 3-

V в,

-гг!в

Производная по в от левой части уравнения (32) для определения К7 имеет вид:

А

(33)

И меняет знак при некотором 0 = 0,. В момент в2 радиус г2 достигает максимального значения г2т и уменьшается при в)вг, в то время как

температура падает во всей области г, < г < г2т. Это свидетельствует об

упругой разгрузке в зоне вторичной пластичности в момент 6> при которой:

г* \ г ) Г Г -I

£„ = -к

1п 2 г.

1 + 2

в

- е--2"

/1+2 — \е-'Чв> -

Тогда на границе отверстия г = Г, :

К = -р{в), = -2 л: - 2р(02)+р(в)-2А откуда с учетом (32) следует, что

К=-р{в)-2к\п^- + 2А

Г2т

И при в —> оо

е-1" е-'10*

в

е-г}!9г е-г},в

в,

е-г1ш1вг

в.,

в

в.,

г2г2 А 1-/2

Л

(35)

Условие сжимаемости всех остаточных напряжений вблизи источника при 0)<$>2 на основании (34), (35) запишем в виде:

Ъгахп ехр[а(ехр(-с-2)- ехр(- 62с~2))/(2с2)](1 (36)

где я = Л/(лг.2)=а/и9/(;таг.2), Ь = г2т / г,, с2=в2/г2;

безразмерные параметры Ъ и С определяются из первого уравнения (32) и равенства нулю выражения (33) т зависят от параметра а, который выражается через мощность источника q .

Расчеты показывают, что условие (36) выполняется при параметре а .лежащем в некотором интервале (йГ| ,32 ).

Таким образом, при больших значениях мощности д может происходить торможение микротрещин и схлопывание микропор, возникающих в процессе пластической деформации. Тогда как при малой мощности q остаточные напряжения в окрестности источника являются растягивающими.

В третьей главе описываются методики, особенности и оборудование для проведения экспериментальных исследований. Разработаны различные конструкции электродов и автоматизированная подача акустической системы на экспериментальной установке. Сконструирована и реализована установка износа. Электроакустическое напыление образцов для экспериментальных

исследований осуществлялось в лаборатории «Ультразвуковые процессы и технологии» при ДГТУ, возглавляемой д.т.н., проф. B.C. Минаковым.

В четвертой главе описываются основные экспериментальные исследования, приводятся результаты и производится их анализ.

Для проведения экспериментов на трение и износ были взяты шарики подшипниковые из стали ШХ15 по ГОСТ 2590-71. Затем осуществлялось нанесение покрытия на локальную поверхность шарика, на экспериментальной установке. Далее шарик закреплялся в специальном приспособлении -минитисках и производилась фотосъемка при помощи электронного микроскопа Webbers G50s и цифровой фотокамеры Panasonic DMC-FZ7. Следующий этап -запуск установки износа на заданных режимах, а именно: п = 80об/мин -частота вращения контртела, Р = \0Н - прижим шарика к контртелу и прохождение выбранного пути трения, который составляет 400 м. Далее -остановка установки износа и фотосъемка. Затем этот этап повторялся еще 4 раза, общий путь трения составил 2000 м.

Полученные снимки совмещались на ЭВМ. Производился обвод контура пятна износа. Фиксировались его геометрические размеры, данные сводились в таблицу 1. По результатам таблицы, с помощью программного приложения MS Excel строились диаграммы (рис. 3). Этот цикл повторялся для 6 шариков (3 с титановым покрытием, 3 с медным). Для трех эталонных образцов цикл исключал напыление. Пример образцов показан на рис. 4. Остальные снимки представлены в приложеиии.

Проанализировав представленные ниже диаграммы, пришли к следующим выводам: на первом этапе трения отмечается резкий рост пятна износа для ненапыленного шарика. Для шариков с медным и титанозым покрытием износ очевиден, но размеры пятна износа меньше приблизительно в 1.4 я 1.5 раза соответственно. Далее происходит истирание нанесенных покрытий, из-за сухого трения, и наблюдается приблизительно одинаковая тенденция износа.

Таблица 1.

