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
страница3/4
Дата03.02.2016
Размер41,45 Kb.
ТипАвтореферат
1   2   3   4

В разделе 5 представлен комплекс разработок, относящихся к определению рациональных параметров технологического процесса, приведена общая методика определения составов для нанесения покрытия; разработаны и исследованы композиционные и многослойные покрытия с политетрафторэтиленом (фторопластом); предложены методики расчета долговечности контактирующих поверхностей с учетом их контактной выносливости и определения остаточного ресурса рабочих поверхностей; представлены типовые технологические процессы.

Решение задачи создания рациональных технологических процессов и видов антифрикционных покрытий с требуемой надежностью и долговечностью производится в два этапа: 1) оцениваются качественные показатели поверхностей с композиционными покрытиями, обеспечивающие заданные эксплуатационные характеристики деталей; 2) определяются (рассчитываются) оптимальные режимы технологической обработки для получения требуемых качественных показателей получаемых поверхностей.

Предложенная методика позволяет целенаправленно получать требуемое качество обработанных поверхностей. Результаты моделирования процесса обработки и качественных параметров поверхности позволили разработать методику определения оптимального состава и технологию нанесения антифрикционного покрытия. Методика представлена в виде структурной блок-схемы (см. рис. 7), куда входят основные параметры качества поверхности.

На основании разработанной методики получен следующий базовый медьсодержащий состав спецжидкости, для нанесения антифрикционных покрытий на стальные поверхности деталей (в % масс):


Cu Cl2+CuSO4 – 6…8%

Вода дистиллированная – 10%

Мочевина – 0,5…0,8%

Ацентамид – 6,0…8,0%

Кислота уксусная – 8,0…10%

Дисульфид молибдена – 3,0…5,0%

Ультрадисперсные порошки меди,

никеля, дисульфид молибдена

в равных долях – 2,0…4,0%

глицерин – остальное.


По предложенной методике также разработана гамма других составов для специальных применений, например: для композиционных покрытий на медной основе (с ультрадисперсными добавками), медно-серебряных, серебряных и др.

Проведенные триботехнические исследования поверхностей (антифрикционные, противозадирные свойства) с различными видами покрытий показали состоятельность предложенной методики оценки оптимального состава антифрикционных покрытий. При этом противозадирные свойства возросли более чем в 2,5 раза, коэффициент трения снизился на 10%, износостойкость повысилась на 25…30% по сравнению с составами без добавок.

При работе на эвольвентных поверхностях быстроходных зубчатых передач и подшипников качения возникают напряжения, превышающие предел усталости материала.


Исходные данные

Действующие нагрузки

Условие контактирования поверхностей. Наличие и качество смазочных средств

Исходное состояние поверхности




Блок 1. Расчетный (трибологический)

Определение оптимальных давлений

Определение оптимальной толщины покрытия

Состав покрытия, совместимость компонентов, адгезия к поверхности

Определение сил трения в контакте




Блок 2. Расчетный (технологический)

Технологические параметры процесса обработки для улучшения качественных показателей поверхностей

Определение интенсивности износа в зависимости от напряженно-деформированного

состояния поверхностного слоя

Износостойкость

Усталостная прочность

Контактная выносливость




Блок 3. Эксплуатационные характеристики поверхностей

Показатели повышения эксплуатационных параметров

Прогнозирование

ресурса работы

Экспериментальное

подтверждение


Рис. 8. Блок-схема определения параметров обработки

В связи с этим приобретает актуальность проблема оценки долговечности рабочих поверхностей с учетом контактной выносливости, для чего была разработана методика расчета, в которой, при допущении о равномерности износа поверхностей, долговечность зубчатых колес - h (в часах) по критерию усталостного выкрашивания определяется зависимостью:

h = , (19)

где ni– частота вращения i-го зубчатого колеса; k – число зацеплений за один оборот; [σнр] - допустимые контактные напряжения; σi - действующие контактные напряжения.

