Поліпшення експлуатаційних характеристик відцентрових стружкових верстатів зміцненням їх бил високошвидкісним тертям

18

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний лісотехнічний університет України

УДК 674.059:674.821.001.76:621.785.54/.56

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ПОЛІПШЕННЯ ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВІДЦЕНТРОВИХ СТРУЖКОВИХ ВЕРСТАТІВ ЗМІЦНЕННЯМ ЇХ БИЛ ВИСОКОШВИДКІСНИМ ТЕРТЯМ

05.05.04. ? машини для земляних, дорожніх та лісотехнічних робіт

РУДЬ Андрій Євгенович

Львів - 2010

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Національному лісотехнічному університеті України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Кірик Микола Дмитрович, Національний лісотехнічний університет України, завідувач кафедри деревообробного обладнання та інструментів

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Гурей Ігор Володимирович, Національний університет "Львівська політехніка", професор кафедри технології машинобудування

кандидат технічних наук Полоз Володимир Іванович, директор Коломийського коледжу права та бізнесу

Захист відбудеться "24" березня 2010 р. о 14⁰⁰ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.072.03 Національного лісотехнічного університету України за адресою: 79057, м. Львів, вул. Ген. Чупринки, 103, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного лісотехнічного університету України за адресою: 79057, м. Львів, вул. Ген. Чупринки, 101.

Автореферат розіслано "12" лютого 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради І.Т. Ребезнюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Виробництво деревностружкових плит (ДСП) є окремою галуззю обробляння деревини та виробництва виробів з деревини, яка невпинно розвивається завдяки зростанню попиту на цю продукцію. Значну частину обладнання для виготовляння деревнопохідних матеріалів становлять верстати для подрібнювання деревини. Відповідальною ланкою технологічного процесу подрібнювання низькосортної деревини та відходів основного виробництва обробляння деревини є відцентрові стружкові верстати типу ДС-7. Швидкозносні елементи верстата, що безпосередньо беруть участь у зрізуванні стружки, виготовляють з легованих сталей. Це відчутно позначається на собівартості продукції та знижує ефективність використання цієї технології переробляння. Багато підприємств відмовляються від закупівлі дорогих швидкозносних елементів верстатів ДС-7, особливо тих, що мають нескладну конструкцію (притискне било, сегменти ножового барабана тощо), виготовляючи їх з нормалізованих конструкційних сталей.

Виготовлення деталей, що швидко зношуються, з цих сталей істотно поліпшує вартісні характеристики експлуатації відцентрових стружкових верстатів ДС-7, але водночас використання конструкційних сталей для виготовляння деталей, що працюють в умовах складного навантаження та агресивного середовища (притискні била), не дає бажаного результату. Період стійкості таких елементів верстатів надто низький. Відтак знижується продуктивність технологічного обладнання, погіршується якість стружки, що своєю чергою знижує якість виробленої продукції.

Тому, актуальним є виявлення, теоретичне обґрунтування та експериментальне дослідження ефективності застосування економічно доцільного технологічного способу поверхневої модифікації дешевих конструкційних сталей, як альтернативи використанню високолегованих сталей для виготовляння притискних бил стружкових верстатів ДС-7, що дасть змогу поліпшити експлуатаційні характеристики верстатів. Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні положення дисертаційної роботи виконано в рамках пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки України: "Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі". Вони спрямовані на вирішення завдань у галузі деревообробного машинобудування, запровадження нового способу зміцнення сталей високошвидкісним тертям відповідно до напрямку наукової діяльності кафедри деревообробного обладнання та інструментів "Розроблення сучасних методів зміцнення сталевих дереворізальних інструментів та деталей машин обладнання лісового комплексу"

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є поліпшення експлуатаційних характеристик відцентрових стружкових верстатів зміцненням притискних бил високошвидкісним тертям.

Для досягнення мети потрібно було вирішити такі завдання:

- виокремити основні чинники процесу зношування притискних бил відцентрового стружкового верстата;

- установити можливість підвищення зносостійкості притискних бил оброблянням високошвидкісним тертям;

- визначити чинники підвищення якісних характеристик зміцненого шару, отриманого високошвидкісним тертям з попутним способом подачі;

- установити вплив зусилля притискання та швидкості подачі інструмента-диска на товщину зміцненого шару;

- дослідити фізико-механічні властивості зміцненого шару;

- визначити фактичний період стійкості притискних бил зі зміцненням високошвидкісним тертям;

- розробити технологічний регламент виготовлення притискних бил зі зміцненням високошвидкісним тертям та технічне завдання на проектування промислової установки для зміцнювання.

Об'єкт дослідження - процеси взаємодії притискних бил відцентрових стружкових верстатів з технологічною тріскою та способи зміцнення сталей.

Предмет дослідження - чинники зношування притискних бил стружкового верстата ДС-7 та процес зміцнювання бил з нормалізованої конструкційної сталі 45 високошвидкісним тертям.

Методи дослідження. У дисертаційній роботі використано: аналітичний огляд наукової та спеціальної літератури, теоретичні основи контактної взаємодії тіл з високими швидкостями їх взаємного переміщення, математичне планування експерименту, метод статистичного обробляння результатів, автоматичне мікроіндентування для визначення мікротвердості та механічних характеристик зміцненого шару, металографічний аналіз, електронне вимірювання температури, електронно-оптичний метод вимірювання лінійних розмірів.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Уперше на підставі установлених закономірностей взаємодії робочих поверхонь притискних бил з технологічною тріскою сформовано вимоги до виготовлення бил із застосуванням зміцнення їхніх робочих поверхонь, що дало змогу поліпшити експлуатаційні характеристики відцентрових стружкових верстатів.

