Влияние ультразвуковых колебаний на интенсивность изнашивания металлов

УДК 621.757:62- 752

Родимов Г.А., Батищева. О.М., Лаптев В.А. , Гудков А.И.

Самарский государственный технический университет

ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ИЗНАШИВАНИЯ МЕТАЛЛОВ

Аннотация. В статье обсуждаются результаты экспериментальных исследований влияния ультразвуковых колебаний на интенсивность изнашивания металлов.

Ключевые слова: интенсивность изнашивания металлов, контактное взаимодействие, ультразвуковые колебания.

Изменение условий контактного взаимодействия деталей под воздействием ультразвука и протекающие при этом физико-химические процессы оказывают существенное влияние на механизм изнашивания поверхностей [1,2]. Результаты исследований характера нагружения поверхностей, их адгезионного взаимодействия и энергетического состояния позволило идентифицировать физический механизм изнашивания в ультразвуковом поле как процесс контактной усталости с последующим разрушением в результате накопления повреждений [1,2]. Совместное действие сил трения и высокочастотного циклического нагружения обуславливает возникновение сложного напряженного состояния поверхностного слоя деталей и ускоряет развитие процессов усталостного изнашивания. Последнее в значительной мере связано с особенностями деформационного упрочнения поверхностного слоя, которое в условиях ультразвукового воздействия включает несколько этапов.

На первом этапе вследствие знакопеременных сдвиговых деформаций быстрее, чем при обычном трении скольжения, развиваются пластические деформации, и возникает предельное для данных условий трения упрочнение. Дальнейшее знакопеременное деформирование исчерпывает возможности микрообъемов упрочняться и интенсифицирует усталостные процессы. В этом случае металл испытывает за короткий промежуток времени большое количество циклов нагружения, что вызывает разрушение при напряжениях не только ниже предела текучести, но и предела упругости [3].

С целью определения оптимальных характеристик процесса сборки подвижных соединений, были проведены исследования процессов изнашивания в ультразвуковом поле. В выполненных исследованиях на подвижное сопряжение накладывались колебания ультразвуковой частоты лишь как средство, позволяющее воздействовать на контактное трение и механизм изнашивания, а также на кинематику и динамику деталей подвижного сопряжения.

Прохождение вынужденных колебаний ультразвуковой частоты через детали подвижного сопряжения зависит не только от мощности излучателя, но и от многих других внешних факторов. Исследования инденторов различной конструкции показали, что минимальные потери ультразвуковой энергии достигаются тогда, когда контртело не имеет сложных конструктивных переходов. Основываясь на

данных [3], это можно объяснить тем, что отраженные волны от поверхности контртела и сопряженного с ним вала, идущие в противоположном ультразвуковым колебаниям направлении, незначительны и их энергия минимальна. Общую картину прохождения ультразвуковых колебаний через сопряжение можно представить так: частично они поглощаются металлом контртела, достигнув поверхностей

контртела, часть волн в зависимости от коэффициента отражения пойдет от этих поверхностей в другом направлении, а оставшаяся часть пойдет в сопряженную с контртелом деталь. При каждом отражении часть энергии продольных волн будет переходить в сдвиговые и наоборот. Если площадка, на которой происходит возбуждение колебаний, по сравнению с длиной волны велика, то она служит источником плоской волны, а если мала - сферической. Однако и в том и другом случае на границе площадки возбуждаются сдвиговые волны.

Установлено аналогичное обычному фрикционному взаимодействию влияние удельного давления в контакте и скорости относительного перемещения поверхностей на линейную интенсивность изнашивания Jn:

_ dH

Jn ~ jr

dLmp

где Н - износ, мкм;

Lmp - путь терния, м.

С увеличением этих характеристик в исследованном диапазоне интенсивность изнашивания Jn растет.

На рис. 1 показаны графики изменения интенсивности изнашивания Jn в зависимости от удельного давления р, скорости относительного перемещения и и направления ультразвуковых колебаний для пары сталь 45 - сплав Д16. Введение в зону контакта нормальных ультразвуковых колебаний увеличивает интенсивность изнашивания в меньшей степени по сравнению с тангенциальными колебаниями. Под действием колебаний независимо от величины исходной шероховатости и твердости наблюдается интенсивное деформирование микровыступов, изменение их формы и размеров, что интенсифицирует процесс приработки поверхностей. При соприкосновении поверхностей взаимодействие их микрорельефов происходит по вершинам наиболее высоких неровностей, поэтому в начале нагружения наибольшее влияние на время приработки оказывают шероховатость, твердость материалов и время контакта.

