Технологическое обеспечение долговечности деталей машин на основе упрочняющей обработки с одновременным нанесением антифрикционных покрытий




Скачать 41,45 Kb.
НазваниеТехнологическое обеспечение долговечности деталей машин на основе упрочняющей обработки с одновременным нанесением антифрикционных покрытий
страница2/4
Дата03.02.2016
Размер41,45 Kb.
ТипАвтореферат
1   2   3   4

В третьем разделе представлены расчетные математические модели для оценки параметров процесса упрочняющей обработки и управления процессом, определения механических свойств материала покрытия и диффузионного слоя, напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя, а также конечно-элементная модель для исследования распределения остаточных напряжений в биметаллическом слое детали.

В первой части представлены полученные аналитические зависимости для расчетов параметров процесса обработки. Для разработки технологических основ процесса получения качественных биметаллических поверхностей необходимо установить взаимосвязь параметров обработки, составов покрытий с эксплуатационными характеристиками поверхностей. Создание адекватных математических моделей необходимо для решения многих задач, связанных с технологией нанесения композиционных покрытий. С этой целью разработан математический аппарат, основанный на фундаментальных принципах теорий упругости и пластичности, что позволяет определить:

- геометрические, кинематические, энергосиловые параметры процесса, площади контакта при обработке различными инструментами, величины напряжений в зоне деформаций;

- величину коэффициента трения (треугольник трения) при обработке цилиндрических деталей роликом:

, (7)

где Рст – статическое усилие, Рx, Py,Pz – составляющие силы, D – диаметр детали;

- объем «застойной» зоны, т.е. объем спецжидкости, необходимый для формирования покрытия на поверхности, который определяется исходя из геометрических соотношений диаметра D обрабатываемой поверхности и радиуса деформирующего инструмента (ролика) R = 0,3D при его ширине, равной b, по формуле:

; (8)

- параметры шероховатости обрабатываемой поверхности (ролик), зависящие от статического усилия при оптимальных углах вдавливания φ = 2,0…3,0о, продольной подачи s и радиуса деформирующего инструмента R:

. (9)

При применении в качестве инструмента быстровращающейся секционной щетки определялись зависимости для оценки:

- удельного давления гибких элементов (ворса щетки) при обработке

; (10)

- шероховатости поверхности

, (11)

где dв - диаметр проволоки ворса; s – подача; zn – число секций щетки.

Величина пластического оттеснения материала поверхностного слоя под действием ударов ворса зависит от номинального усилия, создаваемого ворсом Рmax , угла наклона ворса по отношению к нормали, проведенной к обрабатываемой поверхности, твердости основы , параметров шероховатости исходной поверхности – b, ν, Rmax , диаметра проволоки dв:

. (12)

Вторая часть раздела посвящена моделированию физико-механических свойств материала покрытий. Важным шагом на пути управления процессом создания биметаллических поверхностей с определенными свойствами являются разработка и исследование математических моделей, на основе которых возможно прогнозирование физико-механических свойств покрытия и диффузионной (приповерхностной) зоны.

На основе анализа исследований М.Ю. Бальмина, Г.А. Ванина, Р. Кристенса, Н.В. Носова, Л.А. Сараева, Т.Д. Шермергора и др., посвященных вопросам классификации структуры композиционных материалов, изучения связи структуры с физико-механическими свойствами материалов и технологией их обработки, получена возможность математического моделирования механических свойств композиционных материалов.

При моделировании механических свойств композиционных покрытий необходимо учитывать большое число факторов, включая параметры внешних воздействий, структуру материала и др. В обобщенном виде модель покрытия и приповерхностного слоя характеризуется равномерностью расположения различных включений в объеме материала покрытия. При этом рассматриваются два варианта структуры покрытия – в виде матричной смеси и хаотичного расположения включений.

Упругопластические свойства материалов (приповерхностный слой) в объеме V, образованном поверхностью течения Мизеса – Δ, задаются тензорами:

, (13)

где ; ; М – модуль пластичности сдвига; Кs – объемные модули компонентов; ij – компоненты тензора напряжений и деформаций. Структура композита описывается индикаторными функциями. Поля напряжений находятся как математическое ожидание по Шермергору.

Для перехода на макроуровень необходимо установить связь между осредненными значениями макронапряжений и макродеформаций в материале покрытия.

Используя соотношения Коши, применяя тензор Грина, получено значение эффективного модуля пластичности композиционного покрытия:

, (14)

где ; . (15)

Здесь с1, с2 – объемное содержание основного материала и диффузианта в поверхностном слое, параметр определяется из выражения .

