Установление влияния технологических методов обработки на триботехнические свойства поверхностей деталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

УСТАНОВЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ НА ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ

М.И. Прудников

Аннотация

цилиндрический триботехнический износостойкость поверхность

Рассмотрены вопросы нормализации и автоматизации триботехнических испытаний для одноступенчатого решения задачи технологического обеспечения износостойкости. Предложен и обоснован метод испытаний цилиндрических поверхностей трения, а также его реализация в виде автоматизированной системы научных исследований. Приведены результаты экспериментальных исследований.

Ключевые слова: автоматизация, база данных, технологическое обеспечение, триботехнические испытания.

Основная часть

На сегодняшний день трибометрия является основным источником получения данных по триботехническим показателям. В условиях постоянно увеличивающегося количества триботехнических материалов и технологических методов обработки поверхностей трения возникает необходимость систематизации данных, полученных средствами трибометрии, организации автоматизированных баз данных, информационно-поисковых и экспертных систем. При создании баз данных всегда встает вопрос о сопоставимости результатов различных экспериментальных исследований. В трибологии отсутствуют инвариантные, т.е. не зависящие от методов и режимов их определения, показатели. В связи с этим необходима разработка единых научно обоснованных и совершенных с технической точки зрения методов триботехнических испытаний.

Большинство существующих стандартных методов предназначены для оценки износостойкости материалов в условиях различных видов абразивного изнашивания, однако ряды износостойкости материалов при различных видах изнашивания не имеют однозначной корреляции.

Фактически существующие стандартизованные методы лабораторных испытаний предназначены для оценки триботехнических свойств материалов. Поэтому в методике, как правило, заранее оговаривается способ подготовки испытуемой поверхности образца. Однако машины с одинаковыми конструктивными схемами, деталями из одних и тех же материалов часто имеют различную надежность. В настоящий момент актуально рассмотрение триботехнических свойств поверхности трения, получившей определенное технологическое воздействие. Для предварительной оценки возможности использования материала или метода обработки поверхности детали в узле трения важно иметь набор информативных характеристик поведения поверхности трения в некоторых заранее оговоренных и научно обоснованных стандартизованных условиях трения и смазки.

Реализация перспективного одноступенчатого решения задачи технологического обеспечения износостойкости сдерживается из-за отсутствия базы данных по зависимости триботехнических показателей от условий обработки трибоэлементов [3].

Установлено, что из-за отсутствия единого метода испытаний поверхностей трения применительно к условиям трения скольжения при граничной смазке и усталостном изнашивании результаты различных экспериментальных исследований оказались несопоставимы: поверхности, обработанные при одних и тех же технологических условиях, по данным различных исследований, имеют износостойкость, отличающуюся в десятки раз [4]. Поэтому в Учебно-научном технологическом институте Брянского государственного технического университета был разработан нормализованный метод триботехнических испытаний поверхностей [1].

Сущность метода заключается в том, что при испытаниях с постоянной нагрузкой и скоростью скольжения к вращающейся испытуемой цилиндрической (наружной или внутренней) или плоской поверхности образца (рис. 1), погруженной в смазочный материал, прижимают неподвижный самоустанавливающийся индентор; непрерывно и синхронно регистрируют время испытания, коэффициент трения, линейный износ, температуру у поверхности трения; повторяют испытания на новых участках трибоконтакта (или на идентичных образцах) при заданном времени и по их результатам определяют показатели триботехнических свойств (табл. 1). Режим приработки идентифицируется по комплексной стабилизации скорости изнашивания, коэффициента трения и температуры.

а) б) в)

Рис. 1 Схемы трения при испытаниях поверхностей: а - наружных цилиндрических; б - внутренних цилиндрических; в - торцовых (плоских)

Таблица 1

Показатели триботехнических свойств, определяемые по результатам испытаний

Нормализованный метод разработан на основе концепции определения показателей триботехнических свойств в условиях определенных, жестко регламентированных режимов трения и смазки. Именно этим обусловлен выбор схемы трения с сосредоточенным (герцевским) контактом. Такая схема имеет следующие преимущества для рассматриваемой области:

- минимизация погрешностей, связанных с установкой образца и контртела;

- возможность использования в качестве контртел идентичных сменных трущихся элементов, применяемых для производства стандартных изделий;

- исключение режима приработки на макроуровне, сокращение длительности приработки и в целом испытаний;

- возможность использования малогабаритных, относительно простых, но высокоточных систем нагружения средств испытаний;

- обеспечение минимального коэффициента взаимного перекрытия, что позволяет в значительной степени исключить влияние фрикционного разогрева, в том числе на измерительные датчики триботехнического оборудования, и избежать появления катастрофических видов изнашивания;

- вследствие высоких давлений и формы контактирующих поверхностей возникают наилучшие условия для обеспечения граничной смазки и наихудшие - для образования гидродинамического масляного клина.

В качестве контртела применена твердосплавная пластина 12133-150400 ВК8 ГОСТ 19070, рассматриваемая как абсолютно жесткий, гладкий и неизнашиваемый индентор. В процессе испытаний индентор скользит по поверхности образца в режиме многократных проходов по ранее образованному им следу. Номинальная геометрия контакта остается постоянной в течение всего испытания, и показатели триботехнических свойств поверхности определяются по отношению к практически неизменному, фиксированному качеству поверхностного слоя индентора. Предложенная схема обеспечивает максимальное постоянство номинального контактного давления, коэффициента взаимного перекрытия и меры конформности сопряженных тел, что доказано сравнительным теоретическим анализом всех геометрически возможных схем трения.

