Системное проектирование технологического процесса формирования износостойких покрытий Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

техническая подготовка производства

УДК 621.793

Системное проектирование технологического процесса формирования износостойких покрытий1

л. Б. леонтьев, А. л. леонтьев

Сложность решения проблемы формирования износостойких покрытий для обеспечения заданной долговечности трибосопряжения заключается в необходимости учета взаимозависимых параметров комплекса «технология — деталь — эксплуатация». Случайный характер изменения технологических и эксплуатационных факторов обуславливает сложность оценки параметров материала в процессе формирования, в большинстве случаев невозможность предусмотреть необходимые корректирующие воздействия для предупреждения их отклонений, а также учесть структурно-механические изменения в поверхностном слое материала в процессе технической эксплуатации.

Особенность проблемы заключается в том, что важен не только факт достижения заданного уровня параметров материала, но и пределы, в которых они могут изменяться, не нарушая несущей способности материала поверхностных слоев деталей сопряжения, способы выбора оптимальных интервалов их значений, чтобы обеспечить заданную долговечность упрочняемых деталей. Важной частью решения этой проблемы является разработка научно-практического аппарата, позволяющего проектировать технологию восстановления и упрочнения плунжерных пар, обеспечивающую заданную долговечность при приемлемой стоимости.

Настоящая методика применяется для типизации этапов формирования износостойких покрытий, обеспечивающей определение взаимодействия между переменными, характеризующими технологический процесс, а также для выявления существенных параметров технологического процесса, которые должны регулироваться. Объектом системного проектирования является технологический процесс восстановления плунжерных пар нанесением композиционного покрытия, обеспечивающего заданную долговечность.

1 Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 годы. Проект «Технологическое обеспечение долговечности судового оборудования: исследования и разработка технологий упрочнения и восстановления прецизионных деталей топливной аппаратуры». Государственный контракт № 16.740.11.0398 от 03.12.2010 года.

С позиции теории управления в системе «технология — плунжерная пара — эксплуатация» плунжерная пара представляет собой объект исследования (рис. 1), в который входят следующие блоки: входные параметры, процессы и выходные параметры. По сравнению с методологией Х. Чихоса [1] и В. Пеко-шевски [2] в данной работе более полно определены входные факторы, которые поделены на три категории — технологические параметры, эксплуатационные параметры и помехи. Такое разделение позволяет в явном виде выделить влияние технологических параметров на трущиеся элементы системы. Входные эксплуатационные параметры системы образуют блок, характеризуемый с помощью параметров движения и приложенных к узлу трения сил.

Функция системы, приведенной на рис. 1, состоит в преобразовании входных факторов в выходные параметры:

{хт, хэ, v} -4 {у, г},

где Хт — технологические параметры; Хэ — эксплуатационные параметры; v — помехи; £ — время эксплуатации; у — выходные параметры; г- потери.

Входные факторы:

• технологические параметры: твердость, предел прочности (текучести) и модуль упругости покрытия, параметры шероховатости рабочих поверхностей плунжера и втулки, структура упрочняющего покрытия и начальный зазор между втулкой и плунжером;

• эксплуатационные параметры: характеристика топлива (химический состав, динамическая вязкость, содержание механических примесей и др.), температура топлива на входе в топливный насос высокого давления (ТНВД), скорость скольжения плунжера во втулке и др.;

• помехи: смолистые отложения на поверхностях трения плунжера и втулки в верхней части сопряжения, вибрация корпуса ТНВД и плунжера во втулке, деформация втулки в процессе топливоподачи.

Выходные параметры:

• цикловая подача топлива;

• показатели долговечности;

Рис. 1. Блок-схема системы «технология — плунжерная пара — эксплуатация»

• скорость (интенсивность) изнашивания и др.

При работе ТНВД в зоне контакта плунжера и втулки наблюдаются не только механические процессы, но и физико-химические. В зоне контакта трибосопряжений происходит выделение тепла, изменяется структура сплавов (количество и расположение дефектов, их эволюция), даже синтезируются новые вещества. В этом активно участвует окружающая среда, смазка. Новые структурные образования вещества на рабочей поверхности, образующиеся при трении, являются вторичными.

