Interrelation of wear resistance with quality parameters of the surface layer of parts after machining

Abstract

The article shows the results of studying the interrelation of intensity of mating machine parts wear rate with the quality parameters of the surface layer provided by selection of the appropriate technological conditions when machining

Full Text

Основными задачами на этапе конструкторско-технологической подготовки производства ответственных деталей наукоемкой машиностроительной продукции являются обеспечение требуемой точности деталей и изделий и обеспечение требуемого качества поверхностного слоя деталей. Среднестатистический чертеж, выполненный конструктором, содержит требования к точности размеров и взаимного расположения поверхностей, параметрам шероховатости поверхностей, а также твердости материала согласно техническим требованиям, которая может быть задана в необоснованно широких пределах. Причем, чем более ответственное служебное назначение деталей и изделий, тем более высокие эксплуатационные свойства (износостойкость, контактная жесткость, усталостная прочность, коррозионная стойкость, прочность соединений с натягом и др.) требуется обеспечивать и тем выше предъявляются требования к качеству поверхностей. Особенно актуальна эта проблема для рабочих поверхностей сопрягаемых деталей машин, где часто существует причинно-следственная связь между эксплуатационными свойствами деталей [1]. Известно, что все изделия на этапе начальной эксплуатации проходят процесс приработки, окончание которого согласно ГОСТ 27674-88 характеризуется снижением силы трения, температуры и интенсивности изнашивания. При этом исходные параметры качества поверхностного слоя изменяются на эксплуатационные, которые могут воспроизводиться (сохраняться) в течение длительного периода времени, и в этом случае называются равновесными. Исследованию параметров качества поверхностного слоя в равновесном состоянии посвящено достаточно большое количество работ [1, 2, 3 и др.]. Наибольший интерес представляют: работы, посвященные непосредственному изучению равновесных параметров качества, возможности их расчета; наличие практических рекомендаций по применению, так как, используя взаимосвязи параметров качества поверхностного слоя деталей с технологическими условиями механической обработки [4] появляется возможность обеспечить равновесные параметры качества поверхностного слоя на стадии изготовления детали. Анализ научных работ в этой области показывает, что требуется проведение дальнейших исследований для получения ответов на вопросы, среди которых можно выделить выявление связи между параметрами шероховатости и механическими свойствами материалов сопрягаемых деталей, разработку рекомендации по выбору равновесной микротвердости и степени наклепа поверхностного слоя деталей, а также равновесных остаточных напряжений поверхностного слоя деталей. Все это позволит сформировать нормативно-справочные данные для технологического обеспечения требуемых эксплуатационных свойств деталей и изделий на основе формирования оптимальных параметров качества поверхностного слоя. Таким образом, исследования в области формирования равновесных параметров качества являются актуальными. Поэтому целью данной работы является разработка взаимосвязей равновесных параметров качества поверхностного слоя с эксплуатационными свойствами деталей, в частности с износостойкостью, и возможностью их обеспечения технологическими методами и условиями обработки. Разработка взаимосвязи параметров поверхностного слоя и интенсивности изнашивания контактируемых поверхностей осуществлялась следующим образом. Трение является процессом преобразования внешней механической энергии во внутреннюю энергию в виде колебательных и волновых движений частиц трибосистемы, сопровождаемым термическими, термоэлектронными, акустическими и другими явлениями. Наибольшая часть этой энергии превращается в тепловую и отдается во внешнюю среду, другая идет на изменение физико-химического состояния поверхностных слоев материалов. Диссипация энергии соответствует увеличению энтропии (dS > 0). В основе термодинамического подхода к разрушению и изнашиванию твердых тел лежит энергетическая аналогия механического (при деформации) и термического (при плавлении или сублимации) разрушения тел. В соответствии с первым законом термодинамики было выявлено, что работа силы трения с учетом специфики образования равновесного состояния поверхностей трения может быть описана функциональной зависимостью следующего вида: WТР = f (f , F, SТР, VИ, Rzравн, HVравн, HV0, α0, G); (1) где: WТР - работа трения; f - коэффициент трения; F - нормальная сила взаимодействия элементов пары трения; SТР - путь трения; Rzравн - равновесная шероховатость сопрягающихся поверхностей элементов; HVравн - равновесная микротвёрдость поверхностного слоя исследуемой детали на определенной глубине; VИ - объем изношенного материала; HV0 - микротвёрдость недеформированного материала; G - модуль сдвига исследуемого материала; a0 - параметр междислокационного взаимодействия. На основе энергетического подхода к проблеме определения взаимосвязи интенсивности изнашивания контактируемых поверхностей деталей машин с параметрами качества поверхностного слоя было получено обобщенное уравнение взаимосвязи интенсивности изнашивания с геометрическими (шероховатость) и физико-механическими (степень наклепа) параметрами качества поверхностного слоя деталей машин в условиях нормальной работы узла, имеющее вид [5]: (2) где: JV - интенсивность изнашивания, м3/м; Kj - коэффициент пропорциональности, зависящий от физико-механических свойств материала; f - коэффициент трения материалов контактной пары; F - нормальная сила взаимодействия элементов пары трения, Н; SТР - путь трения, м; G - модуль сдвига материала, Па; a0 - параметр междислокационного взаимодействия; HV0 - микротвёрдость недеформированного материала, Па. В результате анализа экспериментальных данных было выявлено, что величина коэффициента Kj характеризует способность материала сопротивляться пластическому деформированию и разрушению в процессе трения, и может быть описана следующим выражением: (3) где: sВ - предел прочности, Па; s0,2 - предел текучести условный с допуском на величину пластической деформации при нагружении 0,2%, Па; d - относительное удлинение. Однако в полученном уравнении (2) отсутствуют в явном виде параметры, непосредственно характеризующие процесс трения, в частности, температура в зоне трения, фактическая площадь контакта, сила трения и др. Кроме того, в зависимости от доминирования силового или теплового факторов в поверхностном слое детали могут формироваться сжимающие или растягивающие остаточные напряжения, которые могут сыграть весомую роль в процессе дальнейшей эксплуатации сопрягаемых деталей. Проведенные исследования в этом направлении позволили получить следующую взаимосвязь интенсивности изнашивания с параметрами качества поверхностного слоя детали: (4) где: Jh - линейная интенсивность изнашивания, м/м; Ftr - сила трения материалов контактной пары; Н; θК - усредненная температура в зоне контакта рабочих поверхностей деталей трибосопряжения, °К; Nравн - равновесная степень наклепа поверхностного слоя исследуемой детали; Сρ - удельная теплоемкость материала поверхностного слоя детали; Θ0 - начальная температура поверхностного слоя детали; °К; σF - контактное давление; Па, ΔWТ - работа пластической деформации, Дж. Как видно, уравнение содержит параметры, характеризующие процесс трения, такие как усредненная температура в зоне контакта рабочих поверхностей деталей трибосопряжения, контактное давление, сила трения. Кроме того, параметр ΔWТ согласно [6] можно представить в виде: ΔWТ = W0/ψ; (5) где: W0 - потенциальная энергия остаточных напряжений; ψ - коэффициент, определяющий долю потенциальной энергии остаточных напряжений. Согласно исследованиям Н.М. Власова и Ю.Г. Драгунова физические величины, входящие в выражение (5) пропорциональны первому инварианту тензора остаточных напряжений. Таким образом, выражение (4) примет следующий вид: . (6) Используя формулы для определения взаимосвязи шероховатости поверхности, степени наклепа и остаточных напряжений с технологическими условиями механической обработки [4], получили взаимосвязь интенсивности изнашивания с технологическими условиями механической обработки JV = f (Kj, f, F, SТР, r, HV0, α0, hc, sB, sBЭ, p1, t, B, γ, τp), (7) Jh = f ( f, F, SТР, r, HV0, α0, hc, sB, sBЭ, p1, t, B, γ, τp); (8) где: p1 = f (а1, b1, сr, q, r1, а, l, lp, β, ε, V, a, g, tp, a2, b2, c, ξ, χ, x, y, z, b, δ1); hc - глубина наклепа; V - скорость резания; t - глубина резания; tp - сопротивление обрабатываемого материала пластическому сдвигу; l и lp - коэффициенты теплопроводности обрабатываемого и инструментального материалов; q - температура плавления обрабатываемого материала; a и g - задний и передний углы резца; j и j1 - главный и вспомогательный углы в плане; β, ε - угол заострения и угол при вершине резца в плане; r - радиус при вершине резца в плане; r1 - радиус округления режущей кромки резца; δ1 - величина износа резца по задней поверхности; sB - предел прочности обрабатываемого материала; а - температуропроводность обрабатываемого материала; sBЭ - предел прочности электротехнической стали, принятой за эталон; сr - удельная объемная теплоемкость обрабатываемого материала; а1 - толщина среза; b1 - ширины среза; b - суммарная длина режущих кромок; - безразмерные комплексы; a2, b2, c, ξ, χ, x, y, z - величины, зависящие от свойств обрабатываемого и инструментального материалов. В работе получены зависимости интенсивности изнашивания от режимов резания при лезвийной обработке, позволяющие аналитически рассчитывать интенсивность изнашивания для выбираемых режимов резания для стали ШХ15: , (9) для стали 30ХГСА: , (10) где: S - подача, мм/об; V - скорость резания, м/с; t - глубина резания, мм; r - радиус при вершине резца в плане мм. Уравнения (9), (10) адекватно описывают процесс при S = 0,05...0,08 мм/об; V = 0,1...0,2 м/с; t = 0,25...0,4 мм; φ = 45…60°; r = 0,3…1 мм; F = 100…500 Н; трение без смазки; упругий характер взаимодействия; температура на контакте не более 120 °С. Выводы На основе энергетического подхода к проблеме определения взаимосвязи интенсивности изнашивания контактируемых поверхностей деталей машин с параметрами качества поверхностного слоя получено обобщенное уравнение взаимосвязи объемной интенсивности изнашивания с равновесными параметрами шероховатости, степени наклепа, а также линейной интенсивности изнашивания с равновесными параметрами шероховатости, степени наклепа и остаточных напряжений поверхностного слоя деталей машин. Полученные уравнения описывают равновесное состояние поверхностного слоя материала детали контактной пары и могут быть использованы для расчета линейной величины интенсивности изнашивания деталей машин, прошедших стадию приработки. Анализ результатов экспериментальных исследований интенсивности изнашивания контактируемых поверхностей после механической обработки показал, что полученные взаимосвязи интенсивности изнашивания с технологическими условиями механической обработки позволяют количественно оценить интенсивность изнашивания сопрягаемых деталей машин, прошедших стадию приработки. Полученные расчетные зависимости интенсивности изнашивания от параметров механической обработки позволяют аналитически рассчитывать интенсивность изнашивания для выбираемых режимов резания, назначать или корректировать соответствующую технологическую обработку поверхности, в результате которой время приработки сопрягаемых деталей машин будет наименьшим, что позволяет повысить их долговечность.