CC BY
55
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА_
УДК 621.9.015: 620.193
Триботехнические характеристики деталей горных машин с регулярной микрогеометрией поверхности
В. А. Красный, В. В. Максаров
Рассмотрены технологические возможности метода вибронакатывания с образованием регулярного микрорельефа поверхности для повышения эксплуатационных свойств деталей машин. Приведены результаты исследований по повышению износостойкости и фреттингостойкости поверхностей деталей с регулярной микрогеометрией как в условиях смазки, так и при ее отсутствии, в том числе для высоконагруженныхузлов горных машин, нередко работающих при значительных вибрациях. Приведены триботехнические характеристики поверхностей деталей, полученных методом вибронакатывания, в сравнении с рядом износостойких покрытий в условиях фреттинг-коррозии.
Ключевые слова: вибронакатывание, регулярный микрорельеф, пара трения, износостойкость, фрет-тингостойкость.
Введение
Одной из важнейших задач общего, в том числе и горного, машиностроения является повышение эксплуатационных свойств деталей машин, тесно связанное с обеспечением требуемых параметров микрогеометрии рабочих поверхностей и методами чистовой и отделочной обработки.
В настоящее время в шахтах и карьерах используют различные виды горного, транспортного и обогатительного оборудования большой мощности, а также сверхмощное оборудование, работающее в условиях повышенных нагрузок и вибраций. Возникающие при эксплуатации нагрузки нередко являются причинами значительных износов ответственных деталей, приводящих в ряде случаев к экстремальным видам изнашивания, таким как задир, схватывание, заедание, фреттинг-коррозия. Типовыми деталями и сборочными единицами горных машин и агрегатов, в которых чаще всего возникают подобные повреждения, являются подшипники качения, муфты, фланцы, зубчатые передачи, шарнирные соединения, вариаторы, шлицевые и шпоночные соединения, болтовые и заклепочные соединения, замки лопаток турбин, канаты,
клапаны и золотники гидросистем, толкатели кулачковых механизмов, рессоры, а также детали высоконагруженных узлов двигателей внутреннего сгорания карьерных автосамосвалов и локомотивов [1].
Фреттинг-коррозия — вид изнашивания, проявляющееся при вибрациях номинально неподвижных деталей, когда вследствие минимальной амплитуды трения продукты износа не выводятся из зоны контакта, оказывая значительное влияние на механизм изнашивания [2]. Фреттинг-коррозия нередко становится причиной выхода из строя ряда ответственных узлов двигателей внутреннего сгорания, в частности большегрузных карьерных автосамосвалов, деталей буровой техники и других, работающих в условиях вибраций и высоких контактных нагрузок. Развитие фреттинг-коррозионных повреждений наблюдается в крупногабаритных тепловозных и судовых дизелях на сопряжениях наружной поверхности («затылка») вкладышей с постелью подшипника коленчатого вала, а также при контакте опорной поверхности рубашки втулки рабочего цилиндра с опорной поверхностью остова [3]. Подобные явления имели место на сопряжении боковой поверхности крышки коренного подшипника коленчатого вала и
МЕТАЛЛ00 ВРАБОТКА
блока дизельных двигателей большегрузных карьерных автосамосвалов [4].
На большинстве горно-обогатительных комбинатов режимы эксплуатации схожи и различаются в основном климатическими и дорожными условиями транспортировки горной массы. Характер вывоза породы тоже, за редким исключением, одинаков, т. е. с грузом — вверх, без груза — вниз. Эксплуатация двигателей автотранспорта характеризуется работой на неустановившихся режимах. Смена режимов при горных работах производится в среднем 15—20 раз за рейс, что составляет примерно 30—40 переходов с режима на режим в час. Следствием перегрузочных режимов работы дизелей является увеличение смещений, изгиба и скручивания сопрягаемых деталей, в первую очередь крышки коренного подшипника и блока-картера, что и приводит к возникновению и развитию фреттинг-коррозии.
