Bryansk, Bryansk, Russian Federation
Bryansk, Bryansk, Russian Federation
National Research Nuclear University “MEPhI” (Professor)
Bauman Moscow State Technical University (Professor)
Bryansk, Bryansk, Russian Federation
Bryansk, Bryansk, Russian Federation
UDK 621.9 Обработка резанием (снятием стружки).Резка (разделительные операции без образования стружки).Дробление и измельчение.Обработка листового материала.Изготовление резьбы и т.д. Способы (технология), инструменты, машины и приспособления
The article presents study results of the technological control ways for roughness operational parameters generation in tribo-elements of sliding friction pairs through combined antifriction surfacing methods. The possibilities of technological control of the roughness parameters of the parts surfaces were studied for two types of part cutting – based on both: the application of hard wear-resistant nitride-containing coatings on the surfaces of parts and on the application of soft copper-containing work plates on the working surfaces of parts in combination with surface plastic deformation technique. Surface plastic deformation was carried out by diamond burnishing or ball burnishing. As controlling factors in experimental studies, both: the conditions for surfacing of parts and the run-in conditions in sliding friction pairs were viewed. Break-in process of pairs was carried out on a programmable testing unit (friction machine), which allows simulating both: static loads and dynamic loads that change together with the specified parameters in a periodic manner. Models for quantitative ratings of the influence of surfacing factors of parts using anti-friction technologies and their further development in sliding friction pairs on operational roughness parameters generation, which, in turn, have a significant impact on the operational properties of tribo-elements. To assess the degree of technological factors effect of the treatment on the generation of operational roughness of parts, their ranking by the Pareto method was carried out. The degree of consistency of control factors impact on operational roughness parameters generation was assessed using the coefficient of rank concordance. The information presented in the article is necessary for practical application in the field of designing technological methods of combined antifriction surfacing of parts for sliding friction pairs of machines and mechanisms.
wear resistance, soft break in films, nitride-containing coatings, diamond burnishing, break in, models for roughness parameters generation
Введение
В процессе приработки соединений трения скольжения на контактирующих поверхностях трибоэлементов формируются эксплуатационные (равновесные) параметры качества, числовые значения которых отличаются от параметров качества (технологических), полученных в процессе обработки. К ним в первую очередь относятся параметры шероховатости, физико-механических свойств и др. Эксплуатационные параметры качества определяют важнейшие свойства соединений в процессе нормальной эксплуатации, такие как интенсивность изнашивания, контактную жесткость в динамике при флуктуациях нагрузки и
др. [1, 2].
В настоящее время в технологиях антифрикционной обработки могут применяться различные методы модификации поверхностей деталей: использование твердых износостойких покрытий (например, нитридов титана TiN, молибдена MoN и других покрытий), нанесение мягких медесодержащих приработочных пленок и др. Последующая обработка модифицированных поверхностей методами поверхностно-пластического деформирования (ППД) позволяет сформировать требуемые параметры качества поверхности.
В статье представлены результаты исследований, позволившие получить модели для количественной оценки влияния факторов обработки поверхностей деталей с применением антифрикционных технологий и дальнейшей их приработки в парах трения скольжения на формирование эксплуатационных параметров шероховатости, которые, в свою очередь, оказывают значительное влияние на эксплуатационные свойства трибоэлементов.
Методология исследований
Технологическое управление параметрами эксплуатационной шероховатости поверхностей деталей пар трения скольжения исследовалось для двух вариантов комбинированной антифрикционной обработки (КАФО) деталей:
– КАФО на основе нанесения твердых износостойких нитридсодержащих покрытий на поверхности деталей [4];
– КАФО на основе нанесения мягких медесодержащих приработочных пленок на рабочие поверхности деталей (охватываемых трибоэлементов) [5].
Оба варианта способствуют повышению износостойкости соединений трения скольжения, снижению пути и времени приработки трибоэлементов, коэффициента трения, величины начального износа и др.
