CC BY
24
УДК 621.787.6
с. Б. скоБЕлЕВ в. ф. ковалевский
Омский государственный технический университет, г. Омск
изменение
износостойкости стали 35
при ударно-акустической
обработке с внедрением твердой смазки_
Приведены результаты экспериментальных исследований влияния режимов ударно-акустической обработки на износостойкость образцов из материала сталь 35. Определены рациональные режимы обработки, при которых достигается минимальный износ образцов. Но основе результатов экспериментальных исследований рассчитаны значения коэффициентов перекрытия и обра-ботанности для материала сталь 35. Представлена компьютерная программа по расчету рациональных режимов ударно-акустической обработки. Ключевые слова: износостойкость, качество поверхности, ударно-акустическая обработка, твердая смазка, режимы обработки, коэффициенты перекрытия, коэффициенты обработанности.
При работе пар трения актуальной задачей является повышение износостойкости рабочих поверхностей сопряженных деталей, т. к. износ таких поверхностей является основной причиной выхода из строя машин. Поэтому для улучшения антифрикционных свойств и повышения срока службы деталей пар трения в технологии их изготовления предусматриваются методы термической и химико-термической обработки. Также для улучшения качества поверхностного слоя широко используются методы поверхностно-пластического деформирования (ППД).
В соответствии с ГОСТ 18296-72 методы ППД подразделяют на статические (упрочняющее раскатывание и обкатывание; выглаживание; вибронакатывание; поверхностное дорнование) и ударные (дробеструйная обработка; ультразвуковая обработка; центробежная обработка; вибрационная ударная обработка) [1—2].
Одним из ударных методов ППД является технология ударно-акустической обработки (УАО), разработанная и внедренная в производство д.т.н., профессором А. В. Телевным.
В основе данной технологии лежит реализация идеи удара ультразвукового инструмента через промежуточную среду, которой является наносимая при обработке твердая смазка на основе дисульфида молибдена МоБ2. Технология является малооперационной, т.е. за одну операцию решается большое количество технологических задач, таких как повышение твердости поверхностного слоя, улучшение шероховатости, получение регулярного микрорельефа с большими радиусами выступов и впадин, модификация поверхностного слоя путем внедрения твердого смазочного покрытия, улучшение совместимости материалов трущихся деталей [3-4].
Однако в работах А. В. Телевного не было четких рекомендации по назначению рациональных параметров обработки для каждого конкретного материала. Отсутствовали формулы для назначения основных технологических режимов обработки, таких как подача инструмента и частота вращения детали.
В исследованиях [5] приведены формулы для назначения продольной подачи ультразвукового инструмента и частоты вращения заготовки:
а = ал/а/А ■ Ь мм/об,
60/ ■ г ,
п =- об/мин,
к ■ Я„ ■ Xп
(1)
(2)
где Я1 — радиус индентора ультразвукового инструмента, мм; Я2 — р адиус обрабатываемой поверхности детали, мм; / — частота магнито стрикционного преобразователя, Гц; Б — диаметр обрабатываемой поверхности детали, мм, h — глубина внедрения индентора, мм; К — ао=ффициент обработанности в направлении продольной подачи; Хп — коэффициент обработанности в направлении главного движения.
В представленных формулах особый интерес представляют коэффициенты обработанности Х5 и Хп, которые опре=еляют количество приходящихся ударов на единицу поверхности обрабатываемой заготовки в направлении подачи инструмента и в направлении паа=ного движениа.
Определив рациональное значения данных коэффициентов для каждого материала, можно будет назначать основное режимы обработки по формулам (1) и (2).
о
го >
Поэтому основной целью экспериментальных исследований являлось определение рациональных технологических режимов ударно-акустической обработки, при которых обеспечивается наилучшая износостойкость образца из материала сталь 35. На основе полученных данных необходимо определить значения коэффициентов перекрытия и обра-ботанности, а также общий коэффициент обрабо-танности для данного материала.
При планировании экспериментальных исследований влияния режимов ударно-акустической обработки (УАО) была использована методика [6]. Согласно данной методике, необходимо описать исследуемый процесс весового износа с помощью полинома второго порядка, имеющего следующий вид:
у = Ь 0 + Ь1Х1 + Ь2 Х2
+ bi2 xix2 + biA2 + b22 Х22-
(3)
Дюа плантров анаяэкс перимента по влиянию режимов УАО на ве;шчину износа был использован центральный композиционный ортогональный план (ЦКОП) втотого порядка. Писле ознакомления с результатами исследованой )7] были выбраны условия эксперимента и на их основе была составлена матрица птаниров ания эксперимента (табл. 1).
