Брянск, Брянская область, Россия
Брянск, Брянская область, Россия
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (Профессор)
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (Профессор)
Брянск, Брянская область, Россия
Брянск, Брянская область, Россия
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
В статье представлены результаты исследований возможностей технологического управления формированием эксплуатационных параметров шероховатости трибоэлементов соединений трения скольжения комбинированными антифрикционными методами обработки. Возможности технологического управления параметрами шероховатости поверхностей деталей исследовалось для двух вариантов обработки деталей – на основе нанесения твердых износостойких нитридсодержащих покрытий на поверхности деталей и на основе нанесения мягких медесодержащих приработочных пленок на рабочие поверхности деталей в сочетании с методами обработки поверхностным пластическим деформированием. Поверхностное пластическое деформирование осуществлялось методами алмазного выглаживания или накатыванием шариком. В качестве управляющих факторов в экспериментальных исследованиях рассматривались как условия обработки поверхностей деталей, так и условия их приработки в парах трения скольжения. Приработка соединений осуществлялась на программируемом стенде (машине трения), позволяющем моделировать как статические нагрузки, так и динамические, изменяющиеся по периодическому закону с заданными параметрами. Были получены 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. Для оценки степени влияния технологических факторов обработки на формирование эксплуатационной шероховатости поверхностей деталей осуществлялось их ранжирование методом Парето. Проводилась оценка степени согласованности влияния управляющих факторов на формирование параметров эксплуатационной шероховатости с помощью коэффициента ранговой конкордации. Представленная в статье информация необходима для практического применения в области проектирования технологических методов комбинированной антифрикционной обработки поверхностей деталей соединений трения скольжения машин и механизмов.
износостойкость, мягкие приработочные пленки, нитридсодержащие покрытия, алмазное выглаживание, приработка, модели формирования параметров шероховатости
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. Инженерия поверхности деталей / А. Г. Суслов, В. Ф. Безъязычный, Ю. В. Панфилов [и др.]; под редакцией А. Г. Суслова. М.: Машиностроение, 2008. 320 с.
2. Технологическое обеспечение и повышение эксплуатационных свойств деталей и их соединений / А.Г. Суслов, В.П. Федоров, О.А. Горленко [и др.]; под общ. ред. А.Г. Суслова. М.: Машиностроение, 2006. 447 с.
3. Горленко О.А., Шохиён А.Н., Щербаков А.Н. Технологические методы продления долговечности цилиндрических поверхностей трения // Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2023. № 2 (140) С. 40-48. doihttps://doi.org/10.30987/2223-4608-2023-2-40-48.
4. Моргаленко Т.А. Технология обработки поверхностей трения скольжения, основанная на применении твердых износостойких покрытий с учетом влияния технологической наследственности // Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2020. № 12 С. 31-38. doihttps://doi.org/10.30987/2223-4608-2020-12-31-38.
5. Нагоркин М. Н. Параметрическая надёжность технологических систем чистовой и отделочно-упрочняющей обработки поверхностей деталей машин инструментами из сверхтвёрдых синтетических материалов: монография / под ред. А. В. Киричека. М.: Издательский дом «Спектр», 2017. 304 с.
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. Федоров В. П., Суслов А. Г., Нагоркин М. Н. Диагностика технологических систем по надежности обеспечения заданных параметров качества обрабатываемых поверхностей деталей // Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2020. № 1 (103). С. 15-24. doihttps://doi.org/10.30987/2223-4608-2020-2020-1-15-24.
9. Аверченков В.И., Федоров В.П., Хейфец М.Л. Основы математического моделирования технических систем. М.: Флинта, 2021. 271 с.
10. Федоров В.П., Нагоркин М.Н., Вайнер Л.Г. Методологические основы диагностики технологических систем металлообработки по параметрической надежности обеспечения заданного качества обрабатываемых поверхностей // Вестник Брянского государственного технического университета. 2021. № 11 (108). С. 49-63. doihttps://doi.org/10.30987/1999-8775-2021-11-36-50.
11. Суслов А.Г., Федоров В.П., Нагоркин М.Н., Пыриков И.Л. Комплексный подход к экспериментальным исследованиям технологических систем металлообработки по обеспечению параметров качества и эксплуатационных свойств поверхностей деталей машин // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2018. № 10. С. 3-13. doihttps://doi.org/10.30987/article 5bb4b1f9abbc54.46761484.
