Исследование влияния значений коэффициента обработанности на износостойкость стали 45 при ударно-акустической обработке Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.787.6

РО!: 10.25206/1813-8225-2018-160-23-26

с. Б. СКОБЕЛЕВ1 Г. Г. БУРЫЙ2

1Омский государственный технический университет, г. Омск

2Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет,

г. Омск

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЗНАЧЕНИЙ КОЭФФИЦИЕНТА ОБРАБОТАННОСТИ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ СТАЛИ 45 ПРИ УДАРНО-АКУСТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

В работе представлены результаты экспериментальных исследований влияния режимов ударно-акустической обработки на износостойкость образцов при испытании в паре трения сталь 45 — Бр АЖ—9-4. Исследовано влияние значений общего коэффициента обработанности на микротвердость и шероховатость обработанной поверхности, а также получены зависимости шероховатости, микротвердости и момента трения в период приработки от значений общего коэффициента обработанности. Определены рациональные значения общего коэффициента обработанности для стали 45, при которых достигается минимальный износ образцов в период приработки.

Ключевые слова: ударно-акустическая обработка, износостойкость, момент трения, шероховатость поверхности, микротвердость, приработка, общий коэффициент обработанности.

Несмотря на разнообразие конструкций, материалов, условий работы, нагрузок, процессы износа сопряженных поверхностей деталей в парах трения узлов и механизмов имеют общие закономерности. Если рассмотреть типичную кривую износа, то можно выделить три периода: период приработки, период нормальной работы и период интенсивного изнашивания.

Известно, что на период приработки приходится примерно 70 % всей величины износа трущейся пары.

В этот период интенсивность износа возрастает, наиболее выступающие микронеровности сглаживаются и увеличивается фактическая площадь контакта сопряженных деталей.

Исследованиями таких известных ученых, как Ю. Г. Шнейдер, И. В. Крагельский, Ф. Н. Боуден, Д. Н. Гаркунов и др., занимавшихся вопросами изучения механизмов трения и изнашивания твердых тел, установлено, что наибольшее влияние на величину приработочного износа влияет качество поверхности, которое, в свою очередь, зависит от метода обработки поверхности [1, 2].

Одним из эффективных технологических методов обеспечения качества поверхностей деталей пар трения является технология ударно-акустической обработки, разработанная д.т.н., профессором А. В. Телевным.

С помощью данной технологии можно улучшить шероховатость поверхности, создать регулярный микрорельеф с большими радиусами выступов и

впадин, повысить микротвердость поверхности по сравнению с исходной в 1,5 — 2 раза. Одновременно происходит внедрение в поверхностный слой дисульфида молибдена, в результате чего повышается совместимость в паре трения [3].

В работах [4, 5] представлены формулы для определения технологических параметров данного метода обработки, таких как: п — частота вращения шпинделя, об/мин, 5 — продольная подача инструмента, мм/об.

5 2л/2Я1 • Н _ Р.

600 •У D• Н %■ #2 • Ср

(1)

(2)

где Я — радиус индентора у«,тразвукового инструмента, мм; Я2 — радиус о бр абатываемой поверхности детали, мм; / — частота магнитострикционного преобразователя, Гц; Б — диаметр абрабатываемой поверхности детали, мм, h — глубина внедрения индентора, мм; — ообффициент обработанности в направленип продельной подачи (число ударов ультразвукового инструмента, приходящееся на единицу поверхпгести в направлении подачи); Хп — коэффициент обработанности в направлении главного движения (еисло уа,иров ультразеукового инструмента, приходящеемт нп гдиницу поверхности в направлении главного движения).

0

го >

п е

В формулах (1) и (2) глубина внедрения инден-тора h определяется по формуле, представленной в работе [6]:

Р = -

Р„

2"- Упр - НД

(3)

где Япр — приведенный радиус поверхностей контактирующих тел; НД — пластическая твердость материала обрабатываемой детали.

Согласно [ Н], твердость по Викреусу НУ и пластическая твердость НД связаны иоосношением: НД =1,22НУ.

Подставив фррмулр (3) в формулы (1) и (2) мы получим уточненнлге формулы для определения технологических параметров ударно-акустрческой обработки, которые Лууут иметь вид:

Н р

й8

С"

У( - о„

108,6/ л - РР • С „

л- СВ И"- У„

Р - Рсш л - НН - У,

(4)

15-

Согласно [8],общий коэффициент обработанно-сти определяетсм пр формуле:

М„ с рМрМ 1

(6)

где I — число П0охо]й,рв ультразвсвывогс инструмента.

Выразив из формул (4) и р) свлтвттсовеоно Л и Хп и подставив их в формулу (6), ты пов^л им лы-ражение для опредтленвя лбщето коэфВ>ылиенла обработанности в завтитостл от злачелий члстоты вращения и п)одрмьмой подачи:

С., р-

1 9,8/- Р,

Р - НИ - у - Н - У„,

-Ж-Р ■

(7)

Формула (7) отражает общее количество ударов ультразвукового инструмента, приходящихся на единицу обрабатываемой поверхности, ограниченную одной площадкой контакта индентора и заготовки.

