64475

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ФРИКЦІЙНОГО ЗМІЦНЕННЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Автореферат

Логистика и транспорт

Прогресивним напрямком у машинобудуванні є застосування технологічних методів поверхневої обробки та зміцнення робочих поверхонь деталей машин з використанням висококонцентрованих джерел енергії зокрема...

Украинкский

2014-07-07

209.5 KB

2 чел.

21

PAGE  1

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»

ГУРЕЙ Тетяна Андріївна

УДК 621.787: 620.178

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ФРИКЦІЙНОГО ЗМІЦНЕННЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Спеціальність 05.02.08 – технологія машинобудування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2010


Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному університеті «Львівська політехніка» Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник

доктор технічних наук, професор

Грицай Ігор Євгенович,

Національний університет “Львівська політехніка”,

завідувач кафедри технології машинобудування

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Лінчевський Павло Адамович,

Одеський національний політехнічний університет,

завідувач кафедри технології машинобудування

кандидат технічних наук, доцент

Данильченко Лариса Миколаївна,

Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя,

доцент кафедри технології машинобудування

Захист відбудеться “16” червня 2010 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої ради Д 35.052.06 у Національному університеті «Львівська політехніка» (79013, Львів, вул. С.Бандери, 12).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету «Львівська політехніка» (79013, Львів, вул. С.Бандери, 12)

Автореферат розісланий  “13” травня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради                                       Шоловій Ю.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Прогресивним напрямком у машинобудуванні є застосування технологічних методів поверхневої обробки та зміцнення робочих поверхонь деталей машин з використанням висококонцентрованих джерел енергії, зокрема: лазерної, електронно-променевої, іонно-променевої, іонно-плазмової, електрогідроімпульсної тощо. При цих методах локальні ділянки поверхні зазнають короткочасної дії концентрованих потоків енергії високої інтенсивності з їх наступним швидким охолодженням. Такі умови дозволяють отримати поверхневі шари деталей з особливими фізико-механічними, електрохімічними та корозійними характеристиками і досягти високих експлуатаційних показників деталей машин. До методів поверхневого зміцнення на основі висококонцентрованих джерел енергії відносять також фрикційну обробку. На відміну від інших подібних методів під час даної обробки у поверхневому шарі деталі відбувається ще й інтенсивне зсувне деформування, що служить додатковим чинником структурних та фазових перетворень при формуванні зміцненого поверхневого шару.

Поряд з підвищенням точності і стабільності обробки, важливо домогтися збільшення товщини зміцненого шару та зниження енергозатрат процесу фрикційного зміцнення за рахунок застосування прогресивних конструкцій інструментів. Для цього необхідно виконати комплекс теоретичних і експериментальних досліджень технологічних параметрів фрикційного зміцнення деталей машин. Встановлення таких закономірностей дозволить створити теоретичну та прикладну основу для оптимізації і обґрунтування конструкторсько-технологічних параметрів фрикційного зміцнення – вибору робочих режимів процесу, раціональної конструкції зміцнювальних інструментів, спорядження та обладнання для зміцнення деталей машин та при невеликих затратах підвищити надійність і довговічність деталей машин.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота пов’язана з виконанням плану науково-дослідної роботи викладачів Національного університету «Львівська політехніка» до Постанови Кабінету Міністрів України № 516 від 18.04.2006 р. «Державна програма розвитку машинобудування на період 2006-2011 р.р.», за програмою наукових досліджень Міністерства освіти та науки України «Технологічні шляхи підвищення експлуатаційних властивостей деталей машин шляхом створення поверхневих шарів із заданими властивостями», а також на основі держбюджетної науково-дослідної теми «Прогресивні методи і технології поверхневого зміцнення деталей машин», номер Державної реєстрації 0107U006234, терміни виконання – 01.01.2007 р. – 30.12.2011 р.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є підвищення експлуатаційних властивостей деталей машин шляхом формування заданих параметрів якості поверхонь на основі удосконалення технології фрикційного зміцнення.

Для досягнення мети були поставлені такі задачі:

1. Дослідити вплив температури на формування зміцнених шарів при фрикційній обробці інструментом з нахиленими різнонапрямленими пазами на його робочій поверхні.

2. Дослідити вплив режимів фрикційної обробки на силові параметри в зоні контакту інструмент-деталь та формування зміцнених шарів.

3. Дослідити вплив режимів фрикційної обробки на параметри якості зміцнених поверхонь.

4. Розробити на основі багатофакторного експерименту математичні моделі взаємозв’язків між параметрами фрикційної обробки для оптимізації процесу та характеристик зміцнених поверхонь.

5. Дослідити вплив фрикційного зміцнення на довговічність сталевих виробів при зношуванні в умовах тертя без мащення.

6. Здійснити порівняльний аналіз експериментальних результатів по визначенню якісних параметрів оброблених поверхонь після фрикційного зміцнення інструментом з різною формою робочої частини.

Об’єкт дослідження – технологічний метод поверхневого фрикційного зміцнення деталей машин.

Предмет дослідження – ефективність процесу поверхневого зміцнення деталей машин для підвищення їх експлуатаційних характеристик.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проведено з використанням фундаментальних положень технології машинобудування, теплових процесів та термодинаміки, теорії ймовірності і математичної статистики. Результати експериментальних досліджень одержано за допомогою стандартного, а також спеціально розробленого обладнання та оснащення, тензометричних методів вимірювання з використанням сучасних комп’ютерних засобів і програм. Оброблення отриманих результатів проводилась з використанням прикладних програм для ПЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Встановлені закономірності впливу форми робочої поверхні інструменту на формування зміцненого шару та якісні параметри оброблених поверхонь деталей машин.

2. Розроблено математичні моделі на основі багатофакторного експерименту для визначення параметрів фрикційного зміцнення деталей машин з метою їх оптимізації.

3. Експериментально встановлені залежності кількості теплоти, яка йде у деталь під час фрикційного зміцнення, від форми робочої поверхні інструменту і режимів обробки.

