Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния проблемы обеспечения износостойкости деталей с криволинейными поверхностями трения. цель и задачи исследований 12
1.1. Применение деталей с криволинейными поверхностями трения в машинах 12
1.2. Контактное взаимодействие криволинейных поверхностей трения 15
1.3. Трение и изнашивание пар с криволинейными профилями рабочих поверхностей 21
1.4. Конструкторско-технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин 26
1.5. Технологические методы повышения износостойкости деталей с криволинейными поверхностями трения 35
1.6. Выводы, цель и задачи исследований 39
Глава 2. Методология проведения исследований 43
2 Л. Методология проведения теоретических исследований 43
2.2. Методология проведения экспериментальных исследований 47
2.2.1. Материалы, образцы, детали 47
2.2.2. Проведение испытаний на изнашивание 49
2.2.3. Методы определения параметров качества поверхностного слоя и эксплуатационных показателей 53
2.3. Технологические методы упрочнения криволинейных
поверхностей 55
2.3.1. Установка для электромеханической обработки 57
2.3.2. Инструментальная и технологическая оснастка 62
Глава 3. Закономерности изнашивания и изменения параметров качества криволинейных поверхностей трения 69
3.1. Обобщенная модель для представления формы сложно описываемых криволинейных поверхностей 69
3.2. Контактное взаимодействие трущихся криволинейных поверхностей 73
3.2.1. Контакт выпуклой и вогнутой сфер 74
3.2.2. Контакт кулачковой поверхности с толкателем, имеющем форму плоской тарелки 84
3.3. Закономерности изнашивания криволинейных поверхностей трения 87
3.3.1. Выбор рациональных форм изнашиваемых деталей с криволинейными поверхностями 88
3.3.2. Оценка формы изнашиваемых элементарных криволинейных поверхностей трения 95
3.3.3. Установление требуемой закономерности изнашивания для элементарных криволинейных поверхностей трения... 105
3.4. Модель изнашивания криволинейных поверхностей трения 106
3.5. Закономерности изменения параметров качества криволинейных поверхностей трения в зависимости от заданного закона изнашивания вдоль их образующих 108
3.6. Взаимосвязь износостойкости с параметрами качества поверхностного слоя и условиями трения 113
Выводы 116
Глава 4. Технологическое обеспечение закономерного изменения качества криволинейных поверхностей трения 119
4.1. Система формирования параметров качества и эксплуатационных свойств криволинейных поверхностей трения при упрочняющей обработке 119
4.2. Формирование качества поверхностного слоя при упрочняющей обработке 124
4.3. Закономерности изменения режимов в процессе обработки в зависимости от законов изменения параметров качества криволинейных поверхностей 133
4.4. Сравнительный анализ применения технологических методов с целью обеспечения закономерно изменяющегося качества и износостойкости криволинейных поверхностей 145
Выводы 148
Глава 5. Установление взаимосвязи износостойкости криволинейных поверхностей с условиями их обработки 149
5.1. Сравнительный анализ методов моделирования в триботехнологических исследованиях 149
5.2. Математико-статистический подход к описанию взаимосвязи износостойкости поверхностей трения с условиями их обработки 151
5.3. Применение метода нейросетевого моделирования к процессу формирования эксплуатационных свойств криволинейных поверхностей трения при упрочняющей обработке 156
5.4. Испытания нанейросетевой модели. Результаты экспериментальной проверки модели 163
Выводы 167
Глава 6. Автоматизированные системы обеспечения закономерного изменения качества криволинейных поверхностей трения 172
6.1. Автоматизированная система управления режимами электромеханической обработки (АСУ ЭМО) в процессе упрочнения криволинейных поверхностей (общая схема) 172
6.2. АСУ ЭМО на основе функциональных преобразователей 173
6.3. АСУ ЭМО с использованием репрограммируемых постоянных запоминающих устройств (РПЗУ) 180
6.4. АСУ ЭМО с управлением от персональной ЭВМ 183
6.5. Адаптивная система управления процессом ЭМО 198
Выводы 201
Глава 7. Реализация результатов исследований и расчет экономической эффективности 202
7.1. Пара трения «сателлит - чашка корпуса дифференциала» 204
7.2. Пара трения «сферическая опора - корпус» 214
7.3. Узел трения «кулачковый вал - толкатели» 221
7.4. Расчет экономической эффективности 231
Выводы 238
Основные выводы и результаты 239
Список использованных источников 241
Приложения 256
- Трение и изнашивание пар с криволинейными профилями рабочих поверхностей
- Методология проведения экспериментальных исследований
- Закономерности изнашивания криволинейных поверхностей трения
- Формирование качества поверхностного слоя при упрочняющей обработке
Введение к работе
В диссертации рассматриваются вопросы, связанные с решением проблемы технологического повышения износостойкости деталей машин, имеющих криволинейные поверхности трения.
