CC BY
15
УДК 621.793/.795:621.8
С.А. Матвиенко1, А.В. Костенко2, А.В. Лукичев1, О.П. Сакно1
'Донецкая академия автомобильного транспорта, Донецк, 83086;
2Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: andr'[email protected]
РАЗВИТИЕ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ФИНИШНОЙ ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Рассмотрены существующие методы отделочно-упрочняющей обработки (ОУО). Предложен перспективный с точки зрения ресурсосбережения и экологической безопасности способ звуковой резонансной отделочно-упрочняющей обработки в квазиупругой среде (ЗРООКУС).
Ключевые слова: отделочно-упрочняющая обработка, резонанс, квазиупругая среда, износ, структура поверхности.
S.A. Matvienko1, A.V. Kostenko2, A.V. Lukichov1, O.P. Sakno1(1Donetsk Academy of Motor Transport; Donetsk, 83086; 2Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003) Development of resource-saving technologies of finishing strengthening processing during manufacture of the machine parts
The article deals with existing methods of finishing strengthening processing (FSP). Perspective in terms of resource- saving and ecological safety way of sound resonance finishing strengthening processing in the quasi-elastic environment (SRFSPQEE) is offered.
Key words: finishing strengthening processing, resonance, quasi-elastic environment, deterioration, surface structure.
DOI: 10.17217/2079-0333-2015-34-19-23
Постановка проблемы
Основным резервом экономии материальных и природных ресурсов, энергосбережения и экологической безопасности окружающей среды является применение новых ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий ОУО деталей. Параметры поверхностного слоя (ПС) существенно влияют на параметры надежности и эксплуатационные свойства деталей: износостойкость, усталостную прочность, коррозийную стойкость. Для обеспечения заданного свойства ПС детали необходимо обеспечить характеристики поверхности, которые непосредственно влияют на необходимые свойства, а именно равновесную шероховатость, являющуюся функционально ориентированным показателем, характеризующим эксплуатационные свойства рассматриваемого узла трения. Исследования, направленные на повышение качества рабочих поверхностей деталей и повышение их износостойкости путем применения современных высокоэффективных технологий, являются актуальными для различных отраслей народного хозяйства.
Цель работы - разработка прогрессивной ресурсосберегающей технологии отделочной обработки деталей машин, позволяющей уменьшить время приработки при эксплуатации деталей и повысить износостойкость рабочих поверхностей деталей сопряжений.
Анализ последних исследований
Инновационные технологии, позволяющие снизить затраты энергии и ресурсов, обеспечить наилучшую технологичность, повысить износоустойчивость, усталостную прочность и коррозийную стойкость основаны на различных методах обработки металлов. Ресурсосберегающие технологии позволяют экономить природные ресурсы и избегать загрязнения окружающей среды [1]. Известно большое количество методов ОУО деталей машин [2]. Каждый из них имеет как свои преимущества, так и недостатки. Современные методы финишной обработки позволяют получать заданную точность, но не всегда обеспечивают рациональное качество рабочей поверхности детали. Применяемые способы отделки, упрочнения и нанесения износоустойчивых
покрытий не всегда позволяют получить удовлетворительную комбинацию необходимого уровня эксплуатационных характеристик трибосистем с приемлемыми технологичностью, ремонтопригодностью и экономичностью процессов изготовления и ремонта деталей.
Анализ исследований показал широкие возможности вибрационной ОУО в области улучшения эксплуатационных качеств рабочих поверхностей деталей. Широкое применение находят квазиупругие среды. Установление равновесной шероховатости, уменьшение времени приработки, замена дорогих материалов и оборудования на менее дорогие обеспечивают ресурсосбережение при производстве и снижение себестоимости продукции.
С учетом поставленных задач перспективными энергосберегающими технологиями ОУО являются вибрационные комбинированные методы обработки в квазиупругих средах. В основу методов положен процесс технологического поверхностного пластического деформирования (ППД), который позволяет, варьируя технологическими режимами обработки и составом рабочей среды, получить заданное качество поверхности с минимальными затратами [3].
Отделочно-упрочняющая обработка в вязких активных средах, как разновидность технологии ППД, снижает динамическую нагрузку в поверхностном слое путем формирования тонких износоустойчивых пленок на контактирующих поверхностях деталей. При этом колебательный процесс в масляном слое полностью демпфируется, повышая его влияние на несущую способность и, соответственно, эксплуатационную надежность деталей. Виброобработка в квазиупругих средах является довольно перспективным направлением, которое открывает широкие возможности управления качеством поверхности.
