Разработка технологических методов оптимизации микрогеометрии функциональных поверхностей деталей приборов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.14, кандидат технических наук Андреев, Юрий Сергеевич

• Андреев, Юрий Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Андреев, Юрий Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ.

1 Л. Микрогеометрия и функциональные свойства поверхности.

1ЛЛ. Площадь контакта сопрягаемых поверхностей.

1Л.2. Электрическая проводимость и теплопроводность.

1Л.З. Жесткость соединения контактирующих поверхностей.

1Л.4. Характеристики трения контактирующих поверхностей.

1Л.5. Микрогеометрия поверхности со смазкой.

1.2. Методы оценки микрогеометрии поверхности.

1.2.1. Полное параметрическое описание геометрии профилей.

1.2.2. Описание нормально распределенных случайных профилей.

1.2.2.1. Модель Наяка.

1.2.2.2. Автокорреляционная модель.

1.2.2.3. Упрощенная классическая модель.

1.3 Непараметрические критерии оценки микрогеометрии поверхности и их технологическое обеспечение.

1.4. Выводы.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛИЯНИЯ МИКРОГЕОМЕТРИИ НА ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ДЕТАЛЕЙ ПРИБОРОВ И МАШИН.

2.1. Методика практического использования непараметрических критериев.

2.2. Обоснование целесообразности внедрения методики оценки и контроля микрогеометрии функциональных поверхностей деталей приборов и машин.

2.3. Выводы.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ МИКРОГЕОМЕТРИИ

ПОВЕРХНОСТЕЙ В ПРОЦЕССЕ ИХ ТРЕНИЯ-СКОЛЬЖЕНИЯ.

ЗЛ Оборудование и программное обеспечение для контроля микрогеометрии поверхности.

3.2 Экспериментальные исследование изменения микрогеометрии поверхностей трения-скольжения.

3.3. Выводы.

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ МИКРОГЕОМЕТРИИ ПОВЕРХНОСТИ НА ЕЕ

АДГЕЗИОННЫЕ СВОЙСТВА В ДЕТАЛЯХ ПРИБОРОВ И МАШИН.

4.1. Роль смазки в узлах трения приборов и машин.

4.2. Конструкция прибора «адгезиметр универсальный».

4.3. Экспериментальные исследования влияния микрогеометрии поверхности на возможность удержания смазки.

4.4. Технологическое обеспечение регулярности микрорельефа.

4.5. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технологических методов оптимизации микрогеометрии функциональных поверхностей деталей приборов»

ВВЕДЕНИЕ

В приборо- и машиностроении качество продукции всегда было наиболее актуальным вопросом ввиду роли этих отраслей в промышленном хозяйстве развитых государств. Качество и в первую очередь надёжность 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 очень 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 изделий, 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 изделия в несколько раз превышают его стоимость. Создание приборов и машин, не требующих капитальных ремонтов, позволяет сэкономить огромное количество финансовых средств, трудовых ресурсов, материалов. Актуальность проблемы оптимизации микрогеометрии поверхностей объясняется ещё 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 наиболее оптимальной 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 использование параметрического описания профиля. В настоящее время наиболее часто используемый критерий Яа 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 25 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.

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 приборов.

Не менее важным условием долговечной и безопасной эксплуатации пар трения является использование качественных консистентных и пластичных смазочных материалов, однако возникает проблема обеспечения постоянного присутствия 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.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования являются детали приборов и машин с решающими функциональными свойствами.

непараметрических критериев оценки и контроля микрогеометрии поверхностей.

Для выполнения поставленной цели в диссертационной работе потребовалось решить следующие основные задачи:

■ 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 полученных в работе результатов

■ 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 работы

■ 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 9 печатных работ в виде научных статей и тезисов докладов, 3 из которых опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 63 наименований. Работа содержит 101 страницу машинописного текста, 47 рисунков, 12 таблиц.

В первой главе диссертации проведён анализ влияния микрогеометрии поверхности на функциональные свойства деталей приборов и машин, рассмотрены современные способы параметрического описания геометрии профиля.

Во второй главе диссертации описывается и обосновывается целесообразность внедрения методики определения влияния микрогеометрии поверхности на функциональные свойства деталей приборов и машин, основанная на использовании графиков различных функций.

В третьей главе диссертации рассматриваются изменения шероховатости поверхностей в процессе их трения-скольжения.

В четвертой главе диссертации приводятся практические результаты работы и описание реализации разработанной методики на примере изучения адгезионных свойств поверхностей деталей приборов и машин.

Заключение диссертации по теме «Технология приборостроения», Андреев, Юрий Сергеевич

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 непараметрическом описании геометрии профиля поверхностей.

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 ее адгезионные свойства.

4. Предложены варианты технологических методов обеспечения найденной рациональной шероховатости функциональных поверхностей деталей приборов и машин.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Андреев, Юрий Сергеевич, 2012 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Крагельский И.В. Влияние шероховатости поверхности на трение (при отсутствии смазки), М.: Изд-во АН СССР, 1946, 26 с.