Актуальность темы. Для большинства деталей, работающих в условиях трения скольжения, долговечность определяется не столько самой величиной износа, сколько закономерностью ее изменения вдоль образующих поверхностей трения. К таким деталям относятся, в частности, детали сферических сопряжений (дифференциалов, сферических опор), кулачковых пар трения и зубчатых зацеплений, бандажи железнодорожных колес и другие детали со сложными профилями, широко применяемые в различных механизмах авиационной, автомобильной и строительной техники, робототехники и изделий общего машиностроения. Особенностью их работы является неравномерность распределения рабочих давлений и скоростей скольжения, что приводит к неравномерному изнашиванию вдоль образующей поверхности контакта, потере первоначальной геометрической формы, а в результате - к ухудшению работоспособности пары трения в целом, что не учитывается в настоящее время как при проектировании, так и при изготовлении изделий. Это, в свою очередь, приводит к снижению конкурентоспособности выпускаемой продукции и неоправданным расходам на ремонт.
Эксплуатационные показатели деталей с криволинейными поверхностями трения, в частности износостойкость, во многом определяются параметрами качества их поверхностных слоев (макроотклонений, волнистости, шероховатости, физико-механических свойств), которые формируются в процессе производства. В этой связи безусловно актуальными являются исследования, направленные на решение задач по технологическому повышению износостойкости пар трения с криволинейными поверхностями на основе выбора рациональных технологических способов их обработки. Наиболее перспективной является в этом отношении упрочняюще-отделочная обработка, с помощью которой представляются более широкие возможности создания закономерно изменяющегося качества поверхностных слоев контактирующих криволинейных поверхностей с целью обеспечения закономерного и минимального по величине износа вдоль их образующих.
Цель работы. Повышение износостойкости криволинейных поверхностей трения деталей машин на основе определения и технологического обеспечения закономерно изменяющегося качества их поверхностных слоев и интенсивности (скорости) изИаВ
(ИОНЛЛЬНАЯI
ВИБЛИфТСКА |
09 ЧШ0т*Н-ОІ t
Объект исследований. Детали узлов трения машин с криволинейными поверхностями, работающие в условиях скользящего контакта и граничного трения, в частности детали дифференциала заднего моста автомобилей, сферических опор вращения, распределительных валов двигателей внутреннего сгорания; технологические методы обработки, в частности электромеханическое упрочнение, алмазное выглаживание и точение на станках с ЧПУ, с помощью которых представляется возможным обеспечить закономерно изменяющееся качество поверхностных слоев контактирующих криволинейных поверхностей деталей машин с целью достижения закономерного и минимального по величине износа вдоль их образующих.
Методология и методы исследований. Методологической основой работы является системный подход к изучению и описанию взаимосвязей эксплуатационных свойств деталей с криволинейными поверхностями трения с технологическими условиями их обработки.
Теоретические исследования базируются на основных положениях технологии машиностроения, современной статистической теории и методологии, теории контактного взаимодействия деталей, молекулярно-механической теории трения и изнашивания, а также на широком применении математических методов исследований и аппарата дифференциального и интегрального исчислений. Экспериментальные исследования базируются на современных методах математической статистики, математических методах обработки экспериментальных данных, теории планирования экспериментов и на широком применении ЭВМ.
Научная новизна:
-
Установлена возможность повышения износостойкости криволинейных поверхностей трения путем технологического обеспечения закономерного изменения показателей качества их поверхностных слоев.
-
Разработаны теоретические положения, позволяющие реализовать подход к моделированию процесса контактного взаимодействия трущихся криволинейных поверхностей деталей триботехнических систем, учитывающий влияние шероховатости, волнистости, макроотклонений, физико-механических свойств и позволяющий с помощью статистических испытаний на ЭВМ научно обоснованно подойти к нормированию закономерно изменяющихся параметров качества их поверхностных слоев и выбору способов упрочняюще-отделочной обработки.
-
Разработан методологический подход к обеспечению закономерного изнашивания криволинейных поверхностей вдоль их образующих на основе теоретического определения и технологического обеспечения изменяющегося качества поверхностных слоев сопряженных деталей.
4. Предложен подход выявления непосредственной взаимосвязи износостойкости криволинейных поверхностей трения с условиями их упрочняющей обработки на основе использования метода нейросетевого моделирования.
