Підвищення експлуатаційних властивостей деталей двигунів внутрішнього згоряння за рахунок удосконалення фінішних абразивних способів обробки

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Підвищення експлуатаційних властивостей деталей двигунів внутрішнього згоряння за рахунок удосконалення фінішних абразивних способів обробки

Донецьк - 2006

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Автомобілі, що випускаються вітчизняною промисловістю, не завжди мають необхідні експлуатаційні характеристики деталей і цілих вузлів. До таких вузлів, що визначають надійність роботи автомобіля, належать двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ). Тому задача підвищення технічного ресурсу автомобільних двигунів є дуже актуальною з огляду на вимоги підвищення ресурсу автомобілів у загалі. Аналіз свідчить, що кількість деталей, які лімітують термін служби технічних засобів до капітального ремонту (КР), не перевищує декількох десятків найменувань. Задача полягає в тому, щоб підвищити довговічність цих деталей до рівня тих, які мають найвищу працездатність. Цього можна досягти з мінімальними витратами за рахунок удосконалення технології фінішної обробки, що на даному етапі є важливою як науковою, так і технологічною проблемою.

Вивчення стану питання і літературних джерел показали, що цю проблему можна вирішувати через удосконалення методів обробки, до яких належать хонінгування, доводка та вібраційна обробка. Реальним резервом підвищення ефективності абразивної обробки є створення та раціональне використання нових абразивних і мастильно-охолоджувальних технологічних середовищ (МОТС) на основі компонентів, які містять кремній.

У зв'язку з цим розвиток теоретичних основ фінішних методів обробки, розкриття закономірностей знімання металу з урахуванням виду і властивостей інструментів і МОТС, утворення системи МПД («МОТС + продукти диспергування») і формування поверхневого шару деталей, створення екологічно чистих інструментів, МОТС і паст, а також використання нетрадиційних видів абразивів і сполучних матеріалів є актуальною комплексною науково-технічною проблемою, що має важливе народногосподарське значення. Вирішення даної проблеми дозволить підвищити продуктивність фінішних методів обробки, поліпшити умови праці та екологічний стан на промислових підприємствах, знизити собівартість виготовлення абразивного інструменту, МОТС і паст, а також підвищити експлуатаційні властивості деталей ДВЗ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в межах наукової тематики кафедри «Ремонт автомобілів і дорожніх машин» Автомобільно - дорожнього інституту Донецького національного технічного університету і базується на науковій держбюджетній темі: «Теоретичні основи створення мастильних силікатних матеріалів широкого функціонального призначення» (№ДР 0193U033330), яка відповідає напрямкові «Інші междисциплінарні та міжгалузеві проблеми науково - технічного розвитку».

Мета роботи і задачі досліджень. Метою роботи є поліпшення експлуатаційних характеристик деталей ДВЗ через удосконалення технологічних процесів фінішної абразивної обробки на основі використання раціональних видів абразивних і мастильно-охолоджувальних середовищ, які забезпечують підвищення продуктивності обробки та довговічності деталей.

Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно вирішити такі задачі:

1. Провести аналіз стану проблеми і причин передчасного виходу з ладу деяких деталей ДВЗ, визначити шляхи підвищення їх експлуатаційних властивостей з використанням технологічних методів фінішної обробки та обрати найбільш ефективні з них.

2. Провести дослідження для визначення впливу властивостей абразивних і мастильно-охолоджувальних середовищ на продуктивність процесу обробки, шорсткість поверхні та стан матеріалу поверхневого шару і, як наслідок, - на експлуатаційні властивості оброблюваних деталей.

3. Дослідити з використанням математичного моделювання процес знімання матеріалу деталі при фінішних методах обробки з урахуванням впливу властивостей МОТС.

4. Вивчити властивості та визначити раціональний склад абразивних і мастильно-охолоджувальних середовищ на основі теоретичних досліджень контактної взаємодії пари «інструмент - деталь» із урахуванням руху МОТС між контактними поверхнями.

5. Розробити математичні моделі формування шорсткості поверхні деталей, які враховують вплив складу і властивостей запропонованих МОТС та концентрацію абразиву в інструменті при фінішних методах обробки для прогнозування досягнення потрібного рівня якості обробки.

6. Дати теоретично - експериментальне обґрунтування механізму формування поверхневого шару виробів у процесі фінішної обробки за наявності абразивних і мастильно-охолоджувальних технологічних середовищах, які містять кремній, та оцінити їх вплив на довговічність деталей.

7. Виконати дослідження експлуатаційних властивостей деталей, оброблених з використанням нових складів абразивних і мастильно-охолоджувальних технологічних середовищ, і розробити практичні рекомендації щодо впровадження результатів роботи.

Об'єкт досліджень - технологія абразивної фінішної обробки деталей ДВЗ та її вплив на їх експлуатаційні характеристики.

Предмет досліджень - функціональні зв'язки між властивостями абразивних і мастильно-охолоджувальних технологічних середовищ та якістю поверхонь, продуктивністю обробки і довговічністю деталей.

Методи досліджень. Методологічною основою роботи є загальний системний підхід до вивчення й опису об'єкта і предмета досліджень, процесів, які протікають у зоні контакту інструмента і деталі при фінішній абразивній обробці, закономірностей формування шорсткості оброблюваної поверхні та поверхневого шару з урахуванням впливу вхідних технологічних параметрів.

Теоретичні дослідження базуються на основних законах і положеннях технології машинобудування, механіки твердого тіла, теорії різання та тертя, механіки рідини, фізико-хімічної механіки матеріалів. Основні наукові результати в роботі отримано теоретично і підтверджено експериментально.

Експериментальні дослідження проводилися на спеціально спроектованих лабораторних установках, хонінгувальних, плоскодовідних і вібраційних верстатах із використанням атестованих вимірювальних засобів. Оцінювання характеристик поверхневого шару, отриманого в результаті фінішної обробки, здійснено з допомогою сучасних приладів та устаткування. Математичне оброблювання результатів досліджень виконувалося з використанням прикладного програмного забезпечення (пакету MathCAD). Достовірність отриманих результатів підтверджено аналітичними моделями робочих процесів, експериментальною перевіркою та їх адекватністю, а також результатами виробничих випробувань і впроваджень.

