Введение к работе
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 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.
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 (Э/1АН).
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 микротрещин.
Ямпипической базой явились исследования износостойкости и механических свойств деталей їаПїїін, типа тел вращения, а также влияния высококонцентрированных потоков энергии на архитектонику дислокационнои
структуры.
Научные Результаты, выносимые на зашиту:
-
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. „ .«„„,-„n
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
РЄЗУЛЬТаоТЬІустановлено 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 микротрещин, их схлопыванию и раздроблению, что приводит к увеличению энергии поверхностного слоя деталей машин и появлению устойчивых
диссипативных структур, о На основе экспериментальных исследовании получены регрессионные модели воздействия процесса ЭЛАН на поверхность деталей машин, обеспечивающего наибольшую микротвердость и минимальную шероховатость (Н=1.71; Ra=O,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 H и Ra) воздействия на 15% меньше для относительной микротвердости и на 29% меньше для шероховатости Ra.
Теоретическая и практическая значимость работы.
На основе теоретических и экспериментальных исследовании 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 исследовании 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 технологические 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 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, 20Юг; 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 и 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.