Автор защищает следующие основные положения:
решение научной проблемы повышения долговечности криволинейных поверхностей трения деталей машин на основе технологического обеспечения закономерно изменяющегося качества их поверхностных слоев;
модель изнашивания криволинейных поверхностей трения, учитывающую влияние шероховатости, волнистости, макроотклонений и физико-механических свойств поверхностного слоя и условий трения сопряженных деталей;
методологический подход, позволяющий научно обоснованно подойти к нормированию параметров качества поверхностного слоя и выбору способа упрочняюще-отделочной обработки на основе моделирования процесса контактного взаимодействия трущихся криволинейных поверхностей и проведения последующих статистических испытаний модели на ЭВМ;
установленные закономерности изменения параметров качества, в частности коэффициента упрочнения и параметра Сх криволинейных поверхностей трения, обуславливающие закономерный и минимальный износ соединяемых поверхностей;
о возможность технологического обеспечения закономерного изменения параметров качества и интенсивности (скорости) изнашивания криволинейных поверхностей трения вдоль их образующих путем закономерного изменения режимов обработки, в частности плотности тока при ЭМО, нормальной силы при алмазном выглаживании и подачи при точении.
Практическая ценность работы:
-
На основе выработанных научных положений разработаны методики, алгоритмы и программное обеспечение для определения закономерностей изменения параметров качества криволинейных поверхностей и технологических способов их обеспечения.
-
Разработаны жесткие и гибкие автоматизированные системы, позволяющие обеспечивать закономерное изменение параметров качества криволинейных поверхностей при электромеханической обработке (ЭМО), которые могут быть использованы в машиностроении для различных типов производств (от единичного до массового).
-
На основе разработанного методологического подхода представляется возможным создавать узлы трения машин с закономерным изнашиванием
трущихся криволинейных поверхностей в процессе эксплуатации, исходя из функционального назначения деталей, их соединений и узла в целом. 4. Разработанные рекомендации позволяют повысить износостойкость деталей с криволинейными поверхностями трения (в частности сферических соединений, кулачковых пар трения) в 1,5-2 раза и более и являются эффективным способом повышения долговечности деталей машин.
Реализация полученных результатов. Результаты исследований нашли применение на ряде промышленных предприятий общего, дорожного машиностроения и автомобилестроения при выполнении по их заказу 6 хоздоговорных НИР, а также использовались при выполнении 3 госбюджетных НИР, 2 грантов Министерства образования РФ («Разработка научных основ метода импульсной электромеханической обработки с автоматически закономерно изменяющейся силой тока», 1998-2000 гг.; «Научные основы электромеханической обработки криволинейных поверхностей деталей машин», 2003 г.), 1 проекта в рамках научно-технической программы Министерства образования РФ («Разработка технологий электромеханической обработки деталей сложной формы, работающих в условиях трения, исходя из их функционального назначения, применительно к автомобиле- и тракторостроению», 1998-2000 гг.).
Результаты исследований опубликованы в энциклопедии «Машиностроение»(т.Ш-3), а также в справочнике технолога-машиностроителя (т.2, 5-е изд., переработанное и дополненное).
Созданные автоматизированные системы и установки для ЭМО заявлены в качестве инновационного проекта, используются при выполнении НИР, а также в учебном процессе при выполнении курсовых, лабораторных работ и в научно-исследовательских работах студентов.
Апробация работы. Основные положения и наиболее важные разделы диссертации докладывались и обсуждались на 14 международных научно-технических конференциях и симпозиумах, в том числе: «Проблемы повышения качества машин» (г. Брянск, 1994), «Износостойкость машин» (г. Брянск, 1995, 1996), «Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века» (г. Севастополь, 1998, 2000, 2001, 2002), «Проблемы повышения качества промышленной продукции» (г. Брянск, 1998), «Автотракторостроение. Промышленность и высшая школа» (г. Москва, 1999), «Сертификация и управление качеством продукции» (г. Брянск, 1999, 2002), «Качество машин» (г. Брянск, 2001), «Состояние и перспективы развития дорожного комплекса» (г. Брянск, 2001), «Инженерия поверхности и реновация изделий» (г. Ялта, 2002).
Диссертация в полном объеме обсуждена и одобрена на заседаниях головного Совета «Машиностроение» (г. Брянск, 2000), научного семинара
«Инженерна поверхностного слоял (і. Ьрянск. 2002), кафедры «<Айтомагиііірояанньа; технологические сиое\<.ы>» ВГТУ (г. Брянск, 2003), технологической t! трибологичеекой секций Ы ТУ {г. Брянск, 20(B).
