Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 7
1.1.. Условия приработки поверхностей 7
1.2. Физико-механические основы формирования фрикционных покрытий 9
1.3. Способы и методы нанесения покрытий из пластичных металлов J 9
1.4. Анализ исследований по эффективности применения ФАБО гильз цилиндров 2?
Выводы и задачи исследований 34
2. Теоретическое обоснование процесса нанесения трибопокрытия 36
2.1. Определение путей интенсификации процесса 36
2.2. Влияние основных факторов на характер фрикционного взаимодействия 41
2.3. Аналитическое определение температур на фрикционном контакте 4Ь
Выводы 48
3. Методика экспериментальных исследований А9
3.1. Определение основных физико-механических свойств материалов, контактирующих в процессе образования трибопокрытия в условиях нагружения при повышенной температуре А9
3.2. Определение влияния режимов нанесения покрытия на его износостойкость 50
3.3. Определение износостойкости образцов деталей, обработанных с применением технологического процесса ФАБО 57
4 Результаты экспериментальных исследований по нанесению покрытий из пластичных металлов 6\
4.1. Исследование влияния температуры и скорости деформации на основные свойства материалов пары "чугун - латунь" 61
4.2. Оптимизация режимов нанесения покрытия 66
4.3. Триботехнические испытания покрытий 73
4.4. Определение химического состава покрытий 15
5. Стендовые испытания отремонтированных двигателей 76
Выводы КО
5. Внедрение технологического процесса фрикционного латунирования. Расчет экономической эффективности 82
1. Разработка оснастки и технологического процесса 82
2. Экономическая эффективность от внедрения технологии 86
Общие выводы 95
Список использованной литературы
- Физико-механические основы формирования фрикционных покрытий
- Влияние основных факторов на характер фрикционного взаимодействия
- Определение влияния режимов нанесения покрытия на его износостойкость
- Оптимизация режимов нанесения покрытия
Введение к работе
В настоящее время проблема обеспечения качества и эффективности машин, механизмов и транспортных средств приобрела не только техническое, но и экономическое и социальное значение. Главным направлением решения этой проблемы является поиск путей повышения долговечности и безотказности техники.
При условии соблюдения требований эксплуатации, основной причиной снижения технических параметров машин, от которых зависят показатели назначения, является износ, вызванный трением деталей.
В области технологических процессов обработки деталей дяя борьбы с изнашиванием используются методы повышения прочности материала детали и ее поверхностной твердости, в сочетании со снижением шероховатости поверхности трения. К таким технологиям относятся следующие методы» обеспечивающие: изменение структуры поверхностного слоя материала детали (цементация, поверхностная закалка, пластическое деформирование, электромеханическая обработка, лазерное упрочнение и др.); изменение состава и структуры поверхностного слоя (азотирование, фосфатирование, ионная имплантация и др.); нанесение износостойких покрытий (гальванические, диффузионные, наплавка твердыми сплавами, магнетронное распыление, ионно-лучевое осаждение покрытий и др.); специальная финишная обработка поверхностей (тонкое шлифование, суперфиниширование, алмазное выглаживание, обработка шариками и др.).
Однако с ростом энерговооруженности техники возникает необходимость в передаче все больших механических мощностей, при уменьшении габаритов механизмов, что вызывает увеличение удельных нагрузок в парах трения узлов машин, особенно при изменении динамического равновесия, т.е. в нестационарных режимах работы. В этих условиях повышение износостойкости за счет увеличения поверхностной твердости детали, приводит к снижению износостойкости детали, работающей с ней в паре.
Фактическая площадь контакта у пары трения очень мала. Это приводит к тому, что в процессе приработки, в зонах непосредственного контакта, возникают
напряжения в несколько раз превышающие допустимые для данных материалов.
Увеличение площади фактического контакта в сотни раз, достигается повышением
качества финишной обработки при максимальном снижении шероховатости
поверхностей, точностью обработки и сборки, а также
нанесением твердосмазочных покрытий на основе пластичных металлов.
