Технологічне забезпечення якості поверхні напилених деталей поліруванням пелюстковими кругами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.02.08 - Технологія машинобудування

Технологічне забезпечення якості поверхні напилених деталей поліруванням пелюстковими кругами

Бурикін Віталій Віталійович

Київ - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Відкритому акціонерному товаристві “Більшовик”, м. Київ.

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий співробітник, доцент Клименко Сергій Анатолійович, Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України, завідувач відділом технологічного управління якістю обробки поверхні

Офіційні опоненти:

заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Гавриш Анатолій Павлович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри “Технології машинобудування”, м. Київ.

кандидат технічних наук, доцент Кирилович Валерій Анатолійович, Житомирський державний технологічний університет, декан факультету "Інформаційно-компютерних технологій", м. Житомир.

Провідна установа: ВАТ “Український науково-дослідний інститут авіаційної технології” Міністерства промислової політики України, м. Київ.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, професор В.С. Майборода

Анотація

Бурикін В.В. Технологічне забезпечення якості поверхні напилених деталей поліруванням пелюстковими кругами. -- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 -- Технологія машинобудування -- Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2004.

Дисертація присвячена дослідженню процесу полірування пелюстковими кругами з алмазних стрічок порошкових плазмових покриттів на основі заліза та нікелю з метою технологічного забезпечення параметрів якості поверхневого шару і експлуатаційних властивостей напилених деталей машин. Проведено теоретичний аналіз схеми деформування пелюсткового круга та величини поточної деформації робочих елементів, який показує, що конструктивним параметром, що обумовлює зменшення ударного впливу пелюстка на оброблювану поверхню й сприяє зниженню шорсткості поверхні та витрати алмазів у крузі, є його похиле розташування до радіальної площини. Представлено результати дослідження мікрогеометрії обробленої пoверхні з урахуванням пористості напиленого матеріалу, що дозволяє прогнозувати геометричні параметри поверхневого шару. Показано можливість технологічного управління якістю та експлуатаційними властивостями напилених поверхонь, яка включає спрямоване варіювання параметрами шорсткості поверхні з урахуванням пористості матеріалу, структурним, зміцненим і пружним станом поверхневого шару після полірування пелюстковими кругами.

На основі результатів досліджень і промислового впровадження розроблено практичні рекомендації з технології полірування пелюстковими кругами плазмових покриттів, які забезпечують отримання необхідної якості поверхні й необхідне значення їх експлуатаційних властивостей.

Ключові слова: полірування, пелюстковий круг, покриття, якість, поверхневий шар, шорсткість поверхні, залишкові напруги.

Аннотация

Бурыкин В.В. Технологическое обеспечение качества поверхности напыленных деталей полированием лепестковыми кругами. -- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08 -- Технология машиностроения -- Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2004.

Диссертация посвящена решению научно-технической задачи повышения конкурентоспособности и качества выпускаемого оборудования на основе исследования процесса полирования лепестковыми кругами из алмазных лент порошковых плазменных покрытий на основе железа и никеля.

Актуальность работы обуславливается необходимостью широкого применения защитных покрытий в промышленности, которое сдерживается недостатком научно обоснованных рекомендаций по эффективной обработке напыленных покрытий, обеспечивающих совершенствование процесса полирования, повышение качества обработанной поверхности и улучшение эксплуатационных свойств деталей машин.

Научную основу диссертации составляет теоретический анализ схемы деформирования лепесткового круга и определение величины текущей деформации рабочих элементов, показывающей, что конструктивным параметром, обуславливающим уменьшение ударного воздействия лепестка на обрабатываемую поверхность и способствующим снижению шероховатости поверхности и расхода алмазов в круге, является его наклонное расположение к радиальной плоскости. Показано, что при одинаковой величине текущей деформации круг с наклонным расположением лепестков работает с меньшими величинами упругих сил, более равномерным их распределением и быстрым снятием нагрузки с лепестков, обеспечивая плавность и относительную безударность процесса резания. Разработаны новые конструкции кругов плоскопараллельной формы с углом наклона лепестков к радиальной плоскости, проходящей через их основания. Названные круги совмещают в себе достоинства шлифовальной ленты и лепесткового круга с радиальным расположением режущих элементов. Установлено, что при круглом полировании плазменных покрытий кругами с углом наклона лепестков от 10 до 60^о происходит снижение шероховатости поверхности с Ra 0,2 до Ra 0,05 и расхода инструмента на 30-40 %.

На основе результатов металлографических исследований структуры покрытий разработана методика определения микрогеометрии обработанной поверхности с учетом пористости напыленного материала, позволяющая прогнозировать геометрические параметры поверхностного слоя.

Показана возможность технологического управления качеством и эксплуатационными свойствами напыленных поверхностей, включающая направленное варьирование параметрами шероховатости поверхности с учетом пористости материала, структурным, упрочненным и напряженным состоянием поверхностного слоя после полирования лепестковыми кругами.

Установлено, что полирование лепестковыми кругами из алмазных лент позволяет сократить время приработки обработанной поверхности на 20-30 %, обеспечивая достаточную прочность сцепления покрытия с основой и повышает коррозионную стойкость покрытий до 80 %.

На основе результатов исследований и промышленного внедрения разработаны рекомендации по выбору условий полирования плазменных покрытий лепестковыми кругами, при которых в 2-3 раза повышается производительность обработки, в 1,3-2,5 раза увеличивается стойкость инструмента, обеспечивается получение необходимого качества поверхности с сохранением исходных свойств напыленных покрытий.

Ключевые слова: полирование, лепестковый круг, покрытие, качество, поверхностный слой, шероховатость поверхности, остаточные напряжения.

The summary

Burykin V.V. Technological quality ensuring of the sprayed surfaces of the parts provided by polishing with lobe-type abrasive disks.--Manuscript.

