Выявление доминирующего фактора, вызывающего трещины в поверхностном слое шлифуемых заготовок из твердых хрупких материалов

стандартного отклонения контактного нажатия а более чем на 20 % по сравнению с базовым вариантом для обоих токоприемников. Внедрение этих усовершенствований позволит замедлить изнашивание контактного провода и контактных пластин токоприемников в процессе эксплуатации.