Нагрузочно-скоростные параметры испытания предлагается назначать из условий недопустимости достижения предельной теоретической величины относительного контактного сближения (е=0,35) и обеспечения граничной смазки. Контактное сближение в предположении преобладания его пластической составляющей определяется на основе формулы [3]

где N - приложенная нагрузка; Rp, Wp - высота сглаживания соответственно профиля шероховатости и волнистости; н, н_w - параметры степенной аппроксимации начального участка опорной кривой соответственно профиля шероховатости и волнистости; A_a - номинальная площадь контакта; tm, tm_w - относительная опорная длина соответственно профиля шероховатости и волнистости на уровне средней линии; С - коэффициент стеснения; k - коэффициент упрочнения поверхностного слоя; у_т - предел текучести материала.

Условия обеспечения граничной смазки определяются неравенством, полученным на основе уравнения А.Г. Суслова [3] для рассматриваемого случая контакта:

где P_a - максимальное давление в контакте по Герцу; П - комплексный параметр свойств поверхностного слоя, определяющий несущую способность; R - приведенный радиус контактирующих индентора и образца; Eґ - приведенный модуль упругости; з, б - динамическая вязкость и пьезокоэффициент вязкости смазочного материала; v - скорость скольжения.

Дополнительно условия смазки оценивались при помощи известного критерия режима смазки л и на основе анализа реализуемых при испытаниях коэффициентов трения.

На основе расчетов с учетом приведенных зависимостей (1, 2) с применением разработанного программного обеспечения сформированы таблицы выбора нагрузок на индентор при испытаниях (табл. 2) в зависимости от соотношения параметров качества испытуемой поверхности (Ra - среднее арифметическое отклонение профиля шероховатости; - микротвердость; Wz - средняя высота волн).

Скорость скольжения (v=1 м/с) и смазочный материал (масло И-20А ГОСТ 20799) приняты постоянными с учетом анализа условий работы типовых узлов трения и рекомендаций государственных стандартов по проведению сравнительных испытаний. Вероятность схватывания и заедания оценивалась по методике Ю.Н. Дроздова [2] и на основе экспериментов. Продолжительность испытаний определялась условиями завершения приработки и накопления измеримого износа образца. Также были проанализированы факторы, влияющие на погрешность установления требуемого контактного давления (допуски на размеры образцов и индентора, неточность установки и износ индентора, радиальные и торцовые биения образца и др.), и пронормирована величина каждого фактора.

Таблица 2

Выбор значения испытательной нагрузки

Ведущая роль в ускорении экспериментальных исследований отводится автоматизации испытаний и регистрации их параметров непосредственно в процессе трения. Поэтому описанный нормализованный метод триботехнических испытаний был реализован в виде автоматизированной системы научных исследований (АСНИ). В качестве базовой установки для создания АСНИ применена серийная машина трения МИ-1М типа «Амслер», которая подверглась модернизации.

С применением нормализованного метода и АСНИ были проведены экспериментальные исследования влияния технологических условий обработки на показатели триботехнических свойств наружных цилиндрических поверхностей, обработанных точением и алмазным выглаживанием. Чистовое обтачивание поверхностей образцов выполнялось после термообработки (до 35 HRC_э). Алмазным выглаживанием обрабатывались нетермообработанные образцы (187 HB) после предварительного точения. В обоих случаях проводился полнофакторный эксперимент с матрицей 2³. В качестве входных параметров выбраны наиболее характерные для конкретного вида обработки: для точения - скорость резания V, подача на оборот s, глубина резания t; для алмазного выглаживания - усилие выглаживания P_н, радиус алмазного индентора R_и, подача на оборот s_п (табл. 3). На рис. 2, 3 приведены графики накопления износа и изменения коэффициента трения по результатам испытаний.

Таблица 3

Условия проведения экспериментов

а) б)

Рис. 2 Графики накопления износа (а) и изменения коэффициента трения (б) для поверхностей, обработанных точением

а) б)

Рис. 3 Графики накопления износа (а) и изменения коэффициента трения (б) для поверхностей, обработанных алмазным выглаживанием

По результатам экспериментов получены адекватные эмпирические зависимости показателей триботехнических свойств от режимов обработки:

для точения -

;

;

;

;

для алмазного выглаживания -

;

;

;

;

, -

которые могут быть использованы для практических инженерных расчетов.

Предлагаемый метод испытаний, научно обоснованный и проверенный практикой, позволит оперативно создать базу данных по технологическому обеспечению триботехнических свойств и пополнять ее достоверными данными, установить возможности различных технологических методов обработки в обеспечении показателей триботехнических свойств.

Список литературы

1. Горленко, А.О. Нормализация триботехнических испытаний для создания базы данных по одноступенчатому технологическому обеспечению износостойкости / А.О. Горленко, М.И. Прудников // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2008. №9. С. 7-13.

2. Дроздов, Ю.Н. Противозадирная стойкость трущихся тел / Ю.Н. Дроздов, В.Г. Арчегов, В.И. Смирнов. М.: Наука, 1981. 139 с.

3. Суслов, А.Г. Технологическое обеспечение и повышение эксплуатационных свойств деталей и их соединений / А.Г. Суслов [и др.]; под общ. ред. А.Г. Суслова. М.: Машиностроение, 2006. 448 с.

4. Суслов, А.Г. К вопросу о нормализации испытаний на трение и изнашивание / А.Г. Суслов, А.О. Горленко, М.И. Прудников // Стандартизация и менеджмент качества: сб. науч. тр. / под ред. О.А. Горленко, Ю.П. Симоненкова. Брянск, 2006. С. 33-39.

Размещено на Allbest.ru