CC BY
12
УДК 536:621.9 (075.8)
А.В. УСОВ, М.В. КУНИЦЫН
Одесский национальный политехнический университет
ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЦИЛИНДРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ
Рассмотрены возможности повышения надёжности и долговечности цилиндрической группы технологическими методами, в том числе использование покрытий из износостойких материалов на рабочие поверхности цилиндров. Финишные обработки изделий с износостойкими покрытиями приводят к образованию дефектов на обрабатываемых поверхностях, снижают эксплуатационные характеристики этих изделий. Анализ причин образования сколов и трещин на обрабатываемых поверхностях указанных изделий показал, что появление этих дефектов связано с тепловыми процессами, которые сопровождают механическую обработку. Разработана аналитическая модель по определению термомеханического состояния рабочей поверхности цилиндра с износостойким покрытием. Проведены трибокоррозионные исследования композиционных материалов на основе Ni/Ni-TiO2, полученных методом электрохимического осаждения.
Ключевые слова: эксплуатационные характеристики, трибокоррозия, износостойкость, отслоение, термомеханические процессы, шлифование, покрытие.
А.В. УСОВ, М.В. КУНЩИН
Одеський нацюнальний пол^ехшчний ушверситет
МОЖЛИВОСТ1 П1ДВИЩЕННЯ ЕКСПЛУАТАЦ1ЙНИХ ХАРАКТЕРИСТИК РОБОЧИХ ПОВЕРХОНЬ ЦИЛ1НДР1В ТЕХНОЛОГ1ЧНИМИ МЕТОДАМИ
Розглянуто можливостг пгдвищення надтностг i довговгчностг цилтдрично'1 групи технологгчними методами зокрема використання покриттiв зi знососттких матерiалiв на робочi поверхт цилiндрiв. Фiнiшнi методи обробки виробiв зi зносостткими покриттями призводять до утворення дефектiв на оброблюваних поверхнях, що знижуе експлуатацшт характеристики цих виробiв. Анализ причин утворення сколiв та трщин на оброблюваних поверхнях зазначених виробiв показав, що поява цих дефектiв пов'язана з тепловими процесами, як супроводжують механiчну обробку. Розроблено аналiтичну модель по визначенню термомехатчного стану робочоХ поверхнi цилтдра зi зносостшким покриттям. Проведено трiбокорозiйне до^дження композицшних матерiалiв на основi Ni/Ni-TiO2, отриманих методом електрохiмiчного осадження.
Ключовi слова: експлуатацiйнi характеристики, трiбокорозiя, зносостштсть, вiдшарування, термомеханiчнi процеси, шлiфування, покриття.
A.V. USOV, M.V. KUNITSYN
Odessa National Polytechnic University
OPPORTUNITIES FOR INCREASING THE OPERATING CHARACTERISTICS OF WORKING SURFACES OF CYLINDERS BY TECHNOLOGICAL METHODS
The possibilities of increasing the reliability and durability of a cylindrical group by technological methods are considered, including the use of coatings from wear-resistant materials on the working surfaces of cylinders. Finishing of products with wear-resistant coatings leads to the formation of defects on the surfaces to be treated, and reduces the performance characteristics of these products. An analysis of the reasons for the formation of chips and cracks on the surfaces of these products showed that the appearance of these defects is associated with the thermal processes that accompany the machining. An analytical model has been developed to determine the thermomechanical state of the working surface of a cylinder with a wear-resistant coating. The necessary parameters have been determined to ensure the required reliability and durability of the cylindrical coated group and methods for achieving them. Also, the development of technological criteria for managing the defect-free grinding process on the basis of established functional relationships between the physico-mechanical properties of the processed materials of the cylindrical group and coatings and the main technological parameters was carried out. The relationship between the quality of the machined surfaces of the cylindrical group and the control technological parameters is determined, such as processing modes, cutting fluids and tool characteristics, with the values of the grinding temperature and heat flux, as well as the stresses, not exceeding their limit values. It was proposed to implement a system of limiting inequalities in terms of the magnitude of the temperature itself and the
depth of its propagation, which avoids the formation of grinding burns and can serve as the basis for the design of grinding cycles by the thermal criterion. To confirm the adequacy of the analytical model, tribocorrosive studies of composite materials based on Ni/Ni-TiO2 obtained by electrochemical deposition were carried out.
