Автобиография Электронная библиотека Ссылки по теме Отчёт о поиске Индивидуальное задание
Пустовой Алексей Александрович
Донецкий национальный технический университет
Факультет: "Механический"
Специальность: "Технология машиностроения"
Тема магистерской работы: "Технологическое обеспечение качества деталей горных машин с учетом их эксплуатационных свойств "
Руководитель: доцент ИВЧЕНКО Татьяна Георгиевна
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время имеется достаточно большое количество информации по технологическому обеспечению параметров состояния поверхностного слоя деталей машин. Однако сведения о количественной оценке достигаемого при этом уровня эксплуатационных свойств практически отсутствуют, что затрудняет обоснованный выбор методов окончательной обработки деталей с их учетом.
Согласно последним сведениям : выход из строя деталей горных машин обусловлен на 80% из-за износостойкости, на 11,5%- из-за герметичности, на 2-3% -из-за прочности. Поэтому повышение износостойкости, прочности и герметичности является приорететной задачей технологии машиностроения.
Обзор существующих исследований
Наибольшее распространение получили методы ППД при обработке плоских и цилиндрических поверхностей. Сущность методов обработки поверхностным пластическим деформированием описана в работах Суслова А. Г. [1, 2, 14, 34], Проскурякова Ю.Г. [8], Папшева Д. Д. [9], Дальского А.М. [3-5]. Исследованиям качества обрабатываемых поверхностей, а также вопросам конструкции инструмента и технологии обработки данными методами посвящены работы [5, 7-10].
Цели и задачи исследований
Цель проекта: повысить эксплуатационных свойств деталей горных машин за счет рационального выбора методов обработки поверхностно-пластическим деформированием и обоснования их параметров
Основные задачи исследования:
• Установить основные характеристики эксплуатационных свойств и их взаимосвязь с параметрами поверхностного слоя.
• Обосновать критерии оценки эксплуатационных свойств для сравнения различных методов обработки.
• Исследовать закономерностей формирования поверхностного слоя деталей горных машин при поверхностно-пластическом деформировании и анализ технологических возможностей этих методов.
• Разработать рекомендаций по выбору оптимальных режимов обработки, обеспечивающих наиболее экономичное получение требуемых параметров состояния поверхностного слоя наружных и внутренних поверхностей деталей горных машин
• Создать программного обеспечения методики расчета параметров поверхностного слоя деталей горных машин с учетом их эксплуатационных свойств на базе математического пакета прикладных программ Mathcad
Научная новизна
Научная новизна заключается в комплексном подходе к обоснованию методов обработки и их технологического обеспечения с учетом взаимосвязи параметров поверхностного слоя с эксплуатационными свойствами деталей горных машин.
Влияние параметров состояния поверхностного слоя деталей на эксплуатационные свойства
Исследование износостойкости
Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин неразрывно связано с параметрами состояния поверхностного слоя деталей, определяющих их эксплуатационные свойства. Важнейшие эксплуатационные характеристики деталей машин – износостойкость, прочность, герметичность в значительной мере зависит от состояния их поверхностного слоя, определяемого параметрами механической обработки при изготовлении. Для успешного решения задачи повышения качества машин необходимо рассмотреть теоретические аспекты влияния параметров состояния поверхностного слоя деталей на их эксплуатационные свойства.
Износостойкость является важнейшей эксплуатационной характеристикой деталей машин. Для большинства машин основной причиной отказов является достижение предельно допустимого уровня износа их наиболее ответственных деталей, в связи с чем повышение износостойкости деталей машин является весьма актуальной задачей. Износостойкость деталей машин в значительной мере зависит от состояния их поверхностного слоя, определяемого параметрами механической обработки при изготовлении.
