WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Совершенствование технологии нанесения твердого антифрикционного покрытия на дорожки качения упорно-радиальных подшипников способом ультразвукового механического воздействия

На правах рукописи

Носков Александр Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ ТВЕРДОГО АНТИФРИКЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ
НА ДОРОЖКИ КАЧЕНИЯ УПОРНО-РАДИАЛЬНЫХ ПОДШИПНИКОВ СПОСОБОМ УЛЬТРАЗВУКОВОГО МЕХАНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Специальность 05.02.08 – Технология машиностроения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, лауреат премии Президента РФ Королев Альберт Викторович
Официальные оппоненты: Аникин Анатолий Афанасьевич доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова», профессор кафедры «Технология машиностроения и конструкционных материалов» Бизяев Григорий Николаевич кандидат технических наук, ООО «Р-Пром», г. Саратов руководитель направления «Станки и оборудование»
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет»

Защита состоится 9 декабря 2013 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.02 в ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.» по адресу: 410054, г. Саратов, Политехническая, 77, корп. 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.».

Автореферат разослан ____ ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета А. А. Игнатьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Известно, что надежность и качество работы большинства механизмов, машин и приборов во многом зависят от эксплуатационных свойств подшипниковых опор. Одним из важнейших факторов, влияющих на работоспособность подшипниковых опор, является используемая смазка. Современные виды смазок обладают высокими антифрикционными и другими необходимыми свойствами. Однако при их применении в подшипниках качения возникает ряд проблем. К числу этих проблем относятся следующие. Во-первых, в тяжело нагруженных шариковых и роликовых подшипниках в области контакта рабочих поверхностей действуют высокие контактные напряжения, под действием которых любые, даже самые эффективные виды смазок полностью или частично выдавливаются из зоны контакта и, следовательно, не оказывают в полной мере свое необходимое действие. Это приводит к повышенному трению дорожек и тел качения, повышенному износу и снижению усталостной прочности. Во-вторых, в подшипниках качения, работающих на высоких скоростях, обычная смазка создает значительное сопротивление вращению, что также вызывает повышенное трение и активный износ деталей подшипников. В особенно тяжелых условиях работают упорно-радиальные подшипники верхней опоры передней стойки легковых отечественных автомобилей, таких как «Калина», «Приора», «Гранта», а также автомобилей зарубежных изготовителей: Renault, Nissan, Ford, Volkswagen и многих других. Отечественные и некоторые импортные упорные подшипники не обеспечивают требуемый ресурс работы. Одной из причин этого является выдавливание смазки из рабочей зоны и из подшипника, в результате чего подшипники после короткого времени эксплуатации вынуждены работать без смазки.

Решение указанных проблем возможно несколькими способами. Наиболее активно в этой области работали Б.М. Бржозовский, А.В. Королев, О.Ю. Давиденко, Н.В. Бекренев, В.Г. Куранов и др. На взгляд автора, наиболее эффективным из известных способов является способ создания на поверхности трения твердого покрытия из антифрикционного материала, что гарантирует снижение трение в рабочей зоне подшипниковых опор, а следовательно, снижение сопротивления вращению, износа и повышенного тепловыделения в опорах. К сожалению, существующие способы нанесения твердого антифрикционного покрытия на рабочие поверхности не достаточно совершенны. Технология их нанесения малопроизводительна, требует наличия сложного оборудования и других технических средств. Качество покрытия получается низким, под действием контактных напряжений покрытия быстро разрушаются.

Поэтому тема данной диссертации, направленная на повышение эффективности нанесения на поверхность дорожек качения упорных подшипников твердого антифрикционного покрытия, является актуальной.

Целью данной работы является совершенствование технологии нанесения антифрикционного покрытия на дорожки качения упорно-радиальных подшипников способом ультразвукового механического воздействия.



Методы и средства исследования. Построение математической модели процесса нанесения твердого антифрикционного покрытия осуществлялось с применением методов теоретической механики, теории упругости, физики твердого тела. Для моделирования процесса формирования антифрикционного покрытия использовался программный продукт MathCAD V15. Экспериментальные исследования проводились на основе теории многофакторного планирования экспериментов, а обработка полученных данных осуществлялась с использованием методов математической статистики.
В качестве измерительных средств использовалась высокоточная аттестованная измерительная техника ОАО «ЕПК Саратов», ООО «Рефмашпром» и СГТУ имени Гагарина Ю.А.

