CC BY
18
УДК 621.9: 658.5
Доктор техн. наук В.Я. СКОВОРОДИН (СПбГАУ, [email protected]) Аспирант Е.Е. ПУРШЕЛЬ (СПбГАУ, [email protected])
ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМА АНТИФРИКЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ВОССТАНОВЛЕННЫХ ГИЛЬЗ ЦИЛИНДРОВ В СРЕДЕ ГЕОМОДИФИКАТОРА ТСК
Основным способом восстановления гильз цилиндров автотракторных двигателей является обработка до ремонтного размера. Однако ресурс гильз при этом снижается, так как с рабочей поверхности снимается износостойкий упрочнённый слой. Для восстановления работоспособности близкой к первоначальной применяются различные технологические процессы отделочно-упрочняющей обработки.
Одним из перспективных способов повышения качества восстановленных гильз является комбинированная отделочно-антифрикционная обработка рабочей поверхности. В качестве отделочной операции предлагается операция алмазного выглаживания в среде геомодификаторов трения [1].
Применение алмазного выглаживания, как одного из составляющих комбинированного технологического процесса финишной обработки, обеспечивает тепловые режимы, необходимые для получения на рабочей поверхности антифрикционных износостойких плёнок. Обоснование режимов финишной комбинированной
антифрикционной обработки, при которых создаётся необходимый тепловой баланс, приведено в [1].
При обработке поверхности гильз очень важным является также обеспечение необходимых параметров микрогеометрии поверхности. Имеющиеся в литературных источниках рекомендации по обеспечению заданных параметров шероховатости относятся к типовым процессам обработки и не учитывают конкретных особенностей операции алмазного выглаживания в среде геомодификаторов трения, а также и особенностей конкретных деталей [5].
Цель исследования. Обоснование режима отделочной антифрикционной обработки гильз цилиндров автотракторных двигателей по параметрам шероховатости обработанной поверхности.
Материалы, методы и объекты исследования. Исследования проводились на примере восстановления гильзы цилиндров двигателей семейства Д -240, восстановленных путём обработки до ремонтного размера. После растачивания на поверхность гильзы наносился состав, содержащий геомодификатор ТСК. Далее производилось алмазное выглаживание инструментом (индентором) с радиусом рабочей части 4 мм. Исследовалось состояние поверхности при обработке за один проход инструмента.
Исследование производилось на основе проведения многофакторных экспериментов. Диапазон изменения факторов выбран из практических рекомендаций и с учётом образования антифрикционного покрытия [ 1,2].
Параметрами технологического процесса выглаживания являются следующие:
- сила прижатия индентора к детали (глубина внедрения индентора);
- скорость перемещения индентора относительно детали;
- продольная подача индентора.
Оптимальное значение радиальной силы соответствует условию полного смятия микронеровностей. По рекомендации [2] величина радиальной силы принята в пределах 50 -350 Н.
Величина подачи выбирается в зависимости от материала детали. В практике алмазного выглаживания применяют подачи 0,01 - 0,1 мм/оборот. Для деталей из чугуна рекомендуется подача 0,05 - 0,07 мм/оборот [2]. В исследованиях принята величина подачи 0,05 мм/оборот, которая обеспечивается расточным станком.
Скорость выглаживания достигает величины 300 - 350 м/мин [2] (5-6 м/сек.). При проведении экспериментов скорость выглаживания с учётом теплового режима принята в диапазоне 0,5 - 5,5 м/сек.
Параметры шероховатости определялись прибором MITUTOYO «Surftest SJ-301». Опыты проводились с трёхкратной повторностью. В качестве функций отклика приняты параметры шероховатости обработанной поверхности (по стандарту ISO 4287-1997), которые в основном влияют на коэффициент трения и интенсивность изнашивания сопряжения кольцо-гильза [3] .
Основными и наиболее распространёнными параметрами шероховатости, указываемыми в технических рекомендациях, являются среднее арифметическое отклонение профиля (Ra) - среднее отклонение всех точек профиля шероховатости от средней линии на длине оценки и высота неровностей профиля по десяти точкам (Rz) . Стабильность процесса обработки поверхности характеризует среднеквадратическое отклонение профиля ( Rq).
