Влияние микрогеометрии поверхности на ее износостойкость - планирование эксперимента

3

МЕХАНИКА, ТЕХНОЛОГИИ, САПР

ВЛИЯНИЕ МИКРОГЕОМЕТРИИ ПОВЕРХНОСТИ НА ЕЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ - ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА А.В. Терещенко Научный руководитель - д.т.н., профессор В.А. Валетов

В статье освещен вопрос планирования эксперимента для определения влияния микрогеометрии на износостойкость поверхности, нахождения оптимальной микрогеометрии для данного свойства с учетом имеющегося оборудования на базе использования непараметрических критериев. Также заложена основа для последующего построения теоретической модели получения заданной износостойкости с учетом шероховатости.

Введение

Оптимизация микрогеометрии поверхностей - это один из немногих экономически выгодных в настоящее время способов повышения качества изделий. Традиционно применяемые методы, как, например, использование новых материалов или повышение точности изготовления, либо неспособны удовлетворить объем запросов производства, либо практически подошли к порогу экономической целесообразности своего применения. Поэтому, если учесть тот факт, что микрогеометрия играет важнейшую роль в таких свойствах поверхностей, как адгезия, трение и износостойкость при скольжении и качении, контактная жесткость, отражательная способность, износостойкость при переменных нагрузках, коррозионная стойкость, качество лакокрасочных покрытий и т.д., всего не менее двадцати функциональных свойств; то создание оптимального микрорельефа рабочих поверхностей деталей, наряду с применением термических и физико-механических способов улучшения их поверхностного слоя, является одним из основных и наиболее эффективных резервов значительного повышения качественных показателей машин и приборов.

В настоящее время возможности управления микрогеометрией для повышения качества производимых изделий используются мало и неэффективно, не в последнюю очередь из-за малоинформативных стандартных критериев, неспособных адекватно точно и полно отражать изменения реального микрорельефа в процессе обработки либо под воздействием эксплуатационных нагрузок. В статье рассматривается вопрос планирования эксперимента для определения влияния микрогеометрии на износостойкость поверхности с использованием современного оборудования, полученного кафедрой технологии приборостроения СПбГУ ИТМО в рамках государственного гранта, и нахождения оптимальной микрогеометрии для данного свойства с учетом имеющегося оборудования на базе использования непараметрических критериев, составляющих основу методики автоматизированной оценки микрогеометрии поверхностей, реализованной в программном продукте «Профиль». Также заложено основание для последующего построения теоретической модели получения заданной износостойкости с учетом шероховатости.

Износостойкость, ее важность, влияние микрогеометрии

Износостойкость (износоустойчивость) - сопротивление материалов деталей машин и других трущихся изделий износу. Износостойкость оценивается, например, по убыли массы детали за время ее работы [1]. Износостойкость является эксплуатационным свойством, определяющим способность поверхностных слоев деталей сопротив-

ляться разрушению при трении скольжения, трении качения, а также при микроперемещениях, обусловленных воздействием вибраций. В результате износа деталей машин понижается КПД, теряется точность, снижается прочность, увеличиваются динамические нагрузки, которые являются следствием увеличения зазоров в сопряжениях, повышается шум при работе. Поэтому несомненно, что это свойство имеет огромную экономическую важность для всех без исключения изделий и производств.

В настоящее время износостойкость преимущественно повышают за счет различных видов упрочнения поверхностного слоя - физических, химических, комбинированных. При этом возможности улучшения износостойкости за счет изменения микрогеометрии поверхности используются слабо. Это связано с тем, что износостойкость зависит от всего диапазона микронеровностей - отклонений формы, волнистости, шероховатости, их направлений и взаимосочетаний, при этом существующие стандарты не дают достаточно точных инструментов, позволяющих полно и точно описать все их многообразие. Давно доказано, что нынешние широко распространенные параметры не позволяют различать даже совершенно различные в эксплуатационном плане микрогеометрии, присваивая им одинаковые значения параметров [2, 3]. Очевидно, что, не имея точного и полного описания, невозможно различать различные микрогеометрии, а при невозможности их различить - невозможно и точно устанавливать связь между величиной износостойкости и значениями показателей микрогеометрии. Это, в свою очередь, и обусловливает непопулярность ориентированных на микрогеометрию методов управления величиной износостойкости.

