Совершенствование технологии изготовления прецизионных деталей тело вращения на основе применения ультразвукового упрочнения и поверхностно-активных веществ

На правах рукописи

Кудашева Ирина Олеговна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ДЕТАЛЕЙ «ТЕЛО ВРАЩЕНИЯ»

НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО УПРОЧНЕНИЯ И ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2008

Работа выполнена

в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор

Косырев Сергей Петрович

Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор

Аникин Анатолий Афанасьевич

– кандидат технических наук, профессор

Болкунов Владимир Васильевич

Ведущая организация: ОАО «Балаковский завод запасных деталей»

Защита состоится 25 июня 2008 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.02 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, корп.1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической
библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический
университет».

Автореферат разослан мая 2 008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета А.А. Игнатьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Эксплуатационная надёжность машин определяется в основном качественным состоянием рабочих поверхностей деталей, формируемых на финишных операциях технологических процессов (напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя, технологические остаточные напряжения, динамика нагружения, физико-механические свойства материала, макро- и микрогеометрия, геометрическая точность). Стабильность геометрических размеров, например, достигается за счёт снижения начальных технологических остаточных напряжений и повышения релаксационной стойкости, осуществляется различными технологическими методами, называемыми процессами вибрационного старения. Выходным параметром систем вибрационного старения является динамическая сила, изменяемая как по амплитуде, так и по частоте, так как эффективность вибрационного старения зависит главным образом от деформации металла, которая, в свою очередь, определяется прикладываемой динамической нагрузкой. Создание на рабочих поверхностях прецизионных деталей композиционных покрытий из поверхностно-активных веществ (ПАВ) как разновидность технологии поверхностного пластического деформирования (ППД) снижает динамическую нагрузку в слое путём формирования тонких износостойких пленок из эмульгатора на поверхностях контакта прецизионных деталей с втулками. При этом колебательный процесс в масляном слое полностью демпфируется, повышая его несущую способность и, соответственно, эксплуатационную надежность конструкций. Применение таких покрытий является весьма перспективным направлением, открывающим широкие возможности управления физико-механическими свойствами контактирующих поверхностей. Несмотря на успех в этих областях, ряд важных теоретических и практических вопросов не нашли своё отражение в технологических процессах получения биметаллических слоёв и композиционных покрытий из эмульгаторов, различных участков поверхности конструкций.

Одним из перспективных методов, позволяющих решить поставленные задачи, является эффективный и экологически чистый способ упрочняющей обработки деталей ультразвуком (УЗО) с одновременным нанесением антифрикционных композиционных покрытий. В основу метода положен процесс технологического ППД, который позволяет, варьируя технологическими режимами обработки и составом покрытия, получить поверхность с необходимыми физико-механическими свойствами. В процессе обработки происходит формирование благоприятного напряженно-деформированного состояния материала поверхностных слоёв прецизионных деталей, технологических остаточных напряжений в них, оптимальной шероховатости, обеспечивающих повышенные эксплуатационные характеристики рабочих поверхностей.

В связи с вышеизложенным, актуальным является комплексное исследование процесса обработки, изучения взаимосвязи показателей динамики нагружения поверхностей с режимами обработки, составом покрытия, эксплуатационными характеристиками контактирующих поверхностей.

Данная работа является частью исследований, входящих в комплексные научно-технические программы ОАО «Волжский дизель им. Маминых»: 0.13.07 «Создание и освоение производства новых типов двигателей внутреннего сгорания и агрегатов на их базе», а также других целевых комплексных научно-технических программ по развитию транспортного двигателестроения, что подтверждает её актуальность.

Целью работы является совершенствование технологии изготовления прецизионных деталей «тело вращения» на основе применения УЗО и ПАВ для обеспечения эксплуатационной надёжности деталей машин за счёт улучшения эксплуатационных свойств рабочих поверхностей.

На основании изучения состояния вопроса и предварительного анализа по выбору перспективных путей повышения эксплуатационной надёжности прецизионных деталей «тело вращения» для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

– исследовать влияние технологических факторов УЗО на технологические остаточные напряжения и усталостную прочность прецизионных деталей;

– разработать методы и провести исследования напряженности и гидродинамики масляного слоя прецизионных деталей «тело вращения» в условиях применения ПАВ;

– провести исследования процессов нагружения прецизионных деталей в условиях поверхностной ультразвуковой обработки и технологических остаточных напряжений;

– разработать, внедрить в производство и эксплуатацию технологические методы повышения эксплуатационной надёжности прецизионных деталей «тело вращения».