Научно-техническая продукция выполненных исследований представлялась на 3-х региональных научно-технических конференциях-ярмарках «Новые идеи, технологии, проекты и инвестиции» (г. Брянск, 1999-2001), международной выставке «Экспортные возможности иен гра России» (г. Москва, ЗАО «Экспоцентр», 1999), Всероссийской выставке «Прикладные іехио.югии» (г. Москва, Минобразования РФ, 1999).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликована 61 печатная работа.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит ні введения, семи глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 262 страницах, содержит 106 рисунков и 33 таблицы. В приложениях приведены акты внедрения результатов исследований.
Трение и изнашивание пар с криволинейными профилями рабочих поверхностей
Как показывают исследования [20,97], наибольший износ сферического сопряжения, сопровождающийся превращением сферической формы поверхности в коническую, наблюдается вблизи оси вращения при
А.С. Прониковым [97] разработана методика расчета на износ, в том числе и сферических сопряжений равных радиусов при наличии центрального отверстия в корпусе и лыски на сферической пятке (рис. 1.4).
Расчетные зависимости для определения интенсивности изнашивания сферических поверхностей имеют вид: где Jh - средняя интенсивность изнашивания трущихся материалов в предполагаемых условиях эксплуатации сферических шарнирных подшипников (4=5 10" ...10" [56,57]).
Как показывают исследования по синтезу кулачковых механизмов [20], представляющих собой пары с криволинейным профилем поверхности трения, для обеспечения их работоспособности необходимо, чтобы мощность трения NTp, возникающая в процессе эксплуатации, не превышала некоторую величину, зависящую от свойств применяемых материалов и качества поверхности контактирующих тел. Однако это условие не всегда позволяет обеспечить необходимую долговечность механизмов износа неравномерного износа профиля кулачка и толкателя.
В парах с криволинейным профилем поверхности трения, работающих в условиях трения качения с проскальзыванием, вследствие возникающих в процессе эксплуатации высоких контактных давлений происходит вытеснение рабочей жидкости из зоны контакта, и по этой причине характер взаимодействия поверхностей приближается к условиям трения без смазки. В этих условиях износ поверхностей вследствие проскальзывания весьма значителен, что приводит к снижению срока службы механизма.
Интенсивность изнашивания пары трения при трении качении с проскальзыванием Jhk описывается уравнением [77 где hj - износ; LTp — путь трения; с - коэффициент, определяемый микрогеометрическими, физико-механическими характеристиками пары трения и видом контакта; пр — величина, зависящая от кривизны соприкасающихся тел; а - параметр, определяющий закономерности фрикционного разрушения шероховатых тел; к - сумма главных кривизн в точке контакта; а - полуось эллиптической зоны контакта; а] - полуось площадки контакта по направлению скорости; иск — скорость скольжения в зоне контакта; ог - скорость перемещения зоны контакта по элементу кинематической пары.
Работа пар с криволинейным профилем поверхности трения сопровождается многократными смещениями контактирующих поверхностей и повторными приложениями нагрузки. При этом в результате перераспределения площади фактического контакта происходят дополнительные пластические деформации неровностей. Такие условия эксплуатации приводят к контактному и усталостному разрушению сопряженных поверхностей, а в некоторых случаях неизбежным является возникновение процессов микрорезания.
Величина контактных перемещений упл, соответствующих появлению пластических деформаций на площадках контакта, может быть рассчитана по уравнению [75] где HV - микротвердость поверхности.
Величина контактных перемещений ур, соответствующих возникновению процессов микрорезания, может быть определена по уравнению [77]: где от - предел текучести материала контактирующего тела.
В процессе трения и изнашивания деталей машин, в том числе и пар с криволинейным профилем поверхности трения, происходит постепенное уменьшение шероховатости, волнистости и макроотклонений их рабочих поверхностей, что приводит к увеличению фактической площади контакта и уменьшению напряжений на площадках контакта от о т до о. Лишь после комплексной стабилизации макроотклонений, волнистости, шероховатости и физико-механических свойств поверхности трения, т.е. после образования равновесного слоя в целом, завершается процесс приработки пар трения. Такое состояние поверхностного слоя может характеризоваться, например, комплексным параметром Сх. В работах [105, 106, 113], исходя из условия обеспечения минимальной величины коэффициента трения, приведено следующее выражение для параметра Сх: где Wz - высота волнистости по десяти точкам; Нтах - наибольшая высота макроотклонений; Ra - среднее арифметическое отклонение профиля шероховатости; к - коэффициент упрочнения; Sm - средний шаг неровностей, 26Значение Ср — комплексного параметра свойств поверхностного слоя, соответствующее его равновесному состоянию, может быть рассчитано по выражению где то - сдвиговое сопротивление при экстраноляции нормального давления до нуля; от - предел текучести материала; v - параметр кривизны начального участка опорной кривой; 0 - упругая постоянная материала; хг -коэффициент гистерезисных потерь при трении; р - нормальное давление.