4. Експериментально обґрунтовано вплив нахилених різнонапрямлених пазів на робочій частині інструменту при фрикційному зміцненні деталей машин на їх довговічність при експлуатації.

Практичне значення одержаних результатів. На підставі теоретичних та експериментальних досліджень розроблено і прийнято до впровадження технологічні процеси фрикційного зміцнення деталей машин, а також технологічного оснащення.

Науково обґрунтовані рекомендації та одержані математичні моделі параметрів технологічного процесу фрикційного зміцнення дозволяють визначити оптимальні режими обробки, фізико-механічні властивості і якісні параметри обробленої поверхні і експлуатаційні характеристики виробів у процесі експлуатації.

Розроблено і прийнято до впровадженя технології фрикційного зміцнення деталей насосів ЦНС-180 та машини лабораторної МПЛ-150 на ВАТ «Львівська вугільна компанія» і деталей технологічного оснащення на Львівському заводі “Електропобутприлад”. Стендові випробування показали, що поверхневе зміцнення підвищує довговічність деталей у 1,7-2,2 рази у порівнянні з незміцненими, виготовленими за заводськими технологіями.

Викладені матеріали використовуються у навчальному процесі для студентів механічних спеціальностей при вивченні курсів «Технологія машинобудування», «Наукові дослідження в технології машинобудування», «Математичне моделювання в технології машинобудування».

Достовірність результатів. Підтверджується проведенням низки комплексних експериментів, теоретичними положеннями, математичними методами планування експерименту, використанням нових методик, відповідності результатів лабораторних і стендових досліджень.

Особистий внесок пошукача. Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень, викладені в дисертації, автор отримав особисто і опублікував у працях без співавторів. Постановка задачі досліджень, формулювання мети роботи та аналіз результатів проведено спільно з науковим керівником. Наукові статті [1-3] та [6-9; 11] є одноосібними. У сумісній публікації [4] автору належить виконання експерименту, а також опрацювання експериментальних даних. У роботах [5, 12] автору належить розроблення математичних моделей розподілу температурно-напруженого стану зміцненого шару, інтерпретація результатів та формулювання висновків. У роботі [10] дисертантом проведено дослідження впливу різних режимів зміцнення, форми робочої поверхні інструменту на величину складових сили взаємодії інструмент-деталь. Представлено узагальнюючі результати досліджень.

Апробація роботи. Отримані результати роботи доповідались і обговорювались на наступних наукових конференціях та симпозіумах: 12-ій міжнародній конференції «Машинобудування і техносфера ХХІ століття» (Севастополь-Донецьк, 2004 р.), 4-ій міжнародній науково-технічній конференції «Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку» (Краматорськ, 2006 р.), 8-му міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (Львів, 2007 р.), 23-ій міжнародному симпозіумі «Podstaw konstrukcji maszyn» (Жешув-Перемишль, Польща, 2007 р.), 1-ій науково-практичній конференції «Інструменти та інструментальне виробництво» (Львів, 2007 р.), 15-ій міжнародній конференції «Машинобудування і техносфера ХХІ століття» (Севастополь-Донецьк, 2008 р.), 9-ій міжнародній Промисловій конференції «Ефективність реалізації наукового, ресурсного і промислового потенціалу в сучасних умовах» (Київ – Славське, 2009 р.), 9-му міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (Львів, 2009 р.), 16-ій міжнародній конференції «Машинобудування і техносфера ХХІ століття» (Севастополь-Донецьк, 2009 р.). Роботу у повному обсязі заслухано та схвалено на розширеному науковому семінарі кафедри технології машинобудування Національного університету «Львівська політехніка», 2009 р.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані у 12 друкованих працях, у тому числі 7 наукових статтях, з них 4 одноосібних, 5 збірниках матеріалів наукових конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота викладена на 127 сторінках, складається зі вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 160 назв, містить 52 рисунки, 2 таблиці, а також додатків на 22 сторінках. Загальний обсяг роботи – 217 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подано загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальність теми роботи, висвітлено її важливість і вивчення іншими авторами, визначено мету і задачі дослідження, викладено наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів досліджень. Сформовано основні положення, що розглядаються в дисертаційній роботі, а також найважливіші результати, які виносяться на захист.

У першому розділі проаналізовано стан проблеми. Проведено детальний аналіз сучасних методів поверхневого зміцнення деталей машин та їх впливу на експлуатаційні властивості виробів, необхідних умов для формування зміцненого шару та забезпечення параметрів якості оброблених поверхонь.

Питання технологічного забезпечення експлуатаційних властивостей деталей машин, підвищення їх працездатності з використанням різних методів поверхневого зміцнення висвітлені у роботах П.Г. Алексєєва, Б.М. Аскіназі, Ю.І. Бабея, М.А. Балтер, Б.С. Балакшина, В.М. Голубця, Б.Д. Грозіна, В.Д. Євдокімова, А.С. Зенкіна, Г.В. Карпенка, В.С. Коваленка, Б.І. Костецького, В.С. Корсакова, А.А. Маталіна, Д.Д. Папшева, В.Н.Подураєва, В.І. Похмурського, Е.В. Рижова, Е.О. Сателя, О.П. Соколовського, А.В. Якімова.

У результаті аналізу літературних джерел встановлено, що методи оброблення з використанням висококонцентрованих джерел енергії забезпечують високу якість поверхні деталей, але вони є дороговартісними і трудомісткими. На відміну метод фрикційного зміцнення не потребує дороговартісного обладнання і є простим у застосуванні, а за отриманими характеристиками зміцненого шару аналогічний іншим методам поверхневого зміцнення.

На підставі аналізу літературних джерел визначено наукові підходи, що стосуються стратегії і тактики розв’язання поставлених задач.

У другому розділі викладені методики експериментальних досліджень, які виконувались у роботі.

