CC BY
26
УДК 531.7+534.1.08+620.17.08
РАЗВИТИЕ МЕТОДА ИЗНАШИВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ ПО ЗАКРЕПЛЕННОМУ АБРАЗИВУ
1 ТАРАСОВ В В., 2ТРИФОНОВ И.С.
1Институт механики Уральского отделения РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34
2
Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7
АННОТАЦИЯ. В работе освещены вопросы совершенствования схемы испытаний на абразивное изнашивание за счет введения дополнительного вращения образца, позволяющее существенно расширить её функциональные возможности.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: абразивное изнашивание, испытания, износостойкость, управление процессом изнашивания, абразивная шкурка, зернистость.
Традиционно при исследованиях абразивной износостойкости материалов используется метод изнашивания тестируемого образца о закрепленный на вращающемся диске абразив, который впервые применил Ф. Робэн ещё в 1910 году. Усовершенствованный вариант этого способа методически отработанный М.М. Хрущевым и М.А. Бабичевым [1] был положен в основу стандартного метода испытаний [2] для реализации которого сконструирована специализированная машина трения Х-4Б, имеющая ограниченные функциональные возможности по вариации режимов испытаний.
Существующие на сегодняшний день разновидности машин трения для подобных испытаний также работают в узком диапазоне режимов, исключающем проведение полноценных исследований для постоянно расширяющейся номенклатуры новых материалов и покрытий. Вместе с тем существует универсальное станочное оборудование, позволяющее успешно решать такие задачи.
Идея применения станочного парка для трибологических исследований не нова: известны конструкции простейших машин трения, скомпонованные на базе универсальных станков токарной [3 - 5] и сверлильной [6] группы, а в стандарте [7], например, предусмотрено использование токарного станка в качестве замены специального испытательного оборудования. Применение для этих целей станков фрезерной группы нами не обнаружено, но именно они обладают более широкими функциональными возможностями применительно к условиям испытаний на изнашивание. Поэтому в развитие известной тенденции настоящая работа построена на применении фрезерного станка с ЧПУ.
Использование такого оборудования возникло также в связи с необходимостью совершенствования традиционной схемы испытаний по закрепленному абразиву для расширения её возможностей и повышения информативности исследований.
В частности в стандартной схеме предложено сообщить тестируемому образцу дополнительное вращение (рис. 1). Заметим, что в этом случае образец движется по прямолинейной траектории, что позволяет полнее использовать абразивный материал (исключение операции нарезки абразива на круги и экономия абразивного материала (до 20 %) за счет полного использования площади стандартного листового набора, исключающего потери на обрезку). При этом упрощается фиксирование пути трения и появляется возможность гибкого программируемого управления режимами непосредственно в ходе испытаний.
Для закрепления образца в шпинделе станка и нагружения его осевой силой, а также удержания листового абразивного материала (шлифовальной шкурки) на фрезерном столе спроектирована и изготовлена специальная оснастка. Согласно схеме (рис. 1) цилиндрическая заготовка 1, чья рабочая поверхность предварительно прирабатывается для
достижения плотного прилегания к абразивной поверхности, под действием приложенной нагрузки контактирует своим торцом с абразивной поверхностью 2, двигаясь по прямолинейной траектории 3 при перемещении стола по осям X и У. Нагружение создается тарированной пружиной, расположенной внутри шпинделя. Поворот образца (п) осуществляется вращением шпинделя [8, 9].
1 - образец из тестируемого материала; 2 - абразивный материал (шкурка шлифовальная);
3 - траектория перемещения образца
Рис. 1. Схема испытаний на износостойкость по закрепленному абразиву на фрезерном станке
Исследования проводились с использованием методики планирования эксперимента [10]. До начала и по окончанию опыта фиксировался линейный размер образца, и разница между этими значениями показывала величину снятого слоя (износа). Одновременно изучалось влияние вращения на качество поверхности образца по замерам шероховатости торцов.
Оборудованием в трибологических экспериментах служил трехкоординатный фрезерный станок с ЧПУ "КХ3А" (Profi, Германия) (рис. 2).
Опытным путем определено, что при такой схеме изнашивания на торцах испытуемых образцов практически полностью исчезает «натягивание или наплыв» материала, имеющий место при известной схеме испытаний, особенно заметной на пластичных материалах. Вместе с тем это обеспечивает более равномерный износ трущейся поверхности образца, а значит, позволяет добиться более высокой воспроизводимости результатов. Равномерность изнашивания особенно важна для образцов самой технологичной - цилиндрической формы, т.к. при линейном поступательном движении абразивные зерна проходят различные пути по поверхности круга. Так максимальный путь
Рис. 2. Общий вид наладки фрезерного станка с ЧПУ "КХ3А" (Profi, Германия) для испытаний на абразивное изнашивание
трения (микрорезания) проходят зерна, пересекающие образец по линии диаметра, а минимальный - на крайних участках образца. Вращение нивелирует эти различия, позволяя при этом более равномерно и полно использовать режущие свойства абразивного материала.
Стоит отметить, что число оборотов образца вокруг своей оси - п (частота вращения) назначается из условия, когда путь, проходимый образцом при поступательном перемещении (Р), не должен превышать длину его окружности (пЦ). Это позволяет обеспечить, как минимум полный поворот образца при перемещении на длину равную его диаметру и обеспечить более рациональное использование режущих свойств абразивных зерен по всей истираемой площади. Экспериментально установлено, что наибольший эффект достигается в случае значительного (многократного) превышения периода вращения образца (одного полного оборота) над его поступательным перемещением Р на длину равную диаметру Ц (по сути - «диаметральной» подачей). Отразить этот факт в расчетной зависимости при выборе числа оборотов образца можно с помощью введения некого кинематического фактора К (коэффициента «интенсивности испытаний»). Очевидно, учитывая сказанное ранее, этот фактор должен назначаться исходя из условия К > 1. В каждом конкретном случае значение К подбирается из априорной информации или опытным путем. Причем значения близкие к единице могут быть использованы для образцов с тонкими покрытиями, где важно обеспечить не столько производительность испытаний, сколько равномерность изнашивания по площади. В иных случаях величина К может достигать значений в диапазоне 100 - 5000 и более в зависимости от диаметра образца [11].
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Исследовались образцы из стали 45 диаметром 5 мм. Основные параметры эксперимента: сила нагружения (Л; Н), скорость перемещения (Р; мм/мин), частота вращения (п; мин'1), путь трения (Ь; мм). В качестве абразивного материала использовалась шкурка шлифовальная тканевая водостойкая КК19ХШ [12] с разным показателем зернистости. Линейный износ фиксировался при помощи микрометра МР-25 ГОСТ 4381-87 с точностью до 0,01 мм.
Результаты исследований показали следующее:
1) Увеличение размеров зерен (зернистости абразива по [12]) приводит к росту износа (рис. 3). Это обусловлено увеличением геометрических параметров абразивного зерна на поверхности шлифовальной шкурки, что приводит к росту глубины врезания режущей кромки зерен в поверхность образца и величины снимаемого слоя материала (износа).
0,35
S 0,3
1 0,25
<
с о я 0,2
н з Н 0,15
0,1
0,05
0
0,31
0,24
0,13
4-Н 20-Н 40-Н
Зернистость абразивного материала
Рис. 3. Влияние зернистости шлифовальной шкурки на износ образца при трении по закрепленному абразиву (n = 750 мин'1; F = 750 мм/мин; N = ПН; L = 3500 мм)
Косвенно о характере поведения абразивных зерен в контакте с поверхностью вращающегося образца, можно судить по исследованиям схожего по кинематике процесса притирки, изложенные в работах П.П. Панасова [13], Н.И. Полякова [14], а также F.W. Preston [15].
2) Повышение силы нагружения также ведет к возрастанию износа (рис. 4).
При высоких нагрузках образец плотнее прижимается к абразивному материалу, зерно сильнее врезается в поверхность - износ увеличивается. Сила нагружения оказывает значительное влияние на состояние зерен и работоспособность абразива в зоне трения. Долговечность абразивных зерен определяется их механической стойкостью - способностью абразивного материала выдерживать механические нагрузки, не разрушаясь. Оптимальное значение статической нагрузки зависит от рабочей площади тестируемого образца, среднего размера зерен и свойств обрабатываемого материала.
0,09 0,08 3 0,07
Д 0,06
g 0,05 | 0,04 0,03 0,02
79 Сила нагружения N, Н
12
Рис. 4. Влияние силы нагружения на износ образца при трении по закрепленному абразиву (и=750 мин'1; ¿=750 мм/мин; ¿=3500 мм; зернистость - М40)
3
5
Очевидно, что важным фактором, ограничивающим силу нагружения образца, являются свойства собственно носителя абразива (подложки), на котором располагается, «крепится» абразивный материал (бумага, текстильный или синтетический материал и т.д.). С учетом этого проводились дополнительные опыты для определения максимальной силы нагружения, результаты которых представлены на рис. 5.
19
« а
у р
г а
И
18 17 16 15 14 13 12 11 10
Подача (F) - 500 мм/мин Подача (F) - 750 мм/мин
15,8
14, 1 59 """ ч-^- 2 14,5
12 13 13,5 14
11,6
100
350
500
750
Частота вращения n, мин-
Рис. 5. Определение максимальной силы нагружения образца на абразивную поверхность в зависимости от частоты вращения (зернистость - 4-Н)
0
1
Из графика (рис. 5) видно, что введение дополнительного движения - вращения образца, позволяет увеличить силу нагружения на образец, дает возможность поднять интенсивность изнашивания и сократить общее время на проведение испытаний.
Отметим, что критерием потери работоспособности абразивной шлифовальной шкурки служило ее физическое разрушение - смятие, скручивание, разрыв, появление наплывов и т.п.
3) С повышением частоты вращения образца практически линейно растет износ материала.
Согласно результатам эксперимента величина снимаемого слоя возрастает в 3 и более раз при вращающемся образце, что объясняется многократным увеличением пути трения по абразиву, и более полным использованием режущих свойств отдельных зерен абразива (рис. 6), так как происходит «забегание» образца не только с фронтальной, но и с тыльной стороны зёрен при повороте.
Рис. 6. Вид поверхности абразивной шлифовальной шкурки: а) - исходный; после изнашивания без вращения (б) и с вращением образца (в)
Из рис. 7 видно, что износ линейно возрастает вне зависимости от размеров зерна.
0 75 150 225 300 375 450 525 600 675 750 Частота вращения n, мин-1
Рис. 7. Влияние частоты вращения на величину износа при трении по закрепленному абразиву с различной зернистостью (F = 500 мм/мин; N = 12Н; L = 310 мм)
При этом, если разница в показателях при зернистости 4-Н и 20-Н имеется почти при любой частоте вращения, то между 20-Н и 40-Н существует определенный диапазон значений, где величина износа совпадает. Поэтому можно сделать предварительный вывод, что при использовании шкурок с более грубым зерном следует задавать частоту вращения как можно выше, если требуется форсировать испытания. Следует также принять во внимание, что «совпадение» величин износа может объясняться недостаточно высокой точностью мерительного инструмента.
4) Сравнение шероховатости поверхности на примере латунных образцов, изношенных с вращением (вариант 5, табл.) и без него (вариант 6 соответственно) показало, что даже при малой подаче дополнительное вращение позволяет существенно повысить качество поверхности по показателю Яа.
Результаты измерения шероховатости сведены в таблицу.
Таблица
Влияние режимов испытаний на шероховатость поверхности в зависимости от параметров испытаний
Параметры эксперимента Варианты реализации
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Материал Сталь 45 Латунь Медь
Зернистость по ГОСТ 13344-79 4 20 40 40 40 40 40 40 40
Нагрузка Р, Н 12 12 12 3 11 11 11 3 12
Частота вращения п, мин'1 750 750 750 750 750 0 750 750 0
Подача Е, мм/мин 250 250 250 250 250 250 750 250 250
Шероховатость по Яа, мкм 2,0 4,0 6,3 4,0 2,5 12,5 12,5 10,0 16,0
Таким образом, после проведения дополнительных исследований по уточнению режимов обработки, предлагаемую схему можно будет рекомендовать не только в качестве контрольной операции (оценка износостойкости), но и для технологических приложений, например для обработки торцов деталей малого диаметра.
Подводя общий итог, нужно добавить, что введение дополнительного вращения особенно при испытаниях образцов с тонкими покрытиями предъявляет более высокие (жесткие) требования по перпендикулярности оси вращения образца к плоскости крепления (поверхности стола) абразивной бумаги. Здесь должны быть созданы условия для минимизации торцевого биения образца в пределах, не превышающих толщину испытуемого покрытия.
ВЫВОДЫ
Дополнительное вращение образца при трении по закрепленному абразиву позволяет решить две задачи: использовать его как фактор управления (интенсификации) при трибомониторинге - для сокращения времени испытаний на абразивное изнашивание.
Применение этой схемы в технологических операциях, дополнительное вращение, при замене образца на деталь, дает возможность повысить качество торцовой поверхности цилиндрических деталей типа «палец».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Хрущев М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание. М. : Наука, 1970. 219 с.
2. ГОСТ 17367-71 Металлы. Методы испытания на абразивное изнашивание о закрепленные абразивные частицы. М. : Издательство стандартов, 1971.
3. Михальченков А.М., Кожухова Н.Ю., Кононенко А.С., Гончаров П.Н. Устройство для испытаний на абразивное изнашивание рабочих органов почвообрабатывающих, строительных и дорожных машин // Патент РФ № 2410668. 2013.
4. Приспособление к токарному станку для проведения испытаний на изнашивание (трение колодки о диск). UPL: http://www.ngpedia.ru/cgi-bin/getimg.exe?usid=258&num=5 (дата обращения 10.11.2014).
5. Испытание дисков на эффективность торможения.
UPL: http://www.nkj.ru/konkurs/detail.php?ID=24157 (дата обращения 10.11.2014).
6. МТУ-01. Универсальная машина трения.
UPL: http://www.rusnanonet.ru/equipment/cni mtu01 / (дата обращения 08.11.2014).
7. ГОСТ 11012-69. Пластмассы. Метод испытания на абразивный износ. М. : Издательство стандартов, 1989.
8. Трифонов И.С., Бажин А.Г., Пузанов Ю.В., Тарасов В.В. Исследование абразивного изнашивания материалов на станке с ЧПУ // Материалы междунар. научн.-практ. конф. «Фундаментальные и прикладные науки сегодня». М., 2013. С. 159-161.
9. Trifonov I.S., Puzanov Yu.V., Tarasov V.V. Additional rotation as the control factor of abrasive wear process // Proc. «Fourth Forum of Young Researchers. In the framework of International Forum «Education Quality - 2014». Izhevsk : Publishing House of Kalashnikov ISTU, 2014. P. 278-280.
10. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М. : Наука, 1976. 277 с.
11. Тарасов В.В., Трифонов И.С., Пузанов Ю.В., Бажин А.Г. Способ испытаний материала на абразивное изнашивание // Заявка на патент № 2014144837/28 (072341). Приоритет от 05.11.2014.
12. ГОСТ 13344-79. Шкурка шлифовальная тканевая водостойкая. Технические условия. М.: Издательство стандартов. 1981.
13. Панасов П. П. Исследование процесса плоской притирки свободным абразивом : Автореф. дис. канд. техн. наук. Свердловск, 1957.
14. Поляков Н.И. Изучение процесса шлифовки ГОИ : Автореф. дис. канд. техн. наук. Киев, 1937.
15. Preston F.W. The Theory and Design Plate Glass Polishing Machines // Journal of the Society of Glass Technology. 1927. V. 11. H. 214-256.
DEVELOPMENT OF THE METHOD OF THE WEAR OF MATERIALS ON THE FIXED ABRASIVE
1Tarasov V.V., 2Trifonov I.S.
institute of Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Science, Izhevsk, Russia 2Kalashnikov Izhevsk State Technical University, Izhevsk, Russia
SUMMARY. In the work questions of the improvement of the diagram of tests for abrasive wear due to the introduction of the additional rotation of model, which makes it possible to significantly enlarge its functional possibilities, are illuminated.
KEYWORDS: abrasive wear, testing, wear resistance, managing the process of wear, abrasive cloth, graininess.
Тарасов Валерий Васильевич, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией ИМ УрО РАН, тел. 8(3412) 20-29-25, e-mail: tvv@udman.ru
Трифонов Игнат Сергеевич, аспирант ИжГТУ имени М.Т. Калашникова, e-mail: mike_i_90@mail. com