Dissertation for a scientific degree of the candidate of science in speciality 05.02.08 -- machine-building technology. -- National Technical University of Ukraine “Kyiv Politechnic Jnstitute”, Kyiv, 2004.

The thesis is dedicated to investigation of the polishing process by lobe-type abrasive disks consisting of diamond ribbons made on the base of iron and nickel powder plasma coating to the technological ensuring of the surface layer quality parameters and service characteristics of the sprayed machine elements.

Theoretical analysis of the lobe-type disk deformation diagram and value of yield strain of the working elements have been carried out, showing that a the structural parameter, stipulating an impact effect reduction from a lobe onto the treated surface and promoting to reduction of the surface roughness parameters as well as the lowering of diamond consumption in disk, is its inclined position to radial plane crossing their bases. The results of the investigation of the treaded surface microgeometry have been presented taking into account of the porosity of the sprayed material. This investigation allows to forecast the geometrical parameters of the surface layer.

There was shown a possibility of technological control of the quality and service characteristics of sprayed surfaces including directed modifying of surface roughness parameters taking into account the porosity of material as well as structural, strengthened and stressed state of the surface layer after polishing with lobe-type abrasive disks.

Practical recommendations for technology of plasma coating polishing with lobe-type abrasive disks have been worked out on the basis of the results of this investigations, which permit to obtain a necessary surface quality and required values of its service characteristics.

Key words: the polishing, the lobe-type abrasive disks, the coating, the quality, the surface layer, the surface roughness, the residual stresses.

1. Загальна характеристика роботи

технологічний полірування пелюстковий

Актуальність теми. Найважливішим фактором досягнення конкурентоздатності машин виступає розробка і впровадження високопродуктивних технологічних процесів їх виготовлення, які дозволяють одночасно вирішувати завдання підвищення якості випускаємих виробів і зниження витрат виробництва.

Одним з ефективних методів технологічного впливу на експлуатаційні властивості деталей і скорочення витрат на ремонт є зміцнення й захист їх від зношування і корозії на етапі виготовлення, а також реставрація зношених деталей плазмовим напилюванням порошкових покриттів. Цей метод широко застосовується в промисловості для зміцнення деталей автомобілів, сільськогосподарської техніки й текстильних машин.

Розробка й освоєння промисловістю нових марок плазмових покриттів твердістю 40-60 HRC багато в чому залежить від вирішення проблеми їх продуктивної і якісної обробки на фінішних операціях.

Більші можливості для одержання оптимальних значень параметрів поверхневого шару напилених деталей закладені в процесах полірування пелюстковими кругами з надтвердих матеріалів (НТМ), зокрема синтетичних алмазів. Вони дозволяють при високій продуктивності обробки в широких межах керувати структурою і властивостями поверхневих шарів деталей машин.

У теперішній час відсутні дані про технологічні особливості процесу полірування плазмових покриттів пелюстковими кругами та вплив умов обробки на стан поверхневого шару. Відомо, що якість поверхні впливає на експлуатаційні властивості деталей, але таких даних для напилених поверхонь, які оброблені пелюстковим поліруванням, немає, проте вони є надзвичайно важливими. Недостатньо досліджені питання, пов'язані із впливом властивостей покриттів, їх твердістю, пористістю на процес обробки.

У зв'язку із зазначеним, проведені в дисертаційній роботі дослідження, що спрямовані на вдосконалення технологічного процесу фінішної обробки плазмових покриттів, підвищення якості оброблених поверхонь і поліпшення експлуатаційних властивостей деталей, є актуальними та своєчасними.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами й темами.

Дисертаційна робота виконувалась у рамках реалізації “Програми використання відходів виробництва і споживання на період до 2005 року”, яка затверджена постановою Кабінету Міністрів України від 28 червня 1997 року № 668 (виконавець п.п. 4.10.5-4.10.10 -- ВАТ “Більшовик”). Матеріали досліджень використані в науково-дослідній темі 1.6.7.1858 Інституту надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України (державна реєстрація № 0101U006257).

Мета роботи -- забезпечення якості та експлуатаційних властивостей напилених поверхонь деталей машин на основі дослідження закономірностей формування поверхневого шару при поліруванні пелюстковими кругами.

Для досягнення поставленої мети вирішувались наступні основні завдання:

вивчити технологічні особливості обробки пелюстковими кругами з алмазних стрічок напилених плазмових покриттів на основі заліза та нікелю твердістю 40-60 НRС, які забезпечують необхідну якість поверхні та визначають її експлуатаційні показники;

розробити удосконалені конструкції еластичного інструменту, що забезпечують досягнення таких показників якості оброблювання поверхонь, які необхідні для експлуатації виробів;

розробити математичну модель оцінки параметрів шорсткості напиленої поверхні з урахуванням пористості матеріалу, який обробляється;

дослідити закономірності впливу режимів полірування та характеристик пелюсткових кругів на геометричні і фізико-механічні параметри поверхневого шару;

дослідити можливість технологічного управління зносом в період припрацьовування, корозійною стійкістю та міцністю зчеплення покриття з основою залежно від стану поверхневого шару виробів;

розробити практичні рекомендації з вибору оптимальних технологічних умов фінішної обробки плазмових покриттів пелюстковими кругами з алмазних стрічок.

Об'єкт дослідження. Процес полірування напилених плазмових покриттів на основі заліза і нікелю пелюстковими кругами з алмазних стрічок.

Предмет дослідження. Стан поверхневого шару деталей із плазмовими покриттями, їх технологічне забезпечення пелюстковим поліруванням і взаємозв'язок з експлуатаційними властивостями машин.