Технологічний метод фрикційного зміцнення плоских поверхонь реалізували на модернізованому плоскошліфувальному верстаті марки SPC-20a (рис.1). Як інструмент використовували металеві диски з різною формою робочої поверхні, виготовлені зі сталі 45 у нормалізованому стані. Для збільшення зсувного деформування поверхневих шарів використовували інструмент з нарізаними нахиленими різнонапрямленими пазами на робочій частині (рис. 2). Для порівняння використовували інструмент з по-перечними пазами та з гладкою робочею поверхнею. У зону зміцнення подавали мінеральне мастило з поверхнево активними полімеро-вмісними добавками.

Визначення складових сили Px, Py, Pz, яка виникає у зоні контакту інструмент-деталь проводили з допомогою трьохкомпонентного динамометра. Складові Px, Py, Pz сили в зоні контакту інструмент-деталь реєстрували з використанням аналого-цифрового перетворювача (частота перетворення сигналу 100 кГц) та прикладної програми «PowerGraf». Трьохкомпонентний динамометр тарували за трьома складовими (Px, Py, Pz), використовуючи взірцевий динамометр ДОСМ-3-0,05 виробничого об’єднання «Точприлад».

Кількість теплоти, яка йде у зразок під час фрикційного зміцнення, визначали методом калориметрування. Калориметр був встановлений на предметному столику трьохкомпонентного динамоменра. У калориметрі закріплювали досліджуваний зразок. Запропонована конструкція пристрою дозволяє одночасно визначати складові сили в зоні контакту інструмент-деталь та кількість теплоти, яка йде у деталь.

Визначення мікротвердості та товщини зміцненого шару проводили на мікротвердомірі ПМТ-3. Структуру зміцненого шару досліджували за допомогою металографічного аналізу на мікроскопі МИМ-9.

Дослідження топографії та шорсткості зміцнених поверхонь проводили на профілографі-профілометрі “Taliskan 450” фірми “Taylor Hobson”. Обробку отриманих результатів проводили з використанням прикладної програми «Mountains Map Universal».

Експериментальні дослідження з визначення опору зношування при терті без мащення проводили за схемою «палець-диск» на універсальній установці тертя типу УМТ-1.

У третьому розділі подано результати теоретичних досліджень розподілу температури по глибині зміцненого шару при фрикційному зміцненні, побудови математичних моделей складових сили в зоні контакту інструмент-деталь, осадки металу та товщини зміцненого шару, отриманих на основі математичної теорії експерименту.

Для удосконалення процесу фрикційного зміцнення на робочій поверхні інструменту-диску утворено нахилені різнонапрямлені пази. За рахунок періодичного переривання робочої поверхні у зоні контакту інструмент-деталь діють імпульси теплової енергії. Для визначення розподілу температури по глибині над зоною контакту при фрикційному зміцненні використовували розв’язок теплофізичної задачі методом джерел.

При фрикційному зміцненні зона контакту інструмент-деталь розглядається як адіабатичний стрижень до верхнього торця якого прикладене джерело теплової енергії інтенсивністю q. Дане джерело у момент часу ` виділило певну кількість теплоти Q. Тоді у заданій точці температура буде визначатися суперпозицією температурних полів від системи розподілених у просторі джерел теплоти. Вісь х направлено у глибину зміцнюваної деталі.

Математична модель для визначення температура на глибині х над зоною контакту під час фрикційного зміцнення інструментом з перервною робочою поверхнею має такий вигляд:

.

де С – теплоємність матеріалу оброблюваної деталі, Дж/кгС; – густина оброблюваної деталі, кг/м3; – коефіцієнт теплопровідності, Дж/(мсС); qk – густина теплового потоку для кожного виступу, Дж/мс; k – номер виступу; – час проходження інструментом зони одиничного контакту, с; 1 – час проходження одиничного виступу інструменту, с;  – час проходження пазу, с.

Ширину пазу вибрали з умови повного виходу інструменту з контакту з оброблюваною поверхнею. При проходженні пазу температура на поверхні деталі понижується на 100-200 С (рис. 3). З глибиною шару зміна температури зменшується і на глибині більшій за 100 мкм вона майже не спостерігається. Із зменшенням ширини пазу температура як на поверхні, так і з глибиною шару збільшується. При цьому слід відмітити, що при зміцненні інструментом з гладкою робочою частиною формується зміцнений шар меншої товщини у порівнянні з обробкою інструментом з пазами на його робочій частині.

а

б

Рис. 3. Зміна температури в зоні одиничного контакту при фрикційному зміцненні сталі 40Х: аРу = 800 Н, µ = 0,06, lп = 10 мм, N = 10; бРу = 1000 Н, µ = 0,08, lп = 10 мм, N = 10.

Математичні моделі визначення складових Px, Py та Pz сили, яка діє в зоні контакту інструмент-деталь, осадки металу та товщини зміцненого шару будували за допомогою некомпозиційного плану 2-го порядку. Обробка результатів експериментів і побудова математичних моделей здійснювалась з використанням багатофункціонального прикладного пакету MathCAD.

Для визначення складових Py та Pz сили взаємодії у зоні контакту інструмент-деталь при фрикційному зміцненні сталей математичні моделі описуються наступними рівняннями:

;

.

Математична модель для визначення осадки металу dh при фрикційному зміцненні має вигляд:

.

Математична модель для визначення товщини зміцненого шару сталей описується наступною залежністю:

.

Провівши оптимізацію моделі для визначення товщини зміцненого шару, отримали поверхню відклику, яка показує зміну товщини шару в залежності від режимів обробки (рис. 4).

Отримані математичні залежності дозволяють визначити з достатньою точністю для інженерних розрахунків складові сили Py та Pz у зоні контакту інструмент-деталь, величину осадки металу, а також оптимізувати режими фрикційного зміцнення для отримання максимальної товщини зміцненого шару.

У четвертому розділі подано результати експериментальних досліджень впливу технологічних режимів фрикційного зміцнення, форми робочої поверхні інструменту на складові сили, яка виникає у зоні контакту інструмент-деталь, кількості теплоти, яка йде у деталь та розмірну точність оброблених поверхонь. Досліджено вплив зсувного деформування в зоні контакту інструмент-деталь на силові параметри при фрикційному зміцненні сталевих деталей.

