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 31 гостей онлайн
Оптимизация обработки шеек вала по параметрам износостойкости (СПбГАУ)

УДК 621.9: 658.5

Оптимизация режима отделочно-антифрикционной обработки шеек коленчатого вала по параметрам износостойкости поверхности
(СПбГАУ, 2019)

В.Я. Сковородин, д-р техн. наук, профессор Санкт-Петербургский ГАУ
А.В. Антипов, соискатель, Санкт-Петербургский ГАУ

Введение

Одним из перспективных методов повышения качества восстановленных шеек коленчатых валов является комбинированная отделочно-антифрикционная обработка рабочей поверхности. В качестве отделочной операции используется операция алмазного выглаживания. Для обеспечения антифрикционных свойств алмазное выглаживание производится 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 [1].

При назначении режима отделочно-антифрикционной обработки должны быть выполнены два критерия – обеспечена шероховатость поверхности по техническим требованиям заводов изготовителей и обеспечена необходимая износостойкость рабочей поверхности. Поэтому решение задачи выбора оптимального режима обработки целесообразно осуществлять в два этапа. На первом этапе определяется диапазон варьирования параметров режима обработки, при которых обеспечивается требуемое качество поверхности по параметрам шероховатости. Результаты таких исследований приведены в [2]. На втором этапе режим обработки оптимизируется по критериям антифрикционных свойств. Цель исследований – исследование влияния режима отделочной антифрикционной обработки на износостойкость обработанной поверхности шеек коленчатых валов автотракторных двигателей.

Объект и методика исследований

Исследования проводились на примере коленчатого вала 240-1005020, как наиболее типичного представителя валов, используемых в дизельных двигателях тракторов среднего класса. Испытания на износостойкость проводились на машине трения СМТ-1 по схеме «колодка-ролик» на образцах с поверхностями трения, близкими по своим физико-химическим свойствам к поверхностям шейки коленчатого вала и подшипника скольжения.

В качестве элемента «ролик» применялись ролики, изготовленные из стали 45Х с последующей термической обработкой. Рабочая поверхность после закалки обрабатывалась черновым шлифованием с шероховатостью 8-го класса. Окончательная обработка проводилась алмазным выглаживанием в среде геомодификатора ТСК-СМ (антифрикционная многофункциональная добавка к смазочным материалам общетехнического назначения ТУ 0257-006-13830045-2016 , производства ООО "НЭСК", патент РФ № 2415176), который был нанесен на обрабатываемую поверхность посредством применения масляной композиции НЭС СТО (ТУ 13830045-001-2016, разработка ООО "НЭСК") инструментом с радиусом рабочей части 4 мм. Шероховатость после окончательной обработки соответствовала 9-му классу. В качестве элемента «колодка» применялись фрагменты вкладышей.

Испытания проводились с постепенным повышением нагрузки в течении двух часов до величины, исключающей схватывание поверхностей (что составляло 7 МПа). Затем на этом режиме проводились испытания на износостойкость в течении 10 часов.

Величина износа определялась по изменению массы роликов, элементов вкладышей и методом искусственных баз (при трёхкратной повторности). Параметры шероховатости определялись прибором MITUTOYO "Surftest SJ-301".

Результаты исследований

Исследование проводилось по центрально-композиционному плану второго порядка. Изменяемыми параметрами технологического процесса отделочно-антифрикционной обработки приняты сила прижатия индентора к детали и кратность силового воздействия.

Диапазон изменения факторов выбран на основе выполненных ранее исследований [2,3,4] из условий обеспечения требований шероховатости поверхности. Величина радиальной силы изменялась в пределах 150 – 270 Н, кратность приложения нагрузки – 1 … 20. Скорость выглаживания составляла 1,75 м/сек. В качестве функции отклика приняты интенсивность изнашивания рабочей поверхности ролика и величина износа ролика и вкладыша по массе.

План эксперимента и результаты экспериментов приведены в таблице 1.