Целесообразность применяемого способа финишной обработки детали в каждом отдельном случае зависит от ряда факторов:
- условия работы деталей пар трения;
- величины износа и характера изнашивания.
При разработке нового энергосберегающего метода ОУО ставились следующие задачи:
- исключить непроизводительные потери энергии;
- уменьшить затраты энергии и трудоемкость отделочно-упрочняющих операций и как следствие уменьшить себестоимость финишной обработки детали;
- исключить использование дефицитных и дорогих материалов;
- использовать энергию естественных процессов.
Структурная схема ЗРООКУС, позволяющая управлять получаемыми свойствами, показана на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема управления процессом ЗРООКУС
Физическая сущность ЗРООКУС следующая: деталь погружается в контейнер с рабочей жидкостью и осуществляет гармонические колебания в квазиупругой среде, влияя на частицы граничного слоя среды и заставляя их осуществлять вынужденные колебания. Рабочая среда близ тела, которое колеблется в резонансном режиме, деформируется, и в ней возникают упругие силы. При взаимодействии с рабочей средой профиль поверхностного слоя детали пластично деформируется и микрогеометрия поверхности приближается к равновесному (эксплуатационному) состоянию. В поверхностном слое возникают сжимающие напряжения, которые способствуют повышению усталостной прочности и износоустойчивости, значительно снижается шероховатость поверхности обработанной детали. Модель разработки технологического процесса показана на рис. 2.
Модель ЗРООКУС
Напряжения на ПС, возникающие при колебаниях, усиливаются за счет силы сопротивления прилегающего слоя среды
Силы вязкого трения достаточно для изменения параметров шероховатости
Результат ЗРООКУС - создание совокупности геометрических и физико-механических свойств ПС, обеспечивающих рациональную износостойкость
Гипотеза Взаимодействие поверхности детали с окружающей средой изменяет параметры ПС
Для отделочной пластической
деформации достаточно упругой среды без наполнителя
Рис. 2. Модель ЗРООКУС
Параметры качества поверхности, влияющие на износостойкость и долговечность деталей, достигаются на этапах механической и отделочной обработок. В процессе колебаний детали возникают напряжения, в поверхностном слое усиливаемые за счет сопротивления, оказываемого квазиупругой средой. Особенность метода заключается в том, что рабочая среда легко приобретает формы обрабатываемой поверхности, которая обеспечивает относительную равномерность отделочной обработки и возможность обрабатывать детали сложной формы [4]. Схема разработанной установки для ЗРООКУС приведена на рис. 3.
АСУ
Аналоговый осциллограф
Л
Цифровой осциллограф
Виброметр ПИ-19
5
Рис. 3. Принципиальная схема вибрационной установки 21
Обработка ведется на одной из собственных частот колебаний детали в резонансном режиме. Момент возникновения резонанса в системе «генератор-деталь» фиксируется системой управления на базе ПК с осуществлением автоматической подстройки резонансной частоты, после чего ультразвуковая колебательная система работает с заданной частотой вынужденных колебаний. Полное использование вынужденного импульсного сигнала обеспечивает жесткое соединение детали с концентратором пьезопреобразователя. Генератор импульсов формирует короткие мощные импульсы, которые подаются на пьезопреобразователь. Механический импульс передается заготовке, вызывая ее вынужденные колебания с амплитудой до 50 мкм, и фиксируется вибродатчиком, превращаясь в электрический сигнал, который усиливается и подается на входы измерительной аппаратуры. Время обработки 6-15 мин, в зависимости от марки металла и предварительной механической обработки. Формирование новых структур и микрогеометрии ПС при ЗРООКУС вызывает изменение физико-механических свойств, которые в свою очередь повышают износоустойчивость и усталостную прочность рабочих поверхностей пар трения.
Основной элемент вибрационной установки - задающий генератор со следующими техническими характеристиками: напряжение питания генератора ~65 В, 50 Гц; максимальная мощность генератора 0,4 кВА; импульсная мощность 0,1-30 кВА; длительность импульсов 20-25 мкс; мощность цепей управления 0,1 кВА.
Виброобработка образцов из алюминиевых сплавов и стали 45 приводит к незначительному увеличению микротвердости 10-15% на глубине 100-250 мкм. Обработка позволяет получить сжимающее остаточное напряжение величиной 100-120 МПа на глубине 0,3-0,6 мм. Шероховатость уменьшается на 20-30%. Сглаживаются вершины микронеровностей поверхностного слоя. Качество поверхности при ЗРООКУС значительно приближается к равновесному состоянию.
Износостойкость обработанных образцов повышается. Ниже представлены зависимости относительного износа для образцов, изготовленных из стали 45 (рис. 4 и 5).
