Bryansk, Bryansk, Russian Federation
Bryansk, Bryansk, Russian Federation
UDK 621.9 Обработка резанием (снятием стружки).Резка (разделительные операции без образования стружки).Дробление и измельчение.Обработка листового материала.Изготовление резьбы и т.д. Способы (технология), инструменты, машины и приспособления
Increasing the durability of sliding friction pairs parts cannot be possible on a regular basis using more expensive structural materials or, moreover, applying special coatings which are obtained due to using plasma energy or vacuum technologies. It is known that shortening running-in period can significantly increase the surface area and, in addition, provide a more stable operation mode at the stage of the main service life of the product, due to specific conditions and operating modes. Numerous attempts to access surface roughness parameters corresponding to the roughness parameters formed during normal wear-out period often did not lead to the desired results. As further research in this direction has shown, the time of the run-in period is spent on the formation of the surface layer structure under the influence of specified loads, slippage speeds, initial loads, grades of lubricants, etc. And the steady-state roughness parameters are stabilized only on the substructure characteristic of this pair. In the presented article, an attempt is made to use only the grain size of steel surfaces from the available variety of descriptions of the structural parameters of the parts surface layer. This decision is supported by the fact that the parameter is regulated by GOST 5639-82 (State Standard), and there is a proven method for determining it by using the appropriate hardware. Focusing on the grain size of the tribosurface, it became possible to show the potential of reducing the period of running-in through the conditions of technological influencing factors on the tribosurface.
deformation rate, contact temperature, grain size, running-in period, equilibrium structure
Введение
Повышению износостойкости ответственных триботехнических систем технологическими методами посвятили свои исследования многие специалисты в данной области техники. В большинстве случаев результатом таких разработок являлись рекомендации по обеспечению так называемой «равновесной» шероховатости, сформированной в паре трения в процессе эксплуатации [1 – 3]. Причем, фиксировались не только рекомендуемые гостовские параметры, но и дополнительные, наиболее полно характеризующие микрорельеф поверхностей.
Данные лабораторных и натурных испытаний чаще всего не достигали желаемых результатов, что приводило к однозначным выводам о невозможности сформировать трибоповерхность на стадии изготовления с минимальным периодом приработки, ориентируясь только на микрогеометрию поверхности.
В различных алгоритмах расчета износостойкости, например, в молекулярно-механической теории трения, неизбежно присутствуют различные физические параметры конструкционных материалов. Прежде всего, это твёрдость, модуль упругости, предел текучести и т. п. Очевидно, что в тонких субструктурах, которые сформировались в процессе технологического воздействия, перечисленные параметры будут отличаться от их табличных значений, иногда очень существенно. Следовательно, для объективной оценки ресурса трибоповерхности необходимо иметь уточненные значения физических параметров, сложившихся в результате комплексного воздействия различных технологических факторов.
Теоретический анализ формирования структурных характеристик
поверхностного слоя
Согласно молекулярно-механической теории трения наиболее информативным физическим параметром, характеризующим состояние металла поверхностного слоя и в значительной степени определяющим интенсивность изнашивания твёрдых тел, является предел текучести материала [4]. Одним из основных постулатов теории пластической деформации материалов является зависимость фактического значения предела текучести от действующей температуры и скорости деформации в процессе механической обработки [5]. Реальное значение предела текучести можно определить с помощью коэффициента y, учитывающего скорость деформации в процессе реализации того или иного метода обработки:
Как показал ряд исследований практически все механические методы обработки можно отнести к высокоскоростным процессам деформирования и считать соотношение равным порядка 103.
Для объективной оценки состояния трибоповерхности в период стабильного износа желательно иметь параметр, достаточно несложно определяемый экспериментальным путём, и способный служить целевой функцией для его обеспечения в процессе изготовления. Для этой цели можно воспользоваться зависимостью Холла-Петча [6], которая имеет вид:
материаловедов пользуются не размерами зерен, а их номером по ГОСТ 5639-82, в котором весь возможный диапазон структур разбит на 18 номеров G от 3 до 14.