Дослідження виконувалися в лабораторіях кафедри «Ремонт автомобілів і дорожніх машин» Автомобільно-дорожнього інституту Донецького національного технічного університету, у лабораторії «Вібротехнологія» кафедри «Технологія машинобудування» Донського державного технічного університету, у лабораторії «Електронна мікроскопія» Інституту механіки металополімерних систем Білорусії, у лабораторії «Загальна теорія тертя» Інституту машинознавства Академії наук РФ (м. Москва), на ЗАТ «Сантарм», ВАТ «1-й Донецький АРЗ», АТЗТ «Горлівський АРЗ», ВАТ «Концерн Стирол» (м. Горлівка).

Наукова новизна отриманих результатів:

Розроблено наукові основи підвищення якості та експлуатаційних властивостей деталей ДВЗ внаслідок удосконалення способів фінішної абразивної обробки з використанням властивостей нових абразивних та мастильно-охолоджувальних технологічних середовищ. На базі висунутих наукових положень:

1. Створено і розроблено методологію оцінки контактної взаємодії пари «інструмент - деталь», яка вперше враховує особливості різних способів фінішної абразивної обробки і дозволяє аналітично визначити вплив складу і властивостей абразивних і мастильно-охолоджувальних середовищ на продуктивність технологічної системи.

2. Запропоновано спосіб абразивної обробки із застосуванням абразивних та мастильно-охолоджувальних технологічних середовищ із кремнієм, які забезпечують утворення поверхневих плівок з модулем зсуву вищім за модуль зсуву оброблюваного матеріалу. Це приводить до формування дислокаційних структур наклепаного і зміцненого металу та підвищує експлуатаційні властивості деталей.

3. Отримано аналітичне розв'язання контактної задачі взаємодії двох поверхонь, розділених шаром «МОТС + продукти диспергування» (МПД), де вперше враховується вплив теплових ефектів одночасно на швидкість руху робочого середовища, а також на тиск і силу тертя в зоні пластичної деформації. Установлено, що із збільшенням тиску робочого середовища зростає шорсткість оброблюваної поверхні.

4. Розроблено нові принципи прогнозування і створено комплекс моделей, які дозволяють на стадії виготовлення обирати раціональний склад і технологію виготовлення абразивного інструменту, паст і МОТС, прогнозувати параметри формування шорсткості поверхні, зняття металу і термін оброблення для досягнення потрібної шорсткості в процесі фінішних методів обробки.

5. Теоретично обґрунтовано і експериментально підтверджено доцільність підвищення експлуатаційних властивостей поверхневого шару деталей ДВЗ в результаті фінішної обробки, яка базується на застосуванні абразивних і мастильно-охолоджувальних середовищ із кремнієм.

Практичне значення отриманих результатів: Запропоновано математичну модель, яка в умовах виробництва дозволяє за завданими параметрами шорсткості визначити кількісні значення компонентів абразивних та мастильно-охолоджувальних середовищ для низки методів обробки (хонінгування, доводки і віброобробки).

Запропоновано нові склади абразивного інструменту, паст і МОТС із поліпшеними екологічними характеристиками, надано практичні рекомендації щодо їх використання в промисловості, що забезпечує:

- підвищення продуктивності фінішних операцій обробки деталей ДВЗ на 10 15%;

- поліпшення умов праці та екологічної ситуації під час абразивної обробки та виготовлення абразивного інструменту;

- унеможливлення виникнення небезпечних ситуацій внаслідок заміни пожежо- і вибухонебезпечних вуглеводневих сумішей на МОТС із водною основою;

- зниження собівартості виготовлення абразивних інструментів, паст і МОТС в тричі;

- підвищення довговічності деталей ДВЗ на 15 20%.

Особистий внесок автора в одержання наукових результатів. Усі наукові результати отримані автором самостійно. Автор виконав наукові розробки в галузі технології машинобудування, пов'язані з вирішенням важливої науково-прикладної проблеми, а саме: підвищення експлуатаційних властивостей деталей ДВЗ за рахунок ефективності абразивної фінішної обробки, а також поліпшення умов праці та екологічної ситуації на промислових підприємствах. Постановку задач і обговорення наукових результатів виконано разом із науковим консультантом і частково із співавторами публікацій. Достовірність наукових результатів підтверджено великим обсягом експериментальних досліджень, виконаних із використанням сучасних методик, устаткування та апаратури.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати дисертаційної роботи були повідомлені й обговорювалися на таких конференціях і семінарах: II міжнародній науково-технічній конференції «Застосування коливань у технологіях. Розрахунок і проектування машин для реалізації технологій» (Вінниця, 5 - 7 вересня 1994); науково-технічній конференції «Ресурсозберігальні та енергозберігальні технології у машинобудуванні» (Одеса, 1994 р.); VII Всеукраїнській науковій конференції «ОНС і раціональне використання природних ресурсів» (Донецьк, 15 - 17 травня 1997); III міжнародній науково-технічній конференції «Вібрації у техніці і технології» (Вінниця, Євпаторія, Полтава, 1998, 2004, 2005); Міжнародній науково-технічній конференції «Процеси абразивної обробки, абразивні інструменти і матеріали» Шліфабразив (Волзький, 1998, 2001); Міжнародній науково-технічній конференції «Машинобудування і техносфера на межі XXI століття» (Севастополь, ДонДТУ, 1998); Міжнародній науково-технічній конференції «Екологія промислових регіонів» (Горлівка - Донецьк, 30 - 31 березня 1999); Міжнародному науково-технічному семінарі «Високі технології у машинобудуванні» (Харків, 1999, 2004); Міжнародній науково-технічній конференції «Питання вібраційної технології» (Ростов-н/Д, ДДТУ, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004); Міжнародній науково-технічній конференції «Інженерія поверхні і реновація виробів» (Феодосія - Ялта - Київ, 2001, 2002); XXII міжнародній науково-практичній конференції «Композиційні матеріали в промисловості» (Ялта, 2002); Міжнародній науково-технічній конференції «Вібрація машин: вимір, зниження, захист» (Донецьк, ДонНТУ, 13 - 15 травня 2003); Міжнародній науково-технічній конференції «Теорія, технологія та устаткування для виробництва абразивного інструменту» (Челябінськ, ПУрДУ, 2003); III міжнародній науково-технічній конференції «Нові технології, методи обробки і зміцнення деталей енергетичних установок» (Запоріжжя - Алушта, 20 - 26 вересня 2004).

