CC BY
751
УДК 621.81.004.1
ВЫБОР МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАКТИЧЕСКОЙ ПЛОЩАДИ КОНТАКТА ПОВЕРХНОСТЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ
ДЕТАЛЕЙ
В.М Грязев
Дан литературный обзор способов определения фактической площади контакта поверхностей взаимодействующих деталей. Показано, что наибольшую точность дает адгезионный метод. Наибольшее распространение в промышленности имеют контроль по краске и копоти. Последний применяется при отсутствии относительного скольжения поверхностей.
Ключевые слова: шероховатость поверхности, площадь контакта, методы контроля.
Реальные поверхности деталей машин по своей общей форме и местному рельефу лишь приближаются к своим идеальным прообразам. Понятие пятна контакта, как меры плотности прилегания отдельных сопрягающихся элементов, применимо к реальным поверхностям. Контакт реальных поверхностей отличается от идеального номинального контакта, площадь которого равна номинальной площади соприкосновения двух поверхностей, заданных в чертежах одинаковыми параметрами. В соответствии с этим различают [1] фактическую и контурную площади контакта.
Фактической площадью контакта называется площадь, по которой осуществляется контакт микронеровностей, образующих шероховатость. Контурная же площадь контакта определяется наличием макроотклонений и волнистости. При используемых на практике методах проверки контакта с помощью промежуточного красящего слоя определяется именно контурная площадь контакта.
На рис. 1 схематично показаны фактическая - Фг, контурная - Фс
и номинальная - Фа площади контакта. Фактическая площадь контакта
обычно составляет от номинальной десятые и даже сотые доли процента, а контурная - несколько процентов [2].
Известные в настоящее время более точные методы измерения контакта поверхностей - электрический; геометрический [1]; адгезионный [2]; оптический [1]; физико-химический [3] используются для определения фактической площади контакта. Из перечисленных методов наиболее простым и удобным следует признать адгезионный. Он основан на нанесении тонких угольных плёнок посредством распыления - угля специальным устройством в вакууме.
Метод определения площади контакта с помощью тонких пленок, наносимых на одну из сопряженных поверхностей, является наиболее про-
стым и удобным. В связи с этим были исследованы пленки различных веществ с точки зрения их применимости для этой цели. Такие пленки должны быть достаточно тонкими, чтобы не искажать профиль поверхности, и легко разрушаться в местах контакта. Кроме того, способ обнаружения пленок на поверхности должен быть достаточно простым и надежным. В частности, исследования пленок канифоли, наносимых по методике, описанной в работе [4], показали, что площадь разрушения таких пленок в местах контакта не полностью соответствует площади контакта. Обнаружение таких пленок при помощи люминофоров связано со значительными неудобствами.
Фс Фа
Рис. 1. Номинальная - Фа, контурная - Фс и фактическая - Фг площади контакта
Наилучшие результаты были получены при применении угольных пленок, напыляемых на образец, при распылении углерода в вакууме.
Перед нанесением пленки поверхность образца промывалась для удаления жира четыреххлористым углеродом. Для напыления пленки ис-
2 3
пользовался вакуумный пост, давление выбирались 10 ... 10 мм рт. ст.
На рис. 2 представлена схема устройства для напыления пленки. Испарение угля происходит с разогретой поверхности двух угольных стержней, помещенных под колокол вакуумного поста и образующих кон-
такт с высоким сопротивлением. Питание дуги осуществлялось низковольтным трансформатором, рассчитанным на большие токи.
Рис. 2. Схема устройства для напыления угольной пленки в вакууме: 1 - колокол; 2 - держатель углей;
3 - угольные стержни; 4 - держатель образца
Для напыления использовались угли с минимальными примесями посторонних веществ, обычно применяемые при спектральном анализе. В зависимости от условий напыления (форма заточки углей, давление, расположение образцов, время напыления) толщина и прочность пленки значительно менялись. Прочность пленки зависит также от времени выдержки на воздухе, с течением времени она возрастает. В некоторых случаях угольный слой оказывается слишком прочным (например, его нельзя полностью удалить для повторного использования образцов). Для того чтобы уменьшить прочность угольного слоя, на поверхность металла наносится тонкий слой подложки.
Молекулярные силы, действующие на границе угольная пленка -образец, заменяются взаимодействием угольная пленка - подложка - образец. Подложка легко удаляется при помощи летучего растворителя, а вместе с ней удаляется и пленка.