Научная новизна диссертации заключается в комплексном подходе к достижению поставленной цели, учитывающем:

– разработку и апробацию на практике технологического метода УЗО, решение аналитическим методом задачи по определению комплексного критерия – коэффициента динамичности во время УЗО;

– разработку, обоснование и внедрение технологического метода эксплуатационного исследования гидродинамики прецизионных деталей, а также совокупность научных положений и рекомендаций по применению ПАВ;

– развитие и решение поставленной практикой задачи теории виброударного динамического нагружения прецизионных деталей и образцов-свидетелей при УЗО.

Методы и средства исследования. Теоретические исследования были проведены с использованием методов технологии машиностроения, расчетно-аналитических методов теории упругости, сопротивления материалов и метода конечных элементов. Экспериментальные методы исследования базировались на электротензометрии с применением приборов «Стресскан-500» и «ИОН-4М» при исследовании начальных технологических остаточных напряжений после технологического ППД прецизионных деталей «тело вращения» и образцов-свидетелей.

Практическая ценность и реализация результатов работ. Предложенные технологические методы ППД нагруженных поверхностей прецизионных деталей «тело вращения», проведённые в лабораторных и производственных условиях, повышают эксплуатационную надёжность путём снижения неравномерности результирующих напряжений по сечениям деталей в 3-5 раз.

Конструкторско-технологические решения, применение композиционных материалов и поверхностно-активных веществ изменяют условия смазки в прецизионных деталях путём демпфирования колебательного процесса и снижения динамики нагружения, чем повышается несущая способность масляного слоя и прецизионной детали.

Научные и практические результаты работы выполнены в соответствии с грантом № НШ-2064.2003.8 Минпромнауки России и использованы в плановых госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работах за 2000-2007 гг., выполняемых на кафедре «Технология и автоматизация Машиностроения» Балаковского института техники, технологии и управления СГТУ по направлению «Разработка научных основ повышения эксплуатационной надёжности машиностроительных изделий конструкторско-технологическими методами», что подтверждается имеющимися актами внедрения: ОАО «Волжский дизель им. Маминых», ОАО «Саратовдизельаппарат», ООО ПКР «Дизельсервис», ООО «Автоколонна». Работа прошла апробацию на практике совершенствования технологий ППД прецизионных деталей «тело вращения» и образцов-свидетелей.

На защиту выносятся:

– технология ППД образцов-свидетелей прецизионных деталей деформированием технологической УЗО и ПАВ;

– результаты экспериментальных исследований по изучению влияния технологических остаточных напряжений от технологического ППД УЗО и ПАВ на общее суммарное напряженное состояние прецизионных деталей;

– результаты теоретических исследований по определению основных закономерностей напряженного состояния прецизионных деталей «тело вращения» на основе базового метода конечных элементов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: ХI Международной конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2007); Межгосударственных научно-технических семинарах по двигателям внутреннего сгорания (Саратов, 2006-2007); VIII Российской научной конференции «Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах» (Саратов, 2005); IХ Межвузовской Российской научной конференции «Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах» (Балаково, 2007); ежегодных научно-технических конференциях кафедры «Технология машиностроения» Саратовского государственного технического университета (2007); ежегодных научно-технических конференциях кафедры «Технология и автоматизация машиностроения» Балаковского института техники, технологии и управления СГТУ (2002-2007).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из 100 наименований. Объем диссертации составляет 129 страниц, в том числе 43 рисунка и 16 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель, задачи и научная новизна, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проводится обзор работ по совершенствованию технологии изготовления прецизионных деталей в области процессов упрочняющей обработки методами технологического ППД и его особенности. Методы технологического ППД – высокоэффективные способы технологического обеспечения качества изделий машиностроения в сроки при минимальных затратах труда, материальных и энергетических ресурсов. Из приведенного определения следует, что одной из основных задач является совершенствование технологии машиностроения, направленное на обеспечение заданного качества изделий и их эксплуатационной надежности при изготовлении. Одним из наиболее эффективных направлений в решении этих задач является технологическое обеспечение оптимальных для заданных условий эксплуатации параметров состояния поверхностного слоя, точности изготовления деталей и сборки машин.