Для збільшення зсувного деформування у поверхневих шарах деталей у зоні контакту інструмент-деталь при фрикційному зміцненні використовували інструмент з нахиленими різнонапрямленими пазами на робочій частині. Кут нахилу пазу вибрали рівним 45, ширина пазу становила 3-4 мм і є більшою за ширину зони контакту інструмента і деталі.

Дослідження показали, що при фрикційному зміцненні сталі 40Х у загартованому і низьковідпущеному стані складові Px, Py та Pz сили взаємодії у зоні контакту інструмент-деталь зі збільшенням режимів обробки зростають. Мінімальне значення має поперечна складова Рх. Вона виникає при відтисканні інструмента вздовж осі його обертання за рахунок осцилюючого переміщення різнонапрямлених пазів по одиничній зоні контакту інструменту і деталі.

При мінімальних значеннях режимів фрикційного зміцнення (v = 2 м/хв.; s = 1,5 мм/дв.хід; t = 0,15 мм) поперечна складова Рх сили є найменшою і становить 4,2 Н. Зі збільшенням режимів обробки поперечна складова сили зростає. Максимальне значення цієї складової не перевищує 15,6 Н під час зміцнення з найбільшими значеннями режимів обробки (v = 6 м/хв.; s = 4,5 мм/дв.хід; t = 0,35 мм).

Найбільшого значення досягає нормальна складова Py сили в зоні контакту інструмент-деталь – сила притискання інструменту до деталі, яка впливає на ширину зони контакту інструменту з оброблюваною поверхнею деталі. При невеликих значеннях режимів фрикційного зміцнення (v = 2 м/хв.; s = 1,5 мм/дв.хід; t = 0,15 мм) нормальна складова сили має найменше значення, а саме, Ру = 380 Н. Зі збільшенням вертикальної подачі t до 0,25 мм нормальна складова сили плавно зростає. Подальше збільшення вертикальної подачі до 0,35 мм призводить до різкого зростання нормальної складової (рис. 5). Так, при найбільших вибраних значеннях режимів обробки (v = 6 м/хв.; s = 4,5 мм/дв.хід; t = 0,35 мм) нормальна складова сили становить 1220 Н.

Рис. 5. Залежності складових Px, Py, Pz сили взаємодії у зоні контакту інструмент-деталь при фрикційному зміцненні зразків зі сталі 40Х зі швидкістю переміщення стола верстату v = 4 м/хв.

Під час обробки інструментом з нахиленими пазами значення складових Py i Pz сили, яка виникає в зоні контакту інструмент-деталь, є найменші у порівнянні зі зміцненням інструментом з поперечними пазами та з гладкою робочою частиною (рис. 6). Застосування інструменту з нахиленими різнонапрямленими пазами на робочій частині інтенсифікує деформаційні процеси у поверхневому шарі при фрикційному зміцненні, що призводить до зниження складових сили Py i Pz. Це дає змогу зменшити енергозатрати процесу фрикційного зміцнення при таких же самих режимах обробки.

При фрикційному зміцненні у зоні контакту інструмент-деталь виникають високі температури і напруження. За рахунок часткового оплавлення локальних поверхонь і зминання виступів нерівностей поверхні відбувається осадка металу оброблюваної деталі.

Рис. 6. Складові Px, Py, Pz сили взаємодії у зоні контакту інструмент-деталь при фрикційному зміцненні інструментом з різною робочою частиною (v = 4 м/хв.; s = 3 мм/дв.хід; t = 0,35 мм): 1 – гладка поверхня; 2 – поперечні пази; 3 – нахилені різнонапрямлені пази.

Експерименти показали, що режими обробки та форма робочої поверхні інструменту суттєво впливають на величину осадки металу. Збільшення поперечної подачі s та швидкості переміщення стола верстату v у прийнятому діапазоні призводить до зниження осадки металу. У той же час збільшення вертикальної подачі t, навпаки до збільшення осадки металу.

Максимальне значення осадки металу отримано після фрикційного зміцнення інструментом з гладкою робочою поверхнею, яка становить 70 мкм (рис. 7). При використанні інструменту з нарізаними поперечними пазами осадка металу зменшилась до 62 мкм. Мінімальна осадка металу отримана фрикційним зміцненням при таких самих режимах обробки інструментом з нахиленими різнонапрямленими пазами на робочій частині, яка становила 52 мкм, що на 22% менше, як при зміцненні інструментом з гладкою робочою поверхнею. У час проходження нахилених пазів через зону контакту відбувається перервна дія на неї теплової енергії та її осцилююче деформування.

Формування зміцненого шару відбувається за рахунок дії на нього теплового імпульсу, а також його зсувного деформування. Експериментальні дослідження показали, що на утворення теплового потоку в зоні контакту інструмент-деталь значно впливають режими обробки, а особливо форма робочої поверхні інструменту.

Кількість теплоти, яка йде у деталь, що утворюється при фрикційному зміцненні інструментом з нарізаними поперечними пазами є максимальна і становить 10,4 кДж, що складає 28 % від загальної теплоти, яка утворилася в зоні контакту інструмент-деталь (рис. 8). Зміцнюючи інструментом з нахиленими різнонапрямленими пазами кількість теплоти, яка йде у деталь є меншою, ніж при використанні інструмента з поперечними пазами і складає 9,88 кДж. Кількість теплоти, яка йде у деталь під час фрикційного зміцнення інструментом з гладкою робочою частиною є найменшою і складає 9,09 кДж.

Рис. 7. Залежність осадки зміцненої поверхні від форми робочої поверхні зміцнювального інструменту: 1- нахилені різнонапрямлені пази; 2 – поперечні пази; 3 – гладка робоча поверхня.

Рис. 8. Залежність кількості теплоти, яка йде у деталь від форми робочої поверхні інструменту при фрикційній обробці сталі 40Х (ГНВ): 1 – нахилені різнонапрямлені пази; 2 – поперечні пази; 3 – гладка поверхня.