Более подробную характеристику профиля дают максимальная высота профиля (Rt) -расстояние между линией выступов профиля и линией впадин профиля, высота наибольшего выступа профиля (Rp) - расстояние от средней линии до высшей точки профиля и глубина наибольшей впадины профиля (i?v) - расстояние от низшей точки профиля до средней линии.
Исследования проводились по центральному композиционному рототабельному плану второго порядка, позволяющему минимизировать ошибки в определении функций отклика, связанные с неадекватностью представления результатов исследования процесса имитационной моделью в виде полинома 2-го порядка.
Результаты исследования. План эксперимента и результаты (для высотных параметров профиля) приведены в табл. 1.
Таблица 1. План и результаты многофакторного эксперимента
План эксперимента (уровни и значения факторов) Функция отклика (параметры шероховатости)
Сила Р, Н Скорость V, м/сек. Ra Rz Rq Rt Rp Rv
Код Значение Код Значение
-1 60 -1 2,5 3,75 19,01 4,46 25,15 6,04 13,11
+ 1 300 -1 2,5 1,42 9,84 1,96 15,26 2,26 7,58
-1 60 + 1 5,9 3,28 14,82 3,84 17,23 5,01 9,80
+ 1 300 + 1 5,9 1,30 10,12 1,85 13,25 2,28 7,84
0 180 -1,4 1,8 1,93 11,29 2,45 13,73 3,18 8,10
-1,4 10 0 4,2 4,00 20,32 4,80 27,55 8,17 12,14
0 180 +1,4 6,6 1,91 11,79 2,46 14,87 2,97 8,82
+1,4 350 0 4,2 0,94 7,68 1,37 9,57 1,95 5,74
0 180 0 4,2 1,43 7,03 1,72 9,61 2,54 4,49
0 180 0 4,2 1,43 7,03 1,72 9,61 2,54 4,49
Результаты испытаний обработаны в программе БТАТКИСА.
На рис. 1 показана двухмерная зависимость основных параметров шероховатости от силы давления индентора и скорости обработки.
Как видно из графиков, основное влияние на высотные параметры шероховатости поверхности после антифрикционной обработки в среде геомодификатора трения оказывает сила прижатия индентора к поверхности гильзы, причём зависимость имеет не линейный характер. Влияние скорости движения индентора относительно поверхности гильзы значительно меньше, но и эта зависимость так же не линейна.
На основании графиков (рис. 1) делаем вывод, что для всех параметров шероховатости существует диапазон значений параметров режима антифрикционной обработки, при которых высотные параметры имеют минимальные значения.
■ >50
( >5
1 <5
О 1 < 4
п 1*3 Я»
1 1 \<2
| <1 /ч
О-'
Рис.1. Зависимость параметров шероховатости (На, Нг, Ш п Кр) трения от силы прижатия индентора и
скорости выглаживания
Функциональные зависимости высотных параметров шероховатости от величины давления и скорости индентора имеют вид:
На = 6,72 - 0,025 Р -1,01 V + 0,00004 Р2 + ОД 114 V2 + 0,0004 РУ,
Дг = 41,16 -0Д5Р- 8,30 К+0,0003Р2 +0,84К2 +0,84 РУ, Яд = 8,51 - 0,031Р -1,43 V+0,000052 Р2 + ОД 5 V2 + 0,0006 Р V, К = 52,15-0,19 Р- 9,71К+0,0003 Р2 +0,93 К2 +0,0073РК, Др = 10,88-0,052^-0,98 К+0,000084 Р2 +0,077 К2 +0,0013 РУ, Яу = 30,52 - 0,096 Р - 7,37 У+0,0002 Р2 + 0,77 К2 + 0,0044 РУ.
Оценка адекватности моделей второго порядка проведена на основе дисперсионного анализа и приведена в табл. 2.
Таблица 2. Показатели значимости коэффициентов моделей параметров шероховатости в
функции давления и скорости индентора
Параметр шероховатости Критерии оценки Коэффициенты факторов
Давление индентора (линейн.) Давление индентора (квадрат.) Скорость индентора (линейн.) Скорость индентора (квадрат.) Взаимо действие (линейн.)