Одним из экологически безопасных способов нанесения твердосмазочных покрытий является метод финишной антифрикционной безабразивной обработки (ФАБО), разработанный Д.Н.Гаркуновым и В.Н.Лозовским и позволяющий значительно улучшить параметры поверхностей трения и условия приработки соединений.
Отличающийся простотой и эффективностью метод ФАБО нашел широкое распространение в различных отраслях промышленности, в том числе и для обработки таких ресурсоопределяющих деталей, как гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания.
Несмотря на определенные успехи практического применения, широкое
внедрение процесса обработки поверхности зеркала гильз цилиндров дизелей
сдерживается из-за отсутствия научно обоснованного подхода к проблеме
образования покрытий и их эффективного использования.
Имеются существенные пробелы в изучении закономерностей формирования покрытий, не вскрыты особенности пластической деформации и физико-механических процессов в покрытиях, переходной зоне и в поверхностном слое основного металла.
Изучение процесса ФЛ следует вести на основе современных научных представлений о механизме формирования покрытия при трении, в том числе, условий активации контактных поверхностей и других факторов, определяющих твердофазное взаимодействие металлов, а также на основе новых методик исследования параметров процесса нанесения покрытий. Такие исследования, помимо их научного значения, необходимы для обоснованного выбора технологии нанесения покрытий с прогнозируемыми свойствами, оптимизации режимов и
состава технологических сред, условий формирования работающих на трение слоев при приработке, а также смазочного материала для эффективной эксплуатации узлов трения.
Таким образом, все вышесказанное подчеркивает актуальность изучения процесса ФАБО, как высокоэффективного способа борьбы с износом деталей.
Работа выполнена в соответствии с республиканской целевой научно-технической программой "Технический сервис" и Государственным заказом Минсельхозпрода РФ № 163-32-4мот 10Л0Л995г.
Физико-механические основы формирования фрикционных покрытий
Условия приработки поверхностей Приработка трущихся поверхностей в начальный период трения после сборки узла всегда имеет место, как объективный физический процесс. При трении скольжения, независимо от первоначальной шероховатости рабочих поверхностей тел, к концу приработки устанавливается для каждой из поверхностей соединения определенная, соответствующая данному сочетанию материалов и условиям трения шероховатость, сохраняющая постоянство в установившемся режиме трения. Продолжительность приработки тем короче, а объем изношенного металла тем меньше, чем ближе исходная шероховатость к шероховатости поверхности после приработки [25].
На основе теоретических и экспериментальных исследований И.А.Мишин [66] определяет рациональную исходную шероховатость поверхности зеркала гильзы ДВС Ra 0,32 мкм и среднюю эксплуатационную шероховатость Ra 0,14 мкм. Экспериментально получен средний параметр шероховатости на радиальной поверхности поршневых колец Ra 0,135 мкм.
Как новый, так и отремонтированный двигатель перед вводом в эксплуатацию должны пройти обкатку, для приработки в едином комплексе всех пар трения. В ремонтном производстве заключительная часть технологического процесса капитального ремонта - технологическая обкатка двигателя, проводимая на стендах, с целью подготовки трущихся поверхностей к восприятию эксплуатационных нагрузок.
По характеру процессов, происходящих в парах трения весь период приработки можно разделить на стадии микро- и макрогеометрической приработки [70].
Первая стадия характеризуется интенсивным изнашиванием деталей за счет сглаживания и срезания микронеровностей контактирующих поверхностей. Продолжительность этой стадии составляет Ї - 5 часов,
Макрогеометрическая приработка деталей тракторных дизелей происходит в течении 50 - 60 часов. В этод период устраняются отклонения от правильной геометрической формы деталей, возникающие при механической обработке» а так же от правильного взаимного положения деталей, возникающие при сборке двигателя.
Критерии оценки окончания приработки: переход на прямолинейный участок кривой изнашивания; минимальная мощность при холостом ходе; стабилизация момента трения и температуры; наибольшая эффективная мощность двигателя при номинальной частоте вращения коленчатого вала; достижение заданной степени прилегания контактирующих поверхностей.
