Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
33
ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
УДК 620.178:620.191:620.197
Технологічне забезпечення якості та експлуатаційних
властивостей виробів параметрами
імпульсної фрикційної обробки
Спеціальність 05.02.08 –технологія машинобудування
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Одеса –
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі “Верстатно-інструментальні системи автоматизованого виробництва” в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя
доктор технічних наук, професор
Пашечко Михайло Іванович,
Національний університет “Львівська політехніка”, м. Львів,
професор кафедри фізики металів та матеріалознавства
Офіційні опоненти:
Доктор технічних наук, професор
Гавриш Анатолій Павлович,
Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, м. Київ;
професор кафедри технології машинобудування.
Доктор технічних наук, професор
Кухтик Тамара Василівна,
Донбаський інститут техніки та менеджменту, м. Краматорськ,
ректор.
Доктор технічних наук, професор
Якимов Олександр Васильович,
Одеський національний політехнічний університет, м. Одеса,
професор кафедри технології машинобудування.
Харківський науково-дослідний інститут технології машинобудування, м. Харків.
Захист відбудеться “27” червня 2002 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої ради Д 41.052.02 у Одеському національному політехнічному університеті (65044, Одеса-44, пр. Шевченка, 1).
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського національного політехнічного університету (Одеса, пр. Шевченка, 1)
Автореферат розісланий “25” травня 2002 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Оборський Г.О.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Однією з основних задач машинобудування є підвищення надійності і довговічності деталей машин та механізмів. Для підвищення експлуатаційних характеристик деталей машин необхідно мати чітке представлення про причини їх зниження і на основі цієї інформації створювати нові технологічні процеси. Розроблення нових технологічних процесів повинно вестись не тільки у напрямі підвищення продуктивності і зниження собівартості, але також у напрямі підвищення всього комплексу експлуатаційних характеристик деталей машин і механізмів, підвищення їх якості, надійності та довговічності.
Зміцнення тонкого поверхневого шару масивної деталі є прогресивним напрямком у технології машинобудування, так як дозволяє економити дороговартісні леговані сталі, кольорові метали і інші матеріали, підвищувати ресурс і надійність механізмів, машин, понижувати енергозатрати виробництва. В останній час набувають широкого застосування технологічні методи поверхневого зміцнення з використанням висококонцентрованих джерел енергії. Сутність цих методів поверхневого зміцнення полягає у тому, що на відносно невеликі об’єми металу діють з великими швидкостями концентровані потоки енергії високої інтенсивності з наступним швидким охолодженням металу. Такі умови обробки дозволяють отримати задані фізико-механічні, електрохімічні, корозійні і експлуатаційні характеристики поверхневих шарів деталей машин та елементів конструкцій. До даних технологічних методів відноситься і фрикційне зміцнення. При фрикційному зміцненні проходять складні структурно-фазові перетворення з утворенням зміцненого шару, який володіє специфічними фізико-механічними властивостями.
Великий внесок у розробку нових методів обробки і зміцнення та вивчення питань підвищення працездатності деталей машин і елементів конструкцій внесли такі вчені як П.Г.Алексєєв, Б.М.Аскіназі, Ю.І.Бабей, М.А.Балтер, В.М.Голубець, Б.Д.Грозін, Д.Н.Драйгор, В.Д.Євдокімов, А.С.Зенкін, Г.В.Кар-пенко, В.С.Коваленко, Б.І.Костецький, А.А.Маталін, Д.Д.Папшев, М.І.Пашечко, Г.І.Погодін-Алєксєєв, В.І.Похмурський, В.Н.Подураєв, О.В.Рижов, Н.Н.Рика-лин, Л.Д.Розенберг, О.М.Романів, А.В.Якимов, Х.Шварц та інші.
На сьогоднішній день ще не зрозумілий механізм формування поверхневого шару металу, його основних характеристик, вплив імпульсного зміцнення на працездатність деталей машин та механізмів у різних умовах експлуатації. Немає достатньо обґрунтованих наукових і технологічних основ розроблення технологічних процесів поверхневого зміцнення. Тому розробка технологічних основ керування процесом поверхневого зміцнення для отримання необхідних параметрів поверхні та зміцненого шару є актуальною проблемою.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дисертаційна робота виконувалась згідно плану науково-дослідної тематики Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя за темою “Екологічно чиста енергетика та ресурсо-зберігаючі технології”, яка затверджена Постановою Верховної Ради України № 2705 від 16.10.1992 р., а також згідно програми ДКНТ України з фундаментальних досліджень “Підвищення надійності та експлуатаційних властивостей деталей машин шляхом формування поверхневих шарів за допомогою комбінованих технологій, що включають плазмово-іонну та світлопроменеву обробки”, програми наукових досліджень Міністерства освіти та науки України “Технологічні шляхи підвищення експлуатаційних властивостей деталей машин шляхом створення поверхневих шарів із заданими властивостями”.
Дослідження виконувались відповідно до науково-дослідних робіт кафедри верстато-інструментальних систем автоматизованого виробництва в рамках держбюджетної та госпдоговірної тематики.
Тема ДІ 66-96. “Розробка та дослідження інструментальних матеріалів ресурсозберігаючих технологій та інструментального оснащення для виготовлення циліндричних і плоских поверхонь”. Робота виконувалась згідно тематичного плану науково-дослідних робіт ТДТУ.
Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розроблення науково-прикладних основ керування технологічним процесом фрикційного зміцнення для покращання експлуатаційних властивостей деталей машин та механізмів шляхом отримання необхідних фізико-хімічних і механічних параметрів поверхні та зміцненого шару.
1. Розробити систему ”технологічна операція - фрикційне зміцнення” для вивчення взаємовпливу і взаємозалежності основних характеристик процесу поверхневого зміцнення робочих поверхонь деталей машин з метою керування фізико-хімічними властивостями та механічними характеристиками зміцнених шарів.
. Визначити температурно-силові умови формування зміцнених шарів при імпульсному фрикційному зміцненні та їх вплив на формування структурно-напруженого стану металу.
. Дослідити вплив технологічних параметрів фрикційного зміцнення і використовуваного обладнання на точність обробки поверхонь деталей машин.
. Дослідити вплив режимів зміцнення, поверхнево активного полімервмісного технологічного середовища МХО-64а на формування зміцнених шарів та параметри імпульсного фрикційного зміцнення.
. Розробити багатофакторні математичні моделі, що враховують взаємозв’язок між параметрами імпульсного фрикційного зміцнення з метою їх оптимізації та можливістю керування механічними характеристиками зміцненого шару.
6. Дослідити вплив імпульсного фрикційного зміцнення на довговічність сталей та чавунів при зношуванні у різних умовах тертя та втомному руйнуванні.
7. Розробити технології імпульсного фрикційного зміцнення деталей машин і елементів конструкцій.
Об’єкт дослідження –технологія поверхневого імпульсного фрикційного зміцнення деталей машин і механізмів з використанням як технологічне середовище поверхнево активних полімервмісних мастильно-охолоджувальних рідин.
Предмет дослідження –закономірності формування і методи керування процесом утворення зміцненого шару за рахунок зміни вхідних параметрів процесу зміцнення з метою покращання експлуатаційних властивостей виробів.
Методи дослідження. Методологічною основою роботи є системний підхід до вивчення досліджуваного об’єкту –технології поверхневого імпульсного фрикційного зміцнення деталей машин, процесів, які відбуваються в зоні контакту зміцнювального інструмента-диска і оброблюваної поверхні, закономірностей формування зміцненого шару та його характеристик з врахуванням впливу технологічних параметрів процесу.
Теоретичні дослідження базуються на основних положеннях теорій технології машинобудування, теплового контакту при високошвидкісному терті, методах визначення балансу точності використовуваного обладнання, математичного аналізу та математичного моделювання, технологічного забезпечення точності та якості зміцнених виробів, математичного планування багатофакторних експериментів. При визначенні термонапруженого стану в зоні контакту використовували аналітично-експериментальний метод.
Експериментальні дослідження проводились з використанням фізичного моделювання, математичного планування експериментів, дисперсійного і кореляційного аналізів, використання комп’ютерної техніки.
При виконанні роботи застосовували сучасні фізичні та механічні методи оцінки параметрів технологічного процесу імпульсного фрикційного зміцнення, стану поверхні та зміцненого шару, працездатності деталей при різних умовах експлуатації, а саме –одночасне визначення складових сил, які виникають у зоні контакту зміцнювального інструмента і деталі, фізико-механічних характеристик поверхні та зміцненого шару, локальний мікрорентгеноспектральний аналіз поверхневих шарів, визначення параметрів довговічності при різних видах тертя та втомного руйнування у різних середовищах.
1. Представлення фрикційного зміцнення як технологічної системи дозволило на основі встановлених взаємозв’язків між фізико-хімічними параметрами процесу оптимізувати технологічний процес фрикційного зміцнення шляхом керування характеристиками поверхневого шару і експлуатаційними властивостями виробів.
. Розроблено математичну модель термонапруженого стану металу у зоні контакту при імпульсному фрикційному зміцненні деталей машин для оцінки температур та напружень, які визначають умови формування зміцненого шару.
. Розроблено математичні моделі визначення параметрів точності зміцнених циліндричних і плоских поверхонь, які базуються на розрахунку балансів точності використовуваного технологічного обладнання.
. Експериментально обґрунтовано вплив водню на формування напружено-деформованого стану поверхневих зміцнених шарів.
. Встановлені закономірності впливу зсувного деформування у зоні контакту інструмент –деталь на утворення зміцненого шару (товщина, твердість, шорсткість та структурно-фазовий стан).
. Показана перспективність використання поверхнево активної полімервмісної мастильно-охолоджувальної рідини МХО-64а як технологічне середовище при імпульсному фрикційному зміцненні робочих поверхонь деталей машин, що дало можливість зменшити силові параметри обробки у 1,5-1,6 разів та збільшити товщину шару у 1,4-1,7 разів.
. Розроблено багатофакторні математичні моделі для визначення товщини зміцненого шару та силових параметрів імпульсного фрикційного зміцнення деталей машин з метою оптимізації процесу обробки.
. Встановлено підвищення зносостійкості зміцнених шарів у 2-8 разів (при терті без мащення, з граничним мащенням, у мастильно-абразивному середовищі, фретинг-процесі, потоці абразивних частинок та реверсивному терті), втомну (мало- та багатоциклову і контактну) та корозійно-втомну міцність до 6 разів вуглецевих, низьколегованих сталей та чавунів.
