Розрахунковий метод визначення параметрів зносостійкого покриття

Національний технічний університет України КПІ

РОЗРАХУНКОВИЙ МЕТОД ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ ЗНОСОСТІЙКОГО ПОКРИТТЯ

В.С. Антонюк, канд. техн. наук;

О.Б. Сорока, канд. техн. наук;

В.В. Панійко

Запропоновано визначати розмір ділянки дискретного покриття, виходячи з розрахунку балки на пружній основі. Показано, що для покриття з твердого сплаву ВК8 збільшення довжини ділянки приводить до адгезійного відшарування. Для запобігання руйнуванню покриття внаслідок адгезійної міцності рекомендовано співвідношення довжини його ділянки до товщини в межах 5 - 7.

Досвід експлуатації різального інструменту свідчить про те, що втрата його працездатності пов'язана з руйнуванням поверхні інструменту. Розроблення науково обґрунтованих методів формування поверхні, які відповідають вимогам експлуатації інструменту і забезпечують підвищення його працездатності, базується на новому технологічному напрямку - інженерії поверхні [1]. Особливий інтерес в цьому напрямку становить створення на робочих поверхнях захисних зносостійких покриттів, що дозволяє вдосконалити структури поверхні та підвищити працездатність інструменту. Традиційні суцільні покриття в процесі експлуатації втрачають когезійну і адгезійну міцність, тобто розтріскуються або відшаровуються від основи. Запобігти явищам руйнування покриттів можна за рахунок формування покриттів дискретного типу [2,3]. По-перше, формування дискретних ділянок раціональних розмірів з урахуванням пружно-деформованого стану поверхні, обумовленого умовами експлуатації, дозволяє запобігти когезійному розтріскуванню та адгезійному відшаруванню в умовах навантаження. По-друге, такі покриття дозволяють значно підвищити стійкість різального інструменту за рахунок утворення вторинних структур, які, затримуючись в міждискретних проміжках, виконують роль мастильного матеріалу [4].

Покриття, які використовуються на різальному інструменті, мають бути твердими, міцними і тугоплавкими. Цим вимогам відповідає покриття з твердого сплаву ВК8, яке формується методами електроіскрового легуванням на поверхні різального інструменту з швидкорізальних сталей. Шар покриття, отриманого методом електроіскрового легування, є дикретним за своєю природою. Регулюючі параметри режимів його формування (напругу, струм), можна отримувати ділянки різного розміру та з різною глибиною включення.

Вибір конструктивних параметрів дискретної ділянки є необхідною умовою успішного використання покриттів дискретного типу. Так, запобігти когезійному руйнуванню покриття пропонується, обираючи розмір дискретної ділянки, виходячи з розрахунку кроку тріщин, що виникають в покритті внаслідок дії зовнішнього навантаження і залишкових напружень [5].

Метою роботи є встановлення геометричних параметрів покриття, які дозволяють знизити ймовірність адгезійного відшарування покриття від основи в умовах навантаження різального інструменту .

Теоретичні дослідження. Елемент дискретної ділянки електроіскрового покриття (включення) можна розглядати як балку на пружній основі з жорстко затиснутими кінцями. Як модельне навантаження в умовах різання розглядаємо силу Рz_г, яка діє в напрямку осі z і прикладена в центрі ділянки товщиною Н в точці з координатою х=l/2 (рис. 1).

Рисунок 1 _ Схема ділянки дискретного покриття довжиною l

Задача розрахунку прогину балки на пружній основі з жорстко затиснутими кінцями є статично невизначеною. Величина реакції в кожній точці пружної основи залежить від прогину ділянки покриття, а прогин, у свою чергу, залежить від реакції з боку основи. Для розв'язання задачі беруть гіпотезу Фуса-Вінклера про пропорційну залежність між реакцією і прогином балки w(х) з коефіцієнтом пропорційності а. Тоді диференційне рівняння пружної лінії для балки з постійною жорсткістю поперечного перерізу на згин має вигляд

де Е - модуль пружності матеріалу балки; І - момент інерції перерізу балки відносно осі у.

