Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (Профессор)
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (Профессор)
Брянск, Брянская область, Россия
Брянск, Брянская область, Россия
Брянск, Брянская область, Россия
Куляб, Таджикистан
УДК 621.7 Обработка давлением. Пластическое формообразование. Формоизменяющие операции (без снятия стружки). Отделка в целом. Соединение материалов. Процессы (технология), инструменты, машины и оборудование
УДК 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
УДК 539.6 Межмолекулярные силы
Изложено понятие наукоемких триботехнологий и приведены конкретные примеры их создания. Изложены технологии окончательной обработки поверхностей трения, работающих при небольших нагрузках, которые замещают процесс приработки этих поверхностей трения, а, следовательно, повышают долговечность их работы. В качестве примеров приведены технологические методы плосковершинного хонингования гильз цилиндров и плосковершинного чистового полирования опорных шеек валов подшипников скольжения. Для повышения долговечности роликов роликоподшипников разработана технология их окончательного полирования бесконечными лентами. Ширина их и усилие натяжения позволяют обеспечить бочкообразность таких роликов, которая гарантирует равномерное распределение давления по всей длине ролика. Это предотвращает возможность их разрушения по краям при их цилиндрической форме. Для ремонта в пути рабочих поверхностей железнодорожных рельсов разработан технологический процесс, обеспечивающий сохранение поперечного профиля рельса, сформировавшегося в процессе приработки на различных участках: прямолинейных и криволинейных. Данный триботехнологический процесс позволяет значительно повысить производительность ремонта полотна железной дороги и срока их службы. Криволинейные поверхности трения в процессе эксплуатации в результате различных скоростей и давлений на различных участках в процессе приработки имеют различные величины износа, т.е. изменяется их оптимальный поперечный профиль. Это непосредственно относится к железнодорожным колесам. Поэтому для повышения долговечности поверхности качения железнодорожных колес разработана триботехнология электромеханической импульсной обработки, обеспечивающей равномерный износ по всему профилю за счет закономерного изменения в степени упрочнения поверхностного слоя профиля колеса.
триботехнология, хонингование, приработка, поверхность катания
Под наукоемкими технологиями в машиностроении понимаются технологии, базирующиеся на современных достижениях науки и техники [1]. Под наукоемкими триботехнологиями понимаются технологии, базирующиеся на современных достижениях в трибологической науке. В соответствие с трибологической наукой и практикой кривая износа поверхностей трения имеет следующий характер
(рис. 1, кривая 1) [2].
Кривая износа 1 (см. рис. 1), имеет три участка: участок приработки I; участок нормального изнашивания II; участок катастрофического износа III. Как правило, наибольший износ поверхности трения имеют на участке приработки I. На этом участке исходное технологическое качество поверхностного слоя переходит в качество приработанной поверхности (равновесное состояние поверхностного слоя). В соответствии с молекулярно-механической теорией изнашивания интенсивность износа рассчитывается по формуле для периода нормального изнашивания (рис.1,
линия 2) [3]:
где n – число циклов до разрушения материала при резании; tm – относительная длина опорной линии профиля шероховатости на уровне средней линии; Hμо – микротвердость поверхностного слоя; m ‒ коэффициент Пуассона;
Ra ‒ среднее арифметическое отклонение профиля; Wz ‒ средняя высота волн; Hmax ‒ максимальная величина макроотклонений; Sm ‒ средний шаг неровностей профиля; E ‒ приведенный модуль упругости; σа ‒ действующее значение амплитудного напряжения в поверхностном слое. Данные параметры – это параметры качества равновесного состояния поверхностного слоя при установившемся нормальном изнашивании.
Таким образом, если в технологическом процессе обработки поверхности трения предусмотреть последнюю финишную операцию, обеспечивающую параметры качества поверхностного слоя, соответствующие установившемуся изнашиванию, то процесс приработки будет переведен в технологию
(см. рис. 1, линия 2). Этот процесс будет называться триботехнологией. Это значительно повысит долговечность поверхностей трения.
Рассмотрим конкретные примеры создания наукоемких триботехнологий. При трении цилиндрических поверхностей – наружных или внутренних, при небольших нагрузках процесс приработки происходит за счет износа вершин микронеровностей пока не сформируется фактическая площадь контакта Aф, выдерживающая приложенную нагрузку:
Профилограмма такой поверхности трения после приработки представлена на рис. 2.