Геометрические размеры пятна износа_

Путь Ширина Длина Ширина Длина Ширина Длина

трения, (Эталон), (Эталон), (Си), мм (Си), (Ti), мм (Ti), мм

м мм мм мм

0 0 0 0 0 0 0

400 112,45 143,91 74,93 93,77 63,37 79,79

800 117,91 157,75 99,05 129,73 88,20 118.55

1200 122,50 158,15 102,01 132,78 96,38 136,19

1600 139,59 178,29 102,63 156,82 101,43 146,30

2000 140,07 191,56 111,78 164,70 109,91 160,18

Рис. 3. А) Кривые износа (по ширине пятна), Б) Кривые износа (но длине пятна)

Зная размеры пятна износа, в работе также были вычислены средние диаметры пятна износа, решена графическая задача по определению нормального износа на каждом этапе трения и зычислена интенсивность износа на каждом этапе трения. Результаты были сведены в таблицы и на основе этих результатов, в диссертационной работе были построены графики зависимостей диаметра пятна износа, нормального износа и интенсивности износа от пути трения на каждом этапе трения. Общая тенденция сохранилась на всех графиках.

Ниже приведен пример образцов, рис. 4 (А, Б, В), как раз после прохождения первого этапа пути трения, равного 400 м. Эти снимки демонстрируют максимальную разницу геометрических размеров пятна износа образцов. Остальные снимки представлены в приложении 3.

Проанализировав все результаты экспериментов, пришли к выводу о том, что в целом получен положительный эффект - уменьшение износа, приблизительно в 1.5 раза, но эти результаты совсем не ответили нашим ожиданиям. На наш взгляд, это связано с тем, что эксперименты проводились в условиях сухого трения. Необходимо повторить эксперименты в условиях смазки, максимально приближенным к реальным условиям работы деталей машин. Но это уже одна из задач следующей работы.

А) Б) В)

а 01т

Рис.4. А) Сталь ШХ15 ненапыленная, после 400 м трения, Б) Сталь ШХ15 с медным напылением, после 400 м трения, В) Сталь ШХ15 с титановым покрытием, после 400 м трения

Испытание образцов на растяжение и разрыв проводилось на универсальной машине УИМ-50, на которой имеется приспособление, автоматически вычерчивающее диаграмму растяжений. Для испытания на растяжение использовался образец круглого сечения, изготовленный из стали 45, в соответствии с ГОСТ 1491-84. Основные параметры образца приведены в таблице 2.

Таблица 2

Образцы ненапыленные Образцы напыленные

№ обр. 'о- ¿0, Г0,мм2 № обр. 1, мм а,

мм мм мм

1 133,6 7,49 44,06 4 133,6 7,10 39,59

2 130,8 7,23 41,05 5 128,4 7,31 41,97

3 128,9 7,19 40,60 6 129,6 7,33 42,20

131,1 7,30 41,85 X 130,5 7,25 41,28

Примечание: /0 - длина рабочей части образца; ^ - диаметр шейки образца; /г - площадь поперечного сечения образовавшейся шейки.

Согласно методике проведения эксперимента 1, 2, 3 образцы являются эталонными и не подвергались воздействию электроакустического напыления, а 4, 5, б образцы были подвергнуты напылению на оптимальном режиме, который позволяет получать максимальную твердость поверхностного слоя НУ=8000 мПа и минимально возможную шероховатость Яа около 0,6 мкм.

Основные механические характеристики, зафиксированные в результате эксперимента, представлены в таблице 3.

Таблица 3

№ п/п кН кН л.. кН <хт, МПа МПа МПа МПа 5, %

1 29,7 31,40 24,15 419,47 443,12 577,18 340,8 1,69 6,8

2 27,9 28,42 21,07 394,03 400,95 510,39 297,2 1,71 9,1

выводы: нагрузка, соответствующая пределу текучести, для напыленных образцов увеличивается на 6,5 %; нагрузка, соответствующая пределу прочности, увеличивается на 10,5 %; нагрузка в момент разрыва увеличивается на 14,6 %. На наш взгляд, вышеуказанные полученные положительные результаты связаны с увеличением энергии поверхностного слоя за счет: 1) упорядочивания движения дислокаций (эффект полигонизации), которое приводит к их локолизации, а значит, и увеличению их плотности, 2) раздробления микротрещин на множество более мелких нанотрещин и их

частичному схлопывапыванию. Все это происходит благодаря ударному воздействию со сдвигом продольно-крутильной составляющей

высокочастотных ультразвуковых колебаний.

