CC BY
21Блок-схема соединения оборудования и аппаратуры для измерения составляющей Р7 силы резания: 1 - первичный преобразователь; 2 - измерительный модуль 7БТ 7010 Тешоте1ег-485; 3 - преобразователь интерфейсов 7БТ 7070; 4 - персональный компьютер с программным обеспечением из набора 7БТЬЛБ
Библиографические ссылки
1. Трифанов И. В., Малько Л. С., Сутягин А. В. Технология ротационного точения винтовых поверхностей деталей машин принудительно вращаемым многолезвийным инструментом : монография / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2013. 116 с.
2. А. с. № 93836 СССР, МШБ23П3/06. Способ нарезания глобоидных червяков / Г. Н. Сахаров.
3. Пат. 2253545. РФ, ПКК В23В5/48. Устройство к токарному станку для обработки винтовой поверхности / Л. С. Малько. Опубл. 10.06.2005. Бюл. № 16.
References
1. Trifanov I. V., Technology of rotational turning of screw surfaces of details of cars forcibly rotated mnogolezviyny tool: monograph / I. V. Trifanov, L. S. Malko, A.V. Sutyagin; Sib. the state. аэрокосмич. un-t. Krasnoyarsk, 2013. 116 p.
2. A. S. No. 93836 USSR, MKUB23f13/06. Way of cutting globoidnykh of worms / G. N. Sakharov.
3. Stalemate. 2253545. Russian Federation, PKK V23V5/48. The device to the lathe for processing of a screw surface/Hp of Malko. Opubl. 10.06.2005, bulletin no. 16.
© Малахова Ю. Г., Малько Л. С., 2014
УДК 621.7.22
ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ КОНТАКТА МАТЕРИАЛОВ С АБРАЗИВОМ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
А. Н. Марьясов, И. А. Андреева, Г. Ф. Тарасов
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: geortarasov@yandex.ru
Рассмотрены принципиальные особенности контактного взаимодействия материалов с частицами абразива при низких температурах. Рассмотрены различные механизмы абразивного изнашивания материалов.
Ключевые слова: абразивное изнашивание, материалы.
PRINCIPAL FEATURES OF MATERIAL CONTACT WITH ABRASIVES AT LOW TEMPERATURES
A. N. Maryasov, I. A. Andreeva, G. F. Tarasov
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation E-mail: geortarasov@yandex.ru
The principal features of contact interaction of materials with abrasive particles at low temperatures are studied. The various mechanisms of abrasive wear of materials are considered.
Keywords: abrasive wear, materials.
Технология и мехатроника в машиностроении
Абразивное изнашивание, по сравнению с другими видами изнашивания, характеризуется специфическими особенностями: высокая степень концентрации контактных напряжений в поверхностном слое материала; сильно выраженная дискретность контакта и взаимная независимость фрикционных контактов вследствие различия абразивных частиц по размерам. Это обусловливает создание на поверхности материала, взаимодействующего с частицами абразива широкого спектра контактных напряжений, характер распределения которых и предельные числовые значения зависят от условий этого взаимодействия (свойств материала, твердости и размеров абразивных частиц и т. д.). Различие уровней возникающих контактных напряжений ведет к формированию на поверхности материала различных механизмов изнашивания. В зоне контакта с абразивом на поверхности трения могут реализовываться одновременно несколько механизмов разрушения: микрорезание (хрупкое или вязкое), упруго-пластическое оттеснение материала (усталостное разрушение), полидеформационное разрушение (разрушение при повторном деформировании материала). Кроме того, на поверхности трения протекают сопутствующие процессы, такие как окисление изнашиваемой поверхности, возникновение внутренних повреждений, рост концентрации напряжений у образовавшихся микротрещин и т. д. Все эти факторы способствуют снижению сопротивляемости материалов воздействию частиц абразива, а значит, интенсификации процесса их изнашивания.
Формирование доминирующего механизма изнашивания (микрорезание, полидеформационное изнашивание, усталостное разрушение поверхности трения и т. д.) при прочих равных условиях зависит, главным образом, от степени закрепленности абразивных частиц, контактирующих с материалом. Частицы абразива могут находиться в трех состояниях: закрепленном, свободном и полузакрепленном. Вид закрепления абразивных зерен определяет их поведение при воздействии на контактируемый материал. Режущие кромки закрепленных абразивных частиц ориентированы в строго определенном направлении и не меняют его в процессе взаимодействия с материалом. На поверхности последнего наиболее вероятно доминирование микрорезания. Свободные абразивные частицы имеют произвольную ориентацию и могут изменять ее в процессе контактирования с изнашиваемым материалом под воздействием сил трения, возникающих между абразивной массой и изнашиваемой поверхностью. Преобладающим видом разрушения поверхности трения при таком контакте являются полидеформационные и усталостные процессы. Полузакрепленные абразивные частицы вызывают и микрорезание, и пластическое деформирование материала.
В реальных условиях абразивного изнашивания наиболее вероятными являются смешанные процессы (мирорезания и полидеформационного разрушения), протекающие на поверхности трения и характеризующиеся упруго-пластическим деформированием поверхностного слоя материала. В результате воздействия абразивных частиц на материал может проис-
ходить: микрорезание (отделение частиц материала при однократном контакте его с абразивной частицей); упругое (усталостное изнашивание) или пластическое оттеснение (полидеформационное разрушение - отделение частицы износа происходит в результате многократного деформирования материала). При скольжении по абразивной поверхности в материале наиболее вероятно протекание всех видов изнашивания одновременно, т. е. на одной поверхности реализуются все виды изнашивания, что подтверждается анализом микрогеометрии изношенных поверхностей деталей, и в первую очередь режущих органов землеройных машин. На поверхностях указанных деталей совершенно отчетливо видны отдельные царапины, являющиеся результатом микрорезания абразивными частицами грунта, и участки гладкой поверхности, являющиеся результатом многократного упруго-пластического воздействия на них частиц абразива (на таких поверхностях протекает процесс усталостного изнашивания). На отсутствие однозначности механизма абразивного изнашивания указывается в ряде работ по исследованиям абразивного изнашивания.