Предполагается, что в общем случае ТС может иметь m технологических операций О, каждая из которых может быть реализована n способами обработки.
Технология КАФО может включать три основных этапа обработки деталей.
На первом этапе осуществляется предварительная чистовая обработка поверхности. Технологические операции могут выполняться чистовым точением (O11) инструментом с поликристаллическими сверхтвердыми материалами или шлифованием (O12). Предпочтительнее применение лезвийных методов обработки, при которых исключается процесс шаржирования поверхности. Также могут дополнительно применяться методы ППД.
На втором этапе осуществляется модификация поверхностей деталей нанесением твердых (O21) или мягких приработочных покрытий (O22).
Третий этап КАФО связан с формированием требуемых параметров микропрофиля поверхности детали. Обработка осуществляется такими методами ППД, как алмазное выглаживание (АВ) (O31), накатывание шариками (O32) и др. [5, 6].
Каждый этап обработки преследует свои цели. На первом этапе обеспечивается заданная точность размеров детали и требуемые геометрические параметры качества поверхности для эффективного нанесения покрытий. Например, мягкие приработочные пленки наносятся фрикционным способом, то шероховатость поверхности должна инициировать процесс микрорезания. На третьем этапе формируется микропрофиль поверхности, исключающий процесс микрорезания и обеспечивающий требуемые параметры эксплуатационных свойств, в частности износостойкость [5, 7].
Технологический процесс антифрикционной обработки на основе нанесения твердых покрытий включает в себя следующие операции:
1. Предварительная обработка поверхности вала для обеспечения точности сопряжения поверхностей в узлах типа подшипников скольжения. Управляющий фактор X1 предполагает точение эльбором или круглое шлифование.
2. Алмазное выглаживание для подготовки поверхности под нанесение твердых нитридсодержащих покрытий. Управляющий фактор X2 – сила выглаживания Q1, значения которой варьируются от 100 Н до 400 Н. Радиус индентора инструмента – r = 3,0 мм.
3. Нанесение твёрдого покрытия методом катодно-ионной бомбардировки в вакууме по известной технологии. Управляющий фактор X3 – вид покрытия М1: TiN или MoN.
4. Алмазное выглаживание поверхности для формирования заданных триботехнических характеристик. Управляющий фактор X4 – сила выглаживания Q2, значения которой варьируются от 50 Н до 150 Н. Радиус индентора инструмента – r = 3,0 мм.
Для исследований образцы валов изготавливались из стали 45, закаленной до HRC 48…50.
Анализ параметров микропрофиля поверхности детали после четвертой операции показал, что его высотные характеристики после АВ уменьшились примерно в 10 раз, радиус закругления вершин увеличился более чем в
25 раз, а отношение Rmax/ » 7×10–4, что должно способствовать пластическому оттеснению материала сопряжённого контртела при трении. Особо необходимо отметить снижение примерно в 104 раз величины безразмерного комплекса Крагельского-Комбалова D, что указывает на возросшие триботехнические свойства поверхности.
Приработка соединений осуществлялась на специальной машине трения, которая позволяла моделировать нагрузки от статической до динамических, изменяющихся по периодическому закону с заданными параметрами.
Триботехнические испытания соединений проводились на программируемом стенде (машина трения) который позволял моделировать изменение нагрузок от статических до динамических, изменяющихся по периодическому закону с заданными параметрами [3]. В качестве управляющих факторов рассматривались скорость vпр относительного скольжения поверхности трибоэлементов в процессе приработки, величина номинальной погонной нагрузки Pпр на трибосопряжение в процессе приработки, процент вариаций DP номинальной погонной нагрузки на трибосоединение в процессе приработки при моделировании динамических условий эксплуатации и материал вкладыша Mi [4, 5, 7, 8].
