Исследование закономерностей изменения микрогеометрии деталей при трении-скольжении

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ИЗМЕНЕНИЯ МИКРОГЕОМЕТРИИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ТРЕНИИ-СКОЛЬЖЕНИИ

В.А. Валетов, С.Д. Третьяков

Проблема повышения качества выпускаемой продукции актуальна практически для всех отраслей хозяйственной деятельности. В приборостроении, где требования к качеству изделий особенно высоки, повышение их надежности и долговечности невозможно без обеспечения оптимальной точности и качества поверхностей сопряжения элементов приборов. В большинстве случаев именно изнашивание подвижных узлов различных приборов приводит к преждевременному выходу всего изделия из строя. Поэтому создание оптимального микрорельефа рабочих поверхностей деталей является одним из основных и наиболее эффективных методов повышения качественных показателей машин и приборов. Исследования по оптимизации микрогеометрии рабочих поверхностей деталей проводятся уже в течение нескольких десятилетий как в нашей стране, так и за рубежом. В основной своей массе эти исследования направлены на решение проблемы с помощью параметрического описания микрогеометрии поверхности. Базируясь на стандартных критериях оценки микрогеометрии поверхности, которые могут определить лишь отдельные, усредненные характеристики отклонений реальной поверхности от идеальной, такие исследования не позволяют дать точную оценку этих отклонений.

Таким образом, для того, чтобы успешно решить задачу оптимизации микрогеометрии поверхностей, необходимо иметь возможность полного и точного описания микрорельефа функциональных поверхностей. Предложенный В. А. Валетовым [1] непараметрический подход к оценке микрогеометрии функциональных поверхностей позволяет не только решить проблему малой информативности стандартных параметрических критериев, но и открывает перед исследователями новые возможности применения методов оптимизации микрогеометрии поверхностей. Так, развитие различных микро- и нанотехнологий уже сейчас ставит перед учеными вопросы, связанные с возможностью контроля рельефа поверхностей малого масштаба. Естественно, что решать такие задачи при помощи отдельных стандартных критериев оценки микрорельефа не представляется возможным по причине их недостаточной информативности, а раздающиеся призывы к нахождению новых параметров оценки микрорельефа бессмысленны: полное параметрическое описание микрогеометрии поверхностей требует такого количества параметров, что делает задачу практически нерешаемой.

Непараметрический подход к оценке микрогеометрии функциональных поверхностей базируется на интерпретации профиля реальной поверхности как реализации случайной функции. И действительно, микрогеометрия реальной обработанной поверхности зависит от большого количества различных факторов (режимов резания, погрешностей формы, вибрации технологической системы и т.д.), поэтому ее и следует рассматривать как реализацию случайного поля. Таким образом, самую полную информацию о профиле содержат функции плотности распределения его ординат и углов наклона, и, соответственно, в качестве критериев оценки микрогеометрии поверхности используются графики этих функций. Для оценки микрорельефа поверхности могут использоваться графики функции плотности распределения и функции распределения ординат и углов наклона профиля. Графики функций распределения ординат и углов наклона профиля целесообразно применять при экспресс-анализе микрогеометрии поверхности или для приближенной оценки.

Непараметрический подход к оценке микрогеометрии поверхности выводит исследования по оптимизации микрорельефа поверхностей трения-скольжения на практические рельсы. При помощи функций плотностей распределения ординат

профиля и углов его наклона исследования по выявлению характера изменения микрорельефа функциональных поверхностей обретают более совершенное метрологическое обоснование. Таким образом, появляется возможность более достоверной проверки некоторых выводов и рекомендаций по оптимизации микрогеометрии поверхностей трения, которые были сделаны ранее на основе неинформативных параметрических критериев.

