Забезпечення параметрів якості при формуванні частково регулярних мікрорельєфів на плоских поверхнях

Abstract

Семеген В.О. Забезпечення параметрів якості при формуванні частково регулярних мікрорельєфів на плоских поверхнях. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття ступеня доктора філософії галузі знань 13 Механічна інженерія за спеціальністю 131 Прикладна механіка. Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя МОН України, м. Тернопіль, 2026 р. У дисертаційній роботі вирішено завдання забезпечення заданих параметрів якості плоских поверхонь пари тертя (параметрів шорсткості, мікротвердості, маслоємності) шляхом визначення оптимальних геометричних параметрів частково регулярного мікрорельєфу та режимів його формування. У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та поставлено задачі дослідження. Описано наукову новизну, практичне значення отриманих результатів та особистий внесок здобувача у проведених дослідженнях. Також наведено інформацію щодо апробації результатів дослідження, структуру та обсяг дисертаційної роботи. Для реалізації мети дисертаційного дослідження у роботі поставлені та вирішені наступні задачі. На основі аналізу причин утворення експлуатаційних дефектів у вигляді задирів спричинених схоплюванням металу контактуючих поверхонь пари тертя запропоновати параметри поверхневого шару, що запобігають утворенню вказаного дефекту. Отримати аналітичні залежності для визначення відносної площі мікрорельєфу – одного з основних геометричних параметрів мікрорельєфу, що характеризує експлуатаційні властивості поверхонь з регулярними мікрорельєфами. Для реалізації мети необхідно встановити вплив геометричних параметрів мікрорельєфу (типу мікрорельєфу) та режимів його формування (швидкості подачі) на геометричні та фізико- механічні параметри якості поверхні, а також на експлуатаційні її параметри. Із геометричних параметрів якості дослідити висотні параметри шорсткості поверхні – Ra, Rz, Rak, Rmc(25%), а з фізико-механічних параметрів якості – мікротвердість поверхні в околі канавки, з експлуатаційних параметрів дослідити маслоємність поверхні з регулярним мікрорельєфом. Для проведення досліджень було проведено дві серії дослідів за методикою ANOVA, яка дозволяє встановити не лише відсотковий вплив кожного із залежних параметрів на досліджуваний параметр, але і їх взаємний вплив, який іноді виявляється досить суттєвим. Об’єктом дослідження є процес формування канавок частково регулярного мікрорельєфу на плоских поверхнях пар тертя. Предметом дослідження є взаємозв’язки між геометричними параметрами частково регулярного мікрорельєфу, режимами його формування та параметрами якості поверхні – мікротвердістю, параметрами шорсткості та маслоємністю. Основна гіпотеза роботи полягає в тому, що для забезпечення заданих експлуатаційних параметрів робочих поверхонь пар тертя необхідно забезпечити оптимальні геометричні параметри поверхі, зокрема створити частково регулярний мікрорельєф, із заданими геометричними параметрами, які забезпечать необхідну мікротвердість поверхні та параметри шорсткості, а також визначити оптимальні режими при яких вони будуть отримані. Наукова цінність полягає у визначенні впливу геометричних параметрів канавок частково регулярного мікрорельєфу, їх взаємного розміщення, а також швидкості подачі деформувального елемента на відносну площу мікрорельєфу. В першому розділі дисертаційної роботи проведено аналіз причин зміни експлуатаційних властивостей об’єктів дослідження, зокрема встановлено причини виникнення експлуатаційних дефектів в парах тертя автомобільних вузлів – безступінчастих варіаторних коробках передач та циліндро-поршневому механізму двигуна внутрішнього згорання. Встановлено, що природа та причини виникнення цих дефектів є однаковою – високі питомі тиски на поверхню пари тертя, зростання робочих температур, відсутність мастила на робочих поверхнях і як результат – схоплювання поверхонь пари тертя. Як робочу гіпотезу дисертаційного дослідження запропоновано для запобігання утворенню схоплювання ІІ роду на робочих поверхнях важко навантажених пар тертя створювати регулярні мікрорельєфи. Для цього проаналізовані основні технологічні способи та методи забезпечення експлуатаційних властивостей робочих поверхонь деталей машин. Також проведено аналіз останніх досліджень та публікацій в напрямі забезпечення експлуатаційних властивостей робочих поверхонь деталей машин технологічними методами. Проведений аналіз дозволив сформувати основні задачі дисертаційного дослідження. В другому розділі роботи описано алгоритм проведення дисертаційного дослідження. Проведено теоретичне обґрунтування параметрів регулярних мікрорельєфів, сформованих на плоских поверхнях, зокрема отримано аналітичну залежність для визначення шляху, що пройде деформувальний елемент за чверть оберту шпинделя при заданих режимах формування мікрорельєфу. Отримано аналітичні залежності для визначення відносної площі поверхні з регулярним мікрорельєфом для рельєфу з паралельними канавками, сформованого на плоских поверхнях. Встановлено умови формування мікрорельєфу в залежності від геометричних параметрів мікрорельєфу та технологічних режимів його формування. Побудовано графіки залежності відносної площі віброобкочування Fв від повздовжньої подачі інструменту, Sпз та від частоти nдв.х. осциляцій обкатників, а також графіки відносної площі віброобкочування Fв від кроку канавки tk. Розглянуто схеми формування частково регулярних мікрорельєфів з канавками, що не перетинаються (І вид), перетинаються (ІІІ вид). Побудовані графічні залежності для визначення відносної площі регулярних мікрорельєфів в залежності від геометричних параметрів мікрорельєфу, швидкості подачі інструменту та кількості подвійних ходів, як найбільш впливових параметрів на відносну площу мікрорельєфу. В третьому розділі проведено експериментальні дослідження з визначення впливу типу мікрорельєфу та режимів формування на геометричні параметри та експлуатаційні властивості поверхонь. Дяк цього було змодельовано в середовищі MathCAD та виготовлено комплект із 31 дослідного зразка, на поверхні яких сформовано регулярний мікрорельєф різних типів (І, ІІ, ІІІ) при різних швидкостях подачі (500, 1000, 1500 мм/хв). При проведенні досліджень використовували спеціально спроектований та виготовлений інструмент та оброблюючий центр з ЧПК HAAS TM 1. У якості залежних змінних було вибрано стандартизовані параметри профілю поверхні: Rzx, Rak2 та Rmc(25%). За результатами регресійного аналізу отримано регресійні залежності, що описують вплив досліджуваних параметрів. Експериментальні дослідження проведено за методикою ANOVA, яка дозволяє визначити не лише числовий вплив кожного із параметрів на досліджувані параметри але і оцінити їх взаємодії. У четвертому розділі роботи проведено експериментальні дослідження мікротвердості та мікроструктури поверхонь з частково регулярними рельєфами. Метою експериментальних досліджень було визначення впливу типу мікрорельєфу та швидкості подачі на мікроструктуру поверхневого шару та мікротвердість в околі канавки. Для проведення досліджень було виготовлено комплект дослідних зразків на поверхні яких сформовано регулярний мікрорельєф різних типів (І, ІІ, ІІІ) при різних швидкостях подачі (500, 1000, 1500 мм/хв). Мікротвердість досліджувалась як на гребенях біля напливів металу так і на дні канавок мікрорельєфу. Експериментальні дослідження також проведено за методикою ANOVA. Отримані регресійні залежності впливу типу мікрорельєфу та швидкості подачі на мікротвердість. Побудовані графіки взаємодій досліджуваних параметрів, а також встановлено розподіл мікротвердості в околі канавки мікрорельєфу. Результати досліджень показують, що мікротвердість в околі лунки розподіляється нерівномірно, а найкращий результат (з точки зору рівномірності розподілу мікротвердості) забезпечує ІІ тип мікрорельєфу.

Semehen V.O. Ensuring quality parameters when forming partially regular microreliefs on flat surfaces. – Qualifying scientific work as a manuscript. Dissertation submitted for the degree of Doctor of Philosophy in the field of knowledge 13 Mechanical Engineering, specialty 131 Applied Mechanics. Ternopil Ivan Puluj National Technical University, Ministry of Education and Science of Ukraine, Ternopil, 2026. The dissertation addresses the task of ensuring the required parameters of surface quality in friction pairs (roughness, microhardness, and oil-retaining capacity) by determining the optimal geometric parameters of partially regular microreliefs and the technological regimes of their formation. The introduction substantiates the relevance of the research, formulates its purpose, and outlines its objectives. The section presents the scientific novelty, practical significance of the obtained results, and the personal contribution of the author. Information on the approbation of the results, the structure, and the scope of the dissertation is also provided. To achieve the research objective, the following tasks were set and solved. Based on the analysis of the causes of operational defects such as scuffing resulting from metal adhesion of contacting surfaces in friction pairs, parameters of the surface layer preventing such defects were proposed. Analytical relationships were derived to determine the relative area of the microrelief – one of its main geometrical parameters that characterizes the tribological performance of surfaces with regular microreliefs. The influence of microrelief geometry (microrelief type) and its formation regimes (feed rate) on surface quality parameters (geometric and physicomechanical) and operational characteristics was established. Among geometrical quality parameters, the height roughness indices Ra, Rz, Rak, Rmc(25%) were studied; among physicomechanical quality parameters – surface microhardness near the groove; and among operational parameters – the oil-retaining capacity of the surface with regular microrelief. Two experimental series were conducted using the ANOVA methodology, which makes it possible to determine not only the percentage effect of each parameter but also their interactions, which may prove significant. Object of research: the process of groove formation of partially regular microreliefs on flat surfaces of friction pairs. Subject of research: interrelations between the geometrical parameters of partially regular microreliefs, their formation regimes, and surface quality parameters – microhardness, roughness, and oil-retaining capacity. The main hypothesis states that ensuring the required operational characteristics of friction pair working surfaces necessitates optimizing their geometrical parameters, specifically by creating partially regular microreliefs with specified geometry, which guarantee the required microhardness and roughness values, as well as determining the optimal formation regimes. The scientific value lies in determining the influence of groove geometrical parameters of partially regular microreliefs, their relative positioning, and feed rate of the deforming element on the relative microrelief area. In the first chapter of the dissertation provides an analysis of the causes of changes in operational properties of the studied objects, particularly the reasons for defects in friction pairs of automotive units such as continuously variable transmissions (CVTs) and piston–cylinder mechanisms of internal combustion engines. It was established that the origin of these defects is the same – high specific pressures on the friction pair surfaces, elevated operating temperatures, and lack of lubrication, which lead to scuffing. As a working hypothesis, it was proposed to prevent secondary adhesion (galling) on heavily loaded friction pairs by creating regular microreliefs. The chapter also analyzes the main technological approaches to enhancing the operational properties of machine part working surfaces, as well as the latest research and publications in this field, which allowed formulating the dissertation tasks. In the second chapter of the dissertation describes the research algorithm. Theoretical justification of parameters of regular microreliefs formed on flat surfaces is provided. An analytical dependence was obtained to determine the path traversed by the deforming element per quarter spindle revolution under given formation regimes. Analytical expressions were derived to calculate the relative surface area with regular microrelief (parallel grooves on flat surfaces). Conditions of microrelief formation depending on geometrical and technological parameters were established. Graphs of the dependence of the relative vibro-burnishing area Fv on longitudinal tool feed Spz and oscillation frequency nдв.х were constructed, as well as graphs of Fv dependence on groove pitch tk. Schemes of formation for partially regular microreliefs with non- intersecting grooves (Type I) and intersecting grooves (Type III) were considered. In the third chapter of the dissertation presents experimental studies on the influence of microrelief type and formation regimes on surface geometrical and operational characteristics. For this purpose, modeling was carried out in MathCAD, and 31 test samples with microreliefs of different types (I, II, III) formed at different feed rates (500, 1000, 1500 mm/min) were produced. A specially designed tool and HAAS TM 1 CNC machining center were used. The dependent variables were standardized surface profile parameters: Rzx, Rak2, and Rmc(25%). Regression analysis yielded mathematical models describing the influence of studied factors. ANOVA methodology was again applied to assess both direct and interactive effects of factors. In the fourth chapter of the dissertation is devoted to experimental investigations of microhardness and microstructure of surfaces with partially regular microreliefs. The purpose was to determine the influence of microrelief type and feed rate on the microstructure of the surface layer and groove vicinity microhardness. Test specimens with regular microreliefs of different types (I, II, III) formed at different feed rates (500, 1000, 1500 mm/min) were prepared. Microhardness was measured both at ridges and groove bottoms. ANOVA-based analysis revealed the influence of microrelief type and feed rate on microhardness. Interaction graphs were plotted, and microhardness distribution patterns near grooves were determined. Results showed non-uniform distribution, with Type II microrelief yielding the most favorable outcome in terms of uniformity.