Для аналитического определения размера зерна требуется знать закон изменения предела текучести в зависимости от действующей температуры в процессе обработки. Подобная информация содержится в зависимости, полученной Н.С. Курнаковым:
Что касается контактной температуры, то современные аппаратные средства дают возможность оперативно экспериментальным путём определить её значение. В частности, можно воспользоваться тепловизионным методом.
В последнее время исследование триботехнических закономерностей периода приработки деталей пар трения скольжения выделилось в самостоятельный раздел проблемы повышения износостойкости деталей машин и надёжности сопряжений. Важнейшей особенностью начального периода работы поверхности является постоянно изменяющаяся скорость износа, уменьшение температуры и давления в зоне контакта поверхностей. Неизбежно также и изменение структуры поверхности. От того, насколько быстро в паре трения сформируется состояние поверхностей, близкое к эксплуатационному, будет зависеть с какой величины износа начнется нормальный период эксплуатации соединения и, в итоге, общий срок его службы. Основную роль в управлении исходным состоянием поверхности может сыграть технология их изготовления.
Результаты экспериментов
С погрешностью, приемлемой для практических расчётов, размер зерна d поверхностного слоя, соответствующий режиму нормального (установившегося) износа, можно получить по зависимости (5). В этом случае задачей технологической подготовки трибоповерхностей является обеспечение в поверхностном слое зерна, близкого по своим размерам к рассчитанному для конкретных условий эксплуатации.
Анализ зависимости (5) показывает, что возможность управления величиной d за счёт вариации коэффициента y незначительна (см. рис. 1) как при изготовлении, так и при эксплуатации поверхности. Изменение коэффициента y от 1,15 до 2 происходит при возрастании отношения скорости деформации в процессе обработки или эксплуатации к скорости деформации при испытаниях материала от 10 до 104. Таким образом, только температура пластической деформации позволяет реально влиять на размер зерна поверхностного слоя.
Для уменьшения периода приработки трибоповерхностей предлагается следующий алгоритм действий:
1) экспериментально определяется размер зерна d у границы поверхности после пути трения, равному периоду приработки;
2) по зависимости (11) рассчитывается глубина слоя h, имеющая средний размер зерна, близкий к эксплуатационному;
3) по априорным сведениям, теоретическим или эмпирическим зависимостям рассчитывается значение температур, выбирается метод обработки и устанавливаются режимы обработки. В случае необходимости в качестве лимитирующего значения может быть выбрана температура фазовых превращений, характерная для данного материала.
Для проверки предложенного подхода были проведены эксперименты по исследованию периода приработки закалённых образцов из стали 45 и стали 65Г и установления связи этого процесса с кристаллической структурой материала поверхностного слоя.
Методом тонкого точения резцами из сверхтвёрдых синтетических материалов было изготовлено по 50 образцов из каждого материала (Æ 40–0,02 мм; Ra = 0,20…0,24 мкм).
Трение проводилось с линейной скоростью 0,5 м/с, P = 1800 H, смазка – масло «Индустриальное-20» в режиме одна капля в минуту, материал контртела – чугун СЧ-24.
Первая партия образцов из 5 штук каждого из двух материалов проходила испытания 1 ч, вторая – 2 ч и т. д.
На всех образцах изготавливались шлифы и на металлографическом микроскопе определялся средний размер зерна. Параллельно на профилографе-профилометре от естественных баз измерялся линейный износ трибоповерхности.
Результаты проведенных исследований представлены в виде графических зависимостей на рис. 2.
Анализируя полученные зависимости, можно сказать, что размер зерна за период приработки увеличился от 20 до 30 раз. Это положение в определённой мере опровергает гипотезу о возможности исключения или максимального снижения периода приработки за счёт обеспечения на финишной операции обработки поверхности параметров шероховатости, близкой к «равновесной», т. е. имеющей параметры шероховатости поверхности в период нормального износа.
