Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Технологическое обеспечение и повышение контактной жесткости и износостойкости деталей

Технологическое обеспечение и повышение контактной жесткости и износостойкости деталей

В настоящее время обеспечение контактной жесткости и износостойкости деталей двухступенчато:
1) конструктор при проектировании изделий выбирает материал деталей, определяет точность их размеров и параметры качества рабочих поверхностей, обеспечивающие требуемые значения контактной жесткости и износостойкости;
2) технолог на стадии технологической подготовки производства выбирает методы и определяет условия обработки деталей, обеспечивающие требуемые точности размеров и параметры качества их рабочих поверхностей.
Конструктор при этом использует как теоретические, так и эмпирические уравнения взаимосвязи контактной жесткости и износостойкости с физико-механическими свойствами материалов деталей, точностью размеров и параметрами качества рабочих поверхностей, и условиями эксплуатации [1-9,14].
Так упрощенные теоретические уравнения для инженерных расчетов деформации, определяющих контактную жесткость деталей, имеют следующий вид [11,14]:

где Yпл1, Yпл2 - величины контактных пластических деформаций соответственно первой и второй контактирующих деталей:

Yуп1, Yуп2 - величины контактных упругих деформаций соответственно первой и второй контактирующих деталей:

В этих уравнениях:
Р - рабочая нагрузка;
А - геометрическая площадь контакта контактирующих деталей;
Ra1(2) - среднее арифметическое отклонение профиля шероховатости поверхности первой (второй) контактирующих деталей;
Wz1(2) - средняя высота волн поверхностей первой (второй) контактирующих деталей;
Hmax1(2) - максимальная высота макроотклонения поверхностей первой (второй) контактируемых деталей;
σт1(2)предел текучести материалов первой (второй) контактирующих деталей;
U1(2) - степень поверхностного упрочнения первой (второй) контактирующих деталей;
E1(2) - модуль упругости материала первой (второй) контактирующих деталей:
μ1(2) - коэффициенты Пуассона первой (второй) контактирующих деталей;
01(2) - соответственно микротвердость и средний шаг неровностей профиля шероховатости первой (второй) контактирующих деталей.
Для определения контактной жесткости при повторных нагрузках используют только упругие составляющие уравнения (1), которые рассчитываются по формуле (3).
Износостойкость рабочих поверхностей деталей определяется интенсивностью изнашивания, величина которой может быть рассчитана по упрощенным инженерным зависимостям [4]:
1) в период переработки

2) в период нормального износа

где n — число циклов воздействия, которое приводит к разрушению материала; р - давление на геометрическую поверхность трения; с - коэффициент стеснения [6]; λ - коэффициент, учитывающий влияние поверхностных остаточных напряжений (σ0) на изнашивание:

σв - предел прочности материала детали; σa - действующее значение напряжения в поверхностном слое детали; tу - параметр, характеризующий фрикционную усталость материала детали.

Анализ теоретических зависимостей и экспериментальных данных позволил определить характеристики материала и параметры качества поверхностных слоев контактирующих деталей, оказывающих влияние на контактную жесткость и износостойкость(табл. 1).

Таблица 1. Взаимосвязь контактной жесткости и износостойкости с физико-механическими свойствами материалов и параметрами качества рабочих поверхностей деталей

Эксплуатационные свойства контактирующих деталей

Характеристики свойств материалов деталей

Параметры качества поверхностного слоя контактирующей детали

σт

σв

Е, μ

n

HB

Ra

Sm

tm

Wz

Hmax

U

σ0

Контактная жесткость:
первое нагружение
повторное нагружение


+
+


0
0


+
+*


0
0


+*
+


-*
-*


-*
-*


+*
+*


-*
-*


-*
-*


+*
+*


0
0

Износостойкость:
приработка
нормальное изнашивание


+*
+*


+
+


+
+


+*
+*


+*
+*


-*
-*


+*
+*


+*
+*


-*
-*


-*
-*


+*
+*


0
0

Примечание. Обозначения "+" или "-" показывают, что увеличение или уменьшение этих параметров вызывает соответственно увеличение или уменьшение значения данного эксплуатационного свойства; "*" - параметр оказывает основное влияние на данное эксплуатационное свойство; "0" - параметр не оказывает влияние на данное эксплуатационное свойство.

При решении технологических задач по обеспечению требуемых значений точности и параметров качества рабочих поверхностей деталей машин используются справочные данные о возможностях технологических методов обработки и теоретические, и эмпирические уравнения взаимосвязи этих показателей с условиями обработки [6,7, 10-15].
Так теоретические уравнения для расчета параметров шероховатости поверхностей деталей при их лезвийной обработке имеют следующий вид (при φ ≥ arcsins/2r и при φ < arcsins/2r):

В этих формулах:
r - радиус при вершине резца;
ρ - радиус скругления режущей кромки;
φ1 - вспомогательный угол в плане;
s - подача;
v - скорость резания;
t - глубина резания;
НВmах, HBmin, HBcp - соответственно максимальная, минимальная и средняя твердости материала обрабатываемой заготовки;
jтс - жесткость технологической системы;
τсдв - предел прочности при сдвиге обрабатываемого материала;
Су, у, z, х и m - коэффициенты [14].
Анализ решений задач конструктора и технолога убедительно показали на необходимость их объединения. Структурная схема такого одноступенчатого обеспечения контактной жесткости и износостойкости деталей приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема одноступенчатого решения проблемы обеспечения контактной жесткости и износостойкости деталей

