Анотація до роботи:

Клименко О.Д. Підвищення довговічності силових зубчастих передач вібраційно-відцентровою зміцнювальною обробкою. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук із спеціальності 05.02.08 - технологія машинобудування. - Національний університет “Львівська політехніка”. - Львів, 2004.

Робота присвячена підвищенню надійності та довговічності циліндричних зубчастих коліс силових передач методом зміцнення бокової поверхні їх зубів розробленою вібраційно-відцентровою зміцнювальною обробкою. На основі теоретичного та експериментального дослідження динаміки зміцнювача відцентрової дії розроблено новий метод поверхневого зміцнення із підвищеним рівнем енергії деформування матеріалу, а також необхідне обладнання для високопродуктивної зміцнювальної обробки.

Досліджено вплив конструктивних параметрів зміцнювачів на силу деформування і технологічних параметрів процесу - на показники якості зміцнювальної обробки. Розроблено принципові схеми конструкцій зміцнювачів з деформівними тілами - сталевими кульками та з деформівними елементами спеціальної форми. Створено методику розрахунку і проектування засобами обчислювальної техніки зміцнювачів та вібромашин для реалізації процесу.

1. Сучасні технологічні процеси виготовлення зубчастих коліс силових передач зорієнтовані в основному на забезпечення геометричної точності профілю зубів і недостатньо ефективні щодо формування необхідних фізико-механічних властивостей матеріалу зубів, зокрема його зносостійкості, опорам втомі та викришуванню, які є визначальними стосовно надійності та довговічності зубчастих передач. Наявні в процесах оздоблювально-викінчувальні операції покращують, переважно, лише чистоту поверхні, обмежено використовувані зміцнювальні операції, через недостатню енергію деформування, не забезпечують необхідного напружено-деформівного стану матеріалу. Це зумовлює потребу у розробці та грунтовному дослідженні нових методів зміцнювальної обробки матеріалу робочих поверхонь зубів, спроможних на етапі виготовлення зубчастих коліс формувати стійкий до зношування мікрорельєф поверхні зубів у поєднанні з покращенням властивостей матеріалу в приповерхневих шарах стосовно їх опору руйнуванню.

2. Розробленому методу вібраційно-відцентрового зміцнення циліндричних зубчастих коліс властиве поєднання високої продуктивності (до 100 коліс за годину) із значною (до 100 Дж) енергією деформування матеріалу робочої бокової поверхні зубів. Джерелом енергії деформування є обкочувальний рух масивних обкатників, який ідентичний рухові незрівноважених мас планетарних віброзбудників, ініційований вібраціями. Механічна коливна система в цілому являє собою пружно встановлену платформу із розміщеними на ній незалежними планетарними та дебалансними віброзбудниками, рух якої описують лінійні рівняння теорії синхронізації механічних віброзбудників.

3. В результаті розв`язку системи рівнянь синхронного руху коливної механічної системи із незалежними віброзбудниками отримано залежність для визначення сили взаємодії обкатників із деформівними елементами зміцнювачів відцентрової дії. Ця сила пропорційна масі та ексцентриситету обкатника і квадрату кругової частоти коливань привідного тіла - зміцнюваного зубчастого колеса.

З дотриманням умов синхронних рухів незрівноважених обертових і обкатних мас дебалансних та планетарних віброзбудників встановлено умови самозбурення і стійкого підтримування обкочувального руху обкатників зміцнювачів відцентрової дії. Самозбурення обкатування відбувається за умови перевищення амплітуди коливань привідного тіла певного критичного значення А_min, що залежить від ексцентриситету обкатника і сил опору обкочувальному руху.

4. Використовуючи методику тензометрії експериментально встановлено залежність сили деформування матеріалу бокової поверхні зубів в процесі ВВЗК від конструктивних параметрів обкатника. Цим підтверджено результати теоретичного дослідження, якими встановлено, що маса і ексцентриситет обкатника прямопропорційно впливають на силу деформування, збільшуючи її при своєму нарощенні, а частота коливань зміцнюваного зубчастого колеса - у квадратичній залежності. Залежно від конструктивних параметрів обкатника зміцнювача сила деформування сягає Р = 8 - 10 кН. Розбіжність між теоретично встановленими значеннями сили деформування і експериментально визначеними у разі використання деформівних елементів не перевищує 10%, а при застосуванні сталевих загартованих кульок - 15%, що є підставою для використання теоретичних залежностей в інженерних розрахунках конструктивних параметрів зміцнювачів вібраційно-відцентрової дії.

5. Експериментально встановлено, що найістотніший вплив на товщину зміцненого шару в процесі ВВЗК мають сила деформування і площа контакту деформівних тіл із зміцнюваною боковою поверхнею зуба. Із збільшенням сили товщина зміцненого шару зростає, із збільшенням площі контакту - зменшується. При застосуванні деформівних елементів визначено оптимальну кількість повторних проходів (n = 23), при зміцненні сталевими кульками - оптимум тривалості зміцнення обумовлений твердістю матеріалу зміцнюваного зубчастого колеса. Експериментально встановлені значення товщини зміцненого шару (1,2 - 1,5 мм при зміцненні деформівними елементами, 0,75 - 0,8 мм – при обробленні сталевими кульками) близькі до розрахованих за теоретичною залежністю. Це підтверджує можливість використання залежностей у проектуванні технологічних процесів вібраційно-відцентрового зміцнення зубчастих коліс.

6. Визначальний вплив на рівень і характер розподілу у приповерхневих шарах зміцненого ВВЗК матеріалу залишкових напружень стиску мають не окремо взяті сила деформування Р чи площа контакту деформівних тіл із боковою поверхнею зуба S_к, а їх співвідношення . Найвищі значення залишкових напружень (s_о = 1300 - 1350 МПа для сталі 45 низької групи твердості; s_о = 1500 - 1650 МПа для сталі 40Х середньої групи твердості; s_о = 2000 - 2500 МПа для сталі 40ХН2МА високої групи твердості) забезпечуються за співвідношення = (0,75 - 0,85)s_т, а із збільшенням чи зменшенням цього значення вони зменшуються. Максимум залишкових напружень забезпечується після 2 - 3 повторних проходів і 10 – 15 хвилин зміцнення, залежно від твердості матеріалу.

7. Шорсткість зміцненої бокової поверхні зубів, як і рівень залишкових напружень, не залежно від попередньої перед зміцненням обробки (зубофрезерування чи зубошліфування), обумовлена співвідношенням . Вона є найнижчою для співвідношення (0,75 - 0,85)s_т і зростає при виході за вказаний діапазон. Якщо зміцненню ВВЗК передує зубофрезерування із початковою шорсткістю R_z = 25 - 30 мкм внаслідок зміцнення за оптимальних технологічних параметрів шорсткість при використанні деформівних елементів зменшується до R_a = 2 - 2,5 мкм, а при застосуванні кульок - до
R_a = 1,25 - 1,5 мкм. При зміцненні шліфованих бокових поверхонь зубів із початковою шорсткістю R_a = 0,25 - 0,63 мкм шорсткість зміцненої поверхні зростає відповідно до R_a = 1,5 - 2,0 мкм і до R_a = 1,0 - 1,25 мкм.

8. Порівняльні стендові натурні випробування еталонних зубчастих коліс із сталей 45 та 40Х, виготовлених за типовим технологічним процесом, при їх зачепленні із зубчастими колесами, процес виготовлення яких включав додаткову зміцнювальну операцію ВВЗК сталевими загартованими кульками, засвідчили зменшення в середньому на 40 - 45% зношуваності матеріалу зміцнених зубів, яку оцінювали за величиною зменшення товщини зуба на ділянці ділильного кола. Випробування проводили в оливному середовищі на базі 10⁶ циклів.

9. Оскільки головним робочим рухом процесу ВВЗК є рух обкочування масивного обкатника по деформівних тілах, основою якого є підтримання обертання тіла при гармонійних коливаннях його осі, яка самозбурюється і стабільно підтримується вібраціями, технологічним оснащенням для промислового використання процесу ВВЗК можуть бути спеціалізовані вібраційні машини. Запропонований варіант конструкції передбачає одночасну зміцнювальну обробку до 100 штук зубчастих коліс з діаметром ділильного кола до 250 мм). Вібромашина не складна за конструкцією і проста в експлуатації, передбачає можливість регулювання технологічних параметрів процесу, механізацію зміцнювальної операції.

10. Розроблена методика розрахунку вібраційних машин та зміцнювачів ВВЗК дає змогу здійснювати розрахунок всіх основних вузлів та складових елементів цього оснащення, зокрема пружної підвіски, віброзбудників, двигунів приводу, межі регулювання технологічних параметрів. Створене на її основі відповідне програмне забезпечення для ЕОМ спрощує розрахунки вібромашини для різних варіантів їх конструкції залежно від розмірів зміцнюваних зубчастих коліс.

Основний зміст дисертаційної роботи викладений у таких публікаціях:

1. Афтаназив И.С., Берник П.С., Сивак Р.И., Клименко А.Д. Вибрационно-центробежная упрочняющая обработка деталей машин. – Винница: ВДАУ, 2002. – С.235.

2. Клименко О.Д. Оптимізація конструктивних параметрів вібраційно-відцентрового зміцнювача зубчастих коліс //Вісник НУ ”Львівська політехніка”, 2003, № 480. – С. 58-68.

3. Афтаназів І.С., Струтинська Л.Р., Клименко О.Д. Ефективність зміцнення зубчастих коліс вібраційно-відцентровою зміцнювальною обробкою //Розвідка та розробка нафтових і газових копалин. Всеукраїнський щоквартальний наук.-техн. журнал, 2003, №2(7). – С. 22-28.

4. Афтаназів І.С., Клименко О.Д. Підвищення надійності зубчастих коліс вібраційно-відцентровим зміцнювальним оброблюванням //Вісник НТУУ “Київський політехнічний інститут”, Машиностроение, 2002, №43. – С. 74-77.

5. Афтаназів І.С., Юрчишин І.І., Клименко О.Д. Вплив технологічних параметрів процесу ВВЗК на чистоту зміцненої бокової поверхні зубів //Збірник наукових праць Донбаської державної машинобудівної академії “Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем”. Випуск 14. – Краматорськ, 2003. – С. 106-118.

6. Афтаназів І.С., Клименко О.Д. Аналіз і перспективи застосування ППД для підвищення надійності зубчастих коліс силових передач //Вісник Технологічного університету Поділля. Частина 3. Соціально-гуманітарні, психолого-педагогічні науки. Хмельницький, 2002, №4. – С. 131-137.

7. Афтаназів І.С., Клименко О.Д. Підвищення опору зношуванню матеріалу зубців зубчастих коліс вібраційно-відцентровим зміцнювальним обробленням. Тези доповідей 6-го міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові. – Львів, 2003. – С. 105.