Поліпшення експлуатаційних характеристик деталей приладів шляхом формування функціональних поверхонь з дискретно-орієнтованою топографією

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

„КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

УДК 621.839(048)

ПОЛІПШЕННЯ ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЕТАЛЕЙ ПРИЛАДІВ ШЛЯХОМ ФОРМУВАННЯ ФУНКЦІОНАЛЬНИХ ПОВЕРХОНЬ З ДИСКРЕТНО-ОРІЄНТОВАНОЮ ТОПОГРАФІЄЮ

Спеціальність: 05.11.14 - технологія приладобудування

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ВОЗНЕНКО Вікторія Віталіївна

Київ 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі виробництва приладів Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" Міністерства науки і освіти України, м. Київ

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент, Антонюк Віктор Степанович, НТУУ "Київський політехнічний інститут", м. Київ, професор кафедри виробництва приладів

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, Киричок Петро Олексійович, НТУУ "Київський політехнічний інститут", м. Київ, завідувач кафедри технологій поліграфічного виробництва, директор Видавничо-поліграфічного інституту

доктор технічних наук, професор, Посвятенко Едуард Карпович, Національний транспортний університет, м. Київ, професор кафедри виробництва, ремонту та матеріалознавства

Провідна установа: Севастопольський технічний університет України, м. Севастополь

Захист відбудеться “ 16 ” січня 2007 р. о 15⁰⁰ годині, на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.18 у Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, Проспект Перемоги, 37, навчальний корпус №1, аудиторія 293.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут"

Автореферат розісланий “7”грудня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, доцент Бурау Н.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний розвиток приладобудування та впровадження в промисловість автономних рухомих об'єктів потребує високої надійності, швидкодії і точності функціонування систем керування такими об'єктами. В зв'язку з цим, дослідження і створення надійних і ефективних систем керування рухомими об'єктами має велике народногосподарське значення.

Аналіз технічного стану та відмов приладів при експлуатації показує, що деталі з поверхнями тертя у рухомих вузлах приладів і виконавчих механізмів систем керування потребують поліпшення експлуатаційних характеристик. Широке впровадження на приладобудівні підприємства сучасних технологічних процесів формування робочих поверхонь тертя деталей, які здатні забезпечити високі і стабільні показники експлуатаційних характеристик, підвищити надійність і безвідмовність приладів, обмежується відсутністю науково-обґрунтованих розробок методів формування таких поверхонь і рекомендацій стосовно їх параметрів.

Це обумовлює актуальність постановки задачі раціонального вибору та впровадження перспективних та ефективних технологічних процесів формування функціональних поверхонь деталей на основі системного підходу до розробки методології проектування дискретно-орієнтованої топографії поверхонь тертя деталей та технологічного забезпечення їх формування з урахуванням взаємозв'язків і сутності процесів при експлуатації приладів. Це забезпечить поліпшення експлуатаційних характеристик приладів з дотриманням технічних і технологічних вимог приладобудування.

Вирішення такої задачі можливе в поєднанні технологічних методів інженерії поверхні та трибологічних досліджень, які дозволяють керувати властивостями поверхонь деталей шляхом їх цілеспрямованої модифікації. Одним з напрямків модифікації поверхонь деталей є формування дискретної топографії, раціональні параметри якої можуть забезпечити якісні контактні властивості поверхні, покращити змащування, зменшити коефіцієнт тертя і інтенсивність зношування, підвищити опір схопленню, заїданню та корозії.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в Національному технічному університеті України „Київський політехнічний інститут” і пов'язана з пошуком шляхів поліпшення працездатності поверхонь тертя деталей приладів, відповідно теми „Дослідження технологічних характеристик нових оброблювальних і інструментальних матеріалів та створення автоматизованої системи для їх визначення” (наказ МОН України №633 від 05.11.2002 р.), теми №2637-П „Створення автоматизованого комплексу моніторингу надточних технологічних процесів в металообробці” ДР №01030000317, теми №2939-П „Створення приладів для контролю точності виготовлення деталей на верстатах з ЧПК” ДР №0106U002103.

Мета і завдання дослідження. Поліпшення експлуатаційних характеристик деталей приладів шляхом формування поверхонь з дискретно-орієнтованою топографією на основі вибору раціональних конструктивних параметрів та технологічних режимів.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі основні наукові та прикладні задачі:

1. На основі аналізу проблеми обґрунтувати науковий підхід вирішення задачі формування функціональних робочих поверхонь тертя деталей приладів з поліпшеними експлуатаційними характеристиками.

2. Визначити параметри модифікованих поверхонь і розробити метод зміцнюючого формування поверхонь тертя деталей, який забезпечує їх широкими функціональними можливостями у прецизійних вузлах приладів з малим зазором.

3. Розробити методологію дослідження на основі створення математичних моделей, алгоритмів, методів і методик досліджень параметрів функціональних робочих поверхонь деталей з фрикційним контактом, закономірностей їх формування та оцінки трибологічних характеристик.

4. Визначити вплив параметрів поверхні тертя і умов експлуатації на коефіцієнт тертя і зношування у рухомих вузлах приладів.

5. Розробити методику визначення режимів технологічного процесу формування поверхні деталей на основі їх геометричних і конструктивних параметрів та технічних характеристик обладнання.

6. Запропонувати для практичного використання конструктивні і технологічні рішення з формування робочих поверхонь деталей з поліпшеними функціональними властивостями, які забезпечать надійність, зносостійкість, антифрикційність, мастилоємність та режим допустимого тертя у прецизійних вузлах приладів.

Об'єкт дослідження - вид функціональних поверхонь деталі у рухомих вузлах приладів та технологічний процес їх створення.

Предмет дослідження - робочі поверхні тертя деталей приладів.

Методи дослідження. В основу загальної методології роботи покладено системний підхід до об'єкту дослідження та його структурного аналізу з застосуванням декомпозиції для визначення залежності функціональних властивостей поверхні тертя деталей від впливу конструктивних параметрів, технологічних режимів формування та режимів експлуатації і одержання раціональних параметрів поверхні на основі синтезу отриманих результатів. Методологія дослідження розроблена на базі сучасних методів і основних положень трибології, термодинаміки, інженерії поверхні.

