Разработка технологических методов оптимизации микрогеометрии функциональных поверхностей деталей приборов
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "САНКТ–ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ"На правах рукописи
Андреев Юрий Сергеевич РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ МИКРОГЕОМЕТРИИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ПРИБОРОВ Специальность 05.11.14 – Технология приборостроения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург 2012
Работа выполнена на кафедре технологии приборостроения Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Валетов Вячеслав Алексеевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Мусалимов Виктор Михайлович, профессор кафедры Мехатроники, НИУ ИТМО кандидат технических наук, профессор Мурашов Юрий Георгиевич, профессор кафедры инжиниринга и менеджмента качества, БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова
Ведущая организация: ОАО «Техприбор», 196084, Россия, Санкт-Петербург, Варшавская ул., д.5а
Защита состоится «14» мая 2012 г. в 17 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.227.04 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт Петербург, Кронверкский пр., д. 49, ауд. 206.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики
Автореферат разослан «_» 2012 г.
Ваши отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять по адресу университета:
197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, секретарю диссертационного совета Д 212.227.04.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.227.04 кандидат технических наук, доцент Киселев С.С.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. В приборо- и машиностроении качество продукции всегда было наиболее актуальным вопросом в виду роли этих отраслей в промышленном хозяйстве развитых государств. Качество и в первую очередь наджность изделий в основном обусловлены безотказностью работы их подвижных сочленений, а она в свою очередь определяется точностью размеров, формы и взаимного расположения сопрягаемых поверхностей деталей, а также состоянием их поверхностного слоя. Именно решение проблем, связанных с состоянием поверхностного слоя, является одним из средств повышения качества выпускаемой продукции, а, как известно, в условиях конкурентной рыночной экономики качество продукции играет важную роль. Доказано, что на два десятка функциональных свойств поверхности, таких как износостойкость, коррозионная стойкость, отражаемость световых лучей, теплоотражаемость, электрическая прочность, контактная жесткость, пылеудаляемость и др., существенно влияет ее микрогеометрия, поэтому одной из основных задач является обеспечение оптимизации ее для конкретных функциональных свойств в конкретных условиях эксплуатации. Современное приборо- и машиностроение характеризуется сложными условиями эксплуатации, связанными с высоким уровнем действующих напряжений, вибрациями, широким температурным интервалом, агрессивными средами и т.п. Поэтому необходимо соблюдение особых требований к качеству поверхностей для обеспечения надежности и долговечности деталей. По статистике большинство приборов и машин (85 90%) выходят из строя в результате износа поверхностей отдельных деталей, а затраты на ремонт и техническое обслуживание изделий в несколько раз превышают их стоимость. Создание приборов и машин, не требующих капитальных ремонтов, позволяет сэкономить огромное количество финансовых средств, трудовых ресурсов, материалов. Актуальность проблемы оптимизации микрогеометрии поверхностей объясняется ещ и тем, что возможности повышения качества изделий в результате увеличения геометрической точности изделий практически исчерпаны и связаны со значительным увеличением затрат. Поэтому не удивительно, что именно на создание оптимального микрорельефа поверхностей деталей в процессе повышения их качества и делают ставку ведущие приборостроительные и машиностроительные корпорации мира.
Очевидно, что для поиска рациональной шероховатости необходимо иметь критерии, описывающие ее, что естественно, создаст предпосылки для более точных оценок и прогнозов будущей эксплуатации изделий. Традиционно отечественные и зарубежные исследования шероховатости проводятся с использованием параметрического описания профиля. В настоящее время наиболее часто используемый критерий Ra был бы достаточным для полного описания геометрии профиля, если бы по нему можно было вычислить форму функции распределения ординат профиля, распределения выступов, средний наклон профиля, средний радиус заострения и т.д. Однако этого невозможно сделать. В рамках параметрического подхода технологическое обеспечение функционального свойства поверхности сводится к достижению значения параметра шероховатости, указанной на чертеже. А это фактически означает невозможность оптимизации микрорельефа для конкретного функционального свойства поверхности, т.к. для полного описания профиля требуется от 3 до параметров. Ситуация усугубляется еще и тем, что совокупность параметров часто не отражает действительный характер рельефа. Подтверждается это простым примером: два зеркальных профиля, описывая абсолютно разный рельеф, имеют одинаковый набор параметров. Возникла необходимость в создании нового метода описания микрогеометрии функциональных поверхностей. В работах профессора В.А. Валетова обоснованы недостатки использования параметрических критериев в процессе оптимизации микрогеометрии для конкретных функциональных свойств и предложены непараметрические критерии оценки шероховатости для точного ее описания.
Успешная реализация оптимизационных задач тесно связана с научным изучением процессов, приводящих к изменению поверхностного слоя функциональных поверхностей. Основные экспериментальные исследования в этой области посвящены изучению изменения поверхностного слоя при трении.