Таблица 1. План и результаты многофакторного эксперимента

На рис. 1 показана поверхность функции зависимости интенсивности изнашивания рабочей поверхности вала от величины силы давления индентора и кратности приложения силового воздействия. Интенсивность изнашивания уменьшается незначительно с увеличением силы давления индентора и более существенно с увеличением кратности приложения силового воздействия. Однако при большом количестве силовых воздействий интенсивность изнашивания снова возрастает.

Модель второго порядка зависимости интенсивности изнашивания рабочей поверхности вала от величины силы давления индентора и кратности приложения силового воздействия имеет вид:

I∙103 = 0,00015P2 + 0,01K2 – 0,75P – 0,53K + 0,0013PK + 11,65, (1)

где:
P – сила давления индентора (150Н < P < 250Н);
K – кратность приложения силового воздействия (2 < K < 20).

Оценка адекватности модели проводилась на основе дисперсионного анализа. Результаты дисперсионного анализа приведены в таблице 2. Статистически значимые эффекты по критерию Фишера имеют линейный и квадратичный члены величины кратности приложения нагрузки, квадратичный член силы давления индентора и взаимодействие линейных членов кратности приложения нагрузки и силы давления индентора (уровень значимости равен 0,02-0,08).

Рис. 1. Зависимость интенсивности изнашивания рабочей поверхности вала от величины силы давления индентора и кратности приложения силового воздействия

Значимость линейного коэффициента силы давления индентора отклоняется, так как уровень значимости достигает величины 0,18. Удовлетворительную адекватность модели подтверждает величина коэффициента детерминации, равная 0,88.

Таблица 2. Дисперсионный анализ модели зависимости интенсивности изнашивания от режима антифрикционной обработки

Значимость отдельных коэффициентов уравнения (1) показана на рис. 2. Это свидетельствует о возможности применения приведённой модели для оптимизации режима финишной обработки шеек коленчатого вала.

Рис. 2. Диаграмма Парето модели интенсивности изнашивания рабочей поверхности вала

На рис. 3 показан график уровней интенсивности изнашивания поверхности вала в зависимости от величины давления индентора и кратности приложения нагрузки. Наименьшая интенсивность изнашивания обеспечивается при отделочной обработке с силой давления индентора 180 Н …220 Н и кратности приложения нагрузки 12 … 14 (3 прохода инструмента при продольной подаче 0,08 мм/об.).

Рис. 3. График уровней интенсивности изнашивания поверхности вала в зависимости от величины давления индентора и кратности приложения нагрузки

Приведённый выше анализ относится к оценке износа в отдельных локальных зонах (в местах нарезания искусственных баз). Более общую характеристику износостойкости даёт потеря массы трущихся деталей (ролика и вкладыша). На рис. 4 показана зависимость величины износа (по потере массы) ролика от силы давления индентора и кратности приложения силового воздействия.

Рис. 4. Зависимость величины износа (по потере массы) ролика от силы давления индентора и кратности приложения силового воздействия

Модель второго порядка этой зависимости имеет вид:

U = 0,0000052P2 + 0,0005K2 – 0,0023P – 0,015K + 0,00002PK + 0,32, (2)

где:
P – сила давления индентора (150Н < P < 250Н);
K – кратность приложения силового воздействия (2 < K < 20).

Таблица 3. Дисперсионный анализ модели зависимости износа ролика от режима антифрикционной обработки

Оценка адекватности модели, проведённая на основе дисперсионного анализа, (таблица 3) показала, что статистически значимые эффекты по критерию Фишера имеют линейный и квадратичный члены величины кратности приложения нагрузки и квадратичный член силы давления индентора (уровень значимости равен 0,003-0,03). Значимость линейного коэффициента силы давления индентора и коэффициента взаимодействия линейных членов кратности приложения нагрузки и силы давления индентора отклоняются, так как уровень значимости достигает величины 0,34. Адекватность модели подтверждает величина коэффициента детерминации, равная 0,93. Значимость отдельных коэффициентов уравнения (2) показана на рис. 5, а график уровней зависимости величины износа ролика от силы давления индентора и кратности приложения силового воздействия на рис. 6.

