Определение значений параметров технологического процесса получения металлополимерного покрытия способом диффузионной сварки в вакууме

Развитие сложных механических систем в современных условиях привело к ужесточению требований качества, надежности и долговечности их функционирования.

Полимерные и металлополимерные покрытия как конструкционные материалы широко используются в ракетно-космической техники как антифрикционные, износостойкие, защитные покрытия. Многие узлы агрегатов работают в экстремальных условиях — при высоких динамических и статических нагрузках: в частности в элементах щелевых и торцовых уплотнениях агрегатов подачи двигателей летательных аппаратов.

Одним из наиболее слабых звеньев в совокупности проблем обеспечения требуемого технического уровня механических систем является недостаточная работоспособность механизмов и элементов исполнительных устройств типа направляющих, опор скольжения работающих в экстремальных условиях.

Перспективными направлениями совершенствования конструкций деталей опор скольжения и уплотнений, являются применение конструкционных армированных композиционных материалов, автоматизация технологических процессов, повышение эксплуатационных свойств рабочих поверхностей с помощью покрытий.

Производство деталей опор скольжения и уплотнений требует предварительного решения задач, связанных с обеспечением высокой удельной прочности и износостойкости.

Постоянно возрастающие технико-эксплуатационные требования к материалам и покрытиям деталей и элементов машин и аппаратов имеют определяющее значение при разработке и автоматизации технологических процессов, так как необходимо предварительное прогнозирование физико-механических свойств конструкционных материалов и покрытий с целью гарантированного обеспечения эксплуатационных характеристик. Кроме того, программная реализация управления технологическими процессами возможна только на основе формального и алгоритмического аппаратов.

Важное место среди методов повышения долговечности и надежности подвижных сопряжений занимает управление этими свойствами на этапах проектирования и технологической подготовки производства. Возможность заранее прогнозировать триботехнические свойства при задании характеристик качества поверхностного слоя, обеспечиваемых методами механической и химической обработки или другими специальными способами подготовки поверхности фрикционного контакта, позволяет повысить надежность выпускаемых машин и оборудования. Решение этой проблемы затруднено из-за сложности математических моделей, связывающих показатели износа и трения с характеристиками качества поверхностного слоя, использования различных критериев описания процессов трения и изнашивания. Кроме того, решение это возможно только в условиях автоматизации технологических процессов производства.

Комплексная автоматизация всех этапов создания изделий — от проектирования до изготовления, контроля, испытаний является основным направлением научно-технического прогресса в современном машиностроительном производстве. Однако реальное состояние проблемы автоматизации таково, что автоматизированные системы для конструкторских, технологических, организационных и производственных целей развиваются в известной степени автономно.

Одним из перспективных направлений решения названной проблемы является совершенствование конструкций деталей, применение конструкционных армированных композиционных материалов, автоматизация технологических процессов, повышение эксплуатационных свойств рабочих поверхностей с помощью защитных покрытий.

Обеспечение постоянно возрастающих требований различного рода к материалам и покрытиям конструкций сложных механических систем вызывают необходимость постоянной разработки технологий их изготовления и модельно-алгоритмического обеспечения для автоматизации технологических процессов.

Указанные вопросы имеют существенное значение при автоматизации процессов производства, так как необходимо предварительное моделирование физико-механических свойств конструкционных материалов с целью их анализа и оптимизации технологических процессов. Кроме того, программная реализация управления процессами производства конструкций механических систем возможна только на основе формального аппаратамоделей и алгоритмов.

Вопросами автоматизации механообрабатывающего производства и его технологической подготовки занимались такие видные ученые, как В. Ф. Безъязычный [3], A.M. Гильман [4], Г. К. Горанский [6], Н. М. Капустин [26], С. П. Митрофанов [41, 44, 45], Э. В. Рыжов и А. Г. Суслов [47, 48], В. Д. Цветков [59, 60] и многие другие.

В настоящее время в России и за рубежом активно разрабатываются методы и средства описания процессов трения, прогнозирования надежности и долговечности узлов трения. Большое внимание уделялось и уделяется параметрам шероховатости поверхности трения и влиянию ее на эксплуатационные свойства. Обширные теоретические и экспериментальные исследования на эту тему представлены в работах Н. Б. Демкина, И. В. Крагельского, Э. В. Рыжова [17, 18, 22, 23, 30, 31], а также зарубежными публикациями [32, 34, 35]. Современный этап развития триботехники характеризуется интенсивным переходом от накопленных фактических данных и качественных представлений о механизмах поверхностного разрушения при трении к развитию теоретических моделей количественного описания этих явлений. В работах И. В. Крагельского, М. Н. Добычина, В. С. Комбалова, А. В. Блюмена, Э. Д. Брауна, Ю. Н. Дроздова, Ю. А. Евдокимова,.