В теоретичних дослідженнях використані методи формалізації об'єктів дослідження, моделювання і прогнозування їх властивостей. Експериментальне дослідження і обробка результатів проведені з використанням плану повного факторного експерименту та ортогонального центрально-композиційного плану другого порядку. Процеси формування і зміцнення поверхонь з дискретно-орієнтованою топографією виконано з застосуванням динамічного методу поверхнево-пластичного деформування.

Для аналізу трибологічних характеристик дискретно-орієнтованої топографії поверхонь пар тертя використані як стандартизовані, так і оригінальні методи трибологічного дослідження по способу тертя в одному напрямку за схемою “вал-втулка” з використанням стандартного і спеціального технологічного устаткування. Вимірювання геометричних параметрів, шорсткості та твердості проводились стандартизованими методами. Для визначення коефіцієнту тертя використовували метод дослідження моменту кручення на основі магніто-пружного торсіометра.

Наукова новизна одержаних результатів відображена в наступних положеннях, встановлених вперше: тертя деталь прилад поверхня

1. Вперше доведена доцільність формування функціональних робочих поверхонь тертя деталей дискретно-орієнтованої топографії в приладах системи керування рухомими об'єктами.

2. Розроблені технологічні принципи і методологія формування дискретно-орієнтованої топографії на робочих поверхнях тертя, які полягають в віброударному поверхнево-пластичному деформуванні по заданому закону.

3. Встановлені закономірності визначення раціональних геометричних параметрів поверхні тертя за умов підвищення мастилоємності, несучої здатності, зносостійкості і антифрикційної властивості пар тертя в режимах від граничного до рідинного тертя, які полягають у розподілі лунок по поверхні з щільністю від 20 до 45% при їх глибині від 12 до 38 мкм.

4. Створена математична модель для прогнозування параметрів дискретно-орієнтованої топографії поверхні з урахуванням фізичних, механічних і контактних явищ при терті, властивостей матеріалів, геометричних параметрів лунок, параметрів шорсткості та режимів експлуатації.

5. Одержані математичні моделі для прогнозування триботехнічних характеристик поверхні тертя, що дозволяють оцінити і вибрати шляхи визначення раціональних параметрів дискретно-орієнтованої топографії, виходячи з технологічної спадковості поверхні деталі та умов експлуатації.

Практичне значення одержаних результатів. В результаті виконання дисертаційної роботи вирішена науково-технічна задача підвищення надійності приладів шляхом формування на деталях рухомих вузлів функціональних поверхонь дискретно-орієнтованої топографії. Розроблені методи проектування поверхонь тертя, які реалізовані у вигляді алгоритмів і схем прогнозуючого розрахунку, що дозволяють створювати поверхні тертя деталей підвищеної працездатності та зносостійкості (Патент України №47955A).

Розроблено спосіб формування дискретно-орієнтованої топографії поверхні тертя, що забезпечує вибір раціональних технологічних схем і режимів її створення (Патент України №77321).

На основі запропонованого методу формування поверхонь деталей розроблена технологічна інструкція та реалізовано технологічний процес. Створено пристрій для формування робочих поверхонь деталей з фрикційним контактом у рухомих вузлах приладів. Апробація режимів нанесення та результатів роботи деталей з дискретно-орієнтованою топографією поверхні у вузлах тертя систем керування рухомими об'єктами показала зниження коефіцієнту тертя у вузлі в 1,3...1,5 рази, підвищення зносостійкості в 1,5…3 рази і задиростійкості - в 1,5...1,8 рази.

Результати роботи впроваджено у ВАТ “Науково-виробничий комплекс “Київський завод автоматики ім. Г.І. Петровського” з річним економічним ефектом 34,8 тисяч гривен.

Особистий внесок здобувача. В дисертаційній роботі приведені результати досліджень, виконані особисто автором. Постановка задачі досліджень, розробка методології та підходів до її вирішення здійснювались спільно з науковим керівником.

Автору належить розробка розрахунково-експериментального підходу до визначення параметрів робочих поверхонь деталей прецизійних вузлів тертя, фізичних та математичних моделей розрахунку функціональних характеристик та параметрів дискретно-орієнтованої топографії поверхонь деталей, створення методик та проведення експериментів по реалізації запропонованого методу формування робочих поверхонь пар тертя і його трибологічного дослідження.

За участі співавторів проведені експериментальні роботи і фізичні дослідження, результати яких відображені в спільних публікаціях. В цих роботах автором проведені теоретичні та експериментальні дослідження, розроблені математичні моделі для розрахунку режимів формування поверхонь тертя та прогнозування їх триботехнічних характеристик. В патентах автору належать ідеї з модифікації поверхонь тертя, сформульовані спільно зі співавторами, та оформлення винаходів.

Апробація результатів дисертації. В продовж роботи основні положення та результати дисертаційної роботи були висвітлені на: Міжнародному науково-технічному семінарі “Прогрессивные технологии в машиностроении” (Запоріжжя, 2002 р.); ІІІ, ІV науково-технічних конференціях “Приладобудування: стан і перспективи” (Київ, 2004 р., 2005 р.); VII міжнародній молодіжній науково-практичній конференції “Людина і космос” (Дніпропетровськ, 2005 р.); 5-му Міжнародному науково-технічному семінарі “Современные проблемы подготовки производства, обработки и сборки в машиностроении и приборостроении” (Свалява, Карпати, 2005 р.), XIV Міжнародно-технічному семінарі “Высокие технологии: тенденции развития” (Харків-Алушта, 2005 р.), 6-й Міжнародній науково-технічній конференції “Инженерия поверхности и реновация изделий” (Ялта - Київ, 2006).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 14 наукових працях, із яких 5 статей у фахових виданнях, 7 тез доповідей, два патенти України.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, загальних висновків, переліку використаних джерел та додатків. Повний обсяг роботи складає 208 сторінок. Вона містить 170 сторінок, в тому числі 71 ілюстрацію, 9 таблиць, 3 додатки на 23 сторінках та список з 219 використаних джерел на 14 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкривається зміст і стан вирішення наукової задачі, її значимість для науки і промисловості, визначена мета і задача дослідження, сформульована наукова новизна і показана практична цінність отриманих наукових результатів та наведені дані про публікації та апробацію роботи.