Хорошие результаты были получены при использовании в качестве подложки пленки вазелина. Для нанесения пленки использовался метод титрованного раствора [5]. Для этой цели приготовлялся раствор вазелина в бензоле. Образец помещали в раствор и медленно извлекали. Толщина пленки вазелина менялась в зависимости от скорости извлечения и концентрации раствора. Толщина применяемой подложки была менее 10 ммк.
Для определения толщины угольной пленки ее напыляли на поверхность стальной плитки высокой чистоты обработки и наносили на ней царапину. Рассматривая пленку с царапиной с помощью микроинтерферометра Лин-ника МИИ-4, можно было по изгибу линии интерференции в зоне царапины определить толщину пленки.
Толщина угольной пленки определяет ее цвет. Оказалось, что угольная пленка толщиной 30 нм уже обнаруживается визуально на поверхности с высокой чистотой обработки металлов. В табл. 1 указан цвет пленки в зависимости от ее толщины [6].
Таблица 1
Цвет угольной пленки в зависимости от ее толщины
Цвет пленки Толщина, мкм
Серый 0,03...0,04
Светло-коричневый 0,04...0,1
Коричневый ,2 0, 0,
Т емно-коричневый 0,2...0,3
Черный 0, ,3 0,
Таким образом, по цвету можно приблизительно определить толщину пленки.
Для определения площади контакта точное измерение толщины пленки необязательно, необходимо только, чтобы она была значительно меньше высоты неровностей.
Так, пленки толщиной 0,2 - 0,3 мкм пригодны для изучения контакта поверхностей с шероховатостью до Яа = 2,5...1,25 мкм. Более тонкие пленки позволяют определять площадь контакта поверхностей с шероховатостью до Яа = 0,16 мкм включительно. Пленки малой толщины не искажают профиль поверхности, на которую они наносятся.
При изучении площади контакта поверхностей с высокой чистотой обработки надежного разрушения пленки в местах контакта можно добиться, воздействуя тангенциальной силой на контактирующие образцы, находящиеся под нагрузкой. В некоторых случаях достаточно приложение тангенциальной силы без сдвига, в других случаях применялся сдвиг примерно на 1 мкм. При сдвиге на 1 мкм площадь касания при упругом контакте почти не меняется, как это показывают приведенные ниже эксперименты, в то время как надежность измерения возрастает. Пленка в этом случае наносилась на поверхность, имеющую большую шероховатость.
Для поверхностей средней и грубой обработки (с шероховатостью до Я2 = 6,3 мкм), пленка надежно разрушается в местах контакта и без воздействия тангенциальных сил вследствие деформаций, возникающих в
процессе нагружения.
При сопряжении поверхностей угольная плёнка в местах контакта разрушается, и при разъединении деталей на общем фоне угольного покрытия отчётливо видны светлые пятна, совокупность которых составляет площадь контакта. Достоинством этого метода является возможность нанесения очень тонких (до 0,03.0,05 мкм) плёнок, что и даёт возможность измерять фактическую площадь контакта, так как толщина плёнки значительно меньше высоты микронеровностей. Однако адгезионный метод, так же как и другие, ранее перечисленные методы, распространения не получил. Общей причиной этого обстоятельства является необходимость использования специального оборудования, а также значительная трудоёмкость их реализации.
Красящий слой для взаимно облегающих поверхностей, допускающих относительное скольжение друг по другу, наносят с помощью берлинской лазури, растертой с вазелином и машинным маслом.
Для поверхностей только соприкасающихся друг с другом и не допускающих в силу конструктивных особенностей относительного скольжения красящий слой наносят в виде копоти.
Первый способ используют, например, для проверки угла конуса инструмента. Угол конических поверхностей проверяют припасовкой детали конической пары по краске к калибру (тонкий слой краски наносят на коническую поверхность калибра или детали). Критерием годности детали является равномерное растирание всего слоя краски при тугих относительных поворотах калибра и детали («полная припасовка»), что будет иметь место в тех случаях, когда наносимый слой краски компенсирует разницу в углах конуса калибра и изделия, а также погрешности геометрической формы. Таким образом, точность контроля конусов по углу, а также по геометрической форме путем припасовки зависит от толщины и постоянства толщины наносимого слоя краски. Толщина этого слоя не должна превышать 4 мкм при длине конуса до 100 мм и 6 мкм при длине конуса свыше 100 мм. Поскольку цветовой оттенок наносимой краски зависит от толщины ее слоя, то при известном навыке воспроизводить требуемую толщину слоя можно сравнительно легко и стабильно.