Яа 1>критерий -15,52 6,30 -1,11 3,30 0,89
Критерий Фишера 240,9 39,6 1,2 10,9 0,8
Уровень значимости 0,0001 0,0033 0,3297 0,0300 0,4238
Р: 1>критерий -9,51 6,62 -0,97 4,40 1,90
Критерий Фишера 90,4 43,8 0,9 19,3 3,6
Уровень значимости 0,0007 0,0027 0,3888 0,0117 0,1307
Яд 1>критерий -14,25 6,90 -1,09 4,02 1,11
Критерий Фишера 203,2 47,6 1,2 16,1 1,2
Уровень значимости 0,0001 0,0023 0,3378 0,0159 0,3302
Ш 1>критерий -4,59 3,39 -0,97 1,89 0,98
Критерий Фишера 21,1 11,5 0,9 3,6 1,0
Уровень значимости 0,0101 0,0275 0,3853 0,1318 0,3831
Яр 1>критерий -12,42 5,97 -1,06 1,09 1,20
Критерий Фишера 154,2 35,6 1Д 1,2 1,4
Уровень значимости 0,0002 0,0040 0,3479 0,3360 0,2965
Яу 1>критерий -5,89 5,26 -0,72 4,75 1,80
Критерий Фишера 34,7 27,6 0,5 22,6 3,2
Уровень значимости 0,0042 0,0063 0,5092 0,0090 0,1465
Из табл. 2 следует, что статистически значимые эффекты (по 1-критерию, критерию Фишера и уровню значимости меньше 0,05) имеют линейные и квадратичные коэффициенты величины давления и квадратичный коэффициент скорости. Значимость линейного коэффициента скорости и парного взаимодействия должна быть отклонена (уровень значимости достигает величины 0,4). На значения параметров Ш и Яр скорость индентора относительно гильзы влияния не оказывает.
С учётом значимости коэффициентов уравнений, модели зависимости значений высотных параметров от величины давления индентора и его скорости имеют вид:
Яа = 6,72 - 0,025 Р+0,00004 Р2 + ОД 114 У2,
Яг = 41,16 - ОД 5Р+0,0003 Р2 +0,84 У2,
Яд = 8,51 - 0,031Р + 0,000052 Р2 + ОД 5 У2,
Rt = 52,15 - 0,19 Р + 0,0003 Р2, Rp = 10,88 -0,052^ + 0,000084 Р2, Rv = 30,52 - 0,096 Р + 0,0002 Р2 + 0,77 V2
Оптимальные значения параметров обработки можно определить по графикам линий уровней поверхностей функций отклика (рис.2).
7
50 100 150 200 250 300 350 400 Р, Н
50 100 150 200 250 300 350 400
Р, н
50 100 150 200 250 300 350 400 50 100 150 200 250 300 350 400
Р, Н Р, н
Рис. 2. Линии одинаковых уровней поверхностей функций отклика (1 - На. 2 - Яг, 3 - 1(1. 4 - Яр) в зависимости от величины давления и скорости индентора
Из графиков видно, что оптимальное значение силы прижатия индентора к поверхности гильзы различное для разных параметров шероховатости и находится в диапазоне 250 - 300 Н. Оптимальное значение скорости скольжения индентора менее изменчиво для разных параметров шероховатости и находится в диапазоне 4-4,5 м/сек.
На рис. 3 показаны зависимости параметров шероховатости от величины силы индентора при скорости скольжения 4,5 м/сек. и от скорости скольжения при давлении индентора силой 300 Н.
Более точно найти оптимальные значения параметров режима обработки можно путём исследования статистических моделей на оптимум. Результаты исследования приведены в табл. 3.
Также важными параметрами шероховатости, влияющими на антифрикционные свойства поверхности, являются следующие параметры.
Среднее расстояние между местными выступами профиля (RS) - отрезок средней линии между проекциями на неё наивысших точек соседних местных выступов профиля. Этот параметр определяет количество точек контакта.
\ -R 1 з
-V- V V — - R Ч
\
О 100 200 300 400 Давление нндентора. H
25
1°
30
й о о.
э5 0
\ -R 2
\ - R )
>ч
-
О 100 200 300 400 Давление нндентора. H
Рис. 3. Зависимость высотных параметров шероховатости от силы прижатия нндентора при скорости скольжения 4,5 м/сек.(1,2) и от скорости скольжения нндентора при давлении силой 300 Н (3,4)
ТаблицаЗ. Оптимальные значения режима антифрикционной обработки
Параметр шероховатости Оптимальные значения
Сила прижатия нндентора, H Скорость скольжения индентора, м/сек
Ret 313 4,5
Rz 250 4,5
Rq 298 4,3
Rt 317 4,3
Асимметрия функции распределения амплитуды профиля (Rsk) показывает изменения профиля относительно его средней линии. Более высокой износостойкостью обладают поверхности, которые характеризуются отрицательным коэффициентом [4].