. Розроблено технологічні процеси фрикційного зміцнення напрямних верстатів, деталей шарнірів ланцюгів конвеєрів та деталей технологічного оснащення.
На підставі теоретичних узагальнень, результатів лабораторних та дослідно-промислових перевірок розроблено технологічні процеси фрикційного зміцнення деталей машин та технологічного оснащення.
Науково обґрунтовані рекомендації та одержані математичні моделі оптимізації параметрів технологічного процесу використовуються для визначення оптимальних режимів зміцнення, фізико-хімічних та механічних параметрів поверхні та експлуатаційних властивостей виробів при проектуванні і розробленні технологій поверхневого фрикційного зміцнення деталей машин, а також для автоматизації проектування технологічних процесів та обладнання для реалізації процесу фрикційного зміцнення.
Розроблено та впроваджено технології фрикційного зміцнення напрямних станин фрезерних верстатів на ВАТ “Львівський завод фрезерних верстатів”, деталей шарнірів тягових та гусеничних ланцюгів на ВО “Конвеєр”, деталей технологічного оснащення на Львівському заводі “Електропобутприлад”, та поворотно-слідкуючих механізмів антен далекого космічного зв’язку на Тернопільському заводі “Сатурн”.
Викладені матеріали використовуються у навчальному процесі для студентів механічних спеціальностей при вивченні курсів “Технологія машинобудування”, “Проектування і конструювання верстатів та верстатних комплексів”, “Математичне моделювання верстатів та верстатних комплексів” та “Математичне моделювання інженерних задач на ЕОМ”.
Особистий внесок здобувача. Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень, що виносяться на захист, отримані автором самостійно. Особистий внесок дисертанта в роботах, виконаних у співавторстві, полягає в обґрунтуванні наукового напрямку, формулюванні мети роботи; обґрунтуванні і розробці методик експериментальних досліджень, участі у постановці і проведенні експериментальних досліджень; розробці математичних моделей, установленні теоретичних залежностей; формулюванні новизни й основних висновків за результатами роботи; аналізі та узагальненні отриманих результатів дослідження. Постановка задач і обговорення наукових результатів виконані разом з науковим консультантом.
Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідались на 1-й науково-технічної конференції ТПI “Прогресивнi технологiї i обладнання в машино- i приладобудуваннi” (Тернопіль, 1992 р.), 2-й науково-технічної конференції ТПI “Прогресивнi технологiї i обладнання в машино- i приладобудуваннi” (Тернопіль, 1993 р.), 2-му міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (Львів, 1995 р.), 3-ій науково-технічної конференції ТДТУ “Прогресивнi технологiї i обладнання в машино- i приладобудуваннi” (Тернопіль, 1998 р.), 4-му міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (Львів, 1999 р.), 15-й Щорічній міжнародній науково-технічній конференції “Прогресивні технології в машинобудуванні” (Одеса, 2000 р.), 4-ій науково-технічної конференції ТДТУ “Прогресивні технології i обладнання в машино- i приладобудуванні” (Тернопіль, 2000 р.), 1-ій Промисловій міжнародній конференції “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях” (Київ –Славське, 2001 р.), 5-ій науковій конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (Тернопіль, 2001 р.), 5-му міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (Львів, 2001 р.), міжнародній науково-технічній конференції “Инженерия поверхности и реновация изделий”(Феодосія, 2001 р.).
Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані у 37 друкованих працях, у тому числі 26 наукових статтях, з них 12 одноосібних, 11 збірниках матеріалів наукових конференцій.
Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота викладена на 272 сторінках, складається зі вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 349 назв, містить 151 рисунків, 6 таблиць, а також додатків на 27 сторінках. Загальний обсяг роботи –сторінок.
У вступі обґрунтовано актуальність теми роботи, висвітлено її важливість і вивчення іншими авторами; визначена наукова новизна та практична цінність отриманих результатів досліджень. Сформовано основні положення, що розглядаються в дисертаційній роботі, та найважливіші результати, що виносяться на захист.
У першому розділі представлено детальний аналіз сучасного стану з проблеми поверхневого зміцнення деталей машин та її вплив на експлуатаційні властивості виробів.
У сучасних умовах розвитку машинобудування набуває все більшого значення новий технологічний напрям виробництва виробів з подовженим терміном експлуатації, а саме “інженерія поверхні”. Даний напрям полягає у керуванні властивостями поверхневого шару деталей машин і механізмів. Керування властивостями поверхні можна здійснювати модифікуванням поверхні, а також нанесенням захисних покриттів.
Експлуатаційні властивості механізмів залежать в основному від фізико-хімічних властивостей матеріалів та стану поверхні деталей. Обумовлено це тим, що в підповерхневих шарах при різних схемах навантаження виникають найбільші напруження. При наявності агресивного середовища термодинамічний стан поверхні стає ще більш нерівноважним. У той же час поверхня деталей машин послаблена технологічними та експлуатаційними концентраторами напружень. При дії циклічних навантажень наявні концентратори сприяють розвитку втомних процесів у поверхневому шарі матеріалу. При виготовленні деталей машин необхідно забезпечити оптимальні показники якості поверхні, зокрема шорсткість, макро- і мікроструктуру матеріалу, твердість, величину і знак залишкових напружень та інші. Але не завжди вдається досягнути оптимального поєднання вказаних характеристик якості поверхневого шару деталей машин при їх виготовленні на фінішних операціях.
У даний час існує велика кількість різних видів зміцнюючих технологій, у тому числі і з використанням висококонцентрованих джерел енергії, які дозволяють підвищувати якість поверхневих шарів, а як наслідок збільшувати довговічність і надійність деталей машин і механізмів. Характерною особливістю цих методів є дія з великими швидкостями високих питомих енергій на відносно малі об’єми металу і наступне їх швидке охолодження. При даних технологічних методах зміцнення проходить модифікація поверхневого шару зміцнюваної деталі. Під дією екстремальних умов нагрівання і охолодження проходить зміна структурного стану поверхневих шарів. При цьому не формується границя розділу між поверхневим шаром і основним металом, так як зміцнення відбувається за рахунок зміни лише структурного і фазового стану оброблюваного металу. Зміни, які проходять у процесі цих обробок суттєво залежить від хімічного складу, вихідної термообробки сталі, режимів обробки та інших факторів. Вони характеризуються формуванням двох якісно різних структурних зон - зони вторинного гартування (білий шар) і зони підвищеної травимості, які суттєво відрізняються по своїх фізико-механічних і електрохімічних властивостях від основного металу. На процес формування білих шарів суттєво впливає температура нагріву поверхневих шарів, їх пластичне деформування, а також швидкість їх зміни. До даного часу можливість водню полегшувати процеси деформування і руйнування металів розглядається як негативне явище, що понижує працездатність виробів. Але у виробництві використовується ряд технологічних процесів, у яких зниження опору деформації і руйнуванню під впливом водню використовується як позитивний фактор.
Поверхнево-активні присадки до мастильно-охолоджувальних рідин є органічними сполуками з великою молекулярною масою і мають високий вміст водню в молекулах ({-СН-}n). Водень виділяється також з мастильно-охолоджувальних рідин при механічній обробці металів. Він може забезпечувати мастильну дію, зменшувати коефіцієнт тертя, створювати передумови для зародження пластичних зсувів утворення при менших напруженнях різних дефектів у зоні деформування.
Систематизація та узагальнення результатів проведених досліджень дозволяють зробити висновок, що умови формування білих шарів при різних технологічних методах зміцнення суттєво відрізняються і по різному впливають на якість зміцненого шару. Проте, у даний час, ще не всі аспекти природи формування білих шарів до кінця зрозумілі. Обмежені відомості про вплив різних технологічних середовищ на формування зміцнених шарів (їх товщину, твердість) при фрикційному зміцненні та їх вплив на довговічність виробів. Практично відсутні дослідження, присвячені впливу зсувного деформування поверхневих шарів у зоні контакту зміцнювального інструменту і деталі на температурно-силові характеристики процесу зміцнення. А також теоретичні та експериментальні дослідження впливу параметрів технологічного процесу фрикційного зміцнення на точність оброблених поверхонь.
Відсутність досліджень щодо обґрунтованого вибору технологічних параметрів, режимів зміцнення, їх впливу на довговічність при різних видах експлуатації, недостатність даних по вихідних силових параметрах при зміцненні, необхідних для розробки і виготовлення сучасного технологічного устаткування, стримують впровадження фрикційного зміцнення у виробництво. Для забезпечення можливості керування властивостями зміцнених поверхневих шарів необхідно встановити залежності температурно-силових параметрів формування зміцнених шарів, впливу високочастотного деформування зони зміцнення, поверхнево активних технологічних середовищ та їх вплив на працездатність виробів.
Таким чином, досить актуальним є проведення комплексних наукових досліджень, які б дозволили розробити технологічні основи керування технологічним процесом фрикційного зміцнення для покращання експлуатаційних властивостей деталей машин та механізмів за рахунок отримання необхідних фізико-хімічних властивостей та механічних характеристик поверхні та зміцненого шару.
У другому розділі викладена загальна методологія роботи, яка базується на тому, що технологія імпульсного фрикційного зміцнення деталей машин і механізмів розглядається, використовуючи системний підхід. Розроблені математичні моделі термонапруженого стану в зоні контакту інструмента і деталі при імпульсному фрикційному зміцненні, а також математичні моделі для визначення точності зміцнених циліндричних і плоских поверхонь у залежності від використовуваного обладнання.
Представлено розроблену технологічну операцію фрикційного зміцнення як технологічну систему з обґрунтованими взаємозв’язками між параметрами фрикційного зміцнення (рис. 1).
На процес фрикційного зміцнення впливають умови зміцнення, характеристики деталі та зміцнювального інструмента-диска. Висококонцентрований потік енергії утворюється в зоні контакту при терті інструмента-диска, який обертається з великою швидкістю, по оброблюваній деталі. Величина концентрованого потоку енергії залежить від характеристик зміцнювального інструмента-диска та від умов зміцнення. Матеріал інструмента-диска, форма, розміри робочої частини та його фізико-механічні властивості впливають на формування потоку теплової енергії у зоні контакту. Зі збільшенням коефіцієнта тертя зростає кількість теплоти, яка виділяється у зоні контакту. При терті інструмента-диска у поверхневих шарах металу проходить одночасне швидкісне зсувне деформування, за рахунок якого у поверхневих шарах металу проходить його додаткове нагрівання. При збільшенні швидкості зсувного деформування до = 10 с-1 швидкість переносу атомів різко зростає й може перевищувати до 1000
разів дифузійну рухливість у рідкому стані. Зміна форми робочої поверхні інструмента приводить до зростання зсувного деформування поверхневого шару.