Keywords: reliability, durability, tribocorrosion, wear resistance, detachment, thermomechanical processes, diamond-abrasive processing.
Постановка проблемы
Анализ исследований по трибологии показал, что за полный жизненный цикл машин эксплуатационные расходы в несколько раз превышают затраты на изготовление новой техники. Потери средств от трения и износа в развитых государствах достигают 4.. .5% национального дохода [1].
Повышение долговечности машин непосредственно связано с износостойкостью деталей машин. Таким образом, повышение износостойкости деталей машин является актуальным направлением исследований. Долговечность многих машин определяется износостойкостью деталей, имеющих внутренние цилиндрические поверхности, работающие в условиях трения скольжения.
Анализ последних исследований и публикаций
Известно, что задача повышения износостойкости конкретного изделия часто не предусматривает качественной модификации структурного состава используемого материала во всем его объёме, а переносится на видоизменение поверхностного слоя материала, поскольку защита сопрягаемых деталей от износа в ряде случаев решается поверхностным упрочнением. В общем случае под поверхностным упрочнением понимается повышение твёрдости рабочей поверхности детали, что позволяет увеличить износостойкость [2, 3].
Повышению механических характеристик трущихся поверхностей посвящено большое число работ, в результате которых предложены различные способы упрочнения. Перспективные направления развития поверхностно-упрочняющих технологий предполагают использование новых методов получения износостойких покрытий, в основном с использованием износостойких материалов, т.е. покрытий на основе соединений типа оксидов, нитридов и карбидов. Образование упрочняющих покрытий из разнородных материалов приводит не только к модификации поверхностного слоя, но и к образованию, в ряде случаев, принципиально нового композиционного материала поверхностного слоя, обладающего как высокой прочностью и достаточной пластичностью, так и повышенной износостойкостью [3 - 6].
Цель исследования
При поступательном движении поршня в цилиндре, имеющем некруглость 5, на его рабочей поверхности формируются зоны частичного отслоения покрытия. Эти участки под действием рабочих касательных напряжений могут достигать таких значений, при которых происходит отслаивание покрытия от матрицы цилиндрической поверхности. Изготовление цилиндров с нанесением на их рабочие поверхности износостойких покрытий связано с технологическими операциями по их обработке, которые сопровождаются термомеханическими явлениями.
Поэтому целью исследования являются термомеханические процессы в изделиях с покрытием при их обработке и эксплуатации для определения условий образования дефектов отслоения покрытий от основного материала и их устранения с учётом физико-механического состояния поверхностного слоя, технологических параметров финишной обработки и наследственных дефектов.
Изложение основного материала исследования
Найдём, при каких технологических параметрах, связанных с шероховатостью рабочей поверхности цилиндра и его геометрической погрешностью, а также физико-механических свойств покрытия и материала цилиндра, происходит разрушение собственно покрытия.
Расчётная схема по определению напряженно-деформированного состояния системы цилиндр-покрытие следующая (рис. 1).
Рассмотрим уравнение теплопроводности для двухслойного цилиндра при симметричном нагревании, со свободным теплообменом с внутренней и внешней поверхности цилиндра. Температура и тепловой поток окрестности границы раздела изменяется непрерывным образом. Иными словами, получаем следующую задачу: найти непрерывную функцию температуры (г,т) в области -01К <г <Я3,0 <т<да], удовлетворяющую уравнению [7, 8, 9]:
( д 1 дt; Л
дт
- = а.
дг2 г дг
(1)
где , = 1 для первой области Б[Я1 < г < Я3, 0 <т <<ж], , = 2 для второй области £>[ Я1 < г < Я3,0 < т < да]; граничным условиям:
условиям сопряжения:
начальному условию:
д!:
-1 - Л^ - Т1(т)] = 0,
дг
д:
-¡Т - - Т2 (т)] = 0,
дг
t =: 2дк= 2 дк 11—12,у4 — ,
дг дг
при г = Я1, при г = Я3;
при г = Я2;
(2)
(3)
(г ,0) = Ф,-. (4)
Здесь а1, к,2, — коэффициенты температуропроводности, относительной теплоотдачи и теплопроводности, соответственно покрытия (¡=2) и основного материала 0=1).
Функции Ф, (г), Т (т) удовлетворяют таким условиям: а) Т (т) — дифференцируемая по т функция. Кроме того
т Я+1 дТ.
Л
0 Я
дт
Ли
Гп
Гп
ехр[-^(т-т)]йгйт <<х>.