Для предотвращения их повреждений обычно используют различные покрытия рабочих поверхностей деталей. В то же время в ряде случаев положительные результаты может дать применение специальных методов обработки поверхности, основанных на поверхностно-пластическом деформировании поверхностных слоев изделия, таких как вибронакатывание поверхности с образованием регулярного микрорельефа.
Необходимость создания регулярных микрорельефов возникает в связи с тем, что использование традиционных методов обработки (точение, шлифование, доводка) не обеспечивает требуемые условия эксплуатации, создавая хаотический и трудноуправляемый микрорельеф поверхности. При этом, несмотря на идентичность высотных параметров шероховатости Яа, возникает микрорельеф, далекий от оптимального в отношении формы и расположения неровностей с чрезмерно заостренными на выступах и во впадинах неровностями с малым шагом (рис. 1, а, б). Эти способы обработки практически исключают возможность управлять такими параметрами микрогеометрии, как форма выступов и впадин, число их на единицу площади, расположение как относительно друг друга, так и направления дорожки трения. В то же время при использовании вибронакатывания при той же высоте шероховатости получают
а)
1,25
б)
в)
Рис. 1. Профилограммы поверхностей, обработанных различными способами: а — точение; б — шлифование; в — вибронакатывание
однородный регулярный микрорельеф с возможностью его плавного варьирования в процессе обработки (рис. 1, в) [5, 6].
Вибронакатывание представляет собой поверхностно-пластическое деформирование металла под действием жесткого индентора (закаленного ролика или алмазного наконечника), внедряемого в поверхность изделия и совершающего относительные перемещения, как показано на рис. 2. Рельеф поверхности может быть разнообразен и точно регулироваться в широком диапазоне значений путем изменения скорости или частоты вращения п заготовки либо подачи в инструмента. Например, изменение только подачи инструмента позволяет получать четыре вида регулярного микрорельефа поверхности.
Таким образом, для большинства деталей, используемых в узлах горных машин, применение вибронакатывания с образованием одного из видов регулярного микрорельефа, является технологически приемлемым и может быть реализовано.
Повышение износостойкости деталей машин с регулярным микрорельефом
Многолетними исследованиями, проведенными под руководством профессора Ю. Г. Шней-дера [5, 6], подтверждено положительное влияние обработки поверхности вибронакатыванием с образованием регулярного микро-
рельефа на такие эксплуатационные характеристики ряда деталей машин, как срок службы и надежность, износостойкость, период приработки, потери на износ, контактная жесткость и усталостная прочность, коррозионная стойкость и т. д.
В настоящей статье представлены результаты некоторых исследований по установлению зависимости между параметрами регулярного микрорельефа и характеристиками износостойкости пар трения.
Одним из факторов, влияющих на процессы трения и изнашивания, является смазочная способность поверхностей. Наличие регулярного микрорельефа способствует удержанию смазочного материала и облегчению его распространения по поверхности, особенно в период приработки. На рис. 3 показана за-
Рис. 2. Схемы вибронакатывания поверхностей различной формы; а — цилиндрической; б — торцевой; в — плоской; г — сферической; д — профильной; е — винтовой; ж — эвольвентной
висимость длительности приработки и прира-боточного износа от видов обработки. В качестве материала пар трения применяли бронзу и сталь 50 с принудительной смазкой. Как износ, так и период приработки существенно ниже при использовании регулярного микрорельефа. Повышение износостойкости в период приработки объясняется упрочнением поверхностного слоя, а одновременное уменьшение продолжительности приработки — доминирующим влиянием улучшенного микрорельефа и регуляризации формы и размера канавок.
Детали машин наиболее уязвимы при возникновении таких аномальных видов изнашивания, как схватывание и задир. Следует отметить, что кривая, выражающая соотношение между сопротивлением схватыванию и параметрами обработки, влияющими на шероховатость, имеет оптимальную точку. Это иллюстрирует рис. 4, где показана зависимость сопротивления задиру от скорости вибронакатывания со смазочным материалом 1 и без него 2.
30
25
и
S 20
29
25
Период
приработки, мин
7,3
Износ, мг
~Т9~
6
15
5,6
4,5
I
II
III
IV
V
Рис. 3. Зависимость длительности приработки и приработочного износа от вида обработки:
I — точение; II — шлифование; III — доводка; IV — обкатывание; V — вибронакатывание
25 40 55 70 85
Скорость вибронакатывания, м/с
100
Рис. 4. Зависимость сопротивления схватыванию от скорости вибронакатывания:
1 — при наличии смазочного материала; 2 — без смазочного материала
463
й 413
316
313
196
392
Нагрузка, Па
588
784
Рис. 5. Зависимость температуры от нагрузки при обработке:
1 — шлифование; 2 — вибронакатывание
В очередной серии испытаний было исследовано влияние нагрузки при различных видах обработки на температуру в зоне трения (рис. 5), характеризующее сопротивление схватыванию после шлифования и вибронакатывания. Кривая 1 показывает возникновение задира для шлифованной поверхности при нагрузке 4,9 МПа. При всех испытаниях в равных условиях (давление, скорость, смазка) вибронакатанные образцы имели температуру на поверхности ниже на 52 °С, чем при шлифовании, при этом ни один образец не подвергался задиру.
В работах [5-7] приводятся также результаты исследований по влиянию обработки вибронакатыванием на ряд других характеристик износостойкости деталей машин, работающих в различных условиях, свидетельствующие о перспективности применения указанного метода для высоконагруженных узлов трения.
Влияние регулярного микрорельефа
на сопротивление фреттинг-коррозии
Характер влияния микрогеометрии контактирующих поверхностей на сопротивление фреттингу еще не ясен. Помимо коррозии на состояние контактирующих поверхностей при малых амплитудах скольжения влияют усталостная прочность и устойчивость к коррозии [4, 8].
Фреттинг-коррозию исследовали на виброна-катанных и шлифованных образцах. Образец в виде втулки подвергали возвратно-вращательному движению и прижимали к неподвижному контробразцу с изменением амплитуды вибрации и нагрузки. Образцы и контробразцы из стали 20 испытывали при нагрузке 20 МПа и амплитуде колебаний 100 мкм при частоте колебаний 900 Гц. Образцы из серого чугуна и контробразцы из стали 20 испытывали при нагрузке 87 МПа с амплитудой колебаний 50 мкм при частоте 500 Гц. Результаты испытаний (по массовому и объемному износу) после 500 000 циклов представлены на рис. 6. При этом указанная разница сохраняется при использовании как гальванических покрытий, так и полимерных. Вибронакатанные образцы показали износостойкость при фреттинге
0
п
ШШШМБОТКА
на 30-35 % меньше, чем шлифованные, при смазке эта разница составляет 25-30 %.
На поверхностях трения шлифованных образцов наблюдаются типичные для фреттинг-износа участки рельефа в виде каверн, заполненных окисленными частицами износа (рис. 7, а). Об окислении свидетельствует специфический эффект накопления заряда на плохо проводящей поверхности окисленных частиц, что ухудшает контрастность изображения и создает впечатление «свечения» под действием электронного пучка. На дорожке трения встречаются и участки, покрытые частицами размером несколько микрометров без следов окисления, на которых видны трещины хрупкого разрушения. По-видимому, эти частицы являются карбидными или другими характерными для сталей включениями, результатом разрушения в процессе трения перлитных прослоек и т. п.
Несколько иной механизм повышения износостойкости реализуется для вибронака-танных образцов с формированием регулярного микрорельефа. На рис. 7, б видно, что поверхность дорожки трения разбита на отдельные фасетки, масштаб которых соизмерим с амплитудой смещения при фреттинге. В пределах отдельной фасетки кроме обычных бороздок в направлении скольжения не видно формирования каких-либо специфических поверхностных слоев со структурой, отличной от структуры исходной стали. Вероятно, такой фасеточный характер дорожки трения отражает процесс дробления волн напряжений и деформаций на поверхности с регулярным микрорельефом, что и вносит значительный вклад в эффект повышения фреттингостой-кости.
Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что износ стальных и чугунных образцов после обработки вибронакатыванием с образованием регулярного микрорельефа в условиях фреттинга соизмерим с износом образцов с гальваническими и напыляемыми покрытиями, фрикционно-механиче-ским латунированием, лазерным упрочнением, а в ряде случаев более предпочтителен. На рис. 8 показаны результаты испытаний стальных образцов и контробразцов. Условия испытаний (нормальное давление 25 МПа, амплитуда 100 мкм, частота 900 циклов в минуту)
20
16
12
о н
» 8
2
ш
3
У / / /
Шлифование Вибронака- Шлифование Вибронакатывание тывание
Рис. 6. Зависимость фреттинг-износа от вида обработки:
1, 2 — образцы и контробразцы из стали; 3, 4 — образцы из чугуна, контробразцы из стали
а)
б)
Рис. 7. Дорожка трения при фреттинге на стальной поверхности: а — шлифование; б — вибронакатывание
имитируют реальные условия, возникающие при эксплуатации нагруженных узлов горных машин. Число циклов испытаний 5 X 105. Износ стальных вибронакатанных образцов за время испытаний оказался меньшим, чем при нанесении покрытий и незначительно превысил износ образцов, обработанных лазером, и с покрытием напыленным молибденом, при
4
4
0
миттшгш
а)
35
30
25
20
15
10
3 4
7 8
кослойных покрытий, при котором сохраняются натяги, предусмотренные при сборке узла.
Влияние регулярного микрорельефа на развитие фреттинг-коррозионных повреждений отмечается также в работах [9-13].
Таким образом, проведенными исследованиями доказано положительное влияние вибронакатывания поверхности с образованием регулярного микрорельефа на ряд триботех-нических характеристик деталей машин.
Применение указанного метода обработки представляется весьма перспективным для нагруженных узлов горных машин и способно значительно повысить их эксплуатационные характеристики.
Заключение
5
0
1
6
5
б)
25
20
15
I
Ы 10
Р7
У/
'/А
I
I
-V
2
¥7,
4
78
Рис. 8. Результаты испытаний на фреттинг-износ: а — износ образцов; б — износ контробразцов;
1 — без покрытия; 2 — с гальваническим покрытием медью толщиной 5-8 мкм; 3 — гальваническим покрытием медью толщиной 30 мкм; 4 — электролитическим покрытием бронзой толщиной 15 мкм; 5 — фрикционно-механическим латунированием толщиной 3-5 мкм; 6 — напыленные молибденом толщиной 0,2 мм; 7 — вибронакатанные с созданием регулярного микрорельефа; 8 — обработанные лазером в твердой фазе
этом износ контробразцов был незначительно меньшим лишь в случае обработки лазером.
Полученные результаты позволяют предположить, что в ряде случаев использование вибронакатывания с образованием регулярного микрорельефа может успешно конкурировать с более дорогостоящими вариантами специальных износостойких покрытий.
Весьма перспективным представляется сочетание вибронакатывания с нанесением тон-
1. В результате проведенных исследований установлено положительное влияние регулярного микрорельефа поверхности, полученного методом вибронакатывания, на ряд эксплуатационных характеристик деталей машин. Особенно эффективно применение этого метода для деталей пар трения, работающих в условиях высоких нагрузок и вибраций, характерных, в частности, для многих узлов горных машин.
2. Вибронакатывание с образованием регулярного микрорельефа поверхностей трения предоставляет значительные возможности для улучшения эксплуатационных, в первую очередь трибологических, характеристик деталей машин. Наиболее ярко эффект образования регулярного микрорельефа проявляется в жестких условиях изнашивания: предотвращение задиров, заеданий, снижение фреттинг-износа. Наличие регулярного микрорельефа повышает несущую способность поверхности, способствует сохранению смазочного материала в контакте, удалению продуктов износа. В условиях фреттинга регулярный микрорельеф способствует дроблению волн напряжений и деформаций на поверхности, тем самым повышая чувствительность к сдвигу и предотвращая развитие усталостных повреждений.
3. В условиях фреттинг-коррозии вибронакатывание с образованием регулярного микрорельефа способно конкурировать с традиционными методами нанесения покрытий (галь-
5
П
1
9
.9
К
Й
Е ТАЛ Л О ОБ РАБО Т Kj
ваническими, напыляемыми и др.). При этом весьма перспективно сочетание вибронакатывания с нанесением тонкослойных покрытий, способных в еще большей степени уменьшить фреттинг-износ, не нарушая предусмотренных сборочных натягов.
4. Способ создания регулярного микрорельефа прост для технического применения и может быть использован для широкого круга деталей как общего, так и горного машиностроения, приборостроения и др.
Литература
1. Основы эксплуатации горных машин и оборудования / А. В. Гилев, В. Г. Чесноков, Н. Б. Лаврова [и др.] Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011. 276 с.
2. Островский М. С. Фреттинг как причина снижения надежности горных машин // Горный информ.-аналит. бюл. 2011. Т. 3, № 12. С. 315-331.
3. Исследование фреттинг-коррозии в условиях высоких контактных нагрузок / В. П. Булатов, В. А. Красный, О. Ф. Киреенко, И. Н. Попов // Трение и износ. 1994. Т. 15, № 1. С. 101-108.
4. Красный В. А., Максаров В. В., Вьюшин Р. В. Влияние тонкослойных нанопокрытий на фреттинг-коррозию высоконагруженных сопряжений крупногабаритных деталей машин // Металлообработка. 2013. № 5-6. С. 63-67.
5. Шнейдер Ю. Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом. Л.: Машиностроение, 1982. 248 с.
6. Шнейдер Ю. Г. Технология финишной обработки давлением. Справочник. СПб.: Политехника, 1998. 414 с.
7. Bulatov V. P., Krasnyy V. A., Schneider Y. G. Basics of machining methods to yield wear- and fretting-resistive surfaces, having regular roughness patterns / / Wear. 1997. Vol. 208. P. 132-137.
8. Максаров В. В., Красный В. А. Механизмы трения тонкослойных покрытий в условиях фреттинг-корро-зии // Науч.-техн. ведом. СПбГПУ. 2015. № 3 (226). С. 111-120.
9. Vadiraj A., Kamaraj M. Fretting wear and fretting fatigue studies of surface modified biomedical titanium alloys. In the volume: Titanium Alloys: Preparation, Properties and Applications. 2010. P. 143-233.
10. Stepien P. Regular surface texture generated by special grinding process // Journ. of Manufacturing Science and Engineering. Transactions of the American Society of Mechanical Engineers. 2009. Т. 131, N 1. P. 01101510110157.
11. Fretting fatigue of biomaterials / Vadiraj A., Kamaraj M., Kamachi Mudali U., Raj B. // Transactions of the Indian Institute of Metals. 2005. Vol. 58, N 5. P. 911-929.
12. Varenberg M., Halperin G., Etsion I. Different aspects of the role of wear debris in fretting wear // Wear. 2002. Т. 252, N 11-12. P. 902-910.
13. Volchok A., Halperin G., Etsion I. The effect of surface regular microtopography on fretting fatigue life // Wear. 2002. Т. 253, N 3-4. P. 509-515.
Уважаемые авторы!
Для полноценной работы ссылок в Научной Электронной Библиотеке (НЭБ) просим вас предоставлять в статьях точные библиографические сведения об источниках цитирования.
Ссылки должны быть составлены согласно ГОСТ 7.0.5.-2008. Особое внимание просим уделять написанию названий издательств и журналов. Предпочтение отдается полной форме. В случае сокращенного написания, пожалуйста, сверяйтесь с принятой формой сокращения наименования данного журнала или издательства в НЭБ (в случае, если они зарегистрированы). В противном случае НЭБ не сможет идентифицировать ссылку. Ответственность за предоставляемую информацию несет автор.
С уважением, редакция журнала «Металлообработка»
