Определение фактической площади контакта поверхностей взаимодействующих деталей

ственного университета. Сер. Технические науки. 2011. № 1 (34). С. 113120.

M.V. Gryazev, A.V.Stepanenko

EXPERIMENTAL DETERMINATION OF FORCES OF CUTTING AT KASATELN MILLING OF BODIES OF ROTATION

Experimental installation for determination of power dependences at kasatelny milling of bodies of rotation is described. Empirical dependences are deduced, the potrebny capacity of cutting and force of giving are defined.

Key words: milling of bodies of rotation, cutting capacity, experimental installation power dependences.

Получено 17.10.12

УДК 621.79; 621.9

В.М. Грязев, студент,

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФАКТИЧЕСКОЙ ПЛОЩАДИ КОНТАКТА ПОВЕРХНОСТЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ ДЕТАЛЕЙ

Рассмотрены методы определения фактической площади контакта реальных поверхностей. Даны их сравнительные характеристики. Показано, что среди точных методов наиболее простым является адгезионный с вакуумным напылением угольных пленок, однако в цеховых условиях более приемлемыми являются методы контроля контакта поверхностей по краске или копоти.

Ключевые слова: площадь контакта, реальные поверхности, методы контроля отпечатка поверхностей.

Контакт идеальных поверхностей может быть представлен тремя видами сопряжения. Поверхности одинаковых параметров имеют полный (100 %-ный) контакт, например, поверхности общего вида (рис. 1, а), плоские (рис. 1, б). По линиям контактируют линейчатые поверхности с плоскостями (рис. 1 ,в) и нелинейчатые с поверхностями общего вида, но с одним общим параметром (рис. 1,г). Контакт поверхностей с различными параметрами осуществляется в точке (рис. 1, д).

Реальные поверхности деталей машин по своей общей форме и местному рельефу лишь приближаются к своим идеальным прообразам. Понятие пятна контакта как меры плотности прилегания отдельных сопрягающихся элементов применимо к реальным поверхностям. Контакт реальных поверхностей отличается от идеального номинального контакта, площадь которого равна номинальной площади соприкосновения двух поверхностей, заданных в чертежах одинаковыми параметрами. В соответствии с этим различают [1] фактическую и контурную площади контакта.

Фактической площадью контакта называется площадь, по которой осуществляется контакт микронеровностей, образующих шероховатость. Контурная же площадь контакта определяется наличием макроотклонений и волнистости. При используемых на практике методах проверки контакта с помощью промежуточного красящего слоя определяется именно контурная площадь контакта.

На рис. 2 схематично показаны фактическая Фг, контурная Фс и номинальная Фа площади контакта. Фактическая площадь контакта обычно составляет от номинальной десятые и даже сотые доли процента, а контурная - несколько процентов [2].

Рис. 1. Контактные сопряжения идеальных поверхностей: а, б - полный поверхностный контакт; в, г - контакт по линиям; д - контакт в точке

Рис. 2. Номинальная Фа, контурная Фс и фактическая Фг площади контакта

Известные в настоящее время более точные методы измерения контакта поверхностей - электрический [1,2]; геометрический [2,3]; адгезионный [1,2]; оптический [2]; физико-химический [3] - используются для определения фактической площади контакта. Из перечисленных методов наиболее простым и удобным следует признать адгезионный. Он основан на нанесении тонких угольных плёнок посредством распыления угля специальным устройством в вакууме.

Метод определения площади контакта с помощью тонких пленок, наносимых на одну из сопряженных поверхностей, является наиболее простым и удобным. В связи с этим были исследованы пленки различных ве-

ществ с точки зрения их применимости для этой цели. Такие пленки должны быть достаточно тонкими, чтобы не искажать профиль поверхности, и легко разрушаться в местах контакта. Кроме того, способ обнаружения пленок на поверхности должен быть достаточно простым и надежным. В частности, исследования пленок канифоли, наносимых по методике, описанной в работе [4], показали, что площадь разрушения таких пленок в местах контакта не полностью соответствует площади контакта. Обнаружение таких пленок при помощи люминофоров связано со значительными неудобствами.