Методи дослідження. Результати роботи отримані на основі комплексних теоретико-експериментальних досліджень із урахуванням основних засад технологічної спадковості і технологічного управління якістю та експлуатаційними властивостями деталей машин. Процес фінішної обробки розроблявся на основі результатів дослідження особливостей полірування напилених матеріалів пелюстковими кругами. Це дозволило визначити раціональні режими обробки плазмових покриттів і технологічні засоби забезпечення якості напиленого поверхневого шару. Ефективність процесу полірування перевірялась за такими показниками, як питома витрата алмазів, продуктивність і собівартість обробки.

Стан обробленого поверхневого шару оцінювався методами профілографування, металографічного, рентгеноструктурного, деформаційно-спектрального, мікрозондового рентгеноспектрального хімічного аналізів, по параметрах залишкових напружень і зміцнення. Методики проведення досліджень, що застосовувались у роботі, базувалися на використанні сучасних приладів і спеціально розроблених для експериментів установок. У роботі використовувались методи математичної статистики і планування експериментів. Результати експериментів оброблялися на ПЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів. Встановлено, що конструктивним параметром, який обумовлює зменшення ударного впливу пелюстка на оброблювану поверхню, та сприяє зменшенню шорсткості поверхні і витрат алмазів у крузі, є кут нахилу пелюстка до радіальної площини.

Вперше показана можливість технологічного забезпечення якості напилених поверхонь при поліруванні пелюстковими кругами з розташуванням робочих елементів під нахилом, яка включає спрямоване варіювання параметрами шорсткості поверхні з урахуванням пористості матеріалу, структурним, зміцненим і напруженим станом поверхневого шару за рахунок зміни конструктивних елементів інструменту та технологічних факторів обробки.

Розроблено математичну модель для прогнозування параметрів мікрогеометрії поверхневого шару, яка враховує пористість напиленого матеріалу та забезпечує підвищення точності розрахунків висотних характеристик шорсткості обробленої поверхні.

Показано, що за рахунок управління режимами процесу полірування, конструктивними параметрами інструмента і характеристиками алмазоносного шару робочих елементів в поверхневому шарі напилених покриттів формується стан, який забезпечує підвищення їх зносо- та корозійної стійкості.

Практична цінність отриманих результатів. Запропонована методика прогнозування шорсткості обробленої поверхні з урахуванням пористості напиленого матеріалу та створено програмне забезпечення для розрахунку висотних параметрів нерівностей на ПЕОМ.

Розроблені оригінальні конструкції пелюсткових кругів з розташуванням робочих елементів під кутом. На ці круги отримані авторське свідоцтво СРСР № 1265029А1 і патент України № 68790А.

Визначені оптимальні режими полірування деталей, напилених матеріалами на основі заліза і нікелю, встановлені характеристики алмазоносного шару інструмента, розроблені технологічні рекомендації з фінішної обробки напилених деталей, які забезпечують формування необхідного стану поверхневого шару виробів.

Отримані залежності параметрів стану поверхневого шару і показників експлуатаційних властивостей напилених деталей від умов полірування, які доцільно використовувати для технологічного управління працездатності виробів.

Під час впровадження розробленого технологічного процесу фінішної обробки деталей штампів з покриттями в умовах інструментального виробництва Відкритого акціонерного товариства “Більшовик”:

-- в 2-3 рази підвищено продуктивність обробки; -- в 1,3-2,5 рази збільшено стійкість інструменту; -- на 20-35 % підвищено довговічність деталей.

Результати дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі при підготовці студентів Житомирського державного технологічного університету (ЖДТУ).

Особистий внесок здобувача. Основні наукові й практичні результати дисертації, що виносяться на захист, розроблені й отримані особисто здобувачем та у співавторстві. Автор здійснив постановку завдань з дослідження процесів фінішної обробки деталей із плазмовими покриттями напиленими порошковими матеріалами, запропонував напрямок рішення наукових проблем технологічного забезпечення якості поверхневого шару, брав участь у теоретичних та експериментальних дослідженнях параметрів якості поверхневого шару, сформулював висновки. Автором запропоновані технологічний процес полірування пелюстковими кругами з НTМ напилених плазмових покриттів, що забезпечує підвищення стійкості інструменту та продуктивності обробки, методика розрахунку параметрів шорсткості поверхневого шару з урахуванням пористості матеріалу, що обробляється, оригінальні конструкції пелюсткових кругів, залежності експлуатаційних властивостей деталей машин від умов їх обробки.

Основними співавторами опублікованих робіт були д-ри техн. наук Рижов Е.В. і Клименко С.А., за участю яких виконувалися ці дослідження.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати доповідалися, обговорювалися й були схвалені на міжнародних науково-технічних конференціях “Інженерія поверхні та реновація виробів” (м. Ялта, 2003), “Важке машинобудування. Процеси металообробки, верстати, інструменти” (м. Краматорськ, 2003, 2004); міжнародних науково-технічних семінарах “Технології та інструмент із НТМ в автомобільній і авіаційній промисловостях” (м. Київ, 1997), “Сучасні проблеми підготовки виробництва, обробки і складання в машинобудуванні й приладобудуванні” (м. Свалява, 2003), “Прогресивні технології в машинобудуванні та приладобудуванні” (м. Запоріжжя, 2003). Вони також обговорювалися на семінарі відділу технологічного управління якістю обробки поверхні Інституту надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України (2004).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 15 наукових працях, серед яких -- 6 статей у виданнях, що входять у перелік ВАК України, авторське свідоцтво СРСР на винахід і патент України.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота, складається із вступу, шести розділів та основних висновків, викладена на 204 сторінках, містить 64 рисунка і 16 таблиць, список літератури із 160 найменуваннь та 5 додатків.

