Повышение долговечности деталей пар трения при финишной абразивной обработке

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПАР ТРЕНИЯ ПРИ ФИНИШНОЙ АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКЕ Исследования выполнены в рамках гранта Президента РФ МД1383.2008.8 для поддержки молодых ученых.

С.Г. Бишутин

Описан методологический подход к выбору рациональных условий и режимов финишной абразивной обработки для повышения долговечности деталей пар трения. Определены основные условия формирования структурно-фазового состояния поверхностных слоев при абразивной обработке.

Непрерывно возрастающие требования к качеству выпускаемых машин определяет 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 финишной абразивной обработке. Поэтому повышение долговечности деталей пар трения на финишных этапах их изготовления является актуальной задачей.

Долговечность деталей пар трения определяется интенсивностью изнашивания I_h в установившемся режиме трения (в период нормального износа). Большинство деталей подвергается усталостному износу. В соответствии с теорией фрикционной усталости [1]

(1)

где h_d - глубина зоны деформации под фактическим пятном контакта; l_п - средний размер фактического пятна контакта в направлении скольжения; n - число воздействий, приводящих к отделению деформированного объема материала от поверхности трения; A_r, А_а - соответственно номинальная и фактическая площади контакта поверхностей трения деталей.

Анализ уравнения (1) показывает, что наиболее широкий диапазон варьирования в ходе абразивной обработки характерен для величины n. Значение n зависит от микро- и наноструктур поверхностных слоев и напряжений в зонах деформаций под пятнами контакта поверхностей трения. Целенаправленное регулирование микро- и наноструктур поверхностного слоя позволяет значительно повысить износостойкость поверхности [2]:

Таблица 1

Здесь I_hБ - интенсивность изнашивания базовой поверхностной структуры (ФМ+ФП); ФМ - феррито-мартенситный слой; ФП - феррито-перлитный слой; Тр - трооститный слой; М - мартенситный слой; Б - бейнитный слой.

Для приближенных расчетов величину n в период нормального износа можно определять по уравнению [1]

где у₀ - напряжение разрыва материала поверхностного слоя; у - действующее амплитудное значение напряжения в поверхностном слое при эксплуатации детали; t - показатель степени кривой фрикционной усталости материала поверхностного слоя.

Напряжение разрыва связано с истинным пределом прочности у_ви зависимостью [3]

Здесь _k - относительное сужение поперечного сечения образца перед его разрывом.

Параметры у_ви, _k и t зависят от материала поверхностного слоя и его структурно-фазового состояния.

Структурно-фазовое состояние материала формируется в ходе термического и силового воздействий при абразивной обработке. К управляемым факторам формирования тонких поверхностных структур следует отнести температуру Т_н нагрева поверхностного слоя, время t_в нахождения поверхностных слоев при температурах Т_н, скорости нагрева (V_н) и охлаждения (V_о) поверхностных слоев, интенсивность деформаций (_i) и скоростей деформаций () обрабатываемого материала [4]. Величины Т_н, t_в, V_н, V_о характеризуют температурное воздействие абразивной обработки, параметры _i и - силовое воздействие. С помощью этих величин можно описать основные условия формирования поверхностных структур стальных деталей (таблица).

Таблица 2. Краткая характеристика и условия формирования поверхностных структур при абразивной обработке

Примечание. М_н - температура начала мартенситного превращения; А_с1 - температура превращения перлита в аустенит; А_с3 - температура окончания превращения феррита в аустенит; А_ст - температура окончания растворения избыточных фаз; Т_в - температура начала возврата; t_з - время завершения структурно-фазовых превращений; V_к - критическая скорость охлаждения материала при закалке.

Величины М_н, А_с1, А_с3, А_ст, Т_в, t_з, V_к характеризуют процесс формирования поверхностных структур каждого конкретного железоуглеродистого сплава при термическом и силовом воздействиях.

Анализ технологических операций финишной обработки заготовок деталей позволил выявить основные факторы абразивной обработки, варьируя которые, можно управлять долговечностью деталей пар трения путем регулирования термического и силового воздействий (рисунок).

Рис. 1. Схема управления долговечностью деталей и формированием микро- и наноструктур поверхностных слоев при абразивной обработке

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 (перемещения) 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 традиционными способами, т.е. путем выбора рациональных условий охлаждения заготовки, режимов обработки и характеристик инструмента, применения инструментов с прерывистой рабочей поверхностью или со вставками из твердых смазочных материалов.

В литературных источниках представлен необходимый математический аппарат для расчета характеристик силового воздействия абразивной обработки [4-6] и оценки параметров термического воздействия [4; 7; 8].

Таким образом, можно констатировать следующее:

- повышение долговечности деталей пар трения возможно посредством формирования требуемых микро- и наноструктур поверхностных слоев путем регулирования термического и силового воздействий при финишной абразивной обработке;

- выявлены основные условия формирования структурно-фазового состояния поверхностных слоев, что позволяет осуществлять их целенаправленное структурирование, исходя из необходимости повышения эксплуатационных показателей деталей;

- предложенный методологический подход к выбору рациональных условий и режимов финишной абразивной обработки позволяет повысить долговечность отдельных деталей пар трения до двух раз.

абразивный заготовка шлифовальный трение

Список литературы

Крагельский, И.В. О расчете износа поверхностей трения/ И.В. Крагельский, Г.М. Харач//Расчетные методы оценки трения и износа: сб. науч. тр. - Брянск: Приок. кн. изд-во, Брян. отд-ние, 1975. - С.5-47.

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.

Крайнев, А.Ф. Конструирование машин: справ.-метод. пособие: в 2 т./ А.Ф. Крайнев, А.П. Гусенков, В.В. Болотин [и др.]; под ред. акад. К.В. Фролова. - М.: Машиностроение, 1994. - Т.2. - 624 с.

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

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

Бишутин, С.Г. Управление микро- и наноструктурированием поверхностных слоев деталей при абразивной обработке/ С.Г. Бишутин//Вестн. БГТУ. - 2008. - №4. - С.5-10.

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.

Бишутин, С.Г. Прогнозирование тепловыделения в контактной зоне заготовки и шлифовального круга с учетом его изнашивания/ С.Г. Бишутин, Н.В. Тюльпинова // Вестн. БГТУ. - 2007. - №2. - С.4-9.

Размещено на Allbest.ru