Научная новизна работы:

1. Разработана математическая модель формирования антифрикционного покрытия дорожек качения упорно-радиальных подшипников при ультразвуковом механическом воздействии на обрабатываемую поверхность через слой антифрикционного материала. Установлен механизм влияния на глубину покрытия основных технологических факторов, в том числе силы прижима индентора к обрабатываемой детали, частоты, амплитуды его колебаний, радиуса индентора, механических свойств материала заготовки, времени обработки и других факторов.

2. Установлены регрессионные зависимости радиуса профиля дорожки качения, момента сопротивления вращению подшипника и глубины покрытия от радиуса индентора, силы его воздействия на обрабатываемую поверхность, времени обработки и частоты вращения заготовки, позволяющие проверить адекватность математической модели и определить рациональные условия обработки.

3. Разработаны алгоритм и программа, моделирующие физические процессы в зоне контакта индентора и профиля дорожки качения, с учетом технологических параметров, таких как свойства обрабатываемого материала, геометрические параметры индентора, шероховатости поверхности и времени обработки.

Практическая ценность работы:

  • разработана технология нанесения твердого антифрикционного покрытия на дорожки качения упорно-радиальных подшипников способом ультразвукового механического воздействия через слой антифрикционного материала;
  • создана конструкция опытной модели ультразвуковой установки для нанесения твердого покрытия на дорожки качения упорных подшипников;
  • предложены рациональные условия обработки дорожек качения упорных подшипников.
  • результаты работы внедрены в «Научном производственном предприятии нестандартных изделий машиностроения» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. в условиях серийного производства и в ООО «Рефмашпром».

Положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Математическая модель формирования антифрикционного покрытия дорожек качения упорно-радиальных подшипников при ультразвуковом механическом воздействии на обрабатываемую поверхность через слой антифрикционного материала, отражающая механизм влияния на глубину покрытия основных технологических факторов и других условий обработки.

2. Регрессионные зависимости радиуса профиля дорожки качения, момента сопротивления вращению подшипника и толщины покрытия от радиуса индентора, силы его воздействия на обрабатываемую поверхность, времени обработки и частоты вращения заготовки, позволяющие проверить адекватность математической модели и определить рациональные условия обработки.

3. Компьютерная модель процесса формирования глубины покрытия на поверхности заготовки в программе MathCad V15.

4. Технология нанесения твердого антифрикционного покрытия на дорожки качения упорно-радиальных подшипников способом ультразвукового механического воздействия.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается лабораторными исследованиями, выполненными с применением научно обоснованных средств измерений и статистических методов обработки экспериментальных данных, а также положительными результатами промышленной апробации предложенных технологических решений.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы в процессе ее выполнения докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях различного уровня:

  • Международной интернет-конференции «Молодые ученые за инновации, создавая будущее» (Саратов, 2011);
  • VI Международной научно-практической конференции «Технологическое обеспечение качества машин и приборов» (Саратов, 2011);
  • научных семинарах кафедры «Технология машиностроения» СГТУ имени Гагарина Ю.А., 2011-2013 гг.;
  • Общероссийском конкурсе проектов Фонда содействия развитию МП НТС в рамках программы «УМНИК 12» (Саратов, 2012).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 14 работ, среди которых 9 статей в изданиях, входящих в Перечень ВАК РФ. Получено положительное решение о выдаче патента по заявке RU №2013122496 «Способ нанесения покрытия».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель, сформулированы научная новизна, практическая ценность работы, основные положения диссертации, выносимые на защиту.

В первой главе произведен анализ современных способов и технических средств, применяемых при нанесении покрытий. Проанализированы современные тенденции увеличения эффективности процессов нанесения твердого антифрикционного покрытия. Рассмотрены аспекты оптимизации процессов нанесения покрытий и направления их совершенствования.

Выполнен обзор методов нанесения антифрикционного покрытия. Анализ этих методов показал, что на подшипниковых предприятиях при изготовлении шарнирных подшипников наиболее часто используется покрытие дисульфидом молибдена, наносимое с помощью эпоксидного клея, и покрытие в виде тонкой пленки антифрикционного композиционного материала типа препрега, которое осуществляется также с помощью клеевых составов. Но эти методы нетехнологичны, трудоемки, высокозатратны и не могут применяться в подшипниках качения, так как не выдерживают высоких контактных напряжений. Среди новых методов нанесения покрытий следует выделить способ нанесения минеральных антифрикционных покрытий и электролитический способ нанесения керамико-полимерных покрытий (МДО-покрытие). В узлах трения двигателей и энергоустановок летательных аппаратов иногда применяют твердое смазочное покрытие, наносимое плазменным напылением. Но эти методы также весьма трудоемки и не обеспечивают необходимой прочности для использования в подшипниках качения.