2. Основний зміст роботи

У вступі подано загальну характеристику роботи, розкрито суть, стан і значення наукової проблеми, обгрунтовано актуальність обраної теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, показано наукову новизну і практичну цінність, охарактеризовано об'єкти та методи досліджень.

У першому розділі аналізуються існуючі способи механічної обробки напилених покриттів, визначено вибір еластичного інструменту, його переваги і недоліки, наведено аналіз сучасного підходу до проблеми забезпечення якості та експлуатаційних показників поверхневого шару деталей, сформульовані мета й завдання досліджень.

Одним з найбільш ефективних напрямків у вирішенні завдання підвищення якості випускаємих виробів, надійності й довговічності машин і механізмів є технологічне забезпечення для заданих умов експлуатації оптимальних значень параметрів поверхневого шару. Зміцнюючі методи мають великі можливості одержання поверхневих шарів на деталях машин. Суть методів полягає в поєднанні різних технологічних операцій, зокрема, нанесення плазмових покриттів твердістю 40-60 НRС на робочі поверхні деталей з наступною обробкою еластичними інструментами із НТМ, що забезпечують досягнення необхідних параметрів поверхневого шару. Обробка напилених матеріалів пов'язана з певними труднощами, що обумовлено їх структурами та специфічними властивостями.

Дослідженню процесів обробки напилених матеріалів присвячені роботи Д.Є. Анельчика, А.П. Гавриша, В.О. Іванова, С.А. Клименка, О.М. Пилипенка, Л.Г. Полонського, В.А. Рибіцького, Е.В. Рижова, О.О. Ситнікова, Є.Ю. Татаркіна, Ю.О. Харламова, В.С. Харченкова, Є.Е. Фельдштейна, П.І. Ящеріцина та інших авторів. Однак, оброблюваність плазмових покриттів абразивними інструментами та стан напиленого поверхневого шару після такої обробки вивчені недостатньо. У науково-технічній літературі практично відсутні дані про вплив умов фінішної обробки поліруванням на експлуатаційні властивості напилених деталей машин.

У роботах А.І. Гдалевича, Ю.І. Іванова, Н.В. Носова, Е.С. Рабинович, А.О. Сагарди, Н.В. Сирейщикової, І.Х. Чеповецького, О.В. Якимова та інших показано, що застосування алмазних еластичних інструментів відкриває великі можливості з підвищення продуктивності і поліпшення якості при виготовленні виробів з важкооброблюваних матеріалів.

Поява нових марок плазмових покриттів, що містять важкооброблювані сплави, створення сучасних еластичних інструментів, зокрема із НТМ, диктує необхідність подальших досліджень впливу технологічних умов алмазно-абразивного полірування на стан поверхневого шару. Визначення параметрів якості робочих поверхонь деталей, що забезпечують необхідні значення їх експлуатаційних властивостей, дає можливість не просто прогнозувати, а гарантувати довговічність виробів з покриттями.

В другому розділі наведено загальний методичний план роботи, описано методики досліджень працездатності інструменту, якості та експлуатаційних властивостей обробленого поверхневого шару покриттів.

Об'єктом дослідження були покриття, отримані плазмовим напилюванням порошків високолегованого сплаву (склад в % по масі: 1,5 С; 12 Сr; 6,5 V; 0,4 Сu; Fе -- основа), що являє собою нержавіючу сталь, зміцнену карбідами хрому і ванадію, та нікельалюмінієвого сплаву (склад сплаву в % по масі: 12-15Аl; Nі -- основа), які мають твердість 40-60 HRC. Вибір типу покриття обумовлений досить широким поширенням у промисловості цих сплавів. Їх основними перевагами є висока зносо- і корозійна стійкість.

Для дослідження технологічного процесу обробки покриттів використовували алмазний круг 1А1 300х16х3х127 АС2 125/100-4 В11, стрічку АЛШБ1920х20 АС2 50/40-4 В3-06 і пелюсткови круги 1А1 200х15х5х75 АС2 50/40-4 на зв'язках В3-06, В3-10, ДП (дослідна полімерна).

Оцінка параметрів шорсткості поверхні покриттів після обробки проводилася з використанням профілограф-профілометра “Talysurf-V” фірми “Renk Taylor Hobson” (Велика Британія).

Рішення завдань із забезпечення експлуатаційних властивостей (зносо- і корозійної стійкості, міцності зчеплення покриття з основою) напилених поверхонь деталей базувались на застосуванні методів регресивного аналізу і математико-статистичного моделювання, що дозволяло встановити взаємозв'язки режимів фінішної обробки з параметрами якості поверхневого шару та експлуатаційних показників.

У третьому розділі наведено дані з вибору раціональних форм, конструкцій і характеристик пелюсткових кругів, досліджено технологічні особливості обробки плазмових покриттів, проведено аналітичні дослідження впливу пористості матеріалу на шорсткість обробленої поверхні. Проведені дослідження з вибору методу фінішної обробки показали, що при поліруванні напилених матеріалів найбільш працездатними і універсальними є пелюсткові круги з НTМ. Зносостійкість пелюсткових кругів в 2-3 рази вище зносостійкості алмазних полірувальних стрічок. Застосування кругів при обробці складнопрофільних напилених поверхонь деталей забезпечує найкращу мікрогеометрію і в 2-4 рази підвищує продуктивність у порівнянні зі стрічками унаслідок того, що робоча частина стрічок швидко засмальцьовується й погіршуються різальні здатності інструменту.

Аналіз умовної схеми робочої зони круга показав, що поточна деформація пелюстка непостійна в часі.

Встановлено, що при однаковій величині поточної деформації круг з похилим розташуванням пелюстків працює з меншими в 1,5-2 рази пружними силами, більш рівномірним їх розподілом і швидким зняттям навантаження з пелюстків, забезпечуючи плавність і відносну безударність процесу різання. На підставі отриманих даних розроблені й захищені авторським свідоцтвом і патентом України нові конструкції кругів плоскопаралельної форми з кутом нахилу пелюсток до радіальної площини.