Реалирацоя плана эксперимента осуществлялась рандомизацией опытов по времени, причем каждый опыт про водится 2 раза в случайной последовательности. Всрго было обработано 18 образцов.
Экспериментальные исследования проводились на оаразцах — роликах из стали 35, имеющих шероховатость оОрабртьюаемой поверхности порядка Яа 0,32 и микротвердость НУ 244 ... 295. Обработка п °ов одилась на станке ФТ-11 с использованием генератора УЗГ 3-4 и магнитострикционного преобразователя с частотой 18 ... 22 кГц, амплитуда колебаний ультразвукового инструмента составляла 40 мкм. Технологическая суспензия (твердая смазка) состояла из семи частей керосина и одной части дисульфида молибдена (МоБ2). Обработка проводилась на режимах, указанных в табл. 1.
После проведения обработки были проведены испытания образцов на износ с помощью машины
трения ИИ 5018 при следующих условиях: частота вращения образца пвр = 200 об/мин; контртело ШХ 15; сила прижима Р = 40 Н. С помощью
L нагр 1
аналитических весов DL-200 производился замер веса образца через каждые три минуты испытания на машине трения. Затем, согласно рекомендациям [8], был определен искомый параметр оптимизации — средний весовой износ (табл. 1). С помощью методики [6] были определены коэффициенты уравнения (1), проведен расчет значимости данных коэффициентов, была проверена адекватность модели по F-критерию. После расчета значимости коэффициентов уравнение регрессии имеет окончательный вид:
у = 4,28 + 2,68 • х1 + 2,38 -х2+16,49 • х^+16,95 • х22. (4)
Затем были определены значения х1 и х2, при которых значения функции у, соответствующие значениям весового износа, были минимальными. Вычисления производились с помощью электронных таблиц EXCEL. Для этого была составлена таблица значений данной функции в зависимости от х1 и х2, при этом х1 и х2 изменялись согласно матрице планирования (табл. 1) от —1 до +1 с шагом 0,1. Проведя анализ полученных результатов, было определено, что наименьшее значение функции у = 4,11 получится при х1= —0,1 и х2= —0,1. Также был определен диапазон приемлемых значений функции. Этот диапазон получился при значениях х1, изменяющихся от —0,4 до 0,2 и значениях х2, изменяющихся от —0,4 до 0,3. Далее был произведен переход от кодированных значений х1 и х2 к натуральным n и S. Для этого использовались выражения:
n = 50 + 30 • х1, S=0,14 + 0,03 • х2.
(5)
(6)
На основании данных, полученных в результате расчетов по формулам (5) и (6), было определено, что наименьшее значение весового износа получится при обработке детали с режимами п = 50 об/мин, 5=0,14 мм/об. Приемлемыми значениями п явля-
Матрица планирования эксперимента
Таблица 1
№ опыта № образца В кодовом масштабе В натуральном масштабе Параметр оптимизации
Х0 x1 x2 x1x2 x1'=x12-0,73 X2'=X22-0,73 n, об/мин S, мм/об Весовой износ, мг/м3
1 6 + 1 -1 + 1 0,27 0,27 20 0,11 14
2 7 + 1 + 1 -1 -1 0,27 0,27 80 0,11 22
3 5 + 1 + 1 -1 0,27 0,27 20 0,17 14
4 1 + 1 + 1 + 1 + 1 0,27 0,27 80 0,17 26,1
5 2 + 1 0 0 0,27 -0,73 20 0,14 22
6 9 + 1 + 1 0 0 0,27 -0,73 80 0,14 18
7 14 + 1 0 -1 0 --0,73 0,27 50 0,11 13,9
8 3 + 1 0 + 1 0 -0,73 0,27 50 0,17 24,1
9 8 + 1 0 0 0 -0,73 -0,73 50 0,14 8
ются 40 об/мин, 50 об/мин, 63 об/мин; приемлемыми значениями 5 являются 0,13 мм/об; 0,14 мм/об; 0,15 мм/об.
Далее были определены значения коэффициентов перекрытия и коэ ф фициентов обработанности, получающиеся прв данных параметрах. Согласно [9], коэффициенты перекр ытия в направлении подачи определяются по формуле:
к::
1 -
в^/в • " • и
Коэффициенты перек-ытея в направлении главного движения опредплим ^офоимыле:
К" - п 1.
ы.деисе
Пседнщ ■ Ж • "в
к0у[И~Ы
Далее, используя формулы (7) и (8), мы определим значения соответсввующит коэффициентов об; работанности [5]:
X. п
1
И„ п
к -к. 1
1 - кы
(9) (10)
(7)
Согласно [5], общий коэффиц иент обра ботанно-сти определяется по формуле:
1
(8)
(1 - кы )•(! - кы)
(11)
Таблица 2
Определение значений коэффициентов обработанности
8, мм/об кЩ X Щ п, об/мин кП X п X 5 пЗ Весовой износ, мг/м3
0,13 0,84 6,41 40 0,998 454,55 2914 5,16
0,14 0,83 5,95 50 0,997 370,37 2204 4,11
0,15 0,82 5,56 63 0,996 294,12 1634 6,63
0,13 0,84 6,41 50 0,997 370,37 2347 4,38
0,13 0,84 6,41 63 0,996 294,12 1885 5,68
0,14 0,83 5,95 40 0,998 454,55 2705 4,34
0,14 0,83 5,95 63 0,996 294,12 1751 5,41
0,15 0,82 5,57 40 0,998 454,55 2530 5,56
0,15 0,82 5,57 50 0,997 370,37 2061 5,43
и
ы:
Рис. 1. графическое представление вида обработанной поверхности в соответствии с заданными условиями
Определим согласно приведенным выше формулам значения и для значений подач, значения Ор и для чисел оборотов, а также общий коэффициент обработанности (табл. 2).
Анализируя табл. 2, можно сказать, что наименьшее значение износа I = 4,11 мг/м3 соответ-
я
ствует значению Аш = 2204. Такое значение общего коэффициента обработанности получается при п = 50 об/мин и 5 = 0,14 мм/об.
Используя полученные значения коэффициентов обработанности становится возможным назначение рациональных режимов ударно-акустической обработки для наружной цилиндрической поверхности любого диаметра из материала сталь 35.
Для упрощения расчета по формулам (1) и (2) в работе [10] представлена компьютерная программа, благодаря который по введенным исходным данным, таким как радиус обрабатываемой поверхности заготовки, радиус индентора ультразвукового инструмента, значения коэффициентов обрабо-танности X и Хп, глубина внедрения индентора h становится возможным расчет таких режимов обработки, как частота вращения заготовки и продольная подача инструмента для любого материала заготовки.
По результатам расчетов программа выдает графическое окно (рис. 1), где указаны рассчитанные параметры, а также представлен внешний вид поверхности после обработки.
Для наглядности в графическом окне отображен каждый сотый отпечаток удара ультразвукового инструмента.
Таким образом, на основании проделанной работы можно сделать следующие выводы:
1. Рациональными значениями величины подачи и числа оборотов, при которых износ образцов из стали 35 является минимальным, составляют соответственно 0,14 мм/об и 50 об/мин.
2. Рациональные значения коэффициентов об-работанности в направлении подачи, в направлении главного движения и общий коэффициент обрабо-танности, при которых износ образцов минимальный (4,11 мг/м), составляют соответственно 5,952; 370,37 и 2204,44.
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. Петросов В. В. Гидродробеструйное упрочнение деталей и инструмента. М.: Машиностроение, 1977. 165 с.
3. Моргунов А. П., Федоров А. А. Исследование на износостойкость стали 45ХНМА, полученной нанометаллургическим процессом // Современные технологии в машиностроении: сб. ст. XI Междунар. науч.-практ. конф. Пенза, 2007. С. 19 — 21.
4. Телевной А. В., Федоров А. А. Нанометаллургический процесс на основе объемной микропластичности // Омский научный вестник. 2006. № 3 (36). С. 104-107.
5. Скобелев С. Б., Ковалевский В. Ф. Технологические методы повышения износостойкости деталей пар трения: мо-ногр. Омск : Изд-во ОмГТУ, 2014. 116 с.
6. Моргунов А. П., Ревина И. В. Планирование и обработка результатов эксперимента. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. 304 с.
7. Телевной А. В. Повышение ресурса и совершенствование машин криогенной техники с помощью технологии на основе объемной микропластичности и статико-гидродинами-ческого электролиза: дис. ... д-ра техн. наук: 05.04.03. Омск, 2000. 341 с.
8. Крагельский И. В., Добычин М. Н., Комбалов В. С. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 526 с.
9. Масягин В. Б., Скобелев С. Б. Определение режимов процесса ударно-акустической обработки // Омский научный вестник. 2006. № 10 (48). С. 45-48.
10. Скобелев С. Б. Повышение износостойкости деталей пар трения путем выбора рациональных технологических параметров ультразвуковой упрочняющей обработки: дис. . канд. техн. наук: 05.02.08. Омск, 2010. 164 с.
СКОБЕЛЕВ Станислав Борисович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Технология машиностроения».
КОВАЛЕВСКИЙ Валерий Федорович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Технология машиностроения».
Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.
Статья поступила в редакцию 25.10.2017 г. © С. Б. Скобелев, В. Ф. Ковалевский
