Кирилів Ярослав Богданович. Технологічне покращання експлуатаційних властивостей циліндричних поверхонь деталей машин вібраційно-відцентровим зміцненням

brief description

Кирилів Ярослав Богданович. Технологічне покращання експлуатаційних властивостей циліндричних поверхонь деталей машин вібраційно-відцентровим зміцненням: дис... канд. техн. наук: 05.02.08 / Національний ун-т "Львівська політехніка". - Л., 2004.

Кирилів Я. Б.Технологічне покращання експлуатаційних властивостей циліндричних поверхонь деталей машин вібраційно-відцентровим зміцненням. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціаль-ністю 05.02.08 технологія машинобудування. Національний університет Львівська політехніка”. Львів, 2004.
Дисертація присвячена дослідженню і розробленню технології зміцнення з високим рівнем енергії циліндричних деталей пар тертя методом вібраційно-відцентрового зміцнювального оброблення (ВВЗО) для забезпечення необхідних фізико-механічних властивостей приповерхневих шарів деталей машин з метою підвищення їх опору зношуванню, корозійному та кавітаційно-ерозійному руйнуванню. Встановлено, що ВВЗО підвищує опір зношуванню в 1,03-2,84 рази та кавітаційно-ерозійному руйнуванню в 2-10 раз. Розроблено конструкції установок для зміцнення зовнішніх та внутрішніх поверхонь деталей машин, методику розрахунків конструктивних параметрів дебалансних зміцнювальних установок. На підставі математичного планування експерименту отримано емпіричні залежності другого порядку для визначення фізико-механічних властивостей матеріалу поверхневого шару (мікротвердості, глибини зміцненого шару, ступеня наклепу, точності поверхні та її шорсткості) деталей пар тертя як функцій основних технологічних параметрів, встановлено оптимальні значення основних технологічних параметрів методу ВВЗО. Результати роботи впроваджено для підвищення довговічності втулок запірно-поворотних клапанів ЗП2-146 та втулок стволів вертлюгів бурових верстатів А-50.