Действительно, экспериментально доказано, что одним из основных факторов, влияющих на трение-скольжение, является микрогеометрия трущихся поверхностей.
Поэтому научный интерес представляет не только степень и характер влияния микрогеометрии на процесс трения, но и изменение микрогеометрии, установление закономерностей этого изменения. Практическая реализация таких исследований позволит вывести процесс оптимизации микрогеометрии поверхностей на качественно новый уровень, повысив тем самым качество производимых изделий.
Не менее важным условием долговечной и безопасной эксплуатации пар трения является использование качественных консистентных и пластичных смазочных материалов, однако возникает проблема обеспечения постоянного присутствие смазочного материала в узлах трения. Недостаточное количество смазки вызывает повышение температуры в области контакта, приводит к износу подвижных сопряжений, увеличению кинематических погрешностей, повышению динамических нагрузок, снижению КПД и долговечности узла трения в целом. Решение задачи по поиску оптимального микрорельефа, позволяющего без дополнительного оборудования сохранять смазочный материал в зоне трения, обеспечит увеличение долговечности узла трения и сократит расходы на ремонтные работы.
Таким образом, оптимизация микрогеометрии рабочих поверхностей деталей приборов и машин является актуальной задачей.
Цель работы. Исследование влияния микрогеометрии на конкретные функциональные свойства деталей приборов и машин, основываясь на применении непараметрических критериев оценки и контроля микрогеометрии поверхностей.
Задачи работы:
Проанализировать существующие теории и выполненные исследования по изучению влияния микрогеометрии на конкретные функциональные свойства деталей приборов и машин.
Проанализировать существующие методы описания профиля и возможности их применения в области изучения микрорельефа функциональных поверхностей.
Разработать новую методику определения влияния микрогеометрии поверхности на конкретные функциональные свойства деталей приборов и машин.
Исследовать характер изменения микрогеометрии поверхностей пар трения с применением непараметрических критериев ее оценки и контроля.
Исследовать влияние микрогеометрии поверхности на ее адгезионные свойства.
Разработать рекомендации по технологии оптимизации микрогеометрии функциональных поверхностей деталей приборов и машин.
Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались основные научные положения теории технологии приборостроения, параметрические исследования выполнены на базе теории случайных функций, а непараметрические – носили, в основном, экспериментальный характер.
Научная новизна результатов заключается в следующем:
Разработана общая методика оптимизации микрогеометрии поверхностей для любого ее функционального свойства.
Впервые экспериментально подтвержден циклический характер изменения микрогеометрии поверхностей пар трения-скольжения.
Впервые были проведены исследования по изучению адгезионных свойств поверхностей деталей приборов и машин с использованием непараметрических критериев оценки микрогеометрии.
Практическая ценность выполненных исследований заключается в следующем:
Обоснована методика определения влияния микрогеометрии на функциональные свойства деталей приборов и машин, основанная на использования графиков различных функций, таких как плотности распределения ординат профиля, плотностей распределения тангенсов углов наклона профиля и д.р.
Доказано цикличное изменение микрогеометрии пар трения скольжения.
Предложен быстрый и надежный метод определения влияния микрогеометрии поверхности на ее адгезионные свойства.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
Методика определения влияния микрогеометрии на функциональные свойства деталей приборов и машин, основанная на использовании графиков различных функций.
Результаты исследования характера изменения микрогеометрии поверхностей трения-скольжения.
Результаты исследования влияния микрогеометрии на адгезионные свойства деталей приборов и машин.
Рекомендации по оптимизации микрогеометрии поверхности с учетом полученных экспериментальных данных.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VII, VIII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 2010-2011 гг.);
на XXXIX, XL, XLI Научной и учебно-методической конференции СПб НИУ ИТМО (Санкт Петербург, 2010-2012 гг.);
на десятой сессии международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» ИПМАШ РАН (Санкт-Петербург, 2011 г.);
на X, XI международной научной конференции Трибология и Надежность СПбГУПС (Санкт-Петербург, 2010-2011 гг.) Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано печатных работ в виде научных статей и тезисов докладов, 3 из которых опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырх глав, заключения, списка литературы из 63 наименований. Работа содержит страницу машинописного текста, 47 рисунков, 12 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показана актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования.
В первой главе диссертации рассмотрено подробно влияние микрогеометрии на такие функциональные свойства, как площадь контакта сопрягаемых поверхностей, электрическая проводимость, теплопроводность, жесткость сопряжения контактирующих поверхностей, характеристики трения и состояние масляной пленки контактирующих поверхностей.
Основные фундаментальные исследования в области изучения влияния микрогеометрии поверхности на конкретные эксплуатационные свойства представлены в работах И.В. Крагельского, А.А. Маталина, Н.Б. Демкина, Э.В.