Рис. 5. Диаграмма Парето модели зависимость величины износа ролика от силы давления индентора и кратности приложения силового воздействия

Рис. 6. График уровней зависимость величины износа ролика от силы давления индентора и кратности приложения силового воздействия

Анализ зависимости величины износа ролика от силы давления индентора и кратности приложения силового воздействия полностью соответствует модели зависимости интенсивности изнашивания по методу искусственных баз. Наименьшая величина износа обеспечивается при отделочной обработке с силой давления индентора 190 … 210 Н и кратности приложения нагрузки 10 … 12.

На рис.7 показана зависимость величины износа ( по потере массы) вкладыша от силы давления индентора и кратности приложения силового воздействия.

Рис. 7. Зависимость величины износа вкладыша от силы давления индентора и кратности приложения силового воздействия

На рис. 8 показан график уровней зависимости величины износа вкладыша от силы давления индентора и кратности приложения силового воздействия.

Рис. 8. График уровней зависимости величины износа вкладыша от силы давления индентора и кратности приложения силового воздействия

U = 9,6∙10-7P2 + 0,00018K2 – 0,00037P – 0,0037K + 0,000PK + 0,064 (3)

Проверка на адекватность показала, что значимыми коэффициентами можно принять только линейный и квадратичный коэффициенты кратности приложения нагрузки. Минимальная величина износа вкладыша наблюдается при обработке вала с давлением индентора силой 190 … 200 Н и кратности приложения нагрузки равной 10 … 11.

Таблица 4. Оптимальные значения параметров отделочно-антифрикционной обработки

Решение функций (1) … (3) на минимум позволяет определить оптимальные значения параметров отделочно-антифрикционной обработки. Результаты решения, выполненные по приложению поиск решения Excel, приведены в таблице 4.

Выводы

Результаты исследования износостойкости поверхности вала, обработанной алмазным выглаживанием в среде геомодификатора, существенно зависят от режима обработки. Наибольшее влияние оказывает кратность приложения нагрузки деформирования. В исследованном диапазоне изменения параметров режима, обеспечивающим требования по шероховатости поверхности, оптимальным режимом обработки следует считать давление индентора диаметром 4 мм силой 195 … 200 Н и кратность деформирования 10 … 13. Кратность деформирования зависит от диаметра индентора, величины продольной подачи инструмента и числа проходов. Для диаметра индентора 4 мм и стандартного ряда подач токарного станка оптимальная подача составит 0,08 мм/оборот при трёх проходах инструмента.

Литература

  1. Сковородин В.Я. Исследование влияния финишной антифрикционной обработки шеек на работоспособность подшипников коленчатого вала / В.Я. Сковородин, А.В. Антипов, К.А. Меньшиков // Известия Международной академии аграрного образования – 2017. – Том.1, Выпуск № 35. – С. 117-122.
  2. Сковородин В.Я. Влияние режима отделочно-антифрикционной обработки шеек коленчатого вала на параметры шероховатости поверхности / В.Я. Cковородин, А.В. Антипов //Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. – 2017. – № 4(49). – С. 245–252.
  3. Сковородин В.Я. Влияние кратности силового воздействия при финишной отделочно-антифрикционной обработке шеек коленчатых валов / В.Я. Cковородин, А.В. Антипов // Научное обеспечение развития АПК в условиях импортозамещения: сборник научных трудов международной научно-практической конференции. – Ч. I / СПбГАУ. – СПб., 2018 (Санкт-Петербург–Пушкин, 25–27 января 2018 года). – С.382 - 387.
  4. Сковородин В.Я. Влияние финишной отделочно-антифрикционной обработки валов на амплитудные параметры шероховатости поверхности / В.Я. Cковородин, А.В. Антипов // Научное обеспечение развития АПК в условиях импортозамещения: сборник научных трудов международной научно-практической конференции. – Ч. I / СПбГАУ. – СПб., 2018 (Санкт-Петербург–Пушкин, 25–27 января 2018 года). – С.387 - 392.