У першому розділі виконано огляд літературних джерел стосовно стану досягнень та проблем формування поверхні деталей з високими якісними показниками для роботи в умовах фрикційного контакту, що забезпечують експлуатаційні характеристики і надійність приладів систем керування рухомими об'єктами (СКРО).

Розглянуто понад 200 вітчизняних і зарубіжних літературних джерел, які присвячені основним теоретичним положенням і конкретним дослідженням в області технології приладобудування, розробки нових технологій поверхневої модифікації деталей функціонального призначення, визначенню механізмів тертя і зношування та методів їх зниження, збільшенню терміну служби приладів за рахунок поліпшення якості та експлуатаційних характеристик вузлів тертя.

Значний науковий вклад у розвиток технології приладобудування, дослідження і розробку методів модифікації поверхневих шарів деталей у вузлах з фрикційним контактом внесли багато вітчизняних і зарубіжних вчених:

Бабичев М.А., Бершадський Л.М., Боуден Ф.П., Гаркунов Д.М., Дерягін Б.В., Дроздов Ю.М., Дьомкін М.Б., Киричок П.О., Костецький Б.І., Крагельский І.В., Марочкін В.М., Остаф'єв В.О., Петров М.П, Посвятенко Е.К., Рейнольдс O., Румбешта В.О., Снеговський Ф.П., Суслов А.Г., Тейбор Д., Фельдман Я.С., Харламов Ю.А., Хрущов М.М., Чичинадзе А.В., Шнейдер Ю.Г. та інші.

Аналіз чинників, що впливають на технічний стан та відмову приладів СКРО при експлуатації показує, що працездатність таких систем багато в чому залежить від елементів, які містять деталі пар тертя. Недостатня мастилоємність поверхонь тертя призводить до адгезійної взаємодії пар тертя і, як наслідок, схоплення та заїдання у рухомих вузлах, що позначається на швидкодії системи та її безвідмовній роботі. Особливо критична недостатня мастилоємність поверхонь тертя при тривалому зберіганні приладів, під час якого адгезійна взаємодія або корозія поверхонь може призвести до втрати працездатності вузла і відмови всього приладу. Інтенсивне зношування пар тертя призводить до порушення прецизійних розмірів у вузлах, що впливає на точність і стабільність параметрів приладу, вносить систематичні похибки від часу його напрацювання. Зниження коефіцієнту тертя у рухомих вузлах виконавчих органів приладів дозволить підвищити чутливість і швидкодію систем, зменшити непродуктивні енерговитрати на подолання сили тертя, що особливо актуально для вузлів виконавчих органів СКРО через малий технологічний зазор у вузлі, який забезпечує точність функціонування системи.

Аналіз науково-технічної літератури визначив круг питань, пов'язаних з метою технологічного забезпечення високих і стабільних показників експлуатаційних характеристик приладів СКРО. Проведена оцінка методів і способів формування і зміцнення поверхонь деталей, прогнозування напружено-деформованого стану, зносостійкості і коефіцієнту тертя в прецизійних вузлах, що працюють в умовах фрикційного контакту. Визначено, що забезпечення діапазону допустимого тертя без пошкодження і мінімізація зношування у рухомих вузлах можливе за рахунок створення функціональних поверхонь деталей, які здатні забезпечити високі і стабільні показники експлуатаційних характеристик, збільшення безвідмовної роботи приладів.

На основі проведеного аналізу визначена наукова задача поліпшення експлуатаційних характеристик і надійності приладів систем керування рухомими об'єктами шляхом створення на робочих поверхнях деталей дискретно-орієнтованої топографії з раціональними параметрами та технологічними режимами її формування, що забезпечать поліпшення функціональних характеристик вузлів тертя приладів: антифрікційність, несучу здатність, зносостійкість.

В другому розділі проведена структуризація дослідження на основі поставленої задачі, розроблені методологія і загальна схема проведення досліджень, викладені основні методи та методики експериментальних досліджень, приведені експериментальні установки, визначені методи планування та обробки результатів експериментів.

Як об'єкт досліджень вибрано вид сформованої динамічним методом поверхнево-пластичної деформації (ППД) поверхні деталі, що працює в рідинному режимі тертя при експлуатаційних умовах. Показником стану поверхні визначені триботехнічні характеристики вузла тертя: інтенсивність зношування, коефіцієнт тертя і режим змащування.

Розроблена методологія дослідження параметрів та режимів формування поверхонь деталей в залежності від властивостей матеріалів і умов експлуатації. В задачу дослідження входить визначення функціональних властивостей пар тертя: антифрикційність, зносостійкість, мастилоємність та встановлення на їх основі раціональних параметрів топографії поверхонь. При дослідженні технологічного процесу як предмет дослідження визначені параметри сформованої поверхні тертя на матеріалах: алюміній A5 ГОСТ 11069-2001, сплави алюмінію “алкусин” і АК6 ГОСТ 4784-97, сталі 25Л, 35Л та 55Л ГОСТ 977-88, легована сталь 18Х2Н4МА ГОСТ 4543-71, чавун ВЧ60-2 і ВЧ120-4 ДСТУ 3925-99. На триботехнічні характеристики суттєво впливають геометричні параметри деталей і вузла, тому вибрано пару тертя “вал-втулка” (втулка - сплав АК6, вал - сталь 18Х2Н4МА), в процесі роботи якої виникають різні режими тертя від сухого до гідродинамічного, що дозволяє врахувати вплив режимів тертя на функціональні властивості поверхні.

Для досягнення мети роботи розроблена методологія дослідження з плануванням експерименту. Для реалізації експериментальних досліджень застосовано ряд методик на основі як стандартних, так і оригінальних методів фізичного моделювання процесів:

- методика визначення технологічних режимів формування поверхні;

- методика формування поверхні у вигляді еліпсоїдних лунок на основі розроблених здобувачем в співавторстві способу виготовлення поверхонь тертя віброударним методом ППД;

- методики експериментального дослідження трибологічних характеристик у вузлі тертя.