Такой профиль может быть получен с использованием триботехнологии. В данном случае ‒ плосковершинным хонингованием внутренних поверхностей трения или плосковершинным полированием наружных поверхностей трения (рис. 3).
При больших нагрузках на поверхности трения значительное влияние на износ оказывают макроотклонения контактирующих деталей.
Следующим примером создания триботехнологии является окончательная обработка цилиндрических роликов роликоподшипников. В соответствии с теорией контактного взаимодействия жесткого штампа с упругим пространством давление вдоль оси ролика распределяется в соответствии с рис. 4, т.е. со значительным его критическим увеличением по краям ролика [4]. Это приводит к существенному износу на краях ролика, а в некоторых случаях к их разрушению.
Был разработан наукоемкий триботехнологический метод чистовой обработки роликов ‒ чистовое шлифование бесконечными упругими лентами определенной ширины и с усилием натяжения.
Процесс формирования бочкообразной формы ролика бесконечными лентами приведен на рис. 5.
Данный процесс позволяет сформировать бочкообразную форму ролика, обеспечивающую равномерное распределение давления по его длине (рис. 6), а, следовательно, повысить их долговечность.
Следующим примером создания наукоемкой триботехнологии является ремонт рабочей поверхности катания рельса железных дорог в пути. Особенно это актуально для высокоскоростных железных дорог. В процессе приработки, в зависимости от расположения рельсов на прямолинейном или криволинейном участках, в результате перераспределения давления происходит неравномерный износ его поперечного профиля. На криволинейных участках износ увеличивается к боковым сторонам рельса. При ремонте шлифованием рабочих поверхностей рельсов его поперечный профиль возвращается к исходному на прямолинейных (рис. 7, кривая 2) и криволинейных участках (рис. 7, кривая 3) на всем пути. По существующей технологии ремонта полотна высокоскоростных железных дорог рельсошлифовальными комплексами поперечный профиль рельсов на всем протяжении его пути (криволинейных и прямолинейных участков) возвращается к исходному его профилю (рис. 7, кривая 4). Это приводит к необходимости снятия большого припуска z1. Снятие такого припуска осуществляется за несколько (2 ‒ 3) рабочих ходов при скорости движения рельсошлифовального комплекса 8…10 км/ч.
Для устранения этих недостатков был создан наукоёмкий триботехнологический процесс ремонта рабочих поверхностей катания рельсов железнодорожных путей. Этот процесс включает в себя: операцию встречное иглофрезерование для снятия поверхностного дефектного слоя с микротрещинами, операцию шлифования осциллирующими брусками или чашечными шлифовальными кругами для снятия поперечной волнистости и операцию лепесткового шлифования для обеспечения оптимальной шероховатости рабочей поверхности рельса. Все эти операции объединены в одном рельсообрабатывающем комплексе.
При этом технологическом процессе сохраняется сформировавшийся поперечный профиль рельса в процессе приработки (рис. 7, кривая 5). Данный триботехнологический процесс ремонта рабочей поверхности катания рельсов железных дорог в пути позволяет уменьшить снимаемый припуск, а, следовательно, значительно увеличить производительность ремонта и долговечность рельсов за счет возможности неоднократного их ремонта.
В качестве следующего примера рассмотрим создание наукоемкой триботехнологии обработки поверхности катания железнодорожных колес [5]. Технологическое обеспечение износостойкости криволинейных поверхностей трения, к которым относится профиль поверхности катания железнодорожных колес, возможно за счет обеспечения закономерно изменяющегося качества поверхностного слоя вдоль образующей поверхности трения, в частности закономерно изменяющейся микротвердости.
Широкими возможностями в этом отношении обладает импульсная электромеханическая обработка (ИЭМО). Закономерное изменение силы тока при электромеханическом упрочнении по импульсной схеме, теоретически рассчитанное и технологически обеспечиваемое на специальной установке, позволяет избежать отслаивания упрочненного слоя при эксплуатации, добиться минимального и равномерного износа вдоль образующих криволинейных поверхностей трения с сохранением их первоначальной геометрической формы.
В частности, повышение долговечности поверхности катания железнодорожных колес возможно за счет обеспечения определенного закона изменения износостойкости отдельных их участков. Для железнодорожных колес долговечность часто определяется стабильностью изнашивания профиля колеса вдоль образующей поверхности трения.