Б процессе приработки увеличивается зазор в соединениях, и чем больше, тем меньше ресурс этих пар в эксплуатации, т.е. меньше долговечность двигателя. Следовательно, процесс приработки соединений, в том числе и пары "гильза -поршневое кольцо", после ремонта должен быть организован таким образом чтобы износ был минимальным.
Для повышения экономичности ремонтного производства целесобразно сократить время обкатки двигателя, что достижимо за счет совершенствования процесса приработки трущихся поверхностей.
Исследованию процессов приработки поверхностей деталей двигателей внутреннего сгорания посвящены работы Л.М.Гаенко [25], М.Х.Нигматова [70], ИЛ.Погорелого [76], Ю.А.Радина [83], Г.П-Шаронова [І07] и др_ В результате этих исследований определены основные факторы, влияющие на приработку и оптимальные значения параметров шероховатости трущихся поверхностей, найдены способы сокращения приработки, проведены работы по разработке режимов обкатки, раскрыты некоторые механизмы физико-механических и химических явлений, происходящих в узлах трения двигателей.
Анализ литературных данных показывает, что улучшение условий приработки происходит в основном в трех направлениях: конструктивном, технологическом и эксш! у атаци онн ом.
К первому направлению можно отнести: выбор материалов пар трения; создание условий сохранения жидкостной смазки; применение способов обработки, обеспечивающих желательную механику контакта и др.
Ко второму направлению относятся: повышение точности изготовления (восстановления) и сборки деталей; применение совершенных способов обработки поверхностей трения; нанесение различными способами износостойких покрытий; использование при обкатке специальных присадок к моторному маслу.
Третье направление, при котором интенсификация процессов приработки происходит за счет выбора оптимальных и рациональных скоростных, нагрузочных и температурных режимов в условиях послеремонтной приработки и начальной эксплуатации двигателей.
Вопрос формирования поверхности трения с надежными антифрикционными свойствами необходимо решать на всех этапах работы машин. Только комплексный лодход позволит управлять триботехническими характеристиками соединений.
Проблему создания условий для формирования поверхностей трения, обладающих лучшей прирабатываемостью можно решить за счет реализации в узле трения режима избирательного переноса. Этому посвящены работы: Д.Н.Гаркуцова [26-28], Ф.К.Бурумкулова [4,11], В.И.Балабанова [14], И.И.Крагельского [50-53[, С.С.Некрасова [68,69], П.И.Носихина [71,72], Г.Польцера [77-79], И.Л.Приходько [81], Л.М-Рыбаковой [88,89], В.В.Стрельцова [94,95] и др.
Явление избирательного переноса при тернии легло в основу разработки методов повышения износостойкости поверхности трения и долговечности деталей. Одним из таких методов является финишная антифрикционная безабразивная обработка (ФАБО) и один из ее видов фрикционное латунирование (ФЛ) поверхностей трения.
Ниже приводится анализ работ, посвященных механизмам формирования трибопокрытий, способам их нанесения и исследованиям по эффективности технологии применительно к обработке гильз цилиндров ДВС.
Влияние основных факторов на характер фрикционного взаимодействия
На основании выражения (5) получено, проверенное в экспериментах [52] выражение для определения фактической площади касания между твердыми телами: Аг = N / НВ (6) Сближение в этом случае будет определяться как: є = (Рс / ат Ь HB)1/V = (Рс / НВ)1/2 (?) Подставляя в выражение (3) значения из (7) можно определить нижнюю границу контурного давления Рсн при которой реализуются пластические деформации в зоне контакта: Pra=[544v(l 2)2vHB2v+tI/25vE2v=14,5(l 2)4HB5]/S2E4 (8) где: 5 - комплексный параметр, характеризующий шероховатость поверхности. В случае насыщенного контакта сближения определяются выражением: сн = (Ь v)"1 -1 (9) Из выражений (7) и (9) находим верхнюю границу PCR: Рсв = ат НВ / (bi/v v )1 1) = 0,125 ат ИВ (10)
Таким образом, если значение давления не более величины, определяемой выражением (8), взаимодействие двух тел будет осуществляться в условиях упруго-пластических деформаций в зонах фактического контакта. Пластически насыщенный контакт имеет место при Рс 0,125 а НВ.
