Разработка и исследование процесса сглаживания поверхности газотермических покрытий деталей текстильных машин с целью повышения их работоспособности

Актуальность темы

Развитие текстильной промышленности, увеличение нагрузок и скоростей современных механизмов и узлов, возросшие требования к обеспечению работоспособности текстильных машин приводят к необходимости применения прогрессивных технологий и высокоэффективных методов обработки.

Одна из основных задач текстильного машиностроения — повышение работоспособности деталей машин — может быть решена применением методов газотермического напыления покрытий (ГТН), среди которых наиболее широкое внедрение получили плазменное, газопламенное напыление и электродуговая металлизация.

Напыление покрытий применяется с целью упрочнения и восстановления деталей, повышения износостойкости рабочих поверхностей, защиты деталей от коррозии, создания антифрикционных слоев, а также с целью получения обращенных подшипниковых пар (металлизированная антифрикционным металлом шейка вала в сопряжении со стальной втулкой).

Нанесенные покрытия имеют достаточно прочное сцепление с материалом основы С порядка 25.45 МПа), при работе со смазкой обладают высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения. Вследствие указанных преимуществ газотермические покрытия (ГТП) могут быть успешно применены при изготовлении новых и восстановлении изношенных деталей текстильных машин.

Исследованиями Е. В. Антошина, Л. К. Дружинина, В. В. Кудинова, М. Х. Шоршорова, А. Хасуйя и других ученых определены возможности методов ГТН и выявлены оптимальные режимы напыления различных материалов.

Если характеристики самого покрытия определяются в процессе напыления, то качество всей детали с покрытием зависит от трех этапов их получения: при подготовке поверхности перед напылениемв процессе нанесения покрытия и при окончательной обработке напыленного слоя.

Формирование детали с ГТП завершается окончательной механической обработкой напыленного слоя, чем обеспечивается требуемая шероховатость и точность размеров.

Механическая обработка ГТП являлась предметом изучения ряда исследователей: Н. В. Катца., Н. Н. Фролова, Э. Кречмара, В. В. Юшкова и др. Однако однозначных решений по многим вопросам обработки пока не имеется. В особенности это относится к отделочным операциям. Обычно, рекомендуемое для этих целей шлифование проходит с большими трудностями, сопровождается шаржированием поверхности покрытия абразивными частицами, характеризуется большим разбросом по показателям качества поверхности и является малопроизводительным способом обработки, особенно, для мягких материалов.

Весьма прогрессивным и перспективным способом окончательной обработки поверхности деталей является обработка поверхностным пластическим деформированием (ППД), при которой происходит сглаживание шероховатости поверхности, сопровождающееся смятием выступов и заполнением впадин микрорельефа материалом деформируемой поверхности. В результате упрочняется поверхностный слой, повышается износостойкость, стойкость материала поверхности к коррозионным воздействиям и обеспечивается низкая шероховатость последней.

Известны многочисленные теоретические и экспериментальные исследования, посвященные вопросам обработки ПЦД различных однородных материалов, выполненных под руководством П. Г. Алексеева, В. М. Враславского, И. В. Кудрявцева, М. А. Москалева, Д. Д. Папшева,.

Ю.Г. Шнейдерз, и др. Что же касается обработки ПЦЦ тонкослойных покрытий, то данные в литературе весьма ограничены.

Отсутствие рекомендаций по расчету и выбору основных параметров процесса сглаживающей обработки напыленных покрытий, в особенности роликовым инструментом, сдерживает применение ее в качестве отделочной операции. Поэтому исследования, проведенные в этом направлении являются весьма актуальными и представляют как научный, так и практический интерес. В связи с этим определены цель и задачи настоящих исследований.

Цель исследований. Целью диссертационной работы является разработка технологических рекомендаций по нанесению и окончательной обработке ПЦЦ износостойких покрытий деталей текстильных машин, направленных на повышение их работоспособности.

