CC BY
25
УДК 621.923.5
А.В. Королев, А.Д. Сидоренко, А.А. Мазина, А.С. Яковишин, Е.В. Мухина, К.С. Нейгебауэр, А.Ф. Балаев, О.П. Решетникова, С.А. Савран
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ УПРОЧНЯЮЩАЯ И ОЧИЩАЮЩАЯ ОБРАБОТКА КОЛЕЦ ПОДШИПНИКОВ
Рассматривается ультразвуковая упрочняющая и очищающая обработка колец подшипников, а именно с помощью ультразвуковой частоты сферический инструмент ин-дентора воздействует на обрабатываемую поверхность колец и наносит на их рабочие поверхности графитовую смазку. Из расчетов видно, что можно произвести анализ процесса создания на поверхности антифрикционного покрытия, толщина слоя которого, будет выравниваться по всей рабочей зоне, находясь в пределах доверительных границ экспериментальных значений, что подтверждает адекватность математической модели.
Остаточное напряжение, релаксация, индентор, антифрикционное покрытие, диффузия, ультразвук
A.V. Korolev, A.D. Sidorenko, A.A. Mazina, A.S. Yakovishin, E.V. Muchina, K.S. Neugebauer, A.F. Balaev, O.P. Reshetnikova, S.A. Savran
AN ULTRASONIC CLEANING BATH AND STRENGTHENING OF THE BEARING RINGS
The article describes an ultrasonic cleaning treatment and hardening of bearing rings, via ultrasonic frequency when a spherical indenter affects the processed surface of the rings and applies on working surfaces a graphite grease. The calculations show that it is possible to analyze the process of creating anti-friction coating on the surface, the thickness of which will be aligned over the entire working area being within the confidence limits of the experimental values, which confirms the adequacy of the mathematical model.
Residual stress, relaxation, indenter, anti-friction coating, diffusion, ultrasound
Большинство исследований распространено по части ультразвуковой упрочняющей и очищающей обработки [1-5] и др. Многие авторы в виде положительного влияния ультразвуковой упрочняющей обработки фиксируют повышение твердости и износостойкости поверхности [6-10]. Увы, в наше время фактически оказались не принятыми во внимание такие значительные качества ультразвуковой обработки, как удаление остаточных напряжений первого рода из материала детали и способ нанесения на поверхность твердого антифрикционного покрытия.
Устройство подшипников качения, у которых рабочие поверхности колец изготовлены из малоразмерного проката [11], делает возможным совместно с нанесением антифрикционных покрытий, использовать при изготовлении высокоэффективные методы упрочняющей обработки. Этому способствует то, что проникающий между витками проката под действием ультразвукового инструмента порошок графита при работе подшипника будет играть роль твердой смазки. По сравнению с обычной консистентной смазкой твердая не вытекает из подшипника в процессе его работы, не выдавливается из зоны контакта дорожек и тел качения, не оказывает сопротивление вращению подшипника, предохраняет рабочие поверхности подшипника от коррозии. Рабочие поверхности колец упрочняются, снимаются остаточные напряжения с дорожек качения, снижается шероховатость поверхности. Такая технология проста в реализации, повышает качество подшипников, способствует снижению затрат на их изготовление.
На примере виброобработки колец упорных подшипников установлено, что с помощью ультразвуковой частоты сферический инструмент индентора воздействует на обрабатываемую поверхность колец и наносит на их рабочие поверхности графитовую смазку. На рис. 1 схематически изображено перемещение рабочей части инструмента относительно обрабатываемой поверхности.
Введем декартову систему координат. Ось ОХ разместим вдоль направления колебаний индентора, ось 0т - вдоль направления вращения обрабатываемой поверхности. Центр декартовой системы координат разместим в центре симметрии колебательных движений индентора. Колебания индентора можно представить в качестве гармонических незатухающих колебаний во времени т с амплитудой А.
