Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Автоматизированная система нормализованного определения несущей способности поверхностных слоев деталей машин

Автоматизированная система нормализованного определения несущей способности поверхностных слоев деталей машин

Все эксплуатационные свойства деталей машин в значительной мере зависят от несущей способности их рабочих поверхностей.
Под несущей способностью поверхностных слоев деталей машин понимается их способность сопротивляться упругим и пластическим деформациям и разрушению под действием сопрягаемых с ними деталей и окружающей среды. Замена ГОСТ 2789-59 на ГОСТ 2789-73 (шероховатость поверхности) и появление параметра tp (относительная длина опорной линии профиля шероховатости на уровне сечения профиля р) в значительной мере объясняется стремлением учесть несущую способность шероховатости. Однако несущая способность шероховатости на одном из уровней является малоинформативным параметром, поэтому в последнее время все больше внимания уделяется параметру Rp - высоте сглаживания шероховатости, который интегрированно характеризует ее несущую способность (металлоемкость). Наряду с шероховатостью металлоемкость поверхности в значительной мере определяется волнистостью и макроотклонениями, наиболее информационными параметрами которых по несущей способности являются Wp и Нр.
Кроме геометрии, несущая способность поверхностного слоя деталей зависит от его физико-механических свойств (твердости, остаточных напряжений и др.). В последнее время предпринимались попытки к установлению комплексных параметров, характеризующих качество поверхностного слоя деталей. Эти комплексные параметры являются функциональными, как правило, только по одному из эксплуатационных свойств.
Так одним из комплексных параметров свойств поверхностного слоя деталей, определяющим их контактную жесткость, является параметр П [1]:

где Rp - высота сглаживания профиля, мкм; v - параметр начального участка кривой относительных опорных длин профиля; Wp - высота сглаживания волнистости, мкм; Нр — высота сглаживания макроотклонений, мкм; Uн - степень наклепа.

Аналогичные комплексные параметры качества поверхностного слоя деталей установлены по износостойкости, коррозионной стойкости и другим эксплуатационным свойствам [1].

Таблица 1. Схема расположения и форма инденторов при определении коэффициента средней контактной жесткости рабочей поверхности

Вид испытываемой поверхности

Вид контроля, форма рабочей поверхности индентора и схема расположения инденторов

Контактная жесткость с учетом только шероховатости поверхности

Контактная жесткость с учетом шероховатости и волнистости поверхности

Плоская

Три индентора со сферическим основанием радиусом rсф = 100 или 200 мм

Три индентора с плоским основанием диаметром D= 8,0 или 25 мм

Наружная цилиндрическая

Два индентора со сферическим основанием радиусом rсф = 100 или 200 мм

Два индентора с плоским основанием диаметром D= 8,0 или 25 мм

Внутренняя цилиндрическая

Два индентора со сферическим основанием радиусом rсф= 17 мм

Два индентора с цилиндрическим основанием: rцил = 17мм;l= 8,0; 25 мм

Практически, до настоящего времени, не установлен комплексный параметр несущей способности поверхностных слоев деталей, характеризующий все эксплуатационные свойства.
Если следовать формулировке несущей способности поверхностных слоев, то в наилучшей мере ее можно характеризовать коэффициентом средней контактной жесткости, так как под контактной жесткостью понимается способность поверхностных слоев деталей машин сопротивляться действию сил, стремящихся их сдеформировать [1]:

где pср - среднее геометрическое давление, Па; рср - среднее значение контактных перемещений, мкм.

В начальный период работы, когда возможны начальные пластические деформации, несущую способность поверхностных слоев можно характеризовать коэффициентом средней контактной жесткости при первом нагружении. При установившемся процессе эксплуатации машин несущую способность рабочих поверхностных слоев их деталей, испытывающих только упругие деформации, можно характеризовать коэффициентом средней контактной жесткости при повторных нагружениях.
Для практической оценки несущей способности поверхностных слоев деталей машин с помощью коэффициента средней контактной жесткости был разработан метод определения нормальной контактной жесткости [2]. В соответствии с этим методом определение среднего коэффициента контактной жесткости осуществляется при внедрении в испытываемую поверхность под нагрузкой двух или трех сферических, цилиндрических или плоских инденторов нормализованных размеров (табл. 1).
Нормализованные размеры инденторов и значения нагрузок в зависимости отформы испытуемой поверхности приведены в табл. 2-4.

Таблица 2. Размеры инденторов н значения нагрузок для испытания на контактную жесткость плоских поверхностей, обработанных с разной шероховатостью

Параметры шероховатости контролируемой поверхности

Радиус сферы, rсф, мм

Диаметр ин-дентора (измерения с учетом волнистости), мм

Значение нагрузки* , Н, при твердости материала образца НВ, МПа

Ra, мкм

Rz, мкм

Базовая длина lб, ММ

2-5

5-10

10-15

15-20

20-25

25-30

-

320-160

8

200

-

570/280

1140/570

1710/850

2160/1080

2610/1300

3000/1500

-

160-180

8

200

-

2160/1080

4350/2200

6540/3300

8700/4300

10860/5400

13000/6500

-

80-40

8

200

-

8700/4300

17400/8700

26000/13000

35000/17500

43500/29000

51000/25500

-

40-20

2,5

100

25

130/60

260/130

390/200

480/240

600/300

720/360

-

20-10

2,5

100

25

540/270

1080/540

1620/810

2160/1080

2700/1350

3200/1600

2,5-1,25

-

0,8

100

8

3/1,5

4,5/2,2

7/3,5

9/4,5

120/6

1350/7

1,25-0,63

-

0,8

100

8

6/3

12/6

18/9

24/12

30/15

36/18

0,63-0,32

-

0,8

100

8

21/10

42/21

63/32

84/42

110/55

120/60

*В числителе указана максимальная, а в знаменателе — минимальная нагрузка.

Таблица 3. Размеры инденторов и значения нагрузок для испытания на контактную жесткость наружных цилиндрических поверхностей, обработанных с разной шероховатостью

Параметры шероховатости контролируемой поверхности

Радиус сферы
rсф, мм

Диаметр ин-дентора (измерения с учетом волнистости), мм

Значение нагрузки* , Н, при твердости материала образца НВ,МПа

Ra, мкм

Rz, мкм

Базовая длина lб, мм

2-5

5-10

10-15

15-20

20-25

25-30

-

320-160

8

200

-

120/60

240/120

340/170

440/220

520/250

600/300

-

160-180

8

200

-

440/220

880/440

1320/660

1760/880

2200/1100

2640/1320

-

80-40

8

200

-

1760/880

3520/1760

5280/2640

7040/3500

8800/4400

10300/5150

-

40-20

2,5

100

25

40,20

80/40

110/55

130/65

1650/80

200/100

-

20-10

2,5

100

25

150 /70

300/150

440/220

580/290

740/370

880/440

2,5-1,25

-

08

100

8

1/0,5

1,2/0,6

2/1

2,4/1,2

3,2/1,6

3,6/1,8

1,25-0,63

-

0,8

100

8

1,6/0,8

3,2/1,6

4,8/2,4

6,4/3,2

8/4

10/5

0,63-0,32

-

0,8

100

8

6/3

12/6

17/8

22/11

30/15

32/16

*В числителе указана максимальная, а в знаменателе - минимальная нагрузка.

Таблица 4. Размеры инденторов и значения нагрузок для испытания на контактную жесткость внутренних цилиндрических поверхностей, обработанных с разной шероховатостью

Параметры шероховатости контролируемой поверхности

Радиус сферы rсф, мм

Радиус цилиндрического индентора (измерения с учетом волнистости), мм

Длина цилиндрической поверхности индентора, мм

Значение нагрузки* , Н, при твердости материала образца НВ, МПа

Ra, мкм

Rz, мкм

Базовая длина lб, мм

2-5

5-10

10-15

15-20

20-25

25-30

-

320-160

8

17

17

-

380/190

760/380

1140/570

1440/720

1740/870

2000/1000

-

160-180

8

17

17

-

1440/720

2900/1450

4400/2200

5800/2600

7240/3600

8700/4300

-

80-40

8

17

17

-

5800/2600

11600/5800

17400/8700

23200/11600

29000/14500

34000/17000

-

40-20

2,5

17

17

25

86/43

174/87

260/130

320/160

400/200

480/240

-

20-10

2,5

17

17

25

360/180

720/360

1080/540

1440/720

1800/900

2160/1080

2,5-1,25

-

0,8

17

17

8

2/1

3/1,5

4,6/2,3

6/3

8/4

9/4,5

1,25-0,63

-

0,8

17

17

8

4/2

8/4

12/6

16/8

20/10

24/12

0,63-0,32

-

0,8

17

17

8

14/7

28/14

42/21

56/28

74/37

80/40

В числителе указана минимальная, а в знаменателе - максимальная нагрузка.

Для ускорения определения несущей способности поверхностного слоя деталей машин (коэффициентов средней контактной жесткости) разработана и изготовлена специальная автоматизированная система.
Эта автоматизированная система предназначена для измерения несущей способности плоских, наружных и внутренних цилиндрических поверхностей (со смазкой и без смазки) с шероховатостью - Rz = 320 мкм - Ra = 0,32 мкм и твердостью материала НВ = 2...30 МПа.
При этом несущая способность рабочей поверхности может определяться с учетом только шероховатости или шероховатости и волнистости, как при первой, так и при повторных нагрузках [2].
Перед проведением измерений в зависимости от формы исследуемой поверхности (плоская, наружная или внутренняя цилиндрическая) и вида контроля (с учетом только шероховатости или с учетом шероховатости и волнистости) выбирается соответствующая конфигурация инденторов и схема их расположения.
Затем, исходя из заданных параметров Ra или Rz и твердости исследуемых образцов, назначаются минимальная N1 и максимальная N2 нагрузки.
При этом необходимо, чтобы исследуемый образец был изготовлен из того же материала и теми же технологическими методами, что и реальная деталь.
Образец помещается на столик нагрузочного устройства и производится предварительное контактирование инденторов с образцом для устранения посторонних упругих деформаций и зазоров, не связанных с деформациями в контакте (т.е. деформация инденторов, измерительной системы и пр.). Затем в автоматическом режиме происходит шестикратное нагружение - разгружение образца.
Сигналы с ТД и ИД поступают соответственно на преобразователи А и Б, а затем на субмодуль АЦП, который преобразует аналоговые сигналы с датчиков в цифровую форму, необходимую для обработки данных на ПЭВМ. Управляющий сигнал ?/3 W комплектного электропривода устройства нагружения формируется в блоке ЦАП по командам ПЭВМ.
В качестве датчика контактных перемещений используется индуктивный датчик линейных перемещений М-30 завода "Калибр". Точность измерения датчика составляет 0,1 мкм.
Для измерения прикладываемой к образцу нагрузки используются серийные динамометры типа УДМ, на плечи которых наклеены тензорезистрры марки КФ5П1-3-200 с номинальной базой 3 мм, включенные по мостовой схеме.
Исходя из необходимости перекрытия всего диапазона требуемых нагрузок, используется набор из трех динамометров с пределами измерений 0...1000 Н; 1000...5000 Н; 5000...50000 Н.
Система посредством ПО позволяет осуществлять ускоренное перемещение столика с образцом в процессе подвода, нагружение — разгружение с заданной линейной скоростью и отвод образца в позицию смены.
Для обеспечения работы автоматизированной системы определения несущей способности деталей машин разработано ПО. Оно поз воляет регистрировать любые измерения в реальном масштабевремени и наблюдать их результаты на дисплее ПЭВМ в виде графиков и численных значений, что дает возможность визуально наблюдать за ходом измерений.
ПО выполняет следующие операции:
1) определяет наличие и правильность подключения к ПЭВМ внешних устройств (датчиков силы и перемещений, субблоков АЦПг. ЦАП);
2) вводит исходные данные (вид контроля, тип поверхности, шероховатость поверхности, твердость материала);
3) назначает тип инденторов, максимальную и минимальную нагрузки, устанавливает коэффициент усиления;
4) ускоренно перемещает столик с образцом в процессе подвода;
5) нагружает - разгружает с заданной линейной скоростью и отводит образец в позицию смены;
6) считывает данные с датчиков, записывает их в файл и строит зависимость контактных перемещений от нагрузки;
7) рассчитывает коэффициент контактной жесткости при первом (j1) и повторном шестикратном нагружении (jпов);
8) строит средний график зависимости контактных перемещений от нагрузки из трех замеров.
По окончании процесса измерений результаты эксперимента реализуются программой в виде протокола измерений, содержащего:
• исходные данные;
• величины нагрузок;
• результаты измерения контактной жесткости пяти опытов и рассчитанный средний коэффициент контактной жесткости (в виде таблицы);
• средний график зависимости контактных перемещений от нагрузки;
• среднеарифметическое отклонение.
Основными преимуществами использования данной автоматизированной системы являются:
• значительное сокращение времени на определение несущей способности поверхностных слоев;
• исключение из условий измерений и расчетов человеческого фактора;
• высокая разрешающая способность и точность;
• исключение эффекта неравномерности процесса нагружения -разгружения;
• возможность визуально контролировать на дисплее ПЭВМ ход измерений;
• получение результатов в форме готового протокола, сразу по окончании эксперимента;
• возможность сохранения и накопления банка данных по несущей способности поверхностных слоев деталей, обработанных различными методами.

Литература

1 Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2000. 320 с
2. Метод определения нормальной контактной жесткости неподвижных стыков. МР 42-82. М.: ВНИИНМАШ, 1982. 18 с.

А.Г. СУСЛОВ, А.Е. ЗАХАРОВ, Д.И. ПЕТРЕШИН, Д.Н. ФИНАТОВ,
АЛ. ШТЕПА, В.А. ХАНДОЖКО (БГТУ)

Справочник, инженерный журнал (приложение)
№9, 2003г. с. 21-24

Статьи партнеров