Содержание к диссертации
Введение 5
Глава I. Анализ состояния вопроса обеспечения
износостойкости деталей с цилиндрическими поверхностями 10
Применение деталей с цилиндрическими поверхностями в узлах трения машин 10
Конструкторско-технологическое обеспечение износостойкости цилиндрических поверхностей трения 16
Моделирование контактного взаимодействия цилиндрических соединений типа «вал-втулка» 21
Современные технологические методы повышения износостойкости деталей с цилиндрическими поверхностями трения 26
Способы нанесения нитридсодержащих покрытий 30
1.6. Выводы, цель и задачи исследования 38
Глава II. Методика проведения исследований 41
Методика проведения теоретических исследований 41
Материалы, образцы, инструмент 43
Оборудование и экспериментальные установки 50
Средства измерения параметров качества поверхностного слоя и физико-механических свойств........ 57
АСНИ для испытания наружных цилиндрических поверхностей на трение и изнашивание 59
2.6. Планирование экспериментальных исследований 64
Глава III. Моделирование контактного взаимодействия,
трения и изнашивания цилиндрических поверхностей 67
Контактное взаимодействие трущихся цилиндрических поверхностей 67
Модель изнашивания цилиндрических поверхностей трения 77
Глава IV. Результаты экспериментальных исследований 85
4.1 Исследование влияния режимов электромеханической
обработки на теплообразование в поверхностном слое,
параметры шероховатости и распределение микротвердости
по глубине 85
4.2 Исследование влияния режимов электромеханической
обработки постоянным током нитрид-титановых покрытий на
качество и износостойкость поверхности обрабатываемых
деталей 95
Исследование влияния режимов электромеханической обработки переменным током нитрид-титановых покрытий на качество и износостойкость поверхности обрабатываемых деталей 102
Взаимосвязь износостойкости с параметрами качества
поверхностного слоя и условиями трения 108
4.5 Установление-технологических возможностей различных
методов обработки в обеспечении и повышении
износостойкости цилиндрических поверхностей трения 113
. Глава V. Реализация результатов исследований и расчет
экономической эффективности от использования результатов
исследования 120
Результаты испытаний износостойкости натурных деталей.. 120
Технико-экономическое обоснование изменения технологии обработки втулки стартера СТ-230 127
Расчет полной себестоимости изготовления в предлагаемом варианте 128
Экономическая эффективность использования технологии напыления с ЭМО при производстве стартеров 143
Основные выводы и результаты 147
Список использованных источников 149
Приложениеі 164
Приложение! 185
Введение к работе
В диссертации рассматриваются вопросы, связанные с моделированием контактного взаимодействия, трения и изнашивания цилиндрических поверхностей трения деталей, обеспечением и повышением их износостойкости технологическими методами.
Одной из наиболее актуальных задач машиностроительного производства является задача повышения качества машиностроительной продукции. Низкое качество и невысокие эксплуатационные показатели отдельных деталей машин приводят к экономически неоправданно высоким затратам в сфере использования продукции и, как следствие, снижению ее конкурентоспособности.
В большинстве случаев основная часть деталей выходит из строя вследствие их интенсивного изнашивания в процессе трения. Практически все тяжело нагруженные узлы трения в те или иные моменты эксплуатации (при пуске и останове любых трибосистем, при недостаточной подаче масла, при нарушении механизма гидродинамической смазки, в "мертвых точках" цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания и т.д.) на отдельных участках работают в режиме граничной смазки. При этом наибольший процент износа приходится на цилиндрические поверхности деталей, поэтому прежде всего необходимо обеспечить износостойкость именно этих поверхностей трения при граничной смазке.
В настоящее время вопрос контактного взаимодействия, трения и изнашивания двух цилиндрических поверхностей, в частности выпуклой и вогнутой, с учетом их шероховатости, волнистости, физико-механических свойств поверхностного слоя изучен мало. В этой связи перспективным является применение для решения триботехнических задач методов моделирования контактного взаимодействия трущихся цилиндрических поверхностей с учетом параметров качества поверхностного слоя сопряженных тел.
Среди методов физического осаждения покрытий своей
универсальностью, высокой производительностью, малой энергоемкостью,
экономичностью, отсутствием инструментального контакта с
обрабатываемым материалом, высокой управляемостью различными
параметрами процесса с целью получения требуемых характеристик
покрытия, быстротой перестройки, экологической чистотой технологии
выделяется метод конденсации покрытия из плазменной фазы с ионной
бомбардировкой (метод КИБ). Метод КИБ, обладающий уникальными
характеристиками (высокой твердостью, теплостойкостью,
сопротивляемостью микро- и макроразрушению, пассивностью по отношению к контртелу и т.д.), нашел широкое применение в связи с задачами микроэлектроники и для упрочнения металлообрабатывающих инструментов. Однако ряд недостатков этого метода (пористость, наличие капельной фазы, резкий перепад свойств покрытия и подложки) не позволяет использовать его для широкого применения в деталях с наружными цилиндрическими поверхностями трения.