Допустимые контактные напряжения определяются на основе известных методик А.И. Петрусевича и Г.К. Трубина. Показано, что после предложенной упрочняющей обработки с нанесением антифрикционных покрытий возрастает допустимое значение контактных напряжений за счет благоприятных напряжений в поверхностном слое, снижения сил трения в контакте и повышения усталостной прочности материала. В этом случае допустимые контактные напряжения определяются зависимостью:

[σн] = 2,88·9,81·С1·HRC , (20)

где С1 – безразмерный коэффициент, равный 110; Nб – базовое число циклов; HRC – твердость материала.

Так, расчеты по допустимым контактным напряжениям для материала ВКС4, после ХТО и упрочняющей обработки с композиционным покрытием составляют [σн] =2050 МПа.

Надежность и долговечность работы деталей машин во многом зависят от методов контроля рабочих поверхностей при производстве и в процессе эксплуатации. Предложен метод неразрушающего контроля состояния материалов, основанный на выявлении и раскрытии механизмов появления усталостных повреждений, накапливающихся в процессе эксплуатации. Здесь используется энергетическая характеристика состояния материала поверхностного слоя - энергия активации пластической деформации u0, оцениваемая методом склерометрии как работа, затрачиваемая на активацию пластической неустойчивости одного моля материала Vм исследуемой поверхности (разработка НТЦ «Надежность» СамГТУ). Склерометрические исследования проводили при глубине царапин 2,0…4,5 мкм и протяженности ~ 0,2 мм.

Основным преимуществом склерометрического способа является возможность проведения исследований на различной глубине поверхностного слоя за счет выбора нагрузки на индентор; изменяя форму индентора, можно имитировать различные механизмы повреждаемости и разрушения: от микрорезания до усталостного выкрашивания; варьируя направлением царапания, можно исследовать анизотропию механических свойств исследуемых поверхностей.

Для оценки предельных контактных напряжений при усталостной повреждаемости и разрушении поверхностей использовались: термофлуктуационная теория прочности материалов С.Н. Журкова, структурно-энергетический подход В.С. Ивановой, В.В. Федорова.

Энергетическое условие разрушения для деформируемых тел записывается в виде

. (21)

где - энергия активации разрушения материала; кДж/моль; - универсальная газовая постоянная, кДж/мольК; - абсолютная температура, К; - текущее время от начала нагружения, с; – постоянная времени, с; - молярный объем, мм3/моль; - напряжение, кгс/мм2; - средняя скорость пластической деформации, с-1; - динамический коэффициент; - изменение свободной энергии под действием внешней среды, кДж/моль. Решая условие разрушения (21) относительно , получим:

. (22)

С учетом полученных значений энергии активации разрушения, средней температуры образцов при испытаниях, частоты нагружения, микротвердости упрочненных поверхностных слоев и других параметров, расчетная модель для оценки допустимых критических напряжений представляется в виде:

, (23)

где Nц - число циклов нагружений; fгц – частота приложения нагрузки; γ – структурно-чувствительный коэффициент, в случае пластической деформации, определяемый как отношение , где - микротвердость материала.

Адекватность полученной модели подтверждена результатами экспериментальных исследований усталостной прочности материалов.

Исследования М.И. Петроковца, Ю.К. Машкова, И.В. Крагельского и др. показали, что наилучшие триботехнические параметры обеспечивают многослойные покрытия с использованием неметаллических материалов. К ним относятся медно-фторопластовые и бронзофторопластовые покрытия. Известные технологии нанесения подобных покрытий основывались преимущественно на гальванических методах и ионно-плазменном напылении.