Процесс формирования параметров эксплуатационной шероховатости пар трения скольжения в динамике рассматривался с точки зрения влияния как технологических факторов КАФО (X1 – X4), так и факторов приработки соединения (X5 – X9): Х5 – материал М2 мягкого покрытия вкладыша, получаемого гальваническим способом (медь или олово + + висмут); Х6 – погонная нагрузка Pпр на соединение при изнашивании (Pпр min = 40 Н/мм; Pпр max = 60 Н/мм); Х7 – скорость vпр относительного скольжения трибоэлементов (vпр min = 10 м/мин; vпр max = 60 м/мин); Х8 – величина изменения DР номинальной погонной нагрузки (DРmin = 15 %; DРmax = 25 %); Х9 – смазка, используемая при стендовых испытаниях (ИС 20 или МГ-10).
Коэффициенты и параметры моделей формирования параметров шероховатости в ТС КАФО на основе применения твёрдых покрытий определялись путем обработки результатов активных экспериментов, выполненных по планам в виде дробных реплик типа 29–5 [5].
При исследовании формирования эксплуатационной шероховатости в процессе приработки поверхностей трибоэлементов, полученных в ТС КАФО на основе нанесения мягких медесодержащих приработочных плёнок рассматривалось двенадцать управляющих факторов: скорость vT резания; подача инструмента ST и глубина t резания при точении
стали 45 композитом 10; жёсткость j ТС;
Mп – материал мягкой приработочной пленки на поверхности вала (получена фрикционным латунированием или химическим меднением); сила QАВ алмазного выглаживания, продольная подача SАВ при АВ, скорость выглаживания vАВ; материал Мвкл вкладыша (бронза
ОЦС 5-5-5 или антифрикционный
чугун АЧС1), скорость vпр относительного скольжения поверхностей трибоэлементов в процессе приработки; величина номинальной погонной нагрузки Рпр на трибосопряжение в процессе приработки; процент вариаций
DP номинальной погонной нагрузки на трибосоединение в процессе приработки [5, 7].
Факторная область эксперимента по исследованию формирования параметров шероховатости в ТС КАФО на основе применения медесодержащих приработочных пленок представлена в табл. 1, а сами исследования проводились методом активного эксперимента путем реализации регулярной дробной реплики типа 212–8 от полного факторного эксперимента.
Эволюцию технологического профиля шероховатости поверхностей в эксплуатационный можно проследить на примере поверхности вала пары трения, поверхности образцов которых обрабатывались в ТС КАФО на основе применения мягких медесодержащих приработочных покрытий. Значения факторов X2, X4, X5, X7, X10, X12 для рассматриваемого случая приняты максимальными, а остальных факторов – минимальными (табл. 1).
После чистового точения на поверхность образца фрикционным латунированием наносилась мягкая приработочная плёнка, а затем осуществлялось алмазное выглаживание поверхности. Затем в сборе со вкладышем из чугуна АЧС1 осуществлялась приработка в соответствии с планом эксперимента. По завершению процесса приработки на функциональных поверхностях обоих трибоэлементов сформировался эксплуатационный микропрофиль, фрагменты которого, а также параметры шероховатости и фрагменты топографии поверхности вала показаны на рис. 1.
Измерение параметров шероховатости осуществлялась, с использованием компьютеризированных систем металлографического анализа и исследования микропрофиля поверхностей [5, 10, 11]. Профилограммы сняты в одном масштабе. Обращает на себя внимание пригнанность поверхностей друг к другу, то есть имеет место действительный факт их приработки.
Динамику эволюции поверхности вала можно проследить по отдельным параметрам от чистового точения до завершения процесса приработки (рис. 1).
Так, например, параметр D = 0,79 после чистового точения, а в процессе последующих фрикционного латунирования и алмазного выглаживания уменьшается до 0,022, т. е. в
35,08 раза. Величина D при своём уменьшении способствует увеличению износостойкости. По окончании процесса приработки эта величина претерпевает дальнейшее уменьшение до 0,01, т. е. становится в 2,2 раза меньше технологического значения.
