Повышение износостойкости поверхностей деталей машин при финишной абразивной обработке

Размещено на http://www.allbest.ru/

Повышение износостойкости поверхностей деталей машин при финишной абразивной обработке Отдельные результаты исследований получены при выполнении проекта № 7.1944.2011 в рамках государственного задания на выполнение работ.

С.Г. Бишутин

Показана возможность существенного повышения износостойкости поверхностей при их финишной абразивной обработке на основе регулирования термического и силового воздействий на поверхностный слой путем выбора рациональных режимов шлифования.

Ключевые слова: износостойкость поверхности, абразивная обработка, термическое воздействие, силовое воздействие, состояние поверхностного слоя.

Значительное влияние на процесс изнашивания деталей оказывает состояние их тонких поверхностных слоев. Наиболее часто поверхности трения и поверхностные слои формируются в ходе абразивной обработки, являющейся финишным этапом большинства технологических процессов изготовления деталей. Поэтому повышение износостойкости поверхностей деталей пар трения на финишных этапах их изготовления является актуальной задачей.

Анализ научной литературы позволил выделить следующие направления повышения износостойкости поверхностей при их финишной абразивной обработке:

- формирование при финишной обработке требуемого микрорельефа на поверхности трения [1; 2];

- упрочнение поверхностных слоев деталей за счет тепла, выделяющегося в контакте шлифовального круга и заготовки [3];

- интеграция операций поверхностной закалки ТВЧ и шлифования на одном технологическом оборудовании [4];

- научно обоснованный выбор режимов традиционной финишной абразивной обработки, обеспечивающих формирование износостойких приповерхностных микро- и наноструктур [5; 6];

- создание нетрадиционными методами абразивной обработки структурированных поверхностных слоев, существенно отличающихся по структуре и составу от основного материала [7; 8].

Первое направление заключается в создании при обработке на поверхности трения сетки микронеровностей вследствие разных направлений рисок от вершин абразивных зерен. Повышение износостойкости достигается, как правило, в период приработки за счет образования масляных карманов. На интенсивность изнашивания в период нормального износа данные технологии практически не оказывают влияния.

Второе направление реализуется путем выбора режимов и условий шлифования, обеспечивающих значительное тепловыделение в зоне обработки. Вследствие этого в поверхностных слоях образуются твердые структуры закалки. Качество поверхности при такой технологии нестабильно. Зачастую наблюдаются сильные вибрации вследствие применения форсированных режимов шлифования, что приводит к повышению волнистости и макроотклонения поверхности. Очевидно, что такая технология неприменима к поверхностям трения ответственных деталей машин.

Комбинированное шлифование с дополнительным термическим воздействием от токов высокой частоты (третье направление) увеличивает износостойкость поверхности (до 2 раз) за счет повышения микротвердости поверхностного слоя. Однако такие технологии требуют существенных капитальных затрат на производство и применимы далеко не для всех деталей машин с поверхностями трения.

Четвертое направление предполагает повышение износостойкости в несколько раз за счет научно обоснованного выбора режимов финишной абразивной обработки, что возможно в условиях серийного производства при использовании современного станочного оборудования. Реализация такого подхода к повышению износостойкости не требует значительных капитальных затрат на производство.

Значительного повышения износостойкости (до 3 - 4 раз) можно достичь путем формирования при финишной абразивной обработке поверхностных слоев, существенно отличающихся по структуре и составу от основного материала (пятое направление) [7; 8]. Такие поверхностные слои можно получить при введении в зону обработки частиц антифрикционных материалов. Принципиально возможны два варианта нанесения антифрикционного материала на поверхность в ходе шлифования: нанесение частиц антифрикционного материала натирающего элемента сначала на абразивные зерна шлифовального круга, а затем растирание этих частиц по обрабатываемой поверхности при выхаживании; нанесение частиц антифрикционного материала непосредственно на обрабатываемую поверхность и их растирание по ней абразивными зернами при выхаживании шлифовальным кругом.

Как видим, мероприятия в рамках четвертого и пятого направлений будут являться наиболее эффективными путями технологического обеспечения и повышения износостойкости поверхностей деталей машин, подвергаемых абразивной обработке.

Рассмотрим суть четвертого направления повышения износостойкости при финишной абразивной обработке.

Большинство поверхностей трения ответственных деталей машин подвергается усталостному изнашиванию. Уравнение для расчета скорости изнашивания таких поверхностей можно представить следующим образом [9]:

, (1)

где р - давление на поверхности трения; V - скорость скольжения; Н - величина, учитывающая макроотклонение, волнистость, шероховатость и погрешность положения поверхности в паре трения (определяются технологией сборки узла трения и финишной обработки рассматриваемой поверхности); а, b - параметры, характеризующие микронеровности поверхности трения.