Задачей экспериментальных исследований являлось определение рациональных режимов обработки, при которых износ поверхности образцов будет наименьший, а также зависимости шероховатости, микротвердости обработанной поверхности и момента трения в период приработки от значений общего коэффициента обработанности.

Для проведения исследований были подготовлены образцы — ролики из материала сталь 45, наружным диаметром 40 мм и исходной шероховатостью поверхности 0,63. В качестве контртела для испытаний на машине трения были изготовлены образ0ыил матлритла Бр АЖ — 9-4 с наружным диаметром 40 мм. Для достоверности результатов экспертмелталлмых исоледований образцы были илготолленл из лдноы плавки металла.

Ударно-акустическая обработка проводилась на ^(втановке, созданной на базе универсального токарного станка ФТ-11 с использованием ультразвукового генератора УЗГ-3-4, обеспечивающего частоту 17,8 кГц. Для генерации ударов по обрабатываемой поверхности с частотой 18±1,35 кГц использовался динамический технологический модуль ЛТЫ7, ралраболаныый на базе магнитострикци-онногс плеобравотателя ПМС 15-А-18. В качестве тыевдогл нмазотнлгн покрытия использовалась суспензия дисульфида молибдена МоБ2 и керосина в лропорции В:)2.

Испольоуя методлки планирования эксперимента [1,1Л] была лазраблтант матрица планирования эксперимента ни осннве симплекс-решетчатого шмали т^тьлго плрндка. Согласно плану экспери-л ентл, было проведено 10 опытов с использование н режимов обработки, представленных в табл. 1. В соответствии с режимами обработки и размерами обрабатываемой поверхности определены значения

Результаты экспериментальных исследований

Таблица 1

Номер опыта (номер образца) п, об/мин 5, мм/об Рт, Н НУ Ка, мкм Лт, мг Мр Нм ^ 5 п5

1 (7) 80 0,10 40 226 0,28 5 1,1 224

2 (9) 20 0,17 40 483 0,25 3 0,75 904

3 (5) 20 0,10 100 271 0,25 5 1,16 2270

4 (3) 40 0,14 40 210 0,29 4 0,9 455

5 (2) 40 0,10 80 454 0,29 3 0,7 904

6 (1) 20 0,12 80 328 0,2 4 1,1 1815

7 (14) 63 0,12 40 473 0,28 5 1 290

8 (13) 63 0,10 60 345 0,22 4 1 429

9 (4) 20 0,14 60 483 0,29 3 0,8 1359

10 (6) 40 0,12 60 405 0,29 3 0,85 680

у =

общего коэффициента обработанности согласно формуле (7).

После проведения ударно-акустической обработки производился замер шероховатости обработанной поверхности (с помощью профилометра 296) и микротвердости поверхности (с использованием микрот вердомера ПМТ-3).

Испытания на износостойкость проводились с помощью м а шины трения ИИ-5018 при следующих условиях: контртело Бр АЖ-9-4, частота вращения образца п =200 об/мин, сила прижима Р =100 Н.

1 ^ ар 1 нагр

Во время испытаний производился замер момента трения каждую минуту. С помощью аналитических весов иЬ-200 проводился замер массы каждого образца до испытания на износостойкость и после, тем самым определялся весовой износ в процессе приработки. Результаты экспериментальных исследований пре дст мвлен ы в табл. 1.

После расчета значимости коэффициентов уравнения, опис ывающие влияние параметров обработки на микфотвердость, шероховатость и момент трение иммют вид:

УМтр = 1,1X1 + 0,75X2 + 1,16X3 - 0,11X1 • X2 -

■ 0,25x2 • x3 - 1,26xt • x3 + 2,16xt • x3X - x3) -- 1,1x2 • x3 (x2 - x3 ) - 0,11xt • x2 (x - x2 ) -- 0,63xt • x2 • x3.

(8)

Адекватность моделей проверена по t-критерию Стьюдента. Полученное значение критерия Стью-дента tp = 0,642 меньше табличного t-критерия, равного 2,228 при 5 % уровне значимости. Гипотеза адекватности не отвергается, а модель (8) может быть использована для расчета режимов обработки, при которых достигаются рациональные значения момента трения.

На основании данных, полученных в результате расчетов по формуле (8) установлено, что минимальное значение момента трения в период приработки Мтр = 0,7 Н-м достигается при обработке детали с режимами л = 40 об/мин, 5 = 0,1 мм/об, Р = 80 Н. Подставив полученные режимы обработки в формулы (4) и (5) и приняв, что для схемы контакта двух цилиндрических тел Rnp = 4,92 мм [5], получим значения коэффициентов X5 = 2,3 и Xn = 393, которые в дальнейшем можно будет использовать для расчета рациональных режимов ударно-акустической обработки, применяемых для пары трения сталь 45 — Бр АЖ-9-4.

По результатам экспериментов построены графики зависимости микротвердости и шероховатости поверхности от значений общего коэффициента обработанности.

На основании зависимости шероховатости поверх ости от значений общего коэффициента об-работанности (рис. 1) можно сделать вывод, что повышение коэффициента XrS незначительно влияет на параметр шероховатости Ra, который находится в пределах Ra 0,24-Ra 0,29. Минимальное значение Ra 0,24 достигается при значениях X =1359-1815.

На рис. 2 представлена зависимость микротвердости HV обработанной поверхности от значений X^. Согласно полученному графику микротвердость возрастает с увеличением общего коэффициента обработанности до значений Xn5 = 904-1359 и составляет HV 483. При дальнейшем увеличении X^ микротвердость снижается.

Рис. 1. Зависимость шероховатости обработанной поверхности от значений общего коэффициента обработанности 1п8

Рис. 2. Зависимость микротвердости обработанной поверхности от значений общего коэффициента обработанности XS

Рис. 3. Зависимость момента трения (пара трения сталь 45 — бронза БрАЖ-9-4) от значений общего коэффициента обработанности XnS

После проведения испытаний на износостойкость получена зависимость момента трения Мтр от значений общего коэффициента обработанности (рис. 3).

При увеличении коэффициента обработанности от Xn5 = 224 до Xn5 = 904 момент трения снижается с 1,1П Н-м до 0,7 Н-м.

При дальнейшем увеличении до Xn5 = 2270 момент трения возрастает до 1,16 Н-м.

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Получена формула для определения общего коэффициента обработанности, а также уточненные формулы, позволяющие назначать рациональные технологические параметры ударно-акустической обработки.

2. Определены рациональные технологические параметры ударно-акустической обработки для пары трения сталь 45 — бронза БрАЖ —9-4, при которых достигается минимальный момент трения в период приработки. Такими параметрами являются: п = 40 об/мин, 5=0,1 мм/об, Р = 80 Н.

3. На основе рациональных параметров обработки определены значения общего коэффициента обработанности Х^ = 904, коэффициента обработан-ности в направлении подачи Х5 = 2,3 и в направлении главного движения Хп = 393. Полученные коэффициенты могут быть использованы для назначения рациональных параметров обработки для материала сталь 45.

4. Получены зависимости шероховатости, микротвердости и момента трения от значений Х5 Установлено, что рациональным значением общего коэффициента обработанности, при котором достигается минимальный момент трения в период приработки, является Хп5=904.

Библиографический список

1. Шнейдер Ю. Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1982. 248 с.

2. Гаркунов Д. Н. Триботехника (износ и безызносность). 4-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во МСХА, 2001. 616 с.

3. Телевной А. В., Федоров А. А. Нанометаллургический процесс на основе объемной микропластичности // Омский научный вестник. 2006. № 3 (36). С. 104-107.

4. Скобелев С. Б., Ковалевский В. Ф. Технологические методы повышения износостойкости деталей пар трения: мо-ногр. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2014. 116 с.

5. Скобелев С. Б., Ковалевский В. Ф. Изменение износостойкости стали 35 при ударно-акустической обработке с внедрением твердой смазки // Омский научный вестник. 2017. № 6 (156). С. 15-18.

6. Дрозд М. С., Матлин М. М., Сидякин Ю. И. Инженерные расчеты упругопластической контактной деформации. М.: Машиностроение, 1986. 224 с.

7. Дрозд М. С. Определение механических свойств металла без разрушения. М.: Металлургия, 1965. 170 с.

8. Скобелев С. Б., Масягин В. Б. Исследование возможности управления геометрическими параметрами обработанной поверхности для определения износостойкости пар трения при ударно-акустической обработке // Упрочняющие технологии и покрытия 2008. № 3. С. 33-40.

9. Адлер Ю. П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. 268 с.

10. Асатурян В. И. Теория планирования эксперимента. М.: Радио и связь, 1983. 248 с.

СКОБЕЛЕВ Станислав Борисович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения» Омского государственного технического университета. БРНЧ-код: 9403-3550 ЛиШогГО (РИНЦ): 610722

БУРЬ1й Григорий Геннадьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобили, конструкционные материалы и технологии» Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета, г. Омск. БРНЧ-код: 4216-0384 ЛиШогГО (РИНЦ): 659629 Адрес для переписки: skobelew@rambler.ru

Для цитирования

Скобелев С. Б., Бурый Г. Г. Исследование влияния режимов коэффициента обработанности на износостойкость стали 45 при ударно-акустической обработке // Омский научный вестник. 2018. № 4 (160). С. 23-26. БОН 10.25206/1813-82252018-160-23-26.

Статья поступила в редакцию 07.05.2018 г. © С. Б. Скобелев, Г. Г. Бурый