Изучению процессов технологического ППД посвящены работы И.В. Кудрявцева, М.А. Балтер, А.Н. Овсеенко, Б.А. Кравченко, В.М. Смелянского, А.Г. Суслова, Я.И. Бараца, Ж.А. Мрочека, С.С. Макаревича, Л.М. Кожуро и др. Их исследованиями доказано, что повышение эксплуатационных свойств деталей достигается упрочнением поверхностного слоя и образования в нем благоприятных начальных технологических остаточных напряжений.

Имеется ряд публикаций, раскрывающих механизмы ультразвукового нагружения образцов – свидетелей при технологическом ППД. Анализ этих работ показывает, что при технологическом ППД поверхностного слоя детали имеется количественная и качественная взаимосвязь между нагруженным состоянием конструкции и начальными технологическими остаточными напряжениями.

Вопросам повышения несущей способности и эксплуатационной надежности прецизионных деталей «тело вращения» технологическими методами путем снижения динамики нагружения масляного слоя и демпфирования колебательного процесса технологическими методами посвящены работы ряда авторов (С.М. Захарова, С.Н. Полевого, В.Д. Евдокимова, Н.А. Буше, С.П. Косырева и др.). Как отмечено в этих работах, эффективным методом, снижающим динамику нагружения, является покрытие рабочей поверхности прецизионной детали ПАВ. Вместе с тем в известных методах при оценке динамики нагружения масляного слоя в силу недостаточной изученности процесса и разноречивых толкований в технической литературе принимается широкий диапазон значений жесткости масляного слоя (от нуля до жесткости опор), что требует дальнейшего уточнения и корректировки расчетных методик по оценке гидродинамики масляного слоя прецизионной детали. Следует отметить, что работы по применению методов технологического ППД в прецизионных деталях «тело вращения» находятся в стадии развития.

Технологические процессы механической обработки, УЗО наряду с микрогеометрией детали, глубиной и степенью упрочнения поверхностного слоя формируют неоднородное силовое поле начальных технологических остаточных напряжений, вызывающих при изготовлении деталей коробление, усталостные трещины. Проследить последовательно этапы формирования неоднородного силового поля начальных технологических остаточных напряжений очень сложно. Имеющиеся немногочисленные теоретические разработки базируются на определении начальных технологических остаточных напряжений в режиме «насыщения», т.е. на таком этапе процесса, дальнейшее проведение которого практически не изменяет напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя. Показано, что при УЗО поверхностного слоя начальные технологических остаточные напряжения дифференцированно зависят от рабочих и монтажных напряжений в конструкции. Показаны пути совершенствования технологии УЗО, связанные с оптимизацией технологических режимов и изучения основных влияющих факторов и параметров. Сделан вывод о недостаточной изученности технологических остаточных напряжений в поверхностном слое при технологическом ППД. Определены в качестве первоначальных задач определения технологических параметров и анализа напряженно-деформированного состояния в очаге деформации. Обоснованы и поставлены задачи исследований.

Вторая глава посвящена исследованию напряженного состояния прецизионных деталей «тело вращения» в условиях технологического ППД. Отечественными и зарубежными исследователями (И.В. Кудрявцев, Н.А. Буше, В.В. Петросов и др.) доказано, что при технологическом ППД поверхностных слоев деталей начальные технологические остаточные напряжения зависят от рабочих и монтажных напряжений в конструкции. При технологическом ППД прецизионных деталей в условиях знакопеременного циклического нагружения поверхностного слоя начальные технологические остаточные напряжения определяются зависимостью

<,

где  – среднее напряжение цикла, определяемое соотношением ,  – предел текучести материала.

При развитии расчётных методик по определению прецизионных деталей в настоящее время распространено применение метода конечных элементов (МКЭ). При этом конкретные рекомендации по эффективному использованию методик на базе МКЭ в технической литературе отсутствуют, нет математического пути решения сходимости по МКЭ, а используемое шаговое увеличение числа конечных элементов (КЭ) приводит к тому, что решение по МКЭ сходится при бесконечном увеличении числа КЭ. Поэтому требуется детальное изучение вопросов применения МКЭ в расчётах напряженного состояния прецизионных деталей. В представленной постановке МКЭ используется как дополнительный метод для создания новых конструкций на стадии проектирования с решением задачи параметрической оптимизации конструкции.