Аналогичные зависимости получены для определения прочностных свойств слоя покрытия при условии равномерного распределения компонентов покрытия и основы.

На рис. 4 представлены результаты расчетов и экспериментальных исследований кривых «напряжение – деформация» для медьсодержащих покрытий приповерхностных слоев в зависимости от концентрации компонентов (расчет проводился на ЭВМ).

Анализ модели показал возможность оптимизации физико-механических свойств биметаллического слоя за счет изменения концентрации различных добавок в основном составе спецжидкости.


Т



Рис. 4. Зависимость «напряжение - деформация» для двухкомпонентного приповерхностного слоя медьсодержащего покрытия при различной кон-центрации компонентов (одноосное растяжение):

1 – расчетная кривая при с1=98%, с2 =2%,

2 – экспериментальная кривая, 3 – теоретическая кривая, 4 – экспериментальная кривая при

с1= 75%, с2 =25%, 5- экспериментальная кривая (серебряное покрытие).
ретья часть раздела посвящена моделированию напряженно-деформированного состояния материалов основы и биметаллического слоя. Состояние поверхностного слоя можно характеризовать множеством параметров, основным из которых является напряженно-деформированное состояние.

Основное напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя формируется на первом переходе. На первом переходе, при предварительной упрочняющей обработке происходят упрочнение поверхности (переход «а»), процесс активизации поверхности и формирование в поверхностном слое благоприятных остаточных напряжений, которые оказывают существенное влияние на эксплуатационные свойства рабочих поверхностей.

Модель напряженно-деформированного состояния поверхности детали позволяет оптимизировать механические свойства поверхностного слоя основы. Решение задачи о напряженно-деформированном состоянии поверхностного слоя рассматривалось на примере внедрения сферического индентора в упругопластическое полупространство, в предположении, что касательные напряжения, действующие на площадке контакта, параллельны координатным плоскостям и равны нулю, при этом нормальные напряжения в контакте являются главными (решение сводится к плоской задаче). При решении задачи учитывались последействие внедрения индентора в поверхность и деформация индентора.

При решении задачи о напряженно-деформированном состоянии поверхностного слоя основы использовались: принцип независимости действия сил, основные закономерности механики сплошных сред и принцип прямой нормали. Полная деформация в зоне контакта представлена в виде линейной зависимости от глубины её распространения εn=en+dnz. Применяя теорию течения, приращение полной деформации складывалось как сумма приращений упругой и пластической деформаций Δε= Δεe +Δεр. На основании вышесказанного, получена зависимость для определения напряжений в поверхностном слое на n-м шаге нагружения:

. (16)

Из условий равновесия напряжений на обрабатываемой поверхности
, (17)

определяем значения Сn и d n.

Предполагается, что изотропное упрочнение материала происходит в соответствии с критерием Одквиста – накоплением пластической деформации, когда . Для определения величины остаточных напряжений в поверхностном слое используем метод последовательных приближений по диаграмме σi =fi). На каждом шаге нагружения определяем σ(n) по зависимости (16). Расчетную точку в области пластических деформаций приближали к кривой деформации с точностью 2%. Приближение осуществлялось на основании экспериментальной кривой «напряжение-деформация». Для реализации данной методики разработана программа расчета остаточных напряжений на ЭВМ. Результаты расчетов и экспериментальных исследований показали удовлетворительное совпадение.

При формировании частично регулярного микрорельефа перемещение деформирующего индентора (шарика или специального ролика) осуществляется с большой подачей, что обусловливает дискретность силового воздействия индентора на обрабатываемую поверхность. В результате на ней образуются очаговые зоны упрочнения. Это требует внесения уточнений в расчетную методику оценки остаточных напряжений. Уточняющий коэффициент Kσ ост определяется с учетом взаимовлияния единичных деформационных зон путем введения понятия относительной мощности деформационной зоны M=∫Dост-az)dD/sΔh, зависящей от площади зоны D,осевой подачи инструмента и глубины пластической деформации (в первом приближении - полуокружность). Коэффициент Кσост находится из графика зависимости М=f(s), путем нормирования шкалы М, при котором максимальное значение М приравнивают единице. Значения Кσост определяют по полученной нормированной шкале. Установлено, что подачам s, равным 1,2 и 1,5 мм/об, соответствуют значения Кσост = 0,74, 0,54.