2. Розвинуто імпульсний метод зміцнення високошвидкісним тертям застосуванням підвищених тисків та низьких швидкостей подачі, що дало змогу отримати значно більшу товщину зміцненого шару на нормалізованих конструкційних сталях, які застосовуються для виготовлення притискних бил. 3. Запропоновано новий спосіб створювання зусилля притискання інструментом-диском під час зміцнювання високошвидкісним тертям, що дало змогу значно спростити процес обробляння високошвидкісним тертям та забезпечити стабільні характеристики зміцненого шару по всій довжині робочих поверхонь притискних бил. На основі розробленого нового способу фрикційного зміцнення вперше встановлено чинники підвищення товщини зміцненого шару у разі застосування попутного способу подачі заготівки.

4. Одержані коефіцієнти рівняння регресії, що дають змогу встановити закономірності зміни товщини зміцненого шару в разі застосування підвищених тисків на ділянці контакту, попутної подачі та низьких швидкостей подачі й запропонувати раціональні режими зміцнювання робочих поверхонь притискних бил відцентрових стружкових верстатів.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено технологічний регламент виготовлення притискних бил відцентрових стружкових верстатів, з нормалізованої сталі 45, зі зміцненням робочих поверхонь високошвидкісним тертям. Установлено режими зміцнювання нормалізованої конструкційної сталі 45. Встановлено підвищення зносостійкості поверхні матеріалу притискних бил відцентрових стружкових верстатів зміцнених високошвидкісним тертям, що збільшує ресурс роботи притискних бил зі сталі 45 у 2 рази. Розроблено технічне завдання на проектування установки для зміцнювання робочих поверхонь притискних бил зі сталі 45 високошвидкісним тертям.

Особистий внесок здобувача. Основні результати експериментальних і теоретичних досліджень автор отримав самостійно. Розроблення ідеї нового способу застосовування зміцнення тертям, постановка мети і завдання дослідження, обґрунтування та розроблення методики дослідження, формулювання основних висновків за результатами роботи виконано разом з науковим керівником. У праці [4] здобувачеві належить: участь у розробленні схеми установки, реалізація схеми, випробування установки.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації та її окремі розділи доповідали та обговорювали на: міжнародній науково-технічній конференції "Проблемы надежности машин и средств механизации сельскохозяйственного производства" (Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. Петра Василенка, Харків, 2009 р.); міжнародній науково-технічній конференції "Інноваційні технології в АПК та лісовому комплексі" (Луцький національний технічний університет, Луцьк, 2009 р.); відкритій науково-технічній конференції молодих науковців і спеціалістів ФМІ ім. Г.В. Карпенка НАН України "КМН-2009" (Львів, 2009 р.); науково-технічних конференціях Національного лісотехнічного університету України (Львів, 2006-2009 рр.).

Публікації. Основні матеріали дисертації опубліковано в 7 статтях у наукових фахових виданнях. Отримано один деклараційний патент України на корисну модель.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Основний зміст дисертації викладено на 189 сторінках і містить 34 рисунки, 12 таблиць, у бібліографії наведено 152 джерела.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, наведено об'єкт, предмет і завдання дослідження. Висвітлено наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів. Подано інформацію щодо апробації результатів дослідження.

У першому розділі виконано огляд літературних джерел, в якому проаналізовано процес отримання різаної стружки для виробництва ДСП, основні чинники зношування деталей, що працюють в умовах складного навантаження та агресивного середовища, а також розглянуто основні методи поверхневої модифікації конструкційних сталей.

Проаналізовано основні технологічні схеми отримання різаної стружки та вплив зношування притискних бил відцентрового стружкового верстата на якість отриманої стружки та умови роботи верстата загалом. Висвітлено особливості умов роботи притискних бил крильчатки, які зумовлені технологією отримання стружки на відцентрових верстатах (робота в атмосфері повітря, підвищена вологість, слабкі кислоти, продукти руйнування деревини, абразивні частки, випадкові ударні навантаження, циклічні навантаження від тріски тощо).

Показано (рис. 1), що зношування робочих поверхонь притискних бил істотно позначається на експлуатаційних характеристиках відцентрових стружкових верстатів. Завдяки змінюванню напрямку зусилля, що діє на тріску, перерізатиметься більша кількість волокон, стружка отримується сколюванням, що є небажаним. Істотно зростає кількість дрібної фракції стружки, яка підвищує витрату клею та погіршує якість плити. Змінення геометрії зазору між сегментами ножового барабана та притискними билами призводить до збільшення сил тертя та інтенсивного зношування сегментів.

18

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Принципова схема зрізання стружки на верстаті ДС-7: 1 - притискне било; 2 - тріска; 3 - контрніж; 4 - ніж; 5 - сегмент ножового барабана; 6 - крильчатка.

На основі аналізу робіт І.В. Крагельського, Б.І. Костецького, Д.Н. Гаркунова, Ф. Боудена, Д. Тейбора та інших дослідників процесів тертя та зношування визначено основні чинники процесу руйнування матеріалу притискних бил, що знижують експлуатаційні характеристики відцентрових стружкових верстатів.

Виходячи з умов роботи бил та аналізу робіт П.А. Ребіндера, М.М. Хрущева, І.В. Васильєва, Г.Є. Лазарева, Г.О. Прейса, М.А. Сологуба, О.І. Некоза, В.В. Шевелі, встановлено недоцільність застосування вуглецевих сталей з об'ємним термічним обробленням для виготовляння притискних бил відцентрових стружкових верстатів.

Досліджено ефективність застосування методів поверхневої модифікації конструкційних сталей і встановлено істотні позитивні ознаки імпульсного методу зміцнювання високошвидкісним тертям. Детально проаналізовано основні роботи Ю.І. Бабея, В.М. Голубця, І.В. Гурея, В.І. Кириліва та інших, щодо особливостей методу високошвидкісного тертя.