Рис. 4. Зависимость относительного износа Рис. 5. Зависимость относительного
по размеру (Р) во времени (0 износа по массе (т) во времени (г)
Время приработки образцов составляет 20 мин после обработки и 30 мин до обработки. Относительный износ в 1,15 раза меньше после проведенной обработки.
Процесс характеризуется комплексным действием на детали и их ПС ряда факторов, вызванных вибрацией в резонансном режиме. Множество микроударов частей технологической жидкости в разных направлениях обеспечивают равномерное действие на всю обрабатываемую поверхность. В результате создаются условия для процессов многократной деформации.
Целевая направленность формирования параметров сводится к получению равновесного комплекса параметров ПС рабочих поверхностей деталей сопряжений. Данный способ обработки позволяет создать промышленную технологию обработки, позволяющую формировать качество ПС, приближенное к эксплуатационному, при минимальных затратах энергии и ресурсов.
Обработке ЗРООКУС могут подлежать рабочие поверхности ответственных деталей узлов трения: детали приводных и распределительных механизмов, диски, втулки, пальцы и т. д. Могут обрабатываться все детали, имеющие центральные сквозные отверстия, используемые для базирования и закрепления с концентратором. Можно обрабатывать детали с цилиндрическими, коническими и другими криволинейными поверхностями.
Выводы
Актуальной является задача разработки теоретических и экспериментальных зависимостей параметров ЗРООКУС одновременно с обеспечением эксплуатационных параметров поверхности, то есть функционально ориентированная обработка. Это позволит выбирать режимы обработки оптимальные с точки зрения качества и энергосбережения для заданных условий эксплуатации.
Литература
1. Кулик Ю.Г. Малоотходные и ресурсосберегающие технологии: конспект лекций в ключевых словах и понятиях. - Н. Новгород: ВГАВТ, 2004. - 65 с.
2. Повышение износостойкости деталей грузовых автомобилей технологическими методами: анализ и перспективы развития / С.А. Матвиенко, Е.И. Донченко, А.В. Лукичев, А.А. Писанец // Вестник Донецькой академии автомобильного транспорта. - 2012. - № 4. - С. 78-86.
3. Ковалевський С.В., Матв1енко С.А. Особливосп енергозбертаючих технологш змщнення робочих поверхонь деталей автомобшв // Лопстика промислових регюшв: матерiали III Мiжн. наук.-практ. конф. (Донецьк-Святогорськ, 06-09 квггня 2011року) - Донецьк, 2011. - С. 373-376.
4. Моделювання коливальних процешв при фшшнш змщнювальнш вiброобробцi в пруж-ному середовищi / С.В. Ковалевський, С.А. Матв1енко, О.Ю. Деньщиков, О.В. Луючов // Зб. наук. пр. (галузеве машинобудування, бущвництво). - Полтава: ПолтНТУ, 2012. - Вип. 2(32), т. 1. -С.93-99.
Информация об авторах Information about authors
Матвиенко Сергей Анатольевич - Донецкая академия автомобильного транспорта; 83086, Донецк; старший преподаватель кафедры технической эксплуатации автомобилей; [email protected]
Matvienko Sergej Anatolevich - Donetsk Academy of Motor Transport; Donetsk, 83086; Senior tutor of Vehicles maintenance chair; [email protected]
Костенко Андрей Викторович - Камчатский государственный технический университет; 683003, Россия, Петропавловск-Камчатский; кандидат технических наук; доцент; доцент кафедры технологических машин и оборудования; [email protected]
Kostenko Andrej Viktorovich - Kamchatka State Technical University; 683003, Petropavlovsk-Kamchatskу, Russia; Candidate of technical sciences; Associate Professor; Assistant professor of Technological machinery and equipment chair; [email protected]
Лукичев Александр Владимирович - Донецкая академия автомобильного транспорта; 83086, Донецк; кандидат технических наук; доцент; доцент кафедры технической эксплуатации автомобилей; [email protected]
Lukichev Aleksandr Vladimirovich - Donetsk Academy of Motor Transport; Donetsk; 83086, Candidate of technical sciences; Associate Professor; Assistant professor of Vehicles technical maintenance chair; [email protected]
Сакно Ольга Петровна - Донецкая академия автомобильного транспорта; 83086, Донецк; кандидат технических наук; доцент кафедры технической эксплуатации автомобилей; [email protected]
Sakno Olga Petrovna - Donetsk Academy of Motor Transport; Donetsk, 83086; Candidate of technical sciences; Associate Professor; Assistant professor of Vehicles technical maintenance chair; [email protected]