Также, в четвертой главе были получены регрессионные модели воздействия процесса ЭЛАН на поверхность деталей машин, обеспечивающего наибольшую микротвердость и наименьшую шероховатость (Н=1,71; Яа=0,63 мкм), а именно, регрессионная модель воздействия процесса ЭЛАН на микротвердость покрытия (Н=1,901-0,017А-0,0046а), и шероховатость покрытия (Яа—0,485+0,22А+0,012а)). Также были определены зоны достижения наилучших значений параметров покрытия путем интерполяции указанных моделей (рис. 5).

Рис. 5. Интерполяция линейно-регрессионных моделей по критериям микротвердости и шероховатости покрытия.

После анализа всех данных были сделаны следующие выводы:

При постоянных параметрах напряжения разрядного импульса, емкости разрядного конденсатора и скорости перемещения электрода, на микротвердость и шероховатость покрытия наибольшее влияние оказывает амплитуда ультразвуковых колебаний; существенен также параметр угла наклона вектора продольно-крутильных колебаний; наилучшие значения акустических параметров ЭЛАН по критериям микротвердости и шероховатости покрытия равны: амплитуда ультразвуковых колебаний =19 мкм, частота ультразвуковых колебаний / =20 кГц, угол между осью волновода и направлением вектора продольно-крутильных колебаний ОС-10°.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Анализ состояния проблемы нанесения защитных покрытий показал, что имеются большие достижения в указанной области, что определяется большим количеством публикаций отечественной и зарубежной литературы. Однако из обзора так же следует, что кроме преимуществ анализируемые в обзоре процессы имеют ряд существенных недостатков. Например, высокая энергоемкость, прерывность технологического процесса, специальные мероприятия по защите окружающей среды и др. Процесс электроакустического напыления практически свободен от указанных недостатков и отличается

высокими технологическими, экономическими и экологическими показателями и др., сочетая в себе эффекты от нескольких упрочняющих технологий. Однако процесс- ЭЛАН требует дальнейшего более глубокого исследования, направленного на совершенствование процесса и поиск теоретического обоснования наблюдаемых эффектов и получаемых результатов.

Конкретные результаты теоретических и экспериментальных исследований содержатся в выводах по каждой главе, а наиболее общие из них представлены ниже:

1. Основу при электроакустическом напылении составляют физико-химические эффекты, среди которых одним из важнейших, являются получаемые диссипативные структуры. Получено значение плотности

дислокаций (порядка 1012СЛ< 2 ), соответствующее энергетически устойчивой диссипативной структуре. Такая плотность дислокаций подтверждена экспериментальными исследованиями. А потому значения параметров процесса ЭЛАН необходимо выбирать такими, чтобы получаемые значения плотности дислокаций были близки к плотности дислокаций соответствующей энергетически устойчивой диссипативной структуре. Сформированная таким образом структура поверхностного слоя деталей машин будет максимально устойчивой к внешним возмущающим воздействиям, возникающим в процессе их работы.

2. При ЭЛАН воздействие комплексных УЗК (удар со сдвигом) при практически синхронном действии с электрической искрой способствует формированию упрочненных структур по механизму полигенизации, устойчивых против действия температурно-силовых факторов нагружения, возникающих непосредственно при силовом нагружении деталей машин в процессе работы.

3. При ЭЛАН концентрация высокоэнергетического ЭМ поля приводит к макроскопическим эффектам (не связанным с разогревом): эффект электропластичности, улучшение пластических свойств материала. Концентрация высокоэнсргетического температурного поля (после действия ЭМ поля) в сочетании с механическим воздействием продольно-крутильных УЗК, интерпретируемых как «удар со сдвигом» приводят к микроскопическим эффектам: торможение микротрещин, схлопывание микропор, улучшение прочностных характеристик материала.