Приведённые в данной работе теоретические предпосылки для расчёта прецизионных деталей в рамках плоской нелинейной задачи, включающей определение граничных условий, напряжений и деформаций, реализованы в расчёте прецизионных деталей на примере регулятора скорости форсированного дизеля 6ДМ-21А (6ЧН21/21). Как пример, разбивка МКЭ прецизионной детали золотника регулятора скорости дизеля 6ДМ-21А представлена на рис. 1 с применением комплексных программ Unigrafics, Desaignspase.

Результаты расчётов напряжений в прецизионной детали МКЭ от действия сил сжатия представлены эпюрами на рис. 2. Согласно этим эпюрам, можно заключить, что напряжения в поршне сервомотора распределяются неравномерно.

Рис. 1. Разбивка МКЭ прецизионной детали (золотника регулятора скорости дизеля 6ДМ-21А (6ЧН21/21))	Рис. 2. Эпюры расчётных МКЭ нормальных напряжений в прецизионной детали (поршне сервомотора регулятора скорости)

Как показал расчёт, минимальный запас усталостной прочности в прецизионной детали (на примере золотника и поршня), определённый по зависимости , соответствует 1,31 и 0,71, здесь В=800-1400 МПа – временное сопротивление растяжения стали – материала прецизионной детали. Согласно литературным данным, рекомендуемый допустимый запас усталостной прочности по пределу текучести . Таким образом, прецизионные детали в точках с максимальными напряжениями по пределу текучести находятся ниже допустимых значений, что требует проведения технологического ППД.

Изучение технологии ППД и установление количественных связей между режимами последнего и напряженно-деформированным состоянием обработанных технологическим ППД поверхностей деталей составляет предмет исследования важного технологического направления, так как аналитически учесть факторы, влияющие на формирование поверхностных слоев после технологического ППД, сложно. Для теоретической оценки начальных технологических остаточных напряжений в поверхностном слое прецизионной детали технологическим ППД на примере нагружения стержня – образца предложена зависимость

,

где Т – предел текучести стальной основы; –приведенный модуль упрочнения.

Начальные технологические остаточные напряжения в поверхностном слое прецизионной детали на примере поршня регулятора скорости при Т=200 МПа, МПа.

Упрочнение наружной шлифованной поверхности прецизионных деталей УЗО ликвидирует начальные растягивающие остаточные напряжения, заменяя их начальными остаточными напряжениями сжатия с максимальной величиной на поверхности 50…200 МПа при глубине наклепа 0,3…0,4 мм.

С целью изучения природы гармонических колебаний рассмотрим математическую модель при использовании ПАВ. Приложенная масса колеблющейся системы 1 жестко опирается на пластину 2, покрытую антифрикционной плёнкой 3, взаимодействующей с масляным слоем 4 (рис. 3).

Рис. 3. Динамическое нагружение масляного слоя в условиях использования ПАВ

Для решения системы выполняем преобразование Лапласа и, преобразуя его, получаем коэффициент динамичности в масляном слое прецизионных деталей «тело вращения» в условиях применения ПАВ

Расчётное значение КД=1,082 соответствует с КД=1,066, найденным двумя методами, и находится в пределах погрешности измерения (10%). Приведённое значение КД отличается от расчётного на 2%, что находится в допустимой для практики точности.

Ввиду сложности формирования неоднородного поля начальных технологических остаточных напряжений в поверхностном слое прецизионных деталей проведена теоретическая оценка напряженного состояния после технологического ППД УЗО на стержнях образцов – свидетелей. Доказано, что учёт начальных технологических остаточных напряжений в расчёте прецизионных деталей на усталостную прочность на 17,6% повышает эксплуатационную надёжность.

Динамическая модель нагружения масляного слоя в прецизионных деталях в условиях технологического поверхностного упрочнения представлена идеализированной максвелловой моделью. Результаты расчёта показывают, что величина минимальной толщины слоя смазки hmin на 18% ниже значений в масляном слое прецизионных деталей без ПАВ.

В третьей главе приводятся результаты исследования, направленные на совершенствования технологических методов и средств для обоснования пара-метров УЗО, определения критериев оптимизации и решения задачи покрытия рабочей поверхности прецизионных деталей ПАВ.