Величина k является коэффициентом, характеризующим износостойкость поверхности трения, и зависит от состояния приповерхностных слоев и условий финишной абразивной обработки.

Анализ формулы (1) показывает, что скорость изнашивания является степенной зависимостью произведения pV и гиперболической зависимостью от времени t работы сопряжения. Это подтверждается результатами экспериментальных исследований многих ученых [10-12 и др.].

При достижении износа, равного Н, поверхность полностью прирабатывается и скорость изнашивания определяется уравнением

(2)

износостойкость шлифованный абразивная обработка

Такой вид закона изнашивания приработанных поверхностей согласуется с результатами исследований А.С. Проникова, М.М. Хрущова, Д. Арчарда, Д.Г. Эванса и др.

Уравнение (2) можно представить в виде

,

где с - размерный коэффициент, зависящий от условий изнашивания поверхности; k - безразмерный коэффициент износостойкости материала детали пары трения.

Значение k будет определяться состоянием (на микро- и наноуровне) материала поверхностного слоя, зависящим от условий и режимов финишной абразивной обработки. Это можно объяснить тем, что обработанная поверхность внешними факторами процесса абразивной обработки (термическим и силовым) переводится в неравновесное состояние. В процессе трения материал детали в микроконтактах поверхностных слоев стремится к более равновесному состоянию благодаря наличию значительной доли дефектной фазы, сформированной при финишной абразивной обработке. Очевидно, что процесс перехода материала из неравновесного состояния (после шлифования) в более равновесное (в процессе приработки поверхностей) в основном и определяет влияние режимов финишной абразивной обработки на износостойкость поверхности.

Получим формулу для расчета коэффициента k.

Анализ процесса абразивной обработки показал, что существует четыре фактора, в наибольшей степени определяющие структурно-фазовое состояние поверхностного слоя на микро- и наноуровне: - скорость деформирования материала в ходе обработки, с^-1; a_z - глубина внедрения вершин абразивных зерен в обрабатываемый материал, зависящая от режимов обработки, м; с - радиус скругления вершин абразивных зерен, м; л - интенсивность контактирования рассматриваемого участка поверхности заготовки с абразивным инструментом, с^-1. Эти факторы комплексно характеризуют термическое и силовое воздействия абразивной обработки, формирующие поверхностный слой [5; 6; 9].

Запишем уравнение размерности величины k, полагая, что существует однозначная взаимосвязь между k и , a_z, л, с:

, (3)

где T - время; L - длина ; б, в, , - постоянные числа.

Из уравнения (3) следует, что б = - и в = -. Тогда формулу для k можно представить в виде

. (4)

Здесь где - частота вращения заготовки или число рабочих ходов абразивного инструмента в единицу времени; H₀ - число контактов рассматриваемого участка поверхности заготовки с абразивным инструментом.

Для определения значений б и в были проведены эксперименты.

На первом этапе экспериментальных исследований цилиндрические образцы из различных материалов были подвергнуты абразивному шлифованию электрокорундовым кругом прямого профиля зернистостью 16. Образцы устанавливались на оправке, которая базировалась в центрах станка. Перед обработкой каждого образца круг подвергался алмазной правке. С каждого образца предварительно сошлифовывался слой материала для устранения влияния технологической наследственности и стабилизации термического и силового воздействий в ходе экспериментов. Силовое и термическое воздействия на поверхностный слой менялись путем варьирования глубины шлифования и времени выхаживания поверхности. Уровни варьирования указанных факторов определялись с учетом результатов исследований [5; 6].

Второй этап исследований заключался в проведении триботехнических испытаний шлифованных образцов. Испытания проводились с использованием автоматизированной системы научных исследований (АСНИ) на базе машины трения МИ-1М по схеме «вращающийся диск - невращающийся индентор». Данная АСНИ способна в процессе испытаний регистрировать значения износа поверхности образца и коэффициента трения. Шлифованные образцы диаметром 60 мм и длиной 16 мм имели радиальное биение испытуемых поверхностей относительно базового отверстия 0,005…0,01мм и шероховатость Ra = 0,5…0,6 мкм. Для исключения влияния износа индентора на результаты испытаний он был выполнен из твердого сплава ВК8. Ширина индентора составляла 5 мм. Испытания проводили до полного завершения процесса приработки и накопления не менее 2/3 общего пути трения, приходящегося на период нормального изнашивания. Завершение процесса приработки определялось по стабилизации коэффициента трения и скорости изнашивания (выход кривой изнашивания на линейный участок). Испытания проводились при нагрузке на индентор 150 Н и скорости относительного скольжения 1,3 м/с. В качестве смазочного материала использовалось масло И-20А. Результаты экспериментов представлены в таблице.