4. Характер механотермического высокоэнергетического воздействия процесса ЭЛАН позволяет сформулировать рабочую гипотезу об особенностях изменений в поверхностных слоях упрочняемых деталей:

- Удар со сдвигом является источником поверхностных макроизменений, заключающихся в смыкании поверхностных микротрещин в результате возникновения касательных напряжений Т, вызванных сдвиговыми деформациями.

- Нагрев зоны энерготеплового воздействия резко снижает сопротивление пластической деформации, что способствует росту глубины воздействия процесса ЭЛАН.

Рабочая гипотеза непротиворечива, так как впервые объясняет один из аспектов упрочняющего воздействия процесса ЭЛАН как снижающего поверхностную плотность микротрещин и уменьшающую их размеры вследствие дробления магистральных трещин и охлопывания более мелких.

5. Созданы линейно-регрессионные модели процесса ЭЛАН по двум критериям, а именно, микротвердости и шероховатости покрытия, и проведена их интерполяция для определения зоны достижения наилучших значений параметров покрытия.

6. Появилось совершенно новое предположение о том, что упрочнение и повышение износостойкости деталей машин происходит также и за счет осуществления воздействия продольно-крутильных УЗК с частотой ультразвука на поверхностные и приповерхностные микротрещины. «Удар со сдвигом» приводит к раздроблению микротрещин, находящихся в стадии вязкого докритического роста на более мелкие, например, нанотрещины, и частичному их схлопыванию по механизмам описанным в обзоре. Благодаря этому происходит увеличение энергии поверхностного слоя деталей машин, а следовательно, и увеличению их износостойкости. Также, благодаря замедлению роста микротрещин, за счет их раздробления и частичного охлопывания, происходит улучшение механических свойств деталей машин.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Малеев Д.Н. Дискретное управление износостойкостью формообразующего инструмента / B.C. Минаков, Д.А. Чиликин, Д.Н. Малеев // Вестн. Донск. гос. техн. ун-та. -2008. - Т.8., №2(37), всего 0,19 п.л., в том числе автора 0,06 п.л.

2. Малеев Д.Н. Оптимизация процесса электроакустического напыления по критерию микротвердости / Д.Н. Малеев, B.C. Минаков, А.Н. Кочетов, В.Н. Анисимов // Вестн. Донск. гос. техн. ун-та. - 2010. - Т.Ю., №3(46), всего 0,38 п.л., в том числе автора 0,19 п.л.

3. Малеев Д.Н. К вопросу о развитии канала искры в ультразвуковом поле / Д.Н. Малеев, B.C. Минаков, А.Н. Кочетов // Вестн. Донск. гос. техн. унта. - 2012. -№2 (63), вып. 2, всего 0,38 п.л., в том числе автора 0,13 п.л.

Статьи, опубликованные в научных изданиях

4. Малеев Д.Н. О наноразмерном эффекте при электроакустическом напылении / В.Х. Аль-Тибби, Д.А. Чиликин, Д.Н. Малеев, А.Ю. Буря И Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано до макроуровня. - 2010. - Ч.2., всего 0,31 п.л., в том числе автора 0,13 п.л.

5. Малеев Д.Н. Перспективы использования технологии электроакустического напыления (ЭЛАН) как способа получения нанокристаллических защитных покрытий для упрочнения деталей машин / В.Х. Аль-Тибби, Е.М. Кузнецова, Д.Н. Малеев, В.Н. Анисимов // Материалы

Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения». — 2010. - ДГТУ, Ростов-на-Дону, всего 0,19 п. л., в том числе автора 0,06 п. л.

6. Малеев Д.Н. Перспективы использования технологии электроакустического напыления (ЭЛАН) ках способа упрочнения деталей машин, типа тел вращения / Д.Н. Малеев, А.Ю. Буря // Материалы Международной научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Перспектива 2010». -Каб.-Балк. ун-т, Нальчик. 2010, всего 0,25 п.л., в том числе автора 0,19 п.л.

7. Малеев Д.Н. Влияние направления вектора комплексных ультразвуковых продольно-крутильных колебаний в методе ЭЛАН на качество покрытия / B.C. Минаков, ДА. Чиликин, В.Х. Аль-Тибби, Д.Н. Малеев // Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано до макроуровня. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2009. - Ч.2., всего 0,25 п.л., в том числе автора 0,06 п.л.