При постоянных внешних условиях трения и виде контактирования структурные факторы и физико-механические свойства поверхностного слоя играют решающую роль в повышении износостойкости. Следовательно, наиболее перспективными объектами управления для обеспечения заданной долговечности плунжерных пар являются химический состав и структура износостойкого композиционного материала, которые, в свою очередь, во многом определяют физико-механические свойства покрытия, как и параметры режима его получения (технологию).

Если в качестве системы рассматривать установку для испытания материалов на трение и изнашивание, то следует отметить, что при проведении испытаний на машине трения невозможно обеспечить на пару трения воздействие всех эксплуатационных факторов, тем более помех, однако они оказывают

существенное влияние на достоверность результатов испытаний. Поэтому кроме лабораторных испытаний на машине трения необходимо проводить исследования натурных деталей на стенде, который обеспечивает воздействие всех эксплуатационных факторов на плунжерную пару, но не имеет возможности воспроизвести воздействие помех. Только подконтрольные эксплуатационные испытания плунжерных пар на судах, непосредственно на дизеле, обеспечивают возможность получения достоверной информации о всех выходных параметрах.

Информативность трибологических испытаний может быть существенно увеличена путем применения современных методик, например наноиндентирования и атомно-силовой микроскопии, позволяющих осуществлять исследования тонких поверхностных слоев материала. Некоторые определяемые во время испытаний параметры, например износ, сила или момент трения, не требуют обсуждения, чего нельзя сказать о температуре. Температура — один из существенных параметров, характеризующих трибологические процессы, она является одной из причин потерь при трении Z, а также помех V. Например, вследствие значительных температур, возникающих на контактных участках сопряженных поверхностей вследствие упругой и пластической деформаций, а также протекающих химических реакций и структурных изменений в поверхностных слоях, на плунжере и втулке в верхних

Проблема

Цели

Данные

Задачи

Совершенствование технической эксплуатации ТНВД (использование, обслуживание и ремонт)

\

Повышение показателей надежности плунжерных пар Повышение эффективности эксплуатации Совершенствование технологии и организация производства

\

Параметры поверхностного слоя детали Эксплуатационные факторы (нагрузка, скорость и др.) Результаты подконтрольной эксплуатации

1 1

Формирование заданных параметров Уменьшение скорости изнашивания плунжерных пар Обеспечение заданной надежности

Критерии Стоимость

Стоимость Се < 0,5 Сн

Ограничения

Приоритеты

Качество

Наработка до отказа

& & ^ » & Л| § ^

рП

I -

е

С

Минимальная стоимость

Качество

абильность раметров ерхностного слоя й ым

гнозируе ресурс

С по о орП

Максимальный ресурс

Стоимость

Стоимость Св < 0,6 Сн

Заданный ресурс

Рис. 2. Структура целей и задач при разработке технологического процесса восстановления плунжерных пар:

Св — стоимость восстановленной детали; Сн — стоимость новой детали; tв — ресурс восстановленной детали; tu — ресурс новой детали

частях образуются смолистые отложения, повышающие коэффициент трения и, соответственно, температуру в местах контакта.

Повышение долговечности плунжерных пар с использованием технологических методов нанесения износостойких покрытий на рабочие поверхности плунжеров можно разбить на три взаимосвязанных этапа (рис. 2):

• проектирование технологического процесса (ТП) и восстановление детали;

• эксплуатацию восстановленных плунжерных пар и оценку их надежности;

• совершенствование технологии и организации ТП по результатам подконтрольной эксплуатации восстановленных деталей в целях повышения долговечности, если их ресурс недостаточен.

Для систематизации знаний и практического опыта, более эффективного управления процессом формирования технологических и эксплуатационных свойств плунжерных пар разработана методика проектирования технологии их восстановления и упрочнения нанесением композиционного покрытия, включающая все этапы исследований, получения

математических моделей, решения оптимизационных и технологических задач. При восстановлении плунжерных пар решается задача повышения первоначальных эксплуатационных свойств пары путем применения новейших технологий и материалов для увеличения поверхностной твердости плунжера, улучшения триботехнических свойств и других характеристик плунжерной пары, то есть для повышения первоначальной долговечности.