Такі інструменти, поєднуючи в собі переваги шліфувальної стрічки та пелюсткового круга з радіальним розташуванням різальних елементів, дозволяють забезпечувати високе сумарне знімання матеріалу, знижують шорсткість поверхні з Rа 0,2 до 0,05 і питомі витрати алмазів -- на 30 % у порівнянні з пелюстковими кругами з радіальним розташуванням пелюстків.

Основною відмінною рисою формування обробленої поверхні напилених покриттів є підвищений вміст пор в матеріалі. Після фінішної обробки розміри пор значно перевищують мікрогеометричні параметри обробленої поверхні, що призводить до підвищення їх фактичної величини, і цю обставину необхідно враховувати при метрологічному контролі шорсткості поверхні.

Аналіз рівняння опорної кривої профіля поверхні показує, що шорсткість обробленої поверхні з урахуванням пористості напиленого матеріалу можна описати наступними рівняннями:

при m_x R'_max

,

при m_x < R'_max

,

де К -- відкрита пористість; b і v -- параметри ступіневої апроксимації початкової ділянки опорної поверхні профілю; R'_max -- максимальна висота нерівностей без врахування наявності пор; R''_max -- найбільша глибина пори в межах базової довжини; m_x -- математичне очікування величини ординати профілю нерівностей покриття х; с -- коефіцієнт.

Результати розрахунків по запропонованим залежностям підтверджуються експериментальними даними, отриманими при визначенні шорсткості покриття на різних ділянках обробленої поверхні. Дані добре збігалися з експериментальними, коли вимір Ra здійснювався на ділянках між порами, і були менше, коли вимір Ra здійснювався на ділянці з порами. Установлено, що пористість дала викривлення фактичної величини мікрогеометрії обробленої поверхні на 120-385 %.

У четвертому розділі розглянуто результати експериментальних досліджень впливу основних технологічних факторів процесу обробки на параметри мікрогеометрії поверхні, мікротвердість, залишкові напруги та структурний стан поверхневих шарів, установлено залежності між цими параметрами й умовами процесу.

Зняття напиленого матеріалу при поліруванні пелюстковим кругом відбувається в межах дефектного поверхневого шару деталі, що сформувався при попередній обробці. Найбільш інтенсивно зняття матеріалу відбувається в початковий період часу обробки ( < 1530 с), коли спостерігається значне зниження висоти нерівностей. Надалі тривалість полірування не впливає на шорсткість поверхні, при цьому потрібно мати на увазі, що тривалість полірування залежить від пористості напиленого покриття. При малій пористості необхідна якість поверхні досягається швидше.

Як показують дослідження, що проведені методами планування експериментів, найбільший вплив на показники шорсткості обробленої поверхні здійснює величина деформації круга в радіальному напрямку і його швидкість. У значно меншому ступені впливають подача й окружна швидкість деталі. Як видно з рис. 3, мінімальна шорсткість при пелюстковому оздоблювальному поліруванні становить Rа 0,05-0,2.

Досліджувалися наступні параметри шорсткості згідно ГОСТ 2789-73: Rа, Rz, R_maх, S_т, t_p, мкм, а також величина згладжування R_p -- відстань від лінії виступів до середньої лінії, мкм. Нижче, як приклад, наведені отримані емпіричні залежності для покриття ХВС-3:

Ra = 0,585 0,0045v_к 0,2

Rz = 1,83 0,014v_к 0,64

R_р = 3,99 0,025v_к 1,85 + 0,16S_пр;

R_mах = 3,635 0,025v_к 1,6 + 0,13S_пр

S_m = 1,737v_к + 51,85 + 0,315 30,69;

t_р = 47,01 + 0,512v_к + 13,0,

варіювання якими забезпечує адекватні результати оцінки параметрів шорсткості поверхні: Rа 0,05-0,2; Rz 0,4-0,8; R_max 0,5-2,0; R_p 0,8-1,5; S_m 60-150; t₃₀ 50-80 % за умов обробки:_к = 27 м/с; = 1,0 мм; _д = 0,5 м/с; S_пр = 1,0 м/хв; = 15^о; = 30 с.

Металографічні дослідження, що включають вимір мікротвердості структурних складових, дозволили встановити, що структура покриттів із сплаву ХВС-3 являє собою твердий розчин на основі заліза (Н = 5,56,6 ГПа) з вкрапленнями карбідів хрому і ванадію (Н = 9,312,0 ГПа). При шліфуванні покриття із сплаву ХВС-3 мікротвердість підвищується до 7,7 ГПа при глибині наклепаного шару 20-30 мкм, що пов'язано з переважаючим впливом силового фактора процесу обробки над тепловим. У випадку покриття із сплаву ПН85Ю15 зміцнення і глибина наклепу поверхневого шару в 2 рази менші. Ступінь наклепу для обох покриттів становить 12-14 %.

Дослідження впливу деформації пелюсткового круга в радіальному напрямку і його швидкості обертання _к на середню величину мікротвердості поверхневого шару напилених матеріалів дозволили встановити, що мікротвердість покриття із сплаву на основі заліза при = 0,40,6 мм перебуває на рівні вихідної. Збільшення деформації до 0,8 мм відбувається під впливом силового фактору процесу полірування. При подальшому збільшенні до 0,8-1,2 мм ступінь наклепу незначно зменшується. Збільшення понад 1,2 мм обумовлює інтенсифікацію дії теплового фактору процесу обробки й, відповідно, зниження мікротвердості поверхневого шару.