Анализ работ по теоретическому исследованию процессов трения и изнашивания показывает несовершенство научно обоснованных методик расчета пар трения с криволинейными поверхностями по критерию износостойкости с учетом параметров качества сопряженных деталей (шероховатости, волнистости, макроотклонений, физико-механических свойств поверхностного слоя).
Значение рассчитанного в ряде работ комплексного параметра состояния поверхностного слоя Сх не учитывает изменения микрогеометрии вдоль образующей криволинейного профиля.
Срок службы основных видов машин, механизмов и оборудования до капитального ремонта во многом зависит от износостойкости деталей их узлов трения [12, 16, 75, 77]. Как известно, большая часть деталей (80-85%) выходит из строя вследствие их интенсивного изнашивания [13]. Из-за недостаточной долговечности деталей возникает экономически неоправданно высокий уровень потребности и расхода запчастей.
В настоящие время решение проблемы обеспечения эксплуатационных свойств деталей машин и соединений сводятся к решению двух задач: 1) задачи конструктора по выбору материала деталей, определению их размеров, точности и параметров качества поверхностного слоя, обеспечивающих необходимые эксплуатационные свойства, исходя из функционального назначения; 2) задачи технолога по обеспечению точности размеров и параметров качества поверхностного слоя деталей, назначенных конструктором. Структурные схемы решения задач конструктора и технолога приведены соответственно на рис. 1.5 и рис. 1.6 [111]. Сложность выбора функциональных параметров качества поверхностных слоев контактирующих деталей, обуславливающих их эксплуатационные показатели, вызвана тем, что для конкретного узла трения (геометрические размеры, материал деталей и т.п.) и определенных условий эксплуатации (нагрузка, скорость скольжения, наличие смазки и т.п.) важнейшими в функциональном отношении могут оказаться те или иные параметры качества [62, 103, 111, 113] в силу, например, взаимной с корреляционной зависимости между ними, обуславливаемой условиями технологической обработки рабочих поверхностей деталей. Сложность выбора параметров качества обусловлена также многофакторностью зависимостей и связей эксплуатационных показателей с функциональными параметрами качества поверхностных слоев деталей и недостаточной их изученностью. Для оценки качества поверхностного слоя используют следующие показатели: 1) геометрические параметры [5, 62, 101, 103, 154]: а) отклонения от правильной геометрической формы (от кругл ости, прямолинейности, плоскостности); б) параметры волнистости; в) характеристики шероховатости; г) направление следов обработки, характеризующее текстурирование поверхности;
Методология проведения экспериментальных исследований
В качестве технологических методов упрочнения поверхностного слоя деталей с криволинейными поверхностями трения исследовались методы алмазного выглаживания и импульсной электромеханической обработки.
Алмазное выглаживание производилось с использованием традиционных способов обработки и инструментальной оснастки.
Электромеханическая обработка (ЭМО) основана на сочетании термического и силового воздействий на поверхность обрабатываемой детали, что приводит к изменению физико-механических и геометрических показателей поверхностного слоя деталей и, как следствие, к повышению износостойкости, предела выносливости и других эксплуатационных свойств. Сущность метода ЭМО заключается в том, что в процессе обработки через место контакта инструмента и заготовки проходит ток большой силы и низкого напряжения. Высокое сопротивление зоны контакта приводит к сильному нагреву контактирующих микронеровностей обрабатываемой поверхности, и под силовым воздействием инструмента они деформируются и сглаживаются, а поверхностный слой упрочняется за счет быстрого отвода тепла в основную массу материала и скоростного охлаждения от температуры фазового превращения металла. При этом разогрев до температур фазовых превращений является необходимым условием упрочняющих режимов обработки.
