Повышение эффективности упрочнения поверхности валов при ремонте сельскохозяйственной техники поверхностным пластическим деформированием в переменном магнитном поле

Важнейшим направлением в области повышения технического уровня современного сельскохозяйственного производства и конкурентоспособности выпускаемой сельхозпродукции является модернизация технологической> базы и технического^{обслуживания} отраслей агропромышленного комплекса (АПК), на основе технического прогресса. Эффективность модернизации и темпы экономического роста в решающей степени зависят от использования, инновационных технологий, способствующих материализации основополаг гающих научно-технических идей, созданию новых орудий труда, систем машин. Здесь закладываются основы широкоговыхода на принципиально новые ресурсосберегающие технологии, повышениепроизводительности труда и качества продукции. Прогресс в сельскохозяйственном производстве в значительной’степени зависит от уровня развития1 технологии, восстановления и ремонта сельскохозяйственной техники, обеспечивающих ее работоспособность и функциональную достаточность. Большую роль в обеспечении безотказности и долговечности машин играют механические и физические свойства рабочих поверхностей деталей. Перспективным направлением в области повышения эксплуатационного ресурса с.-х. техники является модификация рабочих поверхностей деталей. Придание деталям необходимых параметров (твердости, прочности, износостойкости, шероховатости поверхности и др.) связано с применением трудоемких технологических процессов.

Актуальность проблемы. Высокий уровень работоспособности сельскохозяйственной (с.-х.) техники и технологического оборудования перерабатывающих отраслей аграрно-промышленного комплекса (АПК) в значительной мере достигается обеспечением требуемых размеров и геометрических форм узлов с деталями класса валов при их производстве и восстановлении. Непрерывно возрастающие удельные нагруженности не только отдельных машин и механизмов, но и с.-х. техники в целом, эксплуатация в тяжель1Х'условиях сельскохозяйственного-производства приводят к. изменению первоначальных размеров и геометрических форм.:

Разработкатеоретических, положений и технологических рекомендаций, обеспечивающих повышение: эксплуатационных характеристик валов-с.-х. техники приих, изготовлении и восстановлении в условиях ремонтных предприятий: АПК, представляет собой: актуальную научно-техническую проблему, имеющую важное народнохозяйственное значение, и требующую теоретического обобщения и решения.

Качество изготовления и. восстановления? деталей обеспечивается" технологическими' процессами упрочнения рабочих поверхностей, снижения их шероховатости, путем: сохранения: первоначальных размеров: и геометрических формПри разработке и совершенствовании: методов' обработки деталей наблюдается тенденция применения методов комплексного воздействия процессов различной? физической природы (механических, тепловых, магнитных) — Эффект взаимодействия энергии магнитного поля с электронными по- • лями атомов^{позволяет} получить результаты, имеющие технологическое значение, использование которых при восстановлении и изготовлении — деталей машин приведет к улучшению их эксплуатационных характеристик.

Актуальность выбранного научно-практического направления исследования подтверждается соответствием данной темы разделу Федеральной программы по научному обеспечению-АПК РФ и тематическому плану Межведомственной координационной программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса РФ на 2006;2010 гг. Данное направление1 было одобрено НТС при Межрегиональном: комитете по сельхозмашиностроению Ассоциации экономического взаимодействия областей и республик Уральского региона (протокол № 7 от 18−04.2007 г.).

Цель работы: повышение эффективности упрочнения поверхности деталей класса валов при изготовлении и ремонте с.-х. техники на основе одно временного1 воздействия поверхностной: пластической деформации и технического перемагничивания ферромагнитного материала деталей.

Для достижения: поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Установить закономерности превращений, происходящих в поверхностном слое деталей? при поверхностномпластическом деформировании в переменном магнитном поле (IГПД в ПМП).

Разработать эффективный метод оптимизации глубины упрочненного слоя и провести его экспериментальную проверку.

3. Сопоставить качество упрочнения, полученного методом ППД в ПМП и существующими упрочняющими технологиями, путем сравнения пат раметров усталостной долговечности и износостойкости деталей.

4- Разработать технологическое оборудование для осуществления упрочнения деталейшетодом ППД в ПМП. 5. Спроектировать и изготовить систему автоматического управления технологическимкомплексом (САУ) для МИД в ПМП, обеспечивающую параметрическую оптимизацию упрочнения и активный контроль качества:

6. Провести апробацию ППД в ПМП в производственных условиях и оценить технико-экономическую эффективность выполненных разработок.

7. Выработать рекомендациипо выбору элементной базы и алгоритма работы САУ, обеспечивающей: гибкость технологии ППД в ПМП в различных технологических и организационных условиях ремонтного производства.

При поиске решений установленных проблем было выявлено, что многие задачи, возникающие в системном анализе и при исследовании операций по отысканию совокупности условий, обеспечивающих достижение экстремальных критериев эффективности, являются задачами оптимизационного типа, в том числе задачами поиска общих или частных экстремумов.

В этой связи принятанаучная" гипотеза, котораяположена в основу проведения теоретических и экспериментальных исследований технологических операций упрочнения деталей с.-х. машин методом ППД в ПМГТ.

Гипотеза. При воздействии на деталь переменного магнитного поля в месте контакта рабочего инструмента (индентора) и детали при упрочнении ее поверхностным пластическим деформированием происходит такое изменение поверхностного слоя, в результате которого* может быть достигнуто требуемое оптимальное-структурно напряженное состояние, заданные шероховатость и твердость поверхности при значительно меньших энергозатратах, чем это может быть получено другими методами упрочнения. При этом существует количественно-качественная взаимосвязь параметров структурно напряженного состояния поверхности детали с параметрами нагружения (усилия и скорости деформирования) и характеристиками переменного магнитного поля (напряженностью и частотой).

Объект исследования — процессы упрочнения поверхностного1 слоя материала детали при ремонте с.-х. машин в результате ППД в ПМП.

Предмет исследования — закономерности образования взаимозависимых связей параметров технологического процесса упрочнения деталей методом ППД в ПМП с показателями глубины упрочненного слоя, твердости и шероховатости поверхности, а также производительности и себестоимости.

Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные методы исследования. Исследование диффузионных процессов и фазовых превращений в упрочняемом слое детали осуществлялось путем их моделирования и идентификации. Расчет глубины упрочненного слоя и шероховатости поверхности проводился решениями прямых задач барро-диффузии. Разработка программного обеспечения осуществлялась с помощью пакета прикладных программ «81айз11са 6 1Ш» и «МаШсас!». Для экспериментальных исследований использовалась современная аппаратура, стандартные и усовершенствованные методики измерения температуры, электросопротивления, магнитной проницаемости, микротвердости и структуры металлов. Химический* анализ упрочненного слоя производился с: помощью экспрессганализа на углерод, микротвердость измерялась на приборе ПМТ-ЗМмикроструктурные:•'исследования проводились с помощью микроскопа МИМ-8М. Исследование: технологического' процесса упрочнения ППД вПМП осуществлялось с применением. апробированных методованализа задач, и синтезарешений, применяемыхдля? формирования структуры и параметровновыхобъектов^ .создаваемых науровнеизобретенийдас: использованием: программного' обеспечения для-ОВМ;

Научная новизна положений, выносимых на защиту:

1. Установлена’закономерность образования связейпроцессов, происходящих при ППД в ПМПи являющихся непрерывными: функциями: с экстремальными значениями, которые обеспечивают повышение эксплуатационных-характеристик деталей:

2. Теоретически разработан и экспериментально проверен переход упрочняемой поверхности! детали" в заданное структурно-напряженное состояние посредством определения моментов появления экстремумов функций зависимостей глубины модифицированного слоя от изменения удельного элек-гросопротивления магнитной? проницаемости1 и температуры упрочненного.

СЛОЯ.'. ' .

3: Получены зависимости глубины, упрочненияи шероховатости поверхностногослояпри обработке деталей 1111Д в ИМИ от технологических факторов процесса: усилия и скорости деформационного воздействиянапряженности ичастоты, ПМП и числа проходов, а также механических свойств материала и геометрических параметров инструмента.

4. Найдены конструктивныерешения технических средств и методов, позволяющие реализовать, адаптивное управление процессом ППД в ПМП, и алгоритмов, обеспечивающих автоматизацию процесса упрочнения.

Основные положениявыносимые на защиту: метод получения требуемых параметров упрочнения детали (твердости и шероховатости поверхности) с помощью параметрической оптимизации изменения физических свойств материала при упрочнении Г1ПД в ПМГ1;

— возможности применения метода нахождения экстремума непрерывных функций’изменения электросопротивления, немагнитной проницаемости: поверхностного слоя материала детали, при Г1Г1Д в ИМИ дляоптимизации эксплуатационных характеристик упрочненной поверхности- - методика определения оптимального уровня, упрочнения поверхности детали при условии неопределенности химического и фазового состава материала и ее технологической наследственности при ППД в ИМИ;

— технические решения технологическогооборудования для упрочнения деталей методом ПИД в ИМИ;

— методика по применению • системы — адаптивного управления про десса-ми упрочнения деталей ППД в Г1МП.

Практическая значимость заключается:

— в теоретическом обосновании: и практическом подтверждении метода улучшения эксплуатационных характеристик поверхностного слоя детали, основанного на комплексном применении пластического деформирования и технического перемагничивания ферромагнитного материала детали;

— в разработке технических решений по созданию технологического оборудования для упрочнения деталей различных конструкторско-технологических групп (КТГ) методом ППД в ИМИ, обладающих большей гибкостью в условиях ремонтных предприятий АПК и меньшей энергозатратностью;

— в обеспечении схемно-аппаратурной реализации САУ для осуществления параметрической оптимизации технологии упрочнения и активного контроля качества;

— в. повышении1 технико-экономической эффективности и экологической приемлемости технологии упрочнения деталей с.-х. машин при их изготовлении и ремонте.

Реализация результатов исследования осуществлялась по следующим направлениям.

Результаты НИОКР и соответствующая конструкторско-технологическая документация использовались ОАО «Курганавторемонт», предприятием «Ремсельхозтехника» (г. Шумиха), ОАО «Завод монтажных заготовок «Стальсельпром» «, заводом «Ремстроймаш», ОАО «Курганмашза-вод», ООО «Кузнечно-прессовый завод «Русич» «(г. Курган).

Разработаны технологии упрочнения деталей класса валов (в том числе и ресурсных) на ряде предприятий ремсельхозтехники и машиностроения.

Система активного контроля основных параметров технологии упрочнения ППД в ПМП, являющаяся основой научно-технических решений-рассматриваемой проблемы, прошла метрологическую аттестацию в качестве элементов системы управления. По результатам многолетних теоретических и практических исследований разработаны рекомендации по упрочнению деталей методом ППД в ПМП различных КТГ (полые цилиндры, зубчатые колеса, плоскости и т. д.).

Рекомендации, одобренные НТС при межрегиональном комитете по сельхозмашиностроению Ассоциации экономического взаимодействия областей и республик Уральского региона (протокол № 7 от 18.04.2007 г.), выпущены тиражом 2000 экземпляров и направлены в департаменты сельского хозяйства краев и областей РФ, в сельскохозяйственные и политехнические вузы, на предприятия транспортного и сельскохозяйственного машиностроения, на ремонтные предприятия.

Достоверность основных положений и научных выводов подтверждается сходимостью теоретических и экспериментальных данных, а также использованием современного оборудования и методик проведения экспериментальных исследований и практическим использованием научнотехнических разработок и рекомендаций в течение длительного времени на машиностроительных и ремонтных предприятиях (1992;2010 гг.).

Апробация работы. Результаты проведенных НИР и отдельные положения настоящей работы докладывались, были обсуждены и одобрены на международных научно-практических конференциях: «Экологизация^ технологий: проблемы* и решения» (Москва-Курган, 2004 г.) — «Управление качеством» в современной' организации" (Пенза, 2008 г.) — «Научные проблемы развитияремонта, технического обслуживания машин, восстановление и упрочнение деталей» (Москва, ГОСНИТИ, 2007;2008 гг.) — «Достижения науки в реализации национального проекта развития АПК» (Курган, 2006 г.) — «Достижения науки агропромышленному комплексу» (Челябинск, 2007, 2008, 2010 г.) — «Сто лет сибирской маслодельной корпорации» (Курган, 2007 г.) и др.- на республиканских научнотехнических конференциях «Совершенствование технологических процессов изготовления деталей машин» (Курган, 1991 г.) — «Интенсификация и оптимизация малоотходных процессов-*обработки металлов давлением» (Курган, 1989 г.) и др., на заседаниях НТС, техсове-тах и технических совещаниях предприятий, где проводились исследования и осуществлялось внедрение результатов (1991—1997 гг.).

Основные положения диссертации обсуждены и одобрены на расширенном заседании кафедры «Детали машин» КГСХА, на объединенном заседании кафедр «Технология и организация технического сервиса», «Эксплуатация машинно-тракторного парка», «Уборочные машины», «Электрические машины и эксплуатация оборудования в сельском хозяйстве», «Информационные технологии и моделирование», «Технология машиностроения» ЧГАА.

Публикации. Результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ и их внедрения в производство нашли отражение в 73 публикациях, в числе которых 2 брошюры, 67 статей и опубликованных докладов, 3 авторских свидетельства и 1 патент на изобретение.

Ряд работ использован в научных трудах д-ра техн. наук И. И. Манило, проф. В. П. Пономарева и др. ученых и специалистов.

Структура' и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы (331 наименование, из них 7 на иностранных языках) и 23' приложений.

Основные выводы.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Применение параметраглубины упрочнения поверхности деталей методом' ППД в ПМП в качестве критерия оптимизации обеспечивает улучшение эксплуатационных характеристик деталей по основным технологическим и производственным показателям (максимально возможное сохранение эксплуатационных свойств вала, гибкость технологии и условия техносферы ремонтных предприятий АПК, технологическая себестоимость и производительность).

2. Подтверждена научная гипотеза о существовании количественно-качественной взаимосвязи параметров структурно напряженного состояния поверхности детали (возникающего в результате одновременного протекания* процессов упруго-пластического вдавливания, индентора в поверхность вращающейся детали в месте вдавливания) с остаточными напряжениями, параметрами нагружения (усилия и скорости деформирования), характеристиками переменного магнитного поля и поверхностного слоя.детали.

3. Прекращение обработки детали в момент достижения экстремумов функций р = ОД и 1 = ОД обеспечивает оптимизацию процесса изменения глубины упрочнения, твердости и шероховатости поверхности детали.

4. Использование информации о характере изменения электросопротивления, магнитной проницаемости, температуры детали, а также величины поля напряжений в упрочняемом слое обеспечивает адаптивное управление режимами технологического воздействия и снижает риски возникновения брака при обработке детали.

5. Воздействие переменного магнитного поля на участок вала, подвергаемый поверхностному пластическому деформированию при правке пластическим изгибом, обеспечивает снижение растягивающих напряжений, повышение твердости поверхности (до 40.60%) и глубину упрочнения (до 4,5 мм), в результате чего повышается износостойкость (до 45.60%).

6. Разработанные и реализованные технические средства позволяют осуществить адаптивное управление упрочнением, отличаются простотой схемно-аппаратурного и конструктивного решения, изготовления и обслуживания, низкой стоимостью, что способствует их применению не только на специализированных РТП, но и на МТС и МТМ.

7. Происходящие при ППД в ПМП комплексные изменения структуры фазового состава и формирование эквипотенциального поля напряжений в объеме детали приводят к повышению усталостной долговечности деталей класса валов (до 40. .80%).