В качестве примера исследуются начальные технологические остаточные напряжения в поверхностном слое образцов, изготовленных из штатных золотников и поршней как прецизионных деталей регуляторов скорости дизелей ЧН 21/21.

Начальные технологические остаточные напряжения в поверхностном слое образцов оцениваются на глубине 210–5 м и контролировали посредством метода измерения магнитоупругости материала прибором «Стресскан 500» (США – Финляндия).

Рис. 4. Результаты замера в зависимости от показаний прибора «Стрескан-500» на поверхностях образцов: 1 – сталь 3; 2 – 20Х13; 3 – 40ХН2МА	Рис. 5. Блок-схема стабилизации технологических остаточных напряжений в поверхностном слое детали: 1 – ультразвуковой генератор; 2 – ванна; 3 – прецизионная деталь; 4 – средство анализа и обработки информации; 5 – система управления

Результаты замера в зависимости от показаний прибора «Стресскан-500» на поверхностях образцов из сталей 3, 20Х13 и 40ХН2МА представлены графически на рис.4 (по приведенной методике оценки в поверхностном слое прецизионных деталей).

Полученные данные показывают, что состояние поверхностного слоя прецизионной детали по параметру не является рациональным, правильно регламентированным в научно-технической литературе и технологически не обеспеченным, что не способствует наиболее полному использованию эксплуатационных свойств материала заготовки.

На рис. 5 представлена блок-схема способа технологической стабилизации технологических остаточных напряжений в поверхностном слое прецизионной детали. Способ осуществляется следующим образом:

1. Устанавливают прецизионную деталь 3 на плиту магнитострикционного преобразователя 2 марки ПМС-6-22 (потребителя).

2. Включают в электросеть питание и управление схемой.

3. Устанавливают резонансную частоту работы магнитострикционного преобразователя 2 и ультразвукового генератора 1 марки УЗГ-2-4М в 19-21 кГц с амплитудой колебаний в 50-80 мкм путём увеличения мощности потребителя до 3-3,5 кВт.

4. Производят обработку прецизионной детали ультразвуковыми колебаниями в течение 10-12 мин.

5. Степень стабилизации начальных технологических остаточных напряжений в деталях оценивают по прибору «ИОН-4М» или «Стрескан-500». При этом контроль качества стабилизации напряжений осуществляют по истечении 24 часов после УЗО прецизионной детали.

Изложенное позволяет сделать вывод, что предложенный способ стабилизации технологических остаточных напряжений в поверхностном слое прецизионной детали «тело вращения» повышает работоспособность конструкции путём снижения технологических остаточных напряжений с 200-250 МПа до 5-15 МПа и их стабилизации во времени, повышается эксплуатационная надёжность конструкций.

Рис. 6. Рабочая поверхность прецизионной детали (поршня регулятора) с кавитационной эрозией	Рис. 7. Рабочая поверхность прецизионной детали (золотника регулятора) с кавитационной эрозией
Рис. 8. Рабочая поверхность прецизионной детали (поршня регулятора) с эмульгатором 6СФК-180-0,5	Рис. 9. Рабочая поверхность прецизионной детали (золотника регулятора) с эмульгатором 6СФК-180-0,5

В масляном слое прецизионных деталей за счет ударно-циклического нагружения параллельно с кавитационной эрозией возникают гидродина-мические колебания, определяемые коэффициентом динамичности КД. Расчетно-экспериментальными исследованиями доказано, что на примере прецизионных деталей регуляторов скорости величина КД в масляном слое составляет 1,20. Для экспериментальной проверки теоретических положений и с целью снижения коэффициента КД с 1,2 до 1,0 изменением условий смазки разработана конструкция поршня, золотника и направляющей втулки, выполненные с нанесенными с рабочей стороны ПАВ, представляющими композиционную смазку – эпиламирующий раствор высокомолекулярных поверхностно-активных веществ во фторсодержащих растворителях хладонах 112, 113, 114В2 или их смесях. В качестве ПАВ использованы отечественные эмульгаторы 6СФК-180-0,5. Как пример, внешний вид рабочей поверхности прецизионных деталей (поршня и золотника регулятора) с кавитационной эрозией без покрытия ПАВ представлен на рис. 6, 7, с покрытием ПАВ – на рис. 8, 9.