Інтегруючи рівняння (1) за методом А.Н. Крилова [6] і розмістивши початок координат у крайній лівій точці ділянки, рівняння методу початкових параметрів для прогинів w(х) та кутів повороту (х) через функції Крилова запишемо у вигляді:

(2)

(3)

Тут М₀ і Q₀ - згинальний момент та поперечна сила на початку координат відповідно; Y₃ і Y₄ - функції А.Н. Крилова:

Силові початкові параметри М₀ і Q₀ визначаємо з умов на правій опорі балки:

,(4)

.(5)

Після підстановки (4), (5) в (2) і (3) і розв'язання системи алгебраічних рівнянь отримаємо вирази через функції Крилова для початкового згинального моменту :

(6)

та поперечної сили: (7)

(8)

З урахуванням (6), (7) на основі рівняння для прогинів (2) можна побудувати пружну лінію для балки під дією сили Р.

Результати та їх аналіз. Для розрахунків беремо, що коефіцієнт пропорційності а дорівнює модулю пружності першого роду матеріалу основи, якою є швидкорізальна сталь Р6М5: МПа; коефіцієнт пружності включення з твердого сплаву для ВК8: МПа; момент інерції відносно осі У поперечного перерізу: І=h⁴/12. За результатами розрахунків побудовано пружні лінії для дискретних ділянок покриття з різним співвідношенням l/h(рис.2).

Рисунок 2 _ Пружні лінії дискретних ділянок покриття з різним співвідношенням l/h під дією сили Р, де l/h = 5 (а); l/h = 7 (б); l/h = 10 (в); l/h =15 (г), аркуш 1

Аналіз отриманих результатів дозволяє зробити висновок, що для довжини дискретної ділянки l>7h спостерігаються зони з від'ємним прогином, в яких імовірним є адгезійне відшарування покриття від основи. Для дискретних ділянок l 7h покриття по всій довжині під дією сили Р набуває додатного прогину, "вдавлюється" в основу, і адгезійне відшарування не настає.

Висновки

Моделюючи поверхню, модифіковану електроіскровим легуванням, як пружну основу, на якій знаходяться дискретні ділянки покриття, за допомогою методу початкових параметрів можна отримати вирази для прогинів, яких набуває ділянка покриття під дією зовнішнього навантаження. Аналіз формул пружної лінії дозволяє вибрати такі параметри включення, які дозволять запобігти руйнуванню поверхневого шару внаслідок адгезійного відшарування покриття.

Для покриття з твердого сплаву ВК8, нанесеного на швидкорізальну сталь Р6М5 методом електроіскрового легування, співвідношення між довжиною та товщиною дискретної ділянки в межах 5-7 є оптимальним, що забезпечує надійність покриття і дозволяє підвищити працездатність різального інструменту.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Суслов А.Г. Инженерия поверхности деталей _ резерв в повышении конкурентоспособности машин: Справочник //Инженерный журнал. -2001 .-№4.-С.3-9.

2. Упрочнение поверхности металла покрытиями дискретной структуры с повышенной адгезионной и когезионной стойкостью /Б.А. Ляшенко, Ю.А. Кузема, М.С. Дигам и др. _ Киев: ИПП АН УССР, 1984.-57 с.

3. Антонюк B.C. Формування покриття підвищенної зносостійкості на робочих поверхнях різального инструменту // Вісник Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут": Серія Машинобудування- К.: НТУУ «КПІ», 2003.-Вип. 44.-С. 110-112.

4. Костецкий Б.И. Структура и поверхностная прочность материалов при трении // Проблемы прочности: _ 1981.-№3.-С.90-98.

5. Антонюк B.C., Ляшенко Б.А., Сорока Е.Б. Выбор параметров покрытий дискретной структуры при модификации поверхности режущего инструмента //Упрочняющие технологии и покрытия.- 2005. _ № З.-С. 49-50.

6. Писаренко Г.С., Квітка О.Л., Е.С. Уманський. Oпiр Maтеріалів. _ Київ: Вища школа, 2004. _ 655 с.