Повышение триботехнических характеристик материалов деталей пар трения при шлифовании

Размещено на http://www.allbest.ru/

Повышение триботехнических характеристик материалов деталей пар трения при шлифовании

С.Г. Бишутин

Показана возможность повышения триботехнических характеристик материалов пар трения на основе регулирования термического и силового воздействий на поверхностный слой путем выбора рациональных режимов шлифования.

Ключевые слова: триботехнические характеристики, шлифование, термическое воздействие, силовое воздействие, состояние поверхностного слоя.

Непрерывно возрастающие требования к качеству выпускаемых машин определяют необходимость повышения их долговечности. Многочисленные исследования показали, что до 70 % выходов из строя машин при их эксплуатации происходит из-за износа деталей пар трения. Значительное влияние на износ деталей оказывает состояние их поверхностных слоев, формируемых преимущественно при шлифовании. Поэтому повышение триботехнических характеристик материалов деталей пар трения на финишных этапах их изготовления является актуальной задачей.

Состояние поверхностного слоя формируется преимущественно в ходе термического и силового воздействий при абразивной обработке [1-4]. К управляемым факторам формирования тонких поверхностных структур, влияющих на триботехнические характеристики, следует отнести температуру Тн нагрева поверхностного слоя, время tв нахождения поверхностных слоев при температурах Тн, скорости нагрева (Vн) и охлаждения (Vо) поверхностных слоев, интенсивность деформаций (i) и скоростей деформаций () обрабатываемого материала [5]. Величины Тн, tв, Vн, Vо характеризуют температурное воздействие абразивной обработки.

триботехнический заготовка трение шлифование

(1)

где Т0 - начальная температура обрабатываемой поверхности; Тк - максимальная контактная температура при шлифовании [5;6]; kT - коэффициент, учитывающий интенсивность изменения температуры нагрева во времени ?; tф - фактическая глубина шлифования; А = Dк - для плоского шлифования периферией круга; А=DзDк/(DзDк) - для круглого наружного (+) и внутреннего (-) шлифования периферией круга; Dз, Dк - соответственно диаметры заготовки и шлифовального круга; Vз - скорость вращения (перемещения) заготовки; Н - число контактов рассматриваемого участка обрабатываемой поверхности со шлифовальным кругом; zш - припуск под шлифование.

Скорость охлаждения рассматриваемого объема поверхностного слоя при шлифовании может быть определена в ходе решения уравнения [7]

(2)

Здесь z - расстояние от поверхности заготовки до точки, в которой нужно определить температуру; Т(z,t/) - температура в точке с координатой z в момент времени t/; - число Фурье; - число Био; Тс - температура охлаждающей среды; ? - коэффициент теплоотдачи; а, ? - температуропроводность и теплопроводность обрабатываемого материала соответственно.

Параметры i и характеризуют силовое воздействие абразивной обработки.

(3)

где ?н - интенсивность деформаций материала до обработки; kN - коэффициент, учитывающий число воздействий вершин зерен шлифовального круга на рассматриваемый объем поверхностного слоя; t - время прохождения рассматриваемого объема поверхностного слоя через очаг деформации; ?(х;у) - траектория перемещения частиц металла при взаимодействии с вершиной зерна в рассматриваемом сечении зоны контакта [4]; ? - угол наклона линий скольжения в зоне контакта вершины зерна с металлом [4]; Lз - длина очага деформации в направлении вектора скорости резания Vк.

Анализ уравнений (1-3) показывает, что силовое воздействие на заготовку усиливается при увеличении времени выхаживания обрабатываемой поверхности, шлифовании поверхности зернами с развитым микрорельефом и большой теплопроводностью (эльборовые и алмазные зерна). Режим правки инструмента (восстановление режущей способности) влияет на геометрическую форму вершин зерен и количество активных зерен, что приводит к одновременному изменению термического и силового воздействий. Аналогично влияет и скорость вращения инструмента. Повышение этой величины приводит к возрастанию скорости деформации обрабатываемого материала (усиление силового фактора) и увеличению числа зерен в контакте инструмента и заготовки, что способствует более интенсивному тепловыделению в процессе обработки.

Термическое воздействие на заготовку при шлифовании целесообразно регулировать путем выбора рациональных условий охлаждения заготовки, режимов обработки и характеристик инструмента, применения инструментов с прерывистой рабочей поверхностью или со вставками из твердых смазочных материалов.

