Помощь студентам в учебе
Управление качеством поверхности при ультразвуковом пластическом деформировании
|
Введение
1. Обеспечение повышенной смачиваемости рабочих поверхностей 7
1.1 Понятие смачиваемости, краевых углов, гистерезиса смачивания 8
1.2 Преимущества достижения повышенных показателей смачиваемости.
Сферы применения 15
1.3 Методы получения поверхностей с повышенной смачиваемостью 17
1.3.1 Применение поверхностно - активных веществ (ПАВ) 18
1.3.2 Оксидирование 19
1.3.3 Поверхностное пластическое деформирование 19
1.4 Ультразвуковое пластическое деформирование как способ повышения
смачиваемости рабочих поверхностей 24
1.4.1 Достоинства и недостатки метода 24
1.4.2 Параметры и режимы ультразвукового пластического
поверхностного деформирования 26
1.4.3 Формирование эксплуатационных свойств поверхностей деталей
применением УЗПД 27
1.4.4 Формирование наклёпанного слоя, возникновение остаточных
сжимающих напряжений 27
1.4.5 Формирование топографии поверхности 29
1.4.6 Образование волнистости 31
Выводы по 1 главе 39
2 Методики, оборудование 40
2.1 Методы оценки смачиваемости поверхностей 40
2.1.1 Определение краевых углов методом пластины Вильгельми 41
2.1.2 Методы сидячей капли и его вариации 42
2.1.3 Метод прижатой капли 47
2.1.4 Метод прикрепления пузырька 48
2.1.5 Метод определения степени смачиваемости по скорости растекания масляного пятна 49
2.2 Оборудование, применяемое для осуществления УЗПД, его параметры 51
2.3 Моделирование результатов ультразвукового пластического
деформирования 58
2.3.1 Параметры формируемого микро- и макрорельефов 58
2.3.2 Выбор режимных параметров обработки для проведения
экспериментальных исследований 61
2.4 Подготовка экспериментальной установки 68
2.5 Выбор масла, применяемого для проведения экспериментов 69
2.5.1 Моторные масла 71
2.5.2 Трансмиссионные масла 74
2.5.3 Индустриальные масла 76
Выводы по 2 главе 81
3 Экспериментальное исследование зависимости маслоемкости формируемого рельефа от режимов УЗПД 82
3.1 Подготовка образцов перед обработкой УЗПД 82
3.2 Определение размера капель масла, используемых в экспериментах ... 83
3.2 Оценка смачиваемости обработанных поверхностей 89
3.3 Анализ полученных результатов 91
3.4 Рекомендации по назначению режимов ультразвукового
поверхностного пластического деформирования 93
Выводы по 3 главе 94
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 95
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Обеспечение повышенной смачиваемости рабочих поверхностей 7
1.1 Понятие смачиваемости, краевых углов, гистерезиса смачивания 8
1.2 Преимущества достижения повышенных показателей смачиваемости.
Сферы применения 15
1.3 Методы получения поверхностей с повышенной смачиваемостью 17
1.3.1 Применение поверхностно - активных веществ (ПАВ) 18
1.3.2 Оксидирование 19
1.3.3 Поверхностное пластическое деформирование 19
1.4 Ультразвуковое пластическое деформирование как способ повышения
смачиваемости рабочих поверхностей 24
1.4.1 Достоинства и недостатки метода 24
1.4.2 Параметры и режимы ультразвукового пластического
поверхностного деформирования 26
1.4.3 Формирование эксплуатационных свойств поверхностей деталей
применением УЗПД 27
1.4.4 Формирование наклёпанного слоя, возникновение остаточных
сжимающих напряжений 27
1.4.5 Формирование топографии поверхности 29
1.4.6 Образование волнистости 31
Выводы по 1 главе 39
2 Методики, оборудование 40
2.1 Методы оценки смачиваемости поверхностей 40
2.1.1 Определение краевых углов методом пластины Вильгельми 41
2.1.2 Методы сидячей капли и его вариации 42
2.1.3 Метод прижатой капли 47
2.1.4 Метод прикрепления пузырька 48
2.1.5 Метод определения степени смачиваемости по скорости растекания масляного пятна 49
2.2 Оборудование, применяемое для осуществления УЗПД, его параметры 51
2.3 Моделирование результатов ультразвукового пластического
деформирования 58
2.3.1 Параметры формируемого микро- и макрорельефов 58
2.3.2 Выбор режимных параметров обработки для проведения
экспериментальных исследований 61
2.4 Подготовка экспериментальной установки 68
2.5 Выбор масла, применяемого для проведения экспериментов 69
2.5.1 Моторные масла 71
2.5.2 Трансмиссионные масла 74
2.5.3 Индустриальные масла 76
Выводы по 2 главе 81
3 Экспериментальное исследование зависимости маслоемкости формируемого рельефа от режимов УЗПД 82
3.1 Подготовка образцов перед обработкой УЗПД 82
3.2 Определение размера капель масла, используемых в экспериментах ... 83
3.2 Оценка смачиваемости обработанных поверхностей 89
3.3 Анализ полученных результатов 91
3.4 Рекомендации по назначению режимов ультразвукового
поверхностного пластического деформирования 93
Выводы по 3 главе 94
ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 95
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
В рамках современного машиностроения, увеличение срока службы деталей машин, и тем самым уменьшение стоимости обслуживания, ремонта и их периодичности является важной задачей.