Электромеханическая обработка характеризуется следующими особенностями: 1. Тепловое и силовое воздействия на поверхностный слой осуществляются одновременно. 2. Тепловыделение в зоне контакта инструмента и заготовки является следствием действия двух основных источников: внешнего (теплоты, выделяющейся в процессе трения между инструментом и деталью во время обработки) и внутреннего (теплоты, выделяющейся при прохождении тока через малую дискретную площадь контакта). При этом особенностью второго источника тепловыделения является то, что теплота от него создается одновременно и мгновенно во всем локальном объеме поверхностного слоя, находящемся в контакте с инструментом в данный момент времени. 3. Термический цикл (нагрев, выдержка и охлаждение) весьма кратковременный и измеряется долями секунды. Высокая скорость охлаждения определяется интенсивным отводом теплоты вовнутрь детали. В местах локализации тепловыделения в поверхностном слое температура выходит за критическую точку Ас3 и происходит сначала аустенитное превращение, а затем интенсивная закалка, вызванная большой скоростью отвода тепла из зоны контакта. Эффект упрочнения ЭМО достигается благодаря тому, что реализуются сверхбыстрые скорости нагрева и охлаждения и достигается высокая степень измельченности аустенитного зерна, которая обуславливает мелкокристаллические структуры закалки поверхностного слоя, обладающего высокими физико-механическими и эксплуатационными свойствами,
Импульсная схема пропускания тока при ЭМО предусматривает определенную длительность импульсов тока и пауз между ними. Это способствует выравниванию тепла в момент пауз во всех приконтактных объемах, позволяет не допустить перегрева поверхностного слоя при значительной силе тока, стабилизирует сопротивление к моменту пропускания очередного импульса. Время импульсов протекания тока и пауз между ними влияет не только на максимальную температуру нагрева поверхностного слоя и стабильность процесса ЭМО, но и на глубину упрочненного слоя и площадь пятна нагрева.
На основе опыта по электрофизическому упрочнению деталей машин и инструментов [11, технологических возможностей метода электромеханического упрочнения поверхностного слоя деталей типа «тела вращения». Принципиальная схема установки, смонтированной на базе токарно-винторезного станка мод. 16К20, представлена на рис. 2.11, а внешний вид приведен на рис 2.12. Упрочняемая заготовка 6 закрепляется в шпинделе станка (в патроне или при необходимости в центрах). Кулачки патрона с помощью медных шин соединены с токоприемником 2. В резцедержателе суппорта устанавливается изолированная от станка головка с роликом-электродом 5 (для упрочнения наружных цилиндрических и кулачковых поверхностей). Для упрочнения наружных и внутренних сферических поверхностей на суппорте устанавливается изолированное от станка специальное приспособление для обработки сферических поверхностей с роликом-электродом 4. Токоприемник патрона и ролики-электроды соединены с помощью медных шин с силовым трансформатором 1
Закономерности изнашивания криволинейных поверхностей трения
Установление и обеспечение требуемых закономерностей изнашивания криволинейных поверхностей трения, определяющих долговечность деталей со сложными профилями, возможно осуществлять как на стадии конструирования, так и технологическими методами. В первом случае выбирается рациональная форма изнашиваемых деталей, исходя из их функционального назначения. Во втором случае обеспечивается оптимальная форма закономерного изнашивания уже имеющихся (изготовленных) элементарных криволинейных поверхностей путем технологического воздействия на поверхностный слой сопрягаемых деталей.
Выбор рациональных форм изнашиваемых деталей с криволинейными поверхностями При изнашивании трущихся элементов машин их форма подвергается вполне определенным изменениям. Подобные изменения приводят к так называемым формам «естественного» износа [154]. Приближение конфигурации изнашиваемой детали к той, которая возникает или к которой стремится деталь узла трения, позволяет сократить период приработки и существенно повысить ресурс работы в режиме установившегося процесса изнашивания.
Общий подход к выбору рациональных форм изнашиваемых деталей с криволинейными поверхностями рассмотрен для условий обеспечения минимальных мощности трения и скорости изнашивания в направлении сближения сопрягаемых деталей (применительно к криволинейным опорам вращения, к которым приложены осевая сила и крутящий момент).
Для условия 1. Требуется найти рациональную форму тела вращения (рис. 3.11), которая обеспечивает минимальные потери на трение.
Форму тела вращения будем называть рациональной, когда распределение нормальных давлений вдоль образующей криволинейной поверхности на участке ab (рис. 3.11) будет постоянным (равномерным), а мощность трения на поверхности контакта - минимальной.
Уравнение образующей тела вращения найдем, интегрируя выражение (3.54). ТогдаФункция (3.56) является монотонно возрастающей (не имеющей асимптот) при С] 0 и монотонно убывающей при Сі 0. Графики функции (3.56) для данных случаев представлены на рис. 3.12.
Таким образом, форма криволинейной поверхности, описываемая уравнением (3.56), позволяет обеспечить минимальную мощность трения по сравнению с другими формами тел вращения при одних и тех же условиях нагружения (рис. 3.11). Постоянная С] влияет на вид криволинейной поверхности (выпуклая или вогнутая), а также на соотношение размеров (хтах -хтіп) и (утах -утт)- Постоянная 02 влияет на положение кривой на сетке координат вдоль оси OY. Размеры тела вращения определяются конструктивными особенностями узла трения.