Технологічна схема зміцнення визначає умови зміцнення. Режими фрикційного зміцнення –швидкість переміщення стола верстата Vст, поперечна подача S та вертикальна подача t –суттєво впливають на час та величину плями контакту інструмента-диска і деталі та фізико-хімічні процеси, які протікають при цьому. При фрикційному зміцненні у зоні контакту виникають високі контактні температури та напруження. Технологічне середовище, яке попадає у зону контакту, розкладається на іони хімічних елементів, які є його складниками. При цьому проходить їх масоперенос у поверхневі шари металу. На умови фрикційного зміцнення впливають хімічний склад, поверхнева активність середовища та його функціональні властивості. Полімервмісні, хлорвмісні та інші поверхнево активні технологічні середовища мають здатність понижувати поверхневу енергію металу, відповідно полегшуються процеси поверхневого деформування металу. Активний водень суттєво впливає на процеси формування зміцненого шару. Пластифікуючи поверхневий шар металу, у більших об’ємах металу проходять фазові й структурні перетворення при поверхневому зміцненні.
Для забезпечення можливості керування параметрами зміцненого шару і його впливу на експлуатаційні властивості необхідно вивчити термонапружений стан, який виникає у зоні обробки. Представлено теоретичні розрахунки температурних полів і напружень у зоні контакту зміцнювального інструмента-диска і деталі. Показано, що температура та напруження у зоні контакту носять імпульсний характер.
При імпульсному фрикційному зміцненні робоча поверхня інструмента-диска перервна і на зону контакту діють імпульси теплової енергії за рахунок прорізів на поверхні інструменту. Для визначення температури в зоні контакту при імпульсному фрикційному зміцненні можна використати розв’язок теплофізичної задачі методом джерел (метод Гріна). Метод Гріна полягає у наступному: якщо відомий закон зміни температури T(x, y, z) у якійсь точці простору від точкового джерела, яке виділило певну кількість теплоти Q у момент часу `, то температура у даній точці буде визначатися суперпозицією температурних полів від системи розподілених у просторі джерел теплоти. Розв’язок задачі зводиться до визначення функції T(x, y, z) від одиничного джерела тепла Q, яке задовольняє граничні умови задачі.
Зона контакту при імпульсному фрикційному зміцненні розглядається як адіабатичний стержень до верхнього торця якого прикладене джерело теплової енергії інтенсивністю q (рис. 2). Вісь х направлено у глибину зміцнюваної деталі. Диференціальне рівняння теплопровідності запишеться у вигляді:
,
при початкових і граничних умовах
; ; .
Рис. 2. Схема імпульсного фрикційного зміцнення.
Розв’язок даного диференціального рівняння має вигляд:
,
де Т –початкова температура деталі, яка дорівнює температурі навколишнього середовища; Тд –температура джерела теплової енергії; С –теплоємність матеріалу оброблюваної деталі; –густина оброблюваної деталі; –коефіцієнт теплопровідності; –коефіцієнт температуропроводності.
Температура на глибині х над зоною контакту після проходження декількох виступів буде визначатись з залежності:
.
Так як ширина пазу набагато менша від довжини контактуючого виступу, то температура на поверхні оброблюваної поверхні не значно понижується при використанні інструмента-диска з перервною робочою частиною у порівнянні з суцільною (рис. 3). Але при цьому суттєво збільшується зсувне деформування, а також у зону зміцнення додатково підводяться високочастотні коливання, які значно впливають на формування зміцненого шару.
Температури, які виникають в зоні контакту, визначали також аналітико-експериментальним методом. Сутність його полягає у тому, що температура визначається за розв’язком теплової задачі. Припускали, що джерела тепла виникають тільки в зоні контакту інструмента і деталі і їх інтенсивність невідома. Вважали, що процес зміцнення є доволі тривалим і тоді задачу можна розглядати у квазістаціонарній постановці. З метою повного розв’язку поставленої задачі експериментально визначали температури на оброблюваній поверхні перед областю контакту і за експериментальними даними знаходили в деякому січенні z = zp 10 мм критерії Біо, який характеризує теплообмін зони контакту з навколишнім середовищем. Прирівнюючи теоретично розраховану при різних значеннях критерію Біо температуру в січенні z = zp та температуру, отриману експериментально у цьому ж січенні, визначали для кожного значення критерію Біо відповідну постійну С. Отримані результати показали, що максимальна температура в зоні контакту інструмента і деталі залежить від розмірів зони контакту і швидкості переміщення джерела тепла і становить 1000-1250 К.
Рис. 3. Залежність температури в зоні одиничного контакту при імпульсному
фрикційному зміцненні сталі 40Х.
Точність виготовлення деталей машин, в основному, залежить від точності обладнання на якому проходить їх оброблення. Технологічне обладнання, яке виконує формоутворюючі функції щодо виробу, одночасно є і метрологічною системою. Для визначення і підвищення точності оброблених поверхонь визначали баланси точності, які дозволяють встановити вплив окремих факторів на точність обробленої поверхні, формоутворення, діагностувати джерело похибок за результатами вимірювань оброблених деталей.
Для розрахунку похибок оброблених поверхонь деталі використовували модель вихідної точності верстата, яка базується на системі розрахунків, які пов’язують відоме збурення з похибками даних поверхонь. Як вхідні параметри моделі розглядали похибки положення вузлів і елементів верстата, викликані різними фізичними процесами, а вихідні –похибки розмірів, розташування і форми оброблених поверхонь. Математична модель точності обробки циліндричної поверхні базується на системі оцінок точності зміцнення, які мають як вихідну величину похибку радіуса . Це відхилення визначається як проекція на нормаль до циліндричної поверхні. Як граничні оцінки є дві величини коливань діаметра: у заданому та у будь-якому січеннях. В останньому випадку максимальний діаметр може бути в одному січення, а мінімальний –в іншому.
Рівняння середньоквадратичного циліндра має п’ять параметрів: діаметр d і чотири малі відхилення –b, b, xb, yb, які характеризують ексцентриситет та перекошування середньоквадратичного циліндра як тверде тіло відносно осей Х і Y системи координат, пов’язаної з номінальним циліндром. Похибки положення визначаються кутом і відстанню між осями середньоквадратичного і номінального циліндрів, а похибки розміру –різницею їх діаметрів.
Математична модель точності оброблення циліндричних поверхонь представляє собою рівняння, що описують основні відхилення вихідної поверхні від номінальної:
; ;
;
;
;
тут –D –діаметр оброблюваної деталі.
Оцінка точності зміцнення плоских поверхонь має як вихідну величину похибку по висоті . Це відхилення визначається як проекція на нормаль до плоскої поверхні. Рівняння середньоквадратичного прямокутника має чотири параметри: товщина b і три малі відхилення –b, b, yb, які характеризують перекошування середньоквадратичного прямокутника як тверде тіло відносно осей Х і Y системи координат, зв’язаної з номінальним прямокутником.
Математичну модель точності оброблення плоских поверхонь отримуємо, розв’язавши систему рівнянь, яке описує основні відхилення вихідної поверхні від номінальної:
;
;
;
;
тут L –довжина оброблюваної поверхні деталі.
У зоні контакту проходять складні термохімічні реакції, які досить важко, а у більшості випадків не вдається аналітично описати. Представляє певні труднощі теоретично отримати аналітичні залежності для визначення товщини зміцненого шару, а також сил, які при цьому виникають, у залежності від основних технологічних факторів процесу. Для визначення товщини зміцненого шару та складових сили зміцнення побудували моделі, які враховують вплив усіх параметрів процесу одночасно. Для отримання простих, прийнятних для інженерних розрахунків, залежностей складових сили зміцнення та товщини зміцненого шару при різних умовах зміцнення було використано математичні методи планування експерименту.
Математичну модель визначення складових сили зміцнення будували за допомогою повного факторного експерименту і використовували матрицю планування типу 2. Залежність товщини зміцненого шару від режимів зміцнення має екстремум і лінійна математична модель є неадекватною, тому для її побудови було використано некомпозиційний план 2-го порядку. Обробка результатів експериментів і побудова математичних моделей здійснювалась з допомогою багатофункціонального математичного пакету MathCAD 7 Pro.
При імпульсному фрикційному зміцненні з використанням МХО-64а математична модель для визначення складових сили зміцнення та товщини шару має вигляд:
;
;
.
та сірого чавуну:
;
;
.
З отриманих моделей слідує, що на величину складових сили зміцнення найбільше впливає поперечна S та вертикальна t подачі. Менший вплив має швидкість переміщення стола верстата vст. Товщина зміцненого шару найбільше залежить від величини вертикальної подачі t.
У третьому розділі приведені результати експериментальних досліджень впливу технологічних параметрів фрикційного зміцнення на величину складових сили зміцнення, товщину зміцненого шару, шорсткість та точність оброблених поверхонь.
Формування структурно-напруженого стану при фрикційному зміцненні стальних та чавунних деталей залежить від його режимів, використовуваного технологічного середовища, матеріалу зміцнювального диску та інших факторів. Одним з найбільш важливих параметрів, який необхідний для визначення оптимальних режимів обробки, потужності електродвигуна головного приводу верстата є сила, яка виникає у зоні контакту інструмента і деталі –сила зміцнення. Так як фрикційне зміцнення аналогічне шліфуванню, то силу зміцнення розкладали на три складові: нормальну Ру, тангенціальну Рz і поперечну Рх.
Дослідження показали, що при звичайному фрикційному зміцненні сірого чавуну СЧ 20 інструментом з гладкою робочою частиною при використанні як технологічне середовище мінерального мастила зі швидкістю переміщення стола верстату Vст = 2 м/хв, поперечною S = 2 мм/дв.хід та вертикальною t = 0,1 мм подачами нормальна Py і тангенціальна Pz складові сили зміцнення найменші і становили відповідно 189 Н і 16 H. Поперечна складова Рх сили зміцнення тільки при перших подвійних ходах верстата, тобто у початковий момент зміцнення, рівна 5-9 Н, далі різко зменшується і наближається до нуля. Тому в подальшому Рх нами не враховувалась. При збільшенні t до 0,3 мм нормальна складова досягає Py = 439 H, а тангенціальна - Pz = 37 H (рис. 4).