На основании проведенных исследований можно сделать следующее предположение: «равновесная» шероховатость трибоповерхностей формируется на «равновесной» структуре поверхностного слоя, т. е. микрорельеф стабилизируется только после стабилизации размера зерна. Действующие же температуры и давления в процессе выполнения большинства технологических операций, как правило, значительно отличаются в ту или иную сторону от эксплуатационных, что исключает возможность управления периодом приработки только за счёт обеспечения определённых параметров шероховатости.
Физический смысл формирования структурного «портрета» поверхностного слоя можно представить следующим образом: если при окончательном методе обработки силовые и температурные факторы «жёстче», чем при эксплуатации, то зерно в процессе трения «растёт», если «мягче», то уменьшается.
Таким образом, можно говорить об обеспечении на технологической стадии «равновесной» структуры поверхностного слоя. На современном этапе развития технологии данное решение возможно лишь с привлечением широкой гаммы прогрессивных методов обработки, включая электро-физико-химические, ультразвуковые способы, а также обработку эластичным инструментом (ленточное и лепестковое полирование, магнитно-абразивная обработка), которые позволяют в широком диапазоне варьировать силовые и температурные параметры технологического воздействия на поверхность.
В значительной степени подтверждают предложенную теорию коэффициенты парной корреляции Kd,D между размером зерна трибоповерхности и комплексной характеристикой Крагельского-Комбалова
Заключение
Проведенный теоретический анализ процесса формирования структурных характеристик поверхностного слоя деталей из конструкционных материалов подтвердил необходимость учёта комплекса физических факторов, сопровождающих процессы механической обработки.
Прежде всего, требуется учитывать такие параметры, как температуру и скорость деформации материала, сопровождающие большинство методов механической обработки. Подобный подход позволяет прогнозировать такую важную характеристику субструктуры поверхностного слоя, как размер зерна. Достаточно убедительно доказано, что уменьшение начального износа трибоповерхности в период приработки, основанное на технологическом обеспечении так называемой «равновесной» шероховатости, как правило, не приводит к положительному результату. Значительно эффективнее с практической точки зрения ориентироваться на размер зерна поверхностного слоя и пытаться обеспечить его размеры в процессе механической обработки, а «равновесная» шероховатость сформируется на структуре, работающей в стадии стабильного износа.
1. Engineering of parts surface / A.G. Suslov, V.F. Bezylagny, Yu.V. Panfilov [et al.]; edited by A.G. Suslov. Moscow: Mashinostroenie, 2008, 320 p.
2. Technological support and operation properties increase in parts and their units / A.G. Suslov, V.P. Fedorov, O.A. Gorlenko [et al.]; under the general editorship of A.G. Suslov. Moscow: Mashinostroenie, 2006, 447 p.
3. Nagorkin M.N., Fedorov V.P., Suslov A.G., Totai A.V. Technological control of surface operational roughness parameters for sliding friction pairs through combined antifriction surfacing // Science intensive technologies in mechanical engineering. 2023, Nno. 12 (150). pp. 37–45. DOI:https://doi.org/10.30987/2223-4608-2023 37-45.
4. Kragelsky I.V., Dobychin M.N., Kombalov V.S. Fundamentals of calculations for friction and wear: monograph. Moscow: Mashinostroenie, 1977, 540 p.
5. The theory of plastic deformation of metals: monograph / E.P. Unksov, U. Jonon, V.L. Kolmogorov et al.]; under the editorship of E.P. Unksov, A.G. Ovchinnikova. Moscow: Mashinostroenie,1983, 598 p.
6. Sulima A.M., Shulov V.A., Yagodkin Yu.D. The surface layer and operational properties of machine parts: monograph. Moscow: Mashinostroenie, 1988, 240 p.
7. Bokuchava, G.V. Cutting temperature in grinding / / Vestnik mashinostroeniya. 1963, no. 11,pp. 62–66.
8. Kombalov V.S. Assessment of tribotechnical properties of mating surfaces: monograph. Moscow: Nauka, 1983, 136 p.