Разработаны технологические процессы нанесения медно-фторопластового и бронзофторопластового покрытий. Технологический процесс для бронзофторопластового покрытия состоит из следующих переходов:

- предварительная упрочняющая обработка основы (в качестве деформирующего инструмента используется ролик или быстровращающаяся щетка);

- нанесение подготовительного покрытия - тонкого медно-оловянистого слоя (используются медьсодержащие спецжидкости с добавлением солей олова) с толщиной наносимого слоя - 1,5…2,0 мкм;

- нанесение пастообразного бронзового порошка, прикатка его и термическая обработка при температуре 85… 90ºС с выдержкой 40…45 мин (для приготовления пасты используется порошок дисперсностью 100…150 мкм), процесс происходит в восстановительной атмосфере диссоцианированного аммиака;

- нанесение полимерного покрытия (толщина ~15 мкм) в виде специально подготовленной пасты, состоящей из порошка политетрафторэтилена (фторопласт- 4Д) фракции до 30 мкм, смешанный с порошком дисульфида молибдена и добавлением ультрадисперсных порошков никеля и алюминиевой пудры;

- прикатка пасты роликом и ее послойное уплотнение (окончательная толщина слоя 7,0…10 мкм);

-термическая обработка полученного покрытия при температуре 370-380ºС с выдержкой до 30 мин и последующей обкаткой роликом с усилием 450 Н (толщина слоя 5…8 мкм).

Термообработка способствует проникновению порошка фторопласта в поры бронзы с образованием диффузионного слоя, что обеспечивает надежное сцепление фторопласта с бронзовым слоем. Установлено, что дополнительное упрочнение позволяет получить более качественное покрытие.

Проведено комплексное исследование прочностных, адгезионных и триботехнических параметров бронзофторопластового покрытия и других видов покрытий (гальванических, ионно-плазменных). Определены параметры адгезионной прочности сцепления методом отрыва на разрывной машине склеенных образцов (клей ВК-26М). Установлено, что адгезионная прочность сцепления составляет 56,5-60,0 МПа, прочность на срез 19,1…20,0 МПа, предел прочности материала покрытия 30,0 МПа. Триботехнические исследования проводились на машине трения МИ-1М по схеме ролик-колодка при различных статических нагрузках и продолжительности испытаний 60 мин, в среде масла ИПК4-10. При испытаниях определялся весовой и линейный износ образцов. В качестве колодок использовалась цементированная сталь ВКС 4 (НRС=58…60). Коэффициент трения в течение испытаний изменялся при нагрузке 400 Н с 0,015 до 0,012, при увеличении нагрузки до 2000 Н коэффициент трения снизился на 45…50%. Весовой износ образцов с покрытием составил 29,9 мг, размерный износ – 30 мкм, весовой износ колодки – 5 мг.

На основании результатов исследований разработана методика определения рациональных режимов обработки с нанесением покрытий, которая включает:

- анализ условий работы контактирующих поверхностей (условия взаимодействия, действующие нагрузки, наличие смазочных средств);

- определение параметров, требующих улучшения;

- выбор диапазона значений характеристик поверхностного слоя и вида покрытия, обеспечивающих заданный уровень качественных показателей;

- разработка состава покрытия, определение параметров технологического процесса;

- апробация и оценка эффективности в производственных условиях технологического процесса.

На основе предложенного подхода был разработан ряд типовых технологических процессов для упрочнения поверхностей и нанесения комплексных покрытий, технологические процессы обработки эвольвентных поверхностей для зубчатых колес (ОАО СНТК им. Н.Д. Кузнецова), для ремонта деталей цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания (ремучасток автобазы ОАО «Самараэнерго»), тяжелонагруженных поверхностей металлорежущего оборудования (ООО «НПП Техмашконструкция»), резьбовых поверхностей труб нефтяного сортамента (НГДУ ОАО «Татнефть»).

Предложенные технологические процессы являются конкурентоспособными, а в ряде случаев имеют существенные преимущества перед известными ресурсоповышающими технологиями за счет низкой энергоемкости, металлоемкости и малой себестоимости единицы обработанной поверхности.

Внедрение процесса упрочняющей обработки с нанесением покрытия на трубных базах в двух НГДУ ОАО «Татнефть» дало годовой экономический эффект более 394 тыс. рублей (результаты подтверждены актом внедрения).