1. Наявні у сучасних технологічних процесах виготовлення важконавантажених деталей пар тертя оздоблювально-викінчувальні операції зорієнтовані, в основному, на забезпечення точності та низької шорсткості їх робочих поверхонь і є малоефективними щодо забезпечення поверхневим шарам деталей стійких до зношування фізико-механічних властивостей. Швидкоплинні в часі експлуатації пошкодження початкового стану робочих поверхонь деталей під дією властивих їм гідро-абразивному та кавітаційно-ерозійному руйнівним процесам формують новий експлуатаційний мікрорельєф, нівелюючи позитивний вплив викінчувальних операцій. Застосовувані відомі зміцнювальні операції через незначну енергію деформування недостатньо ефективні для забезпечення належного напружено-деформівного стану матеріалу. Це висуває потребу у ґрунтовному дослідженні та розробці нових і вдосконаленні існуючих методів зміцнювальних обробок матеріалу поверхневих шарів важконавантажених деталей пар тертя, здатних на етапі їх виготовлення формувати стійкий до гідро-абразивного зношування мікрорельєф робочих поверхонь у поєднанні із покращанням властивостей матеріалу стосовно його опору корозійному та кавітаційно-ерозійному руйнуванню, найбільш властивим цим деталям, зокрема у механізмах бурового устаткування.
2. Розроблений технологічний процес зміцнення робочих поверхонь важконавантажених деталей пар тертя базується на поєднанні інтенсивного поверхневого деформування матеріалу деталей вдосконаленим методом ВВЗО з підвищеним (до 180 Дж) рівнем енергії удару із передуючим йому насиченням матеріалу воднем як допоміжним за- собом легування хімічно активним елементом-активатором, спроможним покращити не тільки сприйняття металом пружно-пластичної деформації, а й забезпечити збільшення глибини її проникання у товщу матеріалу. За оптимальних значень технологічних параметрів процесу це забезпечує у товщі матеріалу (сталі 40Х) глибину зміцненого шару до 5,0-5,5 мм, підвищення поверхневої мікротвердості до 10 ГПа із ступенем наклепу 290 %, формування залишкових напружень стиску до 1600 МПа.
3. Енергія деформування поверхневих шарів матеріалу деталей під час їх ВВЗО обкатниками із зафіксованими на них деформівними тілами (кульками) пропорційна масі обкатника та частоті коливань оброблюваної деталі і оберненопропорційна кількості розміщених на обкатнику деформівних тіл. Не складне регулювання цих технологічних параметрів дає змогу в широких межах змінювати рівень енергії деформування, надаючи цим можливість забезпечення обробкою наперед заданих показників якості зміцнення та фізико-механічних властивостей матеріалу у поверхневих шарах деталі. Так, розвинута п’ятикілограмовим обкатником при частоті коливань 24 Гц за наявності на ньому 30 розташованих по колу кульок енергія деформування становить 161,37 Дж, а зменшення їх кількості вдвічі збільшує енергію деформування до 174,85 Дж.
4. Як і для більшості методів зміцнення ППД, процесові вібраційно-відцентрового зміцнення з підвищеною енергією деформування властивий оптимум тривалості зміцнювального оброблення, який зумовлений властивостями матеріалу деталі. Оптимальна тривалість зміцнення регламентується забезпечуваною обробкою поверхневою мікротвердістю матеріалу деталі, і її зміни у будь-який бік від оптимуму понижують мікротвердість. Так, для деталей із конструкційної сталі 35 оптимальною є тривалість зміцнення впродовж 6-12 хв, для низьколегованої сталі 40Х 20-28 хв, забезпечуючи при цьому поверхневу мікротвердість, відповідно, 3,6 і 8,9 ГПа. Зміна тривалості обробки від оптимуму на 10%, при цьому, в середньому на 10 % понижує мікротвердість матеріалу.
5. Режими попереднього перед зміцненням ВВЗО електролітичного наводнювання матеріалу деталей, зокрема, густина струму наводнювання, товщина наводненого шару матеріалу, а також вміст вуглецю у матеріалі оброблюваних деталей суттєво впливають на показники якості ВВЗО. Товщина зміцненого шару матеріалу внаслідок проникаючого на всю товщу металу деталей із сталей 35 та 40Х наводнювання зростає в середньому у 1,2-1,5 рази. Поверхнева мікротвердість зміцненого матеріалу, при цьому, передовсім, залежить від густини струму наводнювання і може як перевищувати, так і поменшувати значення мікротвердості, яке отримують окремо ВВЗО. Для обох досліджуваних марок сталей максимальні підвищення поверхневої мікротвердості (на 20-30 %) та збільшення товщини зміцненого шару матеріалу забезпечуються за густини струму наводнювання 0,5 А/дм2.
6. Зносостійкість зміцнених вібраційно-відцентровою обробкою деталей регламентується, передовсім, поверхневою мікротвердістю та товщиною зміцненого шару їх матеріалу, тривалістю та умовами зношування. Порівняно із гартованим та нормалізованим станом матеріалу сталі 40Х зміцнення ВВЗО за оптимальних режимів підвищує опір зношуванню в середньому на 20-120 % в умовах оливного та оливо-абразивного середовища. Підвищення питомого навантаження на зношувані поверхні тут інтенсифікує зношувальні процеси, а попереднє перед ВВЗО наводнювання матеріалу в середньому на 60-70 % їх сповільнює, в основному, завдяки збільшенню поверхневої мікротвердості.
7. За оптимальних режимів ВВЗО підвищує кавітаційно-ерозійну стійкість поверхневих шарів матеріалу зміцнених деталей, в основному, завдяки підвищенню мікротвердості матеріалу та покращанню його корозійно-електрохімічних характеристик. Оптимальні режими обробки наближені до рекомендованих щодо забезпечення найвищої поверхневої мікротвердості матеріалу. Однак, оскільки кавітаційно-ерозійна стійкість матеріалу безпосередньо пов’язана із ступенем його поверхневого деформування, при наближенні стану зміцненого матеріалу до перенаклепу внаслідок виходу на поверхню металу дислокацій, що стають осередками розчинення, стійкість зміцненого матеріалу щодо КЕР різко понижується. Оптимальними щодо опору КЕР деталей пар тертя із сталі 40Х є наступні режими зміцнювальної обробки: m = 4,5-7,5 кг; = 20-28 хв.
8. Натурні порівняльні випробування еталонних втулок запірно-поворотних клапанів подвійного закриття ЗП2-146 та втулок помп У8-7М бурового устаткування, виготовлених за типовими технологічними процесами, і втулок, процес виготовлення яких включав додаткову зміцнювальну операцію ВВЗО, засвідчили зменшення в середньому на 25-75 % зносу зміцнених робочих поверхонь втулок, яку оцінювали за зміною діаметра їх робочих поверхонь. Попереднє перед ВВЗО наводнювання додатково покращує фізико-механічні властивості матеріалу та збільшує товщину зміцненого шару, що в комплексі, підвищує довговічність втулок клапанів із сталі 40Х у 2,3 рази, а втулок помп (сталь 35) у 1,75 рази.
9. Розроблені конструктивні схеми вібраційних машин для зміцнення робочих поверхонь циліндричних деталей зорієнтовані на забезпечення головного робочого руху ВВЗО обкочування масивного обкатника із деформівними тілами, основою якого є підтримання його обертання при гармонійних коливаннях осі, що самозбурюється і стабільно підтримується вібраціями. Вібромашини передбачають можливість багатопозиційної обробки, спроможність регулювання технологічних параметрів процесу, не складні за конструкцією, прості в експлуатації.
10. Результати експериментального дослідження впливу основних технологічних параметрів процесу ВВЗО на показники якості зміцнення матеріалу (поверхнева мікротвердість, товщина зміцненого шару матеріалу, ступінь наклепу, радіальне биття та шорсткість оброблених поверхонь) адекватно відображають дослідно-емпіричні залежності, виведені на основі математичного планування багатофакторного експерименту. Їх використання дозволяє не тільки здійснити аналіз вагомості впливів та взаємовпливів технологічних параметрів процесу на ті чи інші показники зміцнювальної обробки, а й дає змогу поширити дані експериментального дослідження на інші матеріали та різновиди важконавантаженних деталей пар тертя.
Розроблена методика проектування технологічного спорядження для зміцнення
ВВЗО робочих поверхонь деталей пар тертя надає можливість розраховувати засобами сучасної обчислювальної техніки всі основні вузли та складові елементи цих вібраційних машин, зокрема потужностей двигунів приводу, пружної підвіски, збурювального зусилля віброзбудників, а також межі регулювання технологічних параметрів процесу.