CC BY
113
Секция « Технология производства ракетно-космической техники»
УДК 621.891.001.57
А. Н. Марьясов Научный руководитель - Г. Ф. Тарасов Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗНАШИВАНИЯ СТАЛЕЙ В АБРАЗИВНОЙ СРЕДЕ
Приводится анализ условий работы и изнашивания рабочих органов землеройных машин. Предлагается и обосновывается метод и установка для испытаний материалов на абразивное изнашивание, которая полностью моделирует процессы взаимодействия абразива и рабочего органа.
Все методы испытаний материалов на изнашивание, в зависимости от степени фиксации абразивных частиц, можно подразделить на три вида: о закрепленные абразивные частицы, полузакрепленный абразив и свободный абразив. При каждом методе испытаний схема взаимодействия материала и абразива определяется характером прилагаемой нагрузки: трение, удар и трение с ударом, которая является промежуточной, характеризующей разрушение изнашиваемой поверхности абразивными частицами за счет скольжения и удара одновременно.
Износ деталей, рабочих органов и инструмента это закономерные процессы, которые неизбежно сопровождают работу машин, механизмов, различного функционального назначения и представляет собой одну из форм физического старения. Изнашивание приводит к изменению формы, размеров, состояния рабочих поверхностей деталей, что ведет к постепенному ухудшению функциональных качеств и снижению производительности машин.
Абразивное изнашивание, по сравнению с другими, характеризуется специфическими особенностями, присущими только этому виду изнашивания: высокая степень концентрации контактных напряжений в поверхностном слое материала; сильно выраженная дискретность контакта и взаимная независимость фрикционных связей, вследствие различия абразивных частиц по размерам. На поверхности материала, взаимодействующего с частицами абразива, создается широкий спектр контактных напряжений, характер распределения которых и предельные числовые значения определяются условиями этого взаимодействия (свойств материала, твердости и размеров абразивных частиц и т. д.). Различие уровней контактных напряжений ведет к формированию на поверхности материала различных механизмов изнашивания: микрорезание (хрупкое или вязкое), упруго-пластическое оттеснение материала (сдвиг материала и последующее его разрушение), полидеформационное разрушение (разрушение при многократном передеформировании материала). На поверхности трения протекают сопутствующие процессы, такие как окисление изнашиваемой поверхности, возникновение внутренних повреждений, рост концентрации напряжений у образовавшихся микротрещин и т. д., которые являются следствием деформирования материала. Все эти факторы способствуют снижению сопротивляемости материалов воздействию частиц абразива, а значит интенсификации процесса их изнашивания.
Доминирование определенного механизма изнашивания материала, при прочих равных условиях,
зависит от степени закрепленности абразивных частиц, контактирующих с материалом. Частицы абразива могут находиться в трех состояниях: закрепленном, свободном и полузакрепленном. Степень закрепления абразивных зерен определяет их поведение при воздействии на контактируемым материалом. Режущие кромки закрепленных абразивных частиц ориентированы в строго определенном направлении и не могут изменять его в процессе взаимодействия с материалом. На поверхности последнего наиболее вероятно доминирование разрушение поверхности трения за счет микрорезания. Свободные абразивные частицы имеют произвольную ориентацию и могут изменять ее под действием сил трения в зоне контакта с изнашиваемым материалом. Преобладающим видом разрушения поверхности трения при таком контакте являются полидеформационное или усталостное изнашивание материала. Полузакрепленные абразивные частицы вызывают и микрорезание, и пластическое деформирование контактирующего с ними материала.
Виды разрушения поверхности материала и границы перехода от одного вида нарушения фрикционных связей к другому в зависимости от степени закрепленности абразивных частиц являются условными. В реальных условиях изнашивания в зоне контакта материала с абразивными частицами происходят смешанные процессы разрушения поверхности трения, поскольку способность материалов сопротивляться изнашиванию зависит от многих факторов, основными из которых являются: физико-механические свойства материала (твердость, вязкость, пластичность, предел прочности, предел текучести, относительное удлинение, относительное сужение и т. д.) свойства абразива (гранулометрический состав, геометрическая форма и размеры, угол заостренности режущих граней, ориентация абразивных зерен относительно изнашиваемой поверхности); состояние абразивных частиц, определяющееся степенью их закрепленности; температура окружающей среды, которая оказывает влияние и на свойства материала, и на состояние абразива; агрессивность окружающей среды; тепловая динамика трения.
Закрепленные абразивные частицы относительно изнашиваемой поверхности имеют строго определенную фиксированную ориентацию. Свободные (незакрепленные) абразивные частицы, находясь в зоне контакта с изнашиваемой поверхностью, могут не только занимать любую ориентацию граней относительно изнашиваемой поверхности, но и изменять ее под действием сил, действующих в зоне контакта.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2014. Технические науки
Наибольшую интенсивность разрушения поверхности трения производят абразивные частицы, имеющие малый радиус кривизны (остроугольные частицы) размерами от 0,2 до 2,0 мм. Обусловлено это, прежде всего тем, что они имеют малую площадь соприкосновения с деталью, а поэтому в зоне контакта развиваются большие контактные давления.
Обобщая изложенное, следует отметить, что реализация какого-либо определенного вида разрушения поверхности возможно в случае однородности процесса абразивного изнашивания, характеризующегося стабильностью размеров и формы частиц абразива. Создать такие условия работы пары трения в реальных условиях практически не представляется возможным. При контакте рабочих органов землеройных машин с грунтом их изнашивание происходит в нестабильном режиме, поскольку все основные параметры, определяющие вид изнашивания не являются постоянными. В условиях нестабильного режима изнашивания поверхности рабочих органов находятся в сложно-напряженном состоянии. Уровень контактных напряжений носит переменно-циклический характер. Переменные напряжения по всей рабочей поверхности рабочего органа вызывают усталость материала, что снижает его сопротивляемость разрушению абразивными частицами.
Лабораторные испытания на изнашивание должны воспроизводить реальные условия работы детали. Это может быть достигнуто двумя способами: при точном воспроизведении всех внешних факторов, характеризующих работу данной детали, и при моделировании процессов изнашивания. В первом случае не требуется знаний процессов разрушения и разупрочнения поверхностного слоя детали, поскольку они формируются под действием точно воспроизведенных внешних факторов. Во втором случае внешние факторы не воспроизводятся, а создается физическая модель, обеспечивающая протекание заданного процесса изнашивания. Моделирование абразивного изнашивания на малогабаритных образцах позволяет резко сократить продолжительность эксперимента по сравнению с натурными испытаниями и при минимальных затратах времени достаточно успешно прогнозировать долговечность деталей, подвергающихся в процессе работы изнашиванию. В лабораторных условиях экономически эффективно можно провести изучение триботех-нической цепочки: выявление оптимального для конкретных условий работы состава материала детали, отработка технологии и конструктивного решения, разработка практических рекомендаций по применению материала в условиях эксплуатации.
© Марьясов А. Н., 2014
УДК 621.923.9
Д. И. Савин, В. В. Макеев, Л. П. Сысоева Научный руководитель - А. С. Сысоев Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск
ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАБОЧИХ СРЕД ДЛЯ АБРАЗИВНО-ЭКСТРУЗИОННОЙ ОБРАБОТКИ
Рассмотрены параметры, влияющие на эффективность абразивно-экструзионной обработки (АЭО). Выявлена необходимость определения температурной зависимости реологических характеристик рабочей среды (РС). Исследовано влияние температуры РС на изменение ее свойств и параметры обработки.
Эффективность абразивно-экструзионной обработки (АЭО) определяется геометрическими характеристиками обрабатываемой детали, ее материалом, режимами обработки и реологическими свойствами рабочей среды (РС).
При АЭО вязкоупругая полимерная РС, наполненная абразивными зернами, экструдируется под давлением вдоль обрабатываемой поверхности. Как и при любой абразивной обработке в зоне резания наблюдается значительное повышение температуры. При этом отвод тепла затруднен вследствие особенностей конструкции оборудования для АЭО [1], что приводит к значительному повышению температуры среды.
Исследование влияния температуры на давление в приспособлении выполнено на установке УЭШ-25 с накопление тепла в системе при обработке образцов, изготовленных из стали 12Х18Н10Т. При этом регистрировалась температура и давление в приспособлении (рис. 1).
В результате исследования установлены зависимости давления Р (МПа) в приспособлении от темпера-
туры / (оС) РС (рис. 2) и температуры РС от времени обработки Т (мин) (рис. 3).
Анализ графиков показывает, что накопление с увеличением времени обработки теплоты в изолированной системе ведет к снижению давления РС в зоне обработки, что уменьшает силу прижатия абразивных зерен к обрабатываемой поверхности и ведет к снижению эффективности резания. Уменьшение давления в приспособлении связано с изменением реологических свойств РС - уменьшением ее упругости и увеличением пластичности (снижением вязкости).
Повышение температуры СР свыше 40 оС приводит к снижению давления до 1 МПа (рис. 2), соответствующему переходу от активного резания с отделением стружки к пластическому оттеснению металла абразивными зернами с образованием навалов по краям царапины (рис. 4). А при температуре свыше 80 оС прекращается и пластическое оттеснение металла, а взаимодействие РС с обрабатываемой поверхностью переходит во внешнее трение.