Рис. 1. Схема перемещения рабочей части индентора
Согласно закону гармонических колебаний
х = Л-8Ш- 2-р—, Т
(1)
где х - расстояние от оси 0Х, м; Т - период колебаний индентора, с; т - время перемещения индентора, с; Л - амплитуда колебаний индентора, м.
Периодически индентор взаимодействует с обрабатываемой поверхностью и внедряется в нее на глубину
8т = Л - 8ш I 2 -р- — I - Л + 8 при
--агс8т[ 1 -
2-р ^
8
+ Т -1 <т<- + Т -1, 4
(2)
где 8т - глубина введения индентора в обрабатываемую поверхность в момент времени т, м; 8т - максимальная глубина введения индентора в обрабатываемую поверхность заготовки, м; I - порядковый номер цикла колебания инструмента (/ = 0, 1, 2...).
При введении индентора в обрабатываемую поверхность расходуются три вида энергии [13]:
и=идеф+идш+иа,
(3)
где идеф - деформационная составляющая, Дж; идин - динамическая составляющая, Дж; иа - адгезионная составляющая, Дж.
Адгезионную составляющую игнорируем, учитывая наличие разделяющего слоя антифрикционного материала. Принимаем форму рабочей части индентора в качестве шара. Форма дорожки качения упорного подшипника сочетается с тором.
Тогда деформационная составляющая затраченной энергии за время т:
и д
0,988-Г3 -л3 -(Iр)з -/-т,
(4)
где т - время обработки, с; / - частота колебаний индентора, Гц; Г - сила воздействия индентора на обрабатываемую поверхность, Н;
1 - т, 1 - т2
■ + - 2
Е1 е2
где т1 и т2 - коэффициенты Пуассона материала индентора и обрабатываемой детали; Ех и Е2 - модули упругости материалов тел, Па; 1р - сумма главных кривизн поверхностей тел в месте их первоначального контакта, 1/м.
Нетрудно показать, что за время т от начала обработки суммарная динамическая составляющая энергии удара будет равна
5
2
UduH = ^m• Л2•Р2 • cos2^2-p-Т) • f •t. (5)
Из полученных равенств (4), (5) видно, что можно выполнить анализ процесса создания на поверхности заготовки антифрикционного покрытия. Отметим, что слой покрытия состоит из двух частей: верхний слой покрытия, образованный индентором посредством вдавливания материала покрытия в микронеровности обрабатываемой поверхности, и нижний слой покрытия, создавшийся за счет диффузии материала покрытия в материал обрабатываемой поверхности.
Толщину верхнего слоя покрытия найдем из равенства:
h = dm = 0,655• (f • h • VSp)23, (6)
где h - толщина покрытия, м; F - сила прижима индентора к заготовке, Н.
В основном случае диффузия распространяется по всем возможным направлениям. Но нам необходим процесс диффузии, осуществляемый в направлении, перпендикулярном обрабатываемой поверхности. Поэтому ввиду основного закона, отобразившего процесс диффузии углерода в обрабатываемую поверхность, было взято уравнение Фика:
„ Л ndC(t, z)
J (t, x) = -D у , (7)
dz
где - удельный поток вещества, проходящий через единицу площади в единицу времени,
кг с^м2
О — коэффициент диффузии, т.е. плотность диффузионного потока материала при единичном гради-
D = Aex^-— |, (8)
м2 йС(т, 1)
енте концентрации, —;--градиент концентрации диффундирующей примеси в направле-
с йх
нии процесса диффузии на расстоянии 1 от поверхности заготовки в момент времени т от начала процесса диффузии, —.
м
Температурная зависимость коэффициента диффузии будет равна
и ят°
где О0 - частотный множитель, характеризующий частоту перескоков атомов в решетке при беско-
2
нечно большой температуре, ; и - энергия активации, Дж; Я - постоянная Больцмана, Дж ; Т -
с К
абсолютная температура, К.
