Eng
Главная Испытания стендовые
Последний документ


Патент № 2415176


Научное руководство



Зуев Валерий Владимирович

Доктор геол.-минер. наук, академик РАЕН, автор четырех научных открытий, в которых выявлены новые энергетические подходы к объяснению и предсказанию физико-химических свойств минеральных и других кристаллических веществ

Рекомендательное письмо...


Кто на сайте
Сейчас 28 гостей онлайн
Исследование шероховатости поверхности вала после финишной антифрикционной обработки в среде ТСК (СПбГАУ)

УДК 621.9: 658.5

Исследование шероховатости поверхности вала после
финишной антифрикционной обработки в среде геомодификатора ТСК
(СПбГАУ, 2017)

В.Я. Сковородин, доктор тех. наук, доцент
А.В. Антипов, аспирант

Введение

Работоспособность восстановленных шеек коленчатых валов автотракторных двигателей во многом определяется финишным процессом обработки.

Одним из перспективных методов повышения качества восстановленных шеек коленчатых валов является комбинированная отделочно-антифрикционная обработка рабочей поверхности. В качестве отделочной операции предлагается операция алмазного выглаживания в среде геомодификаторов трения. Применение алмазного выглаживания, как одного из составляющих комбинированного технологического процесса финишной обработки, обеспечивает тепловые режимы, необходимые для получения на рабочей поверхности антифрикционных износостойких плёнок.

Для реализации этого технологического процесса требуется соблюдение заданного теплового режима. Обоснование режимов финишной комбинированной антифрикционной обработки, при которых создаются условия для образования антифрикционных плёнок обоснованы в ранних работах [1].

Имеющиеся 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.

Для решения задачи выбора рациональных режимов процесса следует знать зависимости, связывающие характеристики качества обрабатываемых поверхностей с условиями обработки.

Цель исследований

Исследование влияния режима отделочной антифрикционной обработки на геометрические параметры обработанной поверхности шеек коленчатых валов автотракторных двигателей.

Материал, методы и объекты исследования

Исследования проводились на примере восстановления шеек коленчатых валов двигателей семейства Д-240, восстановленных путём обработки под ремонтный размер. Исследования проводились на детали типа вал, изготовленной из стали, аналогичной коленчатому валу и обработанной шлифованием на режиме, соответствующему режиму обработки коленчатого вала на ремонтный размер.После шлифования на поверхность вала наносился состав, содержащий геомодификатор ТСК. Далее производилось алмазное выглаживание инструментом 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 [2,3].

Параметрами технологического процесса выглаживания являются:

  • – сила прижатия индентора к детали (глубина внедрения индентора);
  • – скорость выглаживания;
  • – продольная подача выглаживателя.

Оптимальное значение радиальной силы соответствует условию полного смятия микронеровностей. По рекомендации [3] 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 стали рекомендуется подача 0,05-0,07 мм/оборот [3]. В исследованиях принята величина подачи 0,05 мм/оборот.

Скорость выглаживания по литературным данным достигает величины 300-350 м/мин [3] (5-6 м/сек.). При проведении экспериментов скорость выглаживания принята в диапазоне 0,5-5,5 м/сек.

В качестве функции отклика приняты параметры шероховатости обработанной поверхности. Параметры шероховатости определялись прибором MITUTOYO «Surftest SJ-301». В качестве оценочных параметров шероховатости взяты параметры, регламентированные большинством стандартов: ГОСТ 25142-82, ASME B46.1-1995, ISO 4287-199, DIN 4776.

Основной и наиболее распространённой оценкой шероховатости является среднее арифметическое отклонение профиля (Ra) – среднее отклонение всех точек профиля шероховатости от средней линии на длине оценки.

Вторым высотным параметром профиля шероховатости является высота неровностей профиля по десяти точкам (Rz) – сумма средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины.

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 Rv – расстояние от низшей точки профиля до средней линии. Стабильность процесса обработки поверхности характеризует среднеквадратическое отклонение профиля от средней линии – Rq.

При планировании эксперимента был выбран центрально-композиционный план второго порядка как план, позволяющий с достаточной точностью определить адекватность математической модели и сократить число опытов. Исследования проводились в двух вариантах, отличающихся параметрами обработки вала перед выглаживанием. В первом варианте параметр шероховатости Ra =0,4 мкм, во втором – Ra =0,6 мкм.

План эксперимента и результаты приведены в табл. 1.

Таблица 1. План и результаты многофакторного эксперимента

Результаты исследования

Результаты испытаний обработаны в программе STATISTICA.

На рис. 1 показана двухмерная зависимость основных параметров шероховатости от силы давления индентора и скорости выглаживания.

Как видно из графиков, основное влияние на высотные параметры шероховатости поверхности после алмазного выглаживания в среде геомодификатора трения оказывает сила прижатия индентора к валу, причём зависимость имеет не линейный характер. Влияние скорости движения индентора относительно вала значительно меньше и эта зависимость так же не линейна.

Функциональные зависимости параметров шероховатости от величины давления индентора и скорости выглаживания имеют вид:

Ra = 0,28 – 0,001P – 0,0051V + 0,000002P2 + 0,0014V2 – 0,000019PV,
Rz = 2,42 – 0,0093P – 0,14V + 0,00002P2 + 0,035V2 – 0,0003PV,
Rq = 0,38 – 0,0015P – 0,011V + 0,0000027P2 + 0,0014V2 – 0,000021PV,
Rt = 3,03 – 0,011P – 0,20V + 0,000021P2 + 0,038V2 + 0,0001PV,
Rp = 0,64 – 0,0015P + 0,02V + 0,0000024P2 – 0,0049V2 + 0,000022PV,
Rv = 1,95 – 0,0086P – 0,22V + 0,0000019P2 + 0,043V2 – 0,0002PV

Рис. 1. Зависимость параметров шероховатости (Ra, Rz, Rt и Rv) трения от силы прижатия индентора и скорости выглаживания

Таблица 2. Дисперсионный анализ моделей зависимости параметров шероховатости от давления и скорости индентора

Оценка адекватности моделей второго порядка проведена на основе дисперсионного анализа и приведена в табл. 2.