В поверхностном слое материала под воздействием частиц абразива развивается широкий спектр контактных напряжений, отличающихся и по величине, и по знаку. Обусловлено это явление неравномерностью распределения нагрузок в локальных зонах контакта, связанных с разнообразием абразивных частиц по геометрической форме, размерам, механическим свойствам, состоянию и т. д. В зависимости от величины этих напряжений и допускаемых значений пределов прочности, текучести и упругости для данного материала М. М. Тененбаум подразделяет процессы, происходящие при абразивном изнашивании (в зоне контакта материала и абразива), на следующие виды: упругое деформирование; полидеформационное разрушение при циклическом деформировании; прямое разрушение материала абразивными частицами (микрорезание) хрупкого или вязкого характера.
Вероятность протекания того или иного вида разрушения поверхности материала абразивными частицами изменяется в широком диапазоне условий изнашивания, определяющихся механическими свойствами и формой абразивных частиц, степенью их закрепленности, свойствами изнашиваемого материала и т. д. Наиболее характерным сочетанием процессов разрушения являются микрорезание и полидеформационное в совокупности с усталостным.
Воздействуя на материал, абразивные частицы формируют в поверхностном слое вполне определенный вид изнашивания, соответствующий данным конкретным условиям взаимодействия материала и абразива. Изменение условий взаимодействия абразива и материала в некотором диапазоне (изменение нагрузки, скорости скольжения, марки абразива или его геометрической формы, температуры окружающей среды и т. д.) не влияет на физическую сущность процессов, происходящих в зоне контакта, но оказывает существенное влияние на количественную оценку протекания того или иного процесса изнашивания. Происходит переход от одного доминирующего вида
изнашивания к другому (например, от микрорезания к полидеформационному разрушению или наоборот). Однако оценка этого явления представляется довольно сложным процессом при исследовании механизма абразивного изнашивания, поскольку в настоящее время отсутствуют методы определения границ таких переходов. Эти границы довольно условны и могут определяться только при определенных допущениях, что обусловлено рядом факторов, и прежде всего различной интенсивностью протекания рассматриваемых процессов в зоне контакта материала и абразива, их взаимосвязанностью и невозможностью создания условий изнашивания, позволяющих реализовать только один его вид.
При низких температурах соотношение режущих и деформирующих частиц абразива изменяется, что связано с изменением физико-механических свойств материалов и состояния абразива. В результате повышенного упрочнения и охрупчивания материалов при низких температурах увеличивается доля диспергирования, а сопротивление разрушению (Рц) уменьшается. Работа сил трения (Ат) при понижении температуры до минус 60 °С снижается до 60-65,0 % от значения Ат при температуре плюс 20 °С. Величина 1/Кс (Кс - коэффициент стружкообразования), отражающая сопротивление материала разрушению, снижается, повторяя кривую снижения износостойкости сталей. Приведенные факты указывают на рост интенсивности изнашивания материалов абразивными частицами при понижении температуры, а следовательно, на снижение износостойкости.
Низкие температуры уменьшают число циклов передеформирования материала до его разрушения. Это следует из анализа уравнения И. В. Крагельского, связывающего деформацию на контакте и механо-геометрические характеристики с использованием гипотезы линейного суммирования повреждений. При понижении температуры происходит существенное увеличение доли материалов, удаляемого с поверхности трения за счет микрорезания, так как охрупчен-ный материал не способен пластически деформироваться, а удаляется при первом же контакте с абразивными частицами.
Для проверки изложенного проводились испытания материалов на изнашивание. Изнашивание образцов из исследуемых материалов производилось о закрепленные абразивные частицы (шлифовальную шкурку). Испытания проводились в диапазоне температур от плюс 20 °С до минус 60 °С. Именно в этом температурном диапазоне ведется эксплуатация машин в условиях Сибири и Крайнего Севера. В качестве эталона использовался алюминиево-магниевый сплав АМг-2. Основное требование к эталону - он не должен изменять своих физико-механических свойств при понижении температуры до минус 70 °С, что подтверждается исследованиями, выполненными в данной работе. Кроме того, сплав АМг-2, в виду неизменности его свойств, позволяет учитывать неоднородность шлифовальной шкурки и изменение ее изнашивающей способности при понижении температуры испытаний до минус 60 °С. Охлаждение образцов до минус 60 °С осуществлялось вместе со шлифовальной шкуркой. В качестве критерия оценки и сравнения материалов по износостойкости принята относительная износостойкость, определяемая отношением износа эталона к износу испытуемого образца, с учетом плотности исследуемых материалов.
Таким образом, исследования показали, что при понижении температуры от плюс 20 до минус 60 °С характерно изменение механизма абразивного изнашивания в сторону возрастания доли микрорезания в общем объеме изнашивания. Но это лишь общая тенденция в указанном диапазоне температур. Внутри диапазона возможны различные варианты изменения износостойкости материалов. В процессе исследований были отмечены не только неизменность износостойкости, но и некоторое повышение износостойкости в диапазоне температур от минус 40 до минус 60 °С. Сопоставление результатов лабораторных испытаний с результатами исследований работы реальных деталей землеройных машин показало их хорошую сходимость.
© Марьясов А. Н., Андреева И. А., Тарасов Г. Ф., 2014