Для условия 2. Требуется найти рациональную форму тела вращения, обеспечивающую минимальную скорость изнашивания в осевом направлении, к которому приложены осевая сила и вращающий момент (рис. 3.11).
Выражение для мощности, расходуемой на изнашивание в осевом направлении сближения сопрягаемых поверхностей, представим в виде:
Для обеспечения требуемой точности вычислений достаточно п—3 членов. Кроме того, для упрощения расчетов ограничимся интервалом фе[0; -90]. Тогда, после замены ф —ф/2, получим модель в окончательном виде
В выражении (3.70) величина а0 принимается, исходя из конструктивных особенностей узла трения. Значения коэффициентов Ьь Ь2 и Ь3 рассчитываются с помощью соответствующего программного обеспечения на ЭВМ, исходя из условия обеспечения минимального экстремума функционала (3.66). На рис. 3.13 представлен вид функции, описываемой уравнением (3.70). «Полюс» полярной системы координат расположен в т. (0;0). При ф=0: х=р(0)-ао; у=0. При ф=-90: х=0; у= -р(-90).
Таким образом, минимальная скорость изнашивания криволинейной поверхности (рис. 3.11) в осевом направлении реализуется при форме тела вращения, описываемого уравнением (3.70).
Рассмотрим сферическую пару трения (с равными по величине радиусами R) с осеподвижным скользящим контактом выпуклой и вогнутой сферических поверхностей, нагруженных осевой силой и вращающим моментом (рис. 3.14).
Для определения формы «естественного» износа сферической поверхности в соответствии с методологией проведения исследований (глава 2) были проведены экспериментальные исследования на изнашивание пары трения «сферическая опора - корпус» (в соответствии с расчетной схемой, представленной на рис. 3.14). Испытания проводились по плану двухфакторного эксперимента 22 с тремя повторениями и последующим дисперсионным анализом результатов. В качестве входных факторов варьировались значения максимальных давлений в контакте q0 («-» соответствовал 0,5МПа; «+» - 2,0 МПа) и максимальной относительной скорости скольжения сферических поверхностей иС]С тах («—» соответствовал 0,12 м/с; «+» - 0,4 м/с). Выходным фактором являлся износ сферических поверхностей, измеряемый в сечениях, соответствующих углу контакта ає[5;85](рис.3.14).
Результаты суммарного износа сферической опоры за полное время испытаний, соответствующие пути трения 10000 м, представлены на рис. 3.15.
Форма изношенной поверхности сферической опоры, экспериментально определенная по результатам испытаний на изнашивание, представлена на рис. 3.16.
Как показывают экспериментальные исследования, в процессе естественного изнашивания сферическая поверхность трения преобразуется в поверхность, близкую к конической, что подтверждается исследованиями
Формирование качества поверхностного слоя при упрочняющей обработке
Режимы упрочняющей обработки оказывают непосредственное влияние на формирование качества поверхностного слоя.
При электромеханической обработке, как показали теоретико-экспериментальные исследования, проводимые методами планирования экспериментов, наибольшее влияние на качество и эксплуатационные свойства поверхностного слоя оказывают такие режимы электромеханического упрочнения, как сила тока, скорость обкатывания и давление ролика-электрода на обрабатываемую поверхность.