Угол наклона выступов профиля (RAa) в совокупности с другими параметрами определяет радиус вершин выступов.
Функциональные зависимости этих параметров от величины давления и скорости нндентора получены в виде:
RS = 155 -0,35/^-28,14 F+0,0006 Р2 +2,89 V2 +0,02 PV.
RAa = 0,33 - 0,001 - 0,02 V+0,0000015 Р2 + 0,002 V2 + 0,000016 PV,
Rsk = -2,52 + 0,0026Р+ 0,98 V - 0,000015 Р2 - 0,11 К2 + 0,003 PV.
Оценка адекватности моделей приведена в табл. 4. Как и для высотных параметров, статистически значимыми являются коэффициенты при аргументах величины силы прижатия индентора, а для параметра «асимметрия» - скорости скольжения индентора.
С учётом оценки значимости коэффициентов статистические модели имеют вид:
ДО = 155- 0,35Р+0,0006 Р2 + 2,89 V2,
ЯАа = 0,33 - 0,001Р+0,0000015 Р2,
Ш = -2,52 + 0,0026Р + 0,98 V - 0,000015 Р2 - 0,11V2.
На рис. 4 показана зависимость одного из рассматриваемых параметров - угла наклона выступов от параметров режима антифрикционной обработки. Для остальных параметров характер зависимостей аналогичный. Оптимальные значения режима обработки находятся в тех же пределах, что и для высотных параметров шероховатости.
\
>
0 2,5 5 7,5
Скорость индентора. м/сек.
Рис. 4. Зависимость угла наклона выступов профиля от силы прижатия индентора при скорости скольжения 4,5 м/сек и от скорости скольжения индентора
при давлении силой 300 Н
Таблица 4. Показатели значимости коэффициентов моделей параметров шероховатости в
функции давления и скорости индентора
Пара метр шеро ховатос ти Критерии оценки Коэффициенты факторов
Давление индентора (линейн.) Давление индентора (квадрат.) Скорость индентора (линейн.) Скорость индентора (квадрат.) Взаимо действие (линейн.)
RS 1>критерий -3,74 6,13 -0,24 5,58 2,61
Критерий Фишера 13,97 37,60 0,06 31,15 6,80
Уровень значимости 0,020 0,004 0,823 0,005 0,060
RAa 1>критерий -17,76 5,56 -0,74 1,46 0,81
Критерий Фишера 315,5 30,9 0,5 2Д 0,7
Уровень значимости 0,00006 0,005 0,501 0,218 0,465
Rsk 1>критерий -30,41 -10,19 -2,88 -15,08 -2,51
Критерий Фишера 924,8 103,8 8,3 227,3 6,3
Уровень значимости 0,000007 0,0005 0,0452 0,0001 0,0659
Таблица 5. Характеристики поверхности гильзы после различных способах
финишной обработки
Режим обработки
Профиль по длине гильзы
Параметры, мкм
Черновое растачивание
Е
4,(*
-1,0 -6.0
Л *
J \ \ г
/Ь/ \А И/ V
0.0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0
|тт]
Ля=1,88 Кг= 11,65 Ш7=2,35 Л?=14,83 Ир=620 К\>=5А5
Антифрикционная обработка
Р=300 Н У=4,9 м/сек 1 проход
2.0, 1.0 0.0 -1.0 -2.0
~ЛЛ-ч Л и* /
г* / 1 ( 1
1 \
0.6 0,7 0,7 0,8 0,8 0,9 0,9[тт]
Ка=0Э5 Кг=6,18 Rq=lЛ9 Л?=9,84 Кр=221 Лу=3,90
Антифрикционная обработка
Р=100...300 Н У=4,9 м/сек 4 прохода
2,о1 1,0 0,0 -1,0 -2,0
V \А
V и \
0.0 0,1 0,1
0,2 0.2 0,3 0,Этт]
Ля=0,49 Кг=4,66 Кс[=0М Л?=5,48 Ир=\5Ъ Лу=3,13
Хонин-гование (гильза из запасных частей)
0,0 0,1 0,1 0,2 0,2 0,3 0,3 [тт]
Яа=0Э1 Лг=6,96 Rq=l32 Лг=10,39 Кр=2,11 Лу=4,85
Для наглядного сравнения в табл. 5 показаны профилограммы поверхности гильзы после различных способов финишной обработки.