Рыжова, В.С. Комбалова, Я.А. Рудзита, Ю.Г. Шнейдера, В.М. Мусалимова, из зарубежных ученых следует отметить исследования Гринвуда, Вильямсона, Уайтхауза и Арчарда. Однако во всех рассматриваемых исследованиях для описания микрогеометрии поверхности используются параметры или производные от них комплексные показатели, которые определяют лишь отдельные усредннные характеристики шероховатости поверхности, что не позволяет точно определить реальную шероховатость.
Далее в работе приведено описание наиболее распространенных математических моделей, обеспечивающих полное описание профиля поверхности. Эти модели принято считать адекватными, если параметры профиля, воспроизведенного с помощью выбранной модели и аналогичные параметры реального профиля, полученные с помощью приемлемого измерительного прибора будут одинаковыми или будут отличаться на пренебрежимо малую величину.
Микрогеометрию случайных нормально распределенных поверхностей в общем случае можно описать с помощью трех базовых критериев, а в частном случае – с помощью двух. Однако среди реальных поверхностей многие нельзя считать чисто случайными, а последние не всегда являются нормально распределенными. С достаточной для практики точностью нормально распределенными можно считать электроэродированные поверхности. При других видах финишной обработки отклонения от нормального закона распределения могут быть значительными. Таким образом, использование моделей, достоверно описывающих случайные нормально распределенные поверхности, имеет определенные ограничения. Кроме того, использование стандартных критериев оценки шероховатости поверхности не обеспечивают их полного описания. Поэтому трудно решить проблему достоверного описания геометрии профиля поверхностей и с помощью различных так называемых комплексных критериев, представляющих различные комбинации из таких малоинформативных параметров и обобщить результаты исследований.
В работе представлены и проанализированы три наиболее распространенные в практике математические модели: модель Наяка, автокорреляционная модель и упрощенная классическая модель, обеспечивающие полное описание геометрии профиля.
1. Модель Наяка В этой модели впервые были применены принципы случайных процессов для исследования поверхностей. Исследовались только изотропные, нормально распределенные поверхности. Было установлено, что такие поверхности могут быть описаны с помощью трех базовых критериев: m0, m2, m4 – нулевого, второго и четвертого спектральных моментов, общее выражение которых имеет вид:
m p G f f p df, (1) где G(f) – энергетический спектр профиля.
Зная базовые критерии, можно определить нужные характеристики профиля. Например, формула для расчета плотности выступов профиля будет иметь следующий вид:
1/ m m Dp (2) 2.
Формулы, выведенные Наяком, показывают, что с помощью комплекта базовых критериев m0, m2, m4, можно определить все геометрические характеристики профиля, которые могут влиять на функциональные свойства поверхности.
2. Автокорреляционная модель Эта модель получена английским ученым Уайтхаузом. В качестве базовых критериев использованы коэффициенты автокорреляционной функции p1 и p2, а также Rq - среднеквадратичное отклонение профиля.
3. Упрощенная классическая модель Энергетический спектр профилей, получающийся при использовании автокорреляционной модели и модели Наяка, приближается к спектру одной колеблющейся массы, и при этом необходимо применение не менее трех базовых критериев. Согласно этой модели форма спектра профиля описывается следующей формулой:
A( f ) Rq be bt, (3) где b – постоянная затухания.
Однако вследствие трудности определения постоянной затухания b в качестве второго базового критерия используют среднюю длину волны m.
m 2 m0 m1 1 / 2. (4) В качестве первого критерия используется Rq. Исследования, выполненные с использованием данной модели показали, что для большого количество профилей электроэродированных, тянутых, гидропескоструйных и шлифованных поверхностей наблюдается затухание спектров по экспоненте.
Таким образом, с помощью экспоненциальной функции можно достаточно точно описать спектр профиля, и при этом достаточно иметь только два базовых критерия.
В качестве альтернативного метода параметрическому описанию профиля в работе рассмотрен непараметрический подход к описанию и контролю микрогеометрии поверхности, предложенный В.А. Валетовым. Данный метод базируется на использовании графических изображений различных функций.
На основании выполненного анализа состояния проблемы и в соответствии с целью работы поставлены следующие задачи:
Разработка общей методики исследования влияния микрогеометрии поверхности деталей приборов и машин на их функциональные свойства.
Исследование изменения микрогеометрии поверхностей в процессе их трения скольжения, как одного из наиболее часто встречающихся случаев в приборо- и машиностроении.
Оптимизация микрогеометрии поверхностей, удерживающих смазку.
Выводы по главе:
1. Сделанный обзор количественных и качественных взаимосвязей между микрогеометрией поверхности и ее конкретными функциональными свойствами показал, что она влияет на многие эксплуатационные свойства, во многих случаях оно превосходит влияние физико-химических свойств материала деталей.
2. Анализ параметрических методов оценки и контроля микрогеометрии показал, что для полного описания профиля может потребоваться от 3 до критериев, что не приемлемо для решения большинства практических задач.