Дисертація доповідалася й одержала позитивну оцінку на розширених засіданнях міжкафедральних науково-технічних семінарів Донського державного технічного університету, м. Ростов - на - Дону, 2003 р.; на кафедрі «Технологія машинобудування» і «Металорізальні верстати та інструменти» Донецького національного технічного університету (ДонНТУ), 2004 р. та кафедрі «Технологія машинобудування» ДонНТУ, 2005 р.; на науково-технічній раді управління головного технолога ВАТ «Мотор Січ» Міністерства промислової політики України, м. Запоріжжя, 2005 р.; на кафедрі «Інтегровані технології у машинобудуванні» ім. М.Ф. Семка Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут», м. Харків, 2005 р.

Публікації. Основні положення дисертації та одержані автором результати досить повно відображені в 33 основних роботах, з яких у фахових виданнях 25, 4 патенти на винаходи, 3 тези доповідей на наукових конференціях та семінарах, одноосібні публікації - 22.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, 6 розділів, висновків і рекомендацій, 2 додатків. Повний обсяг роботи становить 419 сторінок, у тому числі 114 ілюстрацій до тексту, 5 ілюстрацій на 4 стор., 43 таблиці до тексту, 5 таблиць на 7 стор., 2 додатки на 39 стор., 316 використаних літературних джерел на 25 стор.

Автор висловлює глибоку подяку д.т.н., професору К.С. Ахвердієву за допомогу, надану при розробленні теоретичних питань. Автор також вдячний усім співробітникам кафедр «Металорізальні верстати та інструменти», «Технологія машинобудування» (ДонНТУ), «Технологія машинобудування» Донського державного технічного університету (РФ), за значну науково - методичну допомогу при підготовці роботи.

абразивний шорсткість деталь двигун

Зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, викладено положення винесені здобувачем на захист, показано теоретичну і практичну цінність отриманих результатів досліджень, рівень реалізації і впровадження наукових розробок.

У першому розділі - «Аналіз особливостей і технологічні можливості фінішних методів обробки» - проведено аналіз досліджень ресурсу основних деталей автомобільних двигунів. Установлено, що різна довговічність (нерівноміцність) деталей ДВЗ знижує його надійність, спричиняє необхідність частого ремонтування, підвищує вартість експлуатації і є складною проблемою, вирішування якої повинно ґрунтуватися на врахуванні великої кількості факторів.

Оптимальним варіантом є одночасне досягнення граничного зношування всіма деталями двигуна на необхідному рівні його довговічності. Так, у більшості випадків за нормальної експлуатації саме зношування деталей гільзопоршневої групи визначає постановку автомобільних двигунів на КР.

На основі узагальнення попередніх досліджень, виробничого досвіду підприємств була розглянута група деталей двигуна автомобіля ЗІЛ-130 з метою забезпечення їхньої однакової довговічності. Аналіз основних тенденцій розвитку сучасного двигунобудування показує, що вони тісно пов'язані з розвитком технологічних задач виготовлення їх складових і особливо деталей, ресурс яких не є кратним термінові служби базової деталі, наприклад, блоку циліндрів двигуна. Довговічність ДВЗ багато в чому залежить від якості виготовлення, стану і фізико-механічних властивостей тонких поверхневих шарів деталей пар тертя. Технологічні методи обробки деталей ДВЗ є найбільш ефективними у вирішенні проблеми забезпечення необхідної якості та експлуатаційних властивостей виробів. Вони дозволяють підвищити точність виготовлення деталей і складання вузлів машин, а також забезпечити оптимальний (для певних умов експлуатації) стан поверхневого шару.

Після аналізу і вибору деталей ДВЗ встановлено найбільш доцільні методи їх обробки, які відповідають вимогам до якості поверхневого шару. Для обробки циліндричних поверхонь, характерних для таких деталей, як гільзи циліндрів і нижні голівки шатуна, найбільш прийнятним методом є хонінгування, що забезпечує відповідні властивості й якість поверхневого шару. При обробці деталей типу «клапан», «сідло клапана» єдиним способом, що забезпечує необхідну якість сполучуваних поверхонь, є доводка. Для зняття задирок і затуплення гострих кромок після складного лиття доцільно використовувати методи обробки вільним абразивом.

Здійснено аналіз робіт із хонінгування, доводки і віброобробки з використанням різних видів абразивних і мастильно-охолоджувальних технологічних середовищ, що дозволило визначити шляхи їх удосконалення. Внаслідок цього встановлено, що показники фінішних операцій: продуктивність, стійкість абразивного інструменту і шорсткість обробленої поверхні значною мірою залежать від ефективності застосованих середовищ.

Проте до сьогодні у технічній літературі відсутня узагальнена щодо фінішної обробки модель взаємодії абразивного інструменту та деталі, яка б враховувала вплив складу і властивостей абразивних і мастильно-охолоджувальних технологічних середовищ на продуктивність технологічної системи та якість поверхонь деталей.

Сучасні уявлення про вплив абразивних і мастильно-охолоджувальних середовищ на процеси обробки базуються на працях А.П. Бабічева, А.П. Гавриша, А.І. Грабченка, Л.П. Калафатової, А.О. Маталіна, П.Г. Матюхи, П.Н. Орлова, Ю.В. Петракова,

О.Є. Проволоцького, Л.В. Худобіна, І.Х. Чеповецького, Є.І. Фрагіна, П.І. Ящерицина та інших учених. Проте аналіз праць дозволяє зробити висновок про ще недостатнє опрацювання в них теоретичних основ і механізмів контактної взаємодії абразивних інструментів з оброблюваною поверхнею за наявності МОТС і паст. Вирішення проблеми можливо у разі використанні системного підходу, який врахує механізми зняття і диспергування оброблюваного матеріалу інструментом, взаємозв'язок і взаємовплив механічних, фізико-хімічних та інших процесів, що протікають за наявності абразивних і мастильно-охолоджувальних середовищ у зоні оброблення.

