05.02.08 "Технологія машинобудування"

Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/20278

Переглянути

Результати пошуку

Зараз показуємо 1 - 10 з 10

Технологічне забезпечення зносостійкості деталей машин методами хіміко-термічної та алмазно-абразивної обробок
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Шевченко, Світлана Михайлівна
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 – технологія машинобудування. Об’єкт дослідження: технологічні процеси комплексного іонного азотування та електро-ерозійного алмазного шліфування сталевих заготовок. Предмет дослідження: вплив параметрів технологічних процесів комплексного іонного азотування, алмазного шліфування (АШ) та електро-ерозійного алмазного шліфування на геометричні та фізико-механічні характеристики поверхневих шарів сталевих заготовок. Метою дослідження є підвищення зносостійкості деталей машин шляхом обробки комплексним іонним азотуванням (КІА) та зміцнюючим електро-ерозійним алмазним шліфуванням (ЕАШ). Для досягнення визначеної мети необхідно вирішити такі задачі: 1. Проаналізувати сучасні тенденції застосування зміцнюючих технологій обробки деталей машин й інструментів для визначення перспектив використання КІА та ЕАШ. 2. Провести моделювання дифузійного перерозподілу азоту в сталевих деталях при їх ізотермічному нагріві після операції іонного азотування в рамках комплексної технології та визначити залежність енергетичного впливу на формування зміцнюючого шару для абразивного та електро-ерозійного алмазного шліфування. 3. Встановити вплив послідовності технологічних оперцій КІА на структуру та властивості поверхневих і приповерхневих шарів сталевих заготовок та проаналізувати можливість застосування КІА для деталей машин й інструментів різних за призначенням. 4. Вивчити вплив режимів ЕАШ на параметри якості ПШ сталевих заготовок, виявити особливості сформованих в результаті шліфування структури “білих шарів” (БШ) та визначити раціональні режимні параметри зміцнюючого ЕАШ ПШ деталей зі сталей, що відрізняються за хімічним складом. 5. Оцінити зносостійкість поверхні після ЕАШ в порівнянні з АШ і ЕАШ з включенням етапу виходження. 6. На основі отриманих результатів дати технологічні рекомендації та намітити шляхи їх впровадження у виробничу практику по застосуванню методів КІА та ЕАШ для підвищення ресурсу деталей й інструментів. У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, задачі, об’єкт, предмет і методи дослідження, наведено наукову новізну і практичне значення результатів дисертації, подано дані про апробацію роботи, публікації і особистий внесок здобувача в ході виконання досліджень. У першому розділі виконано аналіз і дана класифікація сучасних обробно-зміцнюючих методів обробки сталевих деталей. Показано, що не існує універсального методу зміцнення деталей, здатного посилити ту чи іншу експлуатаційну властивість. Проведений аналіз підтвердив положення про те, що конкретні умови єксплуатації деталей понукають застосування різніх зміцнюючих методів і технологій, а також соорієнтував сформулювати основні задачі дисертаційного дослідження. У другому розділі сформульовано теоретичні передумови технологій зміцнення КІА та ЕАШ. Запропоновано оцінювати можливість формування зміцненого шару, що отримується при виконанні технологічного процесу з урахуванням енергетичного впливу на заготовку, для цього виконано аналіз технологічного маршруту обробки шпинделя зубошліфувального верстату з побудовою діаграм температурного і силового впливу з урахуванням тимчасового чинника. У результаті моделювання процесу дифузії азоту в деталях з легованої сталі, отримали значення глибини проникнення азоту в ПШ, з урахуванням часу витримки заготовки в печі при температурі гартування. Отримані формули енергетичного коефіцієнту, який обумовлює виникнення БШ при ЕАШ і абразивному шліфуванні. З урахуванням енергетичного коефіцієнту, отримано формулу для визначення глибини зміцненого шару, ця залежність враховує температурний, силовий і тимчасовий фактори в зоні різання. Запропоновано після зміцненого шліфування при виникненні тріщин проводити остаточну обробку за проходами з урахуванням глибини тріщин, які утворилися після кожного проходу; визначено загальний припуск на обробку; для усунення дефектів, що виникають після ЕАШ, отримана залежність, яка дає можливість визначити тривалість виходження в залежності від розмірів дефекта (глибини лунки), що утворюється після ЕАШ. Третій розділ присвячений методиці експериментальних досліджень впливу технологий КІА та ЕАШ на структуру і властивості поверхонь сталевих заготовок. Було приведено параметри, зміст, послідовність технологічних операцій комплексного іонного азотування та режими електро-ерозійного алмазного шліфування. Наведено методики для вивчення мікро- і макроструктури, мікротвердості, залишкових макро- и мікронапруг, характеристик субструктури, фазового аналізу, шорсткості, зносу. У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень фізичних процесів, що відбуваються в ПШ металу при КІА та ЕАШ. Вивчено вплив послідовності технологічних операцій технології КІА на мікроструктуру, мікротвердість і фазовий склад сталевих заготовок. Вивчено вплив режимів АШ та ЕАШ на параметри якості поверхневого шару сталевих заготовок. У п'ятому розділі дано практичні рекомендації щодо застосування технологій КІА та ЕАШ. Запропоновано використання КІА за одинарним і подвійним циклом для забезпечення експлуатаційних властивостей (зносостійкості) виробів в залежності від їх розмірів. Проаналізовано технологічні особливості ЕАШ як комбінованого обробно-зміцнюючого методу. Визначено область практичного застосування деталей, оброблених методом ЕАШ. Призначено схему для вибору технологічних параметрів обробно-зміцнюючої технології ЕАШ. Приведено дані, що стосуються економічного обґрунтування та виробничого впровадження. Відповідно до поставленої мети та задач у дисертаційній роботі вирішена важлива науково-практична задача: підвищення зносостійкості деталей машин шляхом обробки комплексним іонним азотуванням (КІА) та зміцнюючим електро-ерозійним алмазним шліфуванням (ЕАШ), що знайшло відображення у наступних основних наукових результатах: 1. У результаті аналізу сучасних тенденцій застосування зміцнюючих технологій встановлено, що КІА та ЕАШ можуть бути використані як перспективні зміцнюючі методи для підвищення ресурсу деталей, що працюють в умовах ударних навантажень і зносу. 2. У результаті моделювання дифузійного перерозподілу азоту встановлено, що при будь-якому часі витримки у приповерхневих шарах глибиною до 25 % від досягнутої товщини дифузійного насичення спостерігається не менш півтора кратне перевищення вмісту азоту в порівнянні з його значеннями в ПШ. При невеликому часі витримки під гартування маємо небажаний ефект, який повинен ураховуватися фінішною механічною обробкою. За даними моделювання, для дифузії азоту на глибину до 750 мкм потрібно майже часове витримування при температурі гартування. Визначена функціональна залежність енергетичного впливу (енергетичного коефіцієнту), який обумовлює виникнення БШ при електро-ерозійному алмазному і абразивному шліфуванні з урахуванням технологічних параметрів обробки та властивостей матеріалу. 3. Технологічний процес КІА з послідовностю технологічних операцій: азотування з наступною нормалізацією та азотуванням, наступного гартування з низьким відпуском – показали майже однаковий результат за рівнем зміцнення на деталях малих діаметрів (пуансонів d = 2 мм). При збільшенні діаметру деталей до 4 мм різниця рівня зміцнення між нормалізацією і гартуванням з відпуском після іонного азотування значно зросла. Наявність у мікроструктурі ПШ заготовок зі сталі 9ХС після комплексного іонного азотування зі застосуванням гартування та відпуску γ–фази, разом зі значеннями твердості, свідчить про глибинне азотування з досить високою концентрацією азоту – до 1%, що є достатнім для високих експлуатаційних властивостей пуансонів, а саме: високу ударну в’язкість при достатньо високій твердості. Встановлено, що найбільший ефект від застосування КІА спостерігається для деталей, які працюють в умовах ударних навантажень (пуансонів). 