Для формування поверхні з необхідними функціональними характеристиками запропонована методика розрахунку параметрів поверхні з дискретно-орієнтованою топографією (ДОТ). За допомогою методики визначаються:

-?швидкість переміщення деталі відносно інструменту:

,

- подача ударного інструменту (бойка):

де _T - границя текучості і а_м - ударна в'язкість матеріалу деталі, на поверхні якої формуються задані геометричні параметри ДОТ: h - глибина лунки; - щільність лунок ДОТ поверхні; - кут нахилу профілю лунки вздовж великою осі; _и- тривалість формування однієї лунки: _и = 1/f_А; R_б - радіус закруглення і f_А -частота коливань ударного інструменту пристрою.

Для реалізації методу формування ДОТ поверхні деталей запропонований спосіб виготовлення поверхонь тертя (Пат. 77321 Україна). Спосіб реалізовано в пристрої для токарного верстата 16К20 (рис. 1). Принцип дії пристрою ґрунтується на віброударному методі ППД. Основним робочим інструментом пристрою є бойок з алмазним вигладжувачем, який з визначеною частотою методом карбування наносить лунки на поверхню деталі, що рухається з заданою швидкістю. Щільність і глибина лунок задається швидкістю обертання деталі і подачею інструменту.

Технологічні можливості пристрою, простота його регулювання і настройки та визначення режимів формування дозволяють використовувати методику для проведення досліджень і промислового впровадження процесу формування ДОТ поверхонь тертя.

У третьому розділі визначаються раціональні параметри дискретно-орієнтованої топографії поверхні тертя, що забезпечують поліпшення функціональних властивостей та експлуатаційних характеристик пар тертя.

Використовуючи методи математичного моделювання проводиться теоретичний аналіз якості поверхні, визначаються основні параметри топографії та технологічні режими формування ДОТ поверхні на основі аналізу мастилоємності, експлуатаційної міцності і несучої здатності поверхні тертя, впливу на них режимів формування та експлуатації.

Параметрами ДОТ поверхні визначені (рис. 2): а - напівширина малої осі та c - напівширина великої осі еліпсоїдної лунки; A - відстань (крок) між центрами еліпсів вздовж малої осі; B - відстань (крок) між центрами еліпсів вздовж великої осі; r_T1, r_T2 - найменші відстані між краями лунок вздовж великої і малої осі, відповідно: r_T1 = А /2 cos, r_T2 = A - 2a; - кут між векторами r_T1 і r_T2.

Щільність лунок визначається як: , а за умов рівномірності:

А = В, B = 2c, = 0, має вигляд:

.

Забезпечення необхідної мастилоємності поверхонь здійснюється визначенням раціональних параметрів ДОТ поверхні з урахуванням її шорсткості. Питома мастилоємність шорсткої поверхні W₀ - об'єм мастила в мм³ на площі в 1 см², визначена як:

,

де k - безрозмірний параметр, який залежить від геометричних і фізичних властивостей поверхні, експлуатаційних навантажень: ; h- абсолютне зближення поверхонь пари тертя при робочому навантаженні; a, b, c, d, e, f, g - коефіцієнти рівняння апроксимуючої кривої відносної опорної довжини профілю t_p(е), представленої як:

.

Питома мастилоємність лунок W_л в мм³ на площі в 1 см² складає:

,

де S - площа ДОТ поверхні; k_л - сталий коефіцієнт, в нашому випадку k_л = 200/3. Питома мастилоємність ДОТ поверхні:

.

Відносне збільшення питомої мастило-ємності за рахунок ДОТ поверхні визначаємо за формулою:

.

Оцінка несучої здатності поверхонь визначалась на основі аналізу допустимих значень геометричних параметрів ДОТ з урахуванням міцності поверхні при навантаженнях і механічних властивостей матеріалів пари тертя. Допустима щільність лунок ДОТ поверхні визначена через мінімальні кроки їх нанесення вздовж малої осі: та вздовж великої осі: , як:

де , с = hctg.

Протяжність здеформованої зони визначається як:

,

де K₁ - коефіцієнт напруженості; d - коефіцієнт напружено-деформованого стану зміцненої поверхні, d = 2 для моделі лінійного фрикційного контакту і 3,2 для точкового; - параметр впливу товщини деталі Н: = 0,21Н+1,8 6.

Коефіцієнт напруженості К₁, що є мірою напружено-пошкодженого стану в околі концентратора напружень, визначає найменшу допустиму відстань між краями лунок вздовж великої осі - r_T1 і малої осі - r_T2 (див. рис. 2) та вираховується за формулами:

, ,

де _W - робочий рівень напружень.

Таким чином, визначаємо допустимі параметри ДОТ поверхні при робочому рівні напружень на поверхнях пари тертя.

Оцінка зміцнюючого ефекту при формуванні ДОТ поверхні з урахуванням теплофізичних і механічних властивостей матеріалу деталі визначає допустиме значення параметрів топографії поверхні, при формуванні якої забезпечується її раціональне зміцнення. Ступінь деформації в процесі ППД часто пов'язана з перенаклепом оброблюваних поверхонь, наслідком чого є поява залишкових напружень розтягу. У зв'язку з цим важливе значення набуває контрольованість процесу зміцнення при виборі режимів, що забезпечують оптимальний ступінь деформації.

При зміцненні поверхні потужність дії зміцнюючого інструменту не повинна перевищувати критичної границі на площі пластичної деформації поверхні S: Р_с =q_maxS, де q_max - густина імпульсного теплового потоку, Вт/см². Величина q_max визначається з виразу:

,

Де b - вектор Бюргерса, м; - коефіцієнт теплопровідності, Вт/мК; - термічний коефіцієнт лінійного розширення, К^-1; а - коефіцієнт температуропровідності, м²/с; C - теплоємність, Дж/м³К; К₀ - коефіцієнт швидкості структурних дислокаційних процесів, м²/с; _u - тривалість дії імпульсу, с; Т_g - температура Дебая, C.