Проаналізувавши процес зношування притискних бил відцентрового стружкового верстата, а також найпоширеніші методи поверхневої модифікації сталей, зроблено такі основні висновки:

1. Корозійно-механічне зношування швидкозносних елементів відцентрових стружкових верстатів є основним чинником зниження їх експлуатаційних характеристик.

2. Виконаний аналіз сучасних методів поверхневого зміцнення сталей свідчить про те, що для поліпшення експлуатаційних характеристик відцентрових стружкових верстатів найдоцільніше зміцнювати робочі поверхні їхніх притискних бил високошвидкісним тертям.

На підставі літературного огляду сформульовано мету та завдання дослідження.

Другий розділ присвячено методиці дослідження.

Характер зношування притискних бил відцентрового стружкового верстата ДС-7 установлено на виробничій базі заводу з виготовлення ДСП (ВАТ "Аверс", м. Київ). Зношування аналізували за поперечним перерізом з урахуванням відхилення форми перерізу від початкового. Методика полягала в такому: оптичний пристрій "Cyber shot" базували та закріплювали перпендикулярно до площі перерізу зразка; переріз установлювали біля еталонної шкали реальних розмірів; за перерізом облаштовували білий фон; виконували знімок у цифровому форматі JPG, який переносили в графічний редактор "КОМПАС-3D V9"; зображення масштабували за шкалою реальних розмірів; за допомогою функції графічного редактора знімали реальні розміри цього перерізу. Описано експериментальну установку для зміцнювання високошвидкісним тертям та основні методи експериментальних досліджень. На основі аналізу відомих технологій поверхневого зміцнювання високошвидкісним тертям запропоновано і запатентовано новий спосіб створення зусилля притискання під час фрикційного зміцнювання (рис. 2), відповідно до якого удосконалено наявну експериментальну установку.

18

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Принципова схема установки для зміцнення високошвидкісним тертям: 1 - стіл універсально-загострювального верстата; 2 - магнітна плита; 3 - деталь; 4 - шпиндель; 5 - колона; 6 - поворотна плита; 7 - шарнір; 8 - електродвигун приводу диска; 9 - клинопасова передача; 10 - інструмент-диск; 11 - механізм регулювання зусилля.

Удосконалення установки полягає в застосуванні шарнірного з'єднання 7 конструкційного елемента установки (поворотної плити 6), на якому розміщується шпиндель 4 зміцнювального інструмента-диска 10, відносно магнітної плити 2, на якій установлюється деталь 3. Використано попутний спосіб подачі заготівки відносно напрямку вектора швидкості обертання інструмента-диска. Величину зусилля притискання в зоні зміцнення установлювали з використанням взірцевого переносного динамометра ДОСМ-3-0,05 виробничого об'єднання "Точприлад", який закріплювали на поздовжній стіл установки 1. Зусилля притискання (Р, Н) залежить від вантажу (m, кг), який додається або знімається з механізму регулювання зусилля. Вантаж тарувався із зусиллям, з яким інструмент-диск тисне на пружній елемент динамометра.

Безступеневе регулювання швидкості подачі стола поздовжнього руху здійснювали за допомогою перетворювача частоти обертання "РІМ-1,5/1".

Матеріал та розмір зміцнювального інструмента-диска істотно позначаються на процесі теплоутворення та силовій взаємодії під час фрикційного зміцнювання. Тому, проаналізувавши дослідження Ю.І. Бабея, В.І. Кириліва та І.В. Гурея й виконавши низку порівняльних експериментальних досліджень, вибрали інструмент-диск з титанового сплаву ВТ 1-0 (D = 200 мм, b = 10 мм), який мав рекомендовану дослідниками лінійну швидкість обертання робочої поверхні 68 м/с.

Експериментальна установка дає змогу використовувати широкий діапазон режимних факторів зміцнення, а саме: зусилля в зоні контакту від 50 до 1000 Н і більше; швидкість подачі заготівки від 0 до 2 м/хв.

Експериментальні дослідження виконували на зразках з нормалізованої сталі 45 (ГОСТ 16523-70). Для дотримання масштабного фактора, під час встановлювання раціональних режимів зміцнення притискних бил, товщина та ширина зразків відповідала поперечному перерізу била. Довжина зразків була понад 100 мм.

Для дослідження мікротвердості та товщини зміцненого шару, отриманого після оброблення високошвидкісним тертям, використано прилад ПМТ-3М. Виготовлення шліфів на поперечному перерізі заготівок та безпосередньо дослідження зміцненого шару виконано у ФМІ НАН України (м. Львів). Товщину зміцненого шару визначено відповідно до стандарту DIN 50190. Температуру в зоні контакту інструмента-диска та заготівки визначено за допомогою термопари та приладу UT 231. Для якіснішого знімання показів прилад під'єднувався до персонального комп'ютера.

Для визначення фізико-механічних властивостей зміцненого шару виконано мікроіндентування на установці "Микрон-гамма". Використана методика відповідає стандарту ISO 14577-2002. Автоматичне індентування здійснювали тригранною алмазною пірамідою (кут загострення = 65 ^о) з часом навантаження та розвантаження 30 секунд. Точність визначення глибини занурення алмазного індентора h становила 2,5 нм, а визначення навантаження Р в межах 0,5 %. Загальна похибка вимірювання не перевищувала 2 % та залежала від точності загострювання індентора. Ці дослідження виконано в ІПМ НАН України (м. Київ).

Структуру зміцненого шару вивчено за допомогою металографічного аналізу на мікроскопі МИМ-9 (ФМІ НАН України, м. Львів).

Фазовий склад зміцненого шару досліджено шляхом пошарового рентгеноструктурного аналізу. Детектування брегівських максимумів виконано з використанням дифрактометра "ДРОН-3М" (ІПМ НАН України, м. Київ) в кобальтовому випромінюванні. Отримані рентгенограми розшифровано за допомогою пакета програм Powder Сell 2.3.