Согласно данным табл. 5, применение в качестве финишной обработки гильзы алмазного выглаживания в среде геомодификатора ТСК позволяет получить качество поверхности, превосходящее широко применяемое в настоящее время хонингование.
Выводы. Зависимость параметров шероховатости поверхности гильзы после антифрикционной обработки в среде геомодификатора ТСК описывается моделями второго порядка. Полученные модели позволяют назначить режимы отделочной обработки в соответствии с требованиями к качеству поверхности после обработки.
Оптимальными значениями режима антифрикционной обработки в среде геомодификатора ТСК являются следующие:
- сила прижатия индентора к поверхности гильзы - 300
- скорость скольжения индентора относительно поверхности гильзы - 4,5 м/сек.
Литература
1. Сковородни В.Я., Пуршель Е.Е. Исследование возможности формирования металлокерамических плёнок при финишной антифрикционной обработке гильз цилиндров геомодификаторами // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2016. - № 42. - С. 333-340.
2. Абразивная и алмазная обработка материалов: Справочник / Под ред. А Н. Резникова. -М.: Машиностроение, 1977. - 391с.
3. Крагельский И.В., Добычин Н.М., Комбалов В.С. Основы расчётов на трение и износ. - М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.
4. Дунаев А.В., Зуев В.В., Васильков Д.В. и др. Гипотезы механизмов действия ремонтно-восстановительных серпентиновых трибопрепаратов // Труды ГОСНИТИ. - 2013. - Т. 112. -№2. - 210 с.
5. Ковалевская Ж.Г., Хатькова А.В., Белявская О.В. и др. Влияние нагрева на фазовые превращения в геомодификаторе трения на основе слоистого гидросиликата // Обработка металлов. - 2013. - № 1 (58). - 125 с.
Literatura
1. Skovorodin V.Ja., Purshel Е.Е. Issledovanie vozmojnosti formirovaniia metallokeramicheskih plenok pri finishnoi antifrikcionnoi obrabotke gilz cilindrov geomodifikatorami // Izvestiya Sankt-Peterbyrgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2016. - № 42. - S. 333-340
2. Abrazivnaia i almaznaia obrabotka materialov: Spravochnik / pod red. A.N. Reznikova. - M.: Mashinostroenie, 1977. - 391.
3. Kragelskiy I.V., Dobichin N.M., Kombalov V.S. Osnovi raschetov na trenie i - M.: Mashinostroenie, 1977. - 526.
4. Dunaev A.V., Zuev V.V., Vasilkov D.V. i dr. Gipotezi mehanizmov deistviia remontno -vosstanovitelnih scrpcntcrovannih tribopreparatov// Trudi GOSNITI. - 2013. T.112. - №2. - s.134-142.
5. Kovalevskaia J.G., Hatkova A.V., Beliavskaia O.V. i dr. Vliianie nagreva na fazovie prevrasheniia v geomodifikatore treniia na osnove sloistogo gidrosilikata // Obrabotka metallov. -2013.-№1 (58).-S. 75-80.
Доктор техн. наук M.M. БЕЗЗУБЦЕВА
(СПбГАУ, ту[email protected])
Канд. техн. наук B.C. ВОЛКОВ (СПбГАУ, [email protected])
ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЛЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ МЕХАНОАКТИВАТОРАХ
Анализ способов измельчения в магнитоожиженном слое показал, что энергоемкость продукции определяется механизмом трансформации разрушающих усилий в поверхность частиц материала и зависит от физико-механических, прочностных и реологических характеристик частиц перерабатываемого продукта. При этом основным показателем, характеризующим результаты процесса измельчения в электромагнитных механоактиваторах (ЭММА), является избирательность (селективность) разрушения. Высокий показатель селективности ЭММА предопределяет возможность получения продукта с заданным технологией гранулометрическим составом [1]. Выявлено, что оптимизацию процесса измельчения целесообразно проводить на основании анализа закономерностей изменения параметров селективности процесса измельчения от времени, т.е. кинетических математических зависимостей, установленных экспериментально [2].