Таблица

Условия эксперимента и износостойкость шлифованных поверхностей

Анализ полученных результатов показывает, что коэффициент k имеет тесную корреляцию (коэффициент парной корреляции Q = 0,89) со скоростью изнашивания поверхности. Отсюда получим, что б = 0,2 и в = 1,5. Тогда уравнение (4) применительно к условиям экспериментов запишется следующим образом:

(5)

Значения / л и a_z/с рассчитывались по формулам [9].

Оценим с помощью последнего уравнения возможности финишной абразивной обработки по повышению износостойкости поверхности.

На чистовых режимах обработки ответственных поверхностей деталей обычно a_z/с составляет 0,3…0,45. При переходе на более щадящие режимы обработки и использовании специальных смазочно-охлаждающих технологических средств, облегчающих процесс стружкообразования, удается снизить соотношение a_z/с до 0,15…0,2, т.е. отношение a_z/с при финишной абразивной обработке можно менять от 1,5 до 3 раз. Следовательно, подставляя эти соотношения в уравнение (5), можно установить, что износостойкость поверхности можно повысить за счет подбора режимов и условий обработки до 2-5 раз. Проведенные эксперименты (таблица) показали 2-3-кратное повышение износостойкости поверхности только лишь за счет варьирования глубины шлифования и времени выхаживания обрабатываемой поверхности, что доказывает возможность существенного повышения износостойкости поверхности при финишной абразивной обработке.

Обобщая изложенное, можно сделать следующие выводы:

- технологически обеспечить и повысить износостойкость деталей пар трения возможно формированием требуемых микро- и наноструктур поверхностных слоев путем регулирования термического и силового воздействий при традиционной финишной абразивной обработке;

- наиболее приемлемым путем формирования износостойких микро- и наноструктур при традиционном шлифовании является изменение глубины шлифования и времени выхаживания поверхности, так как эти параметры определяют интенсивность и длительность термического и силового воздействий абразивной обработки на поверхностный слой.

Таким образом, при абразивной обработке имеются возможности существенного повышения (до нескольких раз) износостойкости поверхностей деталей машин.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Козлов, А.М. Разработка инструмента с некруговой рабочей поверхностью для повышения эксплуатационных характеристик прокатных валков при их шлифовании: автореф. дис. … д-ра техн. наук/А.М. Козлов. - М.:МГТУ «Станкин», 2005. - 42с.

2. Колтунов, И.И. Повышение эффективности процесса шлифования внутренних криволинейных поверхностей колец самоустанавливающихся подшипников: автореф. дис. … д-ра техн. наук/И.И. Колтунов. - Орел: ОрелГТУ, 2007. - 44с.

3. 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. - 34 с.

4. Иванцивский, В.В. Технологические аспекты интеграции операций поверхностной закалки и шлифования на одном технологическом оборудовании: автореф. дис. … д-ра техн. наук/ В.В. Иванцивский. - Новосибирск: НГТУ, 2007. - 35 с.

5. Бишутин, С.Г. Износостойкость сформированных при шлифовании поверхностных слоев деталей машин/ С.Г. Бишутин, М.И. Прудников; под ред. С.Г. Бишутина. - Брянск: БГТУ, 2010. - 100 с.

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

7. Бишутин, С.Г. Технологическое обеспечение и повышение износостойкости деталей автомобилей /С.Г. Бишутин// Актуальные проблемы в сфере автомобильного транспорта: сб. науч. ст. - Брянск: БГТУ,2012. - С.61-67.

8. Бишутин, С.Г. Современные способы шлифования в машиностроении/С.Г. Бишутин// Наукоемкие технологии в машиностроении. - 2011. - №2. - С.28-34.

9. Бишутин, С.Г. Качество и износостойкость шлифованных поверхностей деталей автомобилей/ С.Г. Бишутин. - Брянск: Десяточка,2011. - 100 с.

10. Чичинадзе, А.В. Основы трибологии (трение, износ, смазка): учеб. для техн. вузов/ А.В. Чичинадзе, Э.Д. Браун, Н.А. Буше [и др.]; под общ. ред. А.В.Чичинадзе. - М.:Машиностроение, 2001. - 664 с.

11. Мышкин, Н.К. Трение, смазка, износ. Физические основы и технические приложения трибологии/ Н.К. Мышкин, М.И. Петроковец. - М.:Физматлит, 2007. - 368 с.

12. Основы трибологии: учеб. для техн. вузов/ под ред. А.В. Чичинадзе. - М.:Наука и техника,1995. - 778 с.

Размещено на Allbest.ru