-8. Малеев Д.Н. Исследование механических характеристик изделий, упрочненных методом ЭЛАН (Электроакустическое напыление) при испытании их на растяжение / Д.Н. Малеев, А.Н. Кочетов, Д.А. Чиликин, А.Ю. Буря // Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано до макроуровня. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2009. - Ч.2., всего 0,19 пл., в том числе автора 0,06 п.л.

9. Малеев Д.Н. Об эффекте электропластичности при деформировании и импульсном воздействии высокоэнергетического электромагнитного поля / B.C. Минаков, В.Х. Аль-Тибби, Д.Д. Дымочкин, Д.А. Чиликин, Д.Н. Малеев // Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано до макроуровня. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2008. - Ч.2., всего 0,31 п.л., в том числе автора 0,06 п.л.

10. Малеев Д.Н. Экспериментальное исследование влияния электроакустического напыления на износостойкость пар трения / B.C. Минаков, В.Х. Аль-Тибби, Д.Д. Дымочкин, Д.А. Чиликин, Д.Н. Малеев // Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано до макроуровня. - СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2008. - Ч.2., всего 0,31 п.л., в том числе автора 0,06 п.л.

11. Малеев Д.Н. Восстановление геометрии формообразующего инструмента / Д.А. Чиликин, В.Х. Аль-Тибби, Д.Н. Малеев, // Материалы Международной научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Перспектива 2008». - Каб.-Балк. ун-т, Нальчик. 2010., Т.З., всего 0,25 п.л., в том числе автора 0,09 п.л.

12. Малеев Д.Н. Влияние Электроакустического напыления на удаление наростообразования при токарной обработке / Д.А. Чиликин, B.C. Минаков, Д.Н. Малеев, // Вопросы вибрационной технологии: межвуз. сб. науч. ст. ДГТУ. - Ростов-на-Дону, 2007., всего 0,25 п.л., в том числе автора 0,09 п.л.

В печать 21.08.2013.

Объём 1,0 усл. п.л. Офсет. Формат 60x84/16.

Бумага тип №3. Заказ №850. Тираж 100 экз.__

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(ДГТУ)

КАФЕДРА: "АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ"

УЛУЧШЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ТИПА

ТЕЛ ВРАЩЕНИЯ МЕТОДОМ ЭЛАН

по специальности: 05.02.07 - Технология и оборудование механической и

физико-технической обработки

На правах рукописи

04201362157

МАЛЕЕВ ДАНИЛ НИКОЛАЕВИЧ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель:

д.т.н. проф. Минаков В.С.

г. Ростов-на-Дону 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА 9

1.1. Микротрещины и их роль в прочности деталей машин 9

1.2. Сравнительный анализ методов упрочнения поверхностей деталей машин 15

1.3. Технология упрочнения ЭЛАН 28 1.4 Цель и задачи 31

2 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 33

2.1. Физические основы упрочнения процессом ЭЛАН 33

2.2. Механическая составляющая воздействия при ЭЛАН 36

2.3. Электромагнитная составляющая при ЭЛАН 43

2.4. Энергия, замедляющая рост микротрещин 47

3 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ 55 ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Этапы экспериментальных исследований 5 5

3.1.1. Определение плотности дислокаций в поверхностной структуре, 58 полученной при различных режимах ЭЛАН

3.1.2. Планирование эксперимента и обработка полученных результатов 59

3.2. Аппаратура, установки, образцы 61

3.2.1. Установка для нанесения покрытия 61

3.2.2. Установка для исследования износостойкости 65

3.2.3. Образцы 68

3.2.4.Измерительная аппаратура 69

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

72

4.1. Определение плотности дислокаций в поверхностной 72 структуре, полученной при различных режимах ЭЛАН

4.1.1. Результаты прямого наблюдения дислокаций 72

4.1.2. Влияние режимов ЭЛАН на плотность дислокаций 73

4.2. Исследования износостойкости деталей машин, типа тел вращения 83

4.3. Линейно-регрессионные модели воздействия процесса ЭЛАН на микротвердость и шероховатость поверхности деталей машин. 88

4.4. Механические характеристики после обработки ЭЛАН 93

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 96

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 99

ВВЕДЕНИЕ

Эффективное использование машин и оборудования обеспечивается высоким уровнем их технического обслуживания и ремонта, наличием необходимого числа запасных частей. Сбалансированное обеспечение запасными частями ремонтных предприятий и сферы эксплуатации машин и оборудования, как показывают технико-экономические расчеты, целесообразно осуществлять с учетом периодического возобновления работоспособности деталей, восстановленных современными способами.