Аналіз залежності мікротвердості поверхневого шару покриттів від швидкості круга показує, що при збільшенні _к від 15 до 30 мс мікротвердість покриття змінюється незначно і тільки зі зростанням _к понад 35 мс інтенсивно знижується.

Металографічний аналіз показує на відсутність структурних змін у поверхневому шарі покриттів після полірування пелюстковим кругом. Це пояснюється незначним нагрівом зразків у процесі обробки, унаслідок високої еластичності пелюстків з алмазних стрічок і імпульсного їх контактування із оброблюваною поверхнею.



Рис. 1. Залежність шорсткості поверхні покриття ПН85Ю15 від деформації круга і поздовжньої подачі при = 30 с; v_к = 27 м/с; v_д = 0,5 м/с; = 15

Рис. 2. Розподіл залишкових напруг по глибині поверхневого шару покриття ХВС-3: 1 -- плазмове напилення; 2 -- шліфування алмазним кругом; 3 -- полірування пелюстковим кругом із алмазних стрічок

Коливання значень мікротвердості на поверхні зразка та по глибині поверхневого шару викликані багатофазним характером покриття.

Зміна мікротвердості поверхневого шару добре узгоджується з характером зміни в ньому залишкових напружень. Зона з максимальною мікротвердістю розташовується на поверхні зразка і збігається із зоною найбільших значень стискаючих залишкових напружень.

Використані в експериментах методика й апаратура дозволяли одержувати достовірні дані, починаючи із глибини шару 3-5 мкм. При аналізі залишкових напружень у більш тонких шарах можна говорити скоріше про тенденції їхньої зміни, а не про конкретні кількісні величини.

Більша теплонапруженість процесу плазмового напилювання, розходження теплофізичних властивостей матеріалів підкладки (сталь 40Х) і покриття, фазові перетворення в матеріалі покриття і ряд інших причин призводять до формування в поверхневому шарі покриття залишкових напружень розтягнення величиною 300-330 МПа, які на глибині 400-500 мкм переходять у стискаючі (рис. 2).

При шліфуванні напилених поверхонь алмазним кругом 1А1 300х16х3х127 АС2 125/1004 В11 в поверхневому шарі товщиною 15-25 мкм формувалися стискаючі залишкові напруження 70-80 МПа.

Залишкові напруження у поверхневому шарі після полірування пелюстковим кругом 1А1 АС2 50/404 В3-06 (_к = 30 мс = 1,0 мм; _д = 25 мхв; S_п = 1,5 мхв ; = 30 с; = 15°) є стискаючими, і їх величина досягає 200-220 МПа. Напруження знижуються до нуля на глибині 5-10 мкм та 300-400 мкм, максимум розтягуючих напружень 150-160 МПа досягається на глибині 15-30 мкм. Однією з основних складових умов пелюсткового полірування, що визначають термосилові параметри обробки, є деформація круга в радіальному напрямку.

Вплив умов обробки на залишкові макронапруження поверхневого шару вивчався із застосуванням методів планування експериментів. Для покриття ХВС-3 одержані лінійні адекватні залежності:

_о = - 28,4 - 2,5v_к - 81,25 - 0,38;

- _max = 1,62v_к + 50,65 + 0,18 - 85,2;

h_max = 1,56v_к + 53,0 + 0,3 - 48,65;

які можуть бути використані для технологічного забезпечення необхідної якості поверхневого шару (_o -- поверхневі залишкові напруження, МПа; _maх -- максимальні напруження, МПа; h_maх -- глибина залягання максимальних напружень, мм). Розрахунки і обробка результатів експериментів здійснювалися на ПЕОМ.

У всьому дослідженому діапазоні режимів полірування пелюстковими кругами зміни фазового складу поверхневого шару покриття не відбуваються. У той же час при деяких умовах обробки спостерігаються зміни внутрішньозеренної структури напиленого матеріалу. Результати експериментів з покриттями із сплаву на нікелевій основі показують, що при збільшенні деформації круга в радіальному напрямку від 0,6 до 1,2 мм спостерігається зменшення напівширини інтегральних ліній, а, отже, і ступеня викривлення кристалічних решіток від 0,135 до 0,108 рад. Це свідчить про менший ступінь деформації поверхневого шару обробленого покриття. Аналогічні результати отримані і для покриттів на основі заліза -- напівширина ліній зменшилася від 0,074 до 0,061 рад.

Рентгеноспектральний мікрозондовий аналіз поверхні плазмових покриттів із сплавів ПН85Ю15 і ХВС-3 після полірування пелюстковими кругами з алмазних стрічок не виявив помітної зміни їх хімічного складу.

Отримані результати підтверджуються деформаційно-спектральним аналізом, що дозволяє комплексно оцінити міцностні і деформаційні властивості матеріалу поверхневого шару покриття. Встановлено, що зі збільшенням понад 1,2 мм при поліруванні відбувається зменшення міцностних і деформаційних властивостей покриття уздовж траси сканування зі збереженням крупнофрагментної структури. Енергія контактного деформування, яка оцінювалась максимальним значенням спектральної щільності, знижується.

Результати проведеного комплексу досліджень дозволяють стверджувати, що в процесі фінішної обробки пелюстковими кругами з алмазних стрічок формується поверхневий шар із сприятливими характеристиками структури та фізико-механічного стану.

У п'ятому розділі розглянуто питання взаємозв'язку технологічного забезпечення зносостійкості, міцності зчеплення покриття з основою і корозійної стійкості деталей машин з параметрами якості напиленої поверхні.

Дослідження зносостійкості напилених зразків проводили на машині тертя в умовах граничного тертя. Результати досліджень показали, що величина зносу при припрацьовуванні (И) визначається з рівняння:

И = 0,48 + 0,4R_max - 0,049Н_o + 0,0009_o

де R_max -- найбільша висота нерівностей, мкм; Н_о -- мікротвердість, МПа; _о -- поверхневі залишкові напруги, МПа.