3. Непараметрический метод оценки и контроля микрорельефа функциональных поверхностей деталей приборов и машин является, надежным научно-техническим методом оптимизации микрогеометрии поверхности для ее конкретного функционального свойства.
Во второй главе диссертации разработана методика практического использования непараметрических критериев для оптимизации микрогеометрии поверхности. Основной целью данной методики является поиск рациональной микрогеометрии функциональных поверхностей, свойства которых зависят от нее.
В качестве критериев оценки используются графические изображения функций плотности распределения ординат или углов наклона профилей, а ещ лучше – образы самих профилей или микротопографий поверхностей. Главное достоинство данных критериев – в их информативности. Любой стандартный параметр шероховатости содержит недостаточное количество информации для полного описания микрогеометрии, и, будучи реализованным, практически никак не предопределяет структуру микрорельефа. Таким образом, для заданного на чертеже параметра можно получить бесчисленное множество разных микрорельефов поверхности свойства, которых будут разными и чаще всего совсем не такими, как ожидалось.
Известно, что функция плотности распределения ординат или тангенсов углов наклона профиля содержит не менее 95% информации о профиле, т.е.
каждой заданной функции соответствует практически только один микрорельеф. Возможное рассеяние микрорельефов для одной заданной функции пренебрежимо мало и не может привести к большому отклонению ожидаемого функционального свойства.
Исследование влияния исходной микрогеометрии на конкретное функциональное свойство поверхности проходит в два этапа. На первом этапе изготавливаются три одинаковых образца отличающиеся только исходной шероховатостью функциональной поверхности, причем один образец изготавливается с максимально чистой поверхностью (низкой шероховатостью), один с максимально грубой (высокой шероховатостью) и третий с промежуточным значением шероховатости поверхности между чистой и грубой. После этого образцы подвергаются испытаниям на конкретное функциональное свойство. По результатам испытания будет очевидно наличие или отсутствие влияния исходной шероховатости на конкретное функциональное свойство. В первом случае исследование переходит на второй этап, а во втором случае признается, что микрогеометрия поверхности не влияет на изменение данного функционального свойства.
Для проведения исследования на втором этапе изготавливается максимально возможное количество испытуемых образцов, отличающихся только исходным микрорельефом. Это практически означает, что изготавливаются образцы одинаковых размеров и формы, желательно стандартных, из одной и той же партии конструкционного материала, обладающего практически одинаковыми химическими, физическими, механическими и технологическими свойствами. Для создания разного исходного микрорельефа на каждом образце используются разные, из доступных, методы и режимы обработки на конкретном предприятии. Для исключения влияния побочных факторов, например, влияния разной степени наклепа, все образцы после создания на них разного исходного микрорельефа целесообразно подвергнуть термообработке для снятия остаточных напряжений. Для повышения достоверности эксперимента, для каждого варианта исходного микрорельефа целесообразно изготовить несколько одинаковых образцов. С помощью профилометра с функциональных поверхностей каждого образца фиксируются профили равной длины. В результате статистической обработки данных о профиле получаем графические изображения опорных кривых, плотностей распределения ординат и тангенсов углов наклона профиля и микротопографию поверхности. Благодаря применению современных приборов вся эта процедура длится несколько секунд, а е результаты автоматически сохраняются на жстком диске.
Все изготовленные вышеуказанным способом образцы подвергаются одинаковому функциональному воздействию, с контролем величины характеристик этого функционального свойства. По результатам исследования определяется образец с лучшим уровнем рассматриваемого функционального свойства. Графическое выражение кривой Аббота, или график плотности распределения соответствующей функции, либо сам профиль поверхности образца, у которого зафиксирован лучший результат, принимается в качестве эталона (рис. 1), а технология изготовления этого образца нормируется в технологическом процессе изготовления детали на производстве.
Рисунок 1. Плотность распределения ординат профиля оптимальной микрогеометрии поверхности: Yi – величина i-той ординаты профиля;
W – вероятность появления данной ординаты При контроле конкретной поверхности можно наложить шаблон, изображенный на прозрачном материале (например, оргстекле) или на дисплее, на графическое изображение функции контролируемой поверхности. Если изображение функции контролируемой поверхности оказывается в пределах шаблона, то ее функциональное качество, зависящее от микрогеометрии, гарантированно. При выходе непараметрического критерия контролируемой микрогеометрии за пределы шаблона изделие следует браковать по требованиям к шероховатости поверхности. Для неответственных изделий целесообразно использовать менее информативные, но более простые в графическом изображении опорные кривые профиля (кривые Аббота) или функции распределения ординат и углов наклона профиля. Для изделий с жесткими эксплуатационными характеристиками, существенно зависящими от микрогеометрии функциональных поверхностей, в качестве непараметрических критериев следует использовать графики функций плотности распределения ординат или углов наклона профиля, а еще лучше – графические изображения самого профиля или микротопографии поверхности. В последнем случае мы возвращаемся к эталонам шероховатости, но процесс сравнения с эталоном поручаем не человеческому глазу, а компьютеру, что весьма существенно, т.к.