Зі збільшенням поперечної подачі зростає величина контакту зміцнювального інструмента та деталі, що призводить до збільшення Py та Pz. Так, при зміцненні з S = 2 мм/дв.хід стола і t = 0,2 мм Py досягає 312 H, а Pz - 28 H. А при S = 8 мм/дв.хід стола Py і Pz зростають до 564 Н і 45 Н відповідно.
Збільшення швидкості переміщення стола верстата призводить до зростання складових сили зміцнення. Так, при зміцненні з S = 4 мм/дв.хід стола і t = 0,3 мм із збільшенням Vст від 2 до 6 м/хв Py зросла від 564 Н до 839 Н, а Pz - від 51 до 70 Н.
Рис. 4. Залежність складових сили зміцнення Py (а) та Pz (б) від вертикальної подачі t при зміцненні сірого чавуну СЧ 20 (1, 2 –звичайне, 3 –імпульсне фрикційне зміцнення) (S = 4 мм/дв.хід, Vст = 4 м/хв): 1 –мінеральне мастило, 2, 3 –МХО-64а.
Висококонцентрований потік енергії у зоні контакту утворюється при високошвидкісному терті інструмента по оброблюваній деталі. Чим вища швидкість обертання інструмента, тим більша кількість теплоти виділяється в зоні контакту за одиницю часу. Досліди показали, що зі збільшенням колової швидкості зміцнювального диска Py і Pz зменшуються. Так, збільшення швидкості обертання диска від Vд = 40 до 80 м/с призводить до зменшення Py від 462 Н до 358 H, а Pz - від 36 Н до 22 H. Зниження Py і Pz зі збільшенням колової швидкості диска і зменшенням швидкості переміщення стола обумовлено підвищенням температури в зоні контакту, зменшенням коефіцієнта тертя й опору метала пластичному деформуванню.
При коловій швидкості диска Vд 40 м/с у зоні контакту виникають недостатні температурно-силові параметри для формування якісного зміцненого шару. При швидкості Vд 80 м/с поверхневий шар металу нагрівається до температур вище температури плавлення і тому частково знімається. Тому не доцільно далі збільшувати лінійну швидкість на ободі зміцнювального інструмента.
Поверхнево активна полімервмісна мастильно-охолоджувальна рідина МХО-64а під дією високих температур і напружень розкладається на іони C+, H+, Cl-, O-, N3- та інші, які адсорбуються на ювенільних поверхнях і дифундують у поверхневі шари зміцнюваного металу. При цьому послаблюється міжатомна взаємодія, змінюється електронна структура, зменшується модуль пружності, полегшується протікання пластичної деформації, посилюються зсувні процеси і захоплюються більші об’єми металу.
Експериментально показано, що при фрикційному зміцненні з використанням як технологічне середовище МХО-64а зі збільшенням t складові Py та Pz зростають, але набагато менше, аніж при зміцненні з застосуванням мінерального мастила. Так, при фрикційному зміцненні сірого чавуну СЧ 20 інструментом з гладкою робочою частиною при Vст = 2 м/хв, t = 0,1 мм та S = 4 мм/дв.хід стола Py складає 171 Н, а Pz - 39 Н. При збільшенні t до 0,3 мм Py = 451 Н, а Pz = 39 Н. При збільшенні Vст до 6 м/хв, t до 0,3 мм та S = 4 мм/дв.хід стола верстата Py = 682 Н, а Pz = 57 Н. При цьому значення складових сили зміцнення є меншими, аніж при зміцненні з використанням мінерального мастила, а, отже, і зменшилися навантаження на підшипники шпиндельного вузла.
На основі проведених досліджень показано, що при імпульсному фрикційному зміцненні інструментом з нарізаними поперечними пазами на робочій частині з використанням як технологічне середовище МХО-64а зі збільшенням вертикальної подачі складові сили зміцнення є набагато менші (у 1,3-1,5 разів), аніж при зміцненні інструментом з гладкою робочою частиною при використанні як технологічне середовище мінерального мастила і також МХО-64а.
Характер впливу швидкості переміщення стола верстата Vст на складові сили зміцнення Py та Pz при імпульсному фрикційному зміцненні інструментом аналогічний як і при звичайному зміцненні. У цьому випадку значення Py та Pz є менші, аніж при зміцненні диском із гладкою робочою частиною.
Експериментально показано, що режими фрикційного зміцнення, застосовуване технологічне середовище та форма робочої поверхні зміцнювального диска суттєво впливають на товщину зміцненого шару. Так, при фрикційному зміцненні сірого чавуну СЧ 20 при використанні як технологічне середовище мінерального мастила збільшення t від 0,1 мм до 0,3 мм при S = 4 мм/дв.хід стола та Vст = 4 м/хв товщина зміцненого шару збільшується від 60 мкм до 100 мкм. Подальше збільшення вертикальної подачі призводить до зростання складових сили зміцнення, які перевищують допустимі навантаження на підшипники шпиндельного вузла верстату. Також починає погіршуватися якість зміцненої поверхні (рис. 5).
На формування зміцненого шару суттєво впливає поперечна подача. При малих поперечних подачах (S 2 мм/дв.хід) білий шар отримується невеликої товщини. При збільшенні подачі до S = 4 мм/дв.хід стола товщина білого шару досягає максимального значення. Подальше збільшення поперечної подачі приводить до зменшення товщини зміцненого шару. При однаковій ширині робочої частини зміцнювального інструмента-диска і різній поперечній подачі, диск проходить по одному і тому ж місцю різну кількість разів. Оптимальною, із точки зору отримання рівномірного, суцільного білого шару найбільшої товщини, кількістю проходження зміцнювального диска по одному і тому ж місцю є 3-4 подвійних ходів стола верстата. Виходячи з цього, поперечну подачу слід вибирати в залежності від ширини робочої поверхні зміцнювального інструмента.
Залежність товщини білого шару від швидкості переміщення стола верстата, так як і від поперечної подачі, має екстремальний характер. При невеликій швидкості переміщення стола верстата (Vст 2 м/хв) відбувається нагрівання поверхневих шарів металу в зоні їх контакту до температур плавлення. При нагріванні металу до температур, близьких до температури плавлення, різко знижується границя міцності матеріалу. У результаті цього частина зміцненого шару знімається і його товщина зменшується. При великій швидкості переміщення стола верстата (Vст 6 м/хв) час дії теплового потоку на одиничну площу контакту різко зменшується, у результаті чого прогрівається невеликий об’єм металу й товщина зміцненого шару є невеликою. Білий шар найбільшої товщини отримується при переміщенні стола верстата Vст 4 м/хв.
Рис. 5. Залежність товщини зміцненого шару від вертикальної подачі t при зміцненні сталі 40Х (а) та сірого чавуну (б) (1, 2 –звичайне, 3 –імпульсне фрикційне зміцнення) (S = 4 мм/дв.хід, Vст = 4 м/хв): 1 –мінеральне мастило, 2, 3 –МХО-64а.
Як показали експерименти, температура нагріву поверхневих шарів не є основним визначальним фактором утворення якісних білих шарів. Надмірно висока температура (близька до плавлення) є не бажаною, бо призводить до підвищення пластичності поверхневого шару і часткового його зняття. При низькій температурі (нижче Ас) фазові перетворення відбуваються не в повному обсязі. На формування зміцненого шару більший вплив має зсувне деформування поверхневого шару. Циклювання теплової енергії і зсувного деформування при імпульсному фрикційному зміцненні призводить до збільшення товщини білого шару в порівнянні зі звичайним зміцненням.
Досліди показали, що при імпульсному фрикційному зміцненні з використанням як технологічне середовище МХО-64а зі збільшенням вертикальної подачі товщина зміцненого шару зростає і при t = 0,3 мм становить = 150 мкм. Слід відмітити, що при тих самих режимах зміцнення ми маємо найменші складові зусилля зміцнення, а товщина зміцненого шару найбільша. Так, Py зменшилася у 1,5 разів, Pz - у 1,3 разів у порівнянні зі зміцненням з використанням мінерального мастила. Залежності товщини зміцненого шару від поперечної подачі та від швидкості переміщення стола верстата мають також екстремальний характер. Зміцнений шар найбільшої товщини й мікротвердості, яка становила H = 9,1 ГПа, отримується при зміцненні з S = 4 мм/дв.хід та Vст = 4 м/хв. Характер кривих залежностей подібний як і при зміцненні інструментом-диском з гладкою робочою частиною з використанням як технологічне середовище мінерального мастила та МХО-64а.
Зміцнення плоских поверхонь зразків із сірого чавуну СЧ 20 показало, що зі збільшенням швидкості обертання інструмента-диска від Vд = 40 м/с до Vд = 60 м/с шорсткість знижується від Ra = 0,92 мкм до Ra = 0,48 мкм. При подальшому збільшенні швидкості інструмента до Vд = 80 м/с спостерігається деяке підвищення шорсткості поверхні до Ra = 0,56-0,68 мкм, помітні незначні напливи і вириви металу на зміцненій поверхні деталі, а також на інструменті.
При збільшенні швидкості переміщення стола верстата шорсткість зміцненої поверхні також зростає. Так, при зміні Vст від 2 до 6 м/хв шорсткість обробленої поверхні збільшується від Ra = 0,51 до 0,62 мкм. Зі збільшенням S від 2 до 8 мм/дв.хід стола шорсткість збільшується від Ra = 0,49 до 0,65 мкм. При збільшенні величини подачі кількість проходів зменшується і відповідно зростає величина шорсткості обробленої поверхні.
Найбільше впливає на шорсткість поверхні вертикальна подача. Так, із збільшенням t від 0,1 до 0,3 мм шорсткість зміцнюваної поверхні зростає від Ra = 0,39 до 0,63 мкм. Після електрокорундового шліфування шорсткість незміцненої поверхні становила Ra = 0,63-0,87 мкм.
Найбільша шорсткість поверхні отримується при фрикційному зміцненні на повітрі без застосування технологічного середовища. Поверхневий шар металу при зміцненні нагрівається практично до температур плавлення, відбувається схоплювання та виривання металу. Шорсткість поверхні погіршується й складає Rа = 1,5-2,2 мкм. При застосуванні в процесі фрикційного зміцнення технологічного середовища шорсткість зміцненої поверхні різко зменшується. При застосуванні мінерального мастила шорсткість зміцненої поверхні складає Rа = 0,32-0,65 мкм. Застосування МХО-64а ще більше покращує якість зміцненої поверхні. Шорсткість поверхні при цьому складає Rа = 0,25-0,50 мкм.