Общая методика исследований. При проведении теоретических исследований были использованы методы и закономерности теории упругости, теории пластичности, механики сплошных деформированных сред, механики контактного взаимодействия твердых тел, позволившие рассмотреть возникающие напряжения в процессе деформирования материала покрытия при ПЦЦ.

При анализе напряженно-деформированного состояния материала покрытия использовались теоретические положения, развитые в трудах Р. Хилла, Р. Прандтля, Р. Генки, Е. М. Макушка, М. А. Москалева, Е. П. Унксова, Н. М. Алексеева, А. Д. Томленова и др.

Обработка экспериментальных данных проводилась на ПЭВМ с использованием методов планирования экспериментов и математической статистики.

При анализе данных по шероховатости, упрочнению и износу контактирующих поверхностей, а также по металловедческим исследованиям были использованы теоретические положения., развитые в трудах А, П. Гуляева, М. Е. Дрица, П. Е. Дьяченко, И. В. Крагельского и ДР.

При проведении исследований использовано как отечественное, так и зарубежное оборудование.

Научная новизна. На основе теоретических исследований по изучению обработки ППД предложена методика расчета теоретически обоснованных параметров процесса ППД мягких антифрикционных покрытий по заданному конечному результату — шероховатости поверхности.

С применением современной теории планирования экспериментов определены и экспериментально подтверждены основные закономерности изменения шероховатости поверхности деталей с металлопокрытиями е процессе сглаживающего ППД. Оптимизацией уравнений регрессии выявлены и предложены рациональные режимы обработки, позволяющие получить минимальную шероховатость и максимальное упрочнение поверхности покрытия.

Определены основные механические характеристики покрытий с помощью диаграмм твердости.

Металлографическими исследованиями выявлена микроструктура напыленных бронзовых покрытий до и после обработки ППД, определена глубина наклепанного слоя поверхности покрытия, образовавшегося в результате обработки ППД роликовым инструментом.

Исследовано влияние технологии окончательной обработки на износостойкость деталей с металлопокрытиями.

Практическая ценность. Внедрение способов нанесения износостойких покрытий при изготовлении новых и восстановлении изношенных деталей текстильных машин с последующей сглаживающей обработкой поверхностным пластическим деформированием позволит улучшить зкплуатационные характеристики последних и тем самым повысить работоспособность текстильного оборудования.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на межвузовской научно — технической конференции «Современные проблемы текстильной и легкой промышленности» в 1998 г., на всероссийской научно — технической конференции «Современные технологии текстильной промышленности» (Текстиль — 98), а также на заседаниях кафедры технологии текстильного машиностроения и конструкционных материалов в Московской государственной текстильной академии им. А. Н, Косыгина (1996;1998).

Объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы, выводы, приложение, изложена на 210 страницах, включая 59 рисунков и 14 таблиц.

Список литературы

содержит 119 отечественных и за-рубежых авторов.

Общие выводы.

1, На основе анализа конструктивных особенностей ткацкого станка типа СТБ и характера взаимодействия трущихся пар исследована возможность и целесообразность создания обращенных подшипниковых пар в наиболее изнашиваемых узлах трения скольжения. Предложено нанесение антифрикционных бронзовых материалов на поверхность оси двуплечего рычага кулачкового зевообразовательного механизма и замена подшипников скольжения из бронзы на стальные с целью повышения износостойкости сопряженных деталей,.

2, Результаты проведенных расчетов на статическую прочность детали с металлопокрытием с учетом реальных эксплуатационных нагрузок и напряжений дают основание утверждать, что проведенные мероприятия по нанесению износостойких покрытий не снижают работоспособность оси с покрытием, таким образом, эффективность применения ГТН можно считать обоснованной,.