Из табл. 2 следует, что статистически значимые эффекты (уровень значимости меньше 0,05-0,1) имеют линейные члены величины давления. Квадратичный член величины давления может быть включён в модель с вероятностью 0,7-0,8. Значимость коэффициентов линейного и квадратичного членов скорости выглаживания и парного взаимодействия должна быть отклонена (уровень значимости достигает величины 0,7-0,9) . Это наглядно показано для параметров Ra и Rz на диаграммах рис. 2.

Рис. 2. Вероятностные графики значимости членов моделей зависимости профиля поверхности (Ra и Rz) от давления и скорости индентора

Как видно из графика, линейные и квадратичные члены фактора скорости выглаживания и парного взаимодействия находятся стороне от линейных и квадратичных членов фактора давления индентора.

С учётом значимости членов модели зависимости параметров от величины давления индентора и скорости выглаживания имеют вид:

Ra = 0,28 – 0,001P + 0,000002P2
Rz = 2,42 – 0,0093P + 0,00002P2
Rq = 0,38 – 0,0015P + 0,0000027P2
Rt = 3,03 – 0,011P + 0,000021P2
Rp = 0,64 – 0,0015P + 0,0000024P2
Rv = 1,95 – 0,0086P + 0,0000019P2

Таким образом, один из факторов – скорость выглаживания исключается из статистической модели. Это даёт основание получить зависимость параметров шероховатости от силы прижатия индентора на основе всех экспериментов. На рисунке приведены такие зависимости для двух параметров – Ra и Rz. Для остальных параметров характер зависимостей аналогичный.

Рис. 3. Зависимость параметров шероховатости Ra и Rz от силы давления индентора (средняя и 95-процентный интервал)

С учётом этого в окончательном виде статистические модели имеют вид:

Ra = 0,32 – 0,0015P + 0,0000026P2
Rz = 2,59 – 0,011P + 0,00002P2
Rq = 0,40 – 0,0017P + 0,0000029P2
Rt = 3,28 – 0,014P + 0,000026P2
Rp = 0,87 – 0,0039P + 0,0000023P2
Rv = 1,77 – 0,0083P + 0,0000016P2

В табл. 3 показаны профилограммы поверхности вала после операции алмазного выглаживания в среде геомодификаторов трения ТСК на различных режимах. Для удобства сравнения они даны построены в одном масштабе.

Таблица 3. Профилограммы поверхности вала после антифрикционной обработки на разных режимах

С увеличением нагрузки происходит изменение профиля поверхности. Неровности на поверхности сглаживаются и происходит её упрочнение. Так же увеличивается опорная площадь, что положительно сказывается на её характеристиках.

С целью определения влияния на процесс антифрикционной обработки начальной шероховатости вала, проведены испытания по такому же плану при более грубой обработке (черновое шлифование кругом зернистотью 32 мкм) – Ra =0,6 мкм.

На рис. 4 показаны зависимости шероховатости Ra от величины давления индентора при разных начальных шероховатостях и скоростях скольжения индентора. С увеличением нагрузки процессы сближаются не зависимо от скорости обработки.

Рис. 4. Зависимость параметров шероховатости от давления индеторапри разных условия обработки

Оптимальные значения параметров выглаживания (минимальное значение шероховатости) можно определить по графикамлиний уровней поверхности функции отклика или путём исследования статистических моделей на оптимум.

На рис. 5 показаны графики уровней параметров шероховатости Ra и Rq в зависимости от величины давления индентора и скорости выглаживания.

Рис. 5. График уровней параметров шероховатости Ra и Rq в зависимости от величины давления индентора и скорости выглаживания

Как видно из графиков, оптимальная величина давления индентора (по параметрам Ra и Rq) находится в диапазоне 250-300 Н и не зависит от скорости скольжения.

Выводы

Зависимость параметров шероховатости поверхности после алмазного выглаживания в среде геомодификатора может быть выражена уравнением второго порядка. Полученные модели позволяют назначить режимы отделочной обработки в соответствии с требованиями к качеству поверхности после обработки. Определено, что основным параметром влияющим на качество обрабатываемой поверхности является величина давления индентора. Скорость обработки и величина подачи инструмента незначительно влияют на изменение геометрических характеристик поверхности.

Литература

  1. Сковородин 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. Сковородин В.Я., Антипов А.В. Обоснование режимов отделочно-антифрикционной обработки восстановленных шеек коленчатого вала // Научное обеспечение развития АПК в условиях импортозамещения, Ч. I. / СПбГАУ. - СПб., 2017. – С. 431-434.
  3. Абразивная и алмазная обработка материалов: Справочник / Под ред. А.Н. Резникова. – М.: Машиностроение, 1977. – 391 с.
  4. Торбило В.М. Алмазное выглаживание. М.: Машиностроение, 1972. 105 с.
  5. Гаркунов Д.Н. Триботехника (износ и безызносность): Учебник. - 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Изд-во MCXA, 2001. 616 с., ил. 280.