4. Досліджено режими процесу ЕАШ, що можна використовувати для зміцнення ПШ. Встановлено умови, коли на поверхні заготовки утворюється структура БШ, що являє собою безструктурний мартенсит (гарденіт). ЕАШ забезпечує стабільність формування зміцненого зносостійкого шару; при цьому: твердість ПШ заготівок зі сталі У7 зростає до 47% щодо твердості серцевини. Твердість і глибина БШ залежить від вмісту вуглецю в сталях: чим більше вміст вуглецю, тим твердіше шари утворюються. Вміст вуглецю, близький до евтеїдного складу, (0,65-0,8 %), є оптимальним для ЕАШ-обробки. Доведено, що режим ЕАШ №1 (Vкр = 35 м/с; Sпр = 1600 мм/хв; t = 0,07 мм; Vз =10 м/хв; z = 0,2-0,5 мм; U = 36 В; I = 80-100 А) забезпечує стискаючі залишкові напруги після ЕАШ і його можна рекомендувати як обробно-зміцнюючу технологію для заготівок із доевтектоїдних і евтектоїдних сталей. Для заготовок із заевтектоїдних сталей, що містять більше 1% вуглецю, рекомендовано режим ЕАШ №2 (Vкр = 35 м/с; Sпр = 1300 мм/хв; t = 0,035 мм; Vз =20 м/хв; z = 0,2-0,5 мм; U = 36 В; I = 20-40 А), що забезпечує стискаючі напруги і високий рівень зміцнення. Оцінено розміри областей когерентного розсіювання (ОКР) L і рівень мікродеформації ε. Встановлено, що ЕАШ за всіма дослідженими режимами зменшує розміри ОКР, в порівнянні з вихідним станом, після гартування і низького відпуску, і встановлено, що структура стає більш дисперсною. ЕАШ №1 (Vкр = 35 м/с; Sпр = 1600 мм/хв; t = 0,07 мм; Vз =10 м/хв; z = 0,2-0,5 мм; U = 36 В; I = 80-100 А) забезпечує найменший розмір ОКР і найбільший рівень мікродеформації. На підставі порівняння ступеня зміцнення різних вихідних структур заготовок зі сталей У7 і 40Х для ефективного ЕАШ-зміцнення рекомендується застосовувати наступні вихідні структури: для заготовок з середньовуглецевих і високовуглецевих доевтектоїдних сталей: мартенсит відпуску, тростит відпуску і сорбіт відпуску. Для заготовок зі сталей, близьких до евтектоїдних за будовою (У7, У8, 65Г та ін.), рекомендуються вихідні структури: мартенсит відпуску, тростит відпуску, сорбіт відпуску, структури після відпалу (нормалізації). 5. Оцінка зносостійкості поверхні після ЕАШ у порівнянні з алмазним шліфуванням показала, що включення в цикл обробки ЕАШ етапу виходження, значно покращує показники шорсткості (на 40%), отже, і зносостійкості. Виходження рекомендовано проводити з урахуванням глибини зміцненого БШ. Припуск на виходження – 20-30 мкм. Отримано залежності значення знімання при виходженні від глибини ерозійної лунки. 6. На основі отриманих результатів пропоновано технологічні рекомендації для підвищення ресурсу деталей та інструментів в технології КІА, що базуються у необхідності враховувати розміри деталей. Для деталей з розміром поперечного перерізу більше ніж 2 мм рекомендовано КІА з гартуванням і низьким відпуском після азотування. Для пуансонів з розміром поперечного перерізу більше ніж 5 мм для забезпечення високих експлуатаційних властивостей (зносостійкості, ударної в’язкості) рекомендовано технологію КІА за подвійним циклом. Наукова новизна отриманих результатів полягає в підтвердженні можливості створення оптимальних технологічних умов зміцнення поверхні деталей і інструментів на етапах технологічного процесу обробки комплексним іонним азотуванням за рахунок глибинного легування азотом та електро- ерозійним алмазним шліфуванням за рахунок формування безструктурного мартенситу ‒ гарденіту. При цьому вперше: ‒ для шліфування отримані залежності, які визначають характер енергетичного впливу, що сприяє утворенню зміцненого БШ, і враховують деформаційний фактор в зоні різання; ‒ запропоновано раціональну структуру технологічного процесу КІА, що забезпечує зміцнення деталей й інструментів, які працюють в умовах зносу і ударних навантажень, що дає змогу збільшити ресурс деталей; ‒ визначено вплив вихідного структурного стану, концентрації вуглецю і його розподіл по глибині БШ при зміцнюючому ЕАШ на мікротвердість, ступінь зміцнення, характеристики субструктури і розміри поверхневих ерозійних дефектів, що дало змогу керувати процесом зміцнення ПШ деталей; отримав подальший розвиток: – аналіз закономірностей формування структури ПШ, факторів її стабільності і визначаючих виникаючого після КІА дефектного шару, який усувається методами механічної обробки. Практичне значення отриманих результатів: експеріментально вивчено вплив послідовності технологічних операцій КІА на морфологію структури і рівні твердості сталевих виробів, що стало основою запропонованого технологічного процесу з визначеними в дослідженні режимами і припусками. Отримано патент на корисну модель «Спосіб хіміко-термічної обробки сталевих виробів» (№ 117008 Україна, МПКС23С 14/32, С21D 1/06). Експериментально доведено можливість використання методу ЕАШ для забезпечення високої твердості і зносостійкості ПШ з одночасним формуванням в деталях необхідної геометричної форми, розмірів і шорсткості. Розроблено практичні рекомендації щодо оптимізації структури в процесі ЕАШ для доевтектоїдних і заевтектоідних сталей. Розроблено технологічну схему зміцнення для прогнозування характеристик БШ (твердості, глибини) для сталей, що відрізняються вмістом вуглецю шляхом варіювання параметрами ЕАШ. Рекомендовано оптимальна область застосування методу електро-ерозійного алмазного зміцнення: для прецизійних деталей, що працюють на тертя при відсутності динамічних навантажень.
Забезпечення динамічної якості технологічної обробної системи при точінні
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Данильченко, Марія Андріївна
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 – Технологія машинобудування. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2021. В дисертаційній роботі вирішена важлива науково-практична задача підвищення якості токарного оброблення шляхом удосконалення технології прогнозування і гасіння регенеративних коливань. Ця технологія базується на використанні результатів моделювання динамічної взаємодії ТОС з процесом різання з урахуванням обробки за слідом. На відміну від попередніх досліджень методів і засобів гасіння регенеративних коливань, для опису взаємодії пружної ТОС з процесом різання запропоновано застосувати модель відносних коливань інструмента в 3D просторі. В моделі враховано вплив природних зворотних зв'язків між пружною ТОС і процесом різання на зміну глибини, подачі і швидкості різання. Вперше вплив оброблення за слідом введено в модель за двома напрямками - глибиною різання і подачею, що дозволило отримати характеристики просторового руху інструмента відносно заготовки як функцію зміни припуску, безпосередньо пов’язану із керованими параметрами режимів різання. Для вибору форми представлення пружної ТОС, було проведене теоретичне і експериментальне дослідження впливу контактної взаємодії заготовки з інструментом при точінні на формування динамічних характеристик пружної ТОС із використанням динамічної моделі токарного верстата як складної механічної коливальної системи шпиндель-заготовка-супорт з урахуванням контактної взаємодії заготовки з інструментом і описом складових елементів розподіленими моделями. Результати дослідження довели адекватність представлення пружної ТОС в моделі динамічної взаємодії з процесом різання у вигляді одномасової системи із пружними і дисипативними характеристиками, визначеними експериментально. Порівняння результатів моделювання і експериментальних досліджень стосовно змінності значень частот власних коливань пружної ТОС при поздовжній подачі різця, відповідності спектральних характеристик профілограм оброблених поверхонь і вільних коливань елементів ТОС, а також суттєве зменшення шорсткості обробленої поверхні при застосуванні опції SSV на верстаті ST-30 фірми HAAS (USA) з теоретично визначеними параметрами амплітуди і періоду зміни частоти обертання шпинделя, свідчать про адекватність розроблених математичних моделей і ефективність їх застосування для визначення параметрів опції SSV на токарних верстатах з ЧПК.
Технологічне забезпечення ремонту великогабаритних деталей турбоагрегатів з використанням портативних верстатів агрегатно-модульної конструкції
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Іщенко, Михайло Григорович
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 – технологія машинобудування. Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2021. Дисертаційна робота є завершеною науково-дослідною роботою, яка спрямована на розв’язання важливої науково-прикладної задачі - забезпечення якості та зниження трудомісткості операцій механічної обробки при ремонті недемонтуємих деталей турбоагрегатів з використанням портативних мобільних металорізальних верстатів агрегатно-модульних конструкцій.Проаналізовано та виконано синтез компоновок і відпрацювання раціональних конструкцій уніфікованих вузлів і агрегатів портативних металорізальних верстатів для реалізації проектів модернізації турбоагрегатів в умовах ГЕС. Отримала подальший розвиток теорія компоновок технологічного металорізального обладнання на основі агрегатно-модульного принципу побудови портативних верстатів та опису їх конструкції структурними формулами. На основі аналізу підходів до статичного розрахунку шпиндельних вузлів запропонована розрахункова схема, математична модель і проведено статичний аналіз багатоопорного шпиндельного вала мобільного розточувального верстата. Розроблені рекомендації по реалізації операцій механічної обробки деталей гідроагрегатів з використанням портативних мобільних металорізальних верстатів агрегатно-модульних конструкцій. Результати досліджень впроваджені у практику ремонту та модернізації турбоагрегатів для ГЕС Дніпровського каскаду.