При взаимном перемещении контактирующих плоских или цилиндрических поверхностей, имеющих микронеровности (шероховатость), в первоначальный момент происходит срез, отламывание и пластический сдвиг вершин неровностей, так как их контакт происходит по вершинам неровностей. Сначала сравнительно быстро происходит начальное изнашивание (приработка). При правильном режиме смазывания изнашивание протекает медленно, что обусловлено образованием равновесной шероховатости. Этот период времени определяет срок службы детали. Наконец, на последнем этапе жизни детали происходит так называемое катастрофическое изнашивание пары. Такова классическая теория изнашивания, но исследование этого процесса с применением намного более точных показателей - непараметрических критериев - показало, что не все так однозначно: там, где традиционные параметры показывают установившуюся «равновесную шероховатость», на самом деле происходит циклический процесс смены различных микрогеометрий [3].

Именно поэтому целью данной работы является разработка плана исследования влияния микрогеометрии на износостойкость поверхностей деталей на качественно новом уровне - с использованием современного оборудования (профилометра, машины трения) и, главное, программного обеспечения - системы «Профиль» - реализующего анализ микрогеометрии при помощи непараметрических критериев, таких как плотности и функции распределения ординат и тангенсов углов наклона профиля, позволяющих заметить и проанализировать мельчайшие отклонения различных микрогеометрий друг от друга в автоматизированном режиме [4]. Кроме этого, будет показана схема проведения оптимизации микрогеометрии для данного функционального свойства с учетом имеющегося оборудования - процесса, который позволяет получить максимально возможное значение свойства на данном предприятии (наборе оборудования и технологических приемов).

План эксперимента по определению влияния микрогеометрии на износостойкость при трении скольжения и схема ее оптимизации с учетом имеющегося оборудования

Для исследования влияния микрогеометрии на износостойкость необходимо зафиксировать все параметры заготовок, кроме шероховатости (материал, состояние поверхности, вид и параметры обработки), изменения которой можно достичь, например, меняя один из параметров режима резания.

С учетом экономических соображений и наличия оборудования выбран способ обработки - фрезерование без СОЖ, скорость и подача фиксированы, меняется глубина резания. Для достоверности, с учетом требований теории планирования эксперимента и данных, полученных в работах [3, 5], целесообразно создать четыре комплекта образцов с разной шероховатостью по три образца в каждом и снимать по три профиля на образец.

Требования к заготовкам и режимам резания назначены, исходя из удобства их обработки на фрезерном станке, а также из экономических соображений.

Заготовки: конструкционная сталь 45, прямоугольный параллелепипед 60*50*10 мм. Обработка - на вертикально-фрезерном станке цилиндрической фрезой 50 мм из быстрорежущей стали с 12 косыми зубьями. Режимы резания: скорость резания V = 19 м/мин, подача £ = 36 мм/мин=0,024 мм/зуб, глубины резания = 0,4 мм, 12 = 0,6 мм, t3 = 0,8 мм, = 1 мм для каждого из наборов, соответственно. Помимо фрезерного

станка, в состав требуемого оборудования входят профилометр с возможностью обмена данными с ПК, машина трения, аналитические или лабораторные весы.

Согласно [3], для получения профилей выбираем базовую длину 10 мм - для учета волнистости, также влияющей на износостойкость. Измерения будем проводить в поперечном направлении, так как критерий стационарности выполняется только для него, а продольное направление непригодно для оценки микрогеометрии фрезерованной поверхности.

После получения набора образцов пошаговый план выполнения эксперимента выглядит следующим образом:

1) получение трех профилей поверхности до испытания в поперечном направлении, расчет непараметрических критериев и стандартных критериев Яа, Я^, Яш по ГОСТ 2789-73 в системе «Профиль», измерение массы образца;

2) испытание образца на машине трения без смазки по стандартному циклу согласно документации;

3) получение трех профилей поверхности после испытания в поперечном направлении, расчет непараметрических критериев и стандартных критериев Яа, Я^, Яш по ГОСТ 2789-73 в системе «Профиль», измерение массы образца - масса, которая была потеряна и станет критерием износостойкости.

Целесообразно ввести систему обозначения образцов для фиксации данных эксперимента в виде: №комплекта-№образца в комплекте-{Д или П}, где последняя буква обозначает, соответственно, образец до или после испытания. Например, обозначение вида 1-2-П будет обозначать первый комплект образцов, второй образец в комплекте, после испытания. По результатам эксперимента полученные данные будут занесены в таблицы.

Рассчитанные непараметрические критерии будут храниться в электронном виде в формате системы «Профиль».