Восстановление деталей машин обеспечивает экономию высококачественного металла, топлива, энергетических и трудовых ресурсов, а также рациональное использование природных ресурсов и охрану окружающей среды. Для восстановления работоспособности изношенных деталей требуется в 5...8 раз меньше технологических операций по сравнению с изготовлением новых деталей.

В настоящее время к основным причинам потери работоспособности узлов современных машин можно отнести: разнообразные виды изнашивания; усталостные поломки и усталостное выкрашивание; различного рода коррозионные поражения; кавитационное разрушение; жидкостную и газовую эрозию; разрушение вследствие ползучести; всевозможные сочетания отмеченных выше причин. Установлено, что наибольшее число отказов (до 80 %) обусловлено процессами изнашивания или комплексными причинами, где изнашивание играет доминирующую роль.

В связи с постоянным увеличением удельного веса машиностроительного производства, а, следовательно, и ассортимента деталей машин, проблема увеличения ресурса работы, износостойкости и прочности, при одновременном уменьшении себестоимости, не утратила своего значения и на сегодняшний день. Решение этой проблемы, как показывает отечественный и зарубежный опыт, связано с разработкой и внедрением эффективных и производительных технологических процессов, базирующихся на использовании различных видов энергии: плазмы, лазера, электрического и магнитного полей, ультразвуковых

колебаний и другое. Для создания высокоэффективных технологий упрочнения деталей машин актуален поиск новых научно-технических решений, основанных на результатах системного исследования физико-технических процессов.

Одним из таких решений является широкое использование энергии комплексных ультразвуковых колебаний (УЗК), позволяющих создавать принципиально новые технологии, отличающиеся высокой эффективностью и стабильностью. Исключительная технологическая гибкость комплексных УЗК дает возможность во многих случаях интенсифицировать действующие технологические процессы, а так же эффективно использовать их энергию с другими видами энергий различными по своей физической природе, например, световой, электрической и др.

Цель работы: повышение прочностных и эксплуатационных свойств деталей машин, типа тел вращения, путем увеличения трещиностойкости на основе технологии электроакустического напыления (ЭЛАН).

Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд задач:

• Провести сравнительный анализ существующих методов повышения прочности и износостойкости деталей машин;

• Установить основные электро-физические закономерности протекания процесса ЭЛАН при упрочнении поверхностей деталей машин;

• Проработать технологические режимы упрочнения ЭЛАН на детали машин типа тел вращения;

• Оценить результаты повышения эксплуатационных параметров упрочненных деталей машин;

• Проверка разработанной аппаратуры и технологии в промышленных условиях.

Научная новизна работы: заключается в эффективном воздействии технологии ЭЛАН на характеристики прочности и износостойкости деталей машин, типа тел вращения. При решении этой общей проблемы получены следующие новые научные результаты:

1. Установлено влияние ультразвукового и электромагнитного полей на трещиностойкость и микропластическую деформацию деталей машин, типа тел вращения;

2. Доказано, что совместное действие высококонцентрированных потоков энергии (электрическая искра и ультразвук) способствует замедлению роста микротрещин, их схлопыванию и раздроблению, что приводит к увеличению энергии поверхностного слоя деталей машин и появлению устойчивых диссипативных структур.

3. На основе экспериментальных исследований получены регрессионные модели воздействия процесса ЭЛАН на поверхность деталей машин, обеспечивающего наибольшую микротвердость и минимальную шероховатость (Н=1,71; 11а=0,63 мкм). Совместное решение моделей в режимных координатах позволило установить значение режимов обработки, обеспечивающих одновременное повышение относительной микротвердости и снижение шероховатости. Эффективность совместного (по параметрам поверхности Н и Яа) воздействия на 15% меньше для относительной микротвердости и на 29% меньше для шероховатости Яа.

