Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 539.375

Обеспечение износостойкости поверхностей трения путем управляемого технологического воздействия

А.О. Горленко

В.П. Матлахов

Аннотация

Рассмотрена модель контактного взаимодействия и изнашивания цилиндрических поверхностей с учетом шероховатости, волнистости, макроотклонений и физико-механических свойств поверхностного слоя. В соответствии с кинетической моделью изнашивания выбраны параметры качества поверхностного слоя, управляемые с помощью различных технологических методов. Рассмотрены возможности технологических методов управления этими параметрами.

Материал поступил в редколлегию 19.02.07.

Работоспособность деталей машин во многих случаях зависит от закономерностей контактного взаимодействия и изнашивания их элементов. Однако из-за математических трудностей возникает разрыв между теорией и практическим применением этих решений для конкретных задач. Предлагаемые конечные выражения довольно громоздки и не вполне пригодны для инженерных расчетов. Выходом может стать применение моделей контактного взаимодействия и изнашивания, решаемых с помощью ЭВМ. В данной статье предлагается подход, позволяющий моделировать контактирование и изнашивание цилиндрических поверхностей с учетом шероховатости, волнистости, макроотклонений и физико-механических свойств поверхностного слоя.

При моделировании геометрического контакта рассматривается участок цилиндрической поверхности, расположенный вдоль образующей в сечении цилиндра плоскостью, проходящий через ее центр. Данная элементарная площадка является лишь частью общей геометрической площади контакта цилиндрических поверхностей. Ширина рассматриваемого участка определяется длиной большей полуоси эллиптического параболоида при моделировании волнистости 1, 2.

Допуская, что на всей поверхности трения контактное взаимодействие происходит аналогично рассматриваемому участку, можно ввести масштабный коэффициент, определяющий его размеры:

(1)

где А - геометрическая площадь контакта; l - длина образующей контактирующих цилиндров; Sm_w, tm_w - параметры волнистости; р - коэффициент, учитывающий соотношение длин полуосей эллиптических параболоидов. На участках номинальной площади контакта моделируется волнистая поверхность, модель которой представляет собой набор деформируемых под нагрузкой эллиптических параболоидов 2-го порядка, вершины которых имеют определенный закон распределения (рис. 1, 2).

Площадь сечения i-го параболоида на уровне x_w определяется выражением [1]

, (2)

где р_w=Sm_w tm_w/200.

Закон и параметры распределения высот выступов параболоидов находятся с помощью приближенных методов на ЭВМ исходя из условия равенства относительных опорных площадей профиля реальной поверхности и модели[2, 3].

Рис. 1. Расчетная схема моделирования контакта цилиндрических поверхностей: 1,2 - соответственно поверхности вала и втулки; l - ширина втулки; у_w - сближение контактирующих поверхностей; х_w - уровень сечения модели поверхностей

изнашивание цилиндрический шероховатость волнистость

Рис. 2. Форма выступов модели волнистой поверхности: 1,2 - контактирующие поверхности трения; р_w, р_w - соответственно длины поперечных полуосей эллипсов на уровне средней плоскости и сечения х_w; h_iw - высота i-го выступа модели волнистой поверхности; Wmax - максимальная высота профиля волнистости

Определив конфигурацию волнистой поверхности, можно найти контурную площадь контакта. Положение вершин выступов модели будет определяться шагом между вершинами параболоидов, равным среднему шагу по вершинам локальных выступов волнистости Lw (рис. 1). Положение вершин параболоидов при моделировании волнистой поверхности определяется с помощью выражений

(3)

Площадь сечения i-го параболоида для участков контурной площади контакта, ограниченной выражениями (3), с учетом упругих деформаций выступов

(4)

где величина упругих деформаций 1

. (5)

Реакция каждого выступа

, (6)

где f - коэффициент трения.

Задается некоторая величина сближения у_w, обусловленная уровнем сечения

х_wW_max2W_max (рис. 1),

и проверяется выполнение неравенства

(7)

где N - внешняя приложенная нагрузка.

При этом рассматриваются только выступы, вступившие в контакт на данном уровне сближения поверхностей

(h_iw>x_w+у_уп.w).

Выполнение неравенства (7) свидетельствует о том, что найдена величина сближения, при которой сформировавшаяся контурная площадь контакта способна выдержать внешнюю приложенную нагрузку.

Методика моделирования шероховатой поверхности на участках контурной площади контакта аналогична приведенной методике моделирования волнистости. В выражениях (1-7) необходимо заменить величины К_о, Sm_w, tm_w, P_iw, p_w, h_iw, x_w, W_max, h_w, Lw, на величины К_оr, Sm, tm, P_irj, p_r, h_ijr, x_r, R_max, h_r, S соответственно.

Положение вершин выступов модели будет определяться шагом между вершинами параболоидов, равным среднему шагу по вершинам локальных выступов шероховатости.

Так как фактическая площадь контакта моделируется на участках контурной, т.е. на сечениях параболоидов, вступивших в контакт при моделировании волнистой поверхности, для которых

h_iw>х_w+у_уп.w),

положение ij-й вершины параболоида шероховатой поверхности (рис. 3) рассчитывается по следующим выражениям:

(8)

где ;

Рис. 3. Зона моделирования шероховатой поверхности на выступах волн: СС - зона моделирования фактической площади контакта

Площадь сечения ij-го параболоида для участков фактической площади контакта, ограниченной выражениями (8), с учетом упругих деформаций выступов

где величина упругих деформаций [1]

Реакция каждого выступа

.

Для параболоидов волнистой поверхности, вступивших в контакт [h_iw>x_w+у_уп.w); величина х_w определена при выполнении неравенства (7)], рассчитывается положение вершин по формулам (8) и распределение высот выступов с подстановкой соответствующих параметров шероховатости.

Задается некоторая величина сближения у_r, обусловленная уровнем сечения

х_rR_max2; R_max,

и проверяется выполнение неравенства

(9)

При этом рассматриваются выступы, вступившие в контакт, для которых

h_ijr>x_r+у_уп.r.

Выполнение неравенства (9) свидетельствует о том, что найдена величина сближения, при которой образовавшаяся фактическая площадь контакта способна выдержать внешнюю приложенную нагрузку.

Определенные таким образом контурная и фактическая площади контакта, сближение сопряженных поверхностей позволяют путем статистических испытаний модели на ЭВМ рассчитывать распределение давлений вдоль поверхности контакта и прогнозировать износостойкость сопряженных поверхностей трения.

Ожидаемая скорость изнашивания сопряженных цилиндров рассчитывается в соответствии с кинетической моделью изнашивания[2]:

(10)

где J_t - скорость изнашивания; K_J - коэффициент изнашивания; С_Х - параметр, характеризующий качество поверхностного слоя; С_F - параметр, характеризующий процесс трения; m, n - коэффициенты, определяемые экспериментально.

Параметр С_Х характеризует влияние микрогеометрии и физико-механических свойств поверхностного слоя [1]:

, (11)

где Ra, tm, Sm, Wz, H_max - параметры шероховатости, волнистости и макроотклонений; k - коэффициент упрочнения поверхностного слоя; - коэффициент, учитывающий влияние остаточных напряжений.

Параметр С_F определяется исходя из следующего. Триботехническая система, обменивающаяся с окружающей средой теплом (в результате действия силы трения) и массой (вследствие наличия диспергированных в процессе износа частиц), находится в состоянии равновесия при минимуме рассеяния энергии, стабилизации процессов тепловыделения, изнашивания, формировании равновесного состояния поверхностного слоя и, следовательно, минимальном износе трущихся поверхностей.

,

где f - коэффициент трения; q - давление в зоне контакта; - скорость относительного скольжения сопряженных цилиндрических поверхностей; [Q_уд] - допустимая удельная мощность трения.

Параметр С_F является безразмерной величиной, показывающей, насколько реальная удельная мощность трения (fq) отличается от допустимой по справочным данным ([Q_уд]). Его значение должно стремиться к минимальному (насколько позволяют добиться этого возможности технологических методов отделочно-упрочняющей обработки).

Для цилиндрических пар трения необходимо обеспечивать минимальный суммарный износ в направлении сближения сопрягаемых поверхностей. Управляемыми с помощью технологических методов параметрами качества поверхностного слоя являются коэффициент упрочнения поверхностного слоя k=HV / HV_исх и параметр С_Х [см. выражение 11], характеризующий в основном влияние качества поверхностного слоя на процесс изнашивания, значения которых вытекают из предлагаемой модели изнашивания (10):

.

Зная требуемую износостойкость соединения типа «вал-втулка» и используя данную модель контактного взаимодействия и изнашивания, легко найти значения параметров k и С_Х, необходимые для обеспечения нужной износостойкости. При этом не требуется проведения дорогостоящих и долговременных натурных испытаний. В зависимости от требуемых значений коэффициента упрочнения поверхностного слоя k и параметра С_Х выбираются технологические методы и режимы упрочняющей и механической обработки.

Каждый из технологических методов обработки имеет свои особенности и области применения и характеризуется определенными факторами, обусловливающими процесс формирования параметров качества обрабатываемых поверхностей деталей. Каждому из них присущи свои количественные и качественные характеристики: определенные высотные и шаговые параметры неровностей; степень и глубина упрочнения; величина, знак и глубина залегания остаточных напряжений. Все эти параметры были учтены при разработке представленной в данной статье модели.

Так, наружное чистовое точение целесообразно применять для нетермообработанных и закаленных мало- и среднеуглеродистых конструкционных сталей с параметрами микрогеометрии поверхности (после обработки): Ra = 0,8 … 2,5 мкм, Rp = 2,0 … 8,0 мкм, Sm = 0,08 … 0,16 мм, Wz = 1,6 … 4,0 мкм, H_max = 10 … 100 мкм. При этом глубина наклепанного слоя h_н составляет 0,05 … 0,20 мм. Наружное чистовое точение может обеспечить диапазон изменения параметра С_Х в пределах 0,6 … 1,2, а коэффициента упрочнения поверхностного слоя k - 1,1 … 1,3.

Алмазное выглаживание предпочтительно для закаленных средне- и высокоуглеродистых, а также легированных конструкционных, инструментальных и других сталей с параметрами после обработки: Ra = 0,05 … 2,0 мкм, Rp = 0,063 … 6,0 мкм, Sm = 0,025 … 1,25 мм, Wz =0,4 …10,0 мкм, H_max = 6 … 80 мкм. Возможности алмазного выглаживания несколько шире, что связано с обеспечением более высокого качества поверхностного слоя и диапазонов изменения: параметра С_Х - 0,25 … 0,6; коэффициента упрочнения k - 1,2 … 1,7; глубины упрочненного слоя h_н - 0,05 … 0,1 мм.

Электромеханическую обработку целесообразно использовать для упрочнения нетермообработанных средне- и высокоуглеродистых, легированных сталей, а также высокопрочных чугунов при высокой степени упрочнения поверхностного слоя обработанных деталей и глубине упрочнения h_н = 0,1 … 2,0 мм. При этом осуществляется плавный переход твердости упрочненного слоя от поверхности к неупрочненной сердцевине материала детали, что предотвращает его отслаивание при динамических нагрузках. Микрогеометрические параметры обработанных деталей: Ra = 0,2 … 1,6 мкм, Rp = 0,2 … 3,2 мкм, Sm = 0,025 … 1,25 мм, Wz = 0,4 … 8,0 мкм, H_max = 6 … 40 мкм. Электромеханическая обработка благодаря широкому диапазону изменения режимов и возможности получения высокой твердости упрочненного слоя позволяет получать поверхности с изменением значений параметра С_X и коэффициента упрочнения в пределах С_X = 0,12 … 0,65, k = 1,4 … 3,5.

Нанесение нитрид-титановых покрытий целесообразно применять для упрочнения средне- и высокоуглеродистых, легированных конструкционных и инструментальных сталей. Из-за маленькой толщины покрытий (h_н = 5 … 10 мкм) микрогеометрические параметры сильно зависят от предварительной подготовки поверхности под покрытие. После наиболее распространенной операции шлифования получаются следующие микрогеометрические параметры: Ra = 0,32 … 1,25 мкм, Rp = 0,5 … 4 мкм, Sm = 0,05 … 1,6 мм, Wz = 0,5 … 4,0 мкм, H_max = 10 … 40 мкм. Нанесение нитрид-титановых покрытий позволяет обеспечить диапазон изменения параметра С_Х в пределах . 0,2 … 0,675, а коэффициента упрочнения поверхностного слоя .k - 2,5 … 5.

Очевидно, что из приведенных технологических методов наиболее широкими возможностями по обеспечению износостойкости цилиндрических поверхностей пар трения обладают электромеханическая обработка и нанесение нитрид-титановых покрытий. Это связано с большими диапазонами регулирования режимов и степени влияния на формирование параметров качества и эксплуатационных свойств поверхностного слоя деталей.

Рассмотренный подход позволяет путем проведения статистических испытаний предлагаемой модели на ЭВМ осуществлять научно обоснованный выбор технологических методов и режимов обработки с учетом их возможностей. Проведенная экспериментальная проверка этой модели на адекватность подтвердила правомерность данного подхода к решению задачи обеспечения требуемой износостойкости цилиндрических поверхностей трения.

Cписок литературы

1. Суслов, А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин/ А.Г. Суслов - М.: Машиностроение, 2000. - 320 с.

2. Горленко, А.О. Технологическое повышение долговечности деталей с криволинейными поверхностями/ А.О. Горленко // Справочник. Инженерный журнал. - 2003. - № 4. - С. 60-62.

3. Горленко, А.О. Контактное взаимодействие цилиндрических поверхностей при трении скольжения / А.О. Горленко, В.П. Матлахов // Механика и физика процессов на поверхности и в контакте твердых тел и деталей машин: межвуз. сб. науч. тр. / под ред. Н.Б. Демкина. - Тверь: ТГТУ, 2006. - С.14-20.

Размещено на Allbest.ru