б) Ф, (г) — непрерывная по г функция, производная которой может иметь разрыв первого рода при г = Я2. Решение задачи будем искать в виде
=[Т2(т)-Т1(т)]( Л 1п г + вг )+Тг (т) + ©, (г ,т) (5)
Получаемая для ©, задача решается методом конечных интегральных преобразований, ядра ип (г) которых удовлетворяют уравнению Бесселя
,, 1 , у2
и,п +- и,п +—и,п = 0
г а
с граничными условиями
и -ки = 0,
1п Л 1п '
и1п = и2п ,Г1и1п =Г2и2п
и2п + к2и2п,
при г = Я1, при г = Я2; при г = Я3;
(6)
(7)
Окончательное решение задачи запишется как
и,п (г).
:г(г,т) = ¥г(г,т) + Хехр(-г1т) ©п(0) + |^т^р^Г^т
п=1 _ 0 ^т
Здесь (г, т) = [Т (т) - Т1 (т)] (Л_. 1пг + В,) + Т (т).
Для определения напряжённо-деформированного состояния цилиндра с покрытием, подверженного действию температурного поля, рассмотрим следующую задачу. Двухслойный неограниченный полый цилиндр подвержен действию температурного поля =(г,т). Материал цилиндра и покрытие соприкасаются по всей поверхности раздела и, следовательно, перемещения на поверхности раздела будут
непрерывными. Другое условие на границе раздела получаем из условия непрерывности нормальных напряжений аг. На внешних поверхностях аг полагаются равными нулю. Таким образом, имеем
следующую задачу: найти непрерывную функцию деформации и1 (г,т) в области Б[Я1 < г < Я3,0 < т < т0],
удовлетворяющую уравнению
1 д2и. д2и. 1 ди. и. дt■
-у—2^= —2т +--~~2 - щ , (8)
С дт дг г дг г дг
где 1=1 для первой области, то есть когда г изменяется от Rl до R2 и ¡=2 для второй области, когда г изменяется от Я2 до Яз; и. (г,т) — перемещение, с, — скорость распространения волн расширения в
упругой среде; граничным условиям
ди1
—1 + ри = т^, при г = Я, дг
ди2
—2 + р2и2 = т^2, при г = Я3; дг
(9)
условиям сопряжения:
ди1 ди2
и1 = и2,р12—1 + q12u1 =—2 + р12щ^ - т^2 при г = Я2; (10)
дг дг
начальным условиям:
и, (г ,0) = Ф, (г),= Чг (г). (11)
дт
Решение этой задачи будем искать в виде:
иг (г ,т) = уг (г ,т) + ©, (г ,т), (12)
здесь
В (т) т
г г
уг(г,т) = Аг(т)г + -.— + -!- [^(р,т)рёр (13)
г г *
Я
квазистатическое решение задачи (8) - (11). Аг (т) и В1 (т) — некоторые функции, которые выбираются так, чтобы для функции ©,, (г,т) получились однородные граничные условия. Полученная для & г задача решается методом конечных интегральных преобразований. Соответствующие формулы обращения имеют вид
я2 1 Я3
®п = ^ |®1®1„г^г + — {©2^^ (14)
С1 Я С2 Я2
©г (Я < г < Я+1). (15)
п=1
Здесь 0),п (г) решение уравнения Бесселя
®гп = 0, (16)
1 ' 1 ^
г
2 2 с г
V , )
с граничными условиями
®1п + Р1аш = 0 при г = Яl,
®1п =®2п, Р12®1п + ^2®1п =®2п при г = Я2, (17)
а2п + р2а2п = 0 при г = Я2.
Для определения ©п имеем уравнение
2 ©_
ёт2
с начальными условиями:
- - ё© -© =Ф -Щ ,-= ¥ -
п п т г 4
■Г2© =- ёщ
Гп п ёт ёЩп
при т = 0.
ёт ёт
Решение уравнения (18) с начальными условиями (19) запишется так
1 т ё 2 —
© п = с1п соя г„т + С2п вшг„т--[-^г^ъ[г„(т - т)]
Г« о ёт
(18)
(19)
(20)
где
1
^п (0) -
-Щп (0)
ёт
Сщ =Фп (0) -Щп (0), С2п = —
г Л
Анализ расчётных зависимостей свидетельствует о том, что с увеличением шероховатости рабочей зоны цилиндра увеличивается зона отслоения покрытия от волокна в связи с трением на этом участке с поверхностью поршня.