Потужність формування лунки P залежить від роботи A, що витрачена на деформацію об'єму поверхні, і тривалості формування _u: P = A/_u. Роботу пластичної деформації матеріалу визначаємо як: , де SdL - вираз, що визначає об'єм здеформованого матеріалу, у нашому випадку об'єм лунок на поверхні деталі SdL = W_л: , мм³, S - площа поверхні деталі. Після відповідних перетворень, визначаємо взаємозалежність допустимих значень щільності і глибини лунок: .

Прогнозування зносостійкості і довговічності вузла тертя з параметрами ДОТ поверхонь тертя проводиться за методикою прогнозування зношування і коефіцієнту тертя. В залежності від конструктивних та експлуатаційних характеристик вузла визначаються енергетичні параметри процесу тертя, питома інтенсивність зношування і коефіцієнт тертя, що забезпечують допустимий вид зношування.

Розроблена методика дозволяє отримати раціональні параметри ДОТ поверхні тертя, що забезпечують поліпшення функціональних властивостей пар тертя у прецизійних вузлах приладів. На основі розрахункових залежностей методика дозволяє прогнозувати технічний рівень застосування ДОТ поверхонь пар тертя, а також доцільний рівень якості приладів на їх основі.

Четвертий розділ містить дослідження робочих поверхонь зі сформованою ДОТ, визначає вплив параметрів ДОТ поверхні на функціональні властивості вузла тертя “вал-втулка”: втулка зі сплаву АК6, вал зі сталі 18Х2Н4МА.

Проведена оцінка триботехнічних характеристик пари тертя в експлуатаційних режимах і визначена допустима область А параметрів ДОТ поверхні тертя деталі з АК6 з урахуванням допустимої потужності формування, несучої здатності і мастилоємності залежно від фізико-хімічних і механічних властивостей матеріалів, умов роботи (рис. 3).

Аналіз несучої здатності ДОТ поверхні деталі зі сплаву АК6 визначив максимально допустиму щільність лунок в залежності від глибини лунок і питомого тиску на поверхню. Показано, що максимальна щільність лунок глибиною 10 мкм при питомому тиску на поверхню деталі 60 МПа не повинна перевищувати 16%.

Порівняно з оцінкою раціональної мастилоємності, доходимо висновку, що лунки глибиною 10 мкм при щільності 16% на поверхні АК6 з шорсткістю Ra ~ 0,8 мкм не забезпечать достатнє збільшення мастилоємності поверхні. Лунки глибиною 20 мкм і щільністю 26%, можуть забезпечити як несучу здатність, так і раціональне збільшення мастилоємності.

Для оцінки зміцнюючого ефекту формування ДОТ поверхні вибрано матеріал АК6. Оптимальна питома потужність формування ДОТ поверхні на матеріалі зі сплаву АК6 з границею текучості 300 МПа становить q_max = 3,23910⁷ Вт/м². Тривалість дії формуючого імпульсу _u = 4,210^-2 с, визначена з частоти коливань ударного інструменту пристрою.

Максимально допустимі параметри ДОТ при формуванні поверхні тертя деталі визначаються границею текучості матеріалу поверхні. Чим менша границя текучості, тим менша потрібна потужність формування, тим більшу треба задати щільність і глибину лунок для досягнення оптимального зміцнення поверхні.

При виготовленні ДОТ поверхні на деталі з АК6 глибину і щільність нанесення лунок обирають з параметрів в області А. Аналіз отриманих результатів показав, що для визначення глибини та щільності лунок ДОТ, що забезпечують мастилоємність поверхні, необхідно враховувати її шорсткість. Підвищення несучої здатності поверхні та її надійності забезпечує зменшення робочого навантаження. Збільшення глибини та щільності лунок ДОТ при формуванні без перенаклепу поверхні можливе при зменшенні границі текучості матеріалу. Встановлено, що параметри шорсткості поверхні, щільність лунок, твердість зміцненої поверхні, питомий номінальний тиск в контакті впливають на інтенсивність зношування і коефіцієнт тертя ДОТ поверхні.

З результатів теоретичного аналізу трибологічних характеристик пари тертя “вал-втулка” в діапазоні експлуатаційних навантажень (рис. 4) прогнозується, що при збільшенні щільності лунок від 0 до 40 % лінійну інтенсивність зношування втулки можна зменшити до 2,4 разів, при навантаженні в 50 Н з 3,110^-9 до 1,310^-9, при навантаженні в 150 Н - з 7,710^-9 до 3,210^-9 за рахунок зміцнення поверхні та зменшення фактичної площі контакту. Формування ДОТ поверхні валу забезпечить зменшення інтенсивності зношування валу у 2 рази: з 9,410^-8 до 4,710^-8.

Прогнозується зниження коефіцієнту тертя до 1,5 разів в режимі рідинного тертя у рухомому вузлі з щільністю лунок ДОТ поверхні втулки = 40% за рахунок збільшення мастилоємності поверхні та зменшення фактичної площі контакту.

Запропонований метод формування ДОТ поверхні тертя є універсальним і перспективним для деталей рухомих вузлів, працюючих в різних режимах тертя.

В п'ятому розділі приведені результати експериментальних досліджень і отриманих математичних моделей по формуванню ДОТ поверхонь тертя у вузлі “вал-втулка” з заданими функціональними властивостями. Вивчено вплив параметрів ДОТ поверхні тертя і технологічних режимів її формування на мастилоємність, зносостійкість, антифрикційність, несучу здатність рухомого вузла, встановлені раціональні параметри ДОТ поверхні, що поліпшують експлуатаційні характеристики вузла. На основі порівняльного аналізу теоретичних і експериментальних досліджень в даному розділі вироблені рекомендації по використанню результатів роботи.