Так, широкое распространение получила гипотеза об "установившейся" или "равновесной" шероховатости [3]. На основе этой гипотезы были разработаны методики по оптимизации микрогеометрии функциональных поверхностей. В основе гипотезы об "установившейся" шероховатости лежит экспериментально полученный вывод о том, что по окончании процесса приработки устанавливается шероховатость, не зависящая от величины и характера первоначальной шероховатости, полученной при механической обработке, а зависящая от условий изнашивания. По мнению исследователей, такая шероховатость является оптимальной для данных условий трения и обеспечивает минимальное изнашивание. Таким образом, был сделан вывод о том, что после процесса приработки возникает некоторая шероховатость поверхности, которая уже не будет больше меняться ни при каких условиях и которой соответствует минимальный износ при трении [3]. Этот вывод базировался на том, что при достижении "равновесной" шероховатости прекращалось изменение ее параметров (Яа или Я^) и коэффициентов трения. И, что особо подчеркивалось исследователями, эта "равновесная" шероховатость является независимой от исходной микрогеометрии поверхности. Выводы, сделанные на основе гипотезы о "равновесной" шероховатости, нашли широкое применение в промышленном производстве. Но на практике оказалось, что не всегда приработанные поверхности, микрогеометрия которых была "доведена" до "равновесного" уровня, обладают наилучшими свойствами. Стоит отметить, что практически все исследования, проводимые с целью оптимизации микрогеометрии поверхности, опирались на стандартизованные параметрические критерии оценки шероховатости поверхности. Более того, чаще всего для описания профиля поверхности пользовались только одним единственным критерием (например, Яа или Я^). Это значит, что проблема требует продолжения исследований на более высоком метрологическом уровне.

Для решения задачи оптимизации микрогеометрии поверхности вначале необходимо более подробно изучить характер изменения микрорельефа функциональных поверхностей при трении. Здесь необходимо проведение ряда экспериментов с различными парами трения. Это позволит детально изучить характер изменения микрогеометрии при трении. Первый анализ, проведенных при помощи непараметрических критериев оценки микрогеометрии исследований, показал, что при достижении уровня так называемой "равновесной" шероховатости изменение ее не прекращается, так как при одних и тех же величинах таких параметров, как Яа, и т.д., функции плотностей распределения ординат профилей этих поверхностей существенно различаются (рис.1).

Таким образом, проведенные исследования ясно показали, что такое явление, как "равновесная" шероховатость, не существует. Но, если такой неизменной шероховатости не существует, то можно сделать вывод о том, что изменение микрорельефа поверхностей в процессе их трения происходит постоянно. В таком случае задача оптимизации микрогеометрии поверхностей значительно усложняется.

Для решения задачи оптимизации микрогеометрии поверхности в условиях отсутствия некоторой постоянной шероховатости необходимо выявление закономерностей в изменении микрорельефа. Обнаружение таких закономерностей не только значительно упростит решение задач по оптимизации микрогеометрии поверхности, но и позволит вывести исследования по изменению микрогеометрии на качественно новый уровень.

Рис. 1. Функции распределения ординат профилей двух поверхностей с одинаковыми значениями параметров Ра и Рг

Предположение о циклическом изменении характера микрогеометрии поверхности [2], которое было сделано на основе анализа изменения микрорельефа приработанных поверхностей при помощи непараметрических критериев оценки шероховатости, требует для своего подтверждения или опровержения проведения большого количества экспериментов. Те исследования, которые уже были проведены, позволяют все же утверждать, что в изменениях микрорельефа приработанных поверхностей существует некоторая цикличность. Так, на рис. 2 показаны графики функций плотности распределения ординат профиля поверхности, микрорельеф которой подвергался изучению каждый раз после 10-минутной работы.

Рис. 2. Графики функции плотности распределения ординат профиля одной и той же поверхности, подвергавшейся испытаниям при неизменных условиях

Анализируя эти графики, можно заметить, что пикообразный "всплеск", который физически представляет собой наиболее характерный для данной поверхности уровень впадин (вершин), циклически смещается то в область впадин, то в область вершин. Характерным является то, что расстояние этого "всплеска" от средней линии как в области впадин, так и в области вершин практически одинаково. Таким образом, можно сказать, что для микрорельефа поверхности, представленной функциями плотности распределения ординат на рис. 2, характерно циклическое изменение с интервалом около 10 минут. Однако стоит отметить, что для более точного определения временного интервала необходимо проведение большего количества экспериментов с варьированием времени испытания образца. В целом же можно отметить факт присутствия закономерности циклического характера в изменении микрорельефа поверхности трения-скольжения, что дает основание для продолжения исследований с целью установления нового, ранее неизвестного явления в природе трения поверхностей.

Литература

1. Валетов В. А. Оптимизация микрогеометрии поверхностей деталей в приборостроении. Л., 1989.

2. Валетов В.А. Изменение микрогеометрии поверхностей трения деталей цилиндропоршневой группы судовых дизелей в процессе их работы // Трение и износ, 1983, том 4.

3. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. М., 1977.