CC BY
51
УДК 620.178
Батищева О.М., Папшев В.А., Родимов Г.А., Папшев Н.С.
ФГБОУ ВПО Самарский государственный технический университет, Самара, Россия ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗНАШИВАНИЯ МЕТАЛЛОВ В УЛЬТРАЗВУКОВОМ ПОЛЕ
Одним из перспективных направлений интенсификации процессов сборки и формирования требуемых показателей качества является применение ультразвуковых колебаний малой амплитуды [1, 2] . В ряде работ анализируется эффект интенсификации процесса контактного взаимодействия и изнашивания контактирующих поверхностей сборочных единиц в этих условиях [3-6] . Вместе с тем, несомненно, важным является экспериментальное подтверждение выдвигаемых гипотез.
Исследования выполнялись на специальной установке и заключались в моделировании ультразвуково -го трения и изнашивания в широком диапазоне скоростей относительного перемещения, удельных давлений и параметров ультразвукового воздействия.
Схема установки для моделирования трибологических процессов в ультразвуковом поле изображена на рис. 1.
Установка собрана на базе токарного станка 1К62 и укомплектована ультразвуковым генератором УЗГ 3-4. В резцедержателе токарного станка установлен ультразвуковой магнитострикционный преобразователь 1. Энергию, получаемую от ультразвукового генератора, он преобразует в колебательное движение и через акустический волновод передает вынужденные колебания индентору 3. Относительное движение поверхностей (кинематика сопрягаемых деталей) моделируется вращением вала, а изменение взаимодействия поверхностей трения моделируется колебанием индентора перпендикулярно поверхности трения с заданной частотой и амплитудой. Одновременно с этим варьируются величина нагрузки и скорости скольжения.
Общий вид установки показан на рис. 2. Исследуемый на изнашивание образец 2 (набор цилиндров,
изготовленных из различных материалов), закрепляется в центрах станка. Ультразвуковые колебания вводятся в сопряжение через индентор 3, который с помощью резьбового соединения закреплен в концентраторе ультразвукового преобразователя.
Инденторы - также как и образцы - были изготовлены из различных материалов и промаркированы. Это позволяло моделировать ультразвуковое трение и изнашивание для пар изготовленных как из одноименных, так и из различных материалов - например, сталь-45 и латунь Л5, сталь ШХ15СТ и сталь-45 и др. До начала эксперимента и по его окончании выполняются измерения шероховатости поверхностей образцов и индентеров.
Рис. 1. Схема установки для моделирования трибологических процессов в ультразвуковом поле: 1 -магнитострикционный преобразователь, 2 - исследуемый образец, 3 - индентор, 4 - динамометриче-
ский центр, 5 - тензорезисторы
Измерение нормальной и тангенциальной составляющих силы трения производится с помощью специально изготовленного динамометрического центра, установленного в заднюю бабку станка. В горизонтальной и вертикальной плоскостях на центр наклеиваются тензорезисторы, которые входят в мостовую схему тензостанции.
Изучение влияния вынужденных колебаний ультразвуковой частоты на параметры трения и изнашивание деталей выполнено при скоростях скольжения (0,001+0,1) м/с и удельных давлениях (1+100) МПа.
Размеры контактных площадок и нормальное усилие выбирается таким образом, чтобы среднее удельное давление в зоне контакта находилось в пределах (10+100) МПа, скорость относительного перемещения (0,01+1) м/с, параметры ультразвукового сигнала: £ =(5+20) мкм, / =20 кГц.
При взаимодействии контактирующих поверхностей с дополнительным наложением ультразвуковых колебаний малой амплитуды отмечается дополнительный эффект от изменения температуры в зоне контакта [4] . Исследования особенностей этого эффекта основывались на том, что в процессе трения в зоне соприкосновения двух поверхностей естественным путем создаются термопары, электродами которых являются участки детали и индентора. Если деталь и индентор включить в замкнутую электрическую цепь, то величина термоэлектродвижущей силы, возникающей в термоэлементе, будет пропорциональна температуре образовавшейся термопары. Величина электродвижущей силы и направление термотока зависят от рода контактирующих материалов, образующих термопару.
Схема измерения температуры при изнашивании методом естественной термопары изображена на рис.
2.
Деталь (вал) 1 изолирована от патрона 3 и центра задней бабки эбонитовыми прокладками 11 и
пробкой 5. Индентор 2 также изолирован от резцедержателя эбонитовыми прокладками 11. Деталь медным проводником 10 соединена с гибким валом 6, закрепленным в эбонитовой втулке 12, установленной
в конце шпинделя станка 4. Контактный наконечник 7 гибкого вала опущен в токосъемник с ртутью 8. Милливольтметр 9 одной клеммой соединен с индентором, а второй - с ртутным токосъемником 8.
Очевидно, что элементы схемы: деталь, проводник, гибкий вал, токосъемник, милливольтметр, ин-дентор - образуют замкнутую электрическую цеп.
Деталь изолируют от станка для устранения влияния паразитных термопар, которые могут возникнуть между отдельными деталями станка. Однако роль паразитных термопар при высокой температуре контактных поверхностей незначительна, и за счет некоторого снижения точности измерения, установку можно упростить, отказавшись от изоляции детали и сохранив изоляцию только индентора.
Для перевода показаний милливольтметра в градусы Цельсия естественно образующаяся термопара должна быть предварительно подвергнута специальной тарировке. Тарировку производят в расплавленном металле. В электропечь помещают тигель с расплавленным металлом (свинцом), имеющим низкую температуру плавления. Стержни из материалов индентора и контактирующего с ним образца, опускают на одинаковую глубину в расплавленный металл, а к концам стержней присоединяют милливольтметр. Между стержнями помещают контрольную термопару, гальванометр которой проградуирован в градусах. Нагревая и охлаждая расплавленный металл, сравнивают показания милливольтметра в милливольтах и показания гальванометра в градусах. Полученные результаты позволяют построить тарировочный график .
Рис. 2. Схема измерения температуры методом естественной термопары:
1 - деталь (вал), 2 - индентор, 3 - патрон, 4 - шпиндель станка, 5 - пробка, 6 - гибкий вал, 7 - контактный наконечник гибкого вала, 8 - токосъемник с ртутью, 9 - милливольтметр, 10 - медный проводник, 11 - прокладки, 12 - эбонитовая втулка
Таким образом, предлагаемая методика позволяет варьировать величинами относительного перемещения, удельных давлений и параметров ультразвукового воздействия при моделировании трибологических процессов. Методика реализована с использованием разработанного оборудования. Полученные результаты дают возможность оценить особенности контактного взаимодействия при наложении дополнительного ультразвукового воздействия.
ЛИТЕРАТУРА
1. Папшев В.А. Деформационное упрочнение поверхностного слоя деталей в процессе сборки подвиж-
ных соединений с применением ультразвуковых колебаний / В.А. Папшев, Г.А. Родимов, С.Д. Шапошников // Надежность и качество: Труды международного симпозиума. Том 2 / Под ред. Н.К. Юркова -
Пенза: ИИЦ ПГУ, 2013, С.172-174.
2. Папшев В. А. Влияние ультразвуковых колебаний на точность сборки подвижных соединений / В. А. Папшев, Г.А. Родимов, С.Д. Шапошников // Надежность и качество: Труды международного симпозиума. Том 2 / Под ред. Н.К. Юркова - Пенза: ИИЦ ПГУ, 2013, С.174-176.
3. Нерубай М.С., Калашников В.В., Штриков Б.Л., Яресько С.И. Физико-химические методы обработки и сборки. - М: Машиностроение-1, - 2005. 396 с.: ил.
4. Штриков Б. Л. Теплофизические особенности контактного взаимодействия деталей при ультразвуковой сборке // Вестник Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Техн. науки.- 2000. - №10. - С. 159-165.
5. Штриков Б. Л. Повышение эксплуатационных показателей прессовых соединений с ультразвуком за счет образования «мостиков схватывания» между поверхностями / Б.Л. Штриков, Г.А. Родимов // Контактная жесткость. Износостойкость. Технологическое обеспечение. - Тез. докл. междун. науч.-техн. конф. - Брянск: БГТУ. 2003. - . 167-170.
