CC BY
11
УДК 621.787.6
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-12-423-426
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАВИСИМОСТИ МИКРОТВЕРДОСТИ И ШЕРОХОВАТОСТИ ОТ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ
УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ
С.Б. Скобелев
В работе представлены результаты экспериментальных исследований влияния основных технологических параметров ультразвуковой обработки (УУО) на шероховатость и микротвердость поверхностного слоя образцов из стали 35. Определены рациональные режимы обработки, при которых достигается наименьшая шероховатость и наибольшая микротвердость обработанной поверхности. Разработаны уравнения регрессии для определения шероховатости и микротвердости по заданным значениям подачи и частоты вращения. Шероховатость образцов после УУО снизилась на 0,1 мкм, а микротвердость возросла в среднем в 1,5 раза.
Ключевые слова: ультразвуковое упрочнение, твердое смазочное покрытие, износостойкость, шероховатость, микротвердость, подача, частота вращения, планирование эксперимента.
Одной из ключевых задач в технологии машиностроения является повышение антифрикционных свойств в деталях пар трения. Согласно многочисленным исследованиям, на величину износа в деталях пар трения огромное влияние оказывает качество поверхностного слоя, определяемое геометрией поверхности (шероховатостью, формой микронеровностей, величиной маслоемкости поверхности), а также его физико-механическими свойствами (микротвердость, предел прочности, предел текучести и т.д.) [1].
Шероховатость влияет на эксплуатационные свойства деталей пар трения в процессе приработки. Установлено, что при приработке происходит переход характеристик качества поверхности от исходного состояния после окончания технологической обработки к эксплуатационному. Поэтому в процессе приработки изменяются не только высотные параметры шероховатости, но и параметры, связанные со свойствами неровностей в направлении длины профиля [2]. Наиболее благоприятным профилем с точки зрения обеспечения износостойкости поверхности является плосковершинный профиль, образующийся при отделочных операциях, таких как притирание, хонингование, суперфиниширование, обкатывание роликами, ультразвуковое упрочнение. По сравнению с профилем, образованным после обработки абразивным и лезвийным инструментом, у плосковершинного профиля увеличивается площадь контакта, а также уменьшается удельное давление у вершин выступов, и разрыв масляного клина происходит при более высоких нагрузках [3].
Основной характеристикой качества поверхностного слоя является микротвердость, и повышение износостойкости поверхности всегда связано с повышением микротвердости [3]. Применение методов поверхностного пластического деформирования и, в частности, ультразвуковой упрочняющей обработки, позволяет повысить микротвердость поверхностного слоя в 1,5 - 2 раза [4].
Для решения проблемы повышения качества поверхностного слоя в технологиях изготовления деталей применяются статические и динамические методы поверхностного пластического деформирования (ППД), такие как выглаживание, центробежная обработка, дробеструйная обработка, вибронакатывание, накатывание [5]. Одним из наиболее эффективных способов является ультразвуковая упрочняющая обработка (УУО).
При использовании технологии УУО за одну операцию решается несколько технологических задач, таких как повышение твердости, создание микрорельефа с большими радиусами выступов и впадин, достижение малого значения шероховатости поверхности, улучшение совместимости материалов.
Д.т.н., профессором А.В. Телевным разработано ультразвуковое устройство для упрочнения деталей - динамический технологический модуль ДТМ-07 на базе магнитострикционного преобразователя ПМС-15А-18 [6]. Также изготовлен ультразвуковой инструмент со сферическим или цилиндрическим инденторами для обработки внутренних и наружных поверхностей. В процессе упрочнения на поверхность наносится твердое смазочное покрытие на основе дисульфида молибдена M0S2 и керосина в пропорции 1:7.
422
Основной задачей экспериментального исследования является подбор рациональных технологических параметров УУО, при которых достигается наибольшая микротвердость и наименьшая шероховатость поверхности.
Для проведения обработки использовалась установка на базе универсального металлорежущего станка ФТ-11. Источником ультразвука являлся ультразвуковой генератор УЗГ-3-4, обеспечивающий частоту 18 - 22 кГц. Для осуществления процесса обработки применялся динамический технологический модуль ДТМ-7, разработанный на кафедре «Технология машиностроения» ОмГТУ. Модуль создан на базе магнитострикционного преобразователя марки ПМС-15-А-18 [7 - 8]. Исследуемые образцы представляли собой ролики, изготовленные из материала «сталь 35», имеющие начальную шероховатость Ra 0,32 и микротвердость НУ 244 ... 260. В качестве твердого смазочного покрытия использовалась технологическая суспензия дисульфида молибдена MoS2 и керосина в пропорции 1:7.
Согласно рекомендациям, приведенным в работе [4], определен диапазон значений продольной подачи инструмента (5=0,11; 0,14; 0,17 мм/об) и частоты вращения шпинделя («=20; 50; 80 об/мин). Статическая сила прижима составляла Рст=100 Н, амплитуда колебаний ультразвукового инструмента ¿=20 мкм, частота магнитострикционного преобразователь - 18 кГц.
Согласно методике планирования эксперимента [9] зависимость шероховатости и микротвердости от подачи и частоты вращения описывается с помощью полиномов второго порядка: у = Ь0 + Ьг • хг + Ь2^ х2 +¿12 • хг • х2 + Ьг1 • + Ь22 • х%; (1)
у(1) = + ь[1} • Х]_ + • х2 + ь[2} • Х1 • х2 + • х? +ь[2} • (2)
Для проведения эксперимента была составлена матрица планирования (табл. 1). Каждый опыт проводился два раза в случайной последовательности.
Таблица1
Матрица планирования эксперимента__
№ опыта № образца В кодовом масштабе В натуральном масштабе Параметры оптимизации
Х0 Х1 Х2 Х1Х2 Х1'= Х12- 0.73 Х2'= Х22-0.73 п,об/мин Б,мм/об Шероховатость Яа, мкм Микротверд-ность НУ
1 6 +1 -1 -1 +1 0,27 0,27 20 0,11 0,234 397
2 7 +1 +1 -1 -1 0,27 0,27 80 0,11 0,298 365
3 5 +1 -1 +1 -1 0,27 0,27 20 0,17 0,237 386
4 1 +1 +1 +1 +1 0,27 0,27 80 0,17 0,203 386
5 2 +1 -1 0 0 0,27 -0,73 20 0,14 0,199 336
6 9 +1 +1 0 0 0,27 -0,73 80 0,14 0,203 365
7 14 +1 0 -1 0 -0,73 0,27 50 0,11 0,203 434
8 3 +1 0 +1 0 -0,73 0,27 50 0,17 0,210 327
9 8 +1 0 0 0 -0,73 -0,73 50 0,14 0,221 390
После проведения ультразвукового упрочнения была определена шероховатость образцов с помощью профилометра 296 и микротвердость с помощью микротвердомера ПМТ-3 (при нагрузке на индентор 100 гр. в течение 10 с.). В результате измерений установлено, что шероховатость после обработки улучшилась в среднем на 0,1 мкм, а микротвердость возросла в 1,5 раза (табл. 1). После проведения обработки установлено, что минимальное значение шероховатости Яа=0,199 мкм достигается при частоте вращения «=20 об/мин и подачей 5=0,14 мм/об. Максимальное значение микротвердости НУ 434 достигается при частоте вращения «=50 об/мин и подаче 5=0,11 мм/об.
Коэффициенты уравнений (1) и (2) рассчитываются по формулам, представленным в работе [8]:
Ь'0 = а1• ^=1уи = 0,11111 • 2,008 = 0,2231; (3)
Ьо(1) = а1 • £%=1уи = 0,11111 • 3430 = 381,1073;
N N N
Ь1 = а2^ хы • уи; Ьц = а3 •^(х^ •х])и • уи; Ьи = а4 ^•Уи
где а7=0,11111; а2=0,16667; а3=0,25; а^=0,5.
Результаты расчетов для полиномов (1) и (2) приведены в табл. 2 и 3.
423
Таблица 2
Результаты расчетов коэффициентов полинома (1) __
У х1иУи Ь1 Х7иУи Ь2 (х1х?)иУи Ь12 (*0иУи Ьп (х?)1.Уи Ь22
0,234 -0,234 -0,234 0,234 0,017059 0,017059
0,298 0,298 -0,298 -0,298 0,021724 0,021724
0,237 -0,237 0,237 -0,237 0,017277 0,017277
0,203 0,203 0,203 0,203 0,014799 о 9 0,014799
0,199 -0,199 о о 0 о 0 о 0,014507 о 0,106047 о
0,203 0,203 о 0 о 1 0 о 1 0,014799 0,108179
0,203 0 -0,203 0 0,108179 0,014799
0,210 0 0,21 0 0,111909 0,015309
0,221 0 0 0 0,117771 0,117771
Таблица 3
Результаты расчетов коэф фициентов полинома (2
У х1иУи Ь1 х7иУи Ь2 х?)иУи Ь12 (х\)1.Уи Ьп (ХХ/Уи
397 -397 -0,5000 -397 -16,167 397 8 28,9413 399,8735 28,9413
365 365 -365 -365 26,6085 26,6085
386 -386 386 -386 28,1394 28,1394
386 386 386 386 28,1394 28,1394
336 -336 0 0 24,4944 179,0544
365 365 0 0 26,6085 194,5085
434 0 -434 0 231,2786 31,6386
327 0 327 0 174,2583 23,8383
434 0 0 0 231,2786 231,2786
Далее был проведен расчет значимости коэффициентов уравнений (1) и (2), была проверена адекватность моделей по F-критерию. После расчета значимости коэффициентов уравнения регрессии можно записать в виде:
уКа = 0,223 + 0,0057 • хг - 0,0142 • х2 - 0,0245 •х1^х2 + 0,2190 • + 0,2165 • х|; (4) уну = 381 - 0,5 • хг - 16,167 • х2 + 8^хг -х2 + 399,87 • х^ + 386,07 • х|. (5)
Следующим этапом работы являлось определение минимального значения функции (4), соответствующего минимальной шероховатости, и максимального значения функции (5), соответствующего максимальной микротвердости.
С помощью программного продукта Mathcad было установлено, что минимальное значение функции (4) - уяа=0,123 достигается при Х1=-0,011 и Х2=0,032. Максимальное значение функции (5) - уву=434 достигается при Х1=0 и Х2= - 1. Затем осуществлялся переход от кодированных значений Х1 и Х2 к натуральным п и 5, используя формулы:
п=50+30-Х1; 5=0,14+0,03-Х2 (6)
В результате расчета по формулам (6) определено, что теоретическое минимальное значение шероховатости Ла=0,123 мкм достигается при обработке с частотой вращения п=49,67 об/мин и подачей 5=0,14 мм/об. А теоретическое максимальное значение микротвердости достигается при обработке с частотой вращения п=50 об/мин и подачей 5=0,11 мм/об.
Выразив из формул (6) Х1 и Х2 и подставив их в выражения (4) и (5), получаем формулы, определяющие зависимость шероховатости и микротвердости от частоты вращения и подачи:
Яа=5,4 - 0,02п - 66,48-5 - 0,027-п-5+0,00024-п2+240,56-52 ; (7)
ИУ=10031 - 45,66 п - 121093-5+8,89 п-5+0,444 п2+428966-52 . (8)
Используя формулы (7) и (8) можно спрогнозировать значения шероховатости и микротвердости в зависимости от продольной подачи и частоты вращения заготовки для материала «Сталь 35» при УУО с внедрением твердой смазки при статической силе Рст=100 Н.
По результатам экспериментальных исследований сделаны следующие выводы:
1. Шероховатость образцов из стали 35 после проведения ультразвуковой упрочняющей обработки с внедрением твердой смазки снизилась на 0,1 мкм, микротвердость возросла в 1,5 раза.
2. После проведения обработки установлено, что минимальное значение шероховатости Да=0,199 мкм достигается при частоте вращения п=20 об/мин и подаче 5=0,14 мм/об. Максимальное значение микротвердости НУ 434 достигается при частоте вращения п=50 об/мин и подаче 5=0,11 мм/об.
3. По результатам расчета полиномов второго порядка установлено, что теоретическое минимальное значение шероховатости Ла=0,223 мкм может быть достигнуто при частоте
вращения n=49,67 об/мин и подаче 5=0,14 мм/об. Теоретическое максимальное значение микротвердости HV 508 может быть достигнуто при частоте вращения n=50,3 об/мин и подаче 5=0,11 мм/об.
4. Разработаны формулы, позволяющие спрогнозировать значения шероховатости и микротвердости в зависимости от продольной подачи и частоты вращения заготовки для материала «Сталь 35» при УУО с внедрением твердой смазки при статической силе -Рст=100 Н.
Список литературы
1. Шнейдер Ю. Г. Эксплуатационные свойства детали с регулярным / 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение, Ленингр. Отделение. 1982. 248 с.
2. Сковородин В.Я., Евсеев А.С., Джамилов М.К. Исследование параметров шероховатости поверхностей шеек коленчатых валов, связанных со свойствами неровностей поверхности в направлении длины профиля // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2014. № 36. С. 190-196.
3. Гаркунов Д.Н. Триботехника. М.: Машиностроение, 1985. 424 с.
4. Телевной А.В. Формирование высокопрочных структур в металлах в процессе ударного воздействия сферой с ультразвуковой частотой // Прочность материалов и элементов конструкций при звуковых и ультразвуковых частотах нагружения // Тез. Докл. международ. симп. Киев, 1984. С. 126 - 127.
5. Телевной А.В. Формирование высокопрочных структур в металлах в процессе ударного воздействия сферой с ультразвуковой частотой // Прочность материалов и элементов конструкций при звуковых и ультразвуковых частотах нагружения // Тез. Докл. международ. симп. Киев. 1984. С. 126 - 127.
6. Кропоткина Е.Ю. Исследование величины и диапазона изменения шероховатости поверхности деталей после асимметричного упрочнения // Вестник МГТУ Станкин. 2011. № 3(15). С. 112-114.
7. А. с. 1252145 СССР. Ультразвуковое устройство для упрочнения деталей / В.О. Кур-ганович, А.В. Телевной, В.Н. Лукьянчиков // Открытия. Изобретения. 1986. №31.
8. Experimental definition of rational modes of shock-acoustic treatment / S. B. Skobelev, V. F. Kovalevsky, E. G. Bezzateeva [et al.] // Journal of Physics: Conference Series: electronic collection, Omsk, nov. 05-07 2019. Omsk: IOP Publishing, 2020. P. 012115. DOI 10.1088/17426596/1441/1/012115.
9. Моргунов А.П., Ревина И.В. Планирование и обработка результатов эксперимента. Омск: Изд-во ОмГТУ. 2005. 304 с.
Скобелев Станислав Борисович, канд. техн. наук, доцент, skobelew @rambler.ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет
EXPERIMENTAL 5TUDIE5 OF THE DEPENDENCE OFMICROHARDNE55 AND ROUGHNE55 ON THE TECHNOLOGICAL PARAMETERS OF ULTRA5ONIC 5TRENGTHENING TREATMENT
5.B. Skobelev
The paper presents the results of experimental studies of the influence of the main technological parameters of ultrasonic treatment (UUO) on the roughness and microhardness of the surface layer of samples from steel 35. Rational processing modes have been determined, at which the lowest roughness and the highest microhardness of the treated surface are achieved. Regression equations have been developed to determine the roughness and microhardness according to the given values of feed and rotation frequency. The roughness of the samples after CCR decreased by 0.1 nm, and the microhardness increased by an average of 1.5 times.
Key words: ultrasonic hardening, solid lubricating coating, wear resistance, roughness, mi-crohardness, feed, rotation frequency, experiment planning.
Skobelev Stanislav Borisovich, candidate of technical sciences, docent, skobelew@ram-bler.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University