Практическая ценность работы: на основе теоретических и экспериментальных исследований механизмов схлопывания и дробления поверхностных микротрещин и эффекта электропластичности, используя принципы математического моделирования процесса, были созданы линейно-регрессионные модели, отражающие зависимость выходных параметров ЭЛАН по критериям микротвердости и шероховатости покрытия и произведена их интерполяция. Для подтверждения лабораторных исследований была проведена апробация технологии ЭЛАН в промышленных условиях. В частности, на предприятии ООО «Руукки Рус» было произведено упрочнение прокатных валков размером 185x2800 мм, выполненных из инструментальной легированной стали

9X1. Электрод-инструмент был выполнен из меди марки М1 по ГОСТ 859-2001. Промышленные испытания показали, что износостойкость валков, упрочненных медью, с помощью технологии ЭЛАН на 30-40% больше, чем износостойкость неупрочненных валков.

Основные положения диссертационной работы докладывались на:

• международном научно-техническом семинаре «Вопросы вибрационных технологий» - Ростов-на-Дону: Донской Государственный Технический Университет, 2007;

• международной научной конференции молодых ученых, аспирантов и

\

студентов «Перспектива - 2008» - Нальчик: Кабардино-Балкарский Государственный Университет, 2008;

• 10-ой международной научно-практической конференции «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки» - Санкт - Петербург: Политехнический Университет, 2008.

• Международной молодежной научной конференции «Современная наука и молодежь» - Махачкала: Дагестанский Государственный Педагогический Университет, 2009.

• 11-ой международной научно-практической конференции «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано- до макроуровня» - Санкт -Петербург: Политехнический Университет, 2009.

• Международной научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов - Кабардино-Балкарский университет, Нальчик, 2010.

• Международной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения»: ДГТУ, Ростов-на-Дону, 2010г.

• 12-й Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей

машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки от нано до макроуровня» - Санкт - Петербург: Политехнический Университет, 2010.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и основных выводов, списка использованной литературы.

В первой главе рассматриваются существующие методы поверхностного упрочнения, их достоинства и недостатки, а также присущие этим технологиям эффекты, оказывающие непосредственное влияние на механизмы зарождения и развития микротрещин.

Во второй главе рассматриваются основы электроакустического напыления, процесс формирования устойчивых диссипативных структур и производится анализ общих положений теории электропластичности. Также производятся теоретические исследования влияния технологии ЭЛАН на механизмы зарождения и развития поверхностных микротрещин.

В третьей главе описывается методика, особенности и оборудование для проведения экспериментальных исследований. Разработаны различные конструкции электродов и автоматизированная подача акустической системы на экспериментальной установке. Сконструирована и реализована установка износа. Электроакустическое напыление образцов для экспериментальных исследований осуществлялось в лаборатории «Ультразвуковые процессы и технологии» при ДГТУ, возглавляемой д.т.н., проф. B.C. Минаковым.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований, и производится их анализ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

Разнообразные условия эксплуатации узлов трения оборудования, подвергающихся различным видам изнашивания, в сочетании с современными требованиями обусловили необходимость разработки и совершенствования технологических методов нанесения износостойких покрытий.

Накопление опыта, а так же анализ результатов многолетних целенаправленных исследований позволили определить основные пути повышения износостойкости поверхностей деталей машин, типа тел вращения:

- изменение химического состава поверхностных слоев путем внедрения легирующих компонентов для образования структур, хорошо сопротивляющихся процессам изнашивания;

- механическое и (или) тепловое воздействия на поверхностные слои металла, приводящие к структурным и субструктурным превращениям, способствующим повышению стойкости при различных процессах изнашивания;

- нанесение на поверхности трения деталей износостойких слоев.