Для определения действительной толщины наносимого слоя краски ввиду невозможности непосредственной оценки этой величины Эйдино-вым В.Я. был проделан следующий опыт [7].
Изготовили 5 наружных конусов высотой 80 мм с конусностью близкой к 0,05. Углы конуса отличаются друг от друга на 6"; если угол конуса 1 обозначить 2 ф, то для остальных конусов углы будут соответственно: 2 ф + 6"; 2 ф + 12"; 2 ф + 18" и 2 ф + 24".
К конусу с углом 2 ф тщательно припасовали коническую втулку; однако оказалось, что угол конуса втулки меньше 2 ф. Обозначили этот
угол 2 ф0 и разность 2 ф - 2 ф0 обозначили 5.
Контролеру, занятому приемкой конических калибров, поочередно давали конусы (не в определенном порядке), предлагая определить проверкой по краске годность или негодность каждого конуса. Для припасовки у контролера имелась единственная втулка с углом 2 а0. Каждый из 5 конусов прошел 100 проверок, т. е. всего контролер провел 500 испытаний. Результаты опыта отражены в таблице 2.
Таблица 2
Опытные данные разбраковки конусов по краске
№ конуса Разность углов втулки и конуса втулки и конуса Из каждых 100 проверенных конусов
годно не годно
1 5 92 8
2 5+6" 51 49
3 5 + 12" 7 93
4 5 +18" 3 97
5 5 +24" 0 100
Рассеивание результатов испытаний можно приписать непостоянству слоя краски, который наносит контролер. Измерили условно толщину слоя краски в величинах разности углов конусов и втулки, которые эквивалентны толщине слоя краски (т.е. слой краски, компенсирующий разность углов конуса, выражали условно в секундах). Таблицу результатов испытаний можно трактовать следующим образом: в 92 случаях из 100 слой краски больше 5, в 51 случае из 100 - больше 5 +6", в 7 случаях из 100 - больше 5+12" и т.д. Или вероятность того, что слой краски меньше 5 + 12", равна 0,93. Можно предположить, что случайные значения толщины наносимого слоя краски подчиняются нормальному закону распределения, а номинальное значение толщины слоя краски соответствует 2,36 мкм.
При изучении контактных сближений взаимодействующих деталей автоматических машин необходимо измерять контурную площадь контакта. В реальных производственных условиях измерение: этой площади производится с помощью копоти как промежуточного красящего слоя. В отрасли этот приём используется давно, является удобным и поэтому стал традиционным. Тенденций к его замене пока нет.
Работа представлена на второй Международной Интернет-конференции по металлургии и металлообработке, проведенной в ТулГУ 1 мая - 30 июня 2013 г
Список литературы
1. Дёмкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Наука, 1970. 227с.
2. Дёмкин Н.Б. Приближённый расчёт характеристик контакта деталей машин // Надёжность и долговечность машин. Калинин, КПИ. 1974.
С.3-11.
3. Рыжов Э.В., Суслов А.Г., Фёдоров В.П. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин. М.: Машиностроение, 1979. 176с.
4. Тарасенко В. С. Методы и аппаратура для определения фактической площади контакта. ГОСИНТИ, 1961.
5. Ахматов А.С. Молекулярная физика граничного трения. М.: Физ-матгиз, 1963. 471 с.
6. Gryazev V.M., Yamnikov A.S. Methodical bases of the solution of dimension chains with norm of soot surface contact// /European Science and Technology, Oktober 30th-31st, Publishing offise Vela Verlag Waldkraiburg -Munich - Germany 2012. Vol. I. p. 161-168.
7. Васильев А.С., Грязев В.М., Ямников А.С. Функционально связанные сборочные размерные цепи, обеспечивающие нормированный контакт поверхностей./ Сборка в машиностроении приборостроении. № 5. 2012. С. 36-40.
Грязев Василий Михайлович, студент, tms@tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
CHOICE OF THE METHOD OF DEFINITION OF FAKTICHESKAYA SQUARE OF CONTACT OF SURFACES INTERACTING DETAILS
V.M. Grjazev
The literary review of ways of determination of the actual area of contact of surfaces of interacting details is given. It is shown that the adhesive method gives the greatest accuracy. The greatest distribution to the industries have control on paint and a soot. The last is applied in the absence of relative sliding of surfaces.
Key words: surface roughness, contact area, control methods.
Gryazev Vasily Mikhaylovich, student, tms@tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula state university