Дослідження ДОТ поверхні тертя втулки проводилось при щільності лунок в допустимому для матеріалу втулки діапазоні 10…40 %; глибині еліпсоїдної лунки h в допустимому діапазоні 0,01…0,04 мм. Нормальне навантаження Р на пару тертя вибрано в межах 60…140 Н, яке при заданій частоті обертання валу може забезпечити гідродинамічний режим тертя. До контрольованих, постійних у всіх експериментах факторів віднесені: матеріал втулки зі сплаву алюмінію АК6 (твердість поверхні по Віккерсу: НV 1,0 ГПа) і матеріал валу зі сталі 18Х2Н4МА (НV 3,2 ГПа або H_RC 55); параметри шорсткості поверхні втулки Ra = 0,32 мкм і валу Ra = 0,8 мкм; діаметр втулки і валу 40 мм, ширина втулки 22 мм; зазор між втулкою і валом 4 мкм, частота обертання валу 1420 хв^-1. Використовувалось при терті мастило ХФ 12-16 ГОСТ 5546-86.

Як об'єкт випробувань вибрано вузол тертя, що складається зі спеціальної втулки і валу. На внутрішній поверхні тертя втулки формувалась дискретно-орієнтована топографія (рис. 5) із заданими параметрами.

На основі проведеного експериментального дослідження формування ДОТ поверхні отримана адекватна за F- критерієм Фішера математична модель залежності допустимої глибини лунок h_доп від параметрів: частоти обертання деталі при формуванні поверхні n_д; твердості поверхні матеріалу деталі Н; шорсткості поверхні Ra, у вигляді:

.

Частоту обертання деталі отримаємо, шляхом перетворення формули до вигляду:

.

Порівняння результатів розрахунків за теоретичною моделлю (рис. 6) із результатами експерименту (рис. 7) показує задовільне співпадання режимів формування ДОТ поверхні. З результатів експерименту для формування ДОТ поверхні з глибиною лунок, наприклад 30 мкм, необхідно задати частоту обертання деталі із твердістю поверхні 0,8 ГПа близько 100 хв^-1, а для деталі із твердістю поверхні 2,2 ГПа - близько 210 хв^-1. Відносна похибка в діапазоні глибин лунок 18…30 мкм складає 1…10% в діапазонах твердості 0,8…1,4 ГПа та 2...2,2 ГПа.

В решті діапазону параметрів відносна похибка не перевищує 16%. Розбіжність в 16% значень n_д, отриманих теоретичним способом - 47…352 хв^-1 та експериментальним - 54…412 хв^-1 обумовлена впливом шорсткості і взаємозалежності її з твердістю поверхні, що не враховано в моделі.

Експериментальне дослідження коефіцієнту тертя пари “вал-втулка” з ДОТ поверхні втулки показало його залежність від навантаження Р і параметрів ДОТ поверхні: щільності лунок Ш, глибини лунки h та її напівдовжини, що визначається співвідношенням tg = h/c. Отримана адекватна за F- критерієм Фішера математична модель залежності у вигляді:

.

Залежність коефіцієнту тертя f в парі “вал-втулка” від робочого навантаження Р і кута нахилу профілю лунки при щільності лунок Ш = 30% (рис. 8) вказує на наявність раціонального кута . Мінімальне значення коефіцієнту тертя, зростаючи зі збільшенням навантаження, зміщується в сторону збільшення кута профілю лунки від = 1,7 при Р = 50 Н до = 2,7 при Р =150 Н. Зі збільшенням навантаження збільшення кута профілю лунки забезпечує підвищення несучої здатності масляної плівки, хоча при цьому і зростає гідравлічний опір.

При постійному куті профілю лунки = 1,72 (рис. 9) раціональна щільність лунок змінюється від Ш = 20% при навантаженні Р = 50 Н до Ш = 28% при навантаженні Р = 150 Н. Залежність коефіцієнту тертя від щільності лунок ДОТ поверхні та навантаження у фрикційному контакті вузла, що розрахована за теоретичною моделлю, має тенденцію до зниження коефіцієнту тертя в 1,5 рази (з 0,0095 до 0,0065) при збільшенні щільності від 10 до 40% і практично не залежить від навантажень в діапазоні 50…150 Н.

В експерименті мінімальний коефіцієнт тертя становить 0,003 і обумовлений впливом гідродинамічного режиму тертя. Максимальний коефіцієнт тертя становить 0,0085 при максимальному навантаженні вузла Р = 150 Н та мінімальній щільності лунок ДОТ поверхні Ш = 10% з кутом нахилу профілю лунки = 1,03.

Ці значення мають відхилення до 10% від розрахованих для відповідних параметрів по моделі, що не враховує гідродинамічний режим.

Таким чином теоретична модель дозволяє провести оцінку максимального значення коефіцієнту тертя в умовах експлуатації.

Експериментальне дослідження лінійної інтенсивності зношування в парі тертя “вал-втулка” з раціональними параметрами ДОТ поверхні втулки показало залежність зношування від робочого навантаження вузла і параметрів топографії поверхні.

Отримана адекватна за F- критерієм Фішера математична модель залежності лінійної інтенсивності зношування - І_h, м на 1 м шляху, від робочого навантаження вузла Р, і геометричних параметрів ДОТ поверхні: щільності лунок Ш, і глибини лунок h, у вигляді:

.

Збільшення щільності лунок та їх глибини, результатом чого є збільшення мастилоємності та жорсткості поверхні, зменшує інтенсивність зношування у всьому діапазоні навантажень (рис. 10). Зростання глибини лунок від 10 мкм до 40 мкм при постійній щільності лунок, наприклад ? = 30%, зменшує зношування втулки в 2,7 рази. При цьому зменшується зношування і немодифікованої поверхні валу у 1,5 рази. Збільшення щільності ДОТ поверхні втулки при постійній глибині лунки h = 25 мкм (рис. 11) зменшує зношування в 2,4 рази.

Порівняння результатів розрахунку лінійної інтенсивності зношування I_h за теоретичною моделлю та експерименту вказує на можливість якісного прогнозування зносостійкості ДОТ поверхонь за умов експлуатації. Як в результаті розрахунків за теоретичною моделлю, так і при експериментальних дослідженнях спостерігається тенденція зниження інтенсивності зношування від 2,3 до 3 разів при збільшенні щільності ДОТ від 15 до 40%.