Из сравнения рис. 6, 7 и 8, 9 видно, что при покры­тии рабочей поверхности прецизионной детали эмульгатором образуется защитная антифрикционная пленка в сопряжении «поршень – втулка регулятора», «золотник – втулка регулятора».

Технологический процесс покрытия рабочих поверхностей прецизионной детали и направляющей втулки ПАВ включает:

1. Обезжиривание поверхностей в спирте, бензине, ацетоне или других растворителях.

2. Детали погружают в емкость с растворителем, механические примеси удаляют с поверхностей до обезжиривания.

3. Просушку на воздухе при комнатной температуре в течение 300-400 с.

4. Погружение прецизионной детали, направляющей втулки в эпиламирующий раствор на 360-480 с при температуре окружающей среды с периодическим перемешиванием состава. Ёмкость эпилама составляет 1кг на 6 м2 поверхностей прецизионной детали.

5. Сушка эпиламированных прецизионных деталей на воздухе в течение 1200-1800 с является заключительной стадией технологии их обработки эмульгатором.

В масляном слое без ПАВ прецизионных деталей (золотников, поршней регуляторов скорости) имеют место гидродинамические колебания, вызванные воздействием ударной возмущающей силы, и коэффициент динамичности КД=1,2. В этом же слое с эмульгатором КД снижается 1,2 до 1,0, т.е. коэффициент трения приближается к нулю из-за формирования тонких износостойких пленок из эмульгатора на поверхностях контакта прецизионной детали (поршня, золотника) и направляющей втулки. При этом колебательный процесс в масляном слое полностью демпфируется.

В масляном слое с ПАВ колебательный процесс полностью демпфируется, подтверждая правильность выводов о возможности повышения эксплуатационной надёжности прецизионных деталей за счёт изменения условий смазки.

В четвертой главе рассматривается практическое применение полученных результатов и методики экспериментальных исследований напряженного состояния прецизионных деталей на примере золотника и поршня регулятора скорости в условиях технологического ППД при совершенствовании технологии машиностроения.

Для проверки достоверности расчетных величин циклических напряжений в прецизионных деталях (золотнике и нижнем поршне регулятора скорости), определенных по методике главы 2, для оценки точности расчета напряженного состояния прецизионных деталей, погрешность которого может быть вызвана тем, что прецизионная деталь рассматривается в рамках плоской, а не пространственной задачи теории упругости, а также для определения среднего напряжения цикла с целью назначения начальных технологических остаточных напряжений конструкции при технологическом ППД проведено экспериментальное исследование напряженного состояния прецизионной детали на примере золотника и поршня регулятора скорости.

Статическое тензометрирование прецизионной детали растягивающими и сжимающими эксплуатационными нагрузками проводилось на безмоторном стенде – гидропульсаторе ЦДМ200ПУ. Диаметральные зазоры в соединениях прецизионной детали «поршень – втулка» и «золотник – втулка» соответствовали 110–4 и 210–4 м.

В качестве регистрирующего прибора в прецизионной детали и с учётом проведённой тарировки используемых тензорезистров на балке использовался измеритель статических напряжений «Орион». Схемы установки тензорезисторов на прецизионных деталях приведены на рис. 2. Результаты замера квазистатических напряжений в прецизионных деталях золотника и поршня регулятора скорости приведены в таблице.

Квазистатические напряжения на наружной поверхности прецизионной детали
на примере золотника и поршня от действия рабочих нагрузок

Характерные расчётные точки		1	2	3	4
Тензометр		1	2	3	4
золотник	эксп, МПа	-345	-165	190	370
	расч, МПа	-288	-139	159	309
поршень	эксп, МПа	-1355	-920	-480	385
	расч, МПа	-1130	-768	-404	322

Статическое тензометрирование прецизионных деталей подтвердило высокий уровень квазистатических напряжений на наружных поверхностях. Сравнительный анализ напряженного состояния показал, что разница между расчётными и экспериментальными напряжениями не превышает 15%, что указывает на соответствие расчётной методики МКЭ и экспериментальных методик определения напряжений.

Комплекс аппаратуры, применяемой для исследования гидродинамики масляного слоя, включает трёхканальный усилитель ПТМП-3-55 конструкции НПЦ «ЦНИИТМАШ».

Согласно осциллограмме изменений толщины масляного слоя в узлах трения регулятора скорости дизеля ЧН21/21 КД=1,20.