Геометрію ділянки контакту інструмента-диска з поверхнею заготівки, яка утворюється під час зміцнювання, досліджували за методикою, аналогічною до дослідження параметрів зношування притискних бил. Аналіз форми та розміру ділянки контакту становить істотну цінність для подальшого математичного моделювання процесів, що відбуваються під час зміцнювання. Такі дослідження стали можливими завдяки застосуванню плаваючого положення інструмента-диска, що дало змогу швидко відводити його з контакту під час зміцнювання.

Швидке відведення інструмента-диска від поверхні заготівки під час зміцнювання дало змогу також оцінити характер деформацій та зміну мікротвердості в зоні ділянки контакту. Замір мікротвердості поверхневого шару поздовжнього перерізу (в місці ділянки контакту) виконували на перетині ліній умовної сітки, відстань між вертикальними та горизонтальними лініями якої становила 50 мкм.

Методика визначення масового вмісту абразивних частинок у технологічній трісці полягала у спалюванні досліджуваної сировини з подальшим аналізом золи.

Залежність товщини зміцненого шару (h, мм) від параметрів процесу зміцнювання досліджували з використанням математичного планування експерименту.

У третьому розділі подано результати дослідження характеру та абсолютної величини зношування робочих поверхонь притискних бил відцентрового стружкового верстата (рис. 3).

Рис. 3. Поперечний переріз притискного била до і після зношування: 1 - контур зношеного била; 2 - контур била до зношування.

стружка тертя зносостійкість заготовка

З аналізу поперечного перерізу видно, що найінтенсивніше зношується поверхня, яка безпосередньо контактує з технологічною тріскою під час зрізування стружки. Ця зміна геометрії поперечного перерізу била істотно погіршує якість стружки та збільшує енергозатрати на її виготовлення.

Дослідження масового вмісту абразивних частинок у технологічній трісці, яка подається у верстат, показало, що тріска, яка переробляється відцентровим стружковим верстатом, містить до 1 % абразивних частинок. З урахуванням корозійно-механічного характеру зношування притискних бил очевидно, що наявність абразиву в такій кількості істотно позначається на процесі утворення та руйнування захисних оксидних плівок на поверхні матеріалу била. Аналіз поверхні притискних бил також вказує на наявність значних деформацій від випадкових ударів.

За результатами виконаних експериментальних та теоретичних досліджень установлено основні вимоги до методу зміцнювання робочої поверхні притискних бил відцентрових стружкових верстатів:

- товщина зміцненого шару має бути більшою ніж один міліметр, оскільки граничний стан деталі настає в разі лінійного зношування на два-три міліметри;

- метод має забезпечити підвищення твердості поверхні била для зменшення впливу механічної та абразивної дії;

- зміцнений шар повинен мати високу міцність з'єднання з основою та в'язку серцевину для уникнення аварійного руйнування бил;

- метод має забезпечити антикорозійні властивості поверхневого шару, оскільки била працюють за умов тертя в агресивному середовищі;

- зміцнена поверхня повинна володіти антифрикційними властивостями для підвищення стійкості проти втомного руйнування внаслідок тертя.

Застосування зміцнення робочих поверхонь притискних бил дасть змогу поліпшити експлуатаційні характеристики відцентрових стружкових верстатів.

У четвертому розділі наведено короткий опис процесів, які відбуваються під час обробляння високошвидкісним тертям. Висвітлено технологічні особливості застосування цього методу, проаналізовано вади, що стримують ширше використання цієї технології. Наведено позитивні ознаки запропонованого способу застосування високошвидкісного тертя. Висвітлено особливості зміцнення сталей з низьким вмістом вуглецю.

Досліджено вплив зсувних деформацій на утворення зміцненого шару на глибині до 1 мм. Аналіз результатів свідчить про те, що зсувні деформації не поширюються на глибину понад 100-300 мкм (залежно від параметрів процесу зміцнювання). Можна стверджувати, що найбільше впливає на деформаційні процеси, які відбуваються під час обробляння високошвидкісним тертям, нормальна складова сили, а зсувні деформації діють тільки у поверхневих шарах металу.

Застосування регульованого зусилля притискання дало змогу дослідити його вплив на мікротвердість та товщину зміцненого шару (рис. 4). Параметри процесу обробляння: матеріал інструмента-диска - титановий сплав ВТ 1-0; н = 68 м/с; н_s = 0,4 м/хв; b = 10 мм; сухе тертя; один прохід; матеріал заготівки - сталь 45.

Рис. 4. Суміщені графіки зміни мікротвердості за товщиною зміцненого шару для різних значень зусилля в зоні контакту: 1_100 Н; 2_400 Н; 3_700 Н; 4_900 Н; 5_1100 Н.

Із графіків видно, що зусилля притискання інструмента-диска істотно позначається на товщині зміцненого шару та його мікротвердості. Зусилля, яке створює інструмент-диск у зоні контакту з поверхнею деталі, що обробляється, є головним чинником процесів, які відбуваються під час обробляння тертям.

Також варто зауважити, що зусилля в зоні контакту інструмента-диска з деталлю, яка обробляється, величиною Р = 900-1100 Н раніше не застосовувалось. Саме у разі використання зусилля таких значень на нормалізованій сталі 45 можна отримати товщину зміцненого шару, яка дасть змогу ефективно застосувати високошвидкісне тертя для зміцнення робочої поверхні притискних бил.

Невелика перехідна зона від зміцненого шару до матеріалу основи та стабільна мікротвердість по всій товщині зміцнення дає підстави прогнозувати однакові властивості зміцненого шару під час експлуатації бил.

Дослідження шорсткості поверхні зміцненого шару вказує на значне підвищення висоти мікронерівностей (до 100 мкм) у разі збільшення зусилля притискання в зоні контакту поверхні заготівки та інструмента-диска під час зміцнювання. Однак значне підвищення товщини зміцненого шару цілком компенсує цю ваду.

Комплексні дослідження зміцненого шару свідчать про істотне збільшення його товщини під час застосування попутного способу подачі заготівки відносно напрямку вектора швидкості обертання інструмента-диска. У разі застосування однакових режимних факторів товщина зміцненого шару, отриманого під час попутної подачі, у 2 рази більша, ніж під час зустрічної подачі.

Таке збільшення товщини зміцненого шару дотепер не пояснено у наявних положеннях високошвидкісного тертя. Тому, щоб обґрунтувати зазначене збільшення товщини зміцненого шару, ми дослідили відмінність в умовах його створювання.

У разі використання попутного способу подачі (рис. 5, б) в зоні контакту 1 діє комбінація сил, які синхронізовано з пластифікацією поверхні металу від дії високих температур виконують якісно вигіднішу роботу зміцнення, порівняно із зустрічним способом подачі заготівки.



18

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Принципова схема силової взаємодії під час фрикційного обробляння: а - зустрічний спосіб подачі заготівки; б - попутний.

З рис. 5 видно, що за різного напрямку дотичної складової сили притискання Р_z під час зустрічного (див. рис. 5, а) та попутного (див. рис. 5, б) способів подачі заготівки 2 рівнодійна сила Р отримує різні напрямки. Це, очевидно, спричиняє істотну різницю у характері силової дії інструмента-диска 3 на поверхню заготівки для зазначених способів подачі, а також впливає на структурно-напружений стан отриманого зміцненого шару 4.

Для подальшого встановлення чинників якіснішої термопружної дії зміцнення високошвидкісним тертям з попутним способом подачі, досліджено поздовжній переріз утвореного зміцненого шару (рис. 6).

На рис. 6 зображено напрямок руху подачі н_s та напрямок вектора швидкості обертання інструмента-диска н.

Штриховою лінією зліва направо від точки А показано рівень необробленої поверхні заготівки. Крива А-В (суцільна лінія) описує довжину ділянки контакту.

Величину усаджування показано, як найменшу відстань між умовно необробленою поверхнею та зміцненою поверхнею, що утворилася внаслідок зміцнення (правіше точки В). Незалежно від способу подачі на поздовжніх перерізах зафіксовано зону зміцненого шару, мікротвердість якого перебуває у діапазоні 9-11 ГПа.

За цією зоною розміщується шар невеликої (50-70 мкм) перехідної зони від зміцненого шару до матеріалу основи. На рисунку ці зони розділені штриховою лінією. Загальна товщина зміцненого шару, відповідно до стандарту DIN 50190 (правіше точки В), становить 500-550 мкм для зустрічного способу подачі та 950-1000 мкм для - попутного.

Рис. 6. Поздовжній переріз зміцненого шару в зоні ділянки контакту (збільшення Ч20): а - зустрічний спосіб подачі; б - попутний.

Отже, на підставі аналізу поздовжніх перерізів зміцненого шару (отриманих за різних способів подачі) видно, що у разі застосування попутної подачі (див. рис. 6, б) товщина зміцненого шару в зоні ділянки контакту більша, ніж у зустрічного, всього на 150-200 мкм, а після закінчення ділянки контакту (точка В) додатково зростає ще на 200-300 мкм. Процес збільшення товщини шару після проходження інструмента-диска можна назвати ефектом "нарощування зміцненого шару". Величина усаджування також різна (див. рис. 6). Для попутної подачі вона становила 170-200 мкм, а для зустрічної ? 380-390 мкм. Як бачимо, для зустрічної подачі вона майже в 2 рази більша.

Істотне зменшення величини усаджування у разі застосування попутного способу подачі заготівки відносно напрямку вектора швидкості обертання інструмента-диска можна пояснити розглянувши схему силової взаємодії (див. рис. 5). Нагрітий метал у зоні контакту має високу пластичність та відрізняється текучістю під дією дотичної складової сили притискання Р_z. Напрямок дотичної складової сили в разі попутної схеми зміцнення спрямовує поверхневі шари з зони контакту в бік нагрітого металу, де він під дією сил тертя та схоплення з інструментом-диском витягується в напрямку дотичної до кола інструмента-диска в кожній точці, але швидко втрачає текучість унаслідок охолодження та застигає, утворивши певний мікрорельєф (хвильку) на поверхні (рис. 7).

18

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7. Робоча поверхня била зі сталі 45, зміцнена високошвидкісним тертям з попутним способом подачі заготівки.

Дослідження геометрії ділянки контакту вказує на те, що її форма істотно відрізняється від тієї, яку раніше аналітично приймали розробники методу високошвидкісного тертя. Також з аналізу наслідків видно, що деформації, які виникають під час фрикційного обробляння з попутним способом подачі (зусилля Р = 900-1100 Н), частково збільшують площу ділянки контакту.

Для встановлення раціональних режимів зміцнення нормалізованої конструкційної сталі 45 досліджено вплив зусилля притискання та швидкості подачі на товщину зміцненого шару. Внаслідок оброблення результатів експерименту отримали рівняння регресії у явному вигляді:

h = 0,2167 ? 0,000125Р + 0,00000125Р² ? 0,00125Рн_s + 0,9582 н_s.

За статистичним аналізом рівняння виявлено, що дисперсії дослідів однорідні, табличне значення критерію Кохрена не перевищує розрахункове. Оцінка визначених коефіцієнтів рівняння на значущість за критерієм Стьюдента свідчить про те, що всі коефіцієнти рівняння значущі та істотно позначаються на відгуці від заданих змінних факторів.

Аналіз результатів розрахунку (рис. 8) свідчить про те, що швидкість подачі та зусилля притискання значною мірою позначаються на товщині зміцненого шару. Так, зі збільшенням зусилля притискання та зменшенням швидкості подачі зростає товщина зміцненого шару, оскільки збільшується інтенсивність та час дії чинників зміцнення на поверхню заготівки.