Электромеханическая обработка связана в основном с резким повышением твердости и снижением шероховатости обрабатываемой поверхности деталей и в меньшей мере оказывает влияние на другие характеристики. В зависимости от степени влияния на структуру и свойства поверхностного слоя различают следующие режимы электромеханической обработки:
Жесткий упрочняющий режим, как правило, используется при обработке на переменном токе. При этом в поверхностном слое значительной глубины образуется светлая зона мелкодисперсного мартенсита, а в переходном слое отсутствуют значительные пластические деформации. Данный режим предусматривает высокую плотность тока (700 - 1500 А/мм2) в контакте инструмента с деталью, низкую скорость обработки (0,01-0,08 м/с) и невысокие требования к шероховатости поверхности. 2. Средний упрочняющий режим осуществляется как на переменном, так и на постоянном токе. Он характеризуется незначительной глубиной упрочнения, наличием светлой и темной зон ферритно-мартенситной структуры поверхностного слоя и значительным деформированием переходного слоя. Плотность тока в контакте ниже 800 А/мм2, причем ее значение непосредственно влияет на наличие или отсутствие фазовых превращений. Скорости обработки аналогичны или несколько выше применяемых на жестком режиме упрочнения. Высокие давления оказывают отрицательное воздействие на упрочняющих режимах ЭМО. Величина давления инструмента на обрабатываемую поверхность выбирается исходя из требований к глубине и шероховатости поверхностного слоя. 3. Отделочный режим, как правило, применяется при обработке на постоянном токе. Он характеризуется отсутствием фазовых превращений, невысокой плотностью тока в контакте, высокими скоростями обработки (0,15 - 2 м/с), значительными давлениями инструмента. Применяется, когда не требуется существенная глубина упрочнения, а необходимо значительное уменьшение исходной шероховатости обрабатываемой поверхности. При этом достигается высокая производительность. Общая закономерность при выборе режимов ЭМО состоит в следующем. Чем больше удельное насыщение энергией поверхностного слоя до момента его охлаждения, тем выше его упрочняемость по глубине. Повышение скорости способствует уменьшению глубины упрочнения. Однако в весьма тонком поверхностном слое увеличенная скорость может оказаться доминирующим фактором в связи с тепловыделениями от трения, что также происходит с увеличением давления в контакте при малых значениях силы тока. При высоких скоростях нагрева возможно неполное аустенитное превращение, однако под действием высоких давлений структура настолько измельчается, что превращение происходит даже при высоких скоростях. Выбор оптимальных режимов ЭМО представляет значительный практический интерес и зависит от требуемой степени и глубины упрочнения, шероховатости поверхности, закономерностей контактного нагрева, начальной шероховатости, геометрии инструмента, структуры обрабатываемой заготовки, метода электромеханического упрочнения и т.д.
Влияние режимов электромеханической обработки на твердость поверхностного слоя и глубину упрочнения при ЭМО переменным током для различных материалов представлено в табл. 4.1. На рис, 4.3,4,4 представлено влияние плотности тока на микротвердость, глубину упрочнения и распределение микротвердости по глубине упрочненного слоя при импульсной ЭМО образцов из высокопрочного чугуна ВЧ-50. При этом использовались следующие режимы упрочнения:
Шероховатость обработанных поверхностей при ЭМО зависит от исходной шероховатости, геометрии инструмента, его шероховатости, значения подачи, давления, силы и рода тока, скорости обработки. Во всех случаях обработка должна осуществляться при достаточной жесткости технологической системы и отсутствии вибрации. При этом шероховатость рабочей поверхности инструмента должна быть ниже требуемой шероховатости после обработки, а подача - меньше применяемой при механической обработке.
Шероховатость обработанной поверхности после ЭМО в значительной мере зависит от значения подачи и радиуса инструмента. Увеличение радиуса инструмента снижает влияние значения подачи. С увеличением исходной шероховатости повышается степень неоднородности образованной поверхности и увеличивается вероятность отклонения силы деформирования от оптимального значения. При обработке на упрочняющих режимах ЭМО требования к шероховатости поверхности должны сочетаться с необходимостью получения высокой глубины упрочнения. При скорости обработки ниже 0,08 м/с наблюдается значительное уменьшение шероховатости поверхности, что объясняется влиянием повышенного нагрева. Основное влияние на шероховатость оказывает первый рабочий ход, последующие два снижают шероховатость меньше. Дальнейшее увеличение числа рабочих ходов приводит к повышению шероховатости. Практически их не должно быть больше трех. Повторные рабочие ходы могут приводить к отпуску материала заготовки и снижению поверхностной микротвердости.
При упрочнении постоянным током осуществляется лучший прогрев микронеровностей и уменьшение их сопротивляемости деформированию. Поэтому увеличение силы постоянного тока существенно не ухудшает шероховатости в отличие от переменного, с увеличением амплитуды которого происходит увеличение вибрации и сопротивляемости неровностей деформированию, что приводит к ухудшению шероховатости поверхностного слоя, однако глубина упрочнения при этом повышается и превосходит глубину упрочнения постоянным током при аналогичных его значениях.
Влияние плотности тока при ЭМО переменным током образцов из сталей 45 и 40ХН на параметры шероховатости Ra, Rp, Sm, tm; волнистости Wp и степень упрочнения U„ представлено в табл. 4.2.
Зависимость шероховатости от давления инструмента на поверхность детали имеет экстремальный характер. Поэтому необходима экспериментальная оптимизация значения давления при совокупности влияния остальных факторов. Влияние давления ролика-инструмента на деталь при ЭМО образцов из сталей 45 и 40ХН на геометрические параметры поверхностного слоя представлено в табл. 4.3.
Методами математико-статистического моделирования получены следующие регрессионные зависимости между режимами упрочнения при ЭМО переменным током и микротвердостью поверхностного слоя, параметром шероховатости Ra:
