CC BY
106
УДК 631.371
ФОРМИРОВАНИЕ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ
Г. Д. Федотов, А.В. Морозов
В статье показано, что применение отделочно-упрочняющей ЭМО позволяет получать на поверхностях, контактирующих с резиновыми манжетами, микронеровности с большими радиусами вершин как в продольном, так и в поперечном направлениях, значительно большую, чем при шлифовании и накатке роликами, величину опорной поверхности профиля, уменьшающей теплонапряжённость и момент трения герметичных сопряжений и увеличивающих их ресурс и надежность.
Ключевые слова: отделочно-упрочняющая электромеханическая обработка, физико-механические свойства, шероховатость, инструментальные материалы.
Комплекс физико-механических свойств, определяющих износостойкость и долговечность как отдельных поверхностей так сопряжений и узлов в целом, формируется в процессе финишных операций металлических поверхностей. Качество поверхности, в связи с интенсификацией эксплуатационных процессов, увеличением скоростей перемещения рабочих органов, повышением температур и давлений, возрастает, поэтому весьма важно для каждого технологического процесса установить связь характеристик качества поверхности с эксплуатационными свойствами деталей конкретных узлов и сопряжений. Оптимальная поверхность должна быть достаточно твердой, иметь сжимающие остаточные напряжения, мелкодисперсную структуру, округлую, сглаженную форму микронеровностей с большой опорной поверхностью. Разрушение деталей при различных видах изнашивания начинается именно с поверхности. Поверхность детали обладает пониженной прочностью не только потому, что она несёт большое число различных концентраторов напряжений (дефекты литья, ковки и т.д., а также результат воздействия инструмента на поверхность в процессе отделочной операции) или испытывает влияние дополнительных напряжений, но также и потому, что она является границей металла, нарушающей цельность его кристаллических зерен. И большая роль по «закрытию» многих дефектов поверхностного слоя отводится отделочной операции. Разработаны и нашли широкое применение новые технологические методы финишной безабразивной обработки - ППД, алмазное выглаживание и вибровыглаживание, ФАБО и т.д., которые увеличивают антифрикционные свойства сопряжений, уменьшая при этом значения сил и коэффициентов трения и увеличивая ресурс сопряжений.
Одним из способов финишных операций является и отделочно-упрочняющая электромеханическая обработка, которая позволяет дости-
гать не только низкой шероховатости поверхности деталей машин и уменьшать приработочный износ, но и снижает интенсивность изнашивания сопрягаемых деталей в процессе их длительной эксплуатации за счет повышенной твердости поверхностного слоя этих деталей.
Как известно [1], при ЭМО неподвижным инструментом весьма важным фактором, влияющим на дисперсность поверхностного слоя деталей и его износостойкость, является коэффициент трения и, поэтому, ЭМО деталей машин следует проводить при максимальных значениях коэффициента трения, позволяющих получить заданную шероховатость поверхностей обрабатываемых деталей. Сила трения зависит от физикомеханических свойств приповерхностных слоев контактируемых материалов, т.к. трение обусловлено процессами, протекающими в приповерхностных слоях и на границе раздела твёрдых тел в зонах фактического контакта. Взаимодействие твердых тел при упруго-пластических деформациях изучено мало [2]. Объясняется это значительным отличием свойств основного материала и слоёв, участвующих в процессе трения. В зоне трения при ОУЭМО деталей машин имеет место пластический контакт, когда можно считать, что недеформируемый инструмент внедряется в шероховатую поверхность обрабатываемой детали. Изменение взаимодействия между инструментом и обрабатываемой деталью под влиянием основных технологических режимов ОУЭМО вызывает изменение силы и коэффициента трения и шероховатости поверхности. Установление влияния основных технологических режимов обработки на показатели качества поверхностного слоя деталей имеет большое практическое значение.
Результаты экспериментов представлены на рисунках 1 и 2. С увеличением тока (рис. 1 а) (температуры в зоне контакта) коэффициент трения проходит через минимум для всех инструментальных материалов, что хорошо согласуется с теорией. Начальное уменьшение коэффициента трения объясняется большим падением сдвигового сопротивления относительно уменьшения твёрдости материалов с возрастанием температуры. Как показывают эксперименты, возрастание коэффициента трения на второй части зависимости объясняется увеличением его молекулярной составляющей, т.к. происходит интенсивное схватывание между инструментом и деталью, вызванное значительным снижением твердости и повышением пластичности и вязкости окисных пленок материалов, которое приводит к взаимной диффузии и налипанию контактируемых тел. Вместе с этим при неизменном давлении увеличение температуры вызывает увеличение внедрения неровностей и повышения деформационной составляющей коэффициента трения, приводящее к увеличению общего коэффициента трения даже для твердых сплавов с износостойкими покрытиями из нитридов титана. Разница в углах наклона кривых к оси токов характеризует адгезионную способность материала инструмента (ВК8; ВК8 + ^Ы). Для твёрдого сплава KHT16 нисходящая ветвь располагается до 350 А.
Влияние силы прижатия инструмента на изменение коэффициента трения показано на рисунке 1 б. Кривые изменения коэффициента трения от давления для всех инструментальных материалов проходят через минимум. Уменьшение коэффициента трения на первой части зависимости объясняется дискретным характером взаимодействия инструмента и детали и уменьшением молекулярной составляющей коэффициента трения при незначительном изменении деформационной составляющей в условиях упругих и упруго-пластических деформаций. При дальнейшем увеличении силы прижатия (возрастании контурного давления) деформационная составляющая возрастает в условиях пластических деформаций микронеровностей поверхностного слоя обрабатываемых деталей, вызывая общее увеличение коэффициента трения.
а
б
в г
Рис. 1. Изменение коэффициента трения под влиянием основных технологических режимов ОУЭМО: а - тока, А; б - силы сглаживания, Н; в - скорости сглаживания, м/с; г -
подачи инструмента, £, мм/об
Кривые зависимостей коэффициента трения от скорости обработки проходят через максимум (рис. 1 в), что отмечается во многих исследованиях. Ввиду отсутствия данных об энергии активации процесса формирования и разрушения адгезионных «мостиков» взаимодействия, единой теории кинетического трения нет. Однако очевидно, что возрастание коэффициента трения на первой части зависимости, объясняется увеличением работы по деформированию неровностей, по формированию и разрушению адгезионных связей, а дальнейшее увеличение скорости скольжения приводит к уменьшению числа таких связей [3].
Изменение продольной подачи инструмента (рис. 1 г) мало влияет на величину коэффициента трения однокарбидных твердых сплавов, что объясняется меньшей «жёсткостью» компонентов этого сплава по сравнению с карбидами, нитридами и карбонитридами титана в других сплавах или покрытиях. Характер кривых для сплавов КНТ16 и ВК8 + TiN аналогичен, что объясняется сходством их компонентов. Для твердого сплава Т15К6 увеличение коэффициента трения заметно при больших подачах (более 20 % от малой оси эллипса - пятна контакта), что объяснимо кинетической теорией трения и введением в зону контакта большого числа не-деформированных участков обрабатываемой детали.
С увеличением тока (рис. 2 а) шероховатость поверхности возрастает из-за интенсивного схватывания между инструментом и деталью и появлением на поверхности детали надрывов и вырывов, снижающих целостность границ поверхностного слоя и, как показывают результаты исследований, уменьшением остаточных напряжений сжатия и снижение износостойкости в условиях абразивного изнашивания. Более низкая шероховатость поверхности после обработки инструментом с покрытиями из нитридов титана объясняется тем, что износостойкое покрытие TiN имеет низкий коэффициент трения и не склонно к молекулярному взаимодействию с материалом обрабатываемой детали.
Увеличение силы прижатия инструмента к обрабатываемой детали (рис. 2 б) вызывает на второй части зависимости резкое ухудшение шероховатости по причине возрастания деформационной составляющей силы трения в условиях пластических деформаций, приводящей к появлению «вторичной» шероховатости [1].