Визначення фактичної температури в зоні контакту дало змогу підтвердити теоретичні аспекти зміцнення тертям. Значення температури поверхневих шарів матеріалу заготівки в зоні контакту перевищує температуру початку фазових перетворень навіть на глибині 1 мм.

Відомостей про структуру зміцненого шару на нормалізованій сталі 45 дуже мало, тому ми комплексно дослідили фізико-механічні властивості отриманого зміцненого шару.

Фотознімки мікроструктури вказують на значне здрібнення структури зміцненого шару. Порівняння зображення зміцненого шару, отриманого на металографічному мікроскопі, із зображенням в атласі типових мікроструктур вуглецевих сталей (з відповідним збільшенням) підтверджує, що це дрібнодисперсний мартенсит.

Рентгенограми аналізу фазового складу зміцненого шару вказують на відсутність залишкового аустеніту в складі б-заліза (не більше 5-10 %). Розшифрування рентгенограм пошарового аналізу фазового складу показує, що вони практично ідентичні та накладаються. Аналіз даних автоматичного індентування свідчить про те, що мікротвердість зміцненого шару становить 10,9 ГПа. Також установлено, що коефіцієнт питомої контактної твердості та відносне позаконтактне напруження зросло майже в 3 рази. Збільшення відношення Нµ/Е* свідчить про істотне здрібнення структури зміцненого шару. А саме, величина коефіцієнта питомої контактної твердості Нµ/Е*, що дорівнює 0,0591, відповідає матеріалам наноструктурного класу з розміром зерен в межах 100 нм.

Комплексні дослідження впливу режимних факторів обробляння високошвидкісним тертям на якісні показники зміцненого шару на нормалізованій конструкційній сталі 45 дали змогу визначити раціональні режими обробляння для зміцнення робочої поверхні притискних бил: матеріал диска - титановий сплав ВТ 1-0; н = 68 м/с; н_s = 0,3 м/хв; b = 10 мм; сухе тертя; попутний спосіб подачі; один прохід; Р = 1100 Н.

Аналіз результатів зношування притискних бил з нормалізованої сталі 45 та зміцнених бил з такої ж сталі свідчить про те, що лінійне зношування робочої зони притискного била за товщиною зменшується в 2,5 раза, а всієї передньої поверхні в 2,7 раза відповідно. Це дає змогу в два рази збільшити період стійкості притискних бил, виготовлених з конструкційної вуглецевої сталі. Важливим є те, що зміцнені притискні била триваліший час зберігають правильність свого початкового поперечного перерізу.

Візуальний аналіз поверхні відпрацьованих притискних бил вказує також на те, що зміцнений шар значною мірою захищає поверхню била від випадкових ударних навантажень.

Наведено наближений розрахунок економічної ефективності застосування зміцнення високошвидкісним тертям притискних бил для ВАТ "Аверс". Виготовлення бил з конструкційної сталі 45 з подальшим поверхневим зміцненням дає змогу економити близько 20 тис. грн на рік без урахування підвищення продуктивності верстатів та покращення якості отриманої стружки.

У п'ятому розділі наведено розроблений технологічний регламент виготовлення притискних бил відцентрових стружкових верстатів з конструкційних вуглецевих сталей зі зміцненням робочих поверхонь високошвидкісним тертям. Розроблено технічне завдання на проектування промислової установки для зміцнювання високошвидкісним тертям робочих поверхонь притискних бил.

ВИСНОВКИ

1. Унаслідок виконаних експериментальних та теоретичних досліджень вирішено важливе науково-технічне завдання - поліпшено експлуатаційні показники відцентрових стружкових верстатів за рахунок збільшення періоду стійкості притискних бил, які виготовляються з конструкційної вуглецевої сталі 45. Багатопозиційний аналіз трибосистеми та перспективних методів зміцнення дав змогу ефективно застосувати високорентабельний спосіб поверхневої модифікації дешевого матеріалу притискних бил. Розроблене технологічне рішення дає змогу підвищити стійкість проти спрацювання поверхонь деталей відцентрових стружкових верстатів, виготовлених з дешевих конструкційних сталей.

2. Виокремлено чинники, які знижують експлуатаційні характеристики відцентрових стружкових верстатів. Вперше досліджено характер та встановлено абсолютну величину зношування робочих поверхонь притискних бил, виготовлених із нормалізованої сталі 45. Це дало змогу сформувати вимоги до методу зміцнення робочих поверхонь притискних бил.

3. Уперше під час зміцнювання високошвидкісним тертям застосовано регульоване зусилля притискання та плаваюче положення інструмента-диска, замість подачі на врізання, що дало змогу значно спростити технологію зміцнювання робочих поверхонь притискних бил, а також експериментально дослідити характер деформацій та поширення температури в зоні контакту під час зміцнення. Запропонована схема дає змогу використовувати великі значення зусилля притискання (Р = 1000 Н і більше) та низьку швидкість подачі заготівки (н_s = 0,2-0,7 м/хв) без підвищення величини усаджування поверхні заготівки (до 200 мкм), що забезпечує отримання зміцненого шару товщиною більше 1 мм по всій довжині робочої поверхні притискного била.

4. Обґрунтовано основні чинники підвищення товщини зміцненого шару (до 1,5 мм, на нормалізованій сталі 45), отриманого оброблянням високошвидкісним тертям попутним способом подачі заготівки відносно напрямку вектора швидкості обертання інструмента-диска, порівняно із зустрічним способом. Доповнено теоретичні основи високошвидкісного тертя. Введено нове поняття - "нарощування зміцненого шару".

5. Досліджено вплив режимних факторів на якісні показники зміцненого шару. Отримано коефіцієнти рівняння регресії, які адекватно описують експериментальні дані й показують вплив величини швидкості подачі та зусилля в зоні контакту на товщину зміцненого шару. Зусилля притискання величиною 900-1100 Н (у разі застосування інструмента-диска шириною b = 10 мм) застосовано вперше.

6. Експериментально встановлено величину фактичної температури, яка виникає в зоні контакту інструмента-диска з заготівкою під час зміцнення високошвидкісним тертям. Отримане значення температури (800-1249 ^оС) добре узгоджуються з уявленнями про процеси, що відбуваються під час зміцнювання тертям. Досліджено якісні показники зміцненого шару, отриманого на зразках з нормалізованої сталі 45. Пошаровий аналіз фазового складу свідчить про однорідність зміцненого шару. Виконаний металографічний аналіз показує, що структура зміцненого шару є дрібнодисперсним мартенситом.

7. Встановлено величину коефіцієнта питомої контактної твердості зміцненого шару, значення якої дає змогу віднести зміцнений шар до матеріалів наноструктурного класу (величина структурної одиниці в межах 100 нм).

8. Розроблено технологічний регламент виготовлення притискних бил відцентрових стружкових верстатів з нормалізованої конструкційної сталі 45 з використанням зміцнення робочих поверхонь високошвидкісним тертям. Установлено режими зміцнювання: швидкість подачі н_s = 0,3-0,5 м/хв; зусилля притискання Р = 900-1100 Н; матеріал інструмента-диска - титановий сплав; попутний спосіб подачі.

9. Технологічний регламент, режими зміцнювання та технічне завдання на проектування установки для зміцнювання прийняті ВАТ "Аверс" до впровадження у виробництво. Виробничі випробування показали, що матеріал била зі зміцненою поверхнею має у 2,5-2,7 разів кращу зносостійкість, що дає змогу в 2 рази збільшити ресурс роботи притискного била, а відтак значно поліпшити експлуатаційні характеристики відцентрових стружкових верстатів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Статті у наукових фахових виданнях

1. Рудь А.Є. Зношення притискних бил відцентрових стружкових верстатів ДС-7 / А.Є. Рудь // Науковий вісник НЛТУ України: зб. наук.-техн. праць. - Львів: НЛТУ України. - 2008. - Вип. 18.4. - С. 105-109.

2. Рудь А.Є. Установлення масового вмісту абразивних частинок у технологічній трісці / А.Є. Рудь // Науковий вісник НЛТУ України: зб. наук.-техн. праць. - Львів: НЛТУ України. - 2008. - Вип. 18.8. - С. 150-153.

3. Рудь А.Є. Особливості зміцнення високошвидкісним тертям з попутною подачею заготівки / А.Є. Рудь // Науковий вісник НЛТУ України : зб. наук.-техн. праць. - Львів: НЛТУ України. - 2009. - Вип. 19.3. - С. 120-125.

4. Кірик М.Д. Установка для поверхневого зміцнення сталевих деталей шляхом оброблення високошвидкісним тертям / М.Д. Кірик, А.Є. Рудь // Науковий вісник НЛТУ України: зб. наук.-техн. праць. - Львів: НЛТУ України. - 2009. - Вип. 19.4. - С. 86-89. Особистий внесок здобувача: участь у розробленні схеми установки, реалізація схеми та випробування установки.

5. Рудь А.Є. Перспективи підвищення стійкості деталей деревообробного обладнання проти механо-корозійного зношування / А.Є. Рудь // Науковий вісник НЛТУ України: зб. наук.-техн. праць. - Львів: НЛТУ України. - 2009. - Вип. 19.9. - С. 118-122.

6. Рудь А.Є. Зміцнення конструкційних і низьколегованих сталей високошвидкісним тертям / А.Є. Рудь // Науковий вісник ХНТУСГ ім. Петра Василенка: зб. наук.-техн. праць. - Харків: ХНТУСГ. - 2009. - Вип. 80. - С. 155-159.

7. Рудь А.Є. Особливості утворення теплових потоків під час зміцнення високошвидкісним тертям / А.Є. Рудь // Сільськогосподарські машини: зб. наук. ст. - Вип. 18. - Луцьк: Ред.-вид. відділ ЛНТУ, 2009. - С. 433-438.

Патенти

1. Декл. пат. на кор. модель 45685 Україна, МПК В23В 17/00 В24В 39/00. Спосіб фрикційного зміцнення / Кірик М.Д., Рудь А.Є.; заявник та власник патенту НЛТУ України - № 20040403029; заявл. 05.05.2009; опубл. 25.11.2009, Бюл. № 22.

Публікації в інших виданнях та матеріали наукових конференцій

1. Рудь А.Є. Особливості зміцнення сталей високошвидкісним тертям з попутним способом подачі заготівки // Тези наук.-технічної конф. "Проблеми корозійно-механічного руйнування, інженерія поверхні, діагностичні системи" (КМН 2009). - Львів: ФМІ НАН України. - 2009. - С. 222-226.

АНОТАЦІЇ

Рудь А.Є. Поліпшення експлуатаційних характеристик відцентрових стружкових верстатів зміцненням їх бил високошвидкісним тертям - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.04 - машини для земляних, дорожніх та лісотехнічних робіт. - Національний лісотехнічний університет України, Львів, 2010.

Дисертаційну роботу присвячено вирішенню актуального науково-технічного завдання - поліпшенню експлуатаційних характеристик відцентрових стружкових верстатів зміцненням їх бил високошвидкісним тертям. Аналіз процесу отримання різаної стружки показує, що застосовувати гартовані інструментальні та високолеговані сталі для виготовляння притискних бил нераціонально. Доцільніше виготовляти притискні била з конструкційних вуглецевих сталей із поверхневим зміцненням зони найбільшого зношування. Запропонований спосіб обробляння бил високошвидкісним тертям дає змогу отримати зміцнений шар з підвищеними експлуатаційними показниками на дешевих конструкційних сталях. Досліджено основні чинники підвищення товщини зміцненого шару під час обробляння високошвидкісним тертям з попутним способом подачі заготівки. Установлено раціональні режими зміцнення притискних бил, виготовлених з конструкційної вуглецевої сталі 45. Експериментально досліджено значення температури, що виникає у поверхневих шарах заготівки. Встановлено підвищення зносостійкості поверхні матеріалу притискних бил відцентрових стружкових верстатів, зміцнених високошвидкісним тертям, що збільшує ресурс їхньої роботи у 2 рази.