Существенное влияние на характер фрикционного взаимодействия оказывает кинематическое состояние зоны контакта. При относительном перемещении, сопровождаемым смятием, между фактическими площадями контакта твердых тел в статике Арст и при скольжении Агск существует следующая связь: Агск = Агсг (1 + аг I2)1 2 (И) где: f - коэффициент внешнего трения.
Соотношение между сближениями в статике и скольжении определяется выражением: єск = ес1 ! + «т f2)1/2V= ЄС1 1 + CtTf2)1/4 (12) Из (12) следует, что при деформациях смятия в зонах микроконтактов Єск = Єст, еспиат 10иГ 0Д5. Автор работы [65] дает следующее выражение, определяющее соотношение между фактическими площадями контакта при деформациях внедрения: Агск = Агсг(1+Г2)1/2 О3)
При этом виде деформаций Агск = Агет при f 0,4. Однако, сближения между поверхностями будут существенно различны, что обусловлено разными механизмами формирования фактических площадей контакта в статике и при скольжении. При деформациях внедрения и наличии в зонах микроконтактов пластических деформаций соотношение между сближениями определяются по выражению: єск = 21/v єст( 1 + f2)1/2V = 1,4 є С 1 +f2)1M (14) Внешнее трение всегда сопровождается деформированием тонких поверхностных слоев, при котором сплошность их не нарушается, а деформированием материала нижележащих слоев можно пренебречь. Эти условия выполняются при сближениях между поверхностями трущихся тел, определяемых из выражения: e = 0,5R(l-6zn/HB) (15) где: тп - касательные напряжения в зонах фактического контакта. На рис. 2.3 представлены зависимости изменения Рс от тп. . Учитывая выражение (10) можно определить контурные давления, при которых может быть реализовано внешнее трение: Рс (HB/2V+1 5V)/(1 - 6r„/Hfl)v =( 0,125/52)НВ; (1 - 6ТПШВ)2 (16)
По нашему мнению, параметр тт (физический предел текучести) более полно чем твердость, с позиций термодинамики процесса, характеризует напряженное состояние зоны контакта (см. приложение 4). В случае когда напряжения деформации в более мягком металле контактирующей пары достигнут величины 0"т, увеличивается интенсивность процессов образования физического контакта, активации контактных поверхностей и объемного взаимодействия. Таким образом, выражение (16) можно записать в виде: Рс (0Д25 / 8 ТЛ1 - 6тп/ат)2 (17) Из последнего выражения следует, что условия для реализации внешнего трения существенно зависят от основных параметров, характеризующих пару трения -механических свойств (стт), обработки поверхностей (8) и физико-химического состояния поверхностей (тп )
Следует отметить, что в приведенных выше выражениях параметры механических свойств и физико-химического состояния поверхностей определенным образом связаны с поверхностной температурой контактирующих тел, определяющей характер их изменения в процессе трения. Это подчеркивает важность проведения экспериментальных исследований по изучению изменения физико-механических свойств чугуна и латуни в условиях повышенной температуры.
Выражения (10), (14) и (17) определили параметры проведения исследований по изучению свойств материалов при статическом нагружении в условиях повышенной температуры и различной скорости деформации, моделирующих процесс фрикционного взаимодействия в динамике.
Аналитическое определение температуры на фрикционном контакте
Температурный фактор оказывает существенное влияние на характер фрикционного взаимодействия. Поэтому представляет определенный интерес исследование взаимосвязи температуры поверхности трения с параметрами режима фрикционного латунирования.