Основные выводы


1. В результате теоретического обобщения и проведения комплексных исследований решена крупная актуальная научная проблема, имеющая важное народно-хозяйственное значение, заключающаяся в разработке технологических основ и научном обосновании нового ресурсоповышающего технологического процесса упрочняющей обработки деталей машин с одновременным нанесением антифрикционных покрытий.

2. Установлены общие закономерности физико-химических процессов и механизмов получения биметаллических слоев, обладающих заданными физико-механическими свойствами, обеспечивающими требуемые эксплуатационные показатели рабочих поверхностей.

3. На основании теоретических исследований получены рациональные значения толщины антифрикционных покрытий по критерию минимальной интенсивности износа поверхностей. Установлено влияние подложки на прочностные показатели поверхностей с покрытием.

4. На основе анализа контактного взаимодействия трущихся поверхностей и расчетных моделей процессов их разрушения решена задача оценки интенсивности износа поверхностей с учетом величины плотности дислокаций, позволяющая определить оптимальную плотность дислокаций для конкретных пар трения. Получены аналитические зависимости для определения оптимальных давлений в зоне контакта по критерию минимизации интенсивности износа. Теоретически определено влияние напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя (остаточных напряжений) на износостойкость поверхностей трения. Установлено, что формирование в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия снижает интенсивность износа поверхностей.

5. На основании теории упругопластических свойств композиционных материалов получена феноменологическая расчетная модель, позволяющая установить физико-механические свойства поверхностей с композиционными покрытиями и характеристики диффузионного слоя. В зависимости от концентрации компонентов (ультрадисперсных включений), входящих в состав покрытия, определены эффективный модуль упругости биметаллического слоя и коэффициент Пуассона. Проведены экспериментальные исследования основных механических свойств поверхностей с покрытием, доказывающие адекватность принятой модели. Установлено влияние концентрации ультрадисперсных добавок и их механических свойств на предел прочности композиционного материала.

6. На основе методов механики сплошных сред при использовании итерационного метода получены аналитические зависимости распределения остаточных напряжений в поверхностных слоях материалов при упрочняющей обработке. Проведено исследование конечно-элементной модели биметаллического и диффузионного слоев с использованием программного пакета ANSYS, позволившее оценить объемное напряженно-деформированное состояние материала при различных схемах нагружения для различных деформирующих инструментов.

7. Проведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования влияния режимов обработки, состава спецжидкости на основные качественные показатели рабочих поверхностей (остаточные напряжения, упрочнение поверхности, шероховатость, усталостная прочность, контактная выносливость).

8. Установлена зависимость изменения величины остаточных напряжений в поверхностном слое от эксплуатационных нагрузок. В основе эффекта снижения уровня остаточных напряжений в поверхностном слое в процессе эксплуатации лежат терморелаксационные процессы, протекающие в зоне контактирующих поверхностей.

9. Разработана методика оценки допустимых (предельных) напряжений с учетом заданного ресурса деталей машин, физико-механических свойств материалов, условий эксплуатации узлов, основанная на структурно-энергетической теории прочности и кинетической модели усталостной повреждаемости материалов, позволяющая уточнить оптимальные режимы упрочняющей обработки.

10. Предложена методика расчета долговечности эвольвентных поверхностей зубчатых колес и рабочих поверхностей подшипников качения с учетом значений контактной выносливости поверхностей. Экспериментальные наблюдения и расчеты по предложенной методике показали удовлетворительное совпадение.

11. Разработан общий подход к определению технологий приготовления и оптимизации составов спецжидкостей для антифрикционных покрытий, исходя из условий контактного взаимодействия поверхностей и параметров технологического процесса упрочняющей обработки.

12. Разработаны составы композиционных и многослойных покрытий на медной основе с добавлением порошков металлов и фторопласта, технологические процессы их нанесения. Проведено комплексное исследование физико-механических свойств и триботехнических параметров поверхностей с покрытием применительно к подшипникам скольжения.