Для обоснованного выбора технологии восстановления и упрочнения плунжерных пар необходимо знать закономерности изменения поверхностного слоя в трибосопряжении, что позволяет минимизировать толщину наносимого или упрочняемого поверхностного слоя, снизить трудоемкость и себестоимость процесса. На эксплуатационные свойства плунжерных пар влияют как физико-механические свойства материала поверхностного слоя (твердость, степень упрочнения, остаточные напряжения, пределы прочности и выносливости и другие), так и геометрические показатели поверхности (размерная точность, отклонения формы, шероховатость и др.).

|46

№ 1 (67)/2012

Технология

Исследование физико-механических

и триботехнических 2.3 I свойств

Анализ микроструктуры и топографии 2.4 | поверхности

Расчет стоимости

210 восстановления

Плунжерная пара

2.1

Определение критериальных параметров

Оптимизация параметров процесса 2.2 хромирования

2.5

Выбор способа механической обработки

Выбор материала для упрочнения

2.6 \ хромового покрытия

2.7

Выбор способа упрочнения

Оптимизация параметров

2.8 процесса упрочнения

Предварительный выбор 2.9 I технологии

2.11

Принятие решения

Эксплуатационные 3 факторы

> 1

Определение доми 31 | изнаши нирующего вида вания

Выбор оптимального 3.2 ресурса

Прогнозирование 3.3 I ресурса

2.12

Реализация решения

1

2

Рис. 3. Блок-схема проектирования технологии восстановления и упрочнения плунжерных пар нанесением композиционного покрытия

Долговечность детали, восстановленной нанесением упрочняющего покрытия, будет зависеть от структурно-энергетических параметров покрытия (технологии) и условий работы (эксплуатационных факторов) в составе топливного насоса высокого давления, а также от характера и степени влияния технологии нанесения покрытия на деталь в целом. Правильный выбор технологических решений, учитывающий изменение структурно-энергетических параметров детали в процессе эксплуатации, позволяет обеспечить требуемый ресурс при минимизации материальных и трудовых затрат на ее восстановление.

Блок-схема проектирования технологии восстановления и упрочнения плунжерных пар нанесением композиционного покрытия приведена на рис. 3. Для проектирования оптимального технологического процесса, обеспечивающего требуемую долговечность плунжерных пар, необходимо выбрать или разработать

критериальные параметры. Исходя из опыта разработки ТП, можно сделать вывод: в основе факторов, влияющих на принятие частных технологических решений, лежат общеописательные, качественно-точностные, размерные и другие характеристики детали, технологического процесса ее восстановления и технические возможности производства. Эти характеристики называют критериальными параметрами технологического проектирования. Их примерами могут служить значения толщины наносимого покрытия, припусков, параметров шероховатости, твердости поверхностного слоя, зазор в сопряжении и т. п.

Выбор номинальных значений критериальных параметров ТП осуществляется на основании доминирующего вида изнашивания (для большинства плунжерных — это абразивное изнашивание) и заданного ресурса. Физико-механические и триботехнические параметры поверхностного слоя детали выбирают

так, чтобы обеспечить оптимальный ресурс, то есть определяются граничные технические требования к детали, предъявляемые к ней исходя из условий эксплуатации. Минимальный ресурс обеспечивается физико-механическими и триботехническими параметрами поверхностного слоя детали, которые были заложены при проектировании ТП восстановления в соответствии с техническими требованиями.

Важными элементами любой технологии являются режимы процесса формирования покрытия. Исходными данными при поиске оптимальных режимов (блок 2.2) могут явиться литературные сведения или математические модели процесса формирования свойств материала. Математические модели процессов формирования свойств материала поверхностного слоя (выходные параметры) определяются по результатам пассивного или активного эксперимента. Теория планирования эксперимента позволяет установить степень влияния параметров режима процесса на выходные параметры и получать модели в виде полиномов, а также решать оптимизационные задачи.