Відповідно до сформульованих наукових задач запропоновано методики теоретичних та експериментальних досліджень. Наведено технічні характеристики і кінематичні схеми розробленої лабораторної установки, що реалізує процес плоского хонінгування, пристрою для притирання клапанів, установки для визначення реологічних характеристик систем МПД в умовах плоского зсуву, а також стандартних машин тертя і промислового устаткування, використовуваного для проведення експериментів, подано опис зразків, виготовлених із матеріалів, які використовуються для деталей ДВС; абразивного інструменту, характерного для кожного способу обробки (хонінгувальні бруски, гранули для ВіО, доводильні пасти); МОТС, с добавками кремнієвих сполук та без них.

Стабілізувальна здатність присадок, уведених до МОТС, оцінювалася за методом об'єму седиментаційних осадів дисперсної фази у досліджуваному середовищі. Вплив концентрації і складу поверхневоактивних речовин (ПАР) в МОТС на в'язкість системи МПД оцінювалася на основі віскозиметричних досліджень, виконаних на ротаційному віскозиметрі «Реотест-2» і спеціально розробленій експериментальній установці.

При розробленні методики підбору раціональних концентрацій компонентів у складі абразивного інструменту, паст і МОТС був застосований метод повнофакторного експерименту для одержання інтерполяційної формули, яка описує залежність цільової функції (шорсткість поверхні) од факторів (концентрації компонентів у складі). Для МОТС створено методику визначення корозійної агресивності рідини. За інтегральний показник корозії брали ступінь ураження поверхні відповідно до ДСТУ 9.905-82.

Зняття металу визначалося на аналітичних демпферних вагах моделі ВЛА-100 і ВЛА - 200 з точністю виміру до 0,2 мг.

Працездатність поверхонь зразків, оброблених із застосуванням створених видів абразивних і мастильно-охолоджувальних технологічних середовищ, оцінювалася на стаціонарних машинах тертя при проведенні триботехнічних випробувань. Дослідження закономірностей процесів тертя і зношування проводилися за методом мікроструктурного аналізу поверхневих шарів металу з допомогою оптичного мікроскопа МИМ-8, металографічного мікроскопа «Неофот-21», електронної мікроскопії (мікроскоп ISM-50А), рентгенівського мікроаналізатора МАР-1 і «Camebax mero». Змінення шорсткості поверхонь здійснювалося з допомогою подвійного мікроскопа МИС-11, аналіз змінень шорсткості поверхні проводився з допомогою апаратного комплексу JSM - ЕОМ.

Для оцінювання характеристик субзеренної дислокаційної структури оброблюваного матеріалу застосовувався метод зворотного рентгенівського мікропучка. Використовувалася установка АРС-4 з мікрофокусною трубкою БСМ-1, величина фокуса якої становила 50 мкм. Зйомка проводилася в нефільтрованому Fe-випромінюванні. Проаналізовано дифракційну лінію (220) К. У роботі подано розроблену методику визначення експлуатаційних показників абразивних інструментів та показників довговічності деталей. Працездатність поверхонь після оброблення на різних видах абразивних та мастильно-охолоджувальних технологічних середовищах оцінювалася за триботехнічними характеристиками пари тертя при роботі в середовищі мастил на торцевій машині тертя (ДСТ 9490-75). Оброблення експериментальних даних і обчислення параметрів обробки виконувалися на ЕОМ.

Третій розділ - «Моделювання впливу робочого середовища на утворення поверхневого шару деталі» - присвячено дослідженню механіко-хімічних процесів, які протікають у зоні контакту «інструмент - деталь» із урахуванням впливу властивостей МОТС і паст у разі фінішних методів обробки.

Проведені теоретичні дослідження дозволили описати процес взаємодії інструмента з оброблюваною деталлю за наявності абразивних і мастильно-охолоджувальних технологічних середовищ, які містять кремній. Установлено, що ефективність обробки зумовлена наявністю в складі середовищ гелеподібної структури на основі рідкого скла (РС), обробленого активувальним агентом. Оксид кремнію, який утвориться під час такої обробки, і карбонат кальцію «вбудовуються» у проміжки пор силікатних структур, діючи як полірувальні агенти. Експериментальними дослідженнями структурування МОТС встановлено, що змінення в'язкості відбувається за законом

, (1)

де - динамічна в'язкість рідкого скла до і після введення активатора; - час після введення активатора, хв.

Таким чином, механізм мастильної дії абразивних і мастильно-охолоджувальних середовищ на основі полімерних кремнієвих структур може бути пов'язаний із хімічною взаємодією кремнієвої кислоти з металом оброблюваної поверхні, що спричиняє зв'язування катіонів заліза полімерними структурами кремнієвої кислоти та полірування поверхні; при цьому процеси механічного і хімічного полірування проходять паралельно:

Встановлено, що вплив силікатів на мастильні й антифрикційні властивості МОТС і паст доцільно враховувати як коефіцієнт ефективності мастильної дії, визначений через співвідношення коефіцієнтів тертя

, (2)

де - коефіцієнт тертя при обробленні на воді; - коефіцієнт тертя при обробленні на водних розчинах рідкого скла.

Стан поверхні деформованого матеріалу, зокрема вкраплення та плівки на ній, кардинально впливає на процеси деформації і руйнування поверхневих шарів зразка під час терті, визначаючи кінетику генерації і переміщення дислокацій, а також утворення плоских деформаційних скупчень, що є початковими зародками тріщин. Дія кремнієвих структур виявляється в ефекті зміцнювання поверхні через виникнення відштовхувальних «сил зображення». Це обумовлене високим модулем зсуву сполук кремнію, зменшення відстані між точками закріплення дислокацій і відповідно збільшенням напруження спрацьовування джерел генерації, а також утворення домішкових атмосфер навколо окремих дислокацій і їх скупчень під час дифузії кремнію біля поверхневих шарів.

Розглянуто випадок виникнення сил зображення для системи: чавун СП - поверхнева плівка сполук кремнію, компоненти якої мають модулі зсуву і .

Для випадку деформувальна дислокації відштовхується від поверхні, причому цей ефект тим сильніший, чим більша різниця між модулями зсуву і менша відстань до поверхні тертя.

Таким чином, уведення в середовище компонентів, зокрема силікатів, які утворюють у разі оброблення поверхні плівки з модулем зсуву, відмінним від модуля зсуву матеріалу матриці, забезпечує разом із більшою ефективністю процесу згладжування рельєфу поверхні й ефект зміцнення приповерхневого шару матеріалу. Цей ефект зберігається досить тривалий час при подальшій експлуатації деталей.

