CC BY
9
Список литературы
1. Law A. M., Kelton W. D. Simulation modeling and analysis, 3rd ed. Osborne: The McGraw-Hill Companies, 2000. 760 p.
2. Han Sang Hyeok, AL Hussein Mohamed Al-Jibouri Saad, Yu Haitao. Automated post-simulation visualization of modular building production assembly line // Automation in construction. 2012. Vol. 21. P. 229-236.
3. Ulutas Berna, Islier AA. Dynamic facility layout problem in footwear industry // Journal of manufacturing systems. 2015 Vol. 36. P. 55-61.
4. Kikolski M. Study of Production Scenarios with the Use of Simulation Models // Procedia Engineering. 2017. Vol. 182. P. 321-328.
5. Seyed Mojib Zahraee, Jafri Mohd Rohani, Kuan Yew Wong Application of computer simulation experiment and response surface methodology for productivity improvement in a continuous production line: Case study // Journal of King Saud University - Engineering Sciences. 2018. Vol. 30. P. 207-217.
6. Тимохин В. Н., Подскребко А. С. Дискретно-событийное моделирование конвейерной линии // Бизнес информатика. 2013. № 9. С. 78-84.
7. Скворцова Д. А. Статистическое моделирование производственных процессов гибкой автоматизированной сборки в среде объектно-ориентированного программирования // Компьютерные исследования и моделирование. 2015. Т.7, № 2. С. 289-300.
8. Филипчик И. Ю. Применение метода дискретно-событийного моделирования для повышения эффективности логистической системы сборочного участка // Электротехнические и компьютерные системы. 2015. № 18. С. 65-69.
9. Naig M., Chen F. F., Wan H.-D. Throughput rate improvement in a multiproduct assembly line using lean and simulation modeling and analysis // Procedia Manufacturing . 2017. Vol. 11. P. 593-601.
10. Sime H., P Jana., Panghal D. Feasibility of using simulation technique for line balancing in apparel industry // Procedia Manufacturing. 2019. Vol. 30. P. 300-307.
11. Danga Q. V., Phama K. Design of a Footwear Assembly Line Using Simulation-based ALNS // Procedia CIRP. 2016. Vol. 40. P. 596-601.
12. Mustafa K., Cheng K. Improving production changeovers and the optimization: A simulation based virtual process approach and its application perspectives // Procedia Manufacturing. 2017. Vol. 11. P. 2042-2050.
13. Kelton W. D., SadowskyR. P. and Sturrock D.T. Simulation with Arena, 3rd ed., New York: The McGraw-Hill Companies, 2010. 658 p.
УДК 621.787.6
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ УДАРНО-АКУСТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
EXPERIMENTAL DEFINITION OF RATIONAL MODES OF SHOCK-ACOUSTIC TREATMENT
С. Б. Скобелев1, В. Ф. Ковалевский1, Э. Г. Беззатеева1, Г. Г. Бурый2, И. К. Потеряев2
'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет, г. Омск, Россия
S B Skobelev1, V F Kovalevsky1, E G Bezzateeva1, G G Bury2, I K Poteryaev2
'Omsk State Technical University, Omsk, Russia 2 Siberian State Automobile and Highway University, Omsk, Russia
Аннотация. В статье представлены результаты экспериментальных исследований по определению рациональных технологических параметров ударно-акустической обработки (УАО) в целях обеспечения наилучших антифрикционных свойств наружных поверхностей деталей, изготавливаемых из материала Сталь 45. На основе экспериментально подобранных режимов обработки определены уточненные значения коэффициентов перекрытия площадок контакта ультразвукового инструмента и заготовки. Применение ударно-акустической обработки с одновременным нанесением твердого смазочного покрытия позволяет почти в два раза повысить микротвердость поверхности и снизить шероховатость до значения Ra 0.2.
Ключевые слова: ударно-акустическая обработка, площадка контакта, коэффициент перекрытия, микротвердость, износостойкость.
DOI: 10.25206/2310-9793-7-3-94-99
I. Введение
Материал Сталь 45 широко применяется в машиностроении при изготовлении таких деталей, как валы, имеющие несколько ступеней, шпиндели и кулачки, шестерни, крепежные изделия, листовой материал, т. е. деталей, работающих при высоких удельных нагрузках и используемых в парах трения. Согласно статистике в 80% случаев причиной выхода из строя узлов и агрегатов является износ рабочих поверхностей пар трения [1]. Исходя из этого обеспечение необходимых антифрикционных свойств деталей из данного материала является очень актуальной задачей технологии машиностроения.
Для повышения антифрикционных свойств в технологических процессах изготовления деталей предусматривают введение таких операций, как термическая обработка (закалка, отпуск, нормализация). Например, использование углеродистой нормализованной Стали 45 с плазменной закалкой вместо улучшенной конструкционной Стали 40Х не только уменьшает износ деталей и затраты на материалы, но и сокращает технологический процесс [2, 3].
В целях повышения коррозионной стойкости применяются также методы химико-термической обработки в порошковых смесях определенного состава, резко улучшающих коррозионную стойкость диффузионно-хромированных углеродистых сталей [4, 5]. Применение, например, ионно-лучевого азотирования для зубьев зубчатых передач позволяет повысить микротвердость поверхностного слоя до значений HV 1200.. .1800 при многократном увеличении износостойкости [6].
Применяются методы нанесения защитных антифрикционных покрытий. Например, применение покрытий методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) с использованием в качестве основных ингредиентов шихты соединения хрома и бора позволяет получать антифрикционные покрытия толщиной 35...40 мкм за счет изменения содержания бора в шихте и времени процесса, а именно выдержки в реакторе [7].
Для получения тонких антифрикционных пленок используется технология магнетронного распыления, обладающая такими преимуществами, как универсальность, т. е. возможность нанесения покрытий практически из любых материалов, высокая управляемость процессом, получение однородного покрытия, возможность нанесения многослойных покрытий. Применение такой технологии позволяет более чем в три раза увеличить нанотвердость поверхностного слоя и значительно повысить износостойкость [8].
Перечисленные выше методы используются для модифицирования поверхностного слоя, улучшения его физико-механических свойств, однако такими методами невозможно получить на поверхности регулярный микрорельеф с большими радиусами выступов и впадин, необходимый для нормальной работы тяжелонагру-женных деталей пар трения. Такая технологическая задача решается применением таких методов поверхностного пластического деформирования, как упрочняющее накатывание и раскатывание, дробеструйная обработка, центробежная обработка, ультразвуковое упрочнение, вибронакатывание [9].
Одним из наиболее эффективных технологических методов является ударно-акустическая обработка (УАО), разработанная и внедренная в производство д. т. н., профессором А. В. Телевным. С помощью данной технологии под действием ультразвукового инструмента, колеблющегося с частотой 18.22 кГц и имеющего амплитуду колебаний около 40 мкм, осуществляется внедрение твердой смазки на основе дисульфида молибдена Мо82, в результате чего осуществляется модификация поверхностного слоя обрабатываемой детали и повышается совместимость пары трения [1].
II. Постановка задачи
В настоящее время назначение основных технологических параметров обработки, таких как подача инструмента и частота вращения заготовки, осуществляется экспериментально.
В работе [1] приведены формулы для назначения подачи и частоты вращения заготовки:
5 = 2^2 ■ Ь ■ к ■ (1 - К ) (1)
и = 60/ ■У^ ^ (1- (2)
жЬ^
где Я] - радиус индентора ультразвукового инструмента, мм; к - глубина внедрения индентора в поверхность заготовки, мм; Я2 - радиус обрабатываемой поверхности заготовки, мм.;/- частота магнитострикционного преобразователя, Гц; Б - диаметр обрабатываемой поверхности детали, мм.; К/ - коэффициент перекрытия площадок контакта инструмента и заготовки в направлении подачи; Кпп - коэффициент перекрытия площадок контакта инструмента и заготовки в направлении главного движения.
С определением значения коэффициентов перекрытия для разных материалов пар трения и для различных схем трения станет возможным использование формул (1) и (2) для назначения рациональных технологических параметров ударно-акустической обработки. Исходя из этого задачами данного экспериментального исследования являются определение режимов обработки, при которых достигается наилучшая износостойкость образцов из материала Сталь 45; на основе рациональных режимов обработки необходимо определить из формул (1) и (2) значения коэффициентов К/ и Кпп, которые в дальнейшем смогут быть использованы при проектировании технологической операции ударно-акустической обработки для назначения технологических режимов подачи и частоты вращения.
III. Теория
Преобразуем формулы (1) и (2). Глубина внедрения индентора h определяется по формулам, представленным в работах [10, 11]:
P
h =-^-, (3)
2R ■ НД
где Rnp - приведенный радиус поверхностей контактирующих тел, мм; НД - пластическая твердость материала обрабатываемой детали (НД=1,22НУ [11]), Рст - статическая сила прижима ультразвукового инструмента к поверхности заготовки, Н. Также, согласно [11], для схемы контакта двух цилиндрических образцов Япр принимается равным 4,92 мм.
Подставим формулу (3) в формулы (1) и (2) и получим уточненные формулы для определения подачи и частоты вращения:
S = R ' Рст ■ (1 - Кs) (4)
V Rnp ■ HV ( п)
п = 13,8 • Г •---(1 - Кп ) (5)
' ^ & • Япр • НК ( п )
Используя формулы (4) и (5) по определенным в результате экспериментальных исследований значениям подачи и частоты вращения, будет возможным найти коэффициенты К/ и Кпп.
Для проведения экспериментальных исследований использовалась установка на базе универсального токарного станка марки ФТ-11, ультразвуковой генератор УЗГ-3-4, динамический технологический модуль ДТМ-7, разработанный на базе магнитострикционного преобразователя ПМС 15-А-18 [1]. Твердая смазка - дисульфид молибдена и керосин в пропорции 1:7.
Образцами являлись ролики из стали 45 с наружным диаметром 40 мм и исходной шероховатостью наружной поверхности Яа 0.63 мкм. Контртело - ролики из материала БрАЖ 9-4 с такими же размерами. Для достоверности результатов экспериментальных исследований все образцы изготавливались из одной плавки металла.
Режимы проведения испытаний приведены в матрице планирования эксперимента (табл. 1).
ТАБЛИЦА 1
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Номер опыта (номер образца) Частота вращения n, об/мин Продольная подача S, мм/об Статическая сила прижима Р Н Р ст, Н Микротвердость HV100, МПа Шероховатость Ra, мкм Момент трения, Мтр, Нм Коэффициенты перекрытия
КпП
1 (7) 80 0,10 40 226 0,28 1,1 0,71 0,990
2 (9) 20 0,17 40 483 0,25 0,75 0,51 0,997
3 (5) 20 0,10 100 271 0,25 1,16 0,82 0,998
4 (3) 40 0,14 40 210 0,29 0,9 0,60 0,995
5 (2) 40 0,10 80 454 0,29 0,7 0,80 0,996
6 (1) 20 0,12 80 328 0,20 1,1 0,76 0,998
7 (14) 63 0,12 40 473 0,28 1 0,65 0,991
8 (13) 63 0,10 60 345 0,22 1 0,76 0,993
9 (4) 20 0,14 60 488 0,29 0,8 0,67 0,999
10 (6) 40 0,12 60 405 0,29 0,85 0,72 0,996
11 (8) Образец без УАО - 203 0,63 1,65 - -
12 (15) Термообработанный образец, без УАО - 428 0,63 1,45 - -
В таблице также указаны значения коэффициентов перекрытия в направлении подачи Кп3 и в направлении главного движения Кпп, рассчитанные из формул (4) и (5).
IV. Результаты экспериментов
С использованием машины трения ИИ-5018 проводилось исследование износостойкости образцов при частоте вращения образца 200 об/мин и силе нагружения 100 Н в течение 21 минуты. Во время испытания на трение снимались показания момента трения (табл. 1).
На основе результатов исследований разработаны уравнения, описывающие влияние основных параметров обработки - частоты вращения, подачи и статической силы прижима на шероховатость и микротвердость обработанной поверхности, а также на момент трения в период приработки:
у^ = 0.28 • X! + 0.25 • х2 + 0.25 • х3 + 0.09 • ^ • х2 - 0.045 • ^ • х3 - 0.0225 • х2 • х3
- 0.135 • хг • х2 • (х - х2) - 0.54 • хг • • (хг - ) + 0.6075 • х2 • х3 • (х2 - х3) + 0.7425 • хг • х2 • х3
(6)
у ну = 226.29 • х + 483.33 • х2 + 271.17 • х3 + 61.02 • х • х2 - 679.185 • х • х3 -128.15 • х2 • х3 - 2350.215 • х • х2 • (х - х2) - 634.635 • ^ • х3 • (^ - х3) + 570.2738 • х2 • х3 • (х2 - х3) + (7) +128.351^ • х2 • х3
ум = 1.1 • хх + 0.75 • +1.16 • + 0.11 • х • - 0.25 • х • х3 -1.26 • х2 • х3
- 2.16 • х • х2 • (х - х2) -1.1 • х • х3 • (х - х3) + 0.11 • х2 • х3 • (х2 - х3) + 0.63 • х • • х3
(8)
где х;=(п-20)/60; х2=(8-0,10)/0,07; х3=(Р-40)/60.
По результатам экспериментов определено, что минимальный момент трения во время приработки 0,7 Нм достигается при продольной подаче 0,1 мм/об, частоте вращения шпинделя 40 об/мин, статической силе прижима инструмента 80 Н.
V. Обсуждение результатов
На основе экспериментальных исследований были определены рациональные технологические параметры обработки, при которых обеспечиваются наилучшие антифрикционные свойства поверхностей деталей из материала Сталь 45.
Основными показателями качества поверхностного слоя, влияющими на его износостойкость, являются микротвердость и шероховатость. По результатам экспериментальных исследований было установлено, что микротвердость поверхности после ударно-акустической обработки возросла в 2,5 раза по сравнению с необработанным образцом (HV 488 против HV 203) и даже превысила показатель образца с термообработкой (HV 428) (рис. 1).
Рис. 1. Сравнение микротвердости образцов
Шероховатость поверхности, обработанной с помощью ударно-акустической обработки, снизилась до значения Ra 0,3 по сравнению с исходным значением Ra 0,63 (рис. 2).
0,7 !3 0,5
...........
123456 789 10 11 12 Номер опыта
Рис. 2. Сравнение шероховатости образцов
В данной работе также исследована зависимость влияния микротвердости поверхностного слоя на момент трения. Согласно зависимости (рис. 3) видно, что момент трения у обработанных образцов значительно ниже, чем у образца после механической обработки и образца с термической обработкой. Самые низкие значения момента трения наблюдались у образцов с микротвердостью НУ 405...488. Минимальное значение момента трения 0,7 Нм получается при значении микротвердости НУ 454, которая достигается при продольной подаче 0,1 мм/об, частоте вращения шпинделя 40 об/мин, статической силе прижима инструмента 80 Н.
Рис. 3. Зависимость момента трения в период приработки от микротвердости поверхности образцов
Таким образом, на основе зависимости (рис. 3) можно сделать вывод, что для обеспечения высоких антифрикционных свойств поверхности деталей из материала Сталь 45 необходимо обеспечение микротвердости поверхностного слоя НУ 405 .488.
Следующим этапом исследований являлось определение значений коэффициентов перекрытия, при которых достигаются полученные режимы обработки. Согласно расчету по формулам (4) и (5) данным режимам соответствуют значения коэффициентов перекрытия Кп3=0,8 и Кпп=0,996.
VI. Выводы и заключение
В результате проведенных экспериментальных исследований установлено, что:
1) применение технологии ударно-акустической обработки с внедрением твердой смазки на основе Мо82 позволяет повысить микротвердость поверхности более чем в два раза и снизить шероховатость поверхности до
Яа 0,2;
2) момент трения в период приработки у образцов после ударно-акустической обработки более чем в два раза ниже, чем у образцов без обработки и с термической обработкой;
3) для обеспечения высоких антифрикционных свойств поверхности деталей из материала Сталь 45 необходимо обеспечение микротвердости поверхностного слоя HV 405 .488;
4) определены рациональные режимы обработки для пары трения сталь 45 - Бр А Ж 9-4, которые составляют: п=40 об/мин, 5=0,1 мм/об, Р=80 Н;
5) определены значения коэффициентов перекрытия К/=0,8 и Кпп=0,996, при которых достигаются рациональные режимы обработки для пары трения Сталь 45 - Бр АЖ-9-4 и схемы контакта «ролик по ролику».
Список литературы
1. Скобелев С. Б., Ковалевский В. Ф. Технологические методы повышения износостойкости деталей пар трения: моногр. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2014. 116 с.
2. Коротков В. А. Влияние термической обработки на износостойкость сталей 45 и 40Х // Вестник машиностроения. 2016. № 8. С. 48-51.
3. Yong Xiang, Deping Yu, Qingtao Li [et а1.]. Effects of thermal plasma jet heat flux characteristics on surface hardening //Journal of Materials Processing Technology. 2015. Vol. 226. P. 238-246.
4. Каспарова О. В. Повышение коррозионной стойкости углеродистой стали 45 с помощью химико -термической обработки в порошковых смесях // Практика противокоррозионной защиты. 2013. №1 (67). С. 11-17.
5. Kasparova O. V. Corrosion-electrochemical behaviour of diffusionally chromized carbon steels in aggressive environments // Protection of metals. 2001. Vol. 5. P 426-433.
6. Гоман А. М., Кукаренко В. А. Контактная выносливость зубьев зубчатых передач, подвергнутых ион-но-лучевому азотированию // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2014. № 1. С. 85-91.
7. Архипов В. Е., Куксенова Л. И., Москвитин Г. В., Поляков А. Н. Покрытия на основе хрома и бора, полученные методом СВС // Упрочняющие технологии и покрытия. 2008. № 4 (40). С. 28-32.
8. Сергеев В. П., Федорищева М. В., Сунгатулин А. Р. Изменение износостойкости стали 38ХН3МФА при магнетронном напылении нанокомпозитных покрытий на основе Fe-Cr-Ni-N // Физическая мезомеханика. 2005. Т. 8. С. 117-120.
9. Дудкина Н. Г. Сравнительный анализ прочностных коррозионных и демпфирующих свойств стали 45 в зависимости от методов поверхностного упрочнения, составляющих комбинированную обработку ЭМО+ППД // Известия волгоградского государственного технического университета. 2018. № 3 (213). С. 76-81.
10. Goryacheva I G, Tsukanov I Y. Modeling of normal contact of elastic bodies with surface relief taken into account //Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 991. P 012028.
11. Рогозин Г. И., Арсланов Ф. Х., Прохоров В. Г. Расчет упругопластической контактной деформации // Механика и физика процессов на поверхности и в контакте твердых тел, деталей технологического и энергетического оборудования. 2014. № 7. С. 62-65.
УДК 621.789
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ НА АДГЕЗИОННЫЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ СТАЛИ 12Х18Н10Т
INVESTIGATION OF ULTRASONIC IMPACT TREATMENT REGIMES INFLUENCE ON ADHESION PROPERTIES OF THE SURFACE LAYER OF AISI 321 STEEL
А. А. Федоров1, Д. А. Полонянкин1, А. В. Линовский1, Н. В. Бобков1, А. И. Блесман1, В. И. Дубовик2
'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Сибирский государственный университет физической культуры и спорта, г. Омск, Россия
A. A. Fedorov1,D. A. Polonyankin1, A. V. Linovsky1, N. V. Bobkov1, A. I. Blesman1, V. I. Dubovik2
'Omsk State Technical University, Omsk, Russia 2Siberian State University of Physical Culture and Sports, Omsk, Russia
Аннотация. В статье представлены результаты исследования влияния режимов ультразвуковой упрочняющей обработки на адгезионные свойства поверхностного слоя нержавеющей аустенитной стали 12Х18Н10Т. Цель работы заключалась в определении силы адгезии поверхности образцов, обработанных при варьируемом статическом усилии прижатия ультразвукового инструмента и скорости его перемещения относительно образца. Сила адгезии определялась методом атомно-силовой микроскопии по силовым кривым отвода зонда. В ходе исследования установлено, что ультразвуковая упрочняющая обработка стали 12Х18Н10Т не оказывает существенного влияния на адгезионную составляющую силы трения.
Ключевые слова: ультразвуковая упрочняющая обработка, аустенитная нержавеющая сталь 12Х18Н10Т, адгезия, трение
DOI: 10.25206/2310-9793-7-3-99-106