Долговечность узлов трения зависит от множества факторов, таких как конструктивного решения, технологии изготовления деталей, режимы нагрузки и смазки, соблюдение условий и правил технической эксплуатации машин.
По статистике, причиной 70-80 % всех отказов машин является износ узлов трения. Знание этого факта, открывает множество возможностей для реализации управления износом узлов трения различными способами.
Широко применяемыми на данный момент являются следующие методы повышения износостойкости: использование более
износостойких материалов, изменения геометрических характеристик сопряжённых поверхностей, модификация поверхностей трения,
ультразвуковая обработка, термические, электрохимические и механические методы обработки. При этом износостойкость обработанных поверхностей при использовании данных методов обеспечивается не только непосредственным упрочнением и нанесением износостойких покрытий, но и управление смачиваемостью.
Одним из наиболее перспективных методов, позволяющих управлять смачиваемостью обработанных поверхностей в широком диапазоне, является ультразвуковое поверхностное пластическое деформирование (УЗПД). Создание с его помощью регулярных сложных микрорельефов способно значительно улучшить смачиваемость поверхностей, облегчая условия смазывая, тем самым увеличивая ресурс детали и механизма в целом.
Суть процесса заключается в деформационном дробном воздействии на поверхности обрабатываемого изделия с ультразвуковой частотой (22 ...66
кГц) и малыми амплитудами (5 - 30 мкм) [1]. Обработка производится как тел вращения, так и плоскостей. В рамках данной работы рассматривается обработка по токарной схеме.
В настоящее время тема управления смачиваемостью поверхностей, посредством УЗПД мало изучена и описана, вследствие чего, применение метода и получение позитивных результатов применения метода затруднено.
В связи с этим, целью работы является установление взаимосвязей режимов ультразвукового поверхностного пластического деформирования поверхностей деталей, работающих на трение, с характеристиками смачиваемости обработанных поверхностей.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнение
следующих задач:
1. Выбор способа оценки степени смачиваемости поверхности на основе анализа существующих методик
2. Выбор режимов УЗПД поверхностей экспериментальных образцов на основе моделирования процесса формирования микрорельефа и установление геометрических параметров микрорельефа в зависимости от условий обработки
3. Разработка комплекса технических решений, обеспечивающих проведение экспериментов на имеющемся оборудовании
4. Подготовка экспериментальных образцов и подбор смазочных материалов
5. Описание зависимостей формирования топографии микрорельефа от режимных параметров УЗПД и взаимосвязей характеристиками смачиваемости поверхностей
6. Разработка рекомендаций по назначению режимов УЗПД, обеспечивающих смачиваемость поверхности
Долговечность узлов трения зависит от множества факторов, таких как конструктивного решения, технологии изготовления деталей, режимы нагрузки и смазки, соблюдение условий и правил технической эксплуатации машин.
По статистике, причиной 70-80 % всех отказов машин является износ узлов трения. Знание этого факта, открывает множество возможностей для реализации управления износом узлов трения различными способами.
Широко применяемыми на данный момент являются следующие методы повышения износостойкости: использование более
износостойких материалов, изменения геометрических характеристик сопряжённых поверхностей, модификация поверхностей трения,
ультразвуковая обработка, термические, электрохимические и механические методы обработки. При этом износостойкость обработанных поверхностей при использовании данных методов обеспечивается не только непосредственным упрочнением и нанесением износостойких покрытий, но и управление смачиваемостью.