Результати рентгеноструктурного аналізу показують, що з переходом від обробки в гасі до обробки у силікатному середовищі і, далі до силікатної МОТС, активованої бікарбонатом натрію (А-МОТС), ступінь наклепу поверхні оброблюваного матеріалу зростає. Це корелює як з результатами електронно-мікроскопічного дослідження, так і з запропонованою моделлю впливу утворення поверхневих плівок при фінішній обробці деталей у кремніємістких середовищах. Це забезпечує прискорення процесу вироблення контактних поверхонь, і їхньої зносостійкості у подальшій експлуатації.

Для визначення раціональних властивостей і складів абразивних і мастильно-охолоджувальних середовищ виконане теоретичні дослідження контактної взаємодії пари «інструмент - деталь» із урахуванням руху МОТС між контактними поверхнями, а також різниці температур поверхонь інструмента і деталі.

; (3)

- для інструмента; (4)

- для деталі;

, (5)

де - швидкість інструмента і деталі відповідно; - шорсткість поверхні деталі; , - безрозмірний тиск, - температурний коефіцієнт в'язкості.

,

; ,

де - коефіцієнт теплопровідності.

Результати чисельного аналізу показали, що різниця температур інструмента і деталі впливає на в'язкість і перенесення МОТС, а отже, на швидкість видалення шламу із зони обробки. В умовах фінішної абразивної обробки за різниці температур між інструментом і деталлю істотно зменшується витрата МОТС, і це сприяє виникнення в зазорі специфічної системи - МПД.

Проведений аналіз показав, що максимальна температура і градієнт швидкості зсуву спостерігаються всередині шару. Через розходження температур деталі та інструменту зона максимальних температур і градієнта швидкості зсуву зміщується до більш гарячої поверхні, що призводить до істотного зниження сили тертя і, як наслідок, зниження шорсткості оброблюваної поверхні. Отримані співвідношення (3), (4), (5) вирішують задачу визначення температурного поля у зазорі між деталлю та інструментом, а з урахуванням прийнятої залежності в'язкості від температури дозволяють прогнозувати змінення в'язкості МОТС у процесі оброблення.

У четвертому розділі - «Модулювання робочих процесів із урахуванням впливу середовищ на продуктивність фінішної обробки та формування шорсткості поверхні» - розглядаються: процес контактної взаємодії абразивного інструменту з оброблюваною поверхнею; взаємодії знімання металу, які відбувається при цьому, і формування поверхні як результат сукупної дії процесів мікрорізання, пружної і пластичної деформації, що визначило схему модельного подання перерахованих явищ. Вхідними параметрами, які діють у зоні обробки, є: швидкість для кожного виду обробки, навантаження Р(щ); склад і властивості мастильно-охолоджувального технологічного середовища С_р; характеристики оброблюваних матеріалів М і абразивного інструменту І; концентрація К_с, зернистість N_з абразиву і тривалість обробки t. Ці параметри визначають процес знімання найдрібніших об`ємів металу і його окислів з оброблюваної поверхні, а також згладжування мікронерівностей (блок А). За певних умов це призводить до пружної деформації локальних об`ємів (В), пластичної деформації (С) або до мікрорізання (Д).

Вплив вхідних параметрів за наявності МОТС на блоки В, С, Д дозволяє припустити, що між оброблюваними деталями та інструментами утвориться колоїдна система (К), складена із МОТС і продуктів диспергування - система МПД. Наявність ПАР в зоні обробки знижує енергію активації оброблюваної поверхні (Е).

Схеми взаємодії абразивного інструменту з поверхнею деталі за відповідних видів обробки повинні враховувати наявність рідкого середовища, складеного з гомогенної суміші МОТС із продуктів диспергування, та урахуванням складної реології цієї суміші.

З огляду на поставлені задачі розглянуто рух абразивного інструменту із різальним профілем, сформованим сукупністю абразивних зерен сферичної форми, який проникає під кутом у поверхню оброблюваної деталі та знаходиться при цьому в шарі МОТС. Оскільки МОТС містить присадки, у вигляді кремніємістких сполук та продуктів диспергування, надалі мається на увазі, що рух шару МПД описується рівнянням Генки - Ільюшина для в'язкопластичного середовища

, (7)

де - гідродинамічний тиск; - граничне напруження зсуву; - тензор швидкостей деформації; - оператор Гамільтона; - інтенсивність швидкостей деформації; - вектор швидкості; - щільність; - динамічний коефіцієнт в'язкості.

Проникнення абразивної частки, поверхня якої утворює сукупність сферичних зерен, можна розглянути як незалежний процес формування абразивного сліду кожним сферичним зерном окремо. Рух жорсткої сферичної частки, яка контактує з деформованим півпростором, описується системою рівнянь:

(8)

де - маса частки; - час; - нормальне зусилля (за відсутності МОТС); - нормальне зусилля, обумовлене впливом в`язкопластичної рідини; - нормальне зусилля, обумовлене зовнішньою пружною силою; , - дотичні зусилля відповідно за відсутності та наявності шару рідини на поверхні оброблюваної деталі; - радіус частки; - щільність матеріалу частки; - глибина проникнення абразивного зерна.

Для розв'язання системи рівнянь (8) виникає необхідність визначення додаткових зусиль і , обумовлених впливом на сферичне зерно в'язкопластичної рідини, і , обумовленої впливом на зерно пружних елементів.

при ; (9)

,

тут - ексцентриситет, - компоненти вектора швидкості у полярних координатах, - координати початку і кінця вхідної і вихідної границь зони контактування; - радіус гранули; - радіус кривизни оброблюваної поверхні; - кутова швидкість обертання внутрішнього циліндра.

У безрозмірних змінних ; задача матиме вигляд:

, (10)

 (11)

причому співвідношення (10), що є аналогом рівнянь Рейнольдса для в'язкопластичного мастила, містять комплексний безрозмірний показник А, який характеризує властивості технологічної системи фінішної обробки: динамічні, геометричні, гідродинамічні, пов'язані з наявністю МОТС

(12)

Отримане точне автомодельне розв'язання задачі (10) - (11):

; , (13)

дозволило обчислити силу, прикладену до сферичного зерна (внутрішнього циліндра)

, (14)

де параметри визначаються через і .