После выбора оптимальных параметров хромирования определяют способ механической обработки плунжерной пары для получения необходимого зазора. Наиболее важным этапом при проектировании технологии восстановления является разработка новых износостойких композиционных материалов с учетом всех процессов, наблюдаемых в трибосистеме (блок 2.6). Наиболее перспективными композициями для упрочнения поверхностей трения плунжерных пар являются минеральные и органоминеральные материалы.

Затем выбирают способ упрочнения хромового покрытия (блок 2.8). В настоящее время модифицирование поверхностей трения минеральными и органоминеральными материалами осуществляется фрикционным методом или ультразвуковой обработкой. Нами применялся фрикционный метод, который отличается простотой и приемлемой эффективностью.

Оптимизация параметров нанесения хрома (блок 2.2) и упрочнения хромового покрытия (блок 2.8) осуществляется на основании анализа или получения моделей влияния параметров режима обработки на физико-механические и триботехнические свойства и структуру покрытий (блоки 2.3 и 2.4). В качестве параметра оптимизации брали износостойкость трибосопряжения.

Выбор оптимального ресурса восстанавливаемой детали (блок 3.2) заключается в определении оптимального ресурса для плунжерных пар данной марки дизелей, который, как правило, равен половине ресурса

двигателя. В случае невозможности технологического обеспечения ресурса восстанавливаемой детали на уровне ресурса дизеля, он должен быть не менее ресурса новой детали. При выборе оптимального ресурса принимаются во внимание наиболее долговечные плунжерные пары, эксплуатирующиеся на дизелях таких типов и функционирующие в похожих условиях работы (марка топлива, режим работы дизелей и др.). Заключительным этапом анализа разработанного варианта ТП восстановления является прогнозирование ресурса восстановленной детали [3], а также расчет стоимости, определение экономической эффективности и целесообразности восстановления детали (блоки 3.2 и 2.11).

Современный уровень развития техники позволяет достичь практически любых показателей качества и долговечности детали. Все зависит от затрат для достижения поставленной цели. Почти всегда имеется широкий диапазон самых разнообразных технологических решений для повышения достигнутого уровня долговечности детали за счет применения различных вариантов ТП восстановления и использования упрочняющих методов, повышающих ресурс. Однако затраты на эти мероприятия могут быть столь высоки, что эффект от повышения долговечности детали не возместит их и суммарный результат разработанного ТП будет отрицательным.

Эффективность разработанного ТП зависит от целесообразности принимаемых решений. Анализ различных вариантов достижения рационального уровня долговечности должен исходить из условия получения наибольшего суммарного экономического эффекта с учетом затрат на восстановление детали и последующую эксплуатацию оборудования. При оценке эффективности разработанного ТП главным критерием является долговечность восстановленных деталей (ресурс восстановленных пар должен быть не менее заданного ресурса). Величина стоимости является ограничительным параметром (оптимальной является стоимость, не превышающая 50 % стоимости новой пары, если рассматриваемая величина составляет 80 % стоимости новой пары, приходится выбирать между приобретением новой пары или восстановлением изношенной). Суммарный экономический эффект при эксплуатации оборудования складывается из затрат на восстановление детали, включая проектирование ТП, опытную эксплуатацию, доработку ТП и т. д., а также из затрат на эксплуатацию ТНВД, в том числе техническое обслуживание и ремонт [3]. Расчет стоимости восстановления детали (блок 2.11) осуществляется путем

ТЕХНИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА ПРОИЗВОДСТВА

составления калькуляции ТП. Восстановление деталей считается целесообразным, если обеспечивается требуемая долговечность и экономия по сравнению с изготовлением или приобретением новой детали.

После проектирования технологии восстановления на основании экономического анализа и расчета долговечности детали принимается окончательное решение вопроса: обеспечивает ли ТП все технические требования, предъявляемые к детали с учетом опыта предыдущей эксплуатации, и заданный ресурс? Кроме того, стоимость восстановленной детали должна быть, как правило, не более 50% от стоимости новой. После принятия решения о целесообразности внедрения разработанного

ТП изготавливается опытная партия деталей, их подконтрольная эксплуатация проводится для оценки ресурса восстановленных плунжерных пар.

Литература

1. Чихос Х. Системный анализ в трибонике. М.: Мир, 1982. 352 с.