Найбільший вплив на знос в період припрацьовування здійснює параметр шорсткості R_mах. Фінішна обробка пелюстковими кругами призводить до скорочення часу припрацьовування в 1,2-1,5 рази. Добре припрацьовування оброблених пелюстковими кругами напилених поверхонь можна віднести за рахунок пологих мікронерівностей обтічної форми, які формують мікрорельєф, ближчий до мікрорельєфу прироблених поверхонь.

Для визначення міцності зчеплення плазмових покриттів в роботі використовувався метод тангенціального зрушення. Найважливіша вимога до стану зони зєднання покриття з основою полягає у витримуванні напруженнь, викликаних кінцевою обробкою. Експерименти довели, що фінішна обробка пелюстковими кругами не впливає на залишкові напруження в перехідній зоні (_п) і не призводить до зміни міцності зчеплення (ф_с) покриття зі сталевою основою, а залежить від методів підготовки поверхні під напилювання:

_с = 17,44 + 1,75Ra - 0,03_п.

Кращими методами обробки поверхні під напилювання є нарізання “рваної” різьби та дробоструминна обробка, які забезпечують необхідну міцність зчеплення покриття з основою завдяки технологічній спадковості, що проявляється у перерозподілі напружень у контактній зоні.

Корозійна стійкість покриттів після обробки вивчалася в ексікаторі зі штучно створеними і контрольованими атмосферними умовами. Випробування показують, що застосування на фінішних операціях пелюсткових кругів дозволяє підвищити корозійну стійкість поверхні на 20-80 %. Це досягається за рахунок зниження відкритої пористості (70 %) і наведенням у тонких поверхневих шарах стискаючих залишкових напруг (150-200 МПа), що сприяє закриттю шляхів проникнення корозійного середовища у середину металу.

Регресивна залежність, що звязує корозійну стійкість (П) з параметрами стану поверхневого шару після полірування, має вигляд:

П = - 0,00787 + 0,0012Ra + 0,00188H_пов

На показник проникливості найбільший вплив чинить шорсткість поверхні покриття, яка звязана з величиною пористості.

Використання запропонованих вище емпіричних рівнянь, які описують взаємозв'язок параметрів поверхневого шару з показниками експлуатаційних властивостей покриттів, дозволяє прогнозувати експлуатаційні показники напилених деталей машин, що визначають їх надійність.

У шостому розділі на підставі результатів теоретичних та експериментальних досліджень надано рекомендації з ефективного полірування пелюстковими кругами з алмазних стрічок плазмових покриттів твердістю 40-60 HRC (таблиця) і розглянуто конкретні приклади технологічних процесів фінішної обробки напилених деталей, з використанням яких у виробничих умовах відбувалось впровадження.

У цілому обробка пелюстковими кругами дозволила підвищити довговічність напилених деталей, зокрема робочих поверхонь штампів, на 20-35 % і забезпечила високу адгезію й необхідну якість поверхневого шару покриттів.

Таблиця 1. Характеристики пелюсткових кругів і параметри полірування плазмових покриттів

Деталь	Матеріал покриття	Характеристика круга	Параметр обробки	Ra, мкм
			Vкр, м/с	д, мм	Sпр, м/хв
Цилінд-рична	ХВС-3 ПН85Ю15	АС2 50/40-4 В3-06 АСМ 40/28-4 В3-06	30	0,8-1,2	1,5-2,5	0,16-0,05
Плоска	ХВС-3 ПГ-СР4	АС2 50/40-4 В3-06 АСМ 40/28-4 В3-06	27	0,5-0,8	3,0-5,0	0,24-0,12
Профільна	ХВС-3 ПН85Ю15 Аl2O3	АС2 50/40-4 В3-06 АСМ 40/28-4 В3-06	20	0,3-0,5	--	0,32-0,16

У додатку до дисертаційної роботи наведені журнали планування експериментів, результати впровадження технологічного процесу та документи, що підтверджують практичне значення роботи.

Основні висновки

У даній роботі вирішено актуальне прикладне завдання з технологічного забезпечення параметрів якості поверхневого шару та експлуатаційних властивостей напилених деталей поліруванням пелюстковими кругами з алмазних стрічок. Отримані результати комплексних досліджень дозволили зробити наступні основні висновки:

Встановлено закономірності формування поверхневого шару напилених деталей при поліруванні пелюстковими кругами з алмазних стрічок, які враховують особливості взаємодії різального елементу інструмента з обробляємою пористою поверхнею, що довело доцільність застосування процесу для забезпечення необхідних оптимальних параметрів стану поверхневого шару деталей з покриттями.

Встановлено, що ефективним засобом управління параметрами полірування плазмових покриттів є зміна кута нахилу різальних елементів пелюсткового круга до радіальної площини. Теоретичний аналіз поточної деформації пелюстків з кутом нахилу (10-60°) показав, що інструмент працює з меншими в 1,5-2 рази величинами пружних сил і з більш рівномірним їх розподілом, завдяки чому зменшується ударний вплив пелюстків на оброблювану поверхню і забезпечується плавність їх входу в роботу. Розроблено вдосконалені конструкції пелюсткових кругів з похилим кріпленням ріжучих елементів, що дозволяють знизити шорсткість поверхні плазмових покриттів з Ra 0,4-0,2 до Ra 0,1-0,05 і зношування інструмента на 30 % у порівнянні з кругами з радіальним розташуванням пелюстків.

Показано, що перевищення реєструємої шорсткості поверхні над її дійсним значенням, сформованим при поліруванні пелюстковими кругами, досягає 120-385 %. Отримано аналітичні залежності для розрахунку параметрів мікрогеометрії поверхні з урахуванням пористості напиленого матеріалу, що дозволяють при визначенні висотних і структурних характеристик шорсткості підвищити точність оцінки.