Разработан ряд теорий, позволяющих расчетным путем оценить подъем температуры на поверхности в зависимости от условий скольжения (f, N»V) и свойств материалов (Хуу,&т)+
Довольно подробно расчет температуры поверхности трения приводится в исследованиях, выполненых под руководством А.В.Чичинадзе [17, 64, 106].
В данной работе для расчета использовалась схема трения: латунный штифт -дисковый образец (чугун), которая в дальнейшем использовалась в экспериментальных исследованиях
Определение влияния режимов нанесения покрытия на его износостойкость
Исследования по определению изменения твердости и степени деформации при различных значениях скорости деформации в условиях повышенной температуры проводили на измерительном комплексе Instron по методике, разработанной на кафедре "Металлургия сварочных процессов" Всесоюзного заочного металлургического института.
Эксперименты проводили в вакуумной камере комплекса при нагружении образцов десяти тонной траверсой со скоростью движения, обеспечивающей скорость деформации образцов: 0,001; 0,01; ОД с . Опыты по определению "горячей твердости" проводили методом Бринеля. Температура в течении опытов поддерживалась постоянной и составляла: 20, 200, 400, 600 С,
Значения варьируемых факторов (температуры и скорости деформации) выбраны на основе априорной информации с целью моделирования реальных условий фрикционного взаимодействия.
Образцы вырезали из исследуемых металлов. Чугунный образец в виде параллепипеда (размеры 8x8x16 мм) из гильзы двигателя СМД-14Н (специальный чугун НВ ), латуннуй образец в виде цилиндра (размеры ф8х16 мм) из Л63 ГОСТ 17711-88.
Обработка результатов экспериментов проводилась на вычислительной машине, входящей в состав комплекса.
Определение влияния режимов нанесения покрытия на его износостойкость В ходе данных экспериментов проводили решение оптимизационной задачи в отношении- основных характеристик процесса нанесения трибопокрытия. В связи с тем, что данная методика разрабатывалась для экспресс-оценки качества покрытия, увеличение точности измерений изменения величины параметра оптимизации достигалось за счет использования рентгеноспектрального флуоресцентного анализа поверхности трения. Данный метод основан на регистрации интенсивности характеристического рентгеновского излучения анализируемого материала, которая находится в определенной зависимости от процентного содержания исследуемого химического элемента. Для реализации данного метода выбран анализатор БАРС-3 {бездифракционный анализатор рентгеноспектральньш). Отсутствие в анализаторе радиоактивных изотопов и малая мощность рентгеновской трубки гарантирует радиационную безопасность оператора, а отсутствие сложных механических узлов и применение интегральных микросхем обеспечивает достаточно высокую надежность прибора при его эксплуатации.
Эксперименты решено проводить по схеме "диск-штифт", что дает возможность использовать образцы из реальных деталей. Для опытов брали образцы: в виде диска (размеры ф24х4 мм) - из специального чугуна НВ 197-224 (материал гильзы двигателя СМД-14Н) и в виде цилиндра (размеры ф5х15 мм) из латуни Л63 ГОСТ 17711-S8.
Опыты по выбору оптимальных режимов нанесения покрытия трением основаны на взаимном перемещении прижатых с заданным усилием подвижного (диск) и неподвижного (штифт) образцов при подаче в зону контакта технологической жидкости СФП-2 и регистрации триботехяических параметров.
В экспериментах использовали специально разработанный испытательный комплекс, состоящий из устройства для нанесения покрытий, установки для истирания покрытий и анализатора БАРС-3 для оценки изменения массы покрытия.
Устройство содержит державку, закрепленную с помощью стойки на суппорте станка- К державке крепится втулка, в отверстии которой размещен латунный штифт 3. Втулка и державка связаны между собой через тензобалку 7» на которой наклеен активный тензодатчик типа ПКБ. Компенсационный тензодатчик находится на державке. Латунный штифт через удлинитель поджимается нагружающим устройством, состоящим из динамометра 4 модели ДОСМ-3-0,2 ГОСТ 51546-72,
Оптимизация режимов нанесения покрытия
Выбор оптимальных режимов нанесения трибопокрытий проводился с использованием метода рентгеноспектрального флуоресцентного анализа поверхности, что позволило оценивать изменение параметра оптимизации с точностью до 10" степени. По тарировочному графику (рис.3.8.) с помощью апроксимацин методом наименьших квадратов построена аналитическая зависимость, описывающая изменение массы покрытия m от скорости счета импульсов S вида: m = п S (24) где: ii=0,016 - коэффициент пересчета.