На основании полученных данных можно будет установить взаимосвязь микрогеометрии поверхностей и измеренных уровней износостойкости поверхностей, сделать выводы о том, какие формы микрорельефов дают наиболее высокую износостойкость и что, в технологическом плане мы сможем сделать для получения такой микрогеометрии в будущем. При этом; если отбросить некоторые данные, которые мы получаем в результате этих опытов, становится очевидным, что перед нами - работающий метод оптимизации микрогеометрии для требуемого свойства (износостойкости) на конкретном парке оборудования и технологических приемов. Несмотря на искусствен-

ность выбора параметров резания, вызванную необходимостью контролировать условия эксперимента, в условиях реального производства схема будет абсолютно такой же: формирование набора образцов, обработанных на оборудовании и с применением традиционных технологических приемов, характерных для данного производства; получение непараметрических критериев каждого из образцов, последующие испытания на нужное нам свойство, выбор наилучшего образца, а по нему и технологических условий его получения и характерной для него микрогеометрии, описанной непараметрически. После этого остается только задать допустимые пределы отклонения от этой, эталонной, микрогеометрии и производить уже серийные изделия, контролируя микрогеометрию при помощи полученного таким образом шаблона, что при современном уровне развития вычислительной и измерительной техники может выполняться в полностью автоматическом режиме.

Образец/критерий Яа, мкм Яд, мкм Яш, мкм Масса, г

Таблица 1. Журнал испытаний

Критерий (среднее значение) Яа, мкм Яд, мкм Яш, мкм Масса, г

1-й комплект до испытаний

после испытаний

изменение в %

2-й комплект до испытаний

после испытаний

изменение в %

3-й комплект до испытаний

после испытаний

изменение в %

4-й комплект до испытаний

после испытаний

изменение в %

Таблица 2. Расчетные значения

Модель износостойкости, учитывающая микрогеометрию

На основании испытаний, описанных в предыдущем разделе, возможно будет установить взаимосвязь износостойкости поверхности и ее микрогеометрии на качественно новом уровне за счет применения более точного и полного ее описания.

Эта взаимосвязь ляжет в основу построения модели зависимости износостойкости от микрорельефа поверхности, конечной целью создания которой является получение инструмента, позволяющего на входе задавать требуемый уровень свойства, а на выходе - технологические условия его получения вплоть до режимов обработки. Такая модель позволит реализовать автоматизированный режим подбора технологических приемов на этапе ТПП, гарантируя при этом получение максимально возможного уровня свойства на выходе. Реализована она может быть как в виде математических зависимостей непараметрических критериев профиля с уровнем износостойкости (потери массы при испытаниях), так и в виде экспертной системы с набором эвристик, реали-

зующих выявленные закономерности, в том случае, если их формализация на языке математики будет невозможна или нецелесообразна.

Все это приведет к снижению затрат на производство с одновременным повышением качества выпускаемой продукции за счет сокращения времени принятия решения и более обоснованного выбора качества обработки поверхности. Уже было показано, что микрогеометрия, выбираемая на основе традиционных подходов, может быть неоптимальной и одновременно более дорогой в изготовлении, чем оптимальная для данного свойства [6].

Заключение

Мы рассмотрели экономические предпосылки целесообразности исследования взаимосвязи микрогеометрии поверхности и ее износостойкости на основе принципиально нового подхода с применением непараметрических критериев оценки микрогеометрии.

Предложен план эксперимента по установлению взаимосвязи, приведены фактические сведения, необходимые для его реализации на технической базе кафедры технологии приборостроения СПбГУ ИТМО, а также любой другой организации, предприятиях, обладающих соответствующим оборудованием.

Показана практическая схема проведения оптимизации микрогеометрии для требуемого функционального свойства в условиях конкретного парка оборудования и технологических приемов, изложены предпосылки создания обобщенной модели взаимосвязи микрогеометрии и износостойкости, показаны возможные пути реализации этой задачи.

Литература

1. Большой энциклопедический словарь. - Режим доступа: http://dic.academic.ru/

2. Валетов В.А. Оценка шероховатости, волнистости, отклонений формы поверхностей с помощью ЭВМ / В кн.: Технология судостроения, судового машиностроения, обработка металлов и сварка. - Лен. кораблестроительный ин-т, 1980. - С. 133-135.

3. Валетов В.А Оптимизация микрогеометрии поверхностей деталей в приборостроении. Учебное пособие. - Л.: ЛИТМО, 1989. - С. 100.

4. Терещенко А.В. Программный продукт для автоматизированного анализа и контроля микрогеометрии поверхностей с использованием непараметрического подхода // Инструмент и технологии. - 2004. - №19-20. - С. 109-112.

5. Мусалимов В.М., Валетов В.А. Динамика фрикционного взаимодействия: Монография: В 2-х частях. - СПб: Издательство ПИМаш (ЛМЗ-ВТУЗ), 2006. - 168 с.

6. Валетов В.А. Влияние исходной микрогеометрии на коэффициент сопротивления качению и долговечность роликовых направляющих // Трение и износ. - 1982. -№5. - С. 914-918.