Рис. 1. Влияние удельных давлений, скорости относительного перемещения и направления колебаний на интенсивность изнашивания

сталь 45 - сплав Д16; а - V=0,01 м/с; б - р=20 МПа; ^=6 мкм; f =20 кГц;

1 - обычное; 2 - нормальные УЗК; 3 - тангенциальные УЗК

Анализ результатов исследований, и данных работ [1,2,3] позволяет сделать вывод, что механизм приработки поверхностей под воздействием ультразвуковых колебаний связан с интенсификацией развития сдвиговых деформаций, генерированием дефектов структуры, разрушением металлических связей, образованием новых поверхностей и увеличением их свободной энергии. Ускоряя сдвиговые деформации, ультразвуковые колебания способствуют более активному формированию равновесной шероховатости контактных поверхностей в процессе сборки, что позволяет существенно сократить время приработки поверхностей деталей из стали. Причем, детали, прошедшие приработку под воздействием ультразвуковых колебаний, при дальнейшей эксплуатации имеют одинаковый с обычно приработанными деталями износ, как это показано в работе [3].

Рассмотрение результатов исследований, приведенных на рис. 2., показывает, что при введении в зону контакта ультразвуковых колебаний время приработки снижается с 80 секунд при обычном взаимодействии до 6 секунд при нормальных и до 4 секунд при тангенциальных колебаниях. Меньшие значения времени приработки в последнем случае связаны с более интенсивными процессами усталостного разрушения, сопровождающими тангенциальные ультразвуковые колебания.

Рис. 2. Время образования равновесной шероховатости

а - обычное изнашивание; б - нормальные УЗК; в - тангенциальные УЗК; р=40 МПа; V=0,1 м/с; ^=6 мкм; f=20 кГц

При фрикционном взаимодействии стальных деталей в ультразвуковом поле описанные выше особенности в основном сохраняются. Однако при контакте поверхностей с одинаковой исходной твердостью наложение ультразвуковых колебаний на индентор снижает его твердость, а его шероховатость изменяется, приближаясь к шероховатости контртела до тех пор, пока не наступит равновесное состояние, характерное для данных условий трения. Если в качестве индентора используется более твердый материал, то путем подбора соответствующих параметров ультразвуковых колебаний можно достигнуть значительного снижения его твердости и интенсифицировать процесс приработки. Наиболее эффективно приложение ультразвуковых колебаний на деталь с более высокой шероховатостью контактирующей поверхности. Так, при взаимодействии стали 45 (НВ200) и стали 40Х (НВ230) в ультразвуковом поле (£ =6 мкм и / =20 кГц) процесс приработки при скорости вращения 1,0 м/с происходит в течение 5...6 с. Аналогичные результаты получены и при фрикционном взаимодействии закаленных сталей, однако, время образования равновесной шероховатости увеличивается в 2-3 раза. Это свидетельствует об интенсификации процесса изнашивания в ультразвуковом поле.

Таким образом, проведенными исследованиями установлено, что введение ультразвуковых колебаний в зону фрикционного взаимодействия поверхностей увеличивает интенсивность изнашивания по сравнению с обычным контактированием. При этом большая интенсивность изнашивания наблюдается при введении тангенциальных колебаний. Интенсификация процесса изнашивания способствует сокращению времени приработки поверхностей с образованием равновесной шероховатости. Это создает хорошие предпосылки для управления этим процессом путем рационального выбора параметров ультразвуковых колебаний и их направления.

ЛИТЕРАТУРА

1. Красулин Ю.Л. Взаимодействие металла с полупроводником в твердой фазе. М.: Наука, 1971.

127 с.

2. Северденко В.П., Клубович В.В., Степаненко А.В. Прокатка и волочение с ультразвуком. Минск: Наука и техника, 1970. 288 с.

З.Филяев А.Т. Изнашивание сталей в ультразвуковом поле. Минск: Наука и техника. 1978. 288

с.