Кути контакту і визначаються геометрією контактних поверхонь і силою взаємодії між ними. Для завдання використовувалося фізичне розуміння, відповідно до якого нормальне контактування абразивної сферичної частки і плоскої оброблюваної поверхні розвивається, в основному, у межах висоти вступання зерен зі зв'язки. Тоді кут визначається з наближеної рівності , де - найбільша висота виступання зерен зі зв'язки. Кут визначався в результаті чисельного розв'язання трансцендентного рівняння

, (15)

що випливає з граничної умови при .

Вектор результуючої сили тиску і момент тертя, віднесені до одиниці довжини внутрішнього циліндра, визначено рівностями:

. (16)

. (17)

Співвідношення (16) і (17) повністю визначають значення величин і , які входять у праву частину системи рівнянь (8) руху абразивного інструмента.

Узагальнена модель формування одиничного сліду мікрорізання містить силу пружного підтиснення частки до поверхні, яка має місце при хонінгуванні та доводці (і відсутня у разі оброблення вільним абразивом)

, (18)

де - відповідно середній нормальний тиск на брусок і середня кількість різальних зерен на одиницю поверхні бруска - твердість пружних елементів.

Розв'язання першого рівняння системи (8) міститься у припущенні про ідеально пластичний нормальний контакт (Н.М. Михін) і модифікований мастилом кулонівський тангенціальний контакт

, 19)

де - середнє напруження на контакті; - границя плинності матеріалу; - коефіцієнт за А.Ю. Ішлинським, який дорівнює 3; - коефіцієнт тертя; , - початковий коефіцієнт тертя; - коефіцієнт ефективності мастильної дії.

Розв'язання системи (8) у граничному випадку переходу до процесу мікрорізання вільною сферичною часткою (ВіО) дає максимальне проникнення, що залежне від властивостей МОТС:

і співпадає з відомою величиною , яка відповідає випадку відсутності рідини (Є.Ф. Непомнящий, І.В. Крагельський).

Крайова задача, яка описує рух за нормаллю пружно закріпленої частки, на етапі контактування з поверхнею деталі, має такий вигляд:

 (21)

де ; , m_у - маса бруска; «+» показує, що величина належить до етапу контактування, - нормальна складова швидкості руху частки при контакті з оброблюваною поверхнею. Перший доданок у правій частині рівняння (21) визначає пружні коливання, другий - квазіпостійна сила, яка притискає зерно до поверхні. У зв'язку з тим, що сила, діюча на зерно при хонінгуванні, має розривний характер, система (21) розв'язувалась чисельно при варіації параметрів задачі в широких межах. Результати моделювання руху вздовж осі h, показують, що релаксаційні коливання в системі «пружно встановлений брусок - зерна - поверхня деталі» мають частоту, більшу за частоту вільних коливань бруска на підвіску в 1,1 1,4 рази, причому величина цього відношення залежить від натягу

Таким чином, період релаксаційних коливань виражається через період вільних коливань

, (22)

де k_r=1,11,4, що дозволяє у підсумку виразити геометричні характеристики сліду абразивного зерна через параметри технологічної системи.

З частинного розв'язку задачі (21) визначаємо величину проникнення абразивної частки в оброблюваний матеріал

, (23)

де - кут фазового зрушення.

Для найбільшої глибини проникнення абразивного зерна при хонінгуванні отримано співвідношення

. (24)

Тривалість перебування частки в контакті з площиною отримуєтся як мінімальна відмінна від нуля розв`язка рівняння

,

яке випливає з (23) і початкових умов. Протягом знайденого часу контакту

(25)

формується слід мікрорізання одиничним зерном. Оскільки при хонінгуванні швидкість дотичного руху брусків V_b завдан кінематично режимами обробки і не залежить від сил, що розвиваються під час мікрорізання зернами абразиву, тоді довжина сліду частки абразиву дорівнює

, (26)

де - швидкість дотичного руху брусків.

Розгляньмо процес доводки, за якої, на відміну від хонінгування, частки не утримуються пружними силами.

 (27)

уведімо позначення

.

Найбільша глибина проникнення частки

. (28)

Тривалість перебування частки в контакті з оброблюваною поверхнею:

; (29)

довжина сліду

. (30)

Уведено такі позначення

Отримані співвідношення (20) - (30) дозволяють вирішити задачу визначення розмірів нанесення слідів мікрорізання одиничною абразивною часткою, що дозволяє визначити зняття оброблювального матеріалу як у разі одиничного мікрорізання, так і всією масою часток абразивного інструменту. Для розрахунку характеристик продуктивності процесу застосовують знайдені значення довжини шляху частки в контакті з поверхнею деталі і найбільшої глибини проникнення . При цьому припускається, що умови переходу до мікрорізання заздалегідь виконано. У наближенні форма сліду мікрорізання одиничного сферичного зерна двохосьовим параболоїдом, розміри якого визначаються максимальною глибиною проникнення, довжиною шляху контакту і радіусом частки. Одиничне зняття абразивною часткою оброблювального матеріалу, в загальному випадку, із урахуванням гідродинамічних явищ і схеми процесу дорівнює

. (31)

При визначенні питомого об'ємного зняття металу використовувався теоретико-ймовірний підхід

, (32)

де N_p - число актів мікрорізання за одиницю часу на одиниці площі деталі; - площа квадрата упакування; - діаметр абразивного зерна; - число актів мікрорізання за одиницю часу на площі квадрата упакування абразивних часток; - геометрична ймовірність події, яка полягає в тому, що будь-яка точка квадрата упакування покривається плямою контакту за один цикл впливу маси абразивних часток; - імовірність того, що взаємодія абразивної частки з поверхнею деталі приведе до мікрорізання; - частота циклів впливу маси абразивних часток на поверхню деталі.

Виходячи з рівняння (32), у загальному випадку величина питомого об'ємного зняття визначалася як

. (33)

Зняття об`єму матеріалу у разі вібраційного оброблення в середовищі вільного абразиву (33) буде дорівнювати:

. (34)

Сумарне зняття об`єму матеріалу закріпленими зернами, які хаотично рухаються, у випадку доводки дорівнює

(36)

Результати чисельного аналізу отриманих співвідношень показують, що:

1. Фізико-механічні властивості та характеристики МПД, обумовлені структурою МОТС, впливають на вихідні технологічні параметри фінішної обробки.