Наиболее прочное антифрикционное покрытие можно нанести с использованием эффекта механического ультразвукового запрессовывания мелкодисперсного состава материала покрытия во впадины микронеровностей поверхности заготовки и диффузионного соединения этого покрытия с основным материалом заготовки. В данной главе описан физический принцип диффузии и результаты моделирования этого процесса рядом исследователей. Выполнен также анализ эффективности процесса ультразвуковой поверхностной обработки металлических материалов.

На основе выполненного обзора сформулированы задачи работы.

Вторая глава посвящена разработке математической модели формирования антифрикционного покрытия дорожек качения упорно-радиальных подшипников при ультразвуковом механическом воздействии на обрабатываемую поверхность через слой антифрикционного материала. Сформулированы и обоснованы принятые в работе исходные данные и допущения. Рассмотрен механизм влияния на глубину покрытия основных технологических факторов, в том числе силы прижима индентора к обрабатываемой детали, частоты, амплитуды его колебаний, радиуса индентора, механических свойств материала заготовки, времени обработки и других факторов.

На рис. 1 изображена схема перемещения рабочей части инструмента относительно обрабатываемой поверхности. Введем декартову систему

координат. Ось ОХ расположим вдоль направления колебаний индентора, ось – по касательной к направлению вращения обрабатываемой поверхности. Центр декартовой системы координат расположим в центре симметрии колебательных движений индентора. Колебания индентора можно представить в виде гармонических незатухающих колебаний во времени с амплитудой А. В соответствии с законом гармонических колебаний Рис. 1. Схема перемещения рабочей части индентора




, (1)

где – расстояние от оси 0Х, м; Т – период колебаний индентора, с; – время перемещения индентора, с; – амплитуда колебаний индентора, м.

Периодически индентор взаимодействует с обрабатываемой поверхностью и внедряется в нее на глубину

при , (2)

где – глубина внедрения индентора в обрабатываемую поверхность в момент времени , м; m – максимальная глубина внедрения индентора в обрабатываемую поверхность заготовки, м; i – порядковый номер цикла колебания инструмента (i=0,1,2…).

При внедрении индентора в обрабатываемую поверхность возникает сила их взаимодействия:

F.=Fдеф+Fдин+Fадг, (3)

где Fдеф – деформационная составляющая, Н; Fдин – динамическая составляющая, Н; Fадг – адгезионная составляющая, Н.

Адгезионной составляющей пренебрегаем в виду наличия разделяющего слоя антифрикционного материала. Принимаем форму рабочей части индентора в виде шара. Форма дорожки качения упорного подшипника соответствует тору.

Деформационную составляющую силы взаимодействия индентора и обрабатываемой поверхности определим по формулам Герца:

, (4)

где – коэффициент упругих свойств материала контактирующих тел, зависящий от модуля упругости mi и коэффициента Пуассона. Для контактирующих тел, выполненных из разных материалов:

,

m1 и m2 – коэффициенты Пуассона материала выглаживателя и обрабатываемой детали; Е1 и Е2 – модуль упругости для первого и второго тела соответственно, П, – сумма главных кривизн поверхностей тел в месте их первоначального контакта, .

Найдем энергию взаимодействия индентора и обрабатываемой поверхности при единичном контакте. Мгновенное значение энергии, затрачиваемой на деформацию обрабатываемой поверхности, равно

, (5)

где u – энергия, затрачиваемая на деформацию, Дж.

Подставляя в равенство (5) значение деформационной составляющей силы (4) и интегрируя полученное выражение по глубине воздействия инструмента на обрабатываемую поверхность, определим количество деформационной составляющей энергии, полученной от одного микровоздействия индентора на обрабатываемую поверхность:

. (6)

Подставив в равенство (6) максимальную глубину взаимодействия индентора и заготовки , выраженную через силу прижима индентора к заготовке , и учитывая, что за время индентор сделает число циклов колебаний, равное , определим деформационную составляющую затраченной энергии за время :

, (7)

где – деформационная составляющая энергии, затраченной за время обработки, Дж; – время обработки, с; – частота колебаний индентора, Гц.

Динамическая составляющая искомой энергии, затрачиваемой на единичный удар индентора по обрабатываемой поверхности, равна кинетической энергии индентора в момент удара:

, (8)

где – колеблющаяся масса, кг.