С помощью уравнений (1-3), а также с учетом результатов исследований [5;8;9] были скорректированы справочные режимы шлифования различных материалов [10] с целью формирования в ходе обработки износостойких поверхностных структур стальных деталей. Так, в частности, подверглись корректировке глубина шлифования, время выхаживания обрабатываемой поверхности, отдельные характеристики шлифовального круга. Затем были проведены экспериментальные исследования. В ходе экспериментов на круглошлифовальном станке 3Е12 обрабатывались образцы 60 и длиной 16мм из различных сталей на традиционных (справочных) и скорректированных режимах шлифования электрокорундовым кругом зернистостью 16. Круг перед обработкой подвергался алмазной правке на грубом режиме (8-10 ходов алмазного карандаша с глубиной 20 мкм и подачей 0,2-0,3 мм/об. круга). С каждого образца предварительно был снят слой материала толщиной 0,25…0,3 мм при скорости вращения заготовки 45 м/мин и глубине шлифования 6 мкм для устранения влияния технологической наследственности.

Далее были проведены триботехнические испытания шлифованных образцов с использованием автоматизированной системы научных исследований (АСНИ) на базе машины трения МИ-1М. В ходе испытаний с постоянной нагрузкой 160 Н к вращающейся с частотой 400 мин-1 испытуемой цилиндрической поверхности образца, частично погруженной в смазочной материал (масло И-20), прижимался неподвижный твердосплавный индентор. АСНИ непрерывно и синхронно регистрировала время испытания, коэффициент трения и линейный износ. Отдельные результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 1, 2 и в таблице.

а)

б)

Рис. 1. Характерные кривые изнашивания и изменения коэффициента трения для образцов из закаленной стали 45: а - после шлифования на традиционных режимах; б - после абразивной обработки с регламентированным термическим и силовым воздействием

а)

б)

Рис. 2. Характерные кривые изнашивания и изменения коэффициента трения для образцов из нержавеющей стали 12Х18Н10Т: а - после шлифования на традиционных режимах; б - после абразивной обработки с регламентированным термическим и силовым воздействием

Таблица

Изменение триботехнических характеристик шлифованных образцов

Примечания: 1. В числителе приведены данные для образцов, подвергнутых шлифованию на традиционных режимах, в знаменателе - абразивной обработке в заданных условиях. 2. Снижение интенсивности изнашивания и уменьшение периода приработки указаны по отношению к материалу, подвергнутому шлифованию на традиционных режимах

Таким образом, проведенные исследования подтверждают возможность повышения триботехнических характеристик материалов деталей пар трения при шлифовании путем выбора рациональных режимов обработки. Так, износостойкость может быть повышена до 30…50% для деталей из среднеуглеродистых сталей и до 70…80% для деталей из высоколегированных сталей аустенитного класса вследствие формирования в ходе шлифования неравновесных состояний поверхностных слоев со значительной объёмной долей дефектной фазы. Наличие значительной дефектной фазы, очевидно, затрудняет генерацию дислокаций и приповерхностных микротрещин, что задерживает при трении разрушение поверхностного слоя и способствует более быстрой стабилизации коэффициента трения, уменьшению периода приработки деталей пар трения.

Список литературы

1. Кремень, З.И. Технология шлифования в машиностроении/ З.И. Кремень, В.Г. Юрьев, А.Ф. Бабошкин; под ред. З.И. Кремня. - СПб.: Политехника, 2007. - 424с.

2. Аксенов, В.А. Теория и технология комбинированной (шлифование с управляемым термическим воздействием) обработки деталей машин с повышенными эксплуатационными характеристиками: автореф. дис. … д-ра техн. наук/ В.А. Аксенов. - Челябинск: ЧГТУ, 1995. - 34с.

3. Сипайлов, В.А. Тепловые процессы при шлифовании и управление качеством поверхности/ В.А. Сипайлов. - М.:Машиностроение, 1978. - 167с.

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

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

6. Бишутин, С.Г. Тепловыделение в зоне трения «абразивный инструмент обрабатываемый материал»/ С.Г. Бишутин, Н.В. Тюльпинова // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2007. - №10. - С.23-28.

7. Лыков, А.В. Теплообмен: справочник / А.В. Лыков. - М.: Энергия, 1971. - 560с.

8. Колубаев, А.В. Формирование субструктуры поверхностного слоя при трении/ А.В. Колубаев, В.Л. Попов, С.Ю. Тарасов// Изв. вузов. Физика. - 1997. - Т.40. - №2. - С.89-95.

9. Попов, В.Л. Анализ механизмов формирования поверхностных слоев при трении/ В.Л. Попов, А.В. Колубаев// Трение и износ. - 1997. - Т.18. - №6. - С.818-826.

Размещено на Allbest.ur