Основи забезпечення якості та зниження трудомісткості механічної обробки складнопрофільної формуючої оснастки для харчової промисловості
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Полянський, Володимир Іванович
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.08 – технологія машинобудування (13 – механічна інженерія). Національний технічний університет ''Харківський політехнічний інститут''. – Харків, 2021. Дисертацію присвячено вирішенню актуальної науково-прикладної проблеми теоретичного визначення й обґрунтування умов суттєвого підвищення якості, точності, продуктивності й зниження трудомісткості механічної обробки шляхом зниження її теплової й силової напруженостей та на цій основі розроблення ефективних технологічних процесів обробки складнопрофільної формуючої оснастки для харчової промисловості із застосуванням сучасних високообертових металорізальних верстатів із ЧПУ типу "обробний центр" та прогресивних різальних лезових твердосплавних і керамічних інструментів зі зносостійкими покриттями. Науковою новизною отриманих результатів є те, що вперше розроблено теоретичні підходи до визначення технологічних можливостей підвищення якості та зниження трудомісткості механічної обробки за рахунок зниження її теплової й силової напруженостей. Розроблено спрощені математичні моделі визначення температури різання при шліфуванні та лезовій обробці, які засновані на урахуванні балансу тепла, що виникає в зоні різання та надходить в поверхневий шар оброблюваної деталі, стружки, що утворюється, та охолоджувальну рідину. Вперше проведено узагальнення теоретичних рішень щодо визначення параметрів теплового процесу при механічній обробці із урахуванням досягнення кінцевого значення глибини проникнення тепла в поверхневий шар оброблюваної деталі. Встановлено основний напрямок зниження температури різання і підвищення якості та продуктивності обробки, який полягає в зниженні максимальної температури різання до рівня та нижче температури плавлення оброблюваного матеріалу. Це дозволяє досягти значного підвищення продуктивності обробки фактично без підвищення температури різання. Вперше запропоновано новий універсальний технологічний параметр механічної обробки – максимальну температуру різання, при досягненні якої все тепло, що виділяється при різанні, надходить в стружку, і яка визначається відношенням енергоємності обробки до добутку питомої теплоємності і щільності оброблюваного матеріалу. Це дозволяє порівнювати максимальну температуру різання із температурою плавлення оброблюваного матеріалу та в разі перевищення застосовувати технологічні прийоми її зниження для різних технологій механічної обробки. Встановлено, що зниження енергоємності обробки (умовного напруження різання) є основною умовою зниження максимальної температура різання та, відповідно, температури різання. Показано, що відмінність розрахункових і експериментальних значень температури різання при шліфуванні не перевищує 12%, що вказує на достовірність розробленої математичні моделі визначення температури різання. Розрахунками встановлено, що в реальних умовах шліфування відношення заданої і максимальної температур шліфування може змінюватися лише в межах 0 ... 0,4 в зв'язку із перевищенням максимальною температурою різання температури плавлення оброблюваного матеріалу внаслідок значного збільшення умовного напруження різання. При точінні це відношення може змінюватися в значно більших межах 0 ... 1. Тому максимальна температура різання при точінні буде менше, ніж при шліфуванні і може приймати значення, які менші температури плавлення оброблюваного матеріалу. Це розширює технологічні можливості точіння порівняно із шліфуванням. Вперше встановлено, що найбільш значного зниження температури різання при шліфуванні можна досягти при переривчастому шліфуванні в умовах рівності довжин робочого виступу і вирізу переривчастого круга та збільшення кількості робочих виступів круга. У цьому випадку температура різання може бути знижена більш ніж в 2 рази щодо температури різання при шліфуванні суцільним кругом. Однак максимальна температура різання при цьому приймає значення, які значно вищі температури плавлення оброблюваного матеріалу. Це обмежує технологічні можливості переривчастого шліфування порівняно із лезовою обробкою. Вперше розширено технологічні можливості математичної моделі визначення температури різання при лезовій обробці, яка заснована на урахуванні кількості виникаючих в зоні різання зсувних елементарних об'ємів оброблюваного матеріалу. Встановлено, що з їх збільшенням температура різання може збільшитися до 10 разів. Це можливо при шліфуванні в умовах безперервного контакту зв'язки шліфувального круга із оброблюваним матеріалом. При лезовій обробці кількість виникаючих в зоні різання зсувних елементарних об'ємів оброблюваного матеріалу незначна, що дозволяє знизити температуру різання та підвищити якість і продуктивність обробки. Встановлено, що розроблені в роботі математичні моделі визначення температури різання при механічній обробці позитивно відрізняються від відомих моделей, оскільки аналітично пов'язують всі основні параметри теплового процесу при різанні: температуру різання, максимальну температуру різання, глибину проникнення тепла в поверхневий шар оброблюваної деталі, градієнт температури, розподіл тепла, що надходить в оброблювану деталь, стружку і технологічне середовище. В результаті з'являється можливість із єдиних теоретичних позицій в узагальненому вигляді кількісно оцінити та порівняти температуру різання при шліфуванні й лезовій обробці. Вперше теоретично та експериментально обґрунтовано технологічні можливості суттєвого зниження максимальної температури різання та підвищення техніко-економічних показників механічної обробки на фінішних операціях шляхом переходу від шліфування до сучасних технологій високошвидкісного різання (точіння, розточування і фрезерування на сучасних високообертових металорізальних верстатах із ЧПУ типу ''обробний центр'' різальними твердосплавними і керамічними інструментами зі зносостійкими покриттями). Одержала подальший розвиток і поліпшення математична модель визначення параметрів силової напруженості при лезовій обробці (енергоємності та сили різання) із урахуванням уточнених значень умовного кута зсуву оброблюваного матеріалу. Показано, що у формуванні умовного кута зсуву оброблюваного матеріалу переважає радіальна складова сили різання, яка і призводить до його значного зменшення (в 1,5 разів) порівняно із розрахунковими значеннями, отриманими на основі відомих залежностей. Це дозволило обґрунтувати умови зниження енергоємності обробки і сили різання. Одержала подальший розвиток і поліпшення математична модель визначення пружних переміщень, що виникають в технологічній системі, та встановлено, що вони залежать, в першу чергу, від методу механічної обробки та його енергоємності. Тому основним шляхом підвищення точності та продуктивності обробки є застосування на фінішних операціях сучасних технологій високошвидкісної лезової обробки замість традиційних технологій шліфування та лезової обробки. На основі узагальнення аналітичного опису пружного переміщення при шліфуванні та лезовій обробці із урахуванням енергоємності проведено порівняння величин пружного переміщення для різних технологій механічної обробки, що дозволило вибрати найбільш ефективні варіанти високоточної та високопродуктивної фінішної обробки. Так, теоретично й експериментально обґрунтовано ефективність застосування технології високошвидкісного розточування отворів замість традиційної технології координатного внутрішнього шліфування із метою підвищення точності та продуктивності обробки. Це пов’язано, головним чином, із можливістю зменшення енергоємності обробки при високошвидкісному розточуванні отворів. В цьому випадку максимальна температура різання менше температури плавлення оброблюваного матеріалу. Тому з'являється можливість підвищення продуктивності обробки фактично без збільшення температури різання, оскільки вона незначно відрізняється від максимальної температури різання. При шліфуванні цього домогтися неможливо, оскільки максимальна температура різання завжди більше температури плавлення оброблюваного матеріалу. На цій основі створено методологію розроблення та впровадження у виробництво ефективних технологічних процесів лезової обробки із застосуванням сучасних високообертових металорізальних верстатів із ЧПУ типу ''обробний центр'' та різальних лезових твердосплавних і керамічних інструментів зі зносостійкими покриттями закордонного виробництва. Показано, що вони дозволяють до 10 разів і більше знизити енергоємність і підвищити продуктивність обробки при забезпеченні високих показників якості та точності оброблюваних поверхонь порівняно із шліфуванням. Це дозволило до 10 разів знизити трудомісткість обробки і до 200 разів розширити номенклатуру виробництва складнопрофільної формуючої оснастки для харчової промисловості в умовах дрібносерійного і штучного виробництва із забезпеченням її високої якості та конкурентоспроможності. Розроблено методики розрахунку раціональних структур і параметрів технологічних процесів механічної обробки складнопрофільної формуючої оснастки, що дозволило визначити раціональні режими різання та характеристики різальних інструментів, які забезпечують значне підвищення продуктивності обробки для заданих значень температури та сили різання. Розроблені технологічні процеси механічної обробки складнопрофільної формуючої оснастки для харчової промисловості впроваджено в основне виробництво ТОВ ''Імперія металів'' із економічним ефектом 3,86 млн гривен, що дозволило забезпечити виготовлення високоякісної складнопрофільної формуючої оснастки для підприємств харчової промисловості Міністерства аграрної політики та продовольства України.
Підвищення ефективності виготовлення деталей пружних муфт
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Думанчук, Михайло Юрійович
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 – технологія машинобудування (13 – механічна інженерія). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2021. Дисертацію присвячено вирішенню науково-практичної задачі захисту поверхонь деталей пружних муфт (ПМ) від фретингового зношування з метою підвищення довговічності виробу в цілому. У вступі обґрунтовано актуальність теми роботи. Визначено мету і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення якості поверхневих шарів деталей пружної муфти і їх елементів, шляхом спрямованого вибору найбільш перспективних технологічних методів їх формування з урахуванням існуючих аналогів, досвіду промисловості й рекомендацій у вітчизняній і закордонній літературі. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання: - розробити систему спрямованого вибору технології, що забезпечує необхідні параметри якості поверхневих шарів деталей ПМ; - провести аналіз існуючих вітчизняних і закордонних методів захисту деталей машин від зношування і на його підставі удосконалити методи підвищення якості поверхонь сполучення "півмуфта-вал", гнучких елементів і кріпильних деталей від фретинг-корозії (Ф-К); - провести аналіз напружено-деформованого стану гнучких елементів пружної муфти, з метою отримання їх геометричних та деформаційних параметрів осередку деформації; - розробити процедуру вибору раціональної технології забезпечення необхідних експлуатаційних властивостей робочих поверхонь деталей ПМ, що дозволяє створити мінімізований за критерієм собівартості з урахуванням екологічної безпечності технологічний процес нанесення функціональних покриттів. - провести розрахунки економічної ефективності розробленої технології підвищення довговічності ПМ і впровадити її у виробництво. Об'єкт дослідження – технологічні процеси формування захисних покрить поверхневих шарів стальних деталей машин від Ф-К. Предмет дослідження – закономірності утворення захисних покрить поверхневих шарів стальних деталей ПМ, які утворюють конструктивно різні трибоспряження, від Ф-К. У першому розділі виконаний аналіз проблем підвищення зносостійкості деталей ПМ. Наведено загальні відомості про пружні муфти, розглянуті їхні конструктивні особливості, галузі застосування, матеріали і види руйнувань. Розглянуто технологічні методи підвищення зносостійкості робочих поверхонь деталей ПМ. У другому розділі були розроблені система й критерії спрямованого вибору технології забезпечення необхідної якості поверхонь деталей ПМ шляхом аналізу і синтезу існуючих аналогів, досвіду промисловості та рекомендацій у вітчизняній і зарубіжній літературі. Показано, що термін експлуатації ПМ лімітується довговічністю пакета ГЕ, яка в свою чергу визначається фретингостійкістю (Ф-С) окремих пластин. Встановлено три стадії руйнування ГЕ. Створено математичну модель їх фретингового зносу. В третьому розділі виконано аналіз напружено-деформованого стану ГЕ пружної муфти. Проведено оцінку сили тиску між пластинами і відносні зміщення контактуючих точок при передачі муфтою навантаження, які є однією з причин Ф-К. Проведений аналіз напружено-деформованого стану пакету гнучких елементів дозволив визначити основні чинники, що впливають на контактний тиск між пластинами, величини енергетичних втрат на тертя та деформацію пакета. Встановлено, що основними чинниками, що зумовлюють знос пластин внаслідок тертя, є згинаючі сили, викликані неточністю з'єднуваних муфтою валів і поздовжньо-поперечним згином від колової сили. На підставі проведених досліджень сформульовані рекомендації щодо підвищення фретингостійкості ГЕ. У четвертому розділі приведені результати дослідження параметрів якості деталей ПМ. Досліджено вплив амплітуди й частоти деформації ГЕ, на Ф-К. Для підвищення стійкості ГЕ від Ф-К запропоновано новий спосіб. Його особливістю є те, що перед складанням на поверхні сполучених пластин наносять МММ, який складається з парафіну, порошків міді та дисульфіду молібдену. Встановлено, що найбільш раціональним процентним вмістом металоплакуючих присадок, є 5-25 вагових відсотків. З метою реалізації способу захисту пресового з'єднання від Ф-К, на контактуючі поверхні деталей сполучення "півмуфта-вал" запропоновано поетапне нанесення комбінованого електроіскрового покриття. Проведено дослідження впливу епіламування на фретингостійкість кріпильних деталей ПМ. У п'ятому розділі наведено дані про промислове впровадження результатів дослідження. Визначено вплив способів підвищення якості поверхонь деталей на механічні властивості їх матеріалів. Виконано розрахунки критеріїв рівняння зношування ГЕ пружної муфти при Ф-К. Отримані результати дозволяють прогнозувати їх довговічність в умовах промислової експлуатації. Запропонована процедура вибору раціональної технології забезпечення необхідних експлуатаційних властивостей робочих поверхонь деталей ПМ, що дозволяє створити мінімізований за критерієм собівартості технологічний процес нанесення функціональних покриттів. Розроблені технологічні методи підвищення якості поверхневих шарів деталей трибоспряжень ПМ позитивно відрізняються екологічною безпекою, низькою собівартістю, енергозбереженням, що лягли в основу створення нової технології. Наукова новизна одержаних результатів: 1. Вперше розроблена система цілеспрямованого вибору технології виготовлення ПМ роторних машин, що дозволяє формувати контактуючі поверхні деталей трибоспряжень: "вал-півмуфта", гнучких елементів і кріпильних деталей із заданими експлуатаційними властивостями. 2. Вперше запропонована фізично обґрунтована математична модель (рівняння зношування) процесу зношування ГЕ пружної муфти при Ф-К, що дозволяє по роботі тертя визначати зношування, виражене зміною шорсткості поверхні. 3. Одержала подальший розвиток методика визначення констант рівняння зношування при Ф-К поверхонь тертя ГЕ, які можуть служити критеріями для вибору раціональних технологій підвищення якості їх поверхневих шарів. 4. Вперше на підставі проведених досліджень напружено-деформованого стану гнучких елементів муфти типу МСК, вирішено задачу про їх поздовжньо-поперечний згин, а також дана порівняльна оцінка їх прогинів від поздовжньо-поперечного згину і сили, зумовленої неспіввісністю з'єднаних валів. Практичне значення отриманих результатів полягає у розробці технологій підвищення якості поверхневих шарів деталей пружних муфт і їх елементів, яка практично реалізована в виробництво з річним економічним ефектом 477 тис. грн.
Технологічне забезпечення якості виготовлення сложнопрофільних поверхонь турбінних лопаток з титанових сплавів
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2021) Іщенко, Григорій Іванович
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 – технологія машинобудування. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2021. Дисертація присвячена рішенню актуальної задачі забезпечення якості та зниження трудомісткості обробки сложнопрофільних поверхонь турбінних лопаток з титанових сплавів. На основі системного аналізу проблеми забезпечення якості виготовлення деталей з важкооброблюваних матеріалів в турбінобудуванні виконано вдосконалення існуючого базового технологічного процесу обробки лопаток з нержавіючої сталі і формування раціональної структури нового щодо обробки лопаток з титанових сплавів при забезпеченні якості та зниженні трудомісткості обробки. Відмова від фізичної моделі (еталонної деталі-копіра) на копіювально-фрезерних операціях базового техпроцесу з переходом до комп'ютерної моделі і обробці на верстатах з ЧПК нового техпроцесу дозволив істотно скоротити трудомісткість технологічної підготовки виробництва і забезпечити якість обробки. Для забезпечення сталості припуску, шо знімається, сложнопрофільних поверхонь робочої частини і його мінімізації впроваджено сучасні методи і засоби контрольних операцій. Із застосуванням методики багатофакторного планування експериментів проведено дослідження фінішної операції шліфування поверхонь турбінних лопаток з титанових сплавів, що дозволило розробити рекомендації щодо вибору оптимальних режимів різання. У процесі досліджень були надані рекомендації та виконано модернізацію технологічного обладнання. Все це дозволило знизити трудомісткість виготовлення лопатки на 30%, скоротити цикл виробництва комплекту (100 штук) для одного ряду турбіни в два рази.
Технологічне забезпечення експлуатаційних властивостей деталей машин із застосуванням комбінованих методів локального зміцнення поверхонь
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2020) Ідан, Алаа Фаділ Ідан
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.02.08 – технологія машинобудування (13 – механічна інженерія). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2019. Дисертацію присвячено вирішенню науково-практичної задачі поверхневого локального зміцнення деталей для значного підвищення довговічності виробів в цілому. Метою дисертаційної роботи є дослідження і створення технологічного забезпечення експлуатаційних властивостей деталей машин із застосуванням комбінованих методів локального зміцнення. Як об'єкт дослідження було обрано технологічні процеси формування локальних зміцнених поверхневих шарів деталей машин з вуглецевих і легованих сталей. Предметом цього дослідження стали закономірності утворення зміцнених шарів, технології ефективної комбінованої лазерної та хіміко-термічної обробки. Для комплексного вирішення завдань у межах цієї роботи було використано системний підхід та раціональне поєднання теоретичних і експериментальних досліджень, узагальнення та аналізу відомих наукових результатів. Експериментальні дослідження реалізовані з використанням установки YAG-Лазер "DY044" виробництва фірми "ROFІN-SІNAR". Лазерне зміцнення проводилося на установці "Латус-31". Мікротвердість зразків визначали на приладі ПМТ-3. Адекватність розроблених моделей оцінювали зі застосуванням теорії похибок. Наукова новизна основних результатів дисертаційної роботи полягає в такому, що вперше отримані закономірності впливу швидкості переміщення лазерного променя на глибину зміцненого шару залежно від марки сталі при обробці тільки лазером і комбінованою технологією зміцнення; розроблено метод інтенсифікації процесу азотування, який відрізняється від існуючих попереднім лазерною обробкою поверхні; розроблено метод інтенсифікації процесу борування, який відрізняється від існуючих попереднім лазерною обробкою поверхні; розроблено математичні моделі та номограми впливу швидкості пересування лазерного променя і тривалості азотування на товщину зміцненого шару та поверхневу твердість. Практичне значення роботи полягає у вирішенні важливої наукової і технічної задачі у розробці технологій комбінованого зміцнення поверхневих шарів сталевих деталей, які полягають в попередній лазерній обробки і наступної хіміко-термічної обробки. У першому розділі проведено аналіз літературних джерел, що стосуються досліджуваної в дисертаційній роботі проблеми локального зміцнення поверхневих шарів сталі із застосуванням лазерної обробки. Проаналізовані лазерні обробки металів, комбіновані технології обробки деталей. Виконано аналіз відомих способів підвищення експлуатаційних властивостей машинобудівних деталей. Встановлено, що відомі комбіновані технології лазерної обробки і хіміко-термічної обробки мають ряд невирішених питань. Зокрема, вони не забезпечують достатню товщину зміцненого шару, є складними у використанні, трудомісткими, енергозатратними, тривалими процесами. Тому перспективним напрямком збільшення терміну служби деталей машин є створення інноваційної технології комбінованого зміцнення поверхневого шару сталі завдяки прискоренню процесу азотування і борування. У другому розділі виконано формування раціональної структури і властивостей сталі шляхом лазерного гартування. У третьому розділі розроблена комбінована технологія зміцнення поверхневого шару сталі. Досліджено вплив попередньої лазерної обробки та кінцевого азотування на товщину зміцненого шару і мікротвердість поверхневих шарів зразків сталі 38Х2МЮА. У четвертому розділі розроблені способи підвищення експлуатаційних властивостей машинобудівних деталей. На основі комплексу проведених теоретичних та експериментальних досліджень, сформульованих принципів, закономірностей і положень отримані наступні результати: 1. Інтенсифіковано процес азотування за рахунок попередньої лазерної обробки поверхні сталевих виробів і застосування дисперсного азотовмісного середовища для хіміко-термічної обробки, який підвищує поверхневу твердість після азотування до 1,15 раз і сприяє значному збільшенню зміцненого шару, а саме до 0,49 мм (сталь 40), до 055 мм (сталь 40Х) і до 0,65 мм (сталь 38Х2МЮА). 2. Отримані математичні моделі, що описують залежності товщини зміцненого шару та поверхневої твердості від зміни значень швидкості пересування лазерного променя і тривалості азотування сталі після комбінованої обробки дозволяють побудувати номограми для вибору раціональних режимів зміцнювальної обробки. 3. Інтенсифіковано процес борування за рахунок попередньої лазерної обробки поверхні сталевих виробів і застосування дрібнодисперсного боровмісного порошку в якості насичувального середовища для хіміко-термічної обробки, що сприяє збільшенню зміцненого шару в 2,7–5,5 разів залежно від зміни швидкості переміщення лазерного променя. 4. Використання розроблених комбінованих технологій поверхневого зміцнення сталевих виробів має такі переваги: спрощена технологія отримання твердого зміцненого шару на сталях за рахунок інтенсифікації процесів хіміко-термічної обробки; забезпечені високі експлуатаційні властивості зміцнених шарів сталевих виробів; застосування технології борувания сталевих виробів дозволяє поєднувати хіміко-термічну обробку (борування) з операцією термообробки (гартування), що підвищить термін служби деталей обладнання, експлуатаційних властивостей дифузійних шарів інструментів, штампового і пресового устаткування. 5. За технологічною ознакою розроблено дві комбіновані технології локального поверхневого зміцнення сталевих виробів. 6. Визначено можливість використання розроблених технологій локального поверхневого зміцнення для широкої номенклатури виробів зі сталей. 7. Розроблений ефективний технологічний процес комбінованого зміцнення поверхневого шару сталевих виробів був впроваджений для підвищення поверхневої твердості зубців зубчастого колеса зі сталі 40 на ТОВ "НВЦ ЄТМ" (м. Харків ). Його впровадження дозволило підвищити зносостійкість зубців у 1,5 рази та експлуатаційну стійкість виробу в цілому до 2,5 разів. 8. Розроблений ефективний технологічний процес комбінованого зміцнення поверхневого шару сталевих виробів був впроваджений для підвищення поверхневої твердості зубців вал-шестерень, зубчастих коліс, шестерень, зірочок та втулок зі сталей 40, 40Х та 38Х2МЮА на ПАТ "Харківський машинобудівний завод "Світло шахтаря". Виробничими випробуваннями встановлено, що розроблений процес комбінованого зміцнення дозволив підвищити поверхневу твердість зубців у 1,5-2,5 рази, зносостійкість у 1,5-2 рази, експлуатаційну стійкість у 3-7 разів у порівнянні з поверхневими зміцнюючими обробками, які використовуються у виробництві. 9. Розроблені технологічні процеси комбінованого зміцнення поверхневого шару сталевих деталей були впроваджені для поверхневого зміцнення зубців вал-шестерні зі сталі 40Х та зубців втулки зі сталі 40Х на АТ "Харківський тракторний завод". Виробничими випробуваннями встановлено, що стійкість вал-шестерні та втулки зі сталі 40Х після комбінованого зміцнення поверхневого шару підвищується від 2 до 3,6 разів у порівнянні зі стійкістю вал-шестерні та втулки зміцненою лише лазерною обробкою. 10. Розробки, виконані в дисертації, впроваджені в навчальний процес для студентів механіко-технологічного факультету НТУ "ХПІ" спеціальностей 131 "Прикладна механіка" спеціалізації 131-09 "Обладнання та технології ливарного виробництва" та 151 "Автоматизація та комп'ютерно інтегровані технології" спеціалізації 151-07 "Комп'ютеризовані системи управління технологічними процесами".
Підвищення ефективності виготовлення елементів торцевих імпульсних ущільнень турбомашин нанесенням функціональних покриттів
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2019) Жуков, Олексій Миколайович
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 – технологія машинобудування. Об’єкт дослідження – технологічний процес формування функціональних покриттів на поверхні елементів торцевих імпульсних ущільнень турбомашин. Предмет дослідження – закономірності технологічного процесу формоутворення поверхні із заданими експлуатаційними властивостями, що забезпечують необхідну якість (довговічність, зносостійкість, працездатність) торцевих імпульсних ущільнень турбомашин. Метою дослідження є забезпечення працездатності торцевих імпульсних ущільнень (ТІУ) турбомашин шляхом виготовлення кілець із композиційних матеріалів, що поєднують у собі механічну міцність основи й захисні властивості покриттів, підвищують зносостійкість торцевих поверхонь кілець, герметичність і захист елементів вторинного ущільнення від фретинг-корозії. Для досягнення поставленої мети були сформульовані наступні задачі: − Провести аналіз технології виготовлення й особливостей експлуатації ТІУ. − Розробити методику спрямованого вибору технології забезпечення необхідної якості робочих поверхонь кілець ТІУ залежно від умов роботи ущільнення й властивостей навколишнього середовища. − Удосконалити метод електроерозійного легування (ЕЕЛ) для здійснення процесів сульфідування й сульфоцементації енергоефективними й екологічно чистими методами, альтернативними хіміко-термічній обробці. − Розробити новий метод збільшення товщини шару підвищеної твердості шляхом формування на попередньо зміцнених цементацією методом ЕЕЛ торцевих поверхнях кілець ТІУ комбінованих електроерозійних покриттів; − Провести дослідження якісних параметрів поверхневих шарів, сформованих методом іонного азотування, конденсованого іонного бомбардування та карбонітрацією. − Розробити метод зниження фретинг-процесу для контактуючих поверхонь ущільнювальних елементів ТІУ. − Розробити технологічні рекомендації виготовлення ТІУ залежно від умов роботи та перекачуваного середовища. − Упровадити результати досліджень у практику виготовлення ТІУ турбомашин. У вступі обґрунтований вибір теми дисертації та наукових завдань, сформульовані мета й завдання дослідження, визначені наукова новизна й практичне значення одержаних результатів, а також наведена інформація про апробацію, структуру та обсяг роботи. У першому розділі виконано аналіз проблем підвищення якості елементів ТІУ. Наведено загальні відомості про торцеві ущільнення, розглянуті їх конструктивні особливості, галузі застосування, матеріали і види руйнувань. Досліджено технологічні методи підвищення якості робочих поверхонь ТІУ. Все це дозволило сформулювати мету й завдання дисертації. У другому розділі на основі теоретичного розгляду вимог до якості функціональних покриттів робочих поверхонь деталей роторних машин були розроблені система й критерії спрямованого вибору технології забезпечення необхідної якості робочих поверхонь кілець ТІУ шляхом аналізу і синтезу існуючих аналогів, досвіду промисловості та рекомендацій у вітчизняній і зарубіжній літературі. Система спрямованого вибору технології забезпечення необхідної якості робочих поверхонь кілець ТІУ охоплює весь їх життєвий цикл, що включає матеріал кілець та їх елементів, технологію їх виготовлення, технологію ремонту та ін. Всі вони розглядаються через спеціальні методи спрямованого вибору. До того ж враховується вплив обраних методів один на одного, який у кінцевому підсумку буде позначатися на якості виробу. Варіанти реалізації технологій, що задовольняють рішення були подані орієнтованим графом, вузлами якого є етапи розв’язання задачі, а ребрами – трудомісткість їх розв’язання (технологічна собівартість). Результат пошуку зводиться до розв’язання задачі цілочислового програмування комбінаторного виду, в якій розв’язок шукають на кінцевій множині можливих значень змінних. Як метод оптимізації використовували комбінаторний метод «гілок і меж». Результатом спрямованого вибору технології, що забезпечує необхідні експлуатаційні властивості робочих поверхонь торцевих імпульсних ущільнень, обирався мінімізований за критерієм собівартості технологічний процес формування функціональних покриттів. Третій розділ присвячений методиці експериментальних досліджень впливу різних технологій на якість поверхонь елементів ТІУ. Були розглянуті особливості технології електроерозійного легування (ЕЕЛ) при обробці поверхонь елементів ТІУ. Подано результати досліджень процесу обробки торцевих поверхонь ТІУ іонним азотуванням, конденсованим іонним бомбардуванням, карбонітрацією. Наведена методика досліджень трибологічних властивостей елементів ТІУ, виготовлених різними способами. Подано методику дослідження впливу способів виготовлення кілець ТІУ на механічні властивості. Наведені стендові випробування газового торцевого імпульсного ущільнення. У четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень підвищення якості робочих поверхонь елементів ТІУ сформованих різними методами. Розглянуті питання підвищення якості поверхні кілець ТІУ методом ЕЕЛ, іонного азотування, конденсованого іонного бомбардування, карбонітрації. Підвищення зносостійкості робочих поверхонь вуса та втулки. Подані результати досліджень нових технологій сульфідування та сульфоцементаціі реалізованих на базі методу ЕЕЛ. Наведений аналіз особливостей методів, що застосовуються для підвищення якості елементів ТІУ. У п’ятому розділі наведені результати дослідження впливу способів підвищення якості елементів ТІУ на механічні властивості. Подано результати порівняльних трибологічних випробувань поверхонь ковзання ТІУ, сформованих різними методами. Наведені результати впливу припрацювальних покриттів на трибологічні властивості поверхонь ковзання ТІУ, результати досліджень зносостійкості контактуючих поверхонь деталей пар тертя ТІУ. Розроблені технологічні рекомендації спрямованого вибору найкращого матеріалу кілець ТІУ і технологій підвищення їх якості. Згідно з розробленою методикою спрямованого вибору, виходячи з експлуатаційних властивостей функціональних покриттів і показників якості поверхні, таких як: шорсткість, мікротвердість, зносостійкість, мікроструктура поверхневого шару, які необхідно забезпечити, відбувається спрямований вибір технологічних методів, якими можна вирішити поставлену задачу. До того ж критерієм вибору є мінімальна технологічна собівартість реалізації інтегрованої технології в умовах конкретного підприємства. Практична корисність розробленої методики представлена технологічними рекомендаціями, наведеними у зведеній таблиці. Ця таблиця містить механічні й триботехнічні властивості функціонального покриття, а також інформацію про інтегровану технологію, що дозволяє забезпечити ці властивості. Здійснені натурні випробування імпульсного газового торцевого ущільнення для компресора вуглекислого газу. Відповідно до поставленої мети та задач у роботі отримані наступні результати: 1. Аналіз технології виготовлення й експлуатації ТІУ засвідчив, що резервом зниження собівартості й підвищення якості ТІУ можуть бути технологічні методи ЕЕЛ, ЦЕЕЛ, ІА, КІБ, КН та ін., що дозволяють створювати на підкладках зі сталей і сплавів композиційні матеріали, що поєднують захисні властивості покриттів із механічною міцністю основи. 2. На підставі теоретичних досліджень розроблена формалізована методика визначення раціонального варіанта технології виготовлення елементів ТІУ, яка відрізняється тим, що кожному варіанту відповідає план реалізації можливих комбінацій рішень, мінімізований за трудомісткістю виконання. Розроблено модель синтезу інтегрованої технології, що враховує умови експлуатації ТІУ, фізичні принципи роботи устаткування та дозволяє відповідно до технологічних обмежень формувати функціональні покриття на робочих поверхнях елементів ТІУ. Проведені дослідження були передумовами для створення системи спрямованого вибору технології виготовлення ТІУ турбомашин, що дозволяє формувати робочі поверхні кілець ТІУ, а також контактуючої поверхні вторинного ущільнення й захисної втулки із заданими експлуатаційними властивостями. 3. Набув подальшого розвитку метод ЕЕЛ для здійснення процесів сульфідування й сульфоцементації, застосовуваних для запобігання схоплюванню й зміцненню контактуючих поверхонь ТІУ. 4. Визначено, що для зміцнення сталевих кілець ТІУ методом ЕЕЛ найкращим є КЕП складу ВК8 + Cu + ВК8, нікелевих сплавів – ВК8 + ВК8 + Cu і ВК8 + ВК8 + Ni, а для берилієвої бронзи – хром. Водночас товщину зони підвищеної твердості можна збільшити за рахунок попередньої ЦЕЕЛ. 5. Установлено, що при зміцненні методом ІА, сталі 40Х і 38Х2МЮА товщина зміцненого шару досягає 250 і 500 мкм, а мікротвердість – 8 820 і 9 950 МПа відповідно. Найбільша товщина 250 мкм і мікротвердість зміцненого шару 11 190 МПа, при ІА сталі 40Х належать комбінованому способу зміцнення ІА + ЦЕЕЛ. При зміцненні зразків зі сталі 12Х18Н10Т і Р6М5 методом КІБ товщина покриттів становить ~ 2–3 мкм, мікротвердість основи відповідно для сталі Р6М5 і 12Х18Н10Т становить ~ 6,8 і ~ 2,5 ГПа, а покриття – ~ 18 і 14,5 ГПа. При зміцненні зразків зі сталі 38Х2МЮА методом КН формуються поверхневі шари товщиною до 0,5 мм і мікротвердістю ≥ 10 000 МПа. 6. Запропоновано новий спосіб зниження фретинг-корозії контактуючих поверхонь вторинного ущільнення, виготовлених зі сплаву ХН58МБЮД або БрБ2, за якого перед ЦЕЕЛ на одну поверхню сплаву ХН58МБЮД методом ЕЕЛ наносять покриття з міді або нікелю, а на іншу – з міді. Відповідно до іншого способу перед ЦЕЕЛ на одну з контактуючих поверхонь із бронзи БрБ2 наносять покриття з міді. 7. Розроблено технологічні рекомендації виготовлення ТІУ, адаптовані до умов їх роботи. Аналіз поданих даних дозволяє в першому наближенні вибрати найбільш кращий матеріал для їх виготовлення, а також метод підвищення якості їх елементів. Використання в парах тертя припрацьовувальних КЕП сприяє зниженню сили й коефіцієнта тертя. Дослідження показало, що кільця із застосованих матеріалів мають низький, середній і високий параметри PV і їх можна застосовувати в I, II і III категоріях ущільнень. 8. Результати дисертаційної роботи впроваджені на двох підприємствах та в навчальному процесі Наукова новизна одержаних результатів: 1. Вперше розроблена система спрямованого вибору технології виготовлення ТІУ турбомашин, що дозволяє формувати робочі поверхні кілець, а також контактуючі поверхні вторинного ущільнення та захисної втулки із заданими експлуатаційними властивостями. 2. Набула подальшого розвитку технологія ЕЕЛ елементів ТІУ, які працюють в агресивних середовищах і виготовляються зі сталевих, нікелевих та бронзових сплавів, що дозволило формувати торцеві поверхні кілець і контактуючі поверхні вторинного ущільнення з необхідними експлуатаційними характеристиками. 3. Доведена доцільність нанесення на робочі поверхні сталевих кілець і кілець із нікелевих сплавів ТІУ багатошарових комбінованих електроерозійних покриттів, сформованих відповідно послідовностями ВК8 + Сu + ВК8 і ВК8 + ВК8 + Сu та цементації методом ЕЕЛ, що збільшує товщину шару підвищеної твердості. 4. Обґрунтована доцільність застосування технології сульфідування та сульфоцементації, здійснюваних у практиці зміцнення сталевих поверхонь хіміко-термічнною обробкою, альтернативними, екологічно чистими та більш енергоефективними методами ЕЕЛ. 5. Дістав подальшого розвитку взаємозв’язок між технологічними методами формування покриттів, що забезпечують підвищення зносостійкості торцевих поверхонь кілець, та експлуатаційними характеристиками ТІУ. Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці технологічних рекомендацій по виготовленню елементів ТІУ, адаптованих до умов роботи насосних та турбокомпресорних агрегатів та перекачуваного середовища. Аналіз поданих даних дозволяє в першому наближенні вибрати найбільш кращий матеріал для їх виготовлення, а також метод підвищення якості їх елементів.
Технологічні особливості забезпечення якості та продуктивності обробки складнопрофільних і тонкостінних деталей полімерно-абразивними інструментами
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2019) Степанов, Дмитро Миколайович
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 − технологія машинобудування – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", МОН України, Харків, 2019. Дисертацію присвячено вирішенню важливої науково-технічної проблеми технологічного забезпечення підвищення якості оброблюваних поверхонь складнопрофільних і тонкостінних деталей, що привалюють в авіадвигунобудівній, медичній, приладобудівній та інших галузях, а також підвищення продуктивності фінішного етапу технологічного процесу їх виготовлення за допомогою щіткових полімерно-абразивних інструментів. У дисертаційній роботі вперше експериментально підтверджено математичні моделі температурного і силового впливу на оброблювану поверхню, запропоновано комбінувати полімерно-абразивні щітки (ПАЩ) різних видів, як послідовно, так і одночасно для досягнення необхідної якості і високої продуктивності. Запропоновано метод визначення температури розм'якшення і плавлення волокон для регламентації температурного обмеження роботи з щітковими інструментами, що дозволяє зберігати їх працездатний стан. Обґрунтовано умови силової взаємодії при обробці полімерно-абразивними щітками. На основі системного аналізу і узагальнення досвіду фінішного етапу виготовлення і ремонту тонкостінних і складнопрофільних деталей сформульовано та обґрунтовано теоретичні і практичні принципи методу механічної обробки із застосуванням інструменту обертальної дії на основі полімерно-абразивних волокон, що забезпечує високу якість і продуктивність. На підставі комплексного дослідження характеристик поверхневого шару і впливу на них технологічних чинників у взаємозв'язку з певною послідовністю застосування ПАЩ з різними характеристиками, були встановлені закономірності зміни параметрів якості і раціональні режими різання для обробки ПАЩ різних матеріалів. Розроблено технологічні рекомендації щодо використання ПАЩ для різних матеріалів – сталей, алюмінію і сплавів на його основі, жароміцних нікелевих і титанових сплавів; тонкостінних і складнопрофільних деталей з вищеназваних матеріалів; ремонтного виробництва – зняття нагару, термопокриття, видалення задирок із складнопрофільних поверхонь і крайок, а також зняття окисних плівок, травленого шару і покриттів тонкостінних деталей складних просторових форм. У першому розділі проведено аналіз відомих на даний момент методів і інструментів фінішної обробки для тонкостінних і складнопрофільних деталей. Встановлено, що гідною альтернативою є застосування щіткових інструментів обертальної дії на основі полімерно-абразивних волокон. За результатами аналізу наукової літератури, присвяченої дослідженню впливу різних чинників на ефективність, продуктивність, працездатність ПАЩ, на якість оброблених за їх допомогою поверхонь деталей, встановлено, що через те, що ПАЩ відносно нещодавно з'явились на ринку інструментів, інформація щодо них загальна, іноді суперечлива, деякі теоретичні викладення не отримали необхідного експериментального підтвердження, детальних рекомендацій застосування ПАЩ для обробки тонкостінних деталей або певних важкооброблюваних матеріалів немає, як і досліджень властивостей поверхневого шару деталей після обробки ПАЩ. У зв'язку з недостатністю технічної і технологічної інформації є необхідним проведення подальшого вивчення ПАЩ з точки зору обробки тонкостінних виробів складного профілю, виконаних у тому числі з важкооброблюваних матеріалів, для чого були сформульовані основні завдання дослідження і була розроблена структурно-логічна схема дисертаційної роботи. У другому розділі описано основні методичні прийоми вивчення параметрів якості поверхні і властивостей поверхневого шару після фінішно-оздоблювальної обробки ПАЩ. Приведено ескізи зразків для випробувань, а також основні умови проведення експериментів, устаткування, оброблювані матеріали і різноманітні ПАЩ, використовувані в роботі. Описано спосіб відновлення різальних властивостей ПАЩ. Проведено порівняння взаємодії абразивних зерен, закріплених жорстко і пружно, а також картину обробленої поверхні на поперечній подачі. Проаналізовані відмінності отриманих зон постконтактних поверхонь на зразках. Розроблено методику взаємодії "ПАЩ-зразок" в динамічному модулі ANSYS LS-DYNA, що дозволило провести аналіз впливу параметрів ПАЩ і режимів обробки на напружено-деформований стан системи "інструмент-зразок" за допомогою нелінійного аналізу пакету ANSYS (модуль LS-DYNA). У третьому розділі проведено дослідження впливу режимів і умов обробки, а також параметрів ПАЩ на одержувану шорсткість поверхні; визначено раціональні режими обробки і параметри ПАЩ (виліт L і діаметр dв волокон, зернистість F і матеріал абразиву ПАЩ; подача S, натяг i, швидкість V і кількість подвійних ходів N, ЗОТС) відповідно до поставленої мети фінішної обробки для зразків з різних матеріалів, а також для комбінованої обробки ПАЩ. Встановлено наявність зміцнювального ефекту, зокрема, наведення сприятливих властивостей поверхневого шару на глибині до 20...50 мкм при обробці дисковими ПАЩ на раціональних режимах: ступінь поверхневого наклепу досягала 12...15%, стискаючі залишкові напруження -175...-40 МПа. Проведено статистичну обробку отриманих даних, яка підтвердила раніше передбачувану відмінність впливу ПАЩ з різним вилітом волокон – коротким (L=8 мм) і довгим (L=32 мм). Визначено режими, варіюючи якими можна значно впливати на параметри якості поверхневого шару – за значимістю: натяг i, швидкість V, подача S. Проведено оцінку ступеня шаржування поверхні неметалічними включеннями після обробки ПАЩ, яка показала, що невисокого силового і теплового впливу ПА волокон недостатньо для глибокого вдавлення абразивних частинок в поверхню, тому шаржування практично не відбувається. Також встановлено раціональні режими (V=15...18 м/с, Sпр=1 м/хв, i=1,5...2 мм, N=3...7 подв.х.) і параметри ПАЩ (L=30 мм і більше, dв=1 мм) для якісного видалення задирок і заокруглення гострих крайок складних геометричних форм ПА щітками. У четвертому розділі розроблено пристрій і методику визначення критичних температур розм'якшення і плавлення полімерно-абразивних волокон, що безпосередньо впливають на їх працездатний стан. Пристрій простої конструкції дозволяє перевіряти термостійкість дроту, волокон, проводів з різних матеріалів. Температура розм'якшення досліджених ПА волокон різних фірм-виробників, при якій знижуються експлуатаційні властивості волокон, склала 55...120 °С. Запропоновано методику і розроблено пристрій, що дозволяє вимірювати температуру в зоні контакту щітки і зразка при обробці ПАЩ. Для матеріалів, що мають різні теплофізичні властивості (сталі, алюмінієві, титанові і нікелеві сплави), визначено обмеження щодо режимів обробки і параметрів ПАЩ. Підтверджено невисокий рівень теплового впливу на зразок (менше 80 °С) при застосуванні раціональних режимів і умов обробки. Для одиничного волокна було визначено радіальну силу першого удару при вході в контакт зі зразком за допомогою аналітичного розрахунку, комп'ютерного моделювання та експериментальних досліджень. Вона склала 0,65...1,3 Н, що при зосередженій локальній ударній дії є достатнім для отримання зміцнювального ефекту. Для вивчення силового впливу ПАЩ розроблено оригінальний динамометр, який можна використовувати для вимірювання постійних сил, що діють на зразок, але особливу цінність він має при вимірюванні змінних зусиль, особливо, які змінюються в короткі проміжки часу. Встановлено, що при обробленні на досліджених діапазонах режимів дискові ПАЩ не мають значного силового впливу на оброблювану поверхню (не більш 100 Н), тому такий вид фінішної обробки можна рекомендувати для тонкостінних деталей. У п'ятому розділі розроблено оригінальні спеціальні і універсальні пристосування для закріплення деталей ГТД специфічної форми і обробки їх ПА щітками. Розроблені технологічні рекомендації щодо застосування ПАЩ для фінішної обробки тонкостінних складнопрофільних деталей з різних, у тому числі і важкооброблюваних, матеріалів можна без доопрацювання включати в технологічні процеси виготовлення і ремонтного відновлення: дисків ГТД, лопаток ГТД, зубчастих коліс, "зірочок", корпусів, радіаторів тощо з метою підвищення ефективності фінішної обробки вищеописаних і подібних до них деталей. Застосування ПАЩ для досліджених складнопрофільних і тонкостінних деталей скорочує час фінішної обробки в 2…10 разів, собівартість операцій в 2…4 рази. Також більшість операцій були механізовані, що дало можливість повністю відмовитися від ручної праці або значно скоротити її частку від загальної тривалості фінішного етапу виготовлення або ремонту деталей.
Наукові основи технологій поверхневого зміцнення деталей машин порошковими сумішами керованого складу
(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2019) Костик, Катерина Олександрівна
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.08 – технологія машинобудування (13 – механічна інженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2019. У дисертаційній роботі проведено комплекс досліджень, спрямованих на вирішення важливої науково-технічної проблеми в області технології машинобудування: розробка інноваційних та короткотривалих технологій поверхневого зміцнення деталей машин порошковими сумішами керованого складу для забезпечення експлуатаційних властивостей виробів на високому рівні при значному зниженні затрат на їх виготовлення. Наукова новизна отриманих результатів полягає у розробці наукових основ інноваційних та короткотривалих технологій поверхневого зміцнення деталей машин порошковими сумішами керованого складу, що дозволило вирішити актуальну науково-практичну проблему підвищення терміну служби деталей машин та інструменту: – вперше розраховано локальні максимуми поверхневої твердості та глибини дифузійних шарів сплавів і встановлено теоретичні оптимальні умови процесів дифузійного зміцнення, що дозволяє отримати конкретні технологічні параметри проведення хіміко-термічної обробки (ХТО) та забезпечити оптимальні характеристики дифузійних шарів; – вперше створено математичні моделі та номограми існуючих технологій поверхневого зміцнення сталей, що дозволило визначити конкретні умови ХТО (температуру і тривалість), виходячи із заданої глибини дифузійного шару або поверхневої твердості сталей, що суттєво впливає на ефективність реалізації процесів зміцнення; – вперше на основі використання інноваційних технологій і системного аналізу при мінімальних витратах, розроблено загальний методологічний підхід керування технологічними процесами поверхневого зміцнення деталей порошковими сумішами керованого складу при насиченні поверхневих шарів азотом, вуглецем і бором, це дозволило підвищити експлуатаційні властивості виробів при значному скороченні тривалості ХТО; – набули подальшого розвитку розроблені комплексні ХТО, які значно знижують крихкість борованих шарів за рахунок більш плавного зниження твердості від поверхні до серцевини виробів зі сталей, що дозволило підвищити експлуатаційні властивості виробів та термін служби деталей машин та інструменту на відміну від відомих методів ХТО, які підвищують лише поверхневу твердість; – вперше розроблено математичну модель розподілу температури за глибиною дифузійного шару, що дозволило визначити характер залежностей та отримати дані про розподіл температури за глибиною виробу при різних технологічних режимах обробки; – удосконалено технологію борування з паст титанових сплавів за рахунок використання нанодисперсного насичувального середовища, що дозволило скоротити процес борування у 2-3 рази та скоротити технологічний процес виготовлення деталей за рахунок поєднання двох операцій: борування і гартування титанового сплаву; – запропоновано розв’язання крайових задач дифузії методом граничних елементів, що дозволило вперше створити математичну модель розподілу концентрації бору за товщиною зміцненого шару титанового сплаву; − удосконалено технологію інтенсифікації процесів ХТО методами нагрівання струмами високої частоти та за рахунок попередньої лазерної обробки деталей, що дозволило отримати високі експлуатаційні властивості поверхневих шарів при значному скороченні тривалості обробок. Практичне значення роботи полягає у розробці технологій комбінованого зміцнення поверхневих шарів деталей зі сплавів. На основі комплексу проведених теоретичних та експериментальних досліджень, сформульованих принципів, закономірностей і положень отримані наступні практичні результати: 1. Спосіб комбінованої обробки сталевих виробів, що включає попередню лазерну обробку поверхні матеріалу з потужністю лазерного випромінювання -1,0±0,1 кВт, швидкістю пересування лазерного променя - 0,5-1,5 м/хв. з наступним азотуванням. Крім цього, азотування проводять в середовищі меламіну з 3-5% фтористого натрію при температурі 530-560 °C протягом 2-3 годин (патент України №111066). 2. Спосіб дифузійного борування сталевих виробів, що включає попереднє нанесення на поверхню обмазки, в склад якої входить боровмісна речовина, активатор фторид натрію і зв'язуюча речовина розчину клею БФ в ацетоні, і нагрівання струмами високої частоти. При цьому в обмазці як боровмісну речовину використовують поліборид магнію або аморфний бор і додатково введено активатор фторид літію (патент України №116177). 3. Спосіб поверхневого зміцнення сталевих виробів, що включає нанесення на поверхню деталі обмазки, до складу якої' входить боровмісна речовина і активатор, сушіння і нагрівання струмами високої частоти. В обмазці як боровмісну речовину використовують аморфний бор і активатор фторид літію. Нагрівання проводять при температурі 800-1100 °С протягом 1-5 хвилин (патент України №116178). 4. Спосіб отримання твердого покриття на поверхні сталевих виробів, що включає попередню обробку поверхні матеріалу та борування. Проводять попередню лазерну обробку поверхні матеріалу з наступним боруванням в середовищі полібориду магнію, активаторами: фтористий натрій і фтористий літій (патент України №116116). 5. Сплав на основі заліза з ефектом пам'яті форми, що містить: залізо, марганець, кремній, вуглець, хром, нікель, кобальт, мідь, ванадій, ніобій, молібден. При цьому до сплаву додатково введено сірку та фосфор (ваг. %): марганець від 4 до 20; кремній від 1,0 до 4,5; вуглець від 0,1 до 1,0; хром від 10,0 до 25,0; нікель від 1,0 до 10,0; кобальт від 1,0 до 10,0; мідь від 1,0 до 4,0; ванадій від 0,5 до 2,0; ніобій від 0,3 до 1,5; молібден від 0,5 до 2,0; сірка до 0,01; фосфор до 0,045; залізо решта (патент України №116117). 6. Склад для борування сталевих виробів, що містить аморфний бор, тетрафтороборат калію, нітрид бору і доломіт (патент України №117775). 7. Спосіб поверхневого зміцнення титанових сплаві, що включає насичення поверхневих шарів компонентами боровмісного середовища, до складу якого входить боровмісна речовина та активатор, і нагрівання. Насичення поверхневих шарів здійснюють компонентами боровмісного середовища, яке складається з аморфного бору і фториду літію (патент України №117770). 8. Дисперсійно-твердіючий сплав на основі заліза з ефектом пам'яті форми, що містить: залізо, марганець, кремній, вуглець, ванадій, ніобій, вольфрам. Додатково введено алюміній, мідь, нікель, хром, сірку та фосфор (патент України №117757). 9. Розроблені технологічні процеси ХТО були впроваджені для підвищення поверхневої твердості сталевих виробів на ТОВ «АСТИЛ М» (м. Харків), що дозволило підвищити зносостійкість втулки у 1,5 рази після нітроцементації, у 4,3 рази після послідовній нітроцементації та боруванні, у 5 разів після цементації, нітроцементації та боруванні та у 2 рази після боруванні з нагріванням СВЧ у порівняні зі втулкою без поверхневого зміцнення (Акт впровадження від 05.10.2017 р.). 10. Розроблені технологічні процеси комбінованого зміцнення були впроваджені для підвищення поверхневої твердості сталевих виробів на ПАТ «Харківський машинобудівний завод «Світло шахтаря» (м. Харків). Виробничими випробуваннями встановлено, що запропоновані ефективні технологічні процеси комбінованого зміцнення поверхневого шару сталевих виробів дозволили значно прискорити технологічні процеси хіміко-термічної обробки у 2-10 разів, що привело до зменшення витрат на їх проведення за рахунок економії електричної енергії (Акт впровадження від 17.10.2017 р.). 11. Розроблені технологічні процеси були впроваджені на ТОВ «НВЦ ЄТМ» (м. Харків), що дозволило підвищити зносостійкість втулки у 1,5 рази після нітроцементації, у 4,3 рази після послідовній нітроцементації та боруванні (Акт впровадження від 31.10.2017 р.). 12. Прийняті для впровадження в виробництві розроблені номограми, які дозволяють визначити конкретні умови газового азотування (температуру і тривалість) виходячи із заданої глибини азотованого шару або поверхневої твердості виробів зі сталі 38Х2МЮА на ПАТ «Харківський машинобудівний завод «Світло шахтаря» (м. Харків). Встановлено, що запропоновані номограми дозволили значно спростити роботу інженера-технолога, а також номограми дозволили вирішувати зворотну задачу, а саме, оцінити можливу товщину зміцненого шару і поверхневу твердість при одночасному впливі температури і тривалості газового азотування (Акт впровадження від 15.11.2017 р.). 13. Розроблений ефективний технологічний процес нітроцементації у порошковій макродисперсній суміші для підвищення експлуатаційної стійкості зубчастого колеса зі сталі 38Х2МЮА на АТ «Харківський тракторний завод» (м. Харків). Встановлено, що використання макродисперсної суміші прискорило процес хіміко-термічній обробки у 1,5-2 рази при отриманні властивостей поверхневого шару виробу таких, як і після традиційного процесу нітроцементації, що дозволило зменшити витрати на проведення хіміко-термічної обробки у 2 рази (Акт впровадження від 24.01.2018 р.). 14. Розробки, виконані в дисертації, впроваджені в навчальний процес для студентів механіко-технологічного факультету НТУ «ХПІ» спеціальностей 131 «Прикладна механіка» спеціалізації 131-09 «Обладнання та технології ливарного виробництва» та 151 «Автоматизація та комп’ютерно інтегровані технології» спеціалізації 151-07 «Комп’ютеризовані системи управління технологічними процесами» (Акт впровадження від 20.12.2017 р.).