А это значит, что разрушение покрытия произойдёт в том случае, когда технологические напряжения по величине будут превосходить прочность сцепления ссц.
На рис. 2 представлен режим обработки рабочих поверхностей цилиндра, которые обеспечивают необходимую шероховатость для сохранения функциональных свойств группы поршень-цилиндр с покрытием [12 - 18].
Рис.
Рис. 2. Влияние режимов обработки цилиндрической группы с покрытием на её характеристики
Результаты
Для обеспечения требуемой надёжности и долговечности цилиндрической группы с покрытием необходимо при нанесении покрытий на их рабочих поверхностях обеспечить шероховатость 0,8<Я а <1,2. Такую шероховатость можно достичь за счёт операций финишного шлифования и последующего отделочного полирования.
Разработка технологических критериев для управления процессом бездефектного шлифования осуществлена на базе установленных функциональных связей между физико-механическими свойствами обрабатываемых материалов цилиндрической группы и покрытий и основными технологическими параметрами.
Качество обрабатываемых поверхностей цилиндрической группы будет обеспечено, если с помощью управляющих технологических параметров подобрать такие режимы обработки, смазочно-охлаждающие среды и характеристики инструмента, что текущие значения температуры шлифования Ti (г, т) и теплового потока д(г, т), напряжений ст(г, т) не будут превосходить своих предельных значений [15].
Реализация системы ограничивающих неравенств по величинам самой температуры и глубине её распространения в виде:
С
(
Т (г ,т) =-У Н
2пХ,
к.I
\
т--
(
Н
кр
Ь + к1
кр
(г,т,т )ёт < [Т]м ;
(21)
с
Т ([к],0,т) = — X н
2пА к=0
( и>
т--
V °кР
(
н
ь+ы
V °кр )п
/2
{^(г0,т,т<[Т],п.;
(22)
Тк (г ,т) =
(г-п)2
сир т г Х(п,:)е4(т-:)
Я
пЛ1у[и~ а-е 2у/п(т- :) [ ^(т-1)
-уе'
2(т-:)
1 + Ф(х7Г-7) Iс1пс1:<[Т]; (23)
Ттах (г 0) = СиЫРа Р
Т (г,0) = ли п
ч
1 -ехр
Цл/Р? а
<[Т ]
Я1,0,, г,, Я1
(24)
позволяет избежать образования шлифовочных прижогов и может послужить основой для проектирования циклов шлифования по тепловому критерию.
Обработку материалов и сплавов без шлифовочных трещин можно обеспечить, если ограничить формирующиеся в зоне интенсивного охлаждения напряжения предельными значениями:
1 + У
(г,т) = 2°-— аТкег/1 „ /—
1 -V V 2у1 ат
(25)
Для подтверждения адекватности аналитической модели были проведены трибокоррозионные исследования композиционных материалов на основе №/№-ТЮ2, полученные методом электрохимического осаждения (рис. 3) [19].
Рис. 3. Исследование композиционных материалов на основе №/№-ГЮ2 в сканирующем электронном микроскопе: (а) нарушение покрытия, (б) частицы ТЮ2, (в) измерение диаметра частицы, (г) измерение толщины покрытия
После проведения трибокоррозионных исследований материалов №/№-ТЮ2 определено, что для покрытия N1 заметно увеличение глубины и ширины трещин в зависимости от увеличения нагрузки при неизменном времени воздействия. При этом профиль трещин для покрытия №-ТЮ2 с увеличением нагрузки не меняется. В связи с этим можно выделить положительное влияние частиц ТЮ2 в покрытии, которые увеличивают защитные функций покрытия от механического истирания, при этом величина нагрузки для N1-Т102 перестаёт играть столь существенную роль.
Выводы
Разработана аналитическая модель по определению термомеханического состояния рабочей поверхности цилиндра с износостойким покрытием, позволяющая осуществить рациональный выбор технологических параметров обработки этих изделий по приведённым критериям для обеспечения бездефектной обработки. Адекватность полученной модели проверялась экспериментальными исследованиями композиционных материалов на основе Ni/Ni-TiO2, полученных методом электрохимического осаждения.
Список использованной литературы
1. Гаркунов Д.Н. Виды трения и износа. Эксплуатационные повреждения деталей машин : монография / Д.Н. Гаркунов, П.И. Корник — М. : МСХА, 2003. — 343 с.
