Значительное влияние на процесс изнашивания деталей оказывает состояние их тонких поверхностных слоев [1; 10]. Наиболее часто поверхности трения и поверхностные слои формируются в ходе шлифования, являющегося финишным этапом большинства технологических процессов изготовления ответственных деталей машин. В исследованиях [2; 3; 11; 12] отмечается, что финишная обработка материала способна существенно влиять на износостойкость поверхности. Однако при этом недостаточно внимания уделяется научно обоснованному выбору условий и режимов шлифования поверхностей трения. Этому актуальному вопросу и посвящена данная статья.

Износостойкость поверхности может характеризоваться скоростью изнашивания г. Скорость изнашивания приработанной поверхности, сформированной при финишной абразивной обработке, в произвольной точке контакта можно представить в виде [2; 3]

, (1)

где с - размерный коэффициент, зависящий от условий изнашивания поверхности; k - безразмерный коэффициент износостойкости поверхностного слоя детали пары трения; p - давление в контакте; v - скорость скольжения.

Такой вид закона изнашивания приработанных поверхностей согласуется с результатами исследований А.С. Проникова, М.М. Хрущева, Д. Арчарда, Д.Г. Эванса, Д.К. Ланкастера и др.

Значение k будет определяться состоянием материала поверхностного слоя, зависящим от условий и режимов финишной абразивной обработки. Это можно объяснить тем, что обработанная поверхность внешними факторами процесса абразивной обработки (термическим и силовым) переводится в неравновесное состояние. В процессе трения материал детали в микроконтактах поверхностных слоев стремится к более равновесному состоянию благодаря наличию значительной доли дефектной фазы, сформированной при финишной абразивной обработке. Очевидно, что процесс перехода материала из неравновесного состояния (после обработки) в более равновесное (в процессе изнашивания) в основном и определяет влияние режимов шлифования на износостойкость поверхности.

В ходе исследований [2-4] были установлены следующие факторы, в наибольшей степени влияющие на структурно-фазовое состояние поверхностного слоя и комплексно характеризующие термическое и силовое воздействия абразивной обработки: - скорость деформирования материала в ходе обработки, с^-1; a_z - глубина внедрения вершин абразивных зерен в обрабатываемый материал, зависящая от режимов обработки, м; с - радиус скругления вершин абразивных зерен, м; л - интенсивность контактирования рассматриваемого участка поверхности заготовки с абразивным инструментом, с^-1. Также были проведены эксперименты, в ходе которых была получена формула для коэффициента k в виде

(2)

Здесь где - частота вращения заготовки или число рабочих ходов абразивного инструмента в единицу времени; H₀ - число контактов рассматриваемого участка поверхности заготовки с абразивным инструментом.

(3)

где е_i - интенсивность деформаций материала поверхностного слоя при обработке, зависящая от его физико-механических характеристик; L_з - длина очага деформации перед вершиной абразивного зерна в направлении вектора скорости резания V_к.

При шлифовании поверхности абразивными кругами

, (4)

где Q_ф - фактическая производительность процесса шлифования (зависит от режимов обработки и величины упругих отжатий в технологической системе); V_s - скорость подачи заготовки; H - число контактов рассматриваемого участка поверхности заготовки со шлифовальным кругом; F_с - доля вершин зерен рабочей поверхности шлифовального круга, находящихся на рассматриваемой глубине; V - объемное содержание зерен в круге; N - зернистость шлифовального круга; (1-л) - доля вершин зерен, образующих срезы; k_m - коэффициент, учитывающий фактическое число зерен на рабочей поверхности круга; k_в - коэффициент, учитывающий колебания рабочей поверхности круга относительно заготовки; q - отношение числа режущих вершин к числу абразивных зерен рабочей поверхности круга (для электрокорунда и карбида кремния зеленого эта величина соответственно равна 1,5…2,0 и 1,7…2,3); А = D_к - для плоского шлифования периферией круга; А=D_зD_к/ (D_зD_к) - для круглого наружного (+) и внутреннего (-) шлифования периферией круга; D_з, D_{к -} диаметры заготовки и шлифовального круга; K_c - коэффициент стружкообразования, равный отношению объема металла, удаляемого в виде стружки, к объему шлифовочной царапины.

Уравнения (2-4) учитывают все основные факторы процесса шлифования. Примеры расчетов по этим уравнениям представлены в [2-5].

Оценим с помощью уравнения (2) возможности финишной абразивной обработки по повышению износостойкости поверхности.

На чистовых режимах обработки ответственных поверхностей деталей обычно a_z/с составляет 0,3…0,45. При переходе на более щадящие режимы обработки и использовании специальных смазочно-охлаждающих технологических средств, облегчающих процесс стружкообразования, удается снизить соотношение a_z/с до 0,15…0,2, т.е. отношение a_z/с при финишной абразивной обработке можно менять от 1,5 до 3 раз. Подставляя эти соотношения в уравнение (2), можно установить, что износостойкость поверхности можно повысить за счет подбора режимов и условий обработки до 2-4 раз. Проведенные эксперименты (таблица) показали 2-3-кратное повышение износостойкости поверхности только лишь за счет варьирования глубины резания и времени выхаживания обрабатываемой поверхности, что доказывает возможность существенного повышения износостойкости поверхности при финишной абразивной обработке.

Таблица. Изменение износостойкости поверхности (раз) при варьировании режимов окончательного шлифования

Примечания:

1. Глубина шлифования варьировалась в пределах от 5 до 20 мкм, время выхаживания - от 0 до 5 мин.2. Испытания проводились на машине трения МИ-1М по схеме "вращающийся диск - невращающийся твердосплавный индентор" [2]

Учитывая изложенное, можно предложить следующую методику выбора и корректирования технологических режимов на существующих операциях шлифования поверхностей трения:

1. Анализ существующей технологической операции финишной абразивной обработки. В ходе анализа необходимо выяснить применяемые технологические режимы обработки и определить исходные данные для расчетов по формулам (2-4).

2. Расчет новых показателей износостойкости контактирующей поверхности (или поверхностей), обеспечивающих требуемое повышение износостойкости пары трения.

На данном этапе следует оценить влияние каждой контактирующей поверхности на износостойкость трибосопряжения в целом и рассчитать новые показатели износостойкости деталей пары трения.

Для выполнения необходимых расчетов можно использовать данные источников [6-9].

3. Определение скорости деформирования материала в ходе обработки, глубины внедрения вершин абразивных зерен в обрабатываемый материал, радиуса скругления вершин абразивных зерен и интенсивности контактирования рассматриваемого участка поверхности заготовки с абразивным инструментом. Эти величины необходимы для расчета коэффициента k износостойкости материала поверхностного слоя детали или деталей пары трения [см. уравнения (1) и (2)].

4. Корректирование технологических режимов финишного шлифования. Корректировка должна быть проведена таким образом, чтобы

, (5)

где k^*₁, k^*₂ - безразмерный коэффициент износостойкости поверхностного слоя детали до и после корректирования режимов обработки; П - требуемое изменение износостойкости поверхности вследствие корректирования режимов обработки.

Индекс 1 в неравенстве (5) относится к исходным технологическим режимам, индекс 2 - к скорректированным режимам обработки.

Если неравенство (5) выполняется, то следует выполнить проверочные расчеты новых режимов финишной абразивной обработки, в противном случае необходимо продолжить корректировку технологических режимов финишной обработки.

5. Проверочные расчеты выбранных условий и режимов абразивной обработки, вызванные необходимостью обеспечения заданных точности и шероховатости поверхности, отклонения формы поверхности и недопущения прижогов. Необходимый материал для проведения таких расчетов представлен в [1-5].

Рассмотрим на конкретном примере процесс выбора и корректирования режимов финишного абразивного шлифования наружной цилиндрической поверхности трения.

Требуется увеличение в 1,5 раза износостойкости шарнирного соединения механизма управления трактора Т-20 (рисунок). Ведущий вид изнашивания сопряжений шарнира - усталостный. Поверхность трения (50120 мм) оси цилиндрического шарнира из стали 35ХГСА (40…45 НRC) формируется при круглом наружном шлифовании. Припуск под шлифование составляет 0,15 мм на сторону. Для обработки применяется круг 1-30040127 24АF46L6V. Режимы абразивной обработки следующие: скорость вращения круга V_к =30 м/с; скорость вращения заготовки V_з=30 м/мин; поперечная подача шлифовального круга (глубина шлифования) t_ф=0,01 мм/ход; продольная подача стола станка V_s=0,3 м/мин. Амплитуда колебаний шлифовального круга относительно обрабатываемой заготовки A=2 мкм. Охлаждение осуществляется свободным поливом эмульсией "Укринол-1М".

Рис. Шарнир механизма управления трактора Т-20

В ходе анализа конструкции шарнира установлено, что отношение скоростей изнашивания его втулки и оси составляет 5/4. Тогда для повышения износостойкости сопряжения в 1,5 раза необходимо уменьшить скорость изнашивания оси шарнира в 2 раза. Это можно осуществить путем изменения режимов финишного шлифования. Изменения должны быть проведены таким образом, чтобы

,

где г_1, г_{2 -} скорость изнашивания шлифованной поверхности до и после корректирования режимов обработки [см. уравнения (1) и (2)]; k₁, k₂ - безразмерный коэффициент износостойкости поверхностного слоя оси шарнира до и после корректирования режимов обработки.

Расчеты по уравнениям (2-4) показали, что для исходных режимов обработки а_z1 = 7,5 мкм, с₁=25 мкм, =5,6·10⁵с^-1, л₁=82с^-1.

деталь машина финишное шлифование износостойкость

Если снизить глубину шлифования до 6 мкм и применить в конце обработки выхаживание поверхности оси шарнира в течение 1 минуты, то а_z2=5 мкм, с₂=25 мкм, =4,8·10⁵с^-1, л₂=140с^-1.

Подставляя полученные данные в последнее уравнение, получим

Проведенные исследования показывают, что при новых режимах обработки износостойкость поверхности оси шарнира увеличится в 2,1 раза.

Проверочные расчеты подтвердили обеспечение заданного качества и точности обработки поверхности трения при шлифовании на новых режимах.

В заключение следует отметить, что за счет выбора рациональных режимов финишной обработки возможно повышение износостойкости поверхности до 3 раз. Для повышения износостойкости деталей машин следует формировать поверхностные слои с малым градиентом упрочнения в условиях бесприжоговой обработки. Это достигается снижением глубины резания, включением в цикл обработки выхаживающих ходов абразивного инструмента, снижением вибраций в технологической системе, применением смазочно-охлаждающих средств, облегчающих стружкообразование.

Рассмотренную методику выбора режимов обработки целесообразно применять при изготовлении деталей машин и механизмов, работающих в условиях усталостного изнашивания. Если требуется повышение износостойкости более чем в 3 раза, то следует рассмотреть другие методы конструкторско-технологического обеспечения и повышения износостойкости рассматриваемой поверхности детали, поскольку варьированием режимов шлифования нельзя достичь такого эффекта.

Список литературы

1. Суслов, А.Г. Инженерия поверхности деталей/ А.Г. Суслов, В.Ф. Безъязычный, Ю.В. Панфилов [и др.]; под ред.А.Г. Суслова. - М.: Машиностроение, 2008. - 320 с.

2. Бишутин, С.Г. Износостойкость сформированных при шлифовании поверхностных слоев деталей машин/ С.Г. Бишутин, М.И. Прудников; под ред. С.Г. Бишутина. - Брянск: БГТУ, 2010. - 100 с.

3. Бишутин, С.Г. Качество и износостойкость шлифованных поверхностей деталей автомобилей/ С.Г. Бишутин. - Брянск: Десяточка, 2011. - 100 с.

4. Бишутин, С.Г. Структурирование поверхностных слоев деталей при финишной абразивной обработке/ С.Г. Бишутин. - Брянск: БГТУ, 2009. - 100 с.

5. Бишутин, С.Г. Обеспечение требуемой совокупности параметров качества поверхностных слоев деталей при шлифовании / С.Г. Бишутин. - М.: Машиностроение-1, 2004. - 144 с.

6. Крагельский, И.В. Узлы трения машин /И.В. Крагельский, Н.М. Михин. - М.: Машиностроение, 1984. - 280 с.

7. Мышкин, Н.К. Трение, смазка, износ. Физические основы и технические приложения трибологии/ Н.К. Мышкин, М.И. Петроковец. - М.: Физматлит, 2007. - 368 с.

8. Проников, А.С. Надежность машин/ А.С. Проников. - М.: Машиностроение, 1978. - 480 с.

9. Крайнев, А.Ф. Конструирование машин: справ. - метод. пособие: в 2 т. / А.Ф. Крайнев, А.П. Гусенков, В.В. Болотин [и др.]; под ред. К.В. Фролова. - М.: Машиностроение, 1994. - Т.2. - 624 с.

10. Прогрессивные инструменты и технологии шлифования: коллективная монография /Под ред. А.В. Киричека. - М.: Издательский дом СПЕКТР, 2013. - 320 с.

11. Зубарев, Ю.М. Плоское шлифование. Оборудование, оснастка, технологии / Ю.М. Зубарев, В.Г. Юрьев, В.В. Звоновских // Справочник. Инженерный журнал. Приложение. - 2014. - № 11. - С.1 - 24.

12. Зубарев, Ю.М. Плоское шлифование. Оборудование, оснастка, технологии (продолжение) / Ю.М. Зубарев, В.Г. Юрьев, В.В. Звоновских // Справочник. Инженерный журнал. Приложение. - 2014. - № 12. - С.1 - 24.

Размещено на Allbest.ru