исключает субъективизм в оценке. При использовании любых графических изображений в качестве непараметрических критериев оценки и контроля микрогеометрии не существует технических трудностей для автоматизации процесса контроля. Таким образом, практическое применение предлагаемого метода такое же простое, как использование предельных калибров при контроле размеров деталей.
При изготовлении образцов для испытаний виды и режимы их обработки должны быть зафиксированы. Определив в результате эксперимента наилучший из возможных микрорельефов для данного функционального свойства поверхности, мы автоматически получаем и технологические методы его воспроизведения. База данных по установлению рациональной микрогеометрии и технологических методов ее обеспечения со временем может настолько наполниться, что не потребуется проведение специальных экспериментов, а можно будет воспользоваться уже имеющимися в базе данных сведениями. Однако следует отметить, что вид рациональной микрогеометрии напрямую зависит от метода ее получения, а, следовательно найденная на одном предприятии микрогеометрия, отвечающая наилучшим требованиям по заданному функциональному свойству, не во всех случаях сможет быть воспроизведена на других производствах. Это связано с тем, что каждое предприятие имеет различный парк оборудования и методы обработки.
В таких случаях необходимо будет проводить испытания повторно для каждого конкретного производства.
Для нормирования рациональной микрогеометрии необходимо каждому такому функциональному свойству присвоить постоянный номер. Этот номер следует проставлять на знаке шероховатости, форма которого не имеет принципиального значения. Таким образом, вместо нормирования не отражающих функциональных свойств поверхностей параметров следует нормировать конкретное функциональное свойство поверхности.
Выводы:
1. Разработана методика определения влияния микрогеометрии на функциональные свойства деталей приборов и машин, основанная на непараметрическом описании микрогеометрии поверхностей.
2. Предложен метод практического использования непараметрических критериев в виде шаблонов.
3. Даны рекомендации по использованию предложенной методики поиска рациональной микрогеометрии функциональных поверхностей.
Третья глава диссертации посвящена изучению изменения микрогеометрии поверхностей пар трения скольжения.
Многие исследователи считают, что основным фактором, влияющим на характер изменения микрогеометрии поверхности при ее трении, является стремление микрогеометрии поверхности к некоторому стабильному значению.
Отмечается тот факт, что исходная шероховатая поверхность будет выглаживаться, а исходная гладкая становится шероховатой. При одинаковых внешних условиях трения материалов после приработки в течение нескольких часов обе шероховатости делаются одинаковыми, принимая характер так называемой «равновесной» шероховатости. Это открытие сделал профессор И.В. Крагельский на основании неизменности шероховатости по параметрам Ra и Rz.
Гипотеза о «равновесной» шероховатости получила широкое распространение среди ученых, изучающих процессы трения. Выводы, полученные на основе этой гипотезы, послужили основой для практических рекомендаций по оптимизации микрогеометрии поверхностей трения, но в большинстве случаев оказывались бесполезны на практике. Это объясняется малой информативностью критериев оценки микрогеометрии поверхности, которые применялись в исследованиях. Так в большинстве исследований «равновесной» шероховатости для оценки применялся лишь один параметрический критерий Ra или Rz.
Непараметрический подход к оценке микрогеометрии поверхности выводит исследования по оптимизации микрорельефа поверхностей трения скольжения на новый уровень. При помощи функций плотностей распределения ординат профиля и углов его наклона исследования по выявлению характера изменения микрорельефа функциональных поверхностей обретают более совершенное метрологическое обоснование. Таким образом, появляется возможность более достоверной проверки некоторых выводов и рекомендаций по оптимизации микрогеометрии поверхностей трения, которые были сделаны ранее на основе неинформативных параметрических критериев.
Для исследования изменения микрорельефа поверхностей в процессе их трения-скольжения была разработана программа эксперимента, которая включала следующие основные этапы: изготовление опытных образцов с различной исходной микрогеометрией поверхности;
оценка исходной микрогеометрии поверхностей;
испытания на машине трения;
оценка изменений микрогеометрии после каждого цикла трения;
анализ полученных результатов.
Были изготовлены следующие образцы: пластины из стали 45 ГОСТ1577 93 и стержневые инденторы из стали 45-Н-Б ГОСТ 1051-73. Габаритные размеры пластин: 170х105х13, мм;
стержней: D=11 мм, l=60 мм. Данные по методам получения образцов приведены в табл. 1. В процессе эксперимента было изготовлено по три образца для каждой группы. После измерения микрогеометрии на профилометре были получены стандартные параметрические критерии оценки шероховатости Ra, Rz и Rq исходных рабочих поверхностей образцов, а также построены плотности распределения ординат и тангенсов углов наклона профиля.