3, На основании проведенного литературного обзора установлено, что наиболее эффективными способами упрочнения и восстановления поверхности деталей машин являются газотермические методы наг пыления покрытий. Однако однозначных решений по многим вопросам обработки покрытий пока не имеется. Обычно рекомендуемое в качестве окончательной обработки шлифование, протекает со значительными трудностями и характеризуется большим разбросом по показателям качества поверхности, в особенности, при обработке мягких и вязких матетиалов,.

4, Установлено, что наиболее эффективным и перспективным способом окончательной обработки ГШ является обработка поверхностным пластическим деформированием. Как выяснилось, отсутствие рекомендаций по выбору основных параметров процесса ППД, а также недостаточный объем исследований, направленных на выявление закономерностей формирования показателей качества поверхности при обработке роликовым инструментом сдерживает применение данного вида обработки в качестве окончательной операции,.

5, Проведены испытания по вдавливанию шарового индентора в поверхность покрытия, в результате которых построены диаграммы твердости и истинных напряжений в зависимости от степени деформации, возникающей в лунке при вдавливании шара. По приведенным диаграммам определены предел текучести и предел прочности материалов покрытий,.

6, Для исследования напряженного состояния материала покрытия при сглаживающей обработке ППД рассматриваются поэтапно две стадии деформирования микронеровностей: на первой стадии неровность моделируется в виде равнобедренного треугольного клинана второй — поверхность покрытия представлена в виде пластически деформируемого полупространства, В результате анализа выявлены силовые параметры каждой стадии деформирования для различных граничных условий: при идеальном контакте и максимальном трении, Для каждой из рассматриваемых стадий построены статически определимые и кинематически возможные поля линий скольжения, по которым определены нижние и верхние значения удельных усилий деформирования, а по эпюре распределения последних вычислены средние контактные давления,.

7, Проведено исследование деформированного состояния материала покрытия, в результате которого определены полная глубина внедрения деформирующего инструмента в покрытие с учетом упругой составляющей, а также степень деформации неровностей, с помощью которой учитывается деформационное упрочнение материала покрытия в процессе обработки ПЦД .

8, В результате исследований механической обработки лезвийным инструментом бронзовых покрытий установлено, что существенным препятствием на пути достижения минимальной шероховатости поверхности является пористость покрытий, а также процесс бокового смятия, возникающий по причине появления канавки износа на вспомогательной задней грани резца. При обработке покрытия из кремниевомарганцовистой бронзы выявлены наплывы, задиры, вызывающие ухудшение шероховатости поверхности. Предложено применение для чистовой обработки данного покрытия резцов со вставками из ЛОПК, позволяющих получить шеховатость поверхности в пределах На = 0,54 -0,63 мкм и точность размеров, соответствующую седьмому квалитету.

9″ При проведений экспериментальных исследований по сглаживающей обработке 1ШД бронзовых покрытий применялись методы математического планирования экспериментов, реализация которых позволила определить влияние основных технологических параметров на показатели качества поверхности покрытия,.

10, На основе обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, описывающие влияние факторов Р, 3, Нпр на шероховатость и упрочнение поверхности покрытий из бронзовых материалов, Оптимизацией уравнений регрессии найдены рациональные режимы обработки 1ВД роликовым инструментом, как эффективного метода отделочной обработки металлопокрытий, В результате обкатки бочкообразными роликами шероховатость поверхности составила Ва = 0,2 мкм, а упрочнение Н = 40 — 44%.

11, С помощью металлографических исследований выявлена и проанализирована микроструктура покрытий до и после обработки.

ППД. Установлено, что в результате воздействия деформирующего инструмента поверхностный слой приобретает мелкозернистую структуру и отличается меньшей пористостью, чем и обусловливается упрочнение материала покрытия. Глубина наклепанного слоя составляет 0,3 — 0,35 мм.

12, Исследования по износостойкости покрытий показали, что напыление бронзовых материалов с последующей обработкой ППД способствует повышению износостойкости поверхности по сравнению с однородными бронзовыми материалами и покрытиями, обработанными тонким обтачиванием.