2. Ueda T. Measurement of grinding temperature using infrared radiation pyrometer with optical fiber / T. Ueda , A. Hosokawa, A. Yamamoto // Journal of Engineering for Industry. — 1986. — Т. 108, №. 4. — P. 247-251.
3. Усов А. В. Математическое моделирование процессов контроля покрытий элементов конструкций на базе сингулярных интегральных уравнений / А.В. Усов, А.А. Батырев — К. : Проблемы машиностроения, 2010. — Т. 13, № 1. — С. 65-75.
4. Оборский Г. А. Моделирование систем: монография / Г.А. Оборский, А.Ф. Дащенко, А.В. Усов, Д.В. Дмитришин — Одесса : Астропринт, 2013. — 664 с.
5. Балохонов Р. Р. Поверхностные слои и внутренние границы раздела в гетерогенных материалах : монография / Р. Р. Балохонов — Новосибирск : СО РАН, 2006. — 520 с.
6. Якимов А. В. Теплофизика механической обработки / А. В. Якимов, П. Т. Слободяник, А. В. Усов — Одесса : Лыбидь, 1991. — 240 с.
7. Carslaw H. S. Introduction to the mathematical theory of the conduction of heat in solids (Classic Reprint) / H.S. Carslaw — London : Fb&c Limited, 2017. — 284 p.
8. Carslaw H. S. Conduction of heat in solids / H. S. Carslaw , J. C. Jaeger — Oxford : Clarendon Press, 1986.
— 510 p.
9. Паркус Г. Неустановившиеся температурные напряжения / [сост. Г. Паркус, пер. с нем. под ред. Г.С. Шапиро]. — М.: Физматлит, 1963. — 252 с.
10. Попов Г. Я. Концентрация упругих напряжений возле штампов разрезов тонких включений и подкреплений / Г.Я. Попов — М. : Наука, 1982. — 344 с.
11. Градштейн И. С. Таблицы интегралов, рядов и произведений : монография / [сост. И. С. Градштейн, И.М. Рыжик, пер. с англ. / науч. ред.: Алан Джеффри, Даниэль Цвиллингер]. — 7-е изд. — Санкт-Петербург : БХВ-Петербург, 2011. — 1232 с.
12. Сторожев В. П. Причины и закономерности постепенных отказов основных триботехнических объектов энергетической системы судна и повышение их ресурса / В. П. Сторожев — Одесса : Сторожев ВП, 2001. — 341 с.
13. Sun Y. Corrosion behaviour of sediment electro-codeposited Ni-АЬОз composite coatings / Y. Sun, I. Flis-Kabulska, J. Flis // Materials Chemistry and Physics. — 2014. — Т. 145. №. 3. — P. 476-483.
14. Aruna S. T. Ni-based electrodeposited composite coating exhibiting improved microhardness, corrosion and wear resistance properties / S.T. Aruna, V.K. W. Grips, K.S. Rajam // Journal of Alloys and Compounds. — 2009. — Т. 468, №. 1-2. — P. 546-552.
15. Chen L. Influence of pulse frequency on the microstructure and wear resistance of electrodeposited Ni-AhO3 composite coatings / L. Chen, L. Wang, Z. Zeng, T. Xu // Surface and Coatings Technology. — 2006. — Т. 201, №. 3-4. — P. 599-605.
16. Kim K. T. Synthesis and improved explosion behaviors of aluminum powders coated with nano-sized nickel film / K. T. Kim, D. W. Kim, S. H. Kim, C. K. Kim, Y. J. Choi // Applied Surface Science. — 2017. — Т. 415.
— P. 104-108.
17. Kalpakjian S. Manufacturing engineering and technology / S. Kalpakjian, S.R. Schmid — Upper Saddle River, NJ, USA : Pearson, 2014. — 913 p.
18. Левченко А. А. Влияние технологической наследственности при производстве запасных частей на наводораживание деталей и их износостойкость / А. А. Левченко, В.Д. Евдокимов // Проблеми техшки.
— 2006. — №2. — С. 23-28.
19. Kunitsyn M.V. Tribocorrosion research of NI-AhO3/TIO2 composite materials obtained by the method of electrochemical deposition / M.V. Kunitsyn, A.V. Usov // Сучасш технологи в машинобудуванш. — 2017.
— Т.12. — С. 61-70.