При використанні інструменту з поперечними пазами чи з нахиленими різнонапрямленими пазами у зоні контакту інструмент-деталь відбувається додатковий нагрів поверхневих шарів за рахунок інтенсифікації зсувного деформування поверхневого шару металу. Слід відмітити, що загальні енергозатрати на фрикційне зміцнення інструментом з нахиленими різнонапрямленими пазами менші, у порівнянні з обробкою інструментом з гладкою робочою поверхнею.

У п’ятому розділі представлені результати досліджень впливу параметрів фрикційного зміцнення на формування зміцненого шару, його товщину і твердість, величину залишкових напружень. Висвітлено технологічні особливості утворення мікрогеометрії обробленої поверхні після фрикційного зміцнення та її вплив на зносостійкість при терті без мащення.

Досліди показали, що при фрикційному зміцненні сталі 40Х у загартованому і низьковідпущеному стані у поверхневому шарі формується зміцнений білий шар. На формування білого шару впливають режими обробки, застосовуване технологічне середовище, форма робочої частини інструменту та інші параметри.

Зміцнений шар найбільшої товщини отримано після фрикційного зміцнення зі швидкістю переміщення стола верстата 4 м/хв, поперечній подачі 3 мм/дв.хід та вертикальній подачі 0,35 мм і становить 350-360 мкм. На формування зміцненого шару суттєво впливає форма робочої частини інструмента. Так, при використанні інструмента з нарізаними поперечними чи з нахиленими різнонапрямленими пазами на робочій частині при фрикційному зміцненні сталей товщина білого шару є майже однакова, а при використанні інструменту з гладкою робочою частиною зміцнений шар формується значно меншої товщини (240-260 мкм).

У випадку обробки інструментом з нахиленими різнонапрямленими пазами у зоні контакту інструмент-деталь за рахунок додаткового осцилюючого деформування поверхневого шару товщина зміцненого шару зростає у порівнянні з використанням інструменту з гладкою робочою частиною.

Мікротвердість білого шару значно залежить від форми робочої поверхні інструменту. Зміцнюючи інструментом з гладкою робочою частиною мікротвердість білого шару отриманого на загартованій і низьковідпущеній сталі 40Х становила 7,6 ГПа, а при використанні інструмента з нахиленими різнонапрямленими пазами становила 8,6 Гпа при твердості основного металу – 5,1 ГПа. Слід відмітити, що з глибиною зміцненого шару твердіть дещо зменшилась. Так, до глибини 200 мкм мікротвердість становила 8,6 ГПа, а далі зменшилась до 8,1 ГПа (рис. 9).

Рис. 9. Мікротвердість зміцненого шару після фрикційного зміцнення сталі 40Х у загартованому і низьковідпущеному стані від форми робочої частини інструменту: 1 – нахилені різнонапрямлені пази; 2 – гладка робоча частина.

Дослідження показали, що на шорсткість найбільше впливає поперечна та вертикальна подачі. Зі збільшенням поперечної подачі від 1,5 до 4,5 мм/дв.хід при швидкості переміщення стола верстата 4 м/хв і вертикальній подачі 0,35 мм шорсткість поверхні збільшується від Ra = 0,17 мкм до Ra = 0,74 мкм. Збільшення вертикальної подачі від 0,15 до 0,35 мм призводить до збільшення шорсткості поверхні від Ra = 0,29 мкм до Rа = 0,66 мкм. Експериментальні дослідження показали, що при використанні інструмента з нахиленими різнонапрямленими пазами зменшується не тільки шорсткість, а також і хвилястість обробленої поверхні. Так, при фрикційному зміцненні інструментом з гладкою робочою частиною висота макронерівностей становить 21,5 мкм, з поперечними пазами – 17 мкм, а з нахиленими різнонапрямленими пазами – 15,7 мкм (рис. 10).

Аналіз гістограм розподілу виступів поверхонь показав, що після зміцнення інструментом з нахиленими різнонапрямленими пазами оброблена поверхня має у своїй більшості виступи одинакової висоти (7-9 мкм). Виступи максимальної висоти (12-14 мкм) займають незначну площу (до 1 пкс/мм2). При використанні інструмента з гладкою робочою частиною розподіл виступів є неоднорідним.

Крива несучої здатності поверхні після зміцнення інструментом з нахиленими різнонапрямленими пазами є більш пологою, аніж після обробки інструментом з гладкою робочою поверхнею, що вказує на кращу якість поверхні.

Експериментальні дослідження показали, що при терті без мащення значно підвищується зносостійкість пари тертя сталь 40Х–сталь 40Х (гартування і низький відпуск). Випробовування на зносостійкість зразків в стані постачання після фрикційного зміцнення інструментом з гладкою робочою частиною показали, що в умовах тертя без мащення з питомим навантаженням 1 МПа і швидкістю ковзання 0,9 м/с вони виявились практично непрацездатними. Так, через 20-30 хв. тертя досліджуваної пари відбувається схоплювання з виривом металу; спостерігається інтенсивне зношування. Зносостійкість загартованих пальців після фрикційного зміцнення більше, ніж у 8 разів вища у порівнянні з незміцненими. Пальці у стані постачання після фрикційного зміцнення при вказаних умовах тертя працюють нормально і величина зношування їх збільшилася лише на 50 % у порівнянні із загартованими, але незміцненими. Випробування зразків після фрикційного зміцнення інструментом з нахиленими різнонапрямленими пазами показали, що інтенсивність їх зношування є меншою (на 23 %), як після зміцнення інструментом з гладкою робочою частиною.

Фрикційне зміцнення не тільки значно підвищує зносостійкість пари тертя, але і усуває вплив структурного стану вихідного металу на працездатність. Слід відмітити, що зміцнювали лише робочу поверхню пальців, робоча поверхня контрзразка-диска, який працював у парі з пальцями, була незміцнена.