А.В.Чичинадзе, В. И. Колесникова, А. И. Тетерина и других авторов [12, 18, 36, 37, 38, 39, 40, 42] предлагаются количественные модели процессов взаимодействия фрикционных пар, пригодные для проведения инженерных расчетов некоторых узлов трения.

Хотя работы по разработке и внедрению автоматизированных систем технологической подготовки производства многими организациями и предприятиями, большая часть задач решена локально, как по охвату вопросов, так и по глубине проработки. Автоматизированы отдельные части технологической подготовки производства. Основной причиной, препятствующей комплексному решению задач автоматизации, является неразработанность сквозных алгоритмов инженерного операционного описания технологических процессов, отсутствие многих справочно-нормативных данных, отсутствие или недостаточно полное описание технологических и специальных свойств детали, как объекта проектирования технологического процесса.

Последнее означает, что для разработки и автоматизации технологических процессов необходимо создание баз и банков данных о технологических и служебных свойствах деталей. Одной базой данных невозможно охватить весь спектр таких свойств. Такая база данных была бы слишком громоздкой с большим временем обработки информации.

Учитывая вышесказанное, важными задачами при создании новых технологических процессов и автоматизированных систем управления технологическими процессами и производствами при создании узлов трения, является систематизация триботехнических данных и информации, выбор или разработка корректных математических моделей процессов трения и изнашивания, ускоренных методов проведения испытаний на трение и изнашивание.

Цель работы. Определение значений параметров технологического процесса получения металлополимерного покрытия способом диффузионной сварки в вакууме.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести обзор и комплексный анализ современных публикаций по результатам исследований в области технологий получения металлополимерных покрытий производства материалов.

2. Модернизировать и усовершенствовать методику исследования, разработать экспериментальное оборудование для определения физико-механических свойств металлополимерных покрытий.

3. Провести исследования влияния основных параметров технологического процесса диффузионной сварки на физико-механические свойства покрытия.

4. Построить экспериментально — теоретические модели, определяющие влияние основных технологических параметров на физико-механические свойства покрытий.

5. По результатам экспериментально — теоретических исследований разработать алгоритм автоматизации и программное обеспечение выбора основных параметров технологического процесса получения антифрикционного металлополимерного покрытия способом диффузионной сварки в вакууме.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы имитационного моделирования, аппарат математического моделирования, металлографический и термографический анализы, электронная и оптическая микроскопия, методы теории подобия и теория размерностей, методы статистики и планирование эксперимента.

На защиту выносятся:

— результаты исследований физико-химических процессов на границе раздела свариваемых материалов — металлополимерной композиции и стали;

— база данных области возможных вариаций основных технологических параметров (вакуум, величины и градиент нагрузки, температуры, времени выдержки) обеспечивающих требуемые эксплуатационные характеристики металлополимерного покрытияформально-аналитические модели, связывающие параметры технологического процесса и физико-механические свойства покрытий;

— алгоритм определения эксплуатационных свойств металлополимерных покрытий по основным значениям технологических параметров;

— алгоритм обеспечения выбора основных параметров для управления технологическим процессом получения антифрикционного металлополимерного покрытия способом диффузионной сварки в вакууме.

— программное обеспечение выбора основных параметров для технологического процесса получения антифрикционного металлополимерного покрытия способом диффузионной сварки в вакууме.

Научная новизна результатов, полученных в диссертации, состоит в следующем:

— установлено, что для увеличения прочности соединения необходимо совмещать процессы порошковой металлургии и диффузионной сварки;

— определена область изменения величены основных технологических параметров (степень разрежения в камере, величина и градиент нагрузки, температура и временя изотермической выдержки), обеспечивающих требуемые эксплуатационные характеристики металлополимерного покрытия;

— построена математическая модель, связывающая величину основных технологических параметров с физико-механическими свойствами покрытия;

— разработан алгоритм определения эксплуатационных свойств металлополимерных покрытий по основным значениям технологических параметров;

— разработан алгоритм обеспечения автоматизированного выбора основных параметров для управления технологическим процессом получения антифрикционного металлополимерного покрытия способом диффузионной сварки в вакууме.

Практическая ценность. Разработанная математическая модель, связывающая основные технологические параметры с физико-механическими свойствами покрытия, разработанные и обоснованные рекомендации по выбору технологических параметров процесса получения металлополимерного покрытия позволяют на этапе проектирования принять конструктивные и технологические решения по обеспечению высоких эксплуатационных свойств покрытия, обеспечению требуемой долговечности и надежности опор скольжения. Автоматизация технологического процесса достигается алгоритмической и программной реализацией выбора, основных параметров для управления технологическим процессом получения металлополимерных покрытий с прогнозируемыми физико-механическими свойствами.