По данному источнику так называемого уравнения непрерывности с учетом граничных условий определяем скорость процесса диффузии, а путем интегрирования найденного значения скорости по времени определим величину дозы материала покрытия, диффундирующего через единицу площади обрабатываемой поверхности за время диффузии т:
Цт) = 2С0.^ • ехр[-. (9)
Источником тепла при ультразвуковой обработке представляется деформация обрабатываемой поверхности индентором. Так как длина контакта индентора с обрабатываемой поверхностью в поперечном сечении дорожки качения более чем на порядок превышает размер пятна контакта в направлении вращения заготовки, в качестве источника тепла возьмем мгновенный плоский источник тепла, вследствие чего выделяющаяся при каждом воздействии индентора на обрабатываемую поверхность температура будет равна
0 =--т exp
( (x - xi)2 + (z - z\)2 ^
4^ pa c • p • (t -1) ^ 4 • a • (t-1)
(10)
где t - начальный момент времени, с; 1 - время от начального момента действия источника, с; и -удельное количество тепла, выделенное мгновенным источником в начальный момент времени т = t, Дж/м; р - плотность материала изделия, кг/м3; а - коэффициент температуропроводности, м2/с; с -удельная теплоемкость, Дж/(кгК).
Тепло от каждого импульса моментально распространяется в глубь металла, ввиду этого температура на обрабатываемой поверхности моментально понижается. Но в зоне обработки в связи с высокой частотой колебаний индентора создается множество мгновенных источников тепла, тепловые потоки которых накладываются друг на друга. При поочередной работе мгновенных тепловых источников тепловой поток за счет мгновенного отвода тепла не увеличивается в рассматриваемой точке, а выравнивается по всей рабочей зоне.
Из равенства (10) определим среднее значение температуры за время одного цикла колебаний индентора:
Т 1 Г (х - Х1 )2 + (2 - 21 )2 ^
ехр 1/4 1/
=
4 п а-е- р Т 0т Время действия этой температуры равно
4-а-т
йт.
(11)
2-а
1и =-
и 1
п - а-п
(12)
где
' - диаметр обрабатываемой дорожки качения, мм; п - частота вращения изделия, Гц.
Подставляя найденные значения температуры (11) и времени ее действия (12) в равенство (9), определим искомое количество диффундирующего вещества за один оборот заготовки. Зная частоту вращения заготовки, несложно определить эту величину за все время обработки детали.
Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментом [14].
В виде примера на рис. 2 представлены теоретические и экспериментальные значения толщины покрытия от силы воздействия индентора на обрабатываемую поверхность.
4.5
КГ)
■О-
ШГ)
2-5
''Ч ■м- _
100
120
140
160
Рис. 2. Расчетные Ы(Р) и экспериментальные Л(Г) зависимости толщины покрытия (мкм) от силы Р(Н) воздействия индентора
Сплошной линией показаны теоретические значения, точками - экспериментальные и пунктирными линиями показаны доверительные границы экспериментальных значений.
Следовательно, теоретические значения толщины покрытия находятся в пределах доверительных границ экспериментальных значений, что подтверждает адекватность математической модели.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России, Задание № 9.896.2014/Кна выполнение НИР в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бржозовский Б.М. Физические основы, технологические процессы и оборудование ультразвуковой обработки материалов // Вестник СГТУ. 2006. № 4. С. 124-129.
2. Применение ультразвука и взрыва при обработке и сборке / М.Ф. Вологин, В.В. Калашников, М.С. Нерубай, Б.Л. Штриков. М.: Машиностроение, 2002.
3. Гаркунов Д.Н. Триботехника, конструирование, изготовление, эксплуатация машин. 5-е изд. М.: Изд-во МСХА, 2002.
4. Захаров О.В., Бржозовский Б.М. Ультразвуковая обработка нежестко закрепленными инструментами: учеб. пособие по курсу «Процессы формообразования и инструменты». Саратов: СГТУ, 2002. 101 с.
5. Круцило В.Г. Исследование влияния остаточных напряжений и деформационного упрочнения в поверхностном слое детали на усталостную прочность // Вестник Самарского государственного технического университета. 2006. № 41. С. 218-221.
6. Житников Ю.З., Волобуев В.А. Величина наклепа при ультразвуковом деформационном упрочнении // Автоматизация и современные технологии. 2001. № 6. С. 3-4.
7. Лесюк Е.А., Алехин В.П., Ким Чанг Сик. Влияние режима ультразвуковой упрочняющей обработки на качество обрабатываемой поверхности // Вестник машиностроения. 2008. № 9. С. 52-55.
8. Носков А.С., Королев А.В. Effectiveness of UT in mechanical engineering // Молодые ученые за инновации: создавая будущее: материалы Междунар. интернет-конф. Саратов, 27-29 апреля 2011 г. Саратов: СГТУ, 2011. С. 136-139.
9. Осипенкова Г.А. Повышение износостойкости деталей поверхностным пластическим деформированием с помощью ультразвуковых крутильных колебаний // Вестник машиностроения. 2009. № 2. С. 74-76.
10. Осипенкова Г.А. Повышение износостойкости деталей поверхностным пластическим деформированием с помощью крутильных колебаний // Вестник машиностроения. 2009. № 2. С. 152-156.
11. Королев А.В., Аничкин А.Н. Остаточные напряжения в многослойных кольцевых деталях // Вестник СГТУ. 2010. № 1 (44). С. 53-59.
12. Виноградов А.Н. Комплексная модель термодеформационного переноса углерода в процессе финишной обработки шаров на шародоводочном оборудовании // Вестник СГТУ. 2007. № 3. С. 57-61.
13. Королев А.В. Конструкция экспериментальной установки ультразвукового алмазного выглаживания // Прогрессивные направления развития технологии машиностроения: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2007. С. 107-109.
14. Экспериментальное исследование нанесения на поверхность дорожки качения подшипников твердой графитовой смазки ультразвуковым методом / А.С. Носков, А.В. Королев, О.П. Решетникова, Б.Н. Салимов // Упрочняющие технологии и покрытия. 2013. № 9. С. 3-6.
Королев Альберт Викторович - Albert V. Korolev -
доктор технических наук, профессор Dr. Sc., Professor
кафедры «Технология машиностроения» Professor: Department of Mechanical Engineering,
Саратовского государственного технического Yuri Gagarin State Technical University of Saratov университета имени Гагарина Ю.А.
Сидоренко Александр Дмитриевич - Aleksandr D. Sidorenko -
директор ОАО научно-производственного Director Open Joint Scientific manufacturing
предприятия «Реф-Оптоэлектроника», Саратов enterprise «Ref-Optoelectronics», Saratov
Мазина Анжела Александровна - Anzhela A. Mazina -
аспирант кафедры «Технология машиностроения» Postgraduate
Саратовского государственного технического Department of Mechanical Engineering
университета имени Гагарина Ю.А. Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Яковишин Александр Сергеевич - Aleksandr S. Yakovishin -
аспирант кафедры «Технология машиностроения» Postgraduate Department of Mechanical Engineering
Саратовского государственного технического Yuri Gagarin State Technical University of Saratov университета имени Гагарина Ю.А.
Мухина Елена Вячеславовна - Elena V. Muchina -
аспирант кафедры «Технология машиностроения» Postgraduate
Саратовского государственного технического Department of Mechanical Engineering
университета имени Гагарина Ю.А. Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Нейгебауэр Кристина Сергеевна - Kristina S. Neugebauer
аспирант кафедры «Технология машиностроения» Postgraduate
Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А
Department of Mechanical Engineering Technology Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Балаев Андрей Федорович -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Решетникова Ольга Павловна -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Савран Сергей Александрович -
аспирант кафедры «Технология машиностроения» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Andrey F. Balaev -
Ph.D., Associate Professor
Department of Mechanical Engineering Technology Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Olga P. Reshetnikova -
Ph.D., Associate Professor
Department of Mechanical Engineering Technology Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Sergey A. Savran -
Postgraduate
Department of Mechanical Engineering Technology Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Статья поступила в редакцию 15.06.15, принята к опубликованию 11.11.15