Возможность реализации данного метода решения проблемы сдерживается из-за отсутствия базы данных по блоку 4. В настоящее время имеется множество экспериментальных данных по взаимосвязи контактной жесткости и износостойкости различных деталей непосредственно с условиями их обработки [1, 3, 4, 6]. Но эти данные из-за различий в методиках проведения экспериментов зачастую носят противоречивый характер и не позволяют их использовать на практике.
Так, на рис. 2 приведены экспериментальные данные по технологическому обеспечению контактной жесткости плоских поверхностей деталей из стали 40Х, обработанных шлифованием.
Это указывает на необходимость нормализации методов испытаний влияния технологических условий обработки деталей на их контактную жесткость и износостойкость.

Рис. 2. Экспериментальные значения контактной жесткости, полученные разными исследователями.

Такой нормализованный метод для испытаний контактной жесткости был создан в БГТУ. Его сущность заключается в определении контактной жесткости цилиндрических (наружных и внутренних) и плоских поверхностей образцов разной твердости, обработанных разными методами при различных режимах, и внедрении в них нормализованных инденторов высокой твердости (HRC 62...64) с различной формой (сферической, цилиндрической, плоской) рабочей поверхности (Ra = 0,05 мкм). Форма поверхности инденторов определяется формой испытуемой поверхности образца: для плоской поверхности образца - сферическая поверхность индентора; для внутренней цилиндрической поверхности образца - сферическая (при измерении контактной жесткости с учетом только шероховатости) и цилиндрическая (при измерении контактной жесткости с учетом волнистости); для наружной цилиндрической поверхности образца - цилиндрическая (при измерении контактной жесткости с учетом только шероховатости) и плоская (при измерении контактной жесткости с учетом волнистости). Радиусы сфер и цилиндров инденторов определяются из условия контакта индентора и испытуемой поверхности при максимальной нагрузке в пределах базовой длины шероховатости. Силы нагружения определялись в зависимости от твердости образцов и шероховатости их испытуемых поверхностей.
Под нормализованные методы были изготовлены различные инденторы, разработана и создана автоматизированная система научных исследований (АСНИ) контактной жесткости [15] .
Работа системы начинается с ввода исходных данных: вид испытуемой поверхности, метод обработки, максимальные и минимальные значения режимов и твердости, число опытов и их повторений. Матрица экспериментов формируется автоматически и при проведении следующего опыта ЭВМ дает рекомендации, какой образец и на каких режимах необходимо обработать для проведения опыта, а также форма и размеры инденторов. После обработки и установки образца и требуемых инденторов автоматически начинает работать система нагрузки до необходимой величины и нагрузки с шестикратным повторением. После проведения всех испытаний по матрице планирования экспериментов выдается протокол, в котором приводится вся матрица с полученными результатами и эмпирические зависимости контактной жесткости от условий обработки, проверенные на адекватность.
В качестве примера приведен протокол испытаний канд. техн. наук А.Е. Захарова от 3.06.2001 г. Результаты испытаний приведены в табл. 2.

Таблица 2. Результаты испытаний по матрице планирования эксперимента 23 (j1, jпов, Па/мкм)

v, м/мин

s, мм/об

HV

j1

jпов

j1

" jпов

j1

jпов

Среднее значение

j1ср

jпов.ср

1

80

0,1

105

11 537

35,485

11,959

36,577

12,559

35,952

10,861

33,656

2

180

0,1

105

16,765

41,173

17,659

40,577

17,069

41,712

13,727

33,656

3

80

0,4

105

4,409

17,183

5,028

18,532

5,277

17,965

5,663

21,388

4

180

0,4

105

5,374

18,868

6,150

19,596

6,387

20,165

7,158

21,388

5

80

0,1

270

30,302

57,731

31,071

60,215

29,741

58,875

36,784

77,311

6

180

0,1

270

39,632

77,529

41,611

78,511

40,776

76,523

46,489

77,311

7

80

0,4

270

23,831

51,973

24,040

54,112

24,856

52,891

19,181

49,130

8

180

0,4

270

26,717

59,635

26,564

60,040

26,374

59,082

24,241

49,130

Вид испытуемой поверхности - цилиндрическая наружная.
Твердость образцов - HV 105, 270.
Метод обработки - чистовое точение с режимами: v = 80; 180 м/мин, s = 0,1; 0,4 мм/об.
При первом нагружении

При повторном нагружении

Данная система позволила быстро создать банк данных по технологическому обеспечению значений контактной жесткости (табл. 3).