2. Пекошевски В., Щерек М., Вишневски М. Системный анализ методологии трибологических испытаний конструкционных материалов / В. Пекошевски // Трение и износ. 1996. Т. 17, № 2. С. 178-186.

3. Леонтьев Л. Б. Технологическое обеспечение надежности судового оборудования. Владивосток: Морск. гос. ун-т, 2009. 544 с.

По следам наших публикаций

оценка качества поверхности по непараметрическим критериям: «за» или «против»?

Уважаемые коллеги-машиностроители!

В прошлых номерах в разделе «Стандартизация и сертификация качества» нами были опубликованы статьи: «Непараметрический подход к оценке качества изделий» (авторы В. А. Валетов, А. Ю. Иванов)1 и «Программа автоматизированного контроля микрогеометрии поверхностей с помощью непараметрических критериев» (авторы В. А. Валетов, Е. А. Филимонова2), посвященные исследованиям, оценкам и стандартизации универсальных характеристик поверхностных слоев материалов изготавливаемых деталей. Оптимизация этих свойств — главный путь регулирования и повышения качества машиностроительной продукции. Профессор Вячеслав Алексеевич Валетов (СПбГУИТМО) и его соавторы предлагают машиностроителям новые критерии и программные продукты для более полной оценки качества поверхности изделий.

Приглашаем вас — читателей и авторов журнала «Металлообработка», специалистов отрасли, ученых, профессоров и преподавателей вузов и колледжей — принять участие во всестороннем обсуждении нового, непараметрического подхода на страницах нашего журнала. Присылайте в редакцию ваши отзывы по этой актуальной проблеме! Ваш опыт, критический анализ, рекомендации, конкретные результаты могут существенно помочь в разработке и распространении отечественных инновационных технологий и/или зарубежных методов и средств управления качеством в машиностроении и приборостроении.

На сайте издательства «Политехника» www.polytechnics.ru (в разделе журнала «Металлообработка») выложены тексты опубликованных статей по проблеме непараметрического подхода.

Редакция и редколлегия журнала «Металлообработка»

1 Валетов В. А., Иванов А. Ю. Непараметрический подход к оценке качества изделий // Металлообработка. 2010. № 6. С. 55—59.

В статье рассмотрена проблема повышения качественных характеристик изделия путем оптимизации микрогеометрии

поверхностей деталей и механических напряжений в поверхностном слое материала. Поскольку, по мнению авторов, существующие параметрические стандарты на эти факторы практически исключают возможность их оптимизации для конкретных свойств поверхностей, предложен непараметрический подход к решению данной проблемы. В качестве критериев оценки и контроля шероховатости (микрогеометрии) поверхностей предложено использовать графические изображения некоторых функций, а в идеале — графические изображения профилей и микротопографий поверхностей. Показана также целесообразность использования эпюры распределения напряжений по глубине в качестве критериев оценки и контроля этих напряжений.

2 Валетов В. А., Филимонова Е. А. Программа автоматизированного контроля микрогеометрии поверхностей с помощью непараметрических критериев // Металлообработка. 2011. № 5. С. 45—50.

Один из важнейших способов повышения качества изделий — оптимизация микрогеометрии поверхностей для их конкретных функциональных свойств. Современные параметрические стандартные критерии (Ra, Rz и др.) не позволяют точно описать профиль поверхности, поэтому непригодны для решения данной задачи. Поэтому было предложено использовать так называемые непараметрические критерии, а именно функции плотности распределения и функции распределения ординат, а также функции плотности распределения и функции распределения тангенсов углов наклона профиля.

В работе рассмотрена проблема автоматизированного контроля микрогеометрии поверхностей. Создано собственное программное обеспечение, которое позволит решить задачу оптимизации микрогеометрии с использованием непараметрических критериев. Данный программный продукт состоит из четырех модулей: модуля расчета параметрических критериев, модуля расчета непараметрических критериев, модуля фильтрации и модуля сравнения профилей. Тестирование программы производилось с привлечением данных, полученных с профилографа-профилометра Hommel Tester T8000 фирмы Hommel werke (в формате ASCII) и ИВК «Профиль» (в формате Excel).