Мікрогеометрія зміцненої поверхні суттєво покращується при зміцненні дисками з нарізаними на робочій частині поперечними пазами. При входженні в контакт країв паза інструмента-диска з оброблюваною поверхнею відбувається згладжування виступів. Пази захоплюють у зону контакту технологічне середовище, що різко зменшує ймовірність протікання процесів схоплювання, а також збільшує дифузію на ювенільних поверхнях елементів із технологічного середовища у поверхневі шари деталей. При застосуванні МХО-64а шорсткість зміцненої поверхні зменшується до Rа = 0,20-0,40 мкм.
При фрикційному зміцненні сталей залежність шорсткості зміцненої поверхні від параметрів зміцнення аналогічна як і при зміцненні чавуну.
Фрикційне зміцнення використовується як фінішна операція і тому точності виготовлення поверхонь приділяється особлива увага. У зоні контакту проходить так звана усадка металу за рахунок оплавлення і виносу металу із зони фрикційного контакту та знімання нерівностей поверхні, отриманих на попередній операції. На величину усадки металу суттєво впливають температурно-силові параметри, які виникають у зоні контакту та фізико-механічні властивості зміцнюваних деталей. Зі збільшенням t усадка металу монотонно зростає. При збільшенні t > 0,5 мм величина усадки металу починає різко зростати і погіршується шорсткість обробленої поверхні, товщина зміцненого шару зростає незначно. При збільшенні S навпаки –усадка металу зменшується. При зміцненні попередньо шліфованих деталей попередня термічна обробка практично не впливає на величину усадки металу. Зі збільшенням параметра шорсткості усадка металу зростає. Чим твердіший і чим більші пружні властивості вихідного металу, який зміцнюється, тим менше режими зміцнення впливають на величину усадки металу. При зміцненні сталевих загартованих і низьковідпущених зразків усадка металу не перевищувала 0,03 мм, а нормалізованих –не більше 0,05 мм.
У четвертому розділі представлені експериментальні результати впливу параметрів фрикційного зміцнення на формування зміцненого шару та його мікротвердості, перерозподіл хімічних елементів, залишкові напруження та фазовий стан.
При фрикційному зміцненні висококонцентрований потік енергії створюється за рахунок тертя зміцнювального інструмента по оброблюваній деталі. При цьому відбувається одночасне швидкісне зсувне деформування. Швидкість нагріву досягає 10-10 К/с. За короткий час поверхневі шари металу нагріваються до температур вище точки фазових перетворень (Ас). Так як товщина нагрітого шару невелика, то його охолодження відбувається з великими швидкостями за рахунок відводу тепла вглибину металу. Таке охолодження приблизно у 10 рази вище, ніж при звичайному гартуванні. У результаті такого охолодження фіксується стан, при якому із твердого розчину ще не встигають виділитися окремі фази або це виділення не встигло повністю завершитися. Вміст вуглецю в мартенситі значно більший концентрації, яка відповідає точці мартенситного перетворення. У поверхневому шарі формується специфічний структурно-напружений стан металу - білий шар, структурою якого є високодисперсний мартенсит, залишковий аустеніт і дуже дисперсні карбіди.
Найбільший вплив на процеси формування білого шару при фрикційному зміцненні відіграє технологічне середовище. При застосуванні МХО-64а макромолекули та частинки полімеру, які входять у її склад, попадаючи в зону зміцнення, деструктурують по головних зв’язках і утворюють вільні радикали. Фрагменти розірваних макромолекул утворюють на ювенільних поверхнях зміцненого металу хімічні зв’язки. Особливістю деструкції полімерів є те, що при високих температурах проходить ланцюгова деполімеризація привитих фрагментів полімерів і утворюється сітка ненасичених вуглецевих зв’язків та атомарний вуглець. Вуглець, який виділився при цьому, дифундує у поверхневі шари деталі й утворює хімічні з’єднання. Крім цього, при деполімеризації полімеру виділяється активний водень. Проходить розкладання технологічного середовища на іони вуглецю, водню, кисню, азоту, хлору та інших хімічних елементів, адсорбція їх на ювенільних поверхнях оброблюваної деталі та масоперенос у поверхневий шар металу. При цьому вони послаблюють міжатомну взаємодію, внаслідок зміни електронної структури металу, зменшують модуль пружності, тим самим полегшують протікання пластичної деформації. Відбувається пластифікування поверхневого шару, посилюються зсувні процеси, захоплюються великі об’єми металу. Те, що збільшення зсувної деформації, при інших рівних умовах, приводить до збільшення товщини зміцненого шару й пониження тангенціальної складової сили зміцнення Рz, яка затрачається, власне, на тертя, показали досліди із застосуванням зміцнюваного інструмента-диска з нарізаними поперечними пазами на робочій поверхні. При вході в контакт країв паза у поверхневому шарі оброблюваної деталі виникають ударні зсувні деформації.
При фрикційному зміцненні наводнених зразків із загартованої і низьковідпущеної (ГНВ) сталі У8А товщина білого шару суттєво зростає й складає = 290-320 мкм. При зміцненні на таких самих режимах звичайних, не наводнених зразків товщина зміцненого шару складала лише = 200-220 мкм (рис. 6). Зросла також і мікротвердість. Так, мікротвердість білого шару отриманого на наводнених зразках становила Н = 10,3 ГПа проти Н = 9,7 ГПа, отриманої при зміцненні звичайних, не наводнених зразків.
Водень, який знаходиться у поверхневому шарі металу, сприяє утворенню якісного, суцільного білого шару більшої товщини та твердості у порівнянні зі фрикційним зміцненням звичайних, не наводнених зразків. Тому, для покращання ефективності фрикційного зміцнення, досягнення зміцненого шару більшої товщини та твердості варто використовувати технологічні середовища, які в процесі роботи можуть розкладатися й виділяти активний водень.
Мікротвердість білого шару, отриманого на сірому чавуні СЧ 20 після фрикційного зміцнення з використанням мінерального мастила найменша. Використання МХО-64а збільшує не тільки товщину зміцненого шару, але і його мікротвердість до Н = 9,1 ГПа. При фрикційному зміцненні інструментом-диском із нарізаними поперечними значення мікротвердості білого шару і його товщини досягають найбільших значень.
Рис. 6. Мікротвердість сталі У8А (ГНВ) після фрикційного зміцнення вихідних (1) та наводнених (2) зразків.
Товщина білого шару, отриманого при фрикційному зміцненні сталі 45 із застосуванням як технологічне середовище мінерального мастила складає = 130-140 мкм, а із застосуванням МХО-64а - збільшується до = 200-220 мкм, мікротвердість білого шару також вища у порівнянні із застосуванням мінерального мастила і складає H = 8,6 ГПа проти H = 8,1 ГПа відповідно, при твердості основної структури - H = 4,7 ГПа.
Зі збільшенням кількості вуглецю у сталі якість зміцненого шару значно покращується. Найбільш якісний зміцнений шар був отриманий на евтектоїдній сталі У8А як у загартованому і низьковідпущеному, так і загартованому і високовідпущеному (ГВВ) станах (рис. 7, рис. 8).
Легування сталі хромом, нікелем (у межах 1-3 %), або хромом і нікелем, сприятливо впливає на якість білих шарів. Хром у таких кількостях збільшує прогартовуваність сталі, нікель сповільнює аустенітні перетворення, зменшує зв’язок заліза з вуглецем і сприяє більш рівномірному розподілу вуглецю в металі. Товщина білого шару при фрикційному зміцненні з використанням мінерального мастила на сталі 40ХН (ГВВ) досягає = 150-170 мкм, а на ГНВ - = 190-200 мкм. При зміцненні з використанням як технологічне середовище МХО-64а товщина білого шару зросла до = 250-270 мкм. На якість білих шарів впливає також і марганець. Так, після фрикційного зміцнення у поверхневих шарах зразків із загартованої і середньовідпущеної сталі 65Г виникає білий шар товщиною = 180-200 мкм, мікротвердість якого у 2,5-2,6 рази більша за вихідну структуру.
Локальні рентгеноспектральні дослідження показали, що при фрикційному зміцненні сталі 45 (ГНВ) з використанням МХО-64а проходить масоперенос вуглецю, азоту, хлору у поверхневий шар металу. Найбільший вміст вуглецю спостерігається біля поверхні зразка i складає 1,7 %. Зі збільшенням глибини вміст вуглецю різко зменшується i на глибині біля 100 мкм наближається до значення близького, що і в основному металі. Максимальна концентрація усіх елементів зареєстрована біля поверхні. Зі збільшенням глибини концентрація хімічних елементів зменшується i на глибині 40 мкм масоперенос даних елементів практично не спостерігається. Це підтверджує той факт, що масоперенос хімічних елементів проходить, в основному, з технологічного середовища та зміцнювального інструмента.
Рис. 7. Рис. 8.
Рис. 7. Залежність товщини білого шару від вмісту вуглецю у сталі (ГНВ) при звичайному (1, 2) та імпульсному фрикційному зміцненні (3, 4) (Vст = 4 м/хв; S = 3 мм/дв.хід; t = 0,35 мм): 1, 3 - мінеральне мастило; 2, 4 - МХО-64а.
Рис. 8. Залежність мікротвердості білого шару від вмісту вуглецю в сталі після фрикційного зміцнення: 1 –без зміцнення; 2 –ФЗ, мінеральне мастило; 3 –ФЗ, МХО-64а; 4 –ІФЗ, МХО-64а.
При застосуванні МХО-64а при зміцненні зразків із сталі 45 (ГНВ) виникають залишкові напруження стиску, які поширюються на велику ( 700 мкм) глибину і більші за величиною, у порівнянні з напруженнями, отриманими при фрикційному зміцненні із застосуванням мінерального мастила. Біля поверхні залишкові напруження є невеликими, але із збільшенням глибини вони зростають, переходять через максимум (зал -800 МПа) і потім зменшуються. Така ж картина спостерігається і при зміцненні сталі У8А у різному структурному стані. Найбільші залишкові напруження формуються на ГНВ структурі, дещо менші при зміцненні зразків у стані постачання. Слід відмітити, що на величину залишкових напружень впливає структурний стан вихідного металу, але характер їх розподілу майже однаковий.