Характер распределения остаточных напряжений в поверхностном слое, полученный с использованием предложенной методики, представлен на рис. 5. Теоретические и экспериментальные зависимости удовлетворительно совпадают (с погрешностью до 8 %). Указанная погрешность обусловлена принятыми допущениями (решалась плоская задача) без учета сил трения в зоне контакта.

В процессе образования диффузионного слоя и основного покрытия (переходы «б» и «в»), за счет химического взаимодействия компонентов спецжидкости и стальной поверхности наблюдается процесс разупрочнения поверхности, а последующая упрочняющая обработка по нанесенному покрытию восстанавливает благоприятное напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя.

Моделирование процесса взаимодействия индентора и поверхности представляет весьма сложную задачу из-за необходимости рассмотрения большого количества взаимосвязанных факторов, определения граничных условий, задания реологических соотношений для материалов, участвующих в контактном взаимодействии. Для решения подобных задач рекомендуется использовать численные методы расчета. Выбор конкретного расчетного метода основывается не только на эффективности самой математической процедуры вычисления, но и на возможности обеспечения должного уровня контроля при проведении расчетов.




Рис. 5. Эпюры остаточных напряжений в поверхностном слое при упрочняющей
обработке (переход «а»), материал ВКС -4 после термообработки:

1- теоретическая кривая; 2 – экспериментальная кривая (осевое направление);

3- теоретическая кривая – обкатка шариком (статическое усилие 200 Н,
подача s = 0,12, диаметр 3 мм); 4- экспериментальная кривая (тангенциальное
направление); 5- теоретическая кривая- обработка щеткой (величина
деформационного усилия 150 Н); 6- экспериментальная кривая - обработка щеткой


Вышеперечисленным требованиям отвечает программный комплекс ANSYS, применяемый для создания и анализа конечно-элементных моделей исследуемых объектов. При разработке модели существенное внимание было уделено конечно-элементному разбиению области, охватывающей зону контактного взаимодействия индентора и биметаллического слоя. Для построения модели использовались элементы PLANE 42, CONTAC 48 и CONTAC 171. Общее количество элементов – 5000. Применение программного комплекса ANSYS дает возможность получить результаты расчетов, как в цифровой, так и в графической форме. Распределение остаточных напряжений показано на рис. 6, из которого видно, что расчетные эпюры качественно соответствуют экспериментальным кривым (см. рис. 5), а максимум напряжений расположен у поверхности.

Предложенная методика расчета остаточных напряжений с использованием программы ANSYS позволяет определить параметры и динамику формирования напряженно-деформированного состояния биметаллического материала после упрочняющей обработки.

В четвертом разделе приведены исследования влияния режимов обработки на качественные параметры поверхностного слоя и основные эксплуатационные характеристики.

В качестве основных параметров рабочих поверхностей рассматривались: напряженно-деформированное состояние (остаточное напряжение, микротвердость), характеристики микрогеометрии поверхности (шероховатости), усталостная прочность и контактная выносливость материала поверхностного слоя с покрытием.



Рис. 6. Эпюры остаточных напряжений, рассчитанные с использованием

программного комплекса ANSYS для инструментов:

1- ролик (сосредоточенная нагрузка) – один проход; 2 - ролик

(сосредоточенная нагрузка) – три прохода; 3 - щетка (распределенная нагрузка)


Исследования напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя включали изучение влияния режимных параметров процесса на изменение величины остаточных напряжений и степень деформационного упрочнения поверхностного слоя. Остаточные напряжения определялись методом Н.Н. Давиденкова, усовершенствованным Б.А. Кравченко, микротвердость оценивалась по типовой методике с использованием косых шлифов на микротвердомере ПМТ-5, глубина упрочненного слоя определялась с помощью метода декорирования дислокаций для сплавов на никелевой основе.

В процессе упрочнения независимо от предшествующей обработки в поверхностном слое формируются благоприятные остаточные напряжения сжатия. Установлено, что на величину и глубину распространения напряжений преимущественно оказывают влияние: силовые параметры процесса, вид деформирующего инструмента и метод обработки. Тонкое покрытие (3…6 мкм) не оказывает существенного влияния на формирование остаточных напряжений, однако следует отметить, что при наличии покрытия максимум остаточных напряжений смещается к поверхности, а величина напряжений незначительно снижается. При применении ролика или шарика остаточные напряжения достигают величины 800 МПа. При использовании быстровращающейся щетки основное влияние на величину остаточных напряжений оказывают: скорость обработки, натяг ворса, диаметр ворса проволоки. Увеличение скорости обработки с 12 до 25 м/с повышает величину остаточных напряжений с 90 до 200 МПа, при этом максимум напряжений расположен непосредственно у поверхности.