Реализация полученных результатов Работа выполнена в рамках тематического плана НИР Сибирского государственного аэрокосмического университета и Научно-исследовательского института систем управления, волновых процессов и технологий (1998 — 2005 гг.) — в рамках федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002;2004 гг.», проект № 09−705- региональной научно-технической программы «Достижения науки и техники — развитию сибирских регионов», проект № 407.

Основные результаты исследований внедрены в ФГУП «Красноярский машиностроительный завод», АО РЖД «Красноярский ЭВРЗ».

Результаты научных разработок широко используются в учебном процессе в СибГАУ при подготовке специалистов по специальностям «Технология машиностроения», «Электронное машиностроение», «Холодильная, креогенная техника и конденцианирование» в преподавании дисциплин, связанных с конструкторской подготовкой студентов машиностроительных специальностей («Детали машин», «Основы конструирования машин», «Прикладная механика», «Теория механизмов и машин», «Машины низкотемпературной техники»).

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях: Третьей Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Достижения науки и техники — развитию сибирских регионов» (Красноярск, 2001), на отчетной конференции Научно-технической программы «Научные исследования высшей школы в области приоритетных направлений науки и техники» (Москва, 2001), на Всероссийской научно-технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий» (Улан-Удэ, 2002), на Международных научно-практических конференциях САКС-2002, САКС-2003 (Красноярск, 2002, 2003), научно-технических семинарах по машиноведению и технологии машиностроения в Сибирском государственном аэрокосмическом университете, Красноярском государственном техническом университете, Научно-исследовательском институте систем управления, волновых процессов и технологий (1990 — 2006 гг.).

Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 20 работ, в том числе 6 авторских свидетельства на изобретения, 3 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ в отраслевом фонде алгоритмов и программ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из четырех разделов, выводов по работе, списка использованной литературы и приложений. Объем работы 148 страниц, в том числе 45 рисунков, 12 таблиц.

Список литературы

включает 122 наименования.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность соавтору многих работ, Новикову Валерию Гавриловичу, чьи полезные советы, консультации и первоначальное руководство определили направленность исследовательских работ в области диффузионной сварки материалов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Рассмотрены и проанализированы основные факторы, влияющих на физико-механические свойства и работоспособность опор скольжения, произведена оценка степени их влияния. Установлено, что для увеличения прочности покрытия, состоящего из порошков фторопласта, графита, необходимо совмещать процессы порошковой металлургии и диффузионной сварки. Наибольшее влияние на прочность металлополимерного соединения оказывают давление на сварочный стык, температуры сварки и время изотермической выдержки. Основными параметрами, влияющими на износостойкость покрытия являются — прочность материала покрытия, состав материала и нагрузочно — скоростные факторы.

2. Модифицировано специальное экспериментальное оборудование для исследования работоспособности опор скольжения машин с металлополимерными покрытиями. Разработаны методики испытаний и применены методы обработки результатов экспериментальных данных и степени их достоверности. На основе экспериментальных данных получены функциональные зависимости прочностных и триботехнических характеристик металлополимерных покрытий, позволяющие осуществлять оценку рабочих параметров подвижных сопряжений.

3. Определена структура, установлены логические связи и произведено информационное наполнение баз данных области возможных вариаций основных технологических параметров (степень разрежения в камере сварки, величина давления на сварочный стык, температура, время изотермической выдержки), обеспечивающих требуемые эксплуатационные характеристики металлополимерного покрытия.

4. Построены формальные модели, связывающие параметры технологического процесса и физико-механические свойства покрытий. Установлено, что наибольшая прочность соединения, одержащего 20 мас.% порошка меди достигается при величине давления на сварочный стык ЮМПа, температуре сварки 673К, времени изотермической выдержки 30 минут. Полученные покрытия имеют интенсивность изнашивания 1ь=(6.8)х10″ 9, коэффициент трения 0,02 при скорости скольжения 1м/с, давлении 2 МПа (смазочный материал — ЦИАТИМ-201).

5. Построен алгоритм определения эксплуатационных свойств металлополимерных покрытий по основным значениям технологических параметров, что позволяет по величине прочности соединения прогнозировать износостойкость, надежность и долговечность опор скольжения.

6. Программно реализован алгоритм выбора основных параметров для управления технологическим процессом получения антифрикционного металлополимерного покрытия способом диффузионной сварки в вакууме и на его основе разработан технологический процесс.