Наилучшие результаты были получены при применении угольных пленок, напыляемых на образец, при распылении углерода в вакууме. Перед нанесением пленки поверхность образца промывалась для удаления жира четыреххлористым углеродом. Для напыления пленки использовался вакуумный пост, давление выбирались «минус» мм рт. ст. На

рис. 3 представлена схема устройства для напыления пленки.

Рис. 3. Схема устройства для напыления угольной пленки в вакууме:

1 - колокол; 2 - держатель углей; 3 - угольные стержни;

4 - держатель образца

Испарение угля происходит с разогретой поверхности двух угольных стержней, помещенных под колокол вакуумного поста и образующих контакт с высоким сопротивлением. Питание дуги осуществлялось низковольтным трансформатором, рассчитанным на большие токи.

Для напыления использовались угли с минимальными примесями посторонних веществ, обычно применяемые при спектральном анализе. В зависимости от условий напыления (форма заточки углей, давление, расположение образцов, время напыления) толщина и прочность пленки значительно менялись. Прочность пленки зависит также от времени выдержки на воздухе, с течением времени она возрастает.

В некоторых случаях угольный слой оказывается слишком прочным (например, его нельзя полностью удалить для повторного использования

образцов), Для того чтобы уменьшить прочность угольного слоя, на поверхность металла наносится тонкий слой подложки.

Молекулярные силы, действующие на границе угольная пленка -образец, заменяются взаимодействием угольная пленка - подложка - образец. Подложка легко удаляется при помощи летучего растворителя, а вместе с ней удаляется и пленка.

Хорошие результаты были получены при использовании в качестве подложки пленки вазелина. Для нанесения пленки использовался метод титрованного раствора [5]. Для этой цели приготовлялся раствор вазелина в бензоле. Образец помещали в раствор и медленно извлекали. Толщина пленки вазелина менялась в зависимости от скорости извлечения и концентрации раствора. Толщина применяемой подложки была менее 10 ммк. Для определения толщины угольной пленки ее напыляли на поверхность стальной плитки высокой чистоты обработки и наносили на ней царапину. Рассматривая пленку с царапиной с помощью микроинтерферометра Лин-ника МИИ-4, можно было по изгибу линии интерференции в зоне царапины определить толщину пленки.

Толщина угольной пленки определяет ее цвет. Оказалось, что угольная пленка толщиной 30 ммк уже обнаруживается визуально на поверхности с высокой чистотой обработки металлов. Так, серому цвету пленки соответствует её толщина 0,03...0,04 мкм, а черному -0,3...0,5 мкм. Для определения площади контакта точное измерение толщины пленки необязательно, необходимо только, чтобы она была значительно меньше высоты неровностей. Так, пленки толщиной 0,2.0,3 мкм пригодны для изучения контакта поверхностей с шероховатостью до Ш = 2,5...1,25 мкм. Более тонкие пленки позволяют определять площадь контакта поверхностей с шероховатостью до Ш = 0,16 мкм включительно. Пленки малой толщины не искажают профиль поверхности, на которую они наносятся.

При изучении площади контакта поверхностей с высокой чистотой обработки надежного разрушения пленки в местах контакта можно добиться, воздействуя тангенциальной силой на контактирующие образцы, находящиеся под нагрузкой. В некоторых случаях достаточно приложение тангенциальной силы без сдвига, в других случаях применялся сдвиг примерно на 1 мкм. При сдвиге на 1 мкм площадь касания при упругом контакте почти не меняется, как это показывают приведенные ниже эксперименты, в то время как надежность измерения возрастает. Пленка в этом случае наносилась на поверхность, имеющую большую шероховатость.

Для поверхностей средней и грубой обработки (с шероховатостью до ^ = 6.3 мкм) пленка надежно разрушается в местах контакта и без воздействия тангенциальных сил вследствие деформаций, возникающих в процессе нагружения. При сопряжении поверхностей угольная плёнка в местах контакта разрушается, и при разъединении деталей на общем фоне угольного покрытия отчётливо видны светлые пятна, совокупность кото-

рых составляет площадь контакта. Достоинством этого метода является возможность нанесения очень тонких (до 0,03...0,05 мкм) плёнок, что и даёт возможность измерять фактическую площадь контакта, так как толщина плёнки значительно меньше высоты микронеровностей. Однако адгезионный метод, так же, как и другие ранее перечисленные методы, распространения не получил. Общей причиной этого обстоятельства является необходимость использования специального оборудования, а также значительная трудоёмкость их реализации.