Одним из наиболее перспективных методов, позволяющих управлять смачиваемостью обработанных поверхностей в широком диапазоне, является ультразвуковое поверхностное пластическое деформирование (УЗПД). Создание с его помощью регулярных сложных микрорельефов способно значительно улучшить смачиваемость поверхностей, облегчая условия смазывая, тем самым увеличивая ресурс детали и механизма в целом.
Суть процесса заключается в деформационном дробном воздействии на поверхности обрабатываемого изделия с ультразвуковой частотой (22 ...66
кГц) и малыми амплитудами (5 - 30 мкм) [1]. Обработка производится как тел вращения, так и плоскостей. В рамках данной работы рассматривается обработка по токарной схеме.
В настоящее время тема управления смачиваемостью поверхностей, посредством УЗПД мало изучена и описана, вследствие чего, применение метода и получение позитивных результатов применения метода затруднено.
В связи с этим, целью работы является установление взаимосвязей режимов ультразвукового поверхностного пластического деформирования поверхностей деталей, работающих на трение, с характеристиками смачиваемости обработанных поверхностей.
Для достижения поставленной цели необходимо выполнение
следующих задач:
1. Выбор способа оценки степени смачиваемости поверхности на основе анализа существующих методик
2. Выбор режимов УЗПД поверхностей экспериментальных образцов на основе моделирования процесса формирования микрорельефа и установление геометрических параметров микрорельефа в зависимости от условий обработки
3. Разработка комплекса технических решений, обеспечивающих проведение экспериментов на имеющемся оборудовании
4. Подготовка экспериментальных образцов и подбор смазочных материалов
5. Описание зависимостей формирования топографии микрорельефа от режимных параметров УЗПД и взаимосвязей характеристиками смачиваемости поверхностей
6. Разработка рекомендаций по назначению режимов УЗПД, обеспечивающих смачиваемость поверхности
Проведённый литературный анализ выявил перспективность метода ультразвукового пластического деформирования (УЗПД), с точки зрения Управление качеством обрабатываемой поверхности. Показано, что ультразвуковая обработка позволяет управлять степенью упрочнения, шероховатостью, формой и размерами фрагментов микрорельефа. Данные параметры определяют эксплуатационные свойства обработанной поверхности степени. При этом остается малоизученным вопрос
смачиваемости обработанных поверхностей. Недостаток информации по управлению смачиваемостью поверхностей посредством варьирования режимами УЗПД позволяет сделать вывод об актуальности представленных в данной работе результатов исследований. Отсутствие рекомендаций по назначению режимов УЗПД, позволяющих формировать микрорельеф с улучшенной смачиваемостью, а также отсутствие рекомендаций по выбору методики оценки степени смачиваемости обработанных поверхностей определили основные задачи исследования.
В ходе работы, на основе существующих источников определены допустимые диапазоны режимов УЗПД (Бст = 50...250 Н; V = 50...250 м/мин; s = 0,01 - 0,2 мм/об), применяемые при проведении экспериментов для изучения закономерностей формирования смачиваемости поверхностей в зависимости от режимов. На основе требований к чистоте поверхностей, подвергающихся УЗПД (Ra = 2 мкм) подготовлены экспериментальные образцы, предварительно обработанные точением.
Путём анализа отечественных и зарубежных источников определена методика оценки степени смачиваемости без применения узкоспециальной аппаратуры, с точностью, достаточно для инженерных целей. Процедура оценки смачиваемости базируется на методах определения смачиваемости по скорости растекания масляного пятна для качественной оценки и метода 95
сидячей капли на вертикальной поверхности для количественного определения степени смачиваемости.
Для проведения экспериментов по определению степени смачиваемости подобрана рабочая жидкость, наиболее удовлетворяющая требования по доступности и кинематической вязкости. Значение кинематической вязкости данного масла (68 мм2/с при температуре 40 оС) соответствует значениям масел, применяемым в большинстве технологических машин.
В ходе экспериментов выяснено, что обеспечение наиболее симметричных микрорельефов с мало выраженной или отсутствующей волнистостью обеспечивает значительный рост степени смачиваемости обработанных УЗПД поверхностей. Так, при обеспечении сочетанием скорости и подачи величины коэффициента lv2/ls2 = 1,3 (Гст = 150 Н, f = 22 кГц, DU = 0,008 м; s = 0,15 мм/об; V = 226,19 м/мин) достигнуто уменьшение краевого угла натекания на 39% (с 42о5' до 26о13'), по сравнению с образцом, подвергшемся полированию, что говорит о существенном снижении работы жидкости по продвижению периметра смачивания и повышении адгезии поверхности. Такой вывод можно сделать на основании того, факта, что смачиваемость является следствием проявления адгезии.