Таблица 1. Способы получения образцов № группы Вид обработки Режимы обработки и инструмент образцов Фрезерование Концевая фреза 40, S=25 мм/мин, t=0,1 мм, n=315 об/мин, охлаждение - эмульсия Фрезерование Торцевая фреза 150, S=80 мм/мин, t=0,1 мм, n=400 об/мин, охлаждение - эмульсия.
Шлифование Шлифовальный круг 250, S=3,5 мм/прох., t=0,01 мм, n=2800 об/мин, охлаждение эмульсия.
Обозначения: S – подача на оборот, t – глубина резания;
n – частота вращения шпинделя После получения данных об исходной шероховатости образцы испытывались на машине трения (рис. 2), спроектированной и изготовленной в Санкт-Петербургском государственном университете путей сообщения.
Рисунок 2. Машина трения Установка позволяет во время испытаний одновременно устанавливать три пластины и шесть стержней.
Опыты трения проводились следующим образом: сначала устанавливались образцы из первой группы, в течение определенного времени длилось испытание, после проведения опыта первые образцы снимались для дальнейших исследований шероховатости после трения, а в машину трения устанавливались следующие образцы той же группы для проведения испытаний при иной длительности опыта. Всего было проведено по испытаний, для каждой группы образцов, на трение с различными временными промежутками: от 10 мин до 150 мин с шагом в 10 мин. Возвратно поступательное движение исследуемых образцов осуществлялось с постоянной скоростью, при фиксированной величине нормального нагружения.
Анализ экспериментальных данных с помощью стандартных параметрических критериев оценки микрогеометрии показывает, что после некоторого времени трения параметры Ra, Rz и Rq практически не меняются.
Однако непараметрические критерии оценки микрогеометрии, например представленные на рис. 3, плотности распределения ординат профиля поверхности и тангенсов углов наклона профиля, наоборот свидетельствует о постоянном изменении характера микрогеометрии поверхности образцов в процессе их трения.
Рисунок 3. Изменение непараметрических критериев оценки шероховатости поверхности, построенные для образца №1 первой группы. Верхние графики плотности распределения ординат профиля: ось абсцисс – значение ординат профиля, деленное на Rq;
ось ординат – частость появления данной ординаты.
Нижние графики плотности распределения тангенсов углов наклона профиля:
ось абсцисс – значение тангенса угла наклона в рад;
ось ординат – частость появления данного значения тангенса;
обозначение кривых соответствует времени испытания на машине трения в мин.
Использование более информативных критериев оценки микрогеометрии поверхностей трения скольжения позволило установить, что в парах трения при их приработке «равновесная шероховатость» не возникает. Что особенно важно, наблюдается циклическое изменение характера микрогеометрии поверхности образцов в процессе их трения, первоначальный островершинный микрорельеф постепенно разрушаясь, превращается в платообразный. В процессе работы пары трения изнашиваются, происходящие микровырывы снова превращают микрорельеф поверхности в остроконечный. Указанные процессы повторяются с определенным периодом, который зависит от физико механических свойств материала, условий работы и исходного микрорельефа и таким образом предопределяет интенсивность изнашивания рабочих поверхностей. На основании сравнительного анализа результатов, полученных экспериментально, обнаружено, что микрогеометрия, формируемая на поверхностях в процессе их трения, также сильно зависит от исходной микрогеометрии.
Выводы:
1. На основе предложенной методики было изучено изменение микрогеометрии пар трения скольжения.
2. Анализ результатов показал непрерывное изменение микрорельефа трущихся поверхностей, что позволяет сделать вывод об отсутствии «равновесной шероховатости».
3. Экспериментальные данные подтверждают, что микрогеометрия, формируемая в процессе трения, зависит от исходной шероховатости трущихся поверхностей.
4. Результаты исследования подтвердили гипотезу В.А. Валетова о цикличном изменении микрогеометрии трущихся поверхностей.
В четвертой главе диссертации приводятся результаты исследования влияния микрогеометрии поверхности на ее адгезионные свойства. В данном разделе описан способ сохранения смазочного материала на поверхностях деталей приборов и машин, основанный на создании микрогеометрии поверхности, обеспечивающей наилучшие адгезионные свойства.
В связи с этим, была разработана методика и использован прибор «адгезиметр универсальный», позволяющий осуществлять этот контроль по критерию скорости вращения деталей / образцов путем сравнения момента начала и окончания отрыва смазки. Прибор (рис. 4) содержит высокооборотный электрический двигатель 1, скорость вращения выходного вала которого фиксируется датчиком Холла 2 и при этом может плавно регулироваться в широких пределах. Выходной вал через муфту 3 соединен с пустотелым цилиндрическим образцом 4. На наружную поверхность образца, который находится внутри стакана 7, наносится определенное количество смазочного материала. Сверху стакан закрыт крышкой 8, чтобы смазочный материал не вылетал из зоны вращения образца. Стакан с крышкой установлен на точных электронных весах 5. Нагрев образца осуществляется регулятором 9. Для охлаждения системы установлен вентилятор 10. Все части прибора, кроме двигателя, находятся в корпусе конструкции 6.