2. Крагельский И.В. Влияние различных параметров на величину коэффициента трения несмазанных поверхностей. - "Журнал технической физики", 1943. Вып. 3, т. XIII. с. 726-762

3. Маталин A.A. Шероховатость поверхности деталей в приборостроении-М.: Машгиз, 1949, 191 с.

4. Маталин A.A. Качество поверхности и эксплуатационные свойства деталей машин М.-Л.: Машгиз, 1956, 262 с.

5. Демкин Н.Б. Фактическая площадь касания твердых поверхностей. М., Изд-во АН СССР, 1962. 112 с.

6. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М., "Наука", 1970. 227 с.

7. Рыжов Э.В. Технологическое управление геометрическими параметрами контактирующих поверхностей. - В кн.: Расчетные методы оценки трения и износа. Брянск, Приокское книжное издательство. Брянское отделение, 1975. с. 98-138.

8. Рыжов Э.В. Контактная жесткость деталей машин. М., "Машиностроение", 1966. 193 с.

9. Комбалов B.C. Влияние шероховатости твердых тел на трение и износ М., "Наука", 1974 с. 112.

10. Рудзит Я.А. Расчет средних значений главных радиусов кривизны вершин микронеровностей. В кн.: Приборостроение, вып. 3. Рига, Рижск. политехи, ин-т. 1968. с. 38-45

11. Рудзит Я. А. Микрогеометрия и контактное взаимодействие поверхностей. Рига, "Зинатне", 1975. 2010 с.

12. Greenwood J. A., Williamson J.B .P. Contact of Nominally Flat Surfaces. Proc. Roy. Soc. Ser. A, vol. 295, N 1442, 1966, p. 300.

13. Whitehouse D.J., Archard J.F. The Properties of Random Surfaces of Signifficance in Their Contact. Proc. Roy. Soc. Ser. A, vol. 316, N 1524, 1970, p. 97-121

14. Onious R.A., Archard J.F. The Contact of Surfaces Having a Random Structure. J. Physics, Ser. D. vol. 6, N 3,1973, p. 289.

15. Waletov W., Staufert G. Beobachtungen beim Rauheitmessen. - Techniche Rundschau, 1980, N 50/51, s. 16.

16. Cooper M.G., Micic B.B., Yovanovich M.M. Thermal Contact Vonductance.

- Int. J. Heat Transfer, 1969, Vol. 12, p. 279-300

17. Sayles R.S., Thomas T.R. Thermal Conductance of a Rough Elastic Contact.

- Applied Energy, 1976, N 2, p. 249-267.

18. Eisakado Т., Tsukizoe T. Effects of Distribution of Surfase Slopes and Flow Pressure of Contact Asperities on Contact between solid Surfaces. - Wear, 1974, N30, p. 213-227.

19. Fujiwara K. A Method of Observing the Area of Contact and the Mechanical Breakdown of Surface Films. - Wear, 1978, N 50, p. 275-284.

20. Рыжов Э.В., Суслов А.Г., Федоров B.JI. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин. М., "Машиностроение", 1979. 176 с.

21. Ящерицин П.И., Рыжов Э.В., Аверченков В.И. Технологическая наследственность в машиностроении. Минск: Наука и техника, 1977. 256 с.

22. Thornely R.H., Connoly R., Barash M.M. The Effect of Surface Topography upon the Static Stiffness of Machine Tool Joints. - Int. J. Mach. Tool Des. Res., 1965, Vol. 5, p. 57-74.

23. Pal D.K., Basu S.K. Surface Preparation of Machine Tool Slideways and its Influence on the Contact Stiffness. - Tribology, Oct. 1973, p. 172-177.

24. Nuri K.A. Hailing J. The Effect of the Size of the Nominal Area on the Contact Behaviour of Surfaces. - Wear, 1976, N 37, p. 77-86.

25. Sayles R.S., Thomas T.R. Stiffnese of Machine Tool Joints: A Random Process Approach. - J.Eng.Ind., Trans. ASME, Feb. 1977, p. 250-256.

26. Nayak P.R. Random process model of rough surfaces G. Lubr. Tech., Trans. ASME, July 1971, p.398-407.

27. Nuri K.A. Hailing J. The Hormonal Approach between Rough Flat Surfaces in Contact. - Wear, 1975, N 32, p. 81-93.

28. Маталин А. А. Технология механической обработки. JI.: Машиностроение. 1977. 464 с.

29. Харач Г.М. Элементы расчета деталей машин на изнашивание. - В кн.: Износостойкость. М.: Наука, 1975, с. 91-95.

30. Makhoul J. Liner Prediction: A Tutorial Review-Proc. Of the IEEE: Apr. 1975, p. 561-580.

31. Kahng C.H., Rajurkar K.P. Surface Characteristics Behaviour Due to Rough and Fine Cutting in EDM. - Annals of the CIRP, 1977, Vol. 25Л, p.77-82.

32. Chow P.L., Saibel E.A. On the Roughness Effect in Hedrodynamic Lubrication. - J.Lubr. Techn., Trans. ASME, 1978, Vol. 100, p. 176-180.

33. Christensen H. Some Aspects of the Functional Influence of Surface Roughness in Lubrication. - Wear, 1971, N 17, p. 149-162.