В связи с этим повышение износостойкости цилиндрических поверхностей трения за счет устранения недостатков нанесения покрытий технологическими методами является весьма актуальной задачей.
Целью работы является повышение износостойкости деталей с цилиндрическими поверхностями на основе моделирования их контактного взаимодействия, трения и изнашивания и установления возможностей технологических методов обработки.
Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие задачи:
Проанализировать существующие способы обеспечения и повышения износостойкости цилиндрических поверхностей трения деталей машин.
Разработать модель контактного взаимодействия, трения и изнашивания цилиндрических поверхностей, с учетом их
7 шероховатости, волнистости и физико-механических свойств
поверхностного слоя.
Провести экспериментальные исследования износостойкости цилиндрических поверхностей трения с целью установления возможностей технологических методов их обработки в обеспечении и повышении износостойкости.
Разработать технологию повышения износостойкости цилиндрических поверхностей трения с нитрид-титановыми покрытиями, за счет применения электромеханической обработки, позволяющей устранить недостатки метода КИБ и обеспечить оптимальные параметры качества и износостойкости.
Провести натурные испытания износостойкости цилиндрических поверхностей трения.
Выявить возможность экономической эффективности применения ЭМО нитрид-титановых покрытий.
Методика исследований. Теоретические исследования базируются на основных положениях молекулярно-механической теории трения, теории контактного взаимодействия деталей, технологии машиностроения, современной статистической теории и методологии, а также на широком применении математических методов исследований и математического аппарата дифференциального и интегрального исчислений. Экспериментальные исследования базируются на современных методах математической статистики, математических методах обработки экспериментальных данных, теории планирования экспериментов, широком применении ЭВМ и автоматизированных систем научных исследований.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту: 1. Модель контактного взаимодействия, трения и изнашивания
цилиндрических поверхностей с учетом параметров волнистости,
шероховатости и физико-механических свойств.
2. Подход к определению методом статистических испытаний модели на
ЭВМ характеристик контактного взаимодействия трущихся цилиндрических поверхностей: геометрической, номинальной, контурной, фактической площадей контакта и давлений; сближения контактирующих поверхностей; интенсивности изнашивания сопрягаемых цилиндрических поверхностей.
Технологию обработки наружных цилиндрических поверхностей трения на основе сочетания методов нанесения нитрид-титановых покрытий и последующей электромеханической обработки.
Математико-статистические модели взаимосвязей параметров Ra, Сх и интенсивности изнашивания нитрид-титановых покрытий с режимами их электромеханической обработки при переменном и постоянном токах.
Полученные на основе математико-статистического моделирования регрессионные зависимости износостойкости с параметрами качества поверхностного слоя и условиями трения для различных технологических методов обработки.
Программный модуль и база данных по коэффициентам моделей изнашивания цилиндрических поверхностей трения. Достоверность и обоснованность научных результатов
подтверждается результатами экспериментальных лабораторных и натурных
исследований.
Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Разработаны теоретические положения, позволяющие реализовать подход к моделированию процесса контактного взаимодействия, трения и изнашивания цилиндрических поверхностей деталей триботехнических систем, учитывающий влияние шероховатости, волнистости, физико-механических свойств и позволяющий с помощью статистических испытаний модели на ЭВМ научно обоснованно подойти к нормированию параметров качества их
9 поверхностных слоев и выбору технологических методов и режимов
обработки.
2. Установлена возможность повышения износостойкости
цилиндрических поверхностей трения на основе сочетания методов нанесения нитрид-титановых покрытий и последующей их электромеханической обработки. Практическая значимость:
Установлены возможности электромеханической обработки нитрид-титановых покрытий в обеспечении требуемой износостойкости цилиндрических поверхностей трения деталей машин.
Разработаны методика, алгоритм и программный модуль для расчета контактного взаимодействия, трения и изнашивания цилиндрических поверхностей трения.
Создана база данных по коэффициентам моделей изнашивания цилиндрических поверхностей трения для различных технологических методов обработки.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 5-й междунар. науч.-техн. конф. «Обеспечение и повышение качества машин на этапах их жизненного цикла» (Брянск, 2005 г.); на научно-практической конференции приграничных областей России и Беларуси «Развитие приграничных регионов Беларуси и России на современном этапе: проблемы и перспективы» ( Респ. Беларусь, Могилев, 2006 г.); на Всерос. конф. «Территории развития: образование, наука и инновации» (Брянск, 2006 г.); на междунар. науч.-техн. конф. «Менеджмент качества продукции и услуг» (Брянск, 2007 г.); на 14-й Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2007» (Зеленоград, 2007 г.); на заседании кафедры «Триботехнология» (БГТУ, 2007г).
Публикации. По теме работы опубликовано 15 печатных работ.