Рисунок 4. Схема прибора «Адгезиметр универсальный» При определенной частоте вращения смазочный материал начинает отрываться от поверхности образца за счет центробежной силы и попадать на внутренние стенки стакана, увеличивая его исходную массу. Таким образом, электронными весами фиксируется момент, когда даже первая частица смазочного материала оказывается на стенках стакана. Наблюдение прекращается при выявлении момента, когда масса стакана стабилизируется.
При этом устанавливаются как начальное значение скорости вращения, при которой произошел отрыв части смазочного материала, так и предельное, когда вся смазка отлетит с поверхности вращающегося образца. Таким образом, определяется влияние исходной микрогеометрии образца на интегральный показатель смазочного материала, характеризующий предел применимости по критерию скорости вращения деталей / образцов. По этому показателю с помощью прибора также возможно определить эксплуатационные показатели и выявить, что какая-то смазка является бракованной или фальсифицированной.
Для изучения влияния микрогеометрии поверхности на адгезионные свойства были изготовлены образцы из стали 45 ГОСТ 1050-88 с различной исходной шероховатостью поверхности. Профили поверхностей образцов представлены на рис. 5.
Рисунок 5. Профили исследуемых образцов: а) островершинный профиль;
б) трапециидальный профиль;
в) полукруглый-выпуклый профиль;
г) полукруглый-вогнутый профиль При проведении исследования использовалась смазка Циатим-221 (ГОСТ - представляющая собой кремнийорганическую жидкость, 9433-80) загущенную комплексным мылом, содержащую антиокислительную присадку.
Во время испытания на каждый образец равномерно наносилось по 1, грамма смазки. В момент первого отрыва смазки фиксировалась частота вращения образца, после чего она плавно доводилась до максимального значения 8300 об/мин и в течение 5 минут образец вращался;
после остановки прибора фиксировался вес стакана, а следовательно и количество отлетевшей смазки с образца.
Результаты эксперимента показали, что образцы первой группы (“островершинный” профиль) не только лучше удерживали смазку, но и первый отрыв смазывающего материала произошел на наибольших оборотах (среднее значение частоты вращения 7200 об/мин;
среднее значение отлетевшей смазки 0,27 г.) по сравнению с другими образцами. Второй по результатам стал “полукруглый-выпуклый” профиль (среднее значение частоты вращения 6766 об/мин;
среднее значение отлетевшей смазки 0,46 г.), третий “полукруглый-вогнутый” профиль (среднее значение частоты вращения об/мин;
среднее значение отлетевшей смазки 0,53 г.) и самый худший результат показал “трапециидальный” профиль (среднее значение частоты вращения об/мин;
среднее значение отлетевшей смазки 1,00 г.). Для производства образцов использовались резцы специальной заточки из твердосплавного сплава Т15К6 показанные на рис. 6. Образцы изготавливались на прецизионном токарном оборудовании 1И611П со следующими режимами обработки: n= об/мин;
S=0,06 мм/об;
t=0,05 мм. Результаты эксперимента сведены в таблицу 2.
Рисунок 6. Специальный инструмент Таблица 2. Результаты эксперимента на приборе «адгезиметр универсальный» n, об/мин Количество Вид профиля № образца первый отрыв смазки отлетевшей смазки с образца, г 1 7200 0, островершинный 2 7000 0, 3 7400 0, 1 4700 1, трапециидальный 2 4900 0, 3 4700 1, полукруглый- 1 6800 0, выпуклый 2 6500 0, 3 7000 0, полукруглый- 1 5600 0, вогнутый 2 5400 0, 3 5400 0, Для подтверждения эффективности предложенной методики были проведены специальные эксперименты. Испытания на износ образцов на стенде (рис. 2), с возвратно-поступательным движением образцов при их горизонтальном расположении по шлифованным пластинам из стали 45 при удельной вертикальной нагрузке 20 Н/см2. По результатам испытания были построены графики зависимости износа от времени испытания, представленные на рис. 7-10.