Величина микротвердости материала поверхностного слоя также зависит от силовых и скоростных параметров обработки. Однако наличие на поверхности «мягкого» покрытия и промежуточного диффузионного слоя снижает величину деформационного упрочнения на 8…10% у поверхности, при этом сохраняется характер изменения микротвердости по глубине поверхностного слоя.

Обработка методами ППД приводит к изменению микрогеометрии поверхности с образованием новой шероховатости. На переходе «а» при использовании ролика или шарика параметры шероховатости преимущественно зависят от: исходной микрогеометрии поверхности, силовых параметров процесса и величины продольной подачи. При обработке роликом увеличение статического давления сначала приводит к кратному уменьшению шероховатости поверхности (например, для стали 20ХНА возрастание усилия от 100 до 350 Н снижает величину шероховатости с Rа=0,6 до Rа=0,15), дальнейшее увеличение давления практически не изменяет микрогеометрию обрабатываемой поверхности. При использовании быстровращающейся щетки, кроме скоростных параметров обработки, существенное влияние на шероховатость оказывают плотность набивки ворса и его длина. Установлены следующие оптимальные режимы обработки на переходе «а» для получения минимальной шероховатости: длина ворса - 50…60 мм, скорость - 25…30 м/с, натяг - 2 мм. Снижение параметров шероховатости в 1,3…2,0 раза происходит за счет сглаживания (срезания) ворсом островершинных микронеровностей, образовавшихся в результате предшествующих методов обработки. При этом опорная поверхность профиля увеличивается, а геометрические и точностные параметры рабочих поверхностей детали не изменяются.

Одной из важнейших эксплуатационных характеристик контактирующих поверхностей является контактная выносливость. Этот вопрос наиболее актуален для эвольвентных поверхностей зубчатых передач, дорожек качения подшипников и др. Допустимая нагрузочная способность рабочих поверхностей определяется, в основном, геометрическими параметрами поверхностей, механическими свойствами и напряженно-деформированным состоянием поверхностных слоев, точностью изготовления и воздействием внешних сил. На основании анализа кинематики взаимодействия эвольвентных поверхностей зубчатых передач определено влияние трения и технологических погрешностей на контактную выносливость. Нанесение на рабочие поверхности пластичных антифрикционных покрытий может рассматриваться как наиболее существенный фактор снижения трения в зоне контакта, а также повышения качества поверхностного слоя за счет «залечивания» микротрещин, образованных в процессе предыдущих технологических операций.

Исследования контактной выносливости для материала ВКС 4 (13Х3НМ2ФА-Ш) проводились по 3-опорной схеме. Частота приложения нагрузки n=5·106 циклов, база испытаний N=2,5·108. Контактные напряжения определялись по формуле Герца – Беляева σк= 0,418, где Р – нагрузка; l – длина линий контакта; ρ – приведенный радиус образцов.

Экспериментальные исследования контактной выносливости цементированных образцов после ХТО представлены на рис. 7.




Рис. 7. Контактная выносливость образцов из ВКС4 после ХТО:

1- исходный; 2 –упрочнение микрошариками; 3 –упрочнение дробью и покрытие ВАП-2;

4 –упрочняющее накатывание с нанесением композиционного медьсодержащего

покрытия; 5 –накатывание с нанесением серебряного покрытия;

6 – исходный образец с гальваническим покрытием толщиной 30 мкм


Основной эффект получен за счет упрочнения рабочих поверхностей (повышение микротвердости, формирование в поверхностном слое благоприятных остаточных напряжений) и снижения коэффициента трения в контакте.

Снижение шероховатости поверхности, формирование в поверхностном слое детали благоприятных остаточных напряжений и наличие покрытия предопределяют существенное повышение усталостной прочности при использовании предлагаемой технологии. Исследование усталостной прочности проводили на машине МУИ-5000 (изгиб с вращением), при нормальной температуре. Результаты исследований показали, что у образцов, после упрочнения с покрытием, предел выносливости повысился на 25…30% по сравнению с исходными (шлифованными) образцами. Особенности кинетики усталостного разрушения изучались с помощью фрактографических исследований изломов образцов. Установлено, что в результате упрочняющей обработки очаг разрушения сместился с поверхности вглубь образца. Показано, что развитие усталостных трещин зависит от величины и знака остаточных напряжений в поверхностном слое, величины упрочненного слоя, шероховатости поверхности, уровня действующих нагрузок.