Сравнение микрофотографий поверхности вала, представленных на рис. 1, показывает, что в процессе приработки мягкая приработочная плёнка не ликвидируется, а сама поверхность теряет эффект сглаживания вершин профиля (рис. 1, б) и носит на себе следы микроцарапания, которое происходит либо посредством контактирующей поверхности вкладыша, либо посредством частиц продуктов изнашивания.
Вид эксплуатационной шероховатости поверхности вкладыша отличается от исходной, которая имела следующие параметры:
Ra = 1,52 мкм; Rz = 7,8 мкм; Rmax = 8,9 мкм; Rp = 3,2; Sm = 105 мкм; b = 0,91; ν = 1,95;
D = 0,6. Сравнивая эти параметры с параметрами, представленными на рис. 2, в, следует отметить, что микропрофиль поверхности вкладыша претерпел значительные изменения. Высотные параметры Ra, Rz, Rmax увеличились, причём параметр Rmax увеличился почти в
2,0 раза, однако параметр Ra практически не изменился. Это говорит о том, что резко возросла несущая способность поверхности. Об этом свидетельствует сравнение величин b и ν технологической и эксплуатационной шероховатости. Величина D для поверхности вкладыша уменьшилась в 3,3 раза, что также указывает на повышение триботехнических характеристик эксплуатационного профиля по сравнению с технологическим.
Представленный пример показывает, что в процессе приработки высотные параметры шероховатости не всегда должны уменьшаться. Они могут и увеличиваться. Это может благоприятно сказываться и на повышении износостойкости пары в целом, т. к. при этом создаются дополнительные микрообъёмы, которые могут служить как своеобразными «хранилищами» смазки, так и «приёмниками» продуктов изнашивания.
Интервалы варьирования параметров эксплуатационной шероховатости образцов в исследуемой области факторного пространства ТС КАФО для различных видов КАФО представлены в табл. 2 и табл. 3.
C целью оценки степени влияния факторов КАФО на формирование эксплуатационной шероховатости поверхностей деталей осуществлялось их ранжирование методом Парето.
Анализ диаграмм Парето (рис. 2) показывает, например, что на эксплуатационный параметр Ra шероховатости поверхности вала, полученной после обработки в ТС КАФО на основе применения твёрдых покрытий, превалирующее влияние оказывает сила алмазного выглаживания перед нанесением покрытия (30,6 %)
(см. рис. 2, а), а на соответствующий параметр вкладыша (см. рис. 2, б) наибольшее влияние оказывает метод предварительной обработки, причём предварительная обработка круглым шлифованием способствует уменьшению данного показателя примерно на 26 %. Аналогично можно проанализировать влияние рассматриваемых факторов на все остальные параметры. Диаграммы Парето позволяют провести ABC – анализ влияния исследуемых факторов на формирование эксплуатационных параметров шероховатости. В группу A входят факторы обработки, определяющие до 75 % изменчивости рассматриваемого параметра, а в группы B и C – соответственно от
75 % до 95 % и от 95 % до 100 %, что позволяет наиболее эффективно управлять процессом обработки и приработки по тем или иным критериям.
Возникает вопрос о степени согласованности влияния исследуемых факторов на формирование рассматриваемых параметров, в данном случае – параметров эксплуатационной шероховатости. Оптимально, когда она составляет 100 %, но это, в силу сложности процессов, происходящих при обработке деталей и приработке пар трения скольжения практически неосуществимо. Оценить степень согласованности предлагается с помощью коэффициента ранговой конкордации W
Гипотеза о наличии согласия «экспертов» может быть принята, если при заданном числе степеней свободы табличное значение c2 меньше расчётного для 5,0 %-ного уровня значимости.
Оценив согласованность мнений всех «экспертов», строится средняя диаграмма рангов, откладывая по одной оси факторы, а по другой – соответствующие суммы рангов (рис. 3). Чем меньше сумма рангов данного фактора, тем выше его место на диаграмме. С помощью суммы рангов оценивается значимость факторов.
Анализ процессов формирования эксплуатационных параметров шероховатости показал:
– на параметры Ra; Rp; r; D шероховатости вала 39 % влияния оказывают технологические факторы обработки в ТС КАФО, а 61 % – факторы приработки (W = 0,52 и
= 16,7);
– для параметров эксплуатационной шероховатости вкладышей эти показатели составляют соответственно 42 % и 58 % при W = 0,53 и = 17.
Результаты анализа диаграмм Парето показывают, что в исследуемой триботехнологической системе технологические факторы обработки в ТС КАФО оказывают влияние на формирование параметров шероховатости в среднем на 47,3 %, а факторы приработки – на 52,7 %.
Аналогичные результаты получены и для триботехнологической системы после обработки деталей в ТС КАФО на основе нанесения медесодержащих приработочных пленок.
1. Engineering of parts surface / A. G. Suslov, V. F. Bez’yazichniy, Yu. V. Panfilov [et al.]; edited by A. G. Suslov. Moscow: Mashinostroenie, 2008. 320 p.
2. Technological support and operation properties increase of parts and their joints/ A.G. Suslov, V.P. Fedorov, O.A. Gorlenko [et al.]; under the general editorship of A.G. Suslov. Moscow: Mashinostroenie, 2006. 447 p.
3. Gorlenko O.A., Shokhin A.N., Shcherbakov A.N. Technological methods for durability extending of cylindrical friction surfaces // Science-intensive technologies in mechanical engineering, 2023, No. 2 (140) pp. 40-48. doihttps://doi.org/10.30987/2223-4608-2023-2-40-48
4. Morgalenko T.A. Technology of sliding friction surface machining based on hard wear-resistant coating use taking into account technological inheritance impact / Science-intensive technologies in mechanical engineering, 2020, No. 12 pp. 31-38. doi https://doi.org/10.30987/2223-4608-2020-12-31-38.
5. Nagorkin M.N. Parametric reliability of machinery surface finishing and strengthening with super-hard synthetic tools: monograph / M.N. Nagorkin; under the editorship of A.V. Kirichek. Moscow: Spectrum, 2017, 304p.
6. Nagorkin M.N., Fyodorov V.P., Kovalyova E.V. Modeling of process of forming quality parameters for surfaces of parts by diamond burnishing taking into account technological heredity. In: IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 327, 042071 (2018).
7. Nagorkin M.N., Fyodorov V.P., Nagorkina V.V. Simulation modelling of tribotechnologies system and its parametric reliability assessment on tribotechnical parameters of the joints of sliding friction. In: IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 177, 012079 (2017).
8. 8. Fedorov V. P., Suslov A. G., Nagorkin M. N. Diagnostics of technological systems according to parametric reliability of ensuring a given quality of the treated surfaces/ Science-intensive technologies in mechanical engineering. 2020, No. 1 (103), pp. 15-24. doi https://doi.org/10.30987/2223-4608-2020-2020-1-15-24.
9. Averchenkov V.I., Fedorov V.P., Heifets M.L. Fundamentals of mathematical modeling of technical systems. Moscow: Flint, 2021, 271 p.
10. Fedorov V.P., Nagorkin M.N., Weiner L.G. Methodological foundations of diagnostics of technological metalworking systems based on parametric reliability of ensuring a given quality of the treated surfaces // Bulletin of the Bryansk State Technical University. 2021, No. 11 (108). pp. 49-63. doihttps://doi.org/10.30987/1999-8775-2021-11-36-50.
11. Suslov A.G., Fedorov V.P., Nagorkin M.N., Pyrikov I.L. Complex approach to experimental investigations of metal-working technological systems to ensure parameters of quality and operation properties of machinery surfaces/Science-intensive technologies in mechanical engineering. 2018, No. 10, pp. 3-13. doihttps://doi.org/10.30987/article 5bb4b1f9abbc54.46761484