Анализ распределения зон минимальных толщин масляного слоя позволяет сделать следующие заключения: узлы трения прецизионных деталей регулятора скорости работают в гидродинамическом режиме смазки; на номинальном режиме работы дизеля (n=25 с–1, Рz=13 МПа) при монтажных зазорах в узлах трения прецизионных деталей регулятора скорости 0,1-0,2 мм и максимально допустимой по техническим условиям температуры масла М-14 В2, равной 75°С, минимальная толщина слоя смазки в сопряжениях «прецизионная деталь – направляющая втулка» составляет 3,15 мкм, что выше допустимого значения 2,9 мкм согласно статическим данным аналогов зарубежных дизелей; на режиме холостого хода работы дизеля (n=27,5 с–1, Рz=3,5 МПа) минимальная толщина слоя смазки повышается на 40-50%; повышение температуры масла в корпусе регулятора до 80°С снижает толщину слоя смазки на 10-15%, в результате чего на номинальном режиме работы дизеля hmin в регуляторе скорости уменьшается до 2,73 мкм, что выходит за пределы допустимого значения.

Для экспериментальной оценки коэффициента динамичности КД и его влияния на уровень начальных остаточных напряжений в контрольной пластине после УЗО в ОАО «Волжский дизель им. Маминых» проведены специальные исследования.

На рис. 10 представлена осциллограмма динамических напряжений в консольной пластине в процессе УЗО. Анализ показывает, что напряжения образованы сложением двух вынужденных колебаний первой и второй гармоник.

Рис. 10. Осциллограмма динамического нагружения образца-свидетеля при УЗО

Уровень динамики нагружения консольной пластины в процессе УЗО, оцениваемый коэффициентом динамичности КД, определяется из соотношения КД=1+f/F, где f – относительное динамическое изменение напряжений в пластине – разность между средними значениями пик амплитуды и гармоник; F – среднее относительное значение амплитуды гармоники напряжений в пластине. Согласно осциллограмме КД=1+6,6/33=1,2. Начальные технологические остаточные напряжения в пластине при виброударном нагружении 1 определяются между двумя нулевыми линиями 2 и 3, отмеченными на осциллограмме до и после ультразвукового упрочения.

Принимая во внимание виброударный характер нагружения консольной пластины в процессе УЗО и учитывая при этом амплитуду динамического прогиба при снятии образца, получим для определения нормальных технологических остаточных напряжений

.

Реализация технологии упрочняющей обработки ПАВ и УЗО повышают эксплуатационную надёжность по критерию «коэффициент влияния поверхностного упрочнения» до КV=1,244, который лежит в пределах ГОСТ 25.504-82 – 1,10-1,30.

В пятой главе дано технико-экономическое обоснование совершенствования технологии изготовления прецизионных деталей «тело вращения» на примере золотника и поршня регулятора скорости от внедрения УЗО, который составил 445346,3 руб. и от внедрения и ПАВ – 84894,8 руб. Комплексный годовой экономический эффект от внедрения УЗО и ПАВ составил 530241,1 руб.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ основных опубликованных материалов показал, что в настоящее время проблема совершенствования технологического обеспечения повышения эксплуатационных свойств прецизионных деталей решается деформационным упрочнением, но имеющийся опыт нельзя привнести на практику без дополнительных исследований.

2. Разработаны методики определения начальных технологических остаточных напряжений в поверхностных слоях прецизионных деталей при совершенствовании технологического поверхностного пластического деформирования. Например, упрочнение наружной шлифованной поверхности прецизионной детали УЗО ликвидирует начальные растягивающие остаточные напряжения, заменяя их начальными остаточными напряжениями сжатия с максимальной величиной на поверхности в 50…200 МПа при глубине упрочнения 0,3…0,4 мм. Указанное обстоятельство повышает эксплуатационную надежность конструкций по критерию «усталостная прочность» на 17,6%.

3. В условиях динамического нагружения масляного слоя прецизионной детали при применении технологического ППД путем использования ПАВ аналитическим методом решена задача определения необходимой величины минимальной толщины масляного слоя в зависимости от максимального давления цикла, упругости, коэффициента динамической вязкости – параметрах, характеризующих поведение масляного слоя при применении ПАВ.