Експериментальні дослідження показали, що фрикційне зміцнення інструментом з нахиленими пазами суттєво підвищує опір зношуванню при терті ковзання без мащення при різних швидкостях ковзання. Зі збільшенням

а

б

в

г

д

Рис. 10. Топографія поверхні зразка після фрикційного зміцнення інструментом з нахиленими різнонапрямленими пазами на робочій поверхні: а – 3-D модель поверхні; б – гістограма розподілу виступів по висоті; в – розподіл виступів і крива несучої здатності; г – крива несучої здатності поверхні; д – спектр розподілу піків виступів поверхні.

швидкості ковзання пари тертя інтенсивність зношування спочатку різко збільшується, досягає максимуму при швидкостях ковзання від 0,9 м/с до 1,1 м/с, а далі зменшується.

У шостому розділі представлені розроблені технології поверхневого зміцнення та результати стендових досліджень деталей після фрикційного зміцнення, а саме деталей насосів, машини лабораторної та технологічного оснащення (розвантажувальні кільця, диски, плити футировочні, решітки, напрямні тощо).

У додатках приведені додаткові матеріали, які стосуються побудови математичних моделей, використовуючи середовище багатофункціонального пакету MathCAD та економічної ефективності запропонованих технологій фрикційного зміцнення.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі на основі отриманих нових науково обгрунтованих результатів вирішена важлива і актуальна науково-прикладна задача підвищення ефективності процесу фрикційного зміцнення за рахунок цілеспрямованої зміни форми робочої поверхні інструмента та обгрунтованого призначення режимів обробки, що забезпечило істотне покращання точності і якості оброблених поверхонь деталей машин і зменшення енергомісткості обробки.

1. На основі досліджень математичної моделі отримали графічні залежності зміни температури по глибині над зоною контакту інструмент-деталь в залежності від параметрів фрикційного зміцнення та інструмента. Встановлено, що зміцнюючи інструментом з нахиленими різнонапрямленими пазами при ширині зони контакту інструмент-деталь 1 мм температура становить 1000 К у порівнянні з 1250 К під час обробки інструментом з гладкою робочою частиною. При збільшенні ширини зони контакту до 2 мм температура зменшується до 920 К та 1180 К відповідно.

2. Застосовуючи математичні методи планування багатофакторного експерименту, побудовано математичні моделі для визначення складових сили в зоні контакту інструмент-деталь, осадки металу, а також товщини зміцненого шару для оптимізації режимів фрикційного зміцнення.

3. Експериментально встановлено, що при фрикційному зміцненні використання інструмента з нахиленими різнонапрямленими пазами на робочій поверхні призводить до зменшення складових сили Px, Py, Pz у зоні контакту інструмент-деталь у 1,3-1,6 разів у порівнянні з обробкою інструментом з гладкою робочою частиною.

4. Показано, що на величину осадки металу при фрикційному зміцненні впливають режими обробки та форма робочої поверхні інструменту. Найменше значення осадки металу отримано під час обробки інструментом з різнонапрямленими нахиленими пазами на робочій частині. Зі збільшенням вертикальної подачі t при фрикційному зміцненні осадка металу dh зростає, а поперечної подачі s та швидкості переміщення стола верстата v, навпаки, – зменшується. При обробці плоских поверхонь інструментом з нахиленими різнонапрямленими пазами осадка металу становить біля 50 мкм, що на 22 % менше, ніж при зміцненні інструментом з гладкою поверхнею.

5.Встановлено що найбільше значення кількісті теплоти, яка йде у деталь, утворюється при фрикційному зміцненні інструментом з поперечними пазами і становить 10,4 кДж, що складає 28 % від загальної теплоти, яка утворилася в зоні контакту інструмент-деталь. Використання інструмента з нахиленими різнонапрямленими пазами показали, що кількість теплоти, яка йде у деталь складає 9,9 кДж. Найменше значення кількісті теплоти утворюється при обробці інструментом з гладкою робочою частиною і становить Q = 9,1 кДж.

6. Використання інструмента з нахиленими різнонапрямленими пазами на робочій частині при фрикційному зміцненні сталей товщина білого шару становить 350-360 мкм, у порівнянні з товщиною 240-260 мкм, отриманою при обробці інструментом з гладкою робочою частиною. Оптимальними режимами фрикційного зміцнення, виходячи з умов утворення білого шару максимальної товщини є: швидкість переміщення стола верстата 3-5 м/хв., вертикальна подача 0,3-0,4 мм, поперечна подача 2,5-3,5 мм/дв.хід стола верстата при ширині робочої поверхні інструмента 12-14 мм.

7. Використання інструмента з нахиленими різнонапрямленими пазами зменшується не тільки шорсткість, а також і хвилястість обробленої поверхні. Так, при фрикційному зміцненні інструментом з гладкою робочою частиною висота макронерівностей становить 21,5 мкм, з поперечними пазами – 17 мкм, а з нахиленими різнонапрямленими пазами – 15,7 мкм.

8. Біля поверхні величина залишкових макронапружень мало залежить від форми робочої поверхні інструменту. Зі збільшення глибини величина залишкових напружень, отриманих після обробки інструментом з нахиленими різнонапрямленими пазами зростає і досягає –880 - –940 МПа. Максимальні залишкові напруження знаходяться на глибині 100-150 мкм. Глибина залягання залишкових макронапружень стиску перевищує товщину зміцненого шару у 1,5-2 рази.

9. Фрикційне зміцнення не тільки значно підвищує зносостійкість пари тертя, але і зменшує вплив структурного стану вихідного металу на працездатність. Випробування зразків після обробки інструментом з нахиленими різнонапрямленими пазами показали, що інтенсивність їх зношування є меншою на 23 %, ніж після обробки інструментом з гладкою робочою частиною. Максимальний ефект підвищення опору зношуванню після зміцнення у порівнянні з незміцненими зразками спостерігається при низьких швидкостях ковзання від 0,7 м/с до 1 м/с і досягає біля 4 разів. Із збільшенням швидкості ковзання ефект від зміцнення дещо зменшується і становить 2,4-3,3 рази.

10. На основі комплексу проведених теоретичних і експериментальних досліджень розроблено інженерні рекомендації щодо використання методу фрикційної обробки для поверхневого зміцнення деталей машин та рекомендації до модернізації обладнання для його забезпечення. Розроблено технологічні процеси фрикційного зміцнення деталей технологічного оснащення (Львівський завод «Електропобутприлад») та насосів і машини лабораторної (ВАТ «Львівська вугільна компанія»). Стендові випробування показали, що фрикційне зміцнення робочих поверхонь деталей машин підвищує їх довговічність у 1,7-2,2 рази у порівнянні з незміцненими.

Результати дисертаційної роботи використовуються у навчальному процесі.

Основні публікації за темою дисертації

1. Гурей Т.А. Визначення температури в зоні контакту при фрикційному зміцненні/ Гурей Т.А. // Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку. // Матеріали ІV Міжнародної науково-технічної конференції. Краматорськ, 2006. – с. 22.

2. Гурей Т.А. Визначення температури в зоні контакту при фрикційному зміцненні / Гурей Т.А. // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем, Вип. 19, Краматорськ-Київ, 2006, с. 202-206.

3. Гурей Т.А. Вплив перервного процесу зміцнення на параметри обробленої поверхні. - 8-й Міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові. Тези доповідей. Львів, 2007, с. 97.

4. Грицай І.Є. Визначення динамічних характеристик металорізальних верстатів для переведення їх на режими швидкісного різання / Грицай І.Є., Гурей Т.А. // Динаміка, міцність та проектування машин і приладів, 2007, № 588, с. 25-30.

5. Гурей Т.А. Температура при фрикционном упрочнении деталей машин / Гурей Т.А., Грицай И.Е. // XXIII Sympozjon podstaw konstrykcji maszyn. Materiały konstrukcijne. Rzeszów-Przemyśl, 2007, T. 4, s. 295-301.

6. Гурей Т.А. Вплив форми робочої поверхні інструмента на параметри поверхневого зміцнення сталевих деталей / Гурей Т.А. // Інструменти та інструментальне виробництво. Збірник наук.праць, Львів, 2007, с. 36-40.

7. Гурей Т.А. Розподіл температури у поверхневому шарі під час фрикційної обробки / Гурей Т.А. // Вісник НУ «Львівська політехніка». Серія «Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні і приладобудуванні», 2008, Вип. 613, с. 10-14.

8. Гурей Т.А. Залежність температури в зоні контакту при фрикційній обробці сталевих деталей / Гурей Т.А., Грицай І.Є. // Прогресивні технології і системи машинобудування. Міжнародний збірник наукових праць, Донецьк, 2008, Вип. 36, с. 58-62.

9. Гурей Т.А. Вплив робочої форми інструменту на формування зміцненого шару при фрикційній обробці деталей машин / Гурей Т.А. // Ефективність реалізації наукового, ресурсного і промислового потенціалу в сучасних умовах. // Матеріали 9-ї міжнародної Промислової конференції, Київ -Славськ, 2009. – с. 346-348.

10. Гурей Т.А. Експериментальні дослідження впливу режимів фрикційної обробки на складові сили тертя в зоні контакту інструмент-деталь / Гурей Т.А., Кирилів В.І., Штаюра С.Т. // Вісник НУ «Львівська політехніка». Серія «Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні і приладобудуванні», 2009, Вип. 642, с. 8-13.

11. Гурей Т.А. Дослідження точності зміцнених поверхонь деталей машин після їх фрикційної обробки / Гурей Т.А. // Прогресивні технології і системи машинобудування Міжнародний збірник наукових праць, Донецьк, 2009, Вип. 38, с. 61-65.

12. Гурей Т.А. Теоретичне визначення термонапруженого стану металу при фрикційному зміцненні / Гурей І.В., Гурей Т.А., Остапович В.В. // Машиностроение и техносфера ХХІ века//Сб. Трудов межд. науч.-техн. конф. В 4-х т.-Донецк: ДонНТУ, 2004. Т.1, С. 210-214. 

Гурей Т.А. Підвищення ефективності фрикційного зміцнення деталей машин. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 – технологія машинобудування. – Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2010.

Дисертація присвячена питанням покращання якості оброблених поверхонь та зниженню енергоміскості технологічного процесу фрикційного зміцнення деталей машин. Вперше запропоновано використовувати інструмент для фрикційного зміцнення деталей машин з нарізаними нахиленими різнонапрямленими пазами на його робочій частині для збільшення зсувного деформування зони контакту інструмент-деталь. Розроблені математичні моделі для визначення сили взаємодії у зоні контакту інструмент-деталь, осадки металу та товщини зміцненого шару. Експериментально досліджено розподіл теплоти в зоні контакту інструмент-деталь під час фрикційного зміцнення плоских поверхонь. Досліджено вплив параметрів фрикційного зміцнення на формування зміцненого шару, його товщину і твердість, величину залишкових напружень. Висвітлено технологічні особливості утворення мікрогеометрії обробленої поверхні після фрикційного зміцнення та її вплив на зносостійкість при терті без мащення. Розроблено і впроваджено у виробництво технологічні процеси поверхневого зміцнення деталей машин.

Ключові слова: поверхневе зміцнення, зміцнений шар, високошвидкісне тертя, кількість теплоти, якість поверхні.

Hurey T.A. The increase of efficiency of the friction hardening of machines details. – Manuscript.

Thesis for Candidate of Technical Sciences Degree in speciality 05.02.08 - Technology of Machine Design. – National University “Lviv Politechnic”, Lviv, 2010.

Dissertation is devoted to the questions of quality improvement of the finished surfaces and the decline the power-intensity of technological process of the friction hardening of machine details. The work suggests the usage of the instrument for the friction hardening of machine details with the cut slots inclined in different direction on the working body for the increase shearing strain in the area of the contact between the instrument and the detail for the first time. For determination of the force of the co-operation in the area of contact instrument-element, metal upsetting and thickness of the strengthened layer mathematical models were developed. The heat shearing in the area of contact between the instrument and the detail on flat surfaces with the friction hardening was experimentally probed. The influence of parameters of the friction hardening on forming of the strengthened layer, thickness, hardness and residual stress was researched. The technological characteristics of formation of micro-geometry of the finished surface after friction hardening and its influence for the wear resistance by the dry friction were outlined. The technological processes of the superficial strengthening of machine details were developed and implemented.

Key words: surface hardening, strengthened layer, high-speed friction, amount of warmth, quality of surface.

Гурей Т.А. Повышение эффективности фрикционного упрочнения деталей машин. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08 – технология машиностроения. – Национальный университет «Львовская политехника», Львов, 2010.

В диссертационной работе дано развитие актуальной научно-технической задачи заключающейся в повышении эксплуатационных свойств деталей машин путем формирования заданых параметров качества поверхностей на основании совершенствования технологии фрикционного упрочнения. Эффективность фрикционного упрочнения деталей машин повышается путем целенаправленного изменения рабочей поверхности инструмента-диска и необходимыми режимами обработки.

Впервые для фрикционного упрочнения используется инструмент с нарезанными на его рабочей части наклонными направленными в разные стороны пазами, применение которого увеливает сдвиговое дефомирование поверхностного слоя обрабатываемой детали.

Разработаны математические модели, используя многофакторный эксперимент, для определения составляющих Px, Py, Pz силы взаимодействия в зоне контакта инструмент-деталь, величины усадки металла и толщины упрочненного слоя с целью оптимизации условий упрочнения. Экспериментально определены составляющие Px, Py, Pz силы взаимодействия в зоне контакта инструмент-деталь, величины усадки металла и толщины упрочненного слоя в зависимости от режимов обработки при фрикционном упрочнении инструментом с наклонными направленными в разные стороны пазами, с поперечными пазами на его рабочей поверхности и с гладкой рабочей поверхностью. Впервые экспериментально установлено распределение количества теплоты, образованной в зоне контакта инструмент-деталь.

Изучено влияние формы рабочей поверхности инструмента, режимов фрикционного упрочнения на параметры качества и точность обработанной поверхности, толщину упрочненного слоя, знак и величину остаточных напряжений.

Экспериментальные исследования показали, что использовании инструмента с наклонными направленными в разные стороны пазами уменьшается не только шорсткость, но и волнистость обработанной поверхнести.

Проведены экспериментальные исследования влияния качества упрочненных поверхностей и поверхностного слоя на износостойкость при трении скольжения без смазки. Износостойкость увеличивается за счет получения необходимых параметров обработанной поверхности и упрочненного слоя (толщина слоя и его микротвердость, шероховатость, знак и величина остаточных напряжений).

Показано, что фрикционное упрочнение с использованием инструмента с наклонными направленными в разные стороны пазами существенно повышает толщину упрочненного слоя, улучшает качество обработанной поверхности, снижается значение составляющих силы взаимодействия в зоне контакту инструмент-деталь, что в приводит к снижению енергоемкости процеса, а также повышает долговечность при испытаниях на изнашивание.

Разработаны и приняты к внедрению в производство технологические процессы фрикционного упрочнения деталей машин и технологической оснастки. Представлены рекомендации по использованию технологии поверхностного упрочнения, а также результаты стендовых испытаний изделий после упрочнения.

Ключевые слова: поверхностное упрочнение, упрочненный слой, високоскоростное трение, количество теплоты, качество поверхности.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

59310. Інтонація та розділові знаки між простими реченнями в складносурядному 38.5 KB
  Які речення називається складносурядним 2. Які смислові зв’язки існують між простими реченнями у складносурядному 3. ЗАВДАННЯ: записити й виразно з інтонацією прочитати речення.
59311. ЕНЕРГІЯ ЗМІН: МОЛОДЬ ВИБИРАЄ ЗДОРОВЯ 59 KB
  Допомогти учням зрозуміти значення всіх складових і факторів здоров’я. Вчити усвідомлювати основну мету здорової людини повноцінне життя як громадянина; можливість кожної особи реалізувати свій творчий і фізичний потенціал успадкований від батьків...
59312. Святий Миколай-найяскравіший приклад добродійництва і милосердя 40.5 KB
  Трошки допоможи мамі бо святий Миколай все бачить і чує. Гануся: Мамо мамо а хто такий святий Миколай Мама: Ой діти то довга історія а я немаю часу розповідати. Жив в однім краю служив Господу Богу і людям єпископ Миколай.
59314. Кайдашева сімя – зразок реалістичної соціально-побутової повісті 45 KB
  Кайдашева сім’я зразок реалістичної соціальнопобутової повісті. Нечуя-Левицького Кайдашева сім’я€. ВИХОВНА: виховувати повагу до старшого покоління показати огидність сімейних конфліктів. Історія написання повісті €œКайдашева сім’я€.
59315. Дозвольте колядувати – дім звеселяти 56 KB
  Хід заняття: діти заходять до залу Вихователь: Діти нещодавно ми святкували Різдвяні свята. Діти а що це за свято Різдво Що це за день Діти Це день коли народився Ісус Христос. діти беруться за руки попарно Всі – Мирмиром пироги з сиром варенички в маслі Ми дружечки красні.
59316. Веселі старти 26.5 KB
  Естафета 1: Передай швидше м’яч†Естафета заключається в тому яка команда швидше передасть м’яч. Виграла та команда в якої командир найшвидше від всіх інших стане на своє попереднє місце. по команді марш†вся команда взявшись за руки біжить поміж прапорцями так щоб вони не впали. Команда біжить в кінець залу і вертається так само.
59317. Бал ввічливості. Свято ввічливості 38.5 KB
  Ведучий: Кожний бал діти розпочинається €œбальним танцем€. Ведучий: Шановні мушкетери Просимо вас прочитати лекцію будьласка мушкетери. Пан Коцький: вітає Привіт А я запізнився Про що ви тут розмовляєте Ведучий: Так ти запізнився А ми про ввічливість говоримо.