Красящий слой для взаимно облегающих поверхностей, допускающих относительное скольжение друг по другу, наносят с помощью берлинской лазури, растертой с вазелином и машинным маслом. Для поверхностей, только соприкасающихся друг с другом и не допускающих в силу конструктивных особенностей относительного скольжения, красящий слой наносят в виде копоти.

Первый способ используют, например, для проверки угла конуса инструмента. Угол конических поверхностей проверяют припасовкой детали конической пары по краске к калибру (тонкий слой краски наносят на коническую поверхность калибра или детали). Критерием годности детали является равномерное растирание всего слоя краски при тугих относительных поворотах калибра и детали («полная припасовка»), что будет иметь место в тех случаях, когда наносимый слой краски компенсирует разницу в углах конуса калибра и изделия, а также погрешности геометрической формы. Таким образом, точность контроля конусов по углу, а также по геометрической форме путем припасовки зависит от толщины и постоянства толщины наносимого слоя краски. Толщина этого слоя не должна превышать 4 мкм при длине конуса до 100 мм и 6 мкм при длине конуса свыше 100 мм. Поскольку цветовой оттенок наносимой краски зависит от толщины ее слоя, то при известном навыке воспроизводить требуемую толщину слоя можно сравнительно легко и стабильно [6].

При изучении контактных сближений взаимодействующих деталей автоматических машин необходимо измерять контурную площадь контакта. В реальных производственных условиях измерение этой площади производится с помощью копоти как промежуточного красящего слоя. В отрасли этот приём используется давно, является удобным и поэтому стал традиционным. Тенденций к его замене пока нет. Для обоснования применения контроля пятна контакта по копоти необходимо провести исследование особенностей этого метода для решения задачи выявления и решения размерных цепей с учётом условий контакта сопряжённых деталей.

Список литературы

1. Дёмкин Н.Б., Ланков А.А. Определение фактической площади касания двух тел при помощи угольных плёнок. // Заводская лаборатория. 1965. № 6. С. 739-740.

2. Дёмкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. М.: Машиностроение, 1981. 224 с.

3. Рыжов Э.В., Суслов А.Г., Фёдоров В.П. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин. М.: Машиностроение 1979. 176 с.

4. Тарасенко В.С. Методы и аппаратура для определения фактической площади контакта. М.: ГОСИНТИ, 1961.

5. Ахматов А.С. Молекулярная физика граничного трения. М.: Физматгиз. 1963. 472 с.

6. Васильев А.С., Грязев В.М., Ямников А.С. Функционально связанные сборочные размерные цепи, обеспечивающие нормированный контакт поверхностей /Сборка в машиностроении, приборостроении. № 5. 2012. С.36-40.

V.M. Gryazev

DEFINITION OF FAKTICHESKAYA SQUARE OF CONTACT SURFACES OF COOPERATING DETAILS

Methods of determination of the actual area of contact of real surfaces are considered. Their comparative characteristics are given. It is shown that among exact methods the simplest is adhesive with a vacuum dusting of coal films. However in shop conditions control methods of contact of surfaces on paint or a soot are more acceptable.

Key words: contact area, real surfaces, control methods of a print of surfaces.

Получено 17.10.12

УДК 621.9

Д.П. Волков, ассист., (4872) 40-96-60, dreamslider@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

А.С. Ямников, д-р техн. наук, проф.,

КОМПЛЕКСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВИНТОВЫХ ПРЕССОВЫХ ОПРАВОК

Приведен метод нанесения винтовых впадин на внутренних поверхностях цилиндрических заготовок. Рассмотрены факторы, препятствующие свободному снятию винтовой оправки с обработанной заготовки. Предложена комплексная технология изготовления винтовых многозаходных оправок.

Ключевые слова: оправка, прямобочный профиль, винтовые впадины, обкаточный инструмент, хонингование.

В специальных отраслях машиностроения существует ряд деталей, имеющих форму цилиндра, на внутренних поверхностях которых выполнены углубления в виде наклонных разнонаправленных винтовых канавок. Главными недостатками подобных изделий являются неудовлетворительные показатели основного действия из-за повышенной толщины стенки