4. Разработан и освоен на практике теоретический метод МКЭ определения напряжённого состояния прецизионной детали «тело вращения». Результаты исследования напряженного состояния в эксплуатационных условиях с применением МКЭ позволяют более верно судить об эксплуатационной надежности конструкций по критерию усталостной прочности.

5. Решением задачи динамического нагружения масляного слоя в прецизионных деталях «тело вращения» в условиях технологического ППД деформирования доказано, что эксплуатационная надежность прецизионных деталей повышается путем снижения коэффициента динамичности КД с 1,18 до 1,0 и минимальной толщины масляного слоя смазки hmin на 18% из-за изменений условий смазки применением ПАВ за счет демпфирующей способности антифрикционной пленки.

6. Результаты экспериментальных исследований материалов образцов на усталость до и после совершенствования технологического ППД свидетельствуют о том, что упрочняющие обработки ПАВ и УЗО повышают эксплуатационную надежность прецизионных деталей по критерию «коэффициент влияния поверхностного упрочнения» до КV=1,244, который лежит в пределах ГОСТ 25.504-82 – 1,10-1,30.

7. Результаты совершенствования технологии УЗО и ПАВ внедрены в производство и эксплуатацию с годовым экономическим эффектом 530241,1 руб.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих 9 работах:

в изданиях, входящих в перечень ВАК:

1. Кудашева И.О. Оценка виброударного нагружения и начальных остаточных напряжений после поверхностного пластического деформирования поршней и золотников регуляторов скорости форсированных дизелей / И.О. Кудашева, С.П. Косырев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2007. № 3 (27). Вып. 2. С. 48-52.

в других изданиях:

2. Поверхностное пластическое деформирование высоконагруженных деталей транспортных дизелей / И.О. Кудашева, С.П. Косырев, Н.Л. Марьина и др. // Современные технологии в машиностроении: сб. статей ХI Междунар. конф. Пенза: ПДЗ, 2007. С. 62-66.

3. Кудашева И.О. Постановка вопроса повышения эксплуатационной надёжности регуляторов частоты вращения непрямого действия высокофорсированных дизелей / И.О. Кудашева // Проблемы прочности и надёжности строительных и машиностроительных конструкций: межвуз. науч. сб., посвященный 30-летию каф. СММ БИТТУ. Саратов: СГТУ, 2005. С. 293-297.

4. Кудашева И.О. Динамическое нагружение элементов регулятора непрямого действия высокофорсированного дизеля в условиях использования поверхностно-активных веществ / И.О. Кудашева, С.П. Косырев // Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах: докл. 8 Российской научной конференции. Саратов: СООО «АНВЭ», 2005. С. 14-17.

5. Кудашева И.О. Математическая модель напряжённого состояния элементов регуляторов скорости дизелей / И.О. Кудашева, С.П. Косырев // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания: материалы Межгос. науч.-техн. семинара. Саратов: «Саратовский ГАУ», 2007. № 19. С. 8-12.

6. Кудашева И.О. Поверхностное пластическое деформирование элементов регуляторов транспортных дизелей / И.О. Кудашева, С.П. Косырев // Проблемы прочности надёжности и эффективности: сб. научных трудов, посвященный 50-летию БИТТУ (филиала) СГТУ. Саратов: СГТУ, 2007. С. 60-64.

7. Кудашева И.О. Особенности применения метода конечных элементов для расчета напряженного состояния поршней и золотников регуляторов скорости форсированных дизелей / И.О. Кудашева // Математическое моделирование, оптимизация техники, экономических и социальных систем. Саратов: СГТУ, 2007. С. 62-70.

8. Кудашева И.О. Технологическое обеспечение усталостной прочности элементов регулятора непрямого действия / И.О. Кудашева, С.П. Косырев, Л.В. Купцова // Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах: научные труды 9 Межвуз. Рос. науч. конф. Балаково: СООО «АНВЭ», 2007. № 1. С. 76-79.

9. Динамическое нагружение поверхностного слоя высокофорсированной детали после поверхностно-пластического деформирования / И.О. Кудашева, С.П. Косырев, Е.А. Горшков и др. // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания: материалы Межгос. науч.-техн. семинара. Саратов: «Саратовский ГАУ», 2008. Вып. 20. С. 24-26.

Подписано в печать 14.05.08 Формат 60х84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 0,93 (1,0) Уч.-изд. л. 0,9

Тираж 100 экз. Заказ 125 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77

Отпечатано в РИЦ СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77