Дифференцируя равенство (1) по времени, найдем скорость индентора в момент удара:

, (9)

где – момент удара, с.

На основе (10) и (11) определим динамическая составляющая искомой энергии, затрачиваемая на единичный удар индентора по обрабатываемой поверхности:

. (10)

Тогда за время от начала обработки суммарная динамическая составляющая энергии удара будет равна

. (11)

Полученные равенства (8), (10) позволяют выполнить анализ процесса создания на поверхности заготовки антифрикционного покрытия. Следует отметить, что слой покрытия состоит из двух частей: верхний слой покрытия, образованный индентором путем вдавливания материала покрытия в микронеровности обрабатываемой поверхности, и нижний слой покрытия, возникший за счет диффузии материала покрытия в материал обрабатываемой поверхности. Толщина слоя покрытия, вдавленная в микронеровности поверхности заготовки, равна глубине контакта индентора с поверхностью заготовки. Этот спрессованный слой материала покрытия прочно удерживается микронеровностями заготовки и оказывает основное антифрикционное воздействие на работу подшипника. Материал покрытия, находящийся выше этого вдавленного слоя, легко удаляется с поверхности заготовки после обработки. Материал покрытия, диффундирующий в материал заготовки, способствует более прочному удержанию верхнего слоя покрытия, находящегося между микронеровностями.

Толщину верхнего слоя покрытия найдем из равенства (4):

, (12)

где – толщина покрытия, м; – сила прижима индентора к заготовке, Н, и – размеры площадки контакта индентора с заготовкой, мм; и – параметры кривой опорной поверхности, мм; – предел текучести материала заготовки, МПа; – величина пластической деформации микронеровностей.

В общем случае диффузия распространяется по всем возможным направлениям. Но нас интересует процесс диффузии, осуществляемый в направлении, перпендикулярном обрабатываемой поверхности. Поэтому в качестве основного закона, описывающего процесс диффузии углерода в обрабатываемую поверхность, было принято уравнение Фика в следующем виде:

, (13)

где Jс – удельный поток вещества, проходящий через единицу площади в единицу времени, ; D – коэффициент диффузии, т.е. плотность диффузионного потока материала при единичном градиенте концентрации, ; – градиент концентрации диффундирующей примеси в направлении процесса диффузии на расстоянии от поверхности заготовки в момент времени от начала процесса диффузии, .

Температурная зависимость коэффициента диффузии имеет вид

, (14)

где Do – частотный множитель, характеризующий частоту перескоков атомов в решетке при бесконечно большой температуре, ; U – энергия активации, Дж; R – постоянная Больцмана, ; – абсолютная температура, К.

Второй закон Фика характеризует материальный баланс процесса переноса вещества при диффузии и может быть записан в виде так называемого уравнения непрерывности:

. (15)

На основе (15) с учетом равенства (13) получим

. (16)

Определим граничные условия. Так как антифрикционный материал находится на поверхности заготовки в избытке, концентрация легирующей примеси у ее поверхности неизменна во времени и равна Co, то есть

C (0,) = Co =const при 0 и z = 0. (17)

При этом предполагается, что в первый момент времени концентрация примеси в объеме полубесконечного тела равна нулю, то есть

C (z,)=0 при =0 и z >0; (18)

C (, ) =0 при 0 и z. (19)

С учетом граничных условий (17)-(19) и принятого обозначения решение равенства (16) примет следующий вид:

. (20)

Решая совместно равенства (13) и (20), найдем скорость процесса диффузии:

. (21)

Интегрируя полученное выражение (21) по времени, найдем величину дозы материала покрытия, диффундирующего через единицу площади обрабатываемой поверхности за время диффузии :

. (22)

Раскрывая значение (14), найдем

. (23)

Источником тепла при ультразвуковой обработке является деформация обрабатываемой поверхности индентором. Считается, что энергия механической деформации поверхности изделия распределяется следующим образом: нагрев обрабатываемой поверхности, нагрев инструмента, излучение тепла в пространство, получение новой поверхности, остаточная деформация в атомной решетке обрабатываемой поверхности. На основе теоретических и экспериментальных исследований Н.Д. Папшев, М.К. Александров, О.М. Акушская установили, что подавляющая часть затрачиваемой энергии при поверхностной пластической деформации (ППД) переходит в нагрев детали.

Радиусы индентора и дорожки качения выбираются так, что контакт осуществляется по всему профилю дорожки качения, и, выполнив развертку контактной зоны, можно рассматривать обрабатываемую поверхность плоской, а саму поверхность представить полупространством при следующих начальных условиях: , где – координаты рассматриваемой точки обрабатываемой поверхности соответственно в направлении ее перемещения и вдоль источника относительно его центра. Процесс теплообмена между источником и обрабатываемой поверхностью будем считать адиабатическим.

Обычно при расчете температуры при ППД в качестве источника тепла используют сферический источник. Однако для нашего случая длина контакта индентора с обрабатываемой поверхностью в поперечном сечении дорожки качения более чем на порядок превышает размер пятна контакта в направлении вращения заготовки. В этом случае с меньшей ошибкой следует считать источник тепла плоским. Так как время контакта индентора с обрабатываемой поверхностью мало, источник тепла будем считать мгновенным. Мгновенный плоский источник тепла можно рассматривать как совокупность множества точечных источников, расположенных не некоторой прямой. Поэтому, интегрируя известное решения для точечного источника вдоль оси по , получим

где – начальный момент времени, с, – время от начального момента действия источника, с, u – удельное количество тепла, выделенное мгновенным источником в начальный момент времени , Дж/м, – плотность материала изделия, , – коэффициент температуропроводности, , – удельная теплоемкость, Дж/(кг К).

После интегрирования получим

. (24)

Тепло от каждого импульса мгновенно распространяется в глубь металла, поэтому температура на обрабатываемой поверхности мгновенно понижается. Но в зоне обработки за счет высокой частоты колебаний индентора создается множество мгновенных источников тепла, тепловые потоки которых накладываются друг на друга. При последовательном действии мгновенных тепловых источников тепловой поток за счет мгновенного отвода тепла не наращивается в рассматриваемой точке, а выравнивается по всей рабочей зоне.

Из равенства (24) найдем среднее значение температуры за время одного цикла колебаний индентора:

. (25)

После преобразования (25) получим

. (26)

Найденное значение температуры является средним значением температуры в зоне контакта индентора и обрабатываемой поверхности. Время действия этой температуры равно

, (27)

где – диаметр обрабатываемой дорожки качения, мм, – частота вращения изделия, Гц.

Подставляя найденные значения температуры (26) и времени ее действия (27) в равенство (23), определим искомое количество диффундирующего вещества за один оборот заготовки. Зная частоту вращения заготовки, несложно определить эту величину за все время обработки детали.

По результатам построения математической модели предложен алгоритм расчета параметров процесса нанесения покрытия и величины науглероживания поверхностного слоя обрабатываемой детали, а также построена программа расчетов в среде MathCad V15.

Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментом. В качестве примера на рис. 2 показаны теоретические и экспериментальные значения толщины покрытия от силы воздействия индентора на обрабатываемую поверхность. Точками изображены экспериментальные значения, сплошной линией – теоретические. Пунктирными линиями показаны доверительные границы экспериментальных значений. Рис. 2. Расчетные и экспериментальные зависимости толщины покрытия мкм)
от силы F (Н) воздействия индентора

Как видно, теоретические значения толщины покрытия находятся в пределах доверительных границ экспериментальных значений, что подтверждает адекватность математической модели.

В третьей главе представлена методика проведения экспериментальных исследований. Обоснован выбор объектов, средств и условий проведения экспериментальных исследований, описана конструкция экспериментальной установки.

Объектом исследования являлось кольцо упорно-радиального подшипника 1118-2902840 конструкции НПП НИМ СГТУ. Рабочая часть кольца изготовлена из малоразмерного проката, выполненного из стали 65Г, закаленной до твердости 48-50 HRC.

На рис. 3 показана фотография экспериментальной установки. Шпиндель изделия с приводом установлен вертикально внутри сварной станины. На конце шпинделя выполнено приспособление для закрепления заготовки. Привод шпинделя позволяет ступенчато изменять частоту вращения заготовки. Сверху на станине установлена вертикальная направляющая, вдоль которой свободно перемещается горизонтально расположенная плоская пластина с закрепленным на ней пьезокерамическим ультразвуковым преобразователем. На конце ультразвукового преобразователя закреплен инструмент в виде твердосплавного шарика из материала ВК-8 радиусом .

Ультразвуковой преобразователь при перемещении вместе с плоской пластиной на вертикальной направляющей имеет возможность прижиматься к обрабатываемой поверхности заготовки. Сила прижима обеспечивается специальным грузом, устанавливаемым сверху на плоскую пластину.

Рис. 3. Фотография экспериментальной установки Ультразвуковой преобразователь получает энергию от ультразвукового генератора УЗУ-0,25. Порошок мелкодисперсного графита или дисульфида молибдена засыпается на обрабатываемую поверхность заготовки в несвязанном виде. Для определения толщины покрытия изготавливались микрошлифы, а измерения осуществлялись на металло-графическом микроскопе МИМ-8. Осуществлялся неполный факторный эксперимент . На основе результатов предварительных отсеивающих экспериментов установлены наиболее значимые факторы: радиус индентора , время обработки , сила прижима индентора к обрабатываемой поверхности (F), частота вращения заготовки n, и области

их определения. Контролируемыми факторами являлись rg – радиус дорожки качения, мм; M – момент сопротивления вращению подшипника, Н*мм; h – толщина покрытия, мкм. В качестве математической модели процесса образования покрытия использовались степенные зависимости. С целью обработки экспериментальных данных степенные зависимости путем логарифмирования приводились к линейному виду.

Проверка значимости коэффициентов производилась на основе критерия Стьюдента. Проверка адекватности всей модели производилась с помощью критерия Фишера.

Четвертая глава посвящена анализу результатов экспериментальных исследований. Получены следующие уравнения регрессии, связывающие радиус дорожки качения , мм, толщину покрытия , мкм, и момент сопротивления вращению , , с радиусом индентора , мм, временем обработки , с, силой прижима индентора к заготовке , Н, и частотой вращения заготовки , об/мин:

;

;

Для наглядного представления полученных результатов построены графические зависимости. В качестве примера на рис. 4 показаны зависимости радиуса дорожки качения, момента сопротивления вращению подшипника и толщины покрытия от времени обработки.

Как видно из рисунков, время является одним из значимых факторов процесса нанесения твердого покрытия. Так, при увеличении времени обработки с 20 до 60 секунд происходит увеличение радиуса дорожки качения от 2,76 до 2,92 мм (в 1,058 раза) при минимальных прочих действующих факторах. При верхнем уровне факторов варьирования происходит увеличение радиуса дорожки качения подшипника с 3,14 до радиуса 3,22 (в 1,025 раза). Объясняется это тем, что при максимальных действующих факторах в более короткое время происходят пластические деформации на дорожке качения подшипника, и поэтому время обработки влияет в меньшей степени на изменение профиля дорожки качения.

Рис. 4. Графики зависимостей радиуса дорожки качения , толщины покрытия и момента сопротивления вращению от времени обработки при максимальных, средних и минимальных значениях других факторов

С возрастанием времени обработки толщина покрытия уменьшается. Это объясняется тем, что с течением времени снижается шероховатость обработанной поверхности, между неровностями которой запрессовано покрытие. Значительное влияние на время обработки оказывает и на момент сопротивления вращению. При увеличении времени обработки с 20 до 60 секунд происходит снижение момента сопротивления вращению с 0,34 до 0,22 Н/мм (в 1.54 раза). При увеличении прочих параметров обработки: радиуса индентора, силы прижатия индентора к обрабатываемой поверхности и частоты вращения заготовки, момент сопротивления вращению изменяется незначительно.

Оптимизацию условий нанесения покрытия осуществляли на основе симплекс-метода. Для этого на основе полученных моделей процесса была построена математическая модель этого процесса в виде системы неравенств и целевой функции. Ограничительными факторами являлись радиус дорожки качения, момент сопротивления вращению и толщина покрытия. В качестве критерия оптимизации принято наименьшее значение времени обработки. Выполненные исследования позволили определить рациональные условия процесса нанесения покрытия на дорожек качения упорных подшипников: , , ; .

В пятой главе приведены практические рекомендации и расчет технико-экономической эффективности результатов исследования.

Показано, что областью практического применения полученных результатов является подшипниковое производство упорных и упорно-радиальных подшипников. Предложены рациональные условия нанесения покрытия, разработаны рекомендации по созданию промышленного оборудования для выполнения этой операции.

Выполнено многостороннее тестирование подшипников. Исследованы статическая грузоподъемность подшипников, стойкость к ударной нагрузки, стойкость к ложному бринелированию, момент сопротивления вращению подшипника, стойкость к воздействию влаги и загрязнений, сила фиксации замков кожухов и другие. Успешно проведены стендовые испытания подшипников. Выполненное тестирование показало высокое качество подшипников с твердым антифрикционным покрытием дорожек качения.

Несмотря на необходимость введения дополнительной операции нанесения антифрикционного покрытия, что увеличивает себестоимость производства подшипников, производитель от внедрения предлагаемой технологии получает высокий экономический эффект. Экономический эффект достигается от повышения качества подшипников, а следовательно, от увеличения их цены и, что очень важно, от увеличения объемов продаж и, как следствие, объемов производства подшипников. Срок окупаемости капитальных вложений не превышает 6 месяцев.

Расчет экономического эффекта от практического использования предложенной технологии осуществлялся приближенным к условиям ОАО «ЕПК Саратов». Расчет показал, что при потребном объеме выпуска подшипников 1118-2902840-04 в количестве 500 тыс. шт. в год экономический эффект составляет 2,665 млн. руб. в год.

Внедрение результатов осуществлялось в НПП НИМ СГТУ в условиях серийного производства и в ООО «Рефмашпром» в условиях массового производства подшипников 1118-2902840-04, используемых в верхней опоре передней стойки автомобилей ВАЗ «Калина», «Приора», «Гранта».

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили решить поставленную в работе актуальную задачу разработки перспективной технологии нанесения твердого антифрикционного покрытия на дорожки качения упорно-радиальных подшипников способом ультразвукового механического воздействия, обеспечивающего повышение качества подшипников.

2. Предложена математическая модель формирования антифрикционного покрытия дорожек качения упорно-радиальных подшипников при ультразвуковом механическом воздействии на обрабатываемую поверхность через слой антифрикционного материала, отражающая механизм влияния на глубину покрытия основных технологических факторов, в том числе силы прижима индентора к обрабатываемой детали, частоты, амплитуды его колебаний, радиуса индентора, механических свойств материала заготовки, времени обработки и других факторов.

3. Выполнены экспериментальные исследования, позволившие построить регрессионные зависимости радиуса профиля дорожки качения, момента сопротивления вращению подшипника и глубины покрытия от радиуса индентора, силы его воздействия на обрабатываемую поверхность, времени обработки и частоты вращения заготовки, позволяющие проверить адекватность математической модели и определить рациональные условия обработки.

4. Предложена методика определения рациональных условий осуществления процесса формирования твердого покрытия, определены рациональные условия осуществления обработки колец упорного подшипника 1118-2902840: радиус индентора , время обработки , частота вращения заготовки ; сила прижима индентора к заготовке .

5. Определена область практического использования результатов работы – в основном это производство упорных и радиально-упорных подшипников. Но предложенная технология может найти применение и в других областях промышленного производства: при производстве шарнирных подшипников, шариковых, роликовых подшипников, в станкостроении при производстве шпиндельных узлов технологического оборудования, в двигателестроении при производстве опор скольжения автомобильных двигателей, в производстве летательных аппаратов, различного рода турбин, бытовой техники, различных приборов и во многих других случаях, где требуется обеспечить высокую надежность опор скольжения или качения, работающих при повышенных нагрузках, высоких скоростях, высокой температуре, неблагоприятных условиях смазки и др.

6. Экономическая эффективность практического использования предложенной технологии обеспечивается за счет повышения качества подшипников и, как следствие, увеличения их цены и объемов выпуска. Результаты работы внедрены в НПП НИМ СГТУ в условиях серийного производства и в ООО «Рефмашпром» в условиях массового производства подшипников 1118-2902840-04, используемых в верхней опоре передней стойки автомобилей ВАЗ «Калина», «Приора», «Гранта».

По теме диссертации опубликованы следующие работы,

раскрывающие ее основное содержание:

Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ

  1. Носков, А.С. Ультразвуковая финишная обработка с эффектом насыщения поверхностного слоя детали графитом [Текст] / А.С. Носков, Р.А. Березняк // Вестник Саратовского государственного технического университета. – 2012. – № 1. – С. 53-56. ISSN 1999-8341
  2. Носков, А.С. Молекулярно-кинетический перенос углерода в поверхностные слои детали при ультразвуковом выглаживании [Текст] / А.С. Носков, А.В. Королев // Автомобильная промышленность. – 2012. – № 7. – С. 35-37. ISSN 0005-2337
  3. Носков, А.С. Исследование технологии нанесения на поверхность дорожки качения подшипников твердой графитовой смазки методом ультразвуковой поверхностной обработки [Текст] / А.С. Носков, А.В. Королев // Вестник Саратовского государственного технического университета. – 2011. – № 3 (45). – Вып. 2. – С. 106-108. ISSN 1999-8341
  4. Носков, А.С. Ультразвуковая суперфинишная обработка с эффектом насыщения твердой графитовой смазки [Текст] / А.С. Носков, А.В. Королев // Вестник Саратовского государственного технического университета. – 2011. – № 3 (45). – Вып. 2. – С. 106-108. ISSN 1999-8341
  5. Носков, А.С. Безабразивное суперфиниширование [Текст] / А.С. Носков, А.В. Королев, А.А. Королев // Вестник Саратовского государственного технического университета. – 2011. – № 2 (45). – Вып. 3. – С. 68-70. ISSN 1999-8341
  6. Носков, А.С. Исследование технологии нанесения на поверхность дорожки качения подшипников твердой графитовой смазки методом ультразвуковой поверхностной обработки [Текст] / А.С. Носков, А.В. Королев // Вестник Саратовского государственного технического университета. – 2011. – № 2 (45). – Вып. 3. – С. 107-109. ISSN 1999-8341
  7. Носков, А.С. ультразвуковая финишная обработка с эффектом нанесения твердой графитовой смазки [Текст] / А.С. Носков, Т.А. Балтаев // Вестник Саратовского государственного технического университета. – 2011. – № 2 (45). – Вып. 3. – С. 109-113. ISSN 1999-8341
  8. Носков, А.С. Исследование технологии нанесения на поверхности дорожки качения подшипника твердой графитовой смазки методом ультразвуковой поверхностной обработки [Текст] / А.С. Носков, А.В. Королев, О.П. Решетникова, Б.Н. Салимов // Трение и смазка в машинах и механизмах. – 2013. – № 7. – С. 20-23. ISSN 1819-2092
  9. Носков, А.С. Экспериментальное исследование нанесение на поверхность дорожки качения подшипников твердой графитовой смазки ультразвуковым методом [Текст] / А.С. Носков, А.В. Королев, О.П. Решетникова, Б.Н. Салимов // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2013. – № 9. – С. 3-6. ISSN 1813-1336

Публикации в других изданиях

10. Носков, А.С. Ультразвуковая финишная обработка с эффектом насыщения поверхностного слоя детали графитом [Текст] / А.С. Носков, А.В. Королев // Прогрессивные направления развития технологии машиностроения: сб. науч. тр. – Саратов: СГТУ, 2009. – С. 198-200.

11. Носков, А.С. Молекулярно-кинетическое явление переноса углерода в поверхностные слои детали при ультразвуковом выглаживании [Текст] / А. С. Носков, Р.А. Березняк // Технологическое обеспечение качества машин и приборов: сб. науч. тр. VI Междунар. науч.-практ. конф., ноябрь 2011 г. – Пенза: Приволжский Дом знаний, 2011. – С. 53-55.

12. Носков, А.С. Effectiveness of ut in mechanical engineering [Текст] / А.С. Носков, А.В. Королев // Молодые ученые за инновации: создавая будущее: материалы Междунар. интернет-конф., Саратов, 27-29 апреля 2011 г. Саратов: СГТУ, 2011. С. 136-139. ISBN 978-5-7433-2413-2

13. Носков, А.С. Mathematical model application to track roller thrust bearing solid graphite grease the ultrasonic method and determination of the contact patch smoother and profile grooves / А.С. Носков, А.В. Королев, О.П. Решетникова, А.Г. Мирошкин // Applied Sciences in Europe: tendencies of contemporary development. – 2013. – С. 150-153. ISBN 978-3-944375-09-0

14. Носков, А.С. Конкурентоспособная технология нанесения прочного антифрикционного покрытия на основе применения ультразвуковой энергии [Текст] / А.С. Носков, А.В. Королев // Восьмой Саратовский салон изобретений и инвестиций. – Саратов: Буква, 2013. – С.264-265. ISBN 978-5-905472-24-8

Носков Александр Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ НАНЕСЕНИЯ ТВЕРДОГО АНТИФРИКЦИОННОГО ПОКРЫТИЯ НА ДОРОЖКИ КАЧЕНИЯ УПОРНО-РАДИАЛЬНЫХ ПОДШИПНИКОВ СПОСОБОМ УЛЬТРАЗВУКОВОГО МЕХАНИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Автореферат

Подписано в печать 28.10.13 Бум. офсет. Тираж 100 экз. Усл. печ. л. 1,0 Заказ Формат 6084 1/16 Уч.-изд. л. 1,0 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77

Отпечатано в Издательстве СГТУ: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77

Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru



 





<


 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.