Определено, что высокие степени искажения микрорельефа, связанные с диспропорциональным назначением окружной скорости и подачи (величина lv2/ls2 значительно больше 1,3) в малой степени влияют на смачиваемость поверхности. Так, при lv2/ls2 = 3,17 (Гст = 150 Н, f = 22 кГц, DH = 0,008 м; s = 0,05 мм/об; V = 89,06 м/мин), угол натекания уменьшился на 8% . Тем самым подтверждаются предположения о положительном влиянии УЗПД на смачиваемость поверхности.
При этом, наилучшая степень смачиваемости получена при обработке в диапазонах режимов: Гст = 150 Н, f = 22 кГц, DH = 0,008 м; V = 176...226 м/мин; s = 0,1 - 0,15 мм/об.
На основе полученных данных сформированы рекомендации приведённые в разделе 3.4, по назначению режимов УЗПД, обеспечивающих смачиваемость поверхности.
смачиваемости обработанных поверхностей. Недостаток информации по управлению смачиваемостью поверхностей посредством варьирования режимами УЗПД позволяет сделать вывод об актуальности представленных в данной работе результатов исследований. Отсутствие рекомендаций по назначению режимов УЗПД, позволяющих формировать микрорельеф с улучшенной смачиваемостью, а также отсутствие рекомендаций по выбору методики оценки степени смачиваемости обработанных поверхностей определили основные задачи исследования.
В ходе работы, на основе существующих источников определены допустимые диапазоны режимов УЗПД (Бст = 50...250 Н; V = 50...250 м/мин; s = 0,01 - 0,2 мм/об), применяемые при проведении экспериментов для изучения закономерностей формирования смачиваемости поверхностей в зависимости от режимов. На основе требований к чистоте поверхностей, подвергающихся УЗПД (Ra = 2 мкм) подготовлены экспериментальные образцы, предварительно обработанные точением.
Путём анализа отечественных и зарубежных источников определена методика оценки степени смачиваемости без применения узкоспециальной аппаратуры, с точностью, достаточно для инженерных целей. Процедура оценки смачиваемости базируется на методах определения смачиваемости по скорости растекания масляного пятна для качественной оценки и метода 95
сидячей капли на вертикальной поверхности для количественного определения степени смачиваемости.
Для проведения экспериментов по определению степени смачиваемости подобрана рабочая жидкость, наиболее удовлетворяющая требования по доступности и кинематической вязкости. Значение кинематической вязкости данного масла (68 мм2/с при температуре 40 оС) соответствует значениям масел, применяемым в большинстве технологических машин.
В ходе экспериментов выяснено, что обеспечение наиболее симметричных микрорельефов с мало выраженной или отсутствующей волнистостью обеспечивает значительный рост степени смачиваемости обработанных УЗПД поверхностей. Так, при обеспечении сочетанием скорости и подачи величины коэффициента lv2/ls2 = 1,3 (Гст = 150 Н, f = 22 кГц, DU = 0,008 м; s = 0,15 мм/об; V = 226,19 м/мин) достигнуто уменьшение краевого угла натекания на 39% (с 42о5' до 26о13'), по сравнению с образцом, подвергшемся полированию, что говорит о существенном снижении работы жидкости по продвижению периметра смачивания и повышении адгезии поверхности. Такой вывод можно сделать на основании того, факта, что смачиваемость является следствием проявления адгезии.
Определено, что высокие степени искажения микрорельефа, связанные с диспропорциональным назначением окружной скорости и подачи (величина lv2/ls2 значительно больше 1,3) в малой степени влияют на смачиваемость поверхности. Так, при lv2/ls2 = 3,17 (Гст = 150 Н, f = 22 кГц, DH = 0,008 м; s = 0,05 мм/об; V = 89,06 м/мин), угол натекания уменьшился на 8% . Тем самым подтверждаются предположения о положительном влиянии УЗПД на смачиваемость поверхности.
При этом, наилучшая степень смачиваемости получена при обработке в диапазонах режимов: Гст = 150 Н, f = 22 кГц, DH = 0,008 м; V = 176...226 м/мин; s = 0,1 - 0,15 мм/об.
На основе полученных данных сформированы рекомендации приведённые в разделе 3.4, по назначению режимов УЗПД, обеспечивающих смачиваемость поверхности.