Проведено исследование влияния процессов трения на устойчивость остаточных напряжений. Установлено, что одним из основных факторов, влияющих на интенсивность снижения напряжений, является температура, возникающая при пластическом деформировании наиболее выступающих элементов шероховатости (зоны фактического контактирования). Уменьшение величины остаточных напряжений происходит из-за терморелаксационных процессов в зоне контактирования. В этом случае изменение величины остаточных напряжений возможно представить зависимостью:

σi = σo(t+1)-k, (18)

где σ0 , σi – соответственно исходные и остаточные напряжения в рассмотренной точке; t – время воздействия; k – показатель степени, зависящий
от температуры Т в зоне трения (при Т=950º С k=0,9…0,7, при Т=800ºС k=0,4…0,5 при Т=700ºС k=0,15…0,2 (расчет температуры в зоне
контакта можно проводить по известным зависимостям, например, А.В. Чичинадзе).

Проведенные исследования позволили установить влияние режимных параметров на качественные показатели поверхностей с покрытиями.
1   2   3   4

Похожие:

Технологическое обеспечение долговечности деталей машин на основе упрочняющей обработки с одновременным нанесением антифрикционных покрытий iconСправочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки. Л., 1988. Сулима, А. М
Технологическое обеспечение эксплуатационных характеристик направляющих скольжения формированием антифрикционных покрытий гибким...
Технологическое обеспечение долговечности деталей машин на основе упрочняющей обработки с одновременным нанесением антифрикционных покрытий iconИсследование антифрикционных и защитных свойств покрытий на основе фторсодержащих поверхностно-активных веществ

Технологическое обеспечение долговечности деталей машин на основе упрочняющей обработки с одновременным нанесением антифрикционных покрытий iconПрограмма учебной дисциплины «Основы технологии машиностроения»
Целью изучения дисциплины является получение студентами знаний о производственном и технологическом процессах изготовления машин...
Технологическое обеспечение долговечности деталей машин на основе упрочняющей обработки с одновременным нанесением антифрикционных покрытий iconПрименение гидропрессования для повышения свойств конструкционных сталей
Особенно актуальна проблема увеличения долговечности деталей машин и конструкций при эксплуатации в условиях Севера, при низких температурах...
Технологическое обеспечение долговечности деталей машин на основе упрочняющей обработки с одновременным нанесением антифрикционных покрытий iconПовышение стойкости режущих инструментов с износостойким покрытием путем отделочно-упрочняющей обработки их рабочих поверхностей алмазным выглаживанием
С износостойким покрытием путем отделочно-упрочняющей обработки их рабочих поверхностей алмазным выглаживанием
Технологическое обеспечение долговечности деталей машин на основе упрочняющей обработки с одновременным нанесением антифрикционных покрытий iconТехнологическое обеспечение долговечности скользящих контактов поверхностным пластическим деформированием специальность
Защита состоится «10» июня 2010 г в 1000 часов на заседании диссертационного совета д 212. 073. 02 Иркутского государственного технического...
Технологическое обеспечение долговечности деталей машин на основе упрочняющей обработки с одновременным нанесением антифрикционных покрытий iconВозможности комбинирования методов поверхностного пластического деформирования деталей машин
Проведен сравнительный анализ существующих методов поверхностного пластического деформирования. Выявлены возможности комбинирования...
Технологическое обеспечение долговечности деталей машин на основе упрочняющей обработки с одновременным нанесением антифрикционных покрытий iconПрограмма вступительного междисциплинарного экзамена в магистратуру для направления 151000 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»
«Технология автоматизированного машиностроения», «Автоматизированные системы технологической подготовки производства», «Технология...
Технологическое обеспечение долговечности деталей машин на основе упрочняющей обработки с одновременным нанесением антифрикционных покрытий icon«Технология конструкционных материалов»
Курс технологии конструкционных материалов включает в себя сведения получении металлов, сплавов, неметаллических и полимерных материалов,...
Технологическое обеспечение долговечности деталей машин на основе упрочняющей обработки с одновременным нанесением антифрикционных покрытий iconВыбор метода комбинирования поверхностно-пластического деформирования
Разработан новый метод статического ппд, комбинирующий в единовременно протекающем процессе выглаживание и накатывание. Проведены...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib2.znate.ru 2012
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница