Исследование равновесного качества поверхности трения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование равновесного качества поверхности трения

Одной из основных причин выхода современных машин из строя является отказ вследствие износа трущихся элементов [7, 11]. В общем случае процесс изнашивания трущихся пар проходит три периода: 1) приработка; 2) нормальный износ; 3) ускоренный износ.

Исходное качество поверхности, полученное при технологической обработке деталей машин, имеет характеристики, как правило, не совпадающие с характеристиками его рабочего состояния, формирующегося в процессе эксплуатации. Поэтому в начале работы машин возникают процессы трансформации и перехода от исходного состояния качества поверхности к рабочему, или эксплуатационному, т.е. происходят изменения геометрии и физико-химико-механических свойств тонких поверхностных слоев. Переход от исходного состояния к рабочему называется приработкой, которая происходит в период начального износа [3].

Процесс приработки, в основе которого лежат сложные механические, физические и химические явления, во многом определяет общую долговечность деталей. К концу этого процесса основные параметры качества поверхности, например шероховатость, микротвердость, величина и знак остаточных напряжений, структура граничного слоя металла и другие, взаимосвязанно приобретают значения, соответствующие данным условиям изнашивания или эксплуатации (эти условия определяются материалом трущихся пар, скоростью скольжения, удельным давлением, качеством и способом подвода смазки и т.д.). Комплексно параметры качества поверхности в период нормального износа как бы самоподдерживаются, т.е., изменяясь, они непрерывно воспроизводятся в тех же значениях. Такое состояние наблюдается до начала третьего периода [7].

Свыше 50 лет назад исследователи, занимающиеся вопросами трения и изнашивания, установили, что в период приработки шероховатость поверхности трения претерпевает значительные изменения. Одним из основных условий завершения процесса приработки было принято считать переход исходной технологической шероховатости к эксплуатационной. Экспериментальные исследования [2, 4, 5, 7, 11] показали, что по окончании приработки на поверхности трения формируется шероховатость, не зависящая от исходной, полученной при механической обработке, а зависящая только от условий изнашивания. Эта шероховатость является оптимальной для данной пары и условий трения, обеспечивает минимальное изнашивание и может быть как меньше, так и больше исходной.

И.В. Крагельский и В.С. Комбалов [2, 4] для шероховатости, сформировавшейся в процессе приработки, ввели понятие «равновесная шероховатость» и предложили безразмерный комплексный параметр Д ее оценки. Для условия минимума коэффициента трения уравнение для определения параметра Д имеет вид

трение шероховатость микротвердость равновесный

,

где ф₀ - постоянная адгезионных свойств поверхностного слоя [4]; б_Г - коэффициент гистерезисных потерь при скольжении [4]; И - постоянная физико-механических свойств материала, ; p_c - контурное давление.

Есть работы [2, 11], где исследуется только шероховатость, образующаяся в процессе приработки, и подтверждается правомерность использования термина «равновесная шероховатость». Исследования изменения микротвердости в процессе приработки [5, 11] показали, что период приработки оканчивается после достижения трущейся поверхностью определенной степени наклепа.

В период стационарного изнашивания равновесная шероховатость воспроизводится на всем последующем процессе нормальной работы пары трения. Это позволило некоторым исследователям сделать вывод, что технология обработки поверхности трения не влияет на ее долговечность. Но совершенно очевидно, что чем больше исходная шероховатость поверхности трения отличается от оптимальной, тем больше будет износ в период приработки, а следовательно и меньше долговечность пары трения. Это свидетельствует о том, что технология обработки поверхности трения оказывает значительное влияние на ее долговечность, а также указывает на необоснованность стремления конструкторов к завышению требований к шероховатости рабочих поверхностей трения деталей машин [8].

Позднее было показано, что наряду с шероховатостью в процессе приработки претерпевают изменения и другие параметры поверхности трения: макроотклонение, волнистость и физико-механические свойства. Поэтому формируемая в процессе приработки шероховатость поверхности трения будет зависеть от других параметров ее качества. Величина макроотклонения при изнашивании будет постоянно уменьшаться за счет износа контактирующих участков. Волнистость поверхности трения в зависимости от условий изнашивания и ее исходного значения в процессе приработки будет изменяться аналогично шероховатости. Малые волны при больших нагрузках могут вызвать «пленочное голодание», схватывание и вырывы значительных объемов, т.е. их увеличение. К увеличению волн приводят вибрации в узлах трения. При большой исходной волнистости поверхности происходит ее вершинный износ и уменьшение. Процесс изменения макроотклонения, волнистости, шероховатости и физико-механических свойств поверхностей трения в процессе приработки будет взаимосвязанным. Уменьшение макроотклонения и волнистости будет приводить к увеличению номинальной и контурной площадей контакта, числа контактирующих микронеровностей и постепенному переходу контактных пластических деформаций к упругим, т.е. к изменению физико-механических свойств поверхностей трения. Таким образом, совершенно очевидно, что значение формируемой равновесной шероховатости будет зависеть от других параметров поверхности трения, в частности от макроотклонения, волнистости и физико-механических свойств [8].

Равновесное состояние поверхности трения характеризуется параметром C_x [6], значение которого можно рассчитать по формуле [10]:

,

где - величина упрочнения поверхностного слоя.

В последних работах [1, 9] для комплексной оценки качества поверхностей трения предложен аналогичный параметр, который включает кроме геометрических характеристик микропрофиля поверхности и степени наклепа поверхностного слоя поверхностные остаточные напряжения второго рода.

Все изложенное свидетельствует о том, что в процессе эксплуатации происходит взаимосвязанное изменение параметров качества поверхностного слоя деталей машин и только технологическое обеспечение оптимального значения комплексного параметра позволяет в значительной мере повысить их долговечность.

Было исследовано совместное изменение шероховатости (геометрической характеристики качества) и микротвердости (физико-механической характеристики качества) поверхности в процессе приработки с целью экспериментальной проверки формирования равновесного качества поверхности трения.

Для проведения экспериментов были изготовлены шесть цилиндрических образцов диаметром 48 мм. Материал образцов - незакаленная сталь 45. Поверхности трех образцов были обработаны точением, остальных трех - алмазным выглаживанием. Обработка проводилась при различных технологических режимах. В результате были получены различные значения шероховатости и микротвердости поверхности для всех шести образцов.

Для измерения параметров шероховатости образцов был использован профилометр Marsurf PS1 производства Германии, для измерения микротвердости - микротвердомер ПМТ-3М. Значение микротвердости определялось по методу Виккерса. Для необработанной поверхности образцов Hм₀ = 3000 МПа.

При проведении экспериментальных исследований была использована автоматизированная система научных исследований (АСНИ), разработанная на кафедре «Триботехнология» УНТИ БГТУ. АСНИ включает модернизированную машину трения МИ-1М: систему нагружения, измерительные датчики, систему сбора данных, ЭВМ и программное обеспечение.

Измерительная система включает датчики прикладываемой нагрузки, момента трения, температуры смазочного материала и линейного сближения образца и индентора. Датчик нагрузки представляет собой упругий чувствительный элемент в виде восьмигранника с наклеенными фольговыми тензорезисторами. В качестве датчика момента трения используется маятниковый моментомер машины трения. Температура смазочного материала измеряется серийно выпускаемой погружной термопарой «хромель-копель». Программное обеспечение АСНИ разработано в среде программирования NI LabVIEW 7. Программа обеспечивает отображение на мониторе измеряемых параметров (нагрузки, коэффициента трения, линейного износа образца, температуры смазочного материала) в виде графиков в реальном времени.

Испытания образцов на машине трения проводились по нормализованному методу, разработанному в УНТИ БГТУ. В качестве индентора использовался твердосплавный ролик диаметром 15,2 мм и шириной 4,6 мм. Индентор принимается абсолютно жестким, гладким и неизнашиваемым за один цикл испытаний.

Испытания проводились при постоянных условиях трения и смазки, постоянной геометрии контакта. Из рассмотрения исключается фактор контртела, параметры которого не изменяются в течение одного цикла испытаний, что значительно облегчает интерпретацию результатов.

Нагрузка на индентор выбиралась исходя из условия недопустимости достижения предельной величины относительного сближения и необходимости обеспечения условий граничной смазки. Образцы испытывались при нагрузке 180 Н.

Момент окончания процесса приработки определяли по установившимся значениям коэффициента трения и температуры смазочной жидкости [2]. Изменение этих параметров можно было непосредственно контролировать на протяжении всего времени эксперимента (рис. 1, 2). Каждый образец испытывался на машине трения в течение четырех часов.

После испытания образцов на машине трения снова были измерены параметры шероховатости и микротвердость поверхности. Для наглядности исходные данные и данные, полученные после испытаний образцов на машине трения, сведены в таблицу.

Рис. 1. Образец после алмазного выглаживания

Рис. 2. Образец, обработанный точением

трение шероховатость микротвердость равновесный

Обобщение исходных данных и результатов испытаний

В процессе приработки наряду с шероховатостью претерпевали изменения и физико-механические свойства поверхности (можем судить об этом по изменению микротвердости). Из данных таблицы видно, что для всех образцов установились различные значения эксплуатационной шероховатости и микротвердости. В процессе приработки происходило как уменьшение, так и увеличение параметров Ra и Hм (см. параметр k₁). Кроме того, установившееся значение коэффициента трения было очень близко для всех шести образцов.

Очевидно, что сформировавшееся после приработки значение Ra_эксп зависит от исходного значения микротвердости Hм_исх. Экспериментальное значение микротвердости Hм_эксп, в свою очередь, зависит от исходного значения шероховатости поверхности Ra_исх. Таким образом, для того чтобы охарактеризовать качество поверхности трения, нужно рассматривать комплекс (Ra, Hм), а не каждый из параметров в отдельности, так как использования одного из параметров явно недостаточно. Процессы изменения шероховатости и микротвердости в процессе приработки трущихся поверхностей взаимосвязаны.

Параметры шероховатости группы образцов, обработанных алмазным выглаживанием, очень близки (выделены жирным шрифтом в таблице). К такому же выводу можно прийти относительно группы образцов, обработанных точением, хотя для них установившееся значение шероховатости уже другое (выделено курсивом). Разброс значений микротвердости для этих двух групп образцов значительно больше, но и тут прослеживаются довольно близкие значения Hм в пределах каждой группы. Таким образом, очевидно, что качество поверхности образцов после приработки зависит от метода их обработки.

В результате испытаний образцов большим значениям Hм соответствуют меньшие значения Ra и наоборот (таблица). Этот факт можно объяснить тем, что несущая способность поверхности образцов зависит не только от шероховатости и микротвердости. Большое влияние на несущую способность оказывают также волнистость и макроотклонение, но эти параметры качества не учитывались в работе.

Время приработки t_прир различно для всех образцов и зависит от того, насколько исходные параметры качества поверхности близки к эксплуатационным. Очевидно, что определяющее значение имеет именно степень близости исходных и эксплуатационных параметров. Так, первый образец (таблица) прирабатывался дольше второго и третьего, хотя имел меньшее значение Ra_исх. Близкие значения времени приработки t_прир для второго и третьего образцов, несмотря на различные значения Ra_исх, можно объяснить разными значениями их исходной микротвердости Hм_исх.

Исходя из изложенного, можно сделать следующие выводы:

1. В процессе приработки претерпевают изменения как геометрические, так и физико-механические характеристики поверхности, сформировавшаяся шероховатость различна при одинаковых условиях испытаний и зависит от исходной микротвердости, поэтому неправомерно говорить о «равновесной шероховатости» поверхности трения. Из результатов данного исследования становится ясно, что нужно рассматривать именно равновесное качество (совокупность геометрических и физико-механических свойств) поверхностей трущихся деталей.

2. Результаты исследования свидетельствуют о том, что сформировавшийся в результате приработки на поверхности трения комплекс параметров, характеризующий ее равновесное качество, зависит метода обработки поверхности. Длительность процесса приработки зависит от того, насколько исходные параметры качества поверхности близки к эксплуатационным, т.е. от условий обработки. Долговечность же деталей напрямую зависит от длительности процесса приработки их рабочих поверхностей. Таким образом, можно поставить под сомнение выводы исследователей, утверждающих, что метод обработки поверхности не влияет на долговечность пары трения.

3. В данной статье рассматривались только два параметра, характеризующих качество поверхности трения: шероховатость и микротвердость. Рассмотрение их в совокупности позволило сделать ряд важных выводов. В то же время при исследовании реальных узлов трения этих параметров явно будет недостаточно, так как там большое влияние уже оказывают такие параметры, как волнистость, макроотклонение, остаточные напряжения. Но даже такое количество параметров качества поверхности может быть далеко не исчерпывающим. Применяя термин «равновесное качество поверхности трения», в общем случае мы подразумеваем все параметры качества поверхностного слоя, хотя в каждом конкретном случае целесообразно выделять и рассматривать несколько наиболее важных параметров.

Список литературы

1. Качество машин: справочник: в 2 т. / А.Г. Суслов, Э.Д. Браун, Н.А. Виткевич [и др.]. - М: Машиностроение, 1995. - Т. 1. - 256 с.

2. Комбалов, В.С. Влияние шероховатости твердых тел на трение и износ / В.С. Комбалов. - М.: Наука, 1974. - 112 с.

3. Костецкий, Б.И. Качество поверхности и трение в машинах / Б.И. Костецкий, Н.Ф. Колисниченко. - Киев: ТЕХНiКА, 1969. - 214 с.

4. Крагельский, И.В. Основы расчетов на трение и износ / И.В. Крагельский, М.Н. Добычин, В.С. Комбалов. - М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.

5. Маталин, А.А. Технологические методы повышения долговечности деталей машин / А.А. Маталин. - Киев: ТЕХНiКА, 1971. - 144 с.

6. Рыжов, Э.В. Комплексный параметр для оценки свойств поверхностей трения деталей машин / Э.В. Рыжов, А.Г. Суслов, А.П. Улашкин // Трение и износ. - 1980. - Т.1. - №3. - С. 436-439.

7. Рыжов, Э.В. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин / Э.В. Рыжов. - Киев: Наукова думка, 1984. - 272 с.

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

9. Суслов, А.Г. Научные основы технологии машиностроения: науч. моногр. / А.Г. Суслов, А.М. Дальский. - М.: Машиностроение, 2002. - 684 с.

10. Суслов, А.Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей / А.Г. Суслов - М.: Машиностроение, 1987. - 208 с.

11. Ящерицын, П.И. Технологическая наследственность в машиностроении / П.И. Ящерицын, Э.В. Рыжов, В.И. Аверченков. - Минск: Наука и техника, 1977. - 221 с.

Размещено на Allbest.ru