2. Збільшення граничного напруження зсуву МПД, тобто підвищення показника А приводить до зменшення глибини проникнення абразивного інструмента, одиничного зняття і питомого об'ємного зняття.

3. Збільшення показника А від 0 до 1,5 залежно від границі плинності оброблюваного матеріалу зменшує питоме зняття від 0,5 до 5%.

Для опису процесу утворення розміру шорсткості поверхні під час обробки як критерій використовувався введений А.В. Корольовим параметр , названий «умовна висота нерівностей оброблюваної поверхні»:

, (37)

де - номінальна кількість зерен в об'ємі робочого шару інструмента; - одиничний відрізок.

Уведімо аналогічний критерій для фінішних абразивних методів обробки та визначмо середнє арифметичне відхилення шорсткості, враховуючи відомий взаємозв'язок між параметрами і отримамо

. (38)

Параметри шорсткості визначені з урахуванням розмірів і концентрації абразивних зерен в інструменті. Це дозволяє на етапі виготовлення абразивного інструмента прогнозувати шорсткість оброблюваної поверхні. Кількість зерен на одиничній площі

(39)

де K_с - коефіцієнт концентрації, який відбиває процентне співвідношення абразиву і зв'язки, змінюючись у діапазоні 0,1 0,8; 2х - товщина шару в одиниці об'єму (де х=х_max - найбільший розмір зерен цієї зернистості); V_з - еквівалентний об'єм зерна , де D=x.

Середнє арифметичне відхилення профілю шорсткості як функція концентрації абразиву в складі інструменту з урахуванням залежності (39) має вигляд

. (40)

Результати обчислення математичного сподівання відхилення профілю шорсткості залежно від властивостей МОТС і границі плинності матеріалу показують, що шорсткість обробленої поверхні знижується у разі збільшення показника .

Розрахункові та експериментальні значення середнього арифметичного відхилення профілю шорсткості за тих самих коефіцієнтів концентрації зерен відрізняються незначно. Оптимальні (з погляду ефективності обробки поверхні) значення верхніх і нижніх границь концентрації абразивних зерен в інструменті становлять від 20 до 60%.

Отримані співвідношення для зняття матеріалу і формування шорсткості обробленої поверхні залежно від концентрації і зернистості абразивних зерен в інструменті, складу і властивостей системи МПД були використані при розробленні методики визначення тривалості фінішних методів обробки.

Тривалість обробки для змінення шорсткості від до становить:

, (41)

де - середнє арифметичне відхилення профілю відповідно до вихідної, завданої і сталої шорсткості; - коефіцієнт інтенсивності зменшення висоти мікронерівностей, що дорівнює загальному випадку

, (42)

де - коефіцієнт профілю вихідної шорсткості - відношення площі під профілограмою до повної площі , яка дорівнює 0,5 0,7; R_max - максимальна висота вихідної шорсткості; - базова довжина деталі.

Для кожного з досліджених методів фінішної обробки коефіцієнт інтенсивності виражається узагальненим співвідношенням через питоме об'ємне зняття матеріалу

, (43)

причому для ВіО ; для хонінгування ; для доводки , де визначені згідно з (34) - (36).

Подане співвідношення (41) об'єднує показники якості і продуктивності, дозволяє вибирати раціональну тривалість оброблення за наявності додаткових умов технологічного чи економічного характеру.

Таким чином, схарактеризований комплекс моделей дозволяє:

- прогнозувати на стадії виготовлення абразивного інструменту, паст і МОТС параметри формування шорсткості поверхні, зняття матеріалу і тривалість оброблення для досягнення завданої шорсткості при фінішних методах обробки;

- за умови розв'язання задачі експериментального синтезу технологічних рідин, які мають необхідні реологічні характеристики - призначати раціональну структуру склад і технологію приготування абразивного інструменту, паст і МОТС, що дозволяє досягти необхідних параметрів якості і продуктивності.

У п'ятому розділі - «Експериментальні дослідження технологічних характеристик параметрів інструментів, паст і МОТС їх вплив на продуктивність процесу та шорсткість поверхні» - подано результати експериментальних досліджень. До задач експериментів належали:

1. Визначення реологічних характеристик МПД, а також їхнього впливу на коефіцієнт тертя абразивної частки по оброблюваній поверхні і вихідні технологічні параметри: продуктивність та шорсткість.

2. Перевірка адекватності розроблених математичних моделей.

3. Дослідження впливу властивостей матеріалів деталей та інструментів на інтенсивність процесу обробки і змінення параметрів шорсткості поверхні.

4. Проведення порівняльних випробувань розроблених видів абразивного інструменту, МОТС і паст з тими, що застосовуються зараз у промисловості.

5. Оцінювання триботехнічних характеристик поверхневого шару матеріалу, отриманого в результаті фінішної обробки з використанням розроблених видів абразивних і мастильно-охолоджувальних технологічних середовищ.

При експериментальних дослідженнях визначено і рекомендовано як довідкові значення граничних напружень зсуву і в'язкостей слоя МПД за різних температур і концентрацій рідкого скла.

Дослідження МОТС, виготовлених на технічній і дистильованій воді, у які послідовно вводились її основні компоненти, підтвердило висунуту гіпотезу про механіко-хімічні процеси, які відбуваються в зоні обробки у разі використанні силікатних МОТС, активованих бікарбонатом натрію (А-МОТС).

У всіх експериментах кальцити утворювалися тільки в технічній воді завдяки наявності в ній сполук бікарбонату натрію. Також на основі хімічного аналізу підтверджено висунуту теоретично гіпотезу про утворення кремнієкислих сполук на поверхні, оброблюваній з використанням А-МОТС.

Зіставлення дослідних даних щодо визначення глибини проникнення абразивного зерна при ВіО з безупинним промиванням і разовим заливанням МОТС підтверджує наявність шару МПД у зоні обробки. Встановлено, що шар МПД зменшує глибину проникнення інструмента при ВіО на 10 - 15%.