Структура білого шару представляє собою дрібноголковий мартенсит, на 1-3 бали дрібніший у порівнянні з мартенситом звичайного гартування, залишковий аустеніт та містить дрібнодисперсні карбіди. Кількість залишкового аустеніту в білому шарі досліджуваних сталей і чавуну помітно збільшується у порівнянні зі звичайним гартуванням. Так, у білому шарі, отриманому на сталі У8А максимальна кількість залишкового аустеніту досягала до 40 %, яка по мірі віддалення від поверхні зменшувалася до вихідної величини ( 5%). Аналогічна картина розподілу залишкового аустеніту спостерігалася і для інших сталей та сірого чавуну. Розмір зерна аустеніту не перевищував 2-3 мкм, що на порядок дрібніший від аустеніту звичайного гартування.
Зі збільшенням густини дислокацій значно підвищуються механічні характеристики металів. Проведені дослідження показують, що найбільша густина дислокацій спостерігається у білому шарі, отриманому на сталі У8А (ГВВ), дещо менша - на чавуні і ще менша - на сталі 35. З глибиною зміцненого шару густина дислокацій різко знижується. Так, у білому шарі, отриманому на сталі У8А (ГВВ) на поверхні зафіксована густина дислокацій, яка становить 3,710 см-2, на глибині 30 мкм уже дорівнює 1,110 см-2, а на глибині 300 мкм, тобто в основній структурі, становить 0,210 см-2. Така ж закономірність зміни густини дислокацій спостерігається у білих шарах, отриманих на інших досліджуваних сталях та сірому чавуні. Зі збільшенням вмісту вуглецю у вихідній структурі сталі густина дислокацій у білому шарі збільшується.
У п’ятому розділі представлені результати впливу фрикційного зміцнення на зносостійкість при різних умовах тертя та на опір мало-, багатоцикловому і контактному втомному руйнуванню як на повітрі, так і у корозійних середовищах.
Дослідження показали, що під час тертя без мащення значно підвищується зносостійкість пари тертя чавун СЧ 20 –чавун СЧ 20 після фрикційного зміцнення, особливо при підвищених питомих навантаженнях. Так, при терті з питомим навантаженням Р = 0,2 МПа інтенсивність зношування зміцнених і незміцнених кілець відрізняється несуттєво (у 1,3-1,4 рази). При збільшенні питомого навантаження від 0,2 до 0,4 МПа ефект поверхневого зміцнення значно зростає. Величина зношування кілець після фрикційного зміцнення зменшилася майже у 2,6 рази, а вкладок - у 1,8 рази у порівнянні зі зношуванням незміненої пари. Незміцнені кільця при питомому навантаженні Р = 0,6 МПа пропрацювали лише 1 год. Після чого спостерігається інтенсивне зношування з виривом металу з поверхонь пари тертя. Зміцнені кільця у цьому випадку працюють нормально з переважанням окислювального зношування.
При терті з питомим навантаженням Р = 1 МПа інтенсивність зношування кілець зміцнених з використанням як технологічне середовище МХО-64а у 1,3 рази менша, аніж після фрикційного зміцнення з використанням мінерального мастила. Інтенсивність незміцнених вкладок, які працювали у парі зі зміцненими кільцями, із збільшенням питомого навантаження незначно зростає. Так, при збільшенні питомого навантаження від 0,2 до 1 МПа інтенсивність зношування збільшилась лише у 2,1-2,2 рази. У випадку зміцнення обох деталей пари тертя ефект підвищення опору зношуванню зменшується. Фрикційне зміцнення підвищує опір зношуванню пари тертя в цілому.
Фрикційне зміцнення значно підвищує зносостійкість чавунної пари тертя у випадку зміцнення однієї з деталей тертя, а інша шліфована. При терті без мащення з питомим навантаженням Р = 0,8 МПа пари, у якої зміцнені обидві деталі, зношування вкладок зменшилося на 10 %, а зношування пластин збільшилося на 20 %. Отже, для підвищення зносостійкості достатньо зміцнити лише одну з деталей пари тертя, більш технологічну.
При терті з граничним мащенням фрикційно зміцнених з використанням як технологічне середовище мінерального мастила чавунних кілець у парі з незміцненим вкладками при питомому навантаженні Р = 2 МПа, величина зношування їх зменшилася майже у 5 разів, а вкладок - у 4 рази. Після зміцнення з використанням МХО-64а величина зношування кілець зменшилася майже у 8 разів, а вкладок - у 6,4 разів у порівнянні з незміцненою парою тертя.
При малих швидкостях ковзання (V = 0,25 м/с) підвищення опору зношуванню при терті з граничним мащенням пари сталь 45 –сталь 45 досягає 2,2-2,5 разів. Зі збільшенням швидкості ковзання ефект фрикційного зміцнення збільшується. Найбільше підвищення опору зношуванню спостерігається при швидкості ковзання V = 1,25 м/с і складає 2,9-3,2 разів.
Зміна питомого навантаження при терті у мастильно-абразивному середовищі пари чавун СЧ 20 –чавун СЧ 20 по різному впливає на інтенсивність зношування зміцнених та незміцнених пар тертя. Так, збільшення питомого навантаження до Р = 2 МПа приводить до різкого збільшення інтенсивності зношування незміцненої пари. При подальшому збільшенні питомого навантаження до P = 4,5 МПа мало впливає на величину інтенсивності зношування. Збільшення навантаження до Р = 6 МПа знову приводить до різкого зростання інтенсивності зношування незміцненої пари. При зношуванні зміцнених пар із збільшенням питомого навантаження інтенсивність зношування поступово зростає. На всьому діапазоні досліджуваного питомого навантаження найбільший опір зношуванню має пара тертя зі зразками-кільцями після фрикційного зміцнення з використанням як технологічне середовище МХО-64а. Характер кривих зношування вкладок аналогічний кривим зношування кілець, які працювали з ними у парі. З цього слідує висновок, що для підвищення опору зношуванню пари тертя при терті ковзанням у мастильно-абразивному середовищі достатньо зміцнити лише одну деталь пари, більш технологічну.
Фрикційне зміцнення значно підвищує опір зношуванню при терті кочення із проковзуванням як сталей, так і чавуну в різних структурних станах. Так, зношування кілець з сталі 40Х (ГНВ) з білим шаром, що працювали в парі з верхніми кільцями зі сталі 40Х після тієї ж термічної обробки без білого шару зменшилося у 1,7 разів, верхніх - на 30 %, а зношування нижніх ГВВ з білим шаром кілець зменшилося у 3,2 разу, верхніх після ГНВ без білого шару - майже у 2 рази у порівнянні зі зношуванням таких же кілець без білого шару. Зношування кілець зі сталі 40ХН (ГВВ) з білим шаром у парі з верхніми кільцями з сталі 40ХН (ГВВ) без білого шару зменшилося у 2,2 і 3,2 разу відповідно у порівнянні зі зношуванням шліфованих кілець.
Дослідження на фретинг-зношування без мащення пари сталь 40Х - бронза БрАЖН10-4-4 показали, що фрикційне зміцнення суттєво зменшує величину зношування як зразка, так і контрзразка, а також понижує усталений коефіцієнт тертя. Білий шар, отриманий з використанням як технологічне середовище МХО-64а, збільшує опір зношуванню у 1,8 разів у порівнянні з незміцненою парою. У працюючих в парі бронзових контрзразків зносостійкість підвищилась у 1,6 рази.
Білий шар має підвищену твердість, в’язкість, кількість залишкового аустеніту, густину дислокацій, підвищений вміст вуглецю та інших елементів, ніж мартенсит звичайного гартування. На зміцненій поверхні є велика кількість оксидів (до 30 %), які сприяють формуванню якісних вторинних структур на контактуючих поверхнях пар тертя, а також більш сприятлива мікрогеометрія робочих поверхонь. Отримані властивості білого шару відповідають властивостям високоміцних матеріалів. Комплекс властивостей, якими володіють білі шари, сприяє покращанню умов процесу тертя, зменшує коефіцієнт тертя, температуру в зоні контакту, сповільнює процеси утворення і розповсюдження втомних тріщин та продуктів зношування.
Фрикційне зміцнення є ефективним технологічним методом підвищення зносостійкості сталі, також ефективно підвищує її опір втомному руйнуванню. Досліди показали, що опір втомному руйнуванню сталі 45 після фрикційного зміцнення зріс у 1,4-1,6 рази, сталі 40Х –у 1,3-1,4 рази, а сталі У8А –у 1,3 рази. При дослідженнях у корозійному середовищі (3 %-й NaCl) опір втомному руйнуванню різко зріс і складає від 3,4-4,1 разів на сталі 45 до 6,6 разів на сталі У8А (рис. 9). При цьому слід відмітити, що фрикційне зміцнення з використанням як технологічне середовище МХО-64а набагато більше підвищує опір втомному руйнуванню, аніж зміцнення на тих режимах з використанням мінерального мастила.
Фрикційне зміцнення сталі 45 (ГНВ) з використанням мінерального мастила підвищує опір малоцикловому втомному руйнуванню при низьких деформаціях (у 1,4 разів), при високих же, навпаки, понижує його. Зміцнення з використанням МХО-64а підвищує опір малоцикловому втомному руйнуванню як при низьких так і високих деформаціях.
Контактна довговічність зразків із сталі 45 (ГНВ) після фрикційного зміцнення підвищилась у 1,7 разу у порівнянні з незміцненими. Фрикційне зміцнення з використанням мінерального мастила сталі У8А (ГНВ) підвищує опір контактному втомному руйнуванню лише у 1,4 разу, а при зміцненні з використанням МХО-64а збільшення довговічності досягає 1,6 разів. При цьому слід відмітити, що чим вища твердість вихідного металу, тим менше впливає фрикційне зміцнення на довговічність сталі при контактному навантаженні. При контактному навантаженні не проходить відшарування білого шару, тріщина зароджується під поверхневим шаром у зоні дії розтягуючих залишкових напружень і проходить по основному металу.
Рис. 9. Криві втомного руйнування зразків зі сталей 45 (а), 40Х (б) та У8А (в) (ГНВ) після фрикційного зміцнення у повітрі (1, 2, 3) та корозійному (3 %-й розчин NaCl) середовищі (4, 5, 6): 1, 4 –незміцнені; 2, 5 –ФЗ, мінеральне мастило; 3, 6 –ФЗ, МХО-64а.
Крім вищеназваних властивостей, білий шар має на 1-2 бали дрібнішу структуру, залишкові напруження стиску залягають на глибину, яка у декілька разів перевищує товщину зміцненого шару. Під білим шаром знаходиться зона з пониженою твердістю, яка є буферним прошарком. Усі ці параметри гальмують процеси зародження і розповсюдження тріщин, що дозволяє підвищити довговічність при втомному навантаженні як на повітрі, так і у корозійному середовищі.
