студент с 01.01.2018 по 01.01.1920
Белгород, Россия
Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
Современные технологии являются важнейшей составляющей любого государства. Благодаря прогрессивным технологиям сегодня возможно создавать любые механизмы на уровне атомов и молекул. Для производства машин, агрегатов и отдельных их составных частей используются новые наноматериалы и нанотехнологии, которые позволяют многократно и с высокой эффективностью снижать трения, защищать детали от повреждений, экономить энергию, повышать надежность деталей машин в целом. Практически в любом механизме существуют отдельные детали, которые фокусируют на себе основную нагрузку. В нашем исследовании такой деталью является цанга зажимная из стали 65Г. Применительно к ней и был предложен метод плазменного силицирования для упрочнения ее внутренней поверхности. Так как повышение именно этой характеристики позволит увеличить срок ее эксплуатации, а значит обеспечит более надежную работу как отдельного механизма, так и производства в целом. Что в конечном счете позволит предприятию стать экономически эффективным и конкурентоспособным. В работе исследовалась величина влияния внедрения атомов кремния в поверхностный слой детали на такие характеристики как износостойкость и долговечность. Исследования и последующая обработка результатов с помощью программного пакета для статистического анализа Statistica, показали увеличение прочностных характеристик в 2,6 раза.
нанотехнологии, цанговый зажим, износостойкость, плазменное силицирование.
Многочисленные исследования показывают, что до 70–80 % отказов машин происходит по причине износа их отдельных поверхностей, деталей в составе механизма, что в последствии влечет ремонт машин и оборудования, ежегодное расходование средств, выпуск большого количества запасных частей и др. Так, например, в конструкции цангового зажимного механизма наиболее «слабым» звеном является сама цанга. Именно она имеет тенденцию изнашиваться быстрее, чем сам механизм, так как обычно изготавливается из более мягкого металла и принимает на себя наибольшую нагрузку в процессе эксплуатации. Таким образом, чтобы обеспечить длительную и бесперебойную работу целого механизма, необходимо обеспечить высокую износостойкость и надежность при производстве каждой его составляющей единицы. Это и будет являться залогом качества механизмов и машин [1-8].
Развитие современных технологий нанесения защитных покрытий позволяет получать впечатляющие результаты по повышению износостойкости металла. Использование покрытий на основе различных соединений толщиной не более 2 мкм обеспечивает значительный запас выносливости металла, тем самым гарантирует функциональные свойства детали и обеспечивает высокий уровень сопротивления изнашиванию в определенных условиях трения. Одним из способов нанесения защитного покрытия является метод плазменного силицирования. В основе данной производственной технологии лежит процесс плазмохимического осаждения на поверхность изделия и внедрения в нее атомов (кластеров, наночастиц) кремния из газовой фазы с помощью ВЧИ-генератора (высокочастотный индукционный). Источником упрочняющего материала – кремния служит жидкое кремнийорганическое соединение ТЭОС – химическое соединение тетраэтоксисилан (C2H5O)4Si. Поток плазмы, несущий атомы кремния, на высокой скорости соударяется с поверхностью обрабатываемого изделия, в результате чего и происходит ее упрочнение. Основное назначение процесса силицирования – повышение износостойкости, защита от коррозии при воздействии агрессивных сред и повышение жаростойкости.
Получаемое в процессе силицирования прозрачное диффузионное покрытие с повышенной адгезионной прочностью к подложке за счет проникновения кремния вглубь до 50 нм состоит из многослойного гидрогенизированного аморфного кремния (a-Si:H), внешний слой которого функционализирован углеводородными соединениями, имеющими ковалентную связь с предшествующим слоем. Получаемое покрытие позволяет достичь высокой химической инертности поверхности по сравнению с аналогами и используется для обнаружения агрессивных веществ с повышенной точностью. Покрытие в основном является прозрачным и имеет толщину менее 2 мкм. Высокая скорость напыления частиц (800 – 1000 м/с и более) позволяют формировать покрытие преимущественно без его расплавления.
Цель данного научного исследования заключается в том, чтобы, используя вышеизложенную методику применительно к цанге зажимной, увеличить износостойкость ее внутренней поверхности, а значит и срок службы в целом.
В эксперименте были использованы стандартные цанги зажимные, изготовленные из стали марки 65 Г, обладающей достаточно высокими прочностными характеристиками. Однако в связи с повышенным износом внутренней поверхности лепестков цанги проблема выдержать требуемое количество эксплуатационных циклов (закреплений) сохранялась, что снижало эксплуатационный ресурс детали [9].
За основу эксперимента были взяты параметры технологического процесса, использованные при проведении плазменного силицирования формообразующих поверхностей матриц [10]. Поверхность детали перед упрочняющей обработкой обезжиривалась ацетоном и при необходимости удалялась окисная пленка. В качестве плазмообразующего газа был использован аргон. Источником упрочняющего материала (кремния) служило жидкое кремнийорганическое соединение тетраэтоксисилан. Рабочая частота, создаваемая ВЧИ-генератором, составляла 1 МГц при потребляемой мощности в пределах 35...40 кВт. Скорость плазменного потока (ламинарный), имеющего температуру 8773 К, составляла 20...40 м/с. Диаметр пятна прижога в области контакта плазменной струи с поверхностью на расстоянии 45...60 мм от среза составлял около 60 мм. Смесь газа-носителя аргона с парами тетраэтоксисилана готовилась в герметически закрытой металлической термостатированной (∼363К) емкости, в которой находился жидкий тетраэтоксисилан и через которую с помощью заглубленной трубки барботировал аргон. Эта газообразная смесь подавалась в газооформитель плазмотрона и дальше в образующийся внутри него плазмоид, где и происходило разложение тетраэтоксисилана с выделением атомарного кремния. Поток плазмы, несущий атомы кремния, на высокой скорости соударялся с поверхностью обрабатываемого изделия, внедряя в нее наночастицы металла, что приводило к ее упрочнению.
Экспериментальные образцы устанавливались в патрон токарного станка с ЧПУ, который совершает в автоматическом режиме вращательные движения с заданной скоростью (рис. 1.)
Рис.1. Схема процесса плазменного силицирования
При проведении эксперимента были выбраны несколько параметров варьирования процесса:
S – (х1) скорость плазменного потока (ламинарный) составляла 20...40 м/с;
T – (х2) время плазменного силицирования 30...60 с;
N – (х3) количество полных оборотов патрона (проходов) 2...6.
В ходе эксперимента было обработано 15 деталей (цанг), с различными параметрами техпроцесса.
Затем методом вдавливания алмазной пирамиды определялся показатель их износостойкости, т.е. количество закреплений (рабочих циклов) n [11,12]. Результаты исследований сведены в таблицу 1.
Таблица 1
Параметры техпроцесса
|
|
S |
T |
N |
n |
|
1 |
20.000 |
30.000 |
4.000 |
1800 |
|
2 |
40.000 |
30.000 |
4.000 |
2600 |
|
3 |
20.000 |
60.000 |
4.000 |
2700 |
|
4 |
40,000 |
60,000 |
4.000 |
3100 |
|
5 |
20,000 |
45.000 |
2,000 |
2550 |
|
6 |
40,000 |
45,000 |
2,000 |
2900 |
|
7 |
20.000 |
45.000 |
6.000 |
2600 |
|
8 |
40.000 |
45.000 |
6.000 |
2800 |
|
9 |
30,000 |
30.000 |
2.000 |
2500 |
|
10 |
30.000 |
60.000 |
2.000 |
2700 |
|
11 |
30.000 |
30.000 |
6.000 |
2400 |
|
12 |
30.000 |
60.000 |
6.000 |
2800 |
|
13 |
30.000 |
45.000 |
4.000 |
2700 |
|
14 |
30.000 |
45.000 |
4.000 |
2600 |
|
15 |
30.000 |
45.000 |
4.000 |
2650 |
Работоспособность цанги считается удовлетворительной, если она способна закрепить не менее 100 000 заготовок (n=100000 – при обычной термообработке поверхности). Для уменьшения трудоемкости эксперимента уменьшим показатель стандартного количества закреплений до n=1000. На основании полученных данных и располагая установочными характеристиками, применив программный пакет для статистического анализа Statistica и использовав в нем функцию полного факторного эксперимента (ПФЭ) была установлена зависимость износостойкости и факторов процесса плазменного силицирования (рис. 2-7) [13,14].
|
|
|
|
Рис. 2. Диаграмма Парето |
Рис.3. Зависимость износостойкости (n) от количества полных оборотов (N) |
|
|
|
|
Рис.4. Зависимость износостойкости (n) от скорости плазменного силицирования (S) |
Рис.5. Зависимость износостойкости (n) от времени плазменного силицирования (T) |
Рис.6. Поверхность отклика Рис.7. Диаграмма разброса
На основании анализа полученных результатов, можно сделать вывод о том, что на характер износостойкости внутренней поверхности лепестков цанги зажимной из выбранных факторов наибольшее влияние оказывают только два параметра: скорость плазменного потока (х1) и время плазменного силицирования (х2) (табл. 2, рис.6). Причем зависимость является линейной, т.е. при увеличении входных величин возрастает выходная величина – износостойкость (рис.4-5).
По результатам ПФЭ было получено уравнение регрессии описывающее модель:
n = 1233 + 21,9X1 + 16,7X2
Таблица 2
Оценка эффективности факторов силицирования
|
Фактор |
Эффект |
Станд. ошибка |
t (8) |
P |
+95% |
+95% |
Коэф. |
Коэф. станд. ошибки |
95% |
95% |
|
Среднее/ Свобод. член |
2620.833 |
44.9247 |
58.33835 |
0.00000 |
2517 237 |
2724 430 |
2620 833 |
44 92471 |
2517 237 |
2724. 430 |
|
S(L) |
437.500 |
110 0426 |
3.97573 |
0.004086 |
183 741 |
691 259 |
218.750 |
55 02130 |
91.871 |
345.629 |
|
S(Q) |
-6 250 |
80.9892 |
-0.07717 |
0.940383 |
-193.011 |
180.511 |
-3.125 |
40.49458 |
-96 506 |
90.256 |
|
(2)T(L) |
500 000 |
110.0426 |
4 54369 |
0.001890 |
246 241 |
753.759 |
250 000 |
55.02130 |
123.121 |
376.879 |
|
T(Q) |
106 250 |
80 9892 |
1.31190 |
0.225945 |
•80.511 |
293.011 |
53.125 |
4049458 |
-40.256 |
146.506 |
|
(3)N(L) |
-12.500 |
110.0426 |
-0.11359 |
0.912360 |
-266 259 |
241.259 |
-6.250 |
55.02130 |
-133.129 |
120.629 |
|
N(Q) |
-56 250 |
80.9892 |
-0.69454 |
0.507011 |
-243.011 |
130.511 |
-28.125 |
40.49458 |
-121.506 |
65.256 |
Таблица 3
Результаты регрессионного анализа
|
N=15 |
b* |
Станд. ошибка или b* |
b |
Станд. ошибка или b |
t(11) |
p-критерий |
|
Свобод. переменная |
|
|
1232.917 |
253.6229 |
4.861220 |
0.000502 |
|
S |
0 580929 |
0.141890 |
21.875 |
5.3429 |
4.094231 |
0.001777 |
|
T |
0.663918 |
0.141890 |
16.667 |
3.5619 |
4.679122, |
0.000673 |
|
N |
-0.016598 |
0.141890 |
-3.125 |
26.7144 |
-0.116978 |
0.908986 |
Благодаря полученной модели возможно регулирование технологического процесса плазменного силицирования и прогнозирование износостойкости детали (табл.3) [15].
Совокупность полученных в ходе эксперимента результатов, позволяет сделать вывод о том, что при обработке поверхности цанги зажимной методом плазменного силицирования срок ее службы увеличивается в среднем в 2,6 раза. Полученный результат позволяет утверждать об увеличении износостойкости детали в процессе эксплуатации, что в конечном итоге дает возможность сэкономить финансовые ресурсы, время на замену вышедших из строя деталей, уменьшить простои производства, а главное, повысить качество производимой продукции [16-20].
1. Гурьев А.М., Иванов С.Г., Гурьев М.А., Черных Е.В., Иванова Т.Г. Химико-термическая обработка материалов для режущего инструмента // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2015. № 8 (58). С. 578-582
2. Богодухов С.И. Технологические процессы машиностроительного и ремонтного производства. Старый Оскол: ТНТ, 2015. 464 с.
3. Ильященко Д.П. Исследование химического состава и микроструктуры сварных соединений из стали 12Х18Н10Т, выполненных по различным технологическим схемам // Современные наукоемкие технологии. 2015. № 2. С. 73-76.
4. Крушенко Г.Г., Решетникова С.Н. Применение и перспективы развития нанотехнологий//Вестник СибГАУ. 2007. Вып. 3. С. 103-106.
5. Крушенко Г.Г., Москвичев В.В., Буров А.В. Повышение износостойкости чеканочного инструмента плазменным силицированием. Технология машиностроения. 2004. № 5. С. 27-28.
6. Biswajit Das, Susmita Roy, Rai R.N., Saha S.C. Studies on Effect of Cutting Parameters on Surface Roughness of Al-Cu-TiC MMCs: An Artificial Neural Network App roach // Procedia Computer Science. 2015. Vol. 45. Pp. 745-752.
7. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки.М.: Машиностроение, 1981. 279 c.
8. Gök K., Gök A., Bilgin M.B. Finite Element Modeling as Three Dimensional of Effect of Cutting Speed in Turning Process // Journal of Engineering and Fundamentals. 2014. №1 (1). Pp. 11-22.
9. Справочник конструктора-инструментальщика: Под общ. ред. В.И. Баранчикова. М.: Машиностроение, 1994. 560с.
10. Крушенко Г.Г., Решетникова С.Н. Применение нанотехнологий для повышения физико-механических характеристик поверхности металлоизделий // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета им. академика М.Ф. Решетнева. 2008. Выпуск 3(20). С. 113-117.
11. Романцов Р.С., Чернышева Е.В. Сущность метода вдавливания алмазной пирамиды при исследовании характера износа губок цанги зажимной // В сборнике: Наука молодых - будущее России сборник научных статей 3-й Международной научной конференции перспективных разработок молодых ученых: в 6 т. 2018. С. 257-261
12. Чернышева Е.В., Серых И.Р. Основы научных исследований, планирование и организация эксперимента: учебное пособие. Белгород: Изд-во БГТУ, 2014. 103 с.
13. Справочник технолога-машиностроителя: в 2-х т. Т.2. Под ред. А.М. Дальского, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова. 5-е изд., исправл. М.: Машиностроение. 2003. № 1. 944 с.
14. Дальский А.М. Цанговые зажимные механизмы. Изд-во М. Машиностроение, 1966. 350 c.
15. Чернышёва Е.В., Тищенко А.В. Управление качеством как фактор успеха предприятия в конкурентной борьбе // Актуальные проблемы менеджмента качества и сертификации: сб. докл. VI межд. научн.пр. интернет-конференции. 2016. с. 184-188.
16. Svyazhin A.G., Siwka J., Kaputkina L.M. High-nitrogen steels - The current state and development trends // Proceed. Int. Conf. Advanced Steels. - China, Beijing. Metallurgical Industry Press. 2010. Pp. 352-356.
17. Mareš M., Horejš O. Modelling of Cutting Process Impact on Machine Tool Thermal Be-haviour Based on Experimental Data // Procedia CIRP. 2017. Vol. 58. Pp. 152-157.
18. Development of a Method for Calculating the Thickness of Thermal-Spray Aluminum Coating Used to Protect Low-Alloy Steel During Heating for Rolling. A. G. Radyuk, A. A. Gerasimova // Metallurgist, Vol. 62, No. 1-2, May, 2018 (Russian Original No.1-2, 2018) P. 176-180.
19. Статинов В.В., Серых И.Р., Чернышева Е.В., Дегтярь А.Н. Риск-ориентированный подход в области промышленной безопасности // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2018. №12. С. 6-12.
20. Чернышева Е.В., Серых И.Р., Статинов В.В., Чернышева А.С. Актуальные проблемы промышленной безопасности // Zbornik radova: visoka tehnička škola strukovnih studija. Niš. Serbia. 2016. С. 164-165.