Возрастание скорости обработки (рис. 2 в) приводит к уменьшению шероховатости обрабатываемой детали, что может быть объяснено уменьшением времени контактирования неровностей и уменьшением молекулярной составляющей силы трения (из-за отсутствия адгезионного шва между контактируемыми телами). Однако для однокарбидных твердых сплавов это уменьшение незначительно, что объясняется более высокими адгезионными свойствами карбидов вольфрама в сравнении с карбидами и нитридами титана. Это объясняет и увеличение шероховатости поверхности обрабатываемых деталей с увеличением подачи (рис. 2 г) для твердого
сплава ВК8. На дне лунки контакта инструмента видны негативные неровности обрабатываемой детали. При назначении технологических режимов следует избегать совпадения подач предварительного точения и электромеханической обработки. Для других инструментальных материалов применение основных положений теории кинетического трения хорошо объясняет изменение шероховатости поверхности от скоростных факторов (скорости сглаживания и подачи инструмента) обработки.
Сравнение зависимостей и анализ изменения коэффициента трения и шероховатости поверхности деталей после ЭМО указывает на отсутствие корреляционной связи между ними, позволяющей определять шероховатость поверхности по изменению коэффициента трения в процессе обработки. Поэтому для определения влияния основных технологических режимов электромеханической обработки на шероховатость поверхности деталей требуется построение математической модели процесса. Проводим полный четырехфакторный эксперимент на двух уровнях для четырех инструментальных материалов при трехразовой повторности. Значения факторов и их интервалов варьирования определялись с учётом графических зависимостей, приведенных на рисунке 2. Матрица планирования с учетом всех взаимодействий четырехфакторного эксперимента общеизвестна [4] и не приводится.
Для расчёта значений коэффициентов уравнений регрессий, проверки значимости коэффициентов, получения математического ожидания параметра оптимизации, расчёта дисперсии параметра оптимизации была составлена программа. Критическое значение критерия Фишера находилось после определения числа значимых коэффициентов в уравнениях регрессии. Все математические модели оказались адекватными и уравнения регрессии в кодированном виде имеют вид для деталей из стали 40Х после ОУЭМО инструментом:
Т15К6
у = 0,4521 - 0,022^Х1 + 0,02458-Х2 + 0,01375-Х3 + 0,01292-Х4 +
+0,01375-ХгХ2 - 0,03292-ХгХ3 - 0,01375^ХГХ4 - 0,02458-Х2-Х3 +
+0,01125-Х1-Х3-Х4;
ВК8
у = 0,5292 - 0,0175^Х1 - 0,015-Х2 - 0,0275-Х3 + 0,01958-Х4 + 0,01583-ХгХ2 -
0,07667-Х2-Х3 - 0,01458-Х2-Х4 + 0,01125^ХГХГХ4 -- 0,03375-Х^Х2-Х3-Х4;
КНТ16
у = 0,4037 + 0,01042^1 + 0,01292-Х2 - 0,02708-Х3 - 0,02125-Х4 -- 0,02458-Х^Хг - 0,01458-Х^Хз - 0,01375-Х3-Х4 + 0,01708Х1-Х2-Х4 +
+ 0,01375-Х1-Х2-Х3-Х4;
ВК8 + Ш
у = 0,3125 + 0,01833^Х1 + 0,00833-Х3 + 0,0125-Х4 - 0,01833-Х3-Х4.
в
г
Рис. 2. Влияние основных технологических режимов ОУЭМО на шероховатость поверхности: а - тока, А; б - силы сглаживания, Н; в - скорости сглаживания, м/с;
г - подачи инструмента, мм/об
Максимальная разница в значениях параметра оптимизации при реализации опытов и подсчете по уравнениям регрессии для каждой точки плана не превышает для: Т15К6 - 4,6 %; ВК8 - 3,4 %; КНТ16 - 3,8 %; ВК8 + Т1К - 8,5 %. Сопоставляя полученные графические зависимости влияния основных технологических режимов ЭМО на изменение шероховатости поверхности обрабатываемых деталей со значениями параметра оптимизации по уравнениям регрессии видим, что знаки коэффициентов уравнения при соответствующих факторах совпадает с наклоном графической зависимости, что говорит о соответствии полученных уравнений с результатами эксперимента. Из уравнений видно, что на параметр оптимизации оказывают влияние не только сами технологические факторы, но и их взаимо-
действия, и сильнодействующими факторами в исследуемых интервалах варьирования при ЭМО деталей из стали 40Х разными инструментами являются: взаимодействие тока и скорости сглаживания (Т15К6), взаимодействие силы и скорости сглаживания (ВК8), скорости сглаживания и взаимодействия силы сглаживания и тока (КНТ16), тока и взаимодействия скорости сглаживания и подачи (ВК8 + Т1К).