У шостому розділі представлені розроблені технології поверхневого зміцнення та результати стендових та дослідно-промислових перевірок деталей після фрикційного зміцнення, а саме напрямних станин фрезерних верстатів моделі 6520Ф-3, деталей шарнірів привідних і гусеничних ланцюгів вантажонесучих конвеєрів, деталей технологічного оснащення (напрямні, елементи універсально-збірних пристосувань, матриці вирубних штампів і т.п.), деталей поворотно-слідкуючого механізму антен великого діаметру для дальнього космічного зв’язку.
У додатках приведені додаткові матеріали, які стосуються побудови математичних моделей, використовуючи середовище багатофункціонального пакету MathCAD 7 Pro та акти впровадження і економічної ефективності запропонованих технологій фрикційного зміцнення.
. У результаті проведених досліджень вирішена актуальна наукова проблема в області технології машинобудування, яка має важливе народногосподарське значення і полягає у розробленні прогресивної технології поверхневого зміцнення робочих поверхонь деталей машин і елементів конструкцій, котра забезпечує підвищення довговічності виробів у експлуатації та скороченні витрат дороговартісних матеріалів.
. На основі теоретично-експериментальних досліджень параметрів зміцнення вперше створено технологічну систему фрикційного зміцнення, яка дозволяє цілеспрямовано керувати режимами обробки, технологічним середовищем, параметрами інструменту, фізико-хімічними властивостями та механічними характеристиками поверхневого шару, а також експлуатаційними властивостями виробів.
. Вперше встановлено, що водень підвищує товщину (у 1,4-1,5 разів) та твердість зміцненого шару (на 20 %). При використанні при фрикційному зміцненні як технологічне середовище поверхнево активної полімервмісної мастильно-охолоджувальної рідини МХО-64а під дією високих температур та тисків проходить термо- і механодеструкція полімерів з виділенням вуглецю, водню, азоту та інших елементів, які на ювенільних поверхнях дифундують у поверхневі шари металу. Біля поверхні вміст вуглецю досягає до 1,7 %. Зі збільшенням глибини вміст вуглецю та інших елементів зменшується до величин, які відповідають основному металу. При цьому зростає товщина зміцненого шару (у 1,2-1,4 разів), його мікротвердість (у 1,2-1,3 разів), а також понижуються складові сили зміцнення (у 1,4-1,6 разів) у порівнянні з використанням як технологічне середовище мінерального мастила.
. Використовуючи математичні методи планування багатофакторного експерименту, побудовано математичні моделі для оцінки залежностей складових сили зміцнення, а також товщини зміцненого шару з врахуванням параметрів фрикційного зміцнення сталей та чавунів, що дозволило керувати якістю зміцненого шару, а також визначити оптимальні для конкретних умов режими зміцнення.
. На основі розв’язку математичної моделі, використовуючи теоретико-експериментальний метод, визначено температурні поля у зоні контакту зміцнювального інструмента-диска і деталі при фрикційному зміцненні. Максимальні температури в зоні контакту становлять 1000-1250 К. Значення температури в зоні контакту залежить від ширини зони контакту інструменту та деталі, а також від швидкості її переміщення.
. Встановлено, що збільшення інтенсивності зсувного деформування при імпульсному фрикційному деформуванні, яке досягається використанням інструмента-диска з поперечними пазами на робочій частині, у зоні контакту інструмента-диска та деталі приводить до збільшення товщини зміцненого шару (у 1,4-1,6 разів), його мікротвердості (на 20-30%), а також при цьому понижуються складові сили зміцнення (у 1,6-1,8 разів) і покращується шорсткість зміцненої поверхні (до Ra = 0,4 мкм) у порівнянні зі звичайним фрикційним зміцнення інструментом з гладкою робочою частиною.
. Застосування при імпульсному фрикційному зміцненні як технологічне середовище поверхнево активної полімервмісної мастильно-охолоджувальної рідини типу МХО-64а призводить до формування залишкових напружень стиску (зал -800 МПа), які залягають на багато більшу глибину (до 700 мкм), аніж при використанні мінерального мастила. При цьому суттєво підвищується опір мало- та багатоцикловому і контактному втомному руйнуванню як на повітрі, так і у корозійному середовищі (до 6,6 разів).
. Показано, що фрикційне зміцнення підвищує опір зношуванню при різних видах тертя (без мащення, з граничним мащенням, у мастильно-абразивному середовищі, фретинг-процесі, потоці абразивних частинок та реверсивному терті) у 2-8 разів у залежності від умов тертя. Білі шари мають вищу твердість, дрібнішу структуру на 1-2 бали, підвищену кількість залишкового аустеніту (до 30 %), густину дислокацій (у 5-8 разів) порівняно з мартенситом звичайного гартування. Усе це сприяє утворенню якісних вторинних структур на контактуючих поверхнях та сповільненню нагромадження втомних дефектів і утворення продуктів зношування. Обгрунтовано, що достатньо зміцнювати лише одну деталь пари тертя, більш технологічну. При цьому нівелюється вплив попередньої термічної обробки.
. На основі проведених комплексних теоретичних і експериментальних досліджень розроблені технологічні процеси фрикційного зміцнення і модернізованого обладнання для його забезпечення, а саме:
- напрямних станин фрезерних верстатів моделі 6520Ф-3;
- деталей шарнірів привідних і гусеничних ланцюгів вантажонесучих конвеєрів;
- деталей технологічного оснащення (напрямні, елементи універсально-збірних пристосувань, матриці вирубних штампів і т.п.);
- деталей поворотно-слідкуючого механізму антен великого діаметру.
. Проведені дослідно-промислові та стендові випробування показали, що фрикційне зміцнення є ефективним технологічним методом для підвищення довговічності деталей машин і елементів конструкцій. Так, довговічність напрямних станин фрезерних верстатів після фрикційного зміцнення зросла у 2,5-3 разів, деталей шарнірів ланцюгів конвеєрів –у 2,2-4 разів, а технологічного оснащення –майже у 2 рази у порівнянні з деталями виготовленими за заводськими технологіями.
. Гурей І.В. Зносостійкість сталі 40Х після фрикційного зміцнення при терті ковзання з граничним мащенням // Машинознавство. –. - № 6. –С. 20-22.
. Гурей І.В. Вплив імпульсного зміцнення на малоциклову втому сталей у корозійних середовищах // Вісник Тернопільського державного технічного університету. –. –Т. 3, № 4. –С. 124-129.
. Гурей І.В. Вплив технологічних середовищ та матеріалу інструменту на параметри фрикційного зміцнення // Машинознавство. –. - № 11/12. –С. 30-34.
. Гурей І.В. Підвищення працездатності напрямних верстатів імпульсними методами // Вісник Тернопільського державного технічного університету. –. –Т. 4, № 1. –С. 129-132.
. Гурей І.В. Вплив фрикційного зміцнення на довговічність сталі при фретинг-зношуванні // Проблеми трибології (Problems of Tribology). –. - № 2. –С. 3-6.
. Гурей І.В. Математичне моделювання процесу фрикційного зміцнення сірого чавуну // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. –. - № 3. –С. 148-150.
. Гурей І.В.Напруження, які виникають у базових деталях верстатів при їх поверхневому зміцненні // Труды Одесского политехнического университета. –. –Вып. 2 (8). –С. 84-87.
. Гурей І.В. Вплив фрикційного зміцнення на зносостійкість сталі 40Х у потоці абразивних частинок // Вестник Национального технического университета Украины “Киевский политехнический институт”. Машиностроение. –. –Вып. 37. –С. 113-177.
. Гурей І.В. Дослідження технологічних параметрів фрикційного зміцнення сірого чавуну // Машинознавство. –. - № 11. –С. 46-49.
. Гурей І.В. Зносостійкість сірого чавуну після фрикційного зміцнення при терті з граничним мащенням // Вісник Житомирського інженерно-технологічного інституту. –. - № 11. –С. 3-7.
. Гурей І.В. Математична модель параметрів фрикційного зміцнення сталей // Машинознавство. –. - № 12. –С. 37-39.
. Гурей І.В. Підвищення опору контактному втомному руйнуванню сталі фрикційним зміцненням // Вісник Тернопільського державного технічного університету. –. –Т. 4, № 4. –С. 11-14.
. Гурей І.В., Пашечко М.І. Зносостійкість сталі та чавуну при реверсивному терті після фрикційного зміцнення // Проблеми трибології (Problems of Tribology). –. –№ 1. –С. 52-55.
. Гурей І.В., Гурей Т.А., Плахтій Л.В. Вплив фрикційного зміцнення на товщину поверхневого шару чавуну // Вісник Тернопільського державного технічного університету. –. –Т. 4, № 2. –С. 45-50.
. Гурей І.В., Гурей Т.А. Підвищення довговічності ланцюгів конвеєрів фрикційним зміцненням // Вісник Тернопільського державного технічного університету. –. –Т. 4, № 3. –С. 91-93.
. Пашечко М.І., Гурей І.В. Вплив хімічного складу сталей на параметри поверхневого шару при фрикційному зміцненні // Металознавство та обробка металів. –. - № 4. –С. 19-23.
. Гурей І.В., Гурей Т.А., Пашечко М.І. Вплив фрикційного зміцнення на величину залишкових напружень // Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин. –. - Вип. 29. –С. 24-29.
. Гурей І.В., Пашечко М.І., Плахтій Л.В. Підвищення працездатності сталей фрикційним зміцненням при терті в мастильно-абразивному середовищі // Сільськогосподарські машини. –. –Вип. 5. –С. 76-81.
. Гурей І.В., Пашечко М.І., Шевчук Я.М. Вплив фрикційного зміцнення на шорсткість поверхні чавуну // Наукові нотатки. - 2000. - Вип. 6. –С. 60-68.
. Гурей І.В., Гурей Т.А., Тихонович В.В. Перерозподіл хімічних елементів під час імпульсного зміцнення // Фізико-хімічна механіка матеріалів. –. - № 1. –С. 122- 123
. Гурей И.В., Пашечко М.И. Электрохимические характеристики вторичных структур при трении углеродистых сталей после фрикционного упрочнения // Трение и износ. –. –Т. 21, № 2. –С. 192-196.
. Гурей В.М., Гурей І.В. Вплив мастильно-охолоджуючих рідин на оброблюваність деталей машин // Придніпровський науковий вісник. Технічні науки. –. - № 43 (110). –С. 5-7.
. Гурей І.В. Вплив технологічних середовищ на фрикційне зміцнення деталей машин // Прогресивні технології і обладнання в машино- і приладобудуванні. Тези доповідей 1-ї науково-технічної конференції ТПІ. –Тернопіль. – 1992. –С. 81.
. Гурей І.В. Рентгеноструктурний аналіз поверхневих шарів металу після фрикційного зміцнення // Прогресивні технології і обладнання в машино- і приладобудуванні. Тези доповідей 2-ї науково-технічної конференції ТПІ. –Тернопіль. –. –С. 108.
. Гурей І.В. Підвищення довговічності технологічної оснастки методами імпульсного зміцнення // 2-й міжнародний симпозіум українських-механіків у Львові. Тези доповідей. –Львів. –. –С. 98.
. Гурей І.В. Підвищення довговічності направляючих фрезерних верстатів фрикційним зміцненням // Прогресивні технології і обладнання в машино- і приладобудуванні. Тези доповідей 3-ї науково-технічної конференції ТДТУ. –Тернопіль. –. –С. 26.
. Гурей І.В. Вплив імпульсного зміцнення на зносостійкість сталей при різних видах тертя // 4-й міжнародний симпозіум українських-механіків у Львові. Тези доповідей. –Львів. –. –С. 136-137.
. Гурей І.В., Гурей Т.А., Плахтій Л.В. Вплив фрикційного зміцнення на зносостійкість сталі при терті кочення з проковзуванням // Вісник Тернопільського державного технічного університету. –. –Т. 5, № 1. –С. 57-62.
. Гурей І.В., Плахтій Л.В. Зносостійкість сірого чавуну після фрикційного зміцнення при терті без мащення // Вісник ДУ “Львівська політехніка”. Серія “Оптимізація виробничих процесів і технологічний контроль у машинобудуванні і приладобудуванні”. –. –Вип. 394. –С. 111-116.
30. Гурей І.В., Плахтій Л.В., Сеничак В.М. Вплив вмісту вуглецю в сталях на товщину зміцненого шару при фрикційному зміцненні // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. –. –Т. 4, № 36. –С. 186-192.
31. Гурей І.В., Пасечник А.А. Підвищення втомної міцності деталей машин фрикційним зміцненням // Вісник ТДТУ. –. –Т. 5, № 2. –С. 39-43.
. Гурей І.В. Фрикційне зміцнення, як фінішна обробка деталей машин // Прогрессивные технологии в машиностроении (Технология-2000). Материалы 15-й Ежегодной Международной научно-технической конференции. –Київ. –. –С. 70-71.
33. Гурей І.В. Оцінка якості вторинних структур при терті ковзання // Прогресивні технології і обладнання в машино- і приладобудуванні. Тези доповідей 4-ї науково-технічної конференції ТДТУ. –Тернопіль. –. –С. 54.
34. Гурей І.В. Вплив водню на формування зміцненого шару при фрикційному зміцненні // Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условия. / Тематическая подборка и материалы Первой Промышленной международной конференции. –Киев. - 2001. - С. 133-134.
. Гурей І.В. Вплив полімервмісних технологічних середовищ на параметри імпульсного поверхневого зміцнення // Матеріали п’ятої наукової конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя. –Тернопіль. –. - С. 44.
. Гурей І.В. Стійкість проти спрацювання чавуну після імпульсного фрикційного зміцнення // 5-й міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові. Тези доповідей. –Львів. –. - С. 141.
37. Гурей И.В. Повышение работоспособности деталей машин импульсным фрикционным упрочнением // Инженерия поверхности и реновация изделий. Материалы международной научно-технической конференции. –Феодосия. –. –С. 58-60.
Гурей І.В. Технологічне забезпечення якості та експлуатаційних властивостей виробів параметрами імпульсної фрикційної обробки. –Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.08 –технологія машинобудування. –Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2002.
Дисертація присвячена розробці науково-прикладних основ керування технологічним процесом фрикційного зміцнення для покращання експлуатаційних властивостей деталей машин і механізмів шляхом отримання необхідних фізико-хімічних і механічних параметрів поверхні та зміцненого шару за рахунок зміни товщини шару та його мікротвердості, величини і знаку залишкових напружень, зміни хімічного та фазового складу. Вперше запропоновано використовувати інструмент з перервною робочою частиною для збільшення зсувного деформування зони контакту і забезпечення імпульсного фрикційного зміцнення. Розроблені і досліджені математичні моделі термонапруженого стану в зоні зміцнення, визначення точності оброблення поверхонь у залежності від використовуваного обладнання; можливості впливу поверхнево активних технологічних середовищ та параметрів процесу зміцнення на формування необхідних якісних характеристик поверхні і поверхневого шару деталей та їх вплив на параметри довговічності при різних видах тертя та втомного навантаження. Розроблено і впроваджено у виробництво технологічні процеси поверхневого зміцнення деталей машин і елементів конструкцій.
Ключові слова: технологічний процес, фрикційне зміцнення, технологічне середовище, білий шар, довговічність, зносостійкість, втомна міцність.
Гурей И.В. Технологическое обеспечение качества и эксплуатационных свойств изделий параметрами импульсного фрикционного упрочнения. –Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.02.08 –технология машиностроения. –Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2002.
В диссертационной работе дано дальнейшее развитие актуальной научно-технической проблемы, имеющее важное народно-хозяйственное значение и заключается в повышении долговечности изделий в эксплуатации путем комплексного технологического управления качеством и необходимыми физико-механическими параметрами поверхности и упрочненного слоя.
Используя системный подход, технология фрикционного упрочнения деталей машин и элементов конструкций представлена техническая система со взаимосвязанными и взаимозависящими параметрами.
Повышение долговечности изделий в эксплуатации достигается за счет обоснования рациональных параметров процесса упрочнения, получения необходимых параметров обработанной поверхности и упрочненного слоя (толщина, микротвердость, шероховатость, знак и величина остаточных напряжений, химический и фазовый состав).
Разработаны математические модели термо-напряженного состояния металла в зоне контакта упрочняющего инструмента и детали, позволяющие оценить температуру и напряжения, возникающие при импульсном фрикционном упрочнении.
Разработаны математические модели определения точности рабочих поверхностей изделий после фрикционного упрочнения, основанные на определении балансов точности используемого оборудования. Они позволяют установить влияние отдельных погрешностей на точность и облегчить их расчеты. Для расчета погрешностей обработанных поверхностей детали используется модель исходной точности станка, базирующейся на системе расчетов, связывающие известное возмущение с погрешностями данных поверхностей. Как входные параметры модели рассматриваются погрешности положения узлов и элементов станка, вызванные различными физическими процессами, а выходные –погрешности размеров, расположения и формы обработанных поверхностей.
Экспериментально установлена возможность управления качеством обработанной поверхности и физико-механическими свойствами упрочненного слоя. Использование упрочняющего инструмента с прерывистой рабочей поверхностью приводит к увеличению сдвигового деформирования поверхностного слоя. Установлено, что при применении поверхностно активных полимерсодержащих технологических сред под действием высоких температур и давлений происходит их механо- и термодеструкция с образованием активного водорода и углерода, которых диффундируют в поверхностные слои. Показано, что при этом уменьшаются силовые параметры процесса упрочнения и увеличивается толщина упрочненного слоя и его микротвердость. Изучено влияние режимов упрочнения, технологических сред, упрочняющего инструмента на силовые характеристики, возникающие при упрочнении, параметры качества обработанных поверхностей и упрочненного слоя. Установлено, что при упрочнении происходит массоперенос химических элементов из технологических сред, а также с поверхности инструмента в поверхностные слои изделий. Показано, что упрочненный слой повышенную твердость, мельче структуру, повышенное количество остаточного аустенита, плотность дислокаций по сравнению с мартенситом обычной закалки. При этом формируются остаточные напряжения сжатия.
Изучено влияние режимов упрочнения, используемой технологической среды, используемого инструмента на шероховатость и точность упрочненных поверхностей.
Изучалось влияние качества упрочненного слоя, полученного при различных видах упрочнения на долговечность при различных видах испытаний на трение, а именно, при трении без смазки, с граничной смазкой, в масляно-абразивной среде, трении качения с проскальзыванием, фреттинг-процессе, реверсивном трении, в потоке абразивных частиц, а также усталостном нагружении (мало-, многоцикловую усталостную прочность, контактную прочность) при испытания как на воздухе, так и в коррозионной среде. Показано, что импульсное фрикционное упрочнение с использованием как технологическая среда поверхностно активной полимерсодержащей смазочно-охлаждающей жидкости МХО-64а существенно повышает долговечность при испытаниях на трение в различных условиях и усталостную прочность.
Разработаны и внедрены в производство технологические процессы импульсного фрикционного упрочнения деталей машин и элементов конструкций. Представлены рекомендации по использованию технологии поверхностного упрочнения, а также результаты стендовых и опытно-промышленных испытаний изделий после упрочнения.
Ключевые слова: технологический процесс, фрикционное упрочнение, технологическая среда, белый слой, долговечность, износостойкость, усталостная прочность.
Abstract
Hurey I.V. Technological quality guaranteeing and operational properties of wares by parameters of impulsive friction processing. –Manuscript.
The thesis for a Doctor’s of Science degree on speciality 05.02.08 –Machine-Building technology. –Odessa National Politechnical University, Odessa, 2002.
This dissertation is devoted to the elaboration of the scientific-applied fundamentals of guiding by the technological process of frictional strengthening for the improvement of performance characteristics of machine elements and mechanisms by means of obtaining necessary physical, chemical and mechanical parameters of surface and reinforced layer at the expense of the change of layer’s thickness and its microhardness, quantity and sign of residual stress, change of chemical and phase composition. For the first time it is suggested to use the instrument with the interruptive working part for the increasing of shearing strain of contact zone and for providing impulse friction strengething. Mathematic models of thermo-strain state in the strengthening zone, determination of accuracy of the surface treatment depending on used installation, possibility of the influence of surface active technogical medium and reinforcement process parameters on the forming of necessary qualitative surface characteristics and surface layer of parts and their influence on the parameters of durability at different kinds of friction and fatigue load are worked out and investigated. Technological processes of machine elements and structural elements are developed and introduced into production.
Key words: technological process, friction strengthening, technological environment, white layer, longevity, frictional strengthening, fatigue durability.