34. Dawson P.H. The Effect of Metallic Contact on the Pitting of Lubricated Rolling Surfaces. - J. Mech. Eng. Sci., 1962, N 4, p. 16-21.

35. Surathar P.I., Pandit S.M., Wu S.M. A Stochastic Approach to the Mode of Deformation and Contact between Rough Surfaces. - Wear, 1976, N 45, p. 239-250.

36. Bayer R.G. The Influence of Lubrication Rate on Wear Behaviour. - Wear, 1975, N 35, p. 144-152

37. Czichos. Influence of Asperity Contact Conditions on the Pailure of Sliding Elastohydrodynamic Contacts. - Wear, 1977, N 41, p. 1-14.

38. MacFarlane J.S., Tabor D. - In: Proc.Roy.Soc. London: 1950, Ser. A, N 202, p.244.

39. Potter R.W. Compilation of Time Windows and Line Shapes for Fowrier Analysis: Hewlett-Packard Publication 02-5952-0705/12-71

40. Georges J.M., Lamy B. Correlation between Transition Load in Boundary Lubrication and Radius of Curvature of Surface Asperities. - Annals of the CIRP, 1975, Vol. 24/1, p. 509-512.

41. Phillipps M.R., Quinn T.F. The Effect of Surface Roughness and Lubricant Film Thickness on the Contact Fatique Life. - Wear, 1978, N 51, p. 11-24.

42. Андреев Ю.С., Валетов B.A. Анализ параметрических методов описания шероховатости поверхности // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. - Орел, 2011, №6, с. 43-51.

43. Thomas T.R., Sayles R.S. Random process analysis of the effect of waviness of thermal contact resistance Thermophysics a. heat transfer Conf., Boston, MA: AIAA/ASME, July 1974, p. 74-691

44. Whitehouse D.J. Beta-flinctions for surface typologie Annals of SIRP, 1978, Vol. 27/1, p.491.

45. Liu J.Y., Tallian Т.Е., McCool J.F. Dependence of bearing fatique life of film thickness to surface ratio. - ASLE Trans.

46. Валетов B.A. О практической пригодности некоторых критериев для оценки шероховатости поверхности. В кн.: Технология корпусостроения, судового машиностроения и сварки в судостроении. Л.: ЛКИ, 1978, с. 62-65.

47. Waletow W., Staufert G. Modeme Methoden der Oberflascnebforchung Technishe Rundschau, 1981, #10, s. 5-7.

48. Мусалимов B.M., Валетов B.A. Динамика фрикционного взаимодействия - СПб: СПбГУ ИТМО, 2006, 191 с.

49. Комбалов, B.C. Влияние шероховатости твердых тел на трение и износ -М.: Наука, 1974.-112 с.

50. Костецкий Б.И., Колисниченко Н.Ф. Качество поверхности и трение в машинах - Киев: TEXHiKA, 1969. - 214 с.

51. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977.-344 с.

52. Суслов, А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин - М.: Машиностроение, 2000. - 320 с.

53. Трибология: международная энциклопедия. Т II. Машины, стенды и устройства для трибоиспытаний, включая английские слова и выражения. /Ред. д-р техн. нук, профессор, академика Санкт-Петербургской Инженерной академии К.Н. Войнов/ Краснодар, «АНИМА», 2011, ISBN 978-5-9902064-2-8. - 256 с.

54. Андреев Ю.С., Медунецкий В.В. Исследование изменения микрорельефа поверхностей в процессе их трения - скольжения // Известия вузов. «Приборостроение», № 3, СПб., 2012, с. 159-164.

55. 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.

56. Андреев Ю.С., Валетов В.А. Определение оптимальной микрогеометрии 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.

57. Валетов В.А., Андреев Ю.С., Цимбал И.Р. Исследование микрогеометрии трущихся поверхностей // Трибология и надежность №10: Сборник научных трудов X Международной конференции. - СПб.: Петербургский государственный университет путей сообщения, 2010, с. 85-92.

докладов конференции молодых ученых, Выпуск 3. Труды молодых ученых/ СПб.: СПбГУ ИТМО, 2010, с. 116-117.

59. Мусалимов В.М., Дик O.E., Тюрин А.Е. Параметры действия энергетического спектра вейвлет-преобразований. Журнал «Известия ВУЗов». Приборостроение, 2009, Т. 52, №5, с. 10-15.

60. Войнов К.Н., Самойлова Е.В. Прибор для контроля вязкостных и адгезионных свойств смазочных материалов. //Материалы 10-ой международной научно-практической конференции «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки», ч. 1, апрель 2008, изд-во политехнического университета, СПб, 342 - 346 с.

61. Неумоина Н. Г., Белов А. В. Тепловые процессы в технологической системе резания: Учеб. пособие / ВолгГТУ, Волгоград, 2006. - 84 с.

62. Вейко В.П. Опорный конспект лекций по курсу "Физико-технические основы лазерных технологий". Раздел - технологические лазеры и лазерное излучение. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2005 - 50 с.

63. Вейко В.П, Шахно Е.А. Сборник задач по лазерным технологиям. -СПб: СПб ГУ ИТМО, 2007. - 67 с.