Результати досліджень показують, що найістотніший вплив на продуктивність (зняття металу), шорсткість та експлуатаційні властивості поверхонь при фінішних методах обробки поряд з режимами має зернистість, концентрація абразиву, механічні властивості матеріалу, склад абразивного інструменту, паст і МОТС.

При цьому дія кожного технологічного фактора з усього перерахованого комплексу досліджень виявлені характерні особливості їх впливу:

- при збільшенні зернистості абразивного інструменту інтенсивність зняття металу зростає внаслідок збільшення глибини проникнення абразивних зерен у поверхню оброблюваних деталей. До того ж зернистість серед усіх параметрів інструменту найістотніше впливає на продуктивність процесу, а також на шорсткість, що узгоджується з аналітичною залежністю (40);

- застосування хімічно і поверхнево-активних речовин підвищує інтенсивність фінішних методів обробки. Кожному оброблювальному матеріалу і виду операції повинен відповідати свій вид абразивних і мастильно-охолоджувальних технологічних середовищ;

- встановлено, що зі збільшенням границі плинності оброблювального матеріалу об'єми зняття продуктів диспергування знижуються внаслідок більшого опору проникненню абразивних зерен, що веде до зниження продуктивності процесу обробки. Це відповідає отриманим аналітичним залежностям для відповідних способів обробки: ВіО (34), хонінгування (35) та доводки (36).

Таким чином установлено, що отримані теоретичні залежності (34), (35), (36), (40) з достатньою мірою точності відбивають вплив вище перерахованих параметрів на продуктивність фінішних методів обробки і дозволяють (у межах 20%) прогнозувати зняття металу з поверхні деталі та шорсткість оброблювальної поверхні.

Виконано дослідження з пошуку можливостей використання нетрадиційних матеріалів зв'язки і абразивного зерна для гранул вібраційної обробки. Для зв'язки абразивних гранул використано відходи виробництва полістіролу, а також метілметокрилату з поліметілметакрилату. Розроблені технології виготовлення абразивно-полімерних композицій дозволили довести їх різальну здатність та зношувальність до рівня гранул з традиційними зв'язками. Запропоновані зв'язки забезпечують рівномірний розподіл абразиву по гранулі, усувають його розшарування, підвищують працездатність, що сприяє зниженню шорсткості оброблювальної поверхні.

Проведені теоретико-експериментальні дослідження створили основу для розроблення дослідних, а потім і промислових технологій виробництва. На види МОТС, паст і абразивних інструментів (гранул для ВіО) отримані авторські свідоцтва і патенти, а також висновки санітарно-епідеміологічних служб про їх екологічну безпеку.

Працездатність поверхонь після обробки на різних складах МОТС оцінювалася за триботехнічними характеристиками пари тертя чавуну СП-У8А під час роботи в середовищі мастила М-8-А. Випробування проводилися на торцевій машині тертя при навантаженні 1,75 МПа, швидкості ковзання 1,7 м/с (ДСТ 9490-75). Тривалість випробувань - 3 год. Аналіз результатів показав, що зразки, оброблені з використанням А-МОТС, дозволяють одержати в парі тертя високі антифрикційні і протизношувальні властивості.

Зіставлення мікротвердості поверхневого шару зразків показує, що у зразках, оброблених з використанням А-МОТС, мікротвердість поблизу поверхні на 20 - 25% більша порівняно з мікротвердістю металу в об'ємі.

Для оцінювання ступеня поверхневого наклепу при обробленні на різних складах МОТС проводився рентгеноструктурний аналіз поверхні зразків за методом зворотного мікропучка. Для поверхонь, оброблених із використанням А-МОТС, рефлекси від окремих зерен в азимутальному напрямку практично злилися. Це вказує на досить високу щільність дислокацій в об'ємі зерен і відсутність поділу зерен на окремі фрагменти і субзерна. На рентегнограмі інших зразків фон між окремими рефлексами зменшується, при цьому кількість розділених рефлексів від окремих зерен зростає.

Протизадирна стійкість зразків чавуну СП після оброблення з використанням різних видів МОТС визначалася за навантаженням і ростом температури мастильного середовища (М-8-А) перед заїданням. Отримані результати показали, що зносостійкість і протизадирна стійкість поверхні, обробленої з використанням А-МОТС, на 20 - 25% вища порівняно з поверхнями після обробки на традиційних МОТС.

Експериментальне визначення показників ефективності розроблених видів абразивних і мастильно-охолоджувальних технологічних середовищ у порівняльних лабораторних дослідах з різними матеріалами дозволило виробити комплекс технологічних рекомендацій щодо раціонального застосування в технології фінішної обробки, сформульованих у вигляді довідкових таблиць, де наведено вихідні дані (параметри заготівок, вимоги до поверхні деталей), рекомендовані інструменти, режими обробки та очікувані параметри продуктивності і якості.

У шостому розділі - «Практична реалізація результатів досліджень» - наведено результати промислової апробації розроблених видів абразивних інструментів, паст і МОТС на машинобудівних і ремонтних підприємствах України і Російської Федерації.

Зокрема, на ВАТ «1-й Донецький АРЗ» при хонінгуванні гільз циліндрів двигуна ЗІЛ-130 упроваджено розроблену автором А-МОТС (патент RU 2227156). Зазначена А-МОТС успішно замінила пожаро- і вибухонебезпечний гас. Її впровадження у виробництво дозволило підвищити якість і знизити собівартість виготовленої продукції, поліпшити екологічний стан, вивести із споживання цінне вуглеводневе паливо і змащення. Надалі А-МОТС упроваджено у виробництво на АТЗТ «Горлівський АРЗ» на операції хонінгування гільз циліндрів двигунів ЗМЗ-53, а також на ВАТ «Сімферопольський АРЗ» для хонінгування нижніх головок шатуна двигуна ЗМЗ-53.

На АТЗТ «Горлівський АРЗ» пройшов апробацію абразивний інструмент (патенти UA 35371А и UA35266А) при ВіО автомобільних деталей складної конфігурації, вагою до 2-х кг, одержуваних методом точного сталевого лиття за виплавлюваними моделями. Ефект від упровадження гранул для ВіО характеризується підвищенням продуктивності праці, усуненням ручних робіт, підвищенням якості поверхні, поліпшенням культури виробництва.

...