значение диаметра образца, мм 12, 12, 11,9 11, 11, 11, 11,7 11, 11, 11, 11, 11, 11, 0 5 10 15 20 25 30 время, мин образец 1: износ 0,32 мм образец 2: износ 0,27 мм образец 3: износ 0,26 мм Рисунок 7. График износа образцов первой группы значение диаметра образца, мм 12, 11, 11, 11, 11, 11, 11,7 11, 11,6 11, 11, 11, 11, 0 5 10 15 20 25 30 образец 1: износ 0,37 мм время, мин образец 2: износ 0,31 мм образец 3: износ 0,32 мм Рисунок 8. График износа образцов второй группы значение диаметра образца, мм 12, 12, 12, 12, 12, 12 12, 11, 11, 11, 11, 11,8 11, 11, 0 5 10 15 20 25 30 образец 1: износ 0,27 мм время, мин образец 2: износ 0,34 мм образец 3: износ 0,20 мм Рисунок 9. График износа образцов третьей группы значение диаметра образца, мм 12, 11, 11,95 11, 11, 11, 11, 11, 11, 11, 11, 11, 11, 11, 11, 11, 0 5 10 15 20 25 30 время, мин образец 1: износ 0,38 мм образец 2: износ 0,32 мм образец 3: износ 0,36 мм Рисунок 10. График износа образцов четвертой группы По результатам исследования на износ наилучший результат показали образцы с “полукруглым-выпуклым” профилем (средняя величина износа: 0, мм) и “островершинным” профилем (средняя величина износа: 0,28 мм).
Средний износ 0,33 мм показал “трапециидальный” профиль, и наибольший средний износ 0,35 мм показал “полукруглый-вогнутый” профиль.
Для технологического обеспечения регулярных микрорельефов, в целях оптимизации функциональных свойств поверхностей деталей приборов, возможно использование как стандартного металлорежущего оборудования с использованием инструмента специальной заточки, показанного на рис.6, так и применение новых технологий: лазерное текстурирование, микрофрезерование и д.р.
Выводы:
1. Предложен быстрый и надежный метод определения влияния микрогеометрии поверхности на адгезионные свойства;
2. Впервые была установлена эффективная степень удержания смазочного материала в динамике на вращающихся образцах с разным профилем поверхности;
3. Предложены варианты технологического обеспечения найденной рациональной микрогеометрии.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Основные результаты проведенного комплекса научно исследовательских и экспериментальных работ сводятся к следующему:
1. Предложена методика определения влияния микрогеометрии на функциональные свойства деталей приборов и машин, основанная на ее непараметрическом описании.
2. Проведены исследования изменения микрогеометрии пар трения скольжения с использованием более информативного метода описания геометрии профиля, что позволило обнаружить цикличное изменение микрогеометрии трущихся поверхностей. Сделан вывод об отсутствии “равновесной шероховатости”, что поставило под сомнение теории, базирующиеся на данном понятии.
3. Предложен быстрый и надежный метод определения влияния микрогеометрии поверхности на адгезионные свойства.
4. Предложены варианты технологических методов обеспечения найденной рациональной шероховатости функциональных поверхностей деталей приборов и машин.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
из перечня ВАК 1. Андреев Ю.С., Медунецкий В.В. Исследование изменения микрорельефа поверхностей в процессе их трения - скольжения // Известия вузов.
«Приборостроение», № 5, СПб., 2012, с.159-164.
2. Опрышко А.В., Тарасов М.Ю., Уткин И.А., Андреев Ю.С. Методика обработки профилограмм с использованием вейвлет-фрактального анализа // Журнал «Вестник ПГТУ» Механика, 2011, №3, с. 118-127.
3. Андреев Ю.С., Валетов В.А. Анализ параметрических методов описания шероховатости поверхности // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - Орел, 2011, №6, с. 43-51.
прочие публикации 4. Андреев Ю.С., Валетов В.А. Исследование микрогеометрии поверхности пары трения скольжения в период приработки // Трибология и надежность №11: Сборник научных трудов XI Международной конференции. - СПб.: Петербургский государственный университет путей сообщения, 2011, с. 44-52.
5. Опрышко А.В., Тарасов М.Ю., Уткин И.А., Андреев Ю.С. Методика обработки профилограмм с использованием вейвлет-фрактального анализа // Тезисы докладов XVII зимней школы по механике сплошных сред. – Пермь: НИСО УрО РАН, 2011, с. 243.
Андреев Ю.С., Валетов В.А. Анализ параметрических методов описания 6.
шероховатости поверхности // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых, Выпуск 2. Труды молодых ученых/ СПб.: СПбГУ ИТМО, 2011, с. 260-261.
Андреев Ю.С., Валетов В.А. Определение оптимальной микрогеометрии 7.
поверхностей пар трения-скольжения на стадии приработки // Десятая сессия международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов». Сборник трудов. -СПб.: ИПМАШ РАН, 2011, с. 160-167.
Валетов В.А., Андреев Ю.С., Цимбал И.Р. Исследование микрогеометрии 8.
трущихся поверхностей // Трибология и надежность №10: Сборник научных трудов X Международной конференции. - СПб.: Петербургский государственный университет путей сообщения, 2010, с. 85-92.
Андреев Ю.С., Валетов В.А. Проверка гипотезы о цикличности изменения 9.
микрогеометрии трущихся поверхностей // Сборник тезисов докладов конференции молодых ученых, Выпуск 3. Труды молодых ученых/ СПб.:
СПбГУ ИТМО, 2010, с. 116-117.