Для комплексного изучения влияния основных технологических параметров на износостойкость покрытия, а также для получения зависимостей изменения параметра оптимизации от варьируемых факторов использован метод полнофакторного эксперимента, с использованием плана вида 2К, где к - количество факторов.
В виду того, что абсолютное значение изменения массы покрытия (увеличение при натирании или уменьшение при истирании) не дает возможности оценить качество покрытия в полной мере, в качестве параметра оптимизации в опытах выбран параметр, представленный в виде комплекса И; И = (mr nij)/mj (25) где: nij и m: - значения массы покрытия, сооттветственно до и после опытов.
Комплекс И является по сути характеристикой износостойкости, в случае если проводить оценку качества покрытия в режиме истирания. Тогда nij - масса нанесенного покрытия, am;- масса покрытия после истирания. Очевидно, что качество покрытия тем выше, чем меньше числитель выражения (25), то есть И с-О. Таким образом, решение задачи оптимизации сводится к нахождению наименьшего значения комплекса И.
Среди факторов, определяющих процесс нанесения покрытия трением необходимо выделить: усилие со стороны инструмента; скорость движения инструмента; время обработки; состав технологической среды; температуру поверхности трения; момент трения (коэффициент трения); параметр шероховатости поверхности и степень ее очистки. В качестве варьируемых факторов выбраны; Xj - нагрузка» Н и Х2 - скорость обработки, м/с. Состав технологической жидкости, параметр шероховатости и степень очистки поверхности решено поддерживать постоянными. Температура поверхности и момент трения зависят от нагрузки и скорости обработки, и не могут служить в качестве управляющих факторов, однако они оказывают значительное влияние на процесс и нх необходимо регистрировать в течении всех опытов. Количество варьируемых факторов равно двум, следовательно в случае варьирования факторов на двух уровнях возможно планирование типа 2 , что позволяет построить уравнение регрессии вида [1]: Y = Ь0 + ЬгХг +Ь2Х2 + blj2XjX 2 (26) Матрица базисных функций полного факторного планирования для уравнения (26) представлена в табл. I.
Выбор основного уровня и интервалов варьирования проводился на основе предварительных (постановочных) экспериментов. Значения варьируемых факторов представлены з табл.2. Для ортогональных матриц дисперсии коэффициентов регрессии одинаковы и определяются по формуле: Sj2 = Щ - yj)2 / (п-1) = S((yji)2 -nyj2) I (п-1) (31) где: и - число параллельных опытов, (п = 5). Из выражений (30) и (31) получаем: S2{y! = Щ21N = E(yji - ур2 / N(n - 1) (32) где: у; - значение параметра оптимизации в параллельных опытах. По последнему выражению определяют дисперсию, характеризующую ошибку опытов. Табличное значение критерия Стъюдента определяется при условии, что а — 0,95 и число степеней свободы равно трем.
В результате регрессионного и дисперсионного анализов получено уравнение регрессии со статистически значимыми коэффициента: вида: И = 0,299 + 0,0148N -0,0311V -0,0077NV (33)
Анализируя уравнение (33) можно отметить, что на величину показателя И существенное влияние оказывают все исследуемые факторы. Однако, если увеличение нагрузки (при фиксированной скорости) приводит к увеличению значения комплекса И, то с увеличением скорости обработки его величина уменьшается.
По результатам экспериментов построены зависимости изменения износостойкости (комплекса И) от нагрузки (рис 4.4) и скорости (рис4,5)7 подтверждающие достоверность предыдущих выводов.