Як показує аналіз дослідження, формування ДОТ поверхні деталей рухомих вузлів приладів з параметрами, визначеними в допустимій області, збільшує зносостійкість поверхонь тертя у 1,5…3 рази та може забезпечити зниження коефіцієнту тертя у рухомому вузлі майже у 2 рази в режимах експлуатації.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі вирішена наукова задача поліпшення експлуатаційних характеристик і надійності приладів системи керування рухомими об'єктами шляхом формування на робочих поверхнях деталей дискретно-орієнтованої топографії. Визначені раціональні параметри дискретно-орієнтованої топографії та технологічні основи її формування, що забезпечують поліпшення функціональних характеристик вузлів тертя приладів: антифрікційність, несучу здатність, зносостійкість.

На основі проведених досліджень зроблені наступні висновки:

1. Запропоновано науково-обґрунтований метод проектування дискретно-орієнтованої топографії робочих поверхонь деталей на основі системного підходу до досліджень їх параметрів, який забезпечує поверхні деталей широкими функціональними властивостями та поліпшеними експлуатаційними характеристиками.

2. Визначені раціональні параметри дискретно-орієнтованої топографії поверхні тертя для глибини лунок в діапазоні від 12 до 38 мкм і їх щільності на робочій поверхні від 20% до 45% в залежності від фізико-механічних властивостей матеріалу деталі, вхідної якості поверхні перед формуванням, режимів формування і експлуатації та запропоновано новий віброударний метод модифікації поверхні тертя деталей та пристрій, що забезпечує формування поверхні з комплексом необхідних функціональних властивостей: несучої здатності; мастилоємності; коефіцієнту тертя та інтенсивності зношування.

3. Розроблена методологія дослідження на основі створених математичних моделей, алгоритму і схеми вибору параметрів і послідовності проведення аналітично-експериментальних досліджень функціональних поверхонь пар тертя, які призначені для розробки прикладних програм з визначення раціональних параметрів дискретно-орієнтованої топографії, режимів формування і оцінки триботехнічної якості поверхонь тертя при експлуатації.

4. Визначено вплив параметрів дискретно-орієнтованої топографії поверхні на коефіцієнт тертя і зношування та показано експериментально, що раціональні параметри топографії в парі тертя “вал-втулка” з матеріалів: сталі 18Х2Н4МА - вал і сплаву алюмінію АК6 - втулка, забезпечили зниження коефіцієнту тертя майже у два рази і зношування поверхонь втулки в 2,7 рази, валу - в 1,5 рази.

5. Розроблено метод розрахунку режимів формування в залежності від заданих параметрів дискретно-орієнтованої топографії поверхні деталей і технічних характеристик пристрою, ефективність якого підтверджена результатами експерименту.

6. Економічна ефективність використання результатів роботи для виготовлення вузлів тертя системи керування рухомими об'єктами при апробації на приладобудівному підприємстві склала 34,8 тис. гривень. Результати роботи рекомендується використовувати при розв'язанні технологічних задач на приладобудівних підприємствах та науково-дослідних установах України при досліджені, проектуванні та виготовленні вузлів тертя.

СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Возненко В.В. Підвищення експлуатаційних характеристик робочих поверхонь пари тертя // Вісник НТУУ „КПІ”. Приладобудування - 2003. К.: НТУУ “КПІ”, 2003. Вип. 26. С. 73-81.

2. Возненко В.В. Обґрунтування параметрів дискретно-орієнтованих поверхонь деталей пар тертя // Збірник наукових праць НТУ „ХПІ” “Високі технології в машинобудуванні”. Харків: НТУ „ХПІ”, 2005. Вип.2(11). С. 74-83.

3. Возненко В.В. Визначення експлуатаційних характеристик фрикційних поверхонь // Вісник Сумського державного університету. Сер. Технічні науки. Суми: СумДУ, 2006. № 11(83)'2005. С. 33-39.

4. Антонюк В.С., Вовк В.Д., Возненко В.В. Створення дискретно-орієнтованої топографії поверхонь тертя// Міжнародний науково-технічний збірник “Резание и инструмент в технологических системах”. Харків: НТУ „ХПІ”, 2006. Вип. 70. С. 18-25. (Автором визначені основні параметри технологічного процесу створення дискретно-орієнтованої топографії поверхонь деталей приладів, проведено аналіз результатів, розроблена математична модель процесу).

5. Антонюк В.С., Возненко В.В Вплив ДОТ поверхні на трибологічні характеристики пари тертя // Вісник НТУУ „КПІ”. Серія приладобудування. К.: НТУУ “КПІ”, 2006. Вип. 32. С. 71-76. (Автором створено методику та проведені експерименти по реалізації запропонованого способу формування поверхні пар тертя і його трибологічного дослідження).

6. Пат. 47955A Україна, МКИ В23Н9/00. Спосіб формування зносостійких покриттів / Антонюк В.С., Возненко В.В., Волкогон В.М., Ляшенко Б.А.; НТУУ „КПИ”, Укр. № 2001128359; Заявл. 05.12.2001. Опубл. 15.07.2002. Бюл. №7. 3 с. (Автору належать ідеї по зміцненню і формуванню поверхонь тертя, оформлення винаходу).

7. Пат. 77321 Україна, МКИ 7F16C33/14. Спосіб виготовлення поверхонь тертя/ Антонюк В.С., Вовк В.Д., Возненко В.В., Пономаренко А.І., Старицький Л.П., Цирук В.Г.; Укр. № а 2005 00396; Заявл. 17.01.2005. Опубл. 15.09.2006. Бюл. №11. 8 с. (Автору належать ідеї по формуванню поверхонь тертя, експериментальне підтвердження, оформлення винаходу).

8. Антонюк В.С., Возненко В.В. Моделирование дискретных поверхностных структур // Материалы научно-технического семинара “Прогрессивные технологии в машиностроении” 21-23 мая 2002 г., Запорожье. К.: АТМ Украины, 2002. С. 4-7. (Автором розроблена математична модель розрахунку параметрів поверхні та проведено аналіз результатів розрахунку).