Как отмечалось выше, с целью уменьшения приработочных изно-сов, достижения низких коэффициентов трения, увеличения антифрикционных свойств подвижных герметичных сопряжений за счет улучшения смазки трущихся деталей, поверхность металлической детали в сопряжениях должна иметь шероховатость Яа не более 0,63 мкм. Полученные аналитические и регрессионные зависимости позволяют определить соотношение между основными технологическими режимами ОУЭМО и их величину при заданном значении параметра оптимизации. Однако качество металлической поверхности в подвижных сопряжениях по шероховатости определяется не только среднеарифметическим отклонением Яа, но, в первую очередь, комплексной характеристикой А, учитывающей остроту вершин микронеровностей и их распределение по высоте, коэффициентами опорной кривой профиля Ь и и. Общеизвестно [2], что достаточно сильное влияние на удержание масляной пленки, изменение коэффициента трения, оказывает микрогеометрия поверхности как в продольном так и в поперечном направлениях. На рисунках 3 и 4 представлены профилограммы и круглограммы рабочей поверхности фланцев ведущей шестерни заднего моста автомобиля УАЗ после различных видов отделочной обработки. Результаты обработки профилограмм представлены в таблице и на рисунке 5. Из приведенных рисунков видно, что радиусы вершин микронеровностей после ОУЭМО значительно превосходит аналогичные показатели шлифованных и накатанных поверхностей в продольном и поперечном направлениях, которые оказывают влияние на работоспособность и долговечность подвижных герметичных сопряжений. Вместе с этим величина приработочных износов минимальна у накатанных поверхностей, а размеры приработки после ОУЭМО и шлифования примерно одинаковы (значение
1/2
равновесной шероховатости Яа вычислялось по формуле [2]: Яа = 4/3 •А . Опорные кривые профилей поверхностей у различных видов отделочных обработок показывают увеличение опорной поверхности профиля после ЭМО (видно из рисунка 5), что положительно влияет на теплоотвод из зоны трения и величину давления, однако о времени приработки и величине приработочных износов нельзя судить по этим кривым, т.к. сравниваются эти кривые в относительных единицах. Поверхности фланцев после накатки роликами значительно превосходят поверхности после шлифования и ОУЭМО в поперечном направлении по Яа, однако уступают в продольном направлении (особенно после ОУЭМО).
в г
Рис. 3. Профилограммы фланцев ведущей шестерни заднего моста
автомобиля УАЗ после: а - накатки роликами стали 40; б - ЭМО стали 40; в - шлифования фланцев, наплавленных Св.08Г2С в среде углекислого газа; г - ЭМО фланцев, наплавленных Св.08Г2С в среде углекислого газа
Влияние отделочных операций на показатели микрогеометрии поверхностного слоя обрабатываемых деталей
Вид отделочной обработки Параметры микрогеометрии Равновесная шероховатость, Яа, мкм
Ка, мкм Кшах;> мкм г, мкм в и Д-10-3
Накатка роликами стали 40 0,13 1,08 370 1,94 1,42 1,83 0,18
ЭМО стали 40 0,58 3,9 468 3,51 2,1 4,68 0,29
Шлифование Св.08Г2С 0,62 4,2 324 2,93 1,88 7,34 0,37
ЭМО Св.08Г2С 0,53 3,8 521 2,81 1,83 4,2 0,28
в г
Рис. 4. Круглограммы фланцев ведущей шестерни заднего моста
автомобиля УАЗ после: а - накатки роликами стали 40; б - ОУЭМО стали 40 инструментом из ВК8 + Т1М; в - шлифования фланцев, наплавленных Св. 08Г2С в среде углекислого газа; г - ОУЭМО фланцев, наплавленных Св.08Г2С в среде углекислого газа инструментом из ВК8 + Т1М
+ пР
ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 ^ = у
Ж
1
гг—
л 4
> N N
\ \>
N
%
*4 \
\
Рис. 5. Опорные кривые профилей поверхностей фланцев ведущей шестерни заднего моста автомобиля УАЗ после:
1 - накатки роликами стали 40; 2 - ОУЭМО стали 40; 3 - шлифования фланцев, наплавленных Св.08Г2С в среде углекислого газа; 4 - ОУЭМО фланцев, наплавленных Св.08Г20 в среде углекислого газа
Формирование микрогеометрии поверхностного слоя фланцев при ОУЭМО зависит как от технологических режимов обработки (в продольном направлении) - рисунок 4, так и от материала инструмента - рисунок 4 б, г. Наличие микронеровностей в продольном направлении на фланцах после ЭМО стали 40Х инструментом из Т15К6, ВК8 и KHT16 объясняется по- видимому тем, что при переходе через нулевые точки синусоидальное изменение тока влияет на тепловыделение в зоне контакта, вызывая образование и разрушение адгезионного шва между контактируемыми телами (число выступов и впадин по окружности пропорционально скорости обработки и частоте тока в 50 Гц, что видно из сравнения рисунков 6 а и 6 б), что отсутствует при ЭМО в сглаживающем режиме инструментом из ВК8 + TiN (рис. 4 б, г), т.к. износостойкое покрытие из нитридов титана в процессе обработки не прорывалось, а само покрытие не склонно к молекулярному взаимодействию с материалом обрабатываемой детали, причём применение инструмента с покрытиями из нитридов титана для ОУЭМО наплавленных поверхностей наиболее целесообразно.
Рис. 6. Профилограммы поверхностей в продольном направлении после ОУЭМО стали 40Хтвердыми сплавами Т15К6, ВК8 и КНТ16:
а - с частотой 1 с'1; б - 0,3 с'1
Получены регрессионные зависимости влияния основных технологических режимов на шероховатость поверхностного слоя деталей при ЭМО разными инструментальными материалами (Т15К6, ВК8, KHT16, ВК8 + ТМ), позволяющие прогнозировать качество обрабатываемых деталей и назначать режимы обработки исходя из условии эксплуатации деталей.
Список литературы
1. Аскинази Б.М. Упрочнение и восстановление деталей электромеханической обработкой. Л.: Машиностроение, 1977. 184 с.
2. Трение, изнашивание и смазка. Справочник. Книга I. Под ред. И.В. Крагельского и В.В. Алисина. М.: Машиностроение, 1978. 400 с.
3. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчётов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 528 с.
4. Методические указания. Методика выбора и оптимизации контролируемых параметров технологических процессов. РДМУ 109-77. М.: Изд-во стандартов, 1978. 64 с.
Федотов Геннадий Дмитриевич, канд. техн. наук, доц.,
GDFedotov48@yandex.ru, Россия, Ульяновск, Ульяновская государственная академия им. П.А. Столыпина,
Морозов Александр Викторович, канд. техн. наук, доц., alvi.mor@mail.ru, Россия, Ульяновск, Ульяновская государственная академия им. П.А. Столыпина
THE SURFACE PROPERTIES FORMATION BY FINISHING-STRENGTHENING
ELECTRO-MECHANICAL PROCESSING OF MEDIUM-CARBON STEELS
G.D. Fedotov, A. V. Morozov
It is shown in the article, that an application of finishing-strengthening EMP allows to get on surfaces, which are contacting with rubber cuffs, micro irregularities with the large top radiuses both in longitudinal and in transversal directions, considerably greater under-layment size of profile, than at polishing and rolling-up one, which reduces warm intensity and friction moment of tight interfaces and increases its resource and reliability.
Key words: finishing-strengthening electro-mechanical processing, mechanical properties, roughness, instrumental materials.
Fedotov Gennady Dmitrievich, candidate of technical science, associate profes-sorGDFedotov48@yandex. ru, Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk state agricultural academy named after P.A. Stolypin,
Morozov Aleksandr Viktorovich, candidate of technical science, associate professor, alvi. mor@mail. ru, Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk state agricultural academy named after P.A. Stolypin