1.1. Микротрещины и их роль в прочности деталей машин

Изготовление и эксплуатация деталей машин сопровождается появлением повреждений, снижающих их прочность и надежность. С физической точки зрения эти повреждения представляют собой различные сочетания макро и микродефектов кристаллического строения металлов. Среди вопросов и проблем, связанных с прочностью материалов, разрушение занимает особое место. Виды разрушения многообразны, а последствия этого процесса, зачастую, катастрофичны. Проблема разрушения материалов, неоднократно рассмотренная для различных условий испытаний, представляет собой сложный комплекс научных и технических вопросов. Это обусловлено, прежде всего, тем, что разрушение - "процесс кинетический, статистический, многостадийный и многомасштабный" [61]. Одной из наиболее важных стадий в развитии разрушения является дислокационное формирование зародышевой

микротрещины, способной в определенных условиях приводить к катастрофе. Процесс разрушения может быть описан как результат зарождения и последующего роста микротрещины. Началу разрушения предшествует пластическая деформация, а ее появление указывает на один из важных факторов внутреннего ресурса прочности материала. Современные представления об ответственности деформационных процессов за образование микротрещины, в принципиальном отношении, не претерпели изменений [62]. Теоретически разработанные и экспериментально наблюдаемые механизмы зарождения трещины [63] в своей основе опираются на пластическое течение кристалла. Среди рассмотренных вариантов "пластического" формирования зародыша трещины доминирующую роль играют дислокационные механизмы. В качестве примера рассмотрим один из наиболее распространенных механизмов образования зародышей микротрещин: при определенном сближении дислокаций преодолеваются сопротивления упругих полей, далее происходит их слияние. Их экстраплоскости оказываются соседними, а под их крайними атомами возникает пустота, которая, по мнению ученых, мира, является зародышем микротрещины.

Таким образом, целью всего обзора моей диссертации является анализ основных существующих ныне упрочняющих технологий и выявление возможных факторов их воздействия на механизмы развития микротрещин.

Так как зарождение микротрещин - механизм дислокационный, а дислокации расположены по всему материалу. В связи с этим возникновение микротрещин протекает по обширным пространствам пластически деформированного материала.

Известно, что существует две основные стадии развития трещины в материале: первая стадия - докритическое вязкое подрастание трещины (ею руководит физика и на первом плане стоит структура материала); и вторая стадия - неуправляемая и катастрофическая стадия лавинного их роста (происходит разрушение материала, и она уже пренебрегает законами физики и подчиняется механике - на первый план выходят макроскопические свойства

вещества: прочность, вязкость, модуль упругости и т.д.). Самым ярким доказательством этого являются предельные скорости распространения быстрых трещин. Невилл Френсис Мотт, Роберт Уэллс и др. оценили предел скорости закритической трещины. Она составляет 0,38-5-0,4 скорости продольных звуковых волн в данном материале. Для стали, например, скорость трещины составляет 2000ч-2200 м/с, а для алмаза 6000-=-7000 м/с.

В процессе пластической деформации, появляются новые микротрещины и увеличиваются в размерах уже имеющиеся. Сразу хочется обратить внимание, что на начальной стадии процесс пластической деформации и процесс разрушения материала неразделимы друг от друга. Увеличение размеров трещины происходит за счет поглощения ею других трещин. Как писал В.М. Финкель, главным «каннибалом» обычно становится трещина наибольшая по размерам и перпендикулярная к направлению растягивающих напряжений. Именно она начинает свое продвижение вперед, прощупывая своим упругим полем окрестности. Дело в том, что данная трещина очень чувствительна к окружающему полю напряжений и чутко реагирует движением своей вершины на находящиеся рядом другие трещины. Но это происходит в том случае, если расстояние между вершинами трещин меньше длины одной из трещин.

Анализ литературы выявляет парадокс: для того чтобы максимально замедлить докритическое подрастание трещины - необходимо осуществлять пластическую деформацию. Именно пластическая деформация содействует локализации разрушения вблизи его наиболее острых в вершинах трещин и дефектов. Процессы деформирования понижают поле упругих напряжений в вершине трещины и, не давая ей расти, растрачивают накопленную энергию на движение дислокаций. Иными словами, пластическая деформация выступает в роли амортизатора, буферного механизма притормаживания трещин.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что те упрочняющие технологии, которые будут способствовать пластической деформации материала - будут спо