9. Антонюк В.С., Возненко В.В., Калініченко В.І. Моделювання термосилових умов навантаження робочих поверхонь деталей та інструменту // Збірник тез доповідей ІІІ науково-технічної конференції “Приладобудування 2004: стан і перспективи”, 20-21 квітня 2004. К.: НТУУ “КПІ”, 2004. С. 83-84. (Автору належить моделювання умов навантаження робочих поверхонь деталей та аналіз результатів моделювання).

10. Возненко В.В, Антонюк В.С. Формирование функциональных рабочих поверхностей пар трения // Збірник тез VІІ Міжнародної молодіжної науково-практичної конференції “Людина і космос”. Дніпропетровськ: НЦАОМУ, 2005. С. 372. (Автором розроблена методика вибору оптимальних параметрів мікрорельєфу при формуванні поверхні тертя).

11. Возненко В.В. Нове в конструюванні поверхонь дискретно-орієнтованої структури // Материалы 5-го Международного научно-технического семинара “Современные проблемы подготовки производства, заготовительного производства, обработки и сборки в машино-строении и приборостроении”,22-24 февраля 2005, Свалява, Карпаты. К., 2005. С. 18-22.

12. Возненко В.В., Калініченко В.І. Розрахунок параметрів поверхні тертя з дискретно-орієнтованою топографією // Збірник тез доповідей ІV науково-технічної конференції “Приладобудування: стан і перспективи”, 26-27 квітня 2005. К.: НТУУ “КПІ”, 2005. С. 97-98. (Автором розроблено метод розрахунку параметрів поверхні тертя з дискретно-орієнтованою топографією, проведені дослідження та аналіз отриманих параметрів).

13. Возненко В.В. Обґрунтування параметрів дискретно-орієнтованих поверхонь пар тертя // Материалы XIV Международного технического семинара “Высокие технологии: тенденции развития”, 12-17 сентября 2005. Харьков - Алушта: НТУ „ХПИ”, 2005. С. 26.

14. Антонюк В.С., Вовк В.Д., Возненко В.В. Формування дискретно-орієнтованої топографії поверхонь тертя // Материалы 6-й Международной научно-технической конференции “Инженерия поверхности и реновация изделий”, 30 мая -1 июня 2006, г. Ялта. Киев: АТМ Украины, 2006. С. 13-17. (Автором розроблено методику, виконані експериментальні дослідження і аналіз отриманих результатів).

АНОТАЦІЯ

Возненко В.В. Поліпшення експлуатаційних характеристик деталей приладів шляхом формування функціональних поверхонь з дискретно-орієнтованою топографією - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.14 - Технологія приладобудування. - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2006.

Дисертаційна робота вирішує науково-технічну задачу поліпшення експлуатаційних характеристик і надійності приладів системи керування рухомими об'єктами шляхом формування на деталях рухомих вузлів поверхонь з дискретно-орієнтованою топографією.

В результаті теоретичних та практичних досліджень сучасних методів приладобудування, трибології, технологічних методів інженерії поверхні, які дозволяють керувати властивостями поверхні деталей шляхом її цілеспрямованої модифікації, запропонована та застосована для деталей рухомих прецизійних вузлів приладів методологія створення дискретно-орієнтованої топографії робочих поверхонь деталей. Методологія враховує вплив процесів при експлуатації приладів, вимог до технологічних і геометричних параметрів деталей, фізико-механічних властивостей робочих поверхонь деталей та їх функціонального призначення.

Розробка технологічного забезпечення формування поверхні проведена на основі динамічного методу поверхнево-пластичної деформації. Розроблені методи визначення раціональних параметрів дискретно-орієнтованої топографії поверхні деталей та режимів її формування і реалізовані у вигляді алгоритмів та схем прогнозуючого розрахунку. Практична реалізація запропонованої методології формування поверхні дозволяє підвищити надійність, точність, швидкодію приладів за рахунок поліпшення таких функціональних характеристик робочих поверхонь деталей для рухомих вузлів приладів, як антифрикційність, несучу здатність, зносостійкість, задиростійкість, якісний режим тертя.

Ключові слова: технологія приладобудування, надійність, функціональні поверхні деталей, поверхнево-пластичне деформування, триботехнічні дослідження, моделювання процесів.

АННОТАЦИЯ

Возненко В.В. Улучшение эксплуатационных характеристик деталей приборов путем формирования функциональных поверхностей с дискретно-ориентированной топографией. - Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук по специальности 05.11.14 - Технология приборостроения.- Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2006.

Диссертационная работа решает научно-техническую задачу по улучшению эксплуатационных характеристик и надежности приборов для системы управления подвижными объектами. Улучшение достигается за счет формирования поверхностей с дискретно-ориентированной топографией на деталях подвижных узлов приборов.

В результате теоретических и практических исследований современных методов приборостроения, трибологии, технологических методов инженерии поверхности, которые позволяют управлять свойствами поверхности деталей путем ее целенаправленной модификации, предложена методология создания дискретно-ориентированной топографии (ДОТ) рабочих поверхностей деталей и применена для деталей в подвижных прецизионных узлах приборов. Методология является перспективной для технологического обеспечения качества и надежности в приборостроении.

Разработано методологическое обеспечение формирования и исследования функциональных свойств рабочих поверхностей деталей, которое включает оригинальные методики:

- формирования ДОТ поверхности трения в виде эллипсоидных лунок глубиной от 10 до 40 мкм и сплошностью от 15 до 45% на основе разработанных соискателем в соавторстве способа и изготовления поверхностей трения виброударным методом поверхностно-пластического деформирования;

- определения технологических режимов формирования ДОТ поверхности;

- экспериментальных исследований маслоемкости и трибологических характеристик в узле трения прибора, состоящего из специальной втулки и вала.

Разработанные методы определения рациональных параметров дискретно-ориентированной топографии поверхности деталей и режимов ее формирования реализованы в виде алгоритмов и схем прогнозирующего расчета. Разработаны математические модели для: оценки и корректировки рационального упрочнения поверхности при формировании ДОТ; определения рациональной маслоемкости ДОТ поверхностей с учетом шероховатости; оценки несущей способности ДОТ поверхностей в паре трения при эксплуатационных нагрузках; прогнозирования влияния параметров ДОТ поверхностей на изнашивание, время безотказной наработки и коэффициент трения.