Таблица 3. Возможности обработки в обеспечении нормальной контактной жесткости поверхностей j1, jпов, Па/мкм

Методы обработки

Контактная жесткость поверхности с учетом

шероховатости

шероховатости и волнистости

j1

j1

jп

jпов

Наружные поверхности вращения

Точение:
черновое
получистовое
чистовое

0,24-19,74
1,79-35,3
8 4,41-41,6

0,43-41,
4,98-63,18
17,18-48,51

0,15-11,6
0,67-27,93
1,72-32,76

0,38-27,63
1,5-54,42
9,01-58,98

Круглое шлифование: черновое
получистовое
чистовое

17,35-51,91
22,4-57,37
33,73-65,89

42,35-103,55
59,73-122,9
1 78,08-137,94

13,32-45,35
17,15-48,73
24,35-58,94

33,78-89,79
45,63-100,34
63,18-125,74

Внутренние поверхности вращения

Растачивание:
черновое
получистовое
чистовое

0,11-12,67
1,58-43,78
5,09-51,04

0,27-29,43
4,97-81,92
19,06-101,72

0,05-9,94
0,79-33,49
4,1-38,96

0,17-22,79
1,91-65,9
1 13,25-83,85

Внутреннее шлифование:
черновое
получистовое чистовое

18,17-50,29
26,94-53,74
35,93-61,67

45,19-103,89
65,5-116,3
4 76,01-129,25

14,21-4,73
19,17-45,78
28,45-56,76

37,72-89,11
41,42-97,52
70,52-116,16

В настоящее время в БГТУ проводятся научные работы по теоретическому описанию взаимосвязи контактной жесткости и износостойкости рабочих поверхностей деталей с условиями их обработки.
Эти исследования проводятся по двум направлениям:
1) путем подстановки теоретических зависимостей по расчету параметров качества поверхностного слоя деталей с условиями их обработки в теоретические уравнения контактной жесткости и износостойкости;
2) на основе рассмотрения единства процессов силового воздействия на поверхность детали как при ее изготовлении, так и при эксплуатации.
Предварительный анализ этих исследований позволил установить степень влияния различных технологических факторов на контактную жесткость и износостойкость обрабатываемых поверхностей (табл. 4).

Таблица 4. Влияние условий отделочно-упрочняющей обработки ППД на контактную жесткость и износостойкость

Условия обработки

Контактная жесткость

Износостойкость

первое нагружение

повторные нагр ужения

Скорость

-

-

-

Подача

-*

-*

-*

Рабочее давление

+*

+*

+*

Число рабочих ходов

+

+

+*

Радиус рабочего шарика или алмаза выглаживателя

+*

+*

+*

Диаметр рабочего ролика

+*

+*

+*

Профильный радиус ролика

+*

+*

+*

Задний угол вдавливания ролика

-

-

-

Жесткость технологической системы

+

+

+

соте

+

+

+

Примечание. Обозначения "+" и "-" показывают, что увеличение или уменьшение этих параметров вызывает увеличение или уменьшение данного эксплуатационного свойства; "*" -параметр оказывает основное влияние на данное эксплуатационное свойство.

Полученные результаты позволяют целенаправленно подойти не только к обеспечению требуемых значений контактной жесткости и износостойкости рабочих поверхностей деталей, но и их повышению.
Так, при лезвийной обработке необходимо уменьшать подачу, при алмазно-абразивной обработке -снижать зернистость, при ОУО ППД - увеличивать рабочее давление.

Литература

1. Рыжов Э.В. Контактная жесткость деталей машин. М.: Машиностроение, 1966. 193 с.
2. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968. 480 с.
3. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатости поверхностей. М.: Машиностроение, 1970. 327 с.
4. Левина З.М., Решетов Д.М. Контактная жесткость машин. М.: Машиностроение, 1971. 264 с.
5. Крагельский И.В., Добычин Н.М., Комбалов B.C. Основа расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 540 с.
6. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение контактной жесткости соединений. М.: Наука, 1977. 100 с.
7. Рыжов Э.В., Суслов А.Г., Федоров В.П. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин. М.: Машиностроение, 1979. 176 с.
8. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. М.: Машиностроение, 1981. 244 с.
9. Рыжов Э.В., Колесников Ю.В., Суслов А.Г. Контактирование твердых тел при статических и динамических нагрузках. Киев: Наукова думка, 1982. 170 с.
10. Рыжов Э.В. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин. Киев: Наукова думка, 1984. 272 с.
11. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей. М.: Машиностроение, 1987. 207 с.
12. Рыжов Э.В., Аверченков В.И. Оптимизация технологических процессов механической обработки. Киев: Наукова думка, 1989. 222 с.
13. Рыжов Э.В., Клименко С.А., Гучаленко О.Г. Технологическое обеспечение качества деталей с покрытиями. Киев: Наукова думка, 1994. 177 с.
14. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2000. 320 с.
15. Суслов А.Г., Дальский A.M. Научные основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 2002. 684 с.

А.Г. СУСЛОВ, В.И. АВЕРЧЕНКОВ, О.А. ГОРЛЕНКО, В.Б. ИЛЬИЦКИЙ,
В.П. ТИХОМИРОВ, А.В. ТОТАЙ, В.П. ФЕДОРОВ

Справочник, инженерный журнал (приложение)
№9, 2003г. с. 2-7

Статьи партнеров