Ключові слова: експлуатаційні характеристики верстата, поверхневе зміцнення, зміцнений шар, високошвидкісне тертя, раціональні режими, підвищення зносостійкості.

Рудь А.Е. Улучшение эксплуатационных характеристик центробежных стружечных станков упрочнением их бил высокоскоростным трением - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.04 - машины для земляных, дорожных и лесотехнических работ - Национальный лесотехнический университет Украины, Львов, 2010.

Экспериментальные и теоретические исследования, проведенные в рамках диссертационной работы, направлены на улучшение эксплуатационных характеристик центробежных стружечных станков. В работе показано, что прижимные била крыльчатки являются ответственными элементами конструкции станка. Их износ существенно влияет на качество стружки и работу стружечного станка. Также детально описано, что прижимные била работают в условиях повышенного износа. Атмосфера воздуха, повышенная влажность перерабатываемого сырья (технологической щепы) и продукты деструкции древесины приводят к образованию коррозионно-агрессивной среды. Сложные механические нагрузки на рабочую поверхность прижимного била выступают катализатором химических процессов и значительно снижают износостойкость материала детали.

Анализ возможностей триботехники показывает, что для изготовления бил наиболее эффективным будет использование дешевых конструкционных сталей с поверхностным упрочнением рабочей поверхности прижимного била. Большинство изученных способов поверхностной модификации сталей характеризуются существенными капиталовложениями. Некоторые невозможно использовать вследствие сложных условий работы поверхности материала прижимного била (абразивный износ, агрессивная среда, ударные нагрузки и т. д.). Исходя из анализа становится очевидным, что наиболее эффективным будет использование поверхностного упрочнения высокоскоростным трением.

Использование попутной подачи и регулируемого усилия прижима вместе с плавающим положением инструмента-диска позволили значительно упростить процесс обработки и существенно повысить эффективность воздействия.

Существующие теоретические выкладки по упрочнению трением не описывают значительное увеличение толщины упрочненного слоя при попутном направлении подачи относительно направления вектора скорости вращения инструмента-диска. Проведенные исследования позволяют утверждать, что основной причиной более качественного термомеханического воздействия на поверхность заготовки является направление касательной составляющей силы упрочнения.

Попутное направление подачи позволило впервые использовать усилия прижима инструмента-диска в диапазоне Р = 900-1100 Н. Результаты исследований показывают, что именно при таких значениях усилия глубина упрочнения достигает 1,5 мм.

Проведены комплексные исследования физико-механических характеристик упрочненного слоя. Результаты показали, что полученная структура является мелкодисперсным мартенситом. Фазовый анализ показывает, что остаточный аустенит в структуре отсутствует (меньше 5-10 %). Автоматическое индентирование на установке "Микрон-гамма" позволило установить, что величина структурной единицы упрочненного слоя не превышает 100 нм. То есть полученный на нормализованной стали 45 упрочненный слой относится к структурам нанокласса, а метод упрочнения к нанотехнологиям.

Экспериментальные исследования значений температуры на поверхности заготовки в зоне контакта при упрочнении подтвердили теоретические предположения.

В работе получены коэффициенты уравнения регрессии, которые адекватно описывают изменения глубины упрочненного слоя в зависимости от основных режимных факторов.

Комплексные исследования влияния режимных параметров на качественные характеристики упрочненного слоя на стали 45 позволили выбрать рациональные режимы упрочнения прижимных бил. Испытания упрочненных бил в производственных условиях показали существенное повышение их износостойкости. Уменьшение воздействия практически всех составляющих процесса износа поверхности материала позволяет повысить ресурс работы прижимных бил в 2 раза. Приблизительный экономический эффект от внедрения упрочняющей технологии составляет около 20 тыс. грн в год, без учета повышения производительности центробежных стружечных станков и повышения качества стружки.

Ключевые слова: эксплуатационные характеристики станка, поверхностное упрочнение, упрочненный слой, высокоскоростное трение, рациональные режимы, повышение износостойкости.

Rud A.E. Improving of an operational performance of centrifugal chipper by hardening of its beats a high-speed friction - Manuscript

Dissertation is on the competition of graduate degree of candidate of engineering sciences on specialty of 05.05.04 - machines for earthen, traveling, forestry and woodworking works. - National University of Forestry' and Woodworking Technology of Ukraine, Lviv, 2009.

Dissertation is direct to the solving of the actual scientific and technical task - the performance's operational improving of centrifugal chipper through hardening its beats high-speed friction. The analysis of the process of the shaving's reception shows that application of instrumentals and high-alloys steel for beat's manufacturing is irrationally. It is more reasonable to produce beats from constructional steel with following surface hardening of the zones of the biggest deterioration. The offered mode of using of high-speed friction allows to receive the qualitative strengthened layer with higher operation indices on the cheap constructional steel. The principal causes of increasing of a thickness of the strengthened layer during processing by high-speed friction with passing serve of the detail is investigated. Rational modes of hardening beats which are produced from a constructional steel 45 are established. A value of temperature that arises in surface layers of the detail is experimentally defined. It is determined equation factors which describe influence strengthened layer from main parameters of processing by high-speed friction. The wear resistance increase surfaces of material of the beats is established. The hardened beats have twice more resource of work.

Keywords: operational performance, surface hardening, strengthened layer, high-speed friction, rational modes, wear resistance increase.

Размещено на Allbest.ru