Отримано регресивні залежності впливу технологічних факторів полірування плазмових покриттів алмазними пелюстковими кругами на параметри шорсткості обробленої поверхні і залишкових напружень в напиленому поверхневому шарі. Варіювання умовами обробки забезпечує шорсткість поверхні: Rа 0,05-0,2; Rz 0,4-0,8; R_max 0,5-2,0; R_p 0,8-1,5; S_m 60-150; t₃₀ 50-80 % і призводить до зниження розтягуючих або формуванню стискаючих напруг до 160-220 МПа. Найбільший вплив на параметри якості поверхневого шару здійснює деформація круга в радіальному напрямку.

Встановлено, що мікротвердість оброблених покриттів після полірування пелюстковими кругами підвищується на 8-12 %. У всьому інтервалі режимів полірування зміна фазового складу в поверхневому шарі покриття не відбувається. При деформації круга більше 1,4 мм спостерігається деяке збільшення ступеня викривлення кристалічних решіток і зменшення міцнісних і деформаційних властивостей покриття із збереженням крупнофрагментної структури.

Запропоновано рівняння регресії, що дозволяє розрахувати прироблене зношування в залежності від характеристик якості поверхні. Найбільший вплив на зношування мають геометричні параметри шорсткості поверхні. Установлено, що обробка алмазними пелюстковими кругами сприяє скороченню часу приробки на 20-30 % у порівнянні з алмазними стрічками і полірувальними кругами з абразивних шкурок.

Встановлено, що фінішна обробка алмазними пелюстковими кругами не впливає на міцність зчеплення напиленого покриття зі сталевою основою через відсутність змін величини залишкових напружень у перехідній зоні.

Встановлено, що застосування на фінішних операціях пелюсткових кругів із НТМ підвищує корозійну стійкість обробленої поверхні на 20-80 % у порівнянні з іншими розглянутими методами обробки.

Розроблено практичні рекомендації полірування пелюстковими кругами із НТМ плазмових покриттів на основі заліза та нікелю твердістю 40-60 НRС. Технологія обробки пелюстковими кругами напилених поверхонь деталей штампів впроваджена в умовах ВАТ “Більшовик”, м. Київ. Результати роботи використовуються в навчальному процесі при підготовці студентів ЖДТУ, м. Житомир.

Основні публікації

1. Рыжов Э.В., Бурыкин В.В. Применение лепестковых кругов из сверхтвердых материалов для полирования плазменных покрытий // Сверхтвердые материалы. -- 1994. -- № 4. -- С. 57-59.

2. Бурыкин В.В., Клименко С.А. Состояние поверхностного слоя плазменных порошковых покрытий после полирования // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем: Зб. наук. праць. -- Краматорськ: ДДМА, 2003. -- Вип. № 14. -- С. 202-208.

3. Бурыкин В.В., Клименко С.А. Влияние условий процесса лепесткового полирования на остаточные напряжения в поверхностном слое газотермических покрытий. // Резание и инструмент в технологических системах. -- Харьков: НТУ ХПИ. -- 2003. -- Вып. № 65. -- С. 11-18.

4. Бурикін В.В. Шорсткість поверхневого шару напилених деталей, оброблених пелюстковими кругами // Вісник Житомирського державного технологічного університету. -- 2003. -- № 1. -- С. 7-11.

5. Бурыкин В.В., Клименко С.А., Танович Л. Состояние поверхностного слоя плазменных покрытий после полирования лепестковыми кругами // Сучасні процеси механічної обробки інструментами з НТМ та якість поверхні деталей машин: Зб. наук. праць (Серія Г “Процеси механічної обробки, верстати та інструменти”) / НАН України. ІНМ ім. В.М. Бакуля. -- Київ, 2003. -- С. 29-36.

6. Бурыкин В.В., Клименко С.А. Аналитические исследования влияния пористости напыленного материала на шероховатость обработанной поверхности // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем: Зб. наук. праць. -- Краматорськ: ДДМА, 2004. -- Вип. № 15. -- С. 81-86.

7. Бурыкин В.В., Клименко С.А. Лепестковое полирование напыленных деталей // Оборудование и инструмент для профессионалов. -- 2003. -- № 6 (41). -- С. 46-47.

8. А.с. 1265029 А1 СССР, МКИ³ В24D13/04. Лепестковый круг / Э.В. Рыжов, В.В. Бурыкин, В.В. Бурыкин-мл. -- № 3890007/25-08; Заявлено 22.04.85; Опубл. 23.10.86, Бюл. № 39 // Открытия и изобретения. -- 1986. -- № 39. -- С. 35.

9. Патент № 68970 А Україна, МКИ³ В24D13/04. Пелюстковий круг / С.А. Клименко, В.В. Бурикін, Ю.О. Муковоз. -- № 2003109599; Заявлено 24.10.03; Опубл. 16.08.04, Бюл. № 8 // Промислова власність. -- 2004. -- № 8.

10. Бурыкин В.В., Клименко С.А. Влияние пористости напыленного покрытия на шероховатость обработанной поверхности // Технологии и инструмент из СТМ в автомобильной и авиационной промышленности: Сб. мат. науч.-техн. семинара, 16-18 декабря 1997 г., Киев: АТМ Украины, 1997. -- С. 5-7.

11. Бурыкин В.В. Шероховатость поверхности напыленных деталей после полирования // Инженерия поверхности и реновация изделий: Мат. 3-й междунар. науч.-техн. конф., 27-29 мая 2003г., г. Ялта. -- Киев: АТМ Украины, 2003. -- С. 37-39.

Размещено на Allbest.ru

...