13. Определена методика выбора эффективных режимов обработки по схеме решения обратной задачи, содержащая этапы: 1) определение диапазона значений качественных показателей биметаллического слоя по заданному уровню эксплуатационных свойств; 2) расчет оптимальных режимов технологического процесса нанесения антифрикционных покрытий и выбор их состава для обеспечения требуемых качественных показателей рабочих поверхностей. Установлено, что при использовании предложенной технологии износостойкость поверхностей возросла в 1,5…2,0 раза; коррозионная стойкость повысилась до 30 раз при добавлении в состав эпиламов; усталостная прочность повысилась на 30…40%; контактная выносливость возросла на 45…60%.

14. Разработаны и защищены патентами новые методы финишной обработки рабочих поверхностей деталей пар трения, составы покрытий. Результаты исследований успешно внедрены в ОАО СНТК им. Н.Д. Кузнецова, ООО «НПП Техмашконструкция», ОАО «Татнефть», на ремонтном предприятии ОАО «Самараэнерго». Годовой экономический эффект от внедрения процесса на ремонтных базах двух НГДУ ОАО «Татнефть» составил более 394 тыс. рублей.


Основные положения диссертации опубликованы

в следующих работах


Публикации в центральных изданиях, включенных в перечень

периодических изданий ВАК РФ


1. Берсудский А.Л. Технология упрочнения поверхностей с одновременным нанесением покрытий / А.Л. Берсудский //Вестник Самарского государственного технического университета. Серия Технические науки. 2001. Вып. 11. – С. 5-9.

2. Берсудский А.Л. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств рабочих поверхностей зубчатых колес / А.Л. Берсудский, В.И. Алексеев //Вестник Самарского государственного технического университета. Серия Технические науки. 2002. Вып. 15.- С. 105-111.

3. Берсудский А.Л. Моделирование напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя при упрочнении с покрытием / А.Л. Берсудский, О.А. Логинов // Вестник Самарского государственного университета. Естественно-научная серия. 2003. № 4(30) – С. 103-111.

4. Берсудский А.Л. Продление срока службы деталей двигателя внутреннего сгорания / А.Л. Берсудский, З.Н. Сосевич //Железнодорожный транспорт. 2004. № 11.– С. 76-78.

5. Берсудский А.Л. Повышение работоспособности эвольвентных поверхностей зубчатых колес / А.Л. Берсудский // Вестник машиностроения. 2005. № 1. - С. 10-13.

6. Берсудский А.Л. Определение оптимальной толщины антифрикционных покрытий и давлений в зоне контакта после упрочняющей обработки. / А.Л. Берсудский //Проблемы машиностроения и надежности машин. 2006. № 2.- С. 81- 87.

7. Берсудский А.Л. Определение долговечности и коэффициента полезного действия высоконагруженных редукторов / В.И Алексеев, А.Л Берсудский, Д.Г. Федорченко //Вестник машиностроения. 2006. № 9.– С. 11-15.

8. Берсудский А.Л. Методика определения оптимальной толщины антифрикционных покрытий / А.Л. Берсудский // Вестник Самарского аэрокосмического университета им. академика С.П. Королева. 2006. № 2(10). Ч. 1. С. 75- 80.

9. Берсудский А.Л. Механизм формирования антифрикционных покрытий при упрочняющей обработке /А.Л. Берсудский // Вестник Самарского аэрокосмического университета им. академика С.П. Королева, 2006. № 2(10). Ч. 1. С. 81-84.

10. Берсудский А.Л. Влияние напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя на износостойкость поверхностей деталей / А.Л. Берсудский // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2006. № 2. С. 52- 59.

11. Берсудский А.Л. Напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя при упрочняющей обработке с одновременным нанесением покрытий / А.Л. Берсудский // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия Технические науки. 2004. Вып. 21. - С. 48-52.

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