Известное уравнение [7] для расчета интенсивности изнашивания в период нормального износа при постоянных условиях работы и физико-механических свойствах материала в зависимости от параметров поверхностного слоя может быть представлено:
где l - коэффициент, учитывающий изменение данного числа циклов в связи с поверхностными остаточными напряжениями; tm - относительная опорная длина профиля на уровне средней линии; Hm - поверхностная микротвердость; Ra - среднее арифметическое отклонение профиля; Sm - средний шаг неровностей; Wz - параметр волнистости; Hmax – максимальное макроотклонение. К – постоянный коэффициент, зависящий от свойств материала детали и условий ее нагружения. Для оценки износостойкости целесообразно ввести относительный показатель изменения интенсивности изнашивания, полученный на основании известного уравнения интенсивности изнашивания [7] и определяемый в зависимости от относительных показателей параметров поверхностного слоя при различных методах механической обработки в сравнении с методом, принятым за базу:
В табл. 2.1, 2.2 представлены результаты расчета относительного показателя Io изменения интенсивности изнашивания. Сведения о параметрах поверхностного слоя, достигаемым при обработке наружных и внутренних поверхностей вращения методами точения и поверхностно-пластического деформирования приняты по данным справочно-нормативной литературы [7]. При расчетах относительных параметров за базу для сравнения приняты параметры поверхностного слоя при точении и растачивании.
Таблица 2.1 - Относительные параметры поверхностного слоя и относительные показатели изменения интенсивности изнашивания Io при различных методах обработки наружных поверхностей вращения
Таблица 2.2 - Относительные параметры поверхностного слоя деталей и относительные показатели изменения интенсивности изнашивания Io при различных методах обработки внутренних поверхностей вращения
На рис. 1 представлены графики зависимости относительных показателей интенсивности изнашивания Io от основных относительных показателей параметров состояния поверхностного слоя - среднего арифметического отклонения профиля Rоa и среднего шага неровностей Sоm при алмазно-абразивной и отделочно-упрочняющей обработках наружных
Рис. 1- Влияние относительных параметров поверхностного слоя при алмазно-абразивной - и отделочно-упрочняющей обработке наружных поверхностей вращения
Расчеты интенсивности изнашивания производились с помощью математического пакета Mathcad Professional На основании проведенных исследований можно чётко проследить влияние каждого из параметров состояния поверхностного слоя на такое эксплуатационное свойство как износостойкость. Полученные результаты свидетельствуют о существенном влиянии параметров шероховатости Ra и Sm на износостойкость деталей машин. Уменьшение коэффициента относительного изменения износостойкости KI с увеличением среднего шага неровностей Sm и уменьшением отклонения профиля Ra свидетельствует о снижении интенсивности изнашивания, то есть повышении износостойкости. При использовании шлифования в качестве окончательного метода обработки практически во всем диапазоне изменения параметров шероховатости коэффициент KI шлиф≥ 1, то есть износостойкость деталей до 1,5 раз ниже, чем при обработке их чистовым точением. Использование же отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием – обкатывания позволяет повысить износостойкость деталей в сравнении с чистовой лезвийной обработкой в 2-5 раз
Исследование усталостной прочности
Усталостная прочность деталей машин - это их способность сопротивляться разрушению при действии знакопеременных нагрузок. Важной задачей является исследование влияния параметров состояния поверхностного слоя на сопротивление усталости, так как очаги разрушения деталей машин от усталости металла зарождаются именно на их поверхности. Исходя из этого, усталостная прочность деталей машин в значительной степени определяется состоянием их поверхностных слоев. Предел выносливости деталей машин в основном зависит от наклепа и остаточных напряжений поверхностного слоя. Неровности, образующиеся на поверхности детали при их обработке являются концентраторами напряжений и служат одной из причин снижения предела выносливости. Влияние параметров шероховатости поверхности детали учитываются с помощью теоретического коэффициента концентрации напряжений , который может быть представлен в виде [7]:
где t m - относительная опорная длина профиля на уровне средней линии, %, S m - cредний шаг неровностей, Rmax - максимальная высота профиля, Rр - высота сглаживания (расстояние от средней линии до линии выступов). Из приведенного уравнения видно, что сопротивление усталости деталей машин в основном зависит от величины и знака поверхностных остаточных напряжений и степени наклёпа, глубины их залегания и закона распределения, максимальной высоты неровностей шероховатости и глубины их сглаживания, среднего шага неровностей профиля шероховатости и относительной опорной длины профиля на уровне средней линии. Экспериментальные исследования [7] сопротивления усталости, проведенные на образцах из стали 30ХГСА (НRС 35-37), показали, что предел выносливости образцов при уменьшении их шероховатости с Rа =0,74мкм до Rа =0,22мкм в среднем увеличивается на 14%, а срок службы более чем в 3 раза. Преобразовав уравнение (3) относительно стандартизованных параметров шероховатости и действующих и остаточных напряжений, получим:
где t m - относительная опорная длина профиля на уровне средней линии, %, S m - средний шаг неровностей, Rmax - максимальная высота профиля, R а - среднее арифметическое отклонение профиля. Преобразуем уравнение (4) относительно соотношения Rmax/Sm, получим выражение для анализа факторов, влияющих на усталостную прочность:
Влияние относительных параметров поверхностного слоя при алмазно-абразивной - и отделочно-упрочняющей обработке наружных поверхностей вращения представленно на рис.2
Рис. 2. Влияние относительных параметров поверхностного слоя при алмазно-абразивной - и отделочно-упрочняющей обработке наружных поверхностей вращения
Степень влияния параметров шероховатости Ra и Sm на прочность деталей машин незначительна. При использовании шлифования в качестве окончательного метода обработки прочность деталей снижается на 2-3%. Применение обкатывания позволяет повысить прочность в сравнении с чистовой лезвийной обработкой до1,3 раз. Таким образом, исследование влияния параметров состояния поверхностного слоя на усталостную прочность свидетельствует о том, что одним из резервов повышения усталостной прочности деталей является применение ППД, обеспечивающие наименьшие значений параметров шероховатости и наличие сжимающих остаточных напряжений.
Исследование герметичности
Одной из важнейших эксплуатационных характеристик деталей машин, наряду с износостойкостью, является герметичность их соединений. Совершенствование техники и интенсификация рабочих процессов в машинах приводит к усложнению условий работы - возрастанию статических и динамических нагрузок, действию тепловых и гидравлических ударов, вибраций. В связи с этим возрастают и требования к герметичности соединений, используемых в конструкциях машин, что определяет актуальность задач по исследованию герметичности и поиску путей ее повышения. Герметичность соединений деталей машин в значительной мере зависит от состояния их поверхностного слоя, формируемого на окончательных операциях механической обработки. Поэтому важной задачей является исследование взаимосвязей герметичности соединений с параметрами состояния поверхностного слоя деталей машин, формируемыми при комбинированном методе обработки точением и поверхностно-пластическим деформированием. Герметичность соединений определяет их способность удерживать утечку газа или жидкости [7].
Преобразовав закон Дарси утечка, характеризующая герметичность, может быть определена по формуле:
Анализ полученной формулы показывает, что герметичность соединений наряду с геометрией уплотнения, физико-механическими свойствами его материала и факторами внешнего воздействия также зависит от состояния контактирующих поверхностей: параметров шероховатости Rа, волнистости Wz и макроотклонения Hmax. Это свидетельствует о том, что одним из резервов повышения герметичности соединений деталей является применение методов отделочно-упрочняющей обработки, обеспечивающих необходимый уровень комплекса указанных параметров состояния поверхностного слоя. Возможности метода лезвийной и отделочно-упрочняющей обработки наружных и внутренних поверхностей вращения в обеспечении указанных параметров состояния поверхностного слоя представлены в табл. 2.3. Для сравнения приведены возможности алмазно-абразивной обработки. Анализ указанных в таблице значений параметров обработки поверхностей вращения свидетельствует о том, что методы поверхностно-пластического деформирования обладают достаточно хорошими возможностями в обеспечении наименьших значений параметров шероховатости Rа, волнистости Wz и макроотклонения Hmax.
Таблица 3 - Возможности методов обработки поверхностей вращения в обеспечении качества обработанной поверхности
Графики зависимости герметичности соединения, характеризуемой утечкой Q, от шероховатости Ra при различных методах обработки (растачивание, шлифование, раскатывание) внутренних поверхностей вращения представлены на рис.3. Для сравнения приведены зависимости для шлифования, подтверждающие преимущества метода обработки совместным точением и поверхностным пластическим деформированием в сравнении с шлифованием.
Рисунок 3 - Графики зависимости коэффициента относительного изменения герметичности KQ от шероховатости контактирующих поверхностей Raнар и Raвн
Количественная оценка повышения герметичности соединений, то есть снижения утечки, при различных методах обработки может быть осуществлена на основании следующего коэффициента
где Q1 и Q2 - значения утечки для двух сравниваемых методов обработки
Графики двухпараметрической зависимости коэффициента относительного изменения герметичности KQ от шероховатости наружных Raнар и внутренних Raвн контактирующих поверхностей при различных методах обработки - шлифовании и раскатывании в сравнении с чистовым растачиванием внутренних поверхностей вращения представлены на рис. 3. Расчеты по формуле (13) были выполнены для yск = 3мкм. Графики свидетельствуют о возможности снижения утечки, то есть повышения герметичности при одних и тех же условиях эксплуатации за счет улучшения параметров состояния поверхностного слоя при выборе рациональных методов обработки. Установлено, что при алмазно-абразивной обработке контактирующих цилиндрических поверхностей - шлифовании герметичность соединения повышается в 1,2 – 1,5 раза в сравнении с лезвийной обработкой, а при использовании поверхностно-пластического деформирования – раскатывания герметичность повышается в 1,4 - 2 раза. Таким образом, в результате проведенных исследований на основании разработанной методики анализа возможностей методов обработки точением и обкатыванием по обеспечению износостойкости, прочности и герметичности деталей типа «тела вращения» количественно обоснована возможность существенного повышения эксплуатационных свойств деталей машин за счет применения методов комбинированной лезвийной и отделочно-упрочняющей обработки.
ВЫВОДЫ
• Установлены основные характеристики эксплуатационных свойств деталей горных машин: износостойкости. прочности, герметичности и их взаимосвязь с параметрами поверхностного слоя.
• Разработана методика количественной оценки изменения эксплуатационных свойств деталей машин в зависимости от комплекса параметров поверхностного слоя при различных методах лезвийной, алмазно-абразивной и отделочно-упрочняющей обработок.
• Обоснованы критерии оценки эксплуатационных свойств для сравнения различных методов обработки.
• На основании разработанной методики количественно обоснован выбор методов отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием, обеспечивающий гарантированное повышение износостойкости, прочности и герметичности деталей машин.
Работа находится в состоянии разработки. Завершение работы 31.12.2008.
Литература
1. Качество машин: Справочник в 2-х т.Т.1/ А.Г.Суслов, Э.Д.Браун, Н.А.Виткевич и др. - М.: Машиностроение, 1995. - 256с.
2. Качество машин: Справочник в 2-х т.Т.2 / А.Г.Суслов, Ю.В.Гуляев, А.М.Дальский и др. - М.: Машиностроение, 1995. - 430с.
3. Дальский А.М. Технологическое обеспечение надежности высокоточных деталей машин. - М.: Машиностроение, 1975- 222с.
4. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т. 2 / Под ред. А. М. Дальского, А. Г. Суслова, А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова. – М.: Машиностроение, 2001. – 944 с.
5. Технологические основы обеспечения качества машин / К.С.Колесников, Г.Ф.Баландин, А.М.Дальский и др. - М.: Машиностроение, 1990. – 256с.
6. Поляк М. С. Технология упрочнения. Технологические методы упрочнения. В 2-х т. Т. 2. - М.: Машиностроение, 1995. – 688 с.
7. Суслов А. Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей. - М.: Машиностроение, 1987. 208 с.
8. Проскуряков Ю.Г. Технология упрочняющей и формообразующей обработки металлов. - М.: Машиностроение, 1971.- 203с.
9. Папшев Д. Д. Отделочно-упрочняющая обработка поверхностным пластическим деформированием. – М.: Машиностроение, 1978. – 152 с.
10. Балтер М. А. Упрочнение деталей машин. – М.: Машиностроение, 1978. – 184 с.
Автобиография Электронная библиотека Ссылки по теме Отчёт о поиске Индивидуальное задание