Неравномерность распределения рабочих давлений и скоростей на поверхности трения приводит к неравномерному износу. Для достижения равномерного и минимального износа необходимо технологически обеспечить закономерно изменяющееся качество поверхностного слоя поперечного профиля, при котором скорость изнашивания вдоль профиля будет постоянной.
Управлять качеством поверхностного слоя возможно при автоматизации электромеханической обработки как наиболее дешевым и перспективным методом упрочнения.
Для решения поставленной задачи был реализован следующий алгоритм исследований:
а) рассчитана математическая модель профиля железнодорожного колеса;
б) установлен закон изменения качества поверхности качения и гребня железнодорожного колеса, обеспечивающий равномерную скорость изнашивания различных участков профиля в соответствии с математической моделью профиля железнодорожного колеса;
в) так как закон (б) справедлив для постоянно трущихся поверхностей, была принята зависимость контактирования участков профиля колеса во времени;
г) рассчитан коэффициент упрочнения в соответствии с алгоритмом (в), и в целях избежания резких перепадов применена сплайн-интерполяция;
д) рассчитана требуемая поверхностная микротвердость профиля колеса;
е) получена зависимость плотности тока при ЭМО для технологии изготовления и ремонта железнодорожных колес. Соответствующие расчетные графики приведены на рис. 8.
Для технологического обеспечения требуемого качества поверхностного слоя на промышленных предприятиях целесообразно использовать одну из разработанных в Брянской научной технологической школе автоматизированных установок для электромеханической обработки (рис. 9).
Установка с управляемым источником питания на переменном токе промышленной частоты предназначена для реализации процесса ЭМО рабочих поверхностей деталей машин с целью обеспечения и повышения их эксплуатационных показателей.
Применение переменного тока промышленной частоты по импульсной схеме на данной установке (от управляемого источника питания) обеспечивает большую глубину упрочнения (до 2 мм), высокую микротвердость упрочненного слоя (до 1000 НV), шероховатость поверхности (без отделочной
обработки) в пределах Rа = 0,8…3,2 мкм.
Отделочная обработка производится, когда не требуется большая глубина упрочнения (до 0,3 мм), а необходимо значительное уменьшение значений параметров исходной шероховатости (для Rа в 4 ‒ 10 раз).
Применение переменного тока по импульсной схеме обеспечивает плавный переход твердости от поверхности к сердцевине, большую глубину упрочнения и высокую микротвердость упрочненного слоя.
Применяется технологическая оснастка, состоящая из двухроликовой головки, закрепляемой в резцедержателе, и средств коммутации, что позволяет использовать технологию ЭМО мобильно в совокупности с любым токарным станком.
Таким образом, достигается равномерный и минимальный износ профиля железнодорожного колеса за счет электромеханического упрочнения с изменяющейся силой тока в процессе обработки, от которой в свою очередь зависит степень и глубина упрочнения. Это позволяет дольше сохранять профиль колеса в процессе эксплуатации, что ведет к увеличению срока службы в 1,3 ‒ 1,5 раза.
Заключение
Научные исследования, практика и статистика 1960 ‒ 2000 гг. показали, что надежность изделий машиностроения на 70 % определяется износом поверхностей трения [6]. Это говорит о необходимости повышения износостойкости поверхностей трения. В статье на конкретных примерах показано, что такую проблему частично можно решать технологически, создавая и развивая предложенное направление наукоемких триботехнологий. Авторы предлагают аспирантам и молодым кандидатам наук, технологам и трибологам подключиться к развитию и реализации на практике данного научного направления.
1. Наукоемкие технологии в машиностроении / А.Г. Суслов, Б.М. Базров, В.Ф. Безъязычный и др.; под ред. А.Г. Суслова. М.: Машиностроение,
2. 528 с.2. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1966. 480 с.
3. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2000. 320 с.
4. Штайерман И.Я. Контактная задача теории упругости. М: Гостехиздат, 1949. 272с.
5. Фундаментальные основы технологического обеспечения и повышения надежности изделий машиностроения / под ред. А.Г. Суслова. М.: Инновационное машиностроение, 2022. 552 с.
6. Проников А.С. Надежность машин. М.: Машиностроение, 1978. 590 с.
7. Kragelsky I.V. Friction and wear. Moscow: Mashinostroenie, 1966. 480 p.
