Повышение износостойкости деталей пар трения путем выбора рациональных технологических параметров ультразвуковой упрочняющей обработки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат технических наук Скобелев, Станислав Борисович

• Скобелев, Станислав Борисович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Скобелев, Станислав Борисович

ВВЕДЕНИЕ

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПАР ТРЕНИЯ МЕТОДОМ , УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ С ВНЕДРЕНИЕМ ТВЕРДЫХ СМАЗОК

1.1 Основы процесса ультразвуковой упрочняющей обработки (УУО)

1.1.1 Связь ультразвуковой упрочняющей обработки с методами поверхностно-пластического деформирования (ППД)

1.1.2 Параметры, определяющие режимы УУО

1.1.3 Процессы, происходящие в поверхностном слое при УУО

1.2 Оборудование, применяемое при УУО

1.3 Основные параметры УУО

1.3.1 Материал заготовки

1.3.2 Амплитуда и частота колебаний

1.3.3 Статическая нагрузка

1.3.4 Технологические параметры УУО

1.4 Применение твердых смазочных покрытий при УУО

1.5 Выводы

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ УУО

2.1 Структурная схема процесса ультразвуковой упрочняющей обработки

2.2 Определение параметров площадки контакта инструмента и заготовки при УУО

2.2.1 Расчет параметров площадки контакта при обработке инструментом с цилиндрическим индентором

2.2.2 Расчет параметров площадки контакта при обработке инструментом со сферическим индентором

2.3 Определение фактической площади развертки площадки контакта инструмента и заготовки

2.4 Расчет основных технологических параметров УУО

2.4.1 Определение продольной подачи ультразвукового инструмента

2.4.2 Определение частоты вращения шпинделя станка

2.4.3 Определение статической силы прижима инструмента 73 2.5. Определение значений шероховатости и изменения размеров обрабатываемой детали в результате УУО

2.6 Вычисление области значений коэффициентов перекрытия и обработанное™ для углеродистых конструкционных сталей

2.7 Выводы 82 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ УУО НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ПОВЕРХНОСТИ

3.1 Методика планирования экспериментальных исследований

3.2 Описание экспериментальной установки

3.3 Подготовка экспериментальных образцов для испытаний

3.4 Проведение ультразвукового упрочнения с внедрением твердой смазки

3.5 Проведение испытаний на износостойкость

3.5.1 Аппаратура и условия испытаний

3.5.2 Определение весового износа

3.6 Обработка результатов эксперимента

3.7 Определение значений коэффициентов перекрытия и коэффициентов обработанности для конструкционных углеродистых сталей

3.8 Выводы 119 4 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Разработка методики проектирования операции ультразвуковой уп- 120 рочняющей обработки

4.2 Разработка компьютерной программы для расчета режимов УУО

4.2.1 Составление и отладка программы

4.2.2 Графическое представление вида обработанной поверхности

4.3 Применение методики для проектирования операции УУО для дета- 126 ли «Коленчатый вал» холодильного поршневого компрессора

4.4 Выводы 131 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 137 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 138 ПРИЛОЖЕНИЕ А - Изменение веса образцов при испытании на износ на машине трения ИИ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение износостойкости деталей пар трения путем выбора рациональных технологических параметров ультразвуковой упрочняющей обработки»

Актуальность темы. Ультразвуковая упрочняющая обработка (УУО) -один из методов поверхностного пластического деформирования (ППД). Благодаря данному методу возрастает микротвердость поверхностей, уменьшается шероховатость, улучшается совместимость материалов деталей пар трения, снижается износ во время приработки.

Разработанные, исследованные и внедренные в практику в 1972 г. д.т.н. A.B. Телевным основы модифицирования поверхностного слоя на основе объемной микропластичности, и созданный на их основе метод ударно-акустической обработки (УАО), являющийся разновидностью УУО, обеспечили внедрение в серийное производство авиационной и космической техники, а также в ремонтное производство для автомобильной промышленности механических систем для УУО. Однако в настоящее время отсутствует четкая методика назначения режимов УУО при обработке поверхностей деталей пар трения.

Учитывая возрастающие требования к качеству и необходимость обеспечения долговечности деталей в процессе эксплуатации, являются актуальными исследования, направленные на разработку методики назначения рациональных режимов обработки, при которых обеспечивается высокая износостойкость поверхностного слоя, и разработку методики проектирования технологической операции УУО.

Объектом исследования является процесс УУО с одновременным нанесением твердого смазочного покрытия и качество рабочих поверхностей и поверхностного слоя деталей после обработки.

Цель данной работы — повышение качества, износостойкости рабочих поверхностей деталей пар трения путем назначения рациональных технологических параметров УУО с одновременным нанесением твердого смазочного покрытия.

Задачи работы заключались в следующем:

1. Разработать расчетные схемы контакта индентора и обрабатываемой поверхности детали при УУО.

2. Разработать формулы для нахождения параметров площадки контакта инструмента и детали от геометрических параметров инструмента и детали и свойств материала детали. Получить зависимости подачи инструмента, частоты вращения заготовки, статической силы прижима инструмента от параметров площадки контакта инструмента и детали, позволяющие назначать технологические режимы обработки, при которых достигается высокая износостойкость обрабатываемой поверхности.

3. Провести экспериментальные исследования влияния режимов УУО на износостойкость деталей пар трения и определить на их основе рациональные режимы УУО, обеспечивающие высокую износостойкость деталей пар трения.

4. Разработать методику проектирования операции УУО.

Теоретические исследования в работе проводились на основе научных положений технологии машиностроения, трибологии, теории планирования эксперимента и математического моделирования. Экспериментальные исследования проведены с использованием лабораторной контрольно-измерительной аппаратуры и оборудования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны формулы для определения параметров развертки площадки контакта ультразвукового инструмента и детали, полученные на основе рассмотрения их взаимодействия в зависимости от геометрических параметров и свойств материала детали; получена зависимость для нахождения развертки фактической площади контакта ультразвукового инструмента и детали при обработке.

2. Получены зависимости для подачи инструмента, частоты вращения шпинделя, включающие характеристики регулярного микрорельефа - величины коэффициентов перекрытия (обработанности), позволяющие назначать технологические режимы обработки, при которых достигается высокая износостойкость обрабатываемой поверхности.

3. Установлены экспериментальные зависимости износостойкости обрабатываемых поверхностей деталей от параметров УУО с внедрением твердой смазки, и от значений общего коэффициента обработанности, и подобраны на их основе рациональные технологические режимы обработки.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработана методика проектирования операции УУО с внедрением твердой смазки.

2. Разработана компьютерная программа по расчету режимов УУО.

Результаты работы получены с использованием статистических методов обработки экспериментальных данных, адекватность экспериментальных моделей проверена по ^критерию Стьюдента.

Результаты научных исследований рекомендованы к внедрению в виде методики назначения рациональных режимов обработки в ОАО «НИИ технологии, контроля и диагностики железнодорожного транспорта» г. Омск.

Представленные в диссертационной работе исследования связаны с выполнением аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (2006 - 2008 г.г.).

Основные положения диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры «Технология машиностроения» ОмГТУ при курсовом и дипломном проектировании.

Материалы исследований доложены и обсуждены на научных семинарах и расширенном заседании кафедры «Технология машиностроения» (ОмГТУ, Омск) в 2008-2010 г.г.; на III Международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (Омск, 2007); на IV Международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружение и современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения» (Омск, 2007); на VI Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2007); на Юбилейной межвузовской научно-практической конференции аспирантов, студентов и молодых исследователей «Теоретические знания - в практические дела» (Омск, 2008); на научных семинарах кафедры «Общая технология машиностроения» Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова (Барнаул, 2008 - 2009).

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ку - коэффициент усиления амплитуды ультразвукового концентратора; ¿1 - диаметр входной части концентратора; ¿/2 - диаметр выходной части концентратора;

Утах - максимальная скорость главного движения ультразвукового упрочнения, мм/с;

Уср - средняя скорость главного движения ультразвукового упрочнения, мм/с; /- частота колебаний ультразвукового инструмента, 1/с; £ - амплитуда колебаний ультразвукового инструмента, мм; ¥д - максимальная скорость деформирования поверхностного слоя, мм/с; У

I- интенсивность ультразвука, Вт/м ; р - плотность среды, кг/м ; с - скорость распространения ультразвука, м/с; Яволн - площадь поперечного сечения волновода, мм2; п - частота вращения шпинделя станка, об/мин; у- шаг соударений ультразвукового инструмента с обрабатываемой поверхностью, мм;

В - диаметр обрабатываемой детали, мм;

Т0 - основное время обработки, мин;

Ь — длина обрабатываемой поверхности, мм;

I - число проходов инструмента;

3„Род - продольная подача инструмента, мм/об; к - число полусфер ультразвукового инструмента;

НУ- микротвердость поверхности, Н/мм ;

Яа - шероховатость поверхности, мкм; л ат - предел текучести материала детали, Н/м ; Рст - статическая сила прижима инструмента, Н; а - малая полуось развертки площадки контакта ультразвукового инструмента и заготовки, мм;

Ь - большая полуось развертки площадки контакта ультразвукового инструмента и заготовки, мм; к - глубина внедрения инструмента в поверхность детали, мм; Я] — радиус индентора ультразвукового инструмента, мм; Япр - приведенный радиус поверхностей контактирующих тел, мм; НД- пластическая твердость материала обрабатываемой детали, НУмм2; Я2 - радиус обрабатываемой поверхности детали, мм; •^п.конт. ~ площадь пятна контакта инструмента и заготовки, мм2; Рк - фактическая площадь развертки площадки контакта инструмента и заготовки, мм2;

К„ - коэффициент перекрытия в направлении подачи; ткдейст. ~ действительный коэффициент перекрытия в направлении подачи;

- коэффициент перекрытия в окружном направлении; / - величина сдвига площадки контакта в окружном направлении, мм. а - угол поворота заготовки между двумя соударениями, рад; Кп.дейст. - действительный коэффициент перекрытия в окружном направлении;

Яср - средний радиус обработки, мм;

Л5 - коэффициент обработанности в направлении подачи;

Лп - коэффициент обработанности в окружном направлении;

Лп5 — общий коэффициент обработанности;

2 - деформируемый микрообъем металла, мм3; йс - диаметр сферы индентора, мм;

Нтах - максимальная глубина внедрения индентора, мм;

- площадь поперечного сечения волновода, мм2; Д, - диаметр обрабатываемой поверхности до обработки, мм;

- припуск под обработку, мм; х1 - доля 1-го параметра в исследуемом процессе;

7 - число параметров в процессе; сг2{у} - дисперсия предсказанного значения у; сг2{у} - дисперсия воспроизводимости эксперимента; xi - координаты точки, в которой определяется дисперсия и - критерий Стьюдента;

Аа - площадь касания образцов, м ;

- путь за один оборот, м; А()~ изменение веса образцов, г;

ДТУ - число оборотов образца между взвешиванием образцо весовой износ образца, г/м3; Ь - путь трения образца, м; ББТ- ряд значений подач станка; N3 - количество подач; NN-количество частот вращения; N87- ряд значений частот вращения станка; ППД - поверхностно-пластическое деформирование; У АО- ударно-акустическая обработка; УЗО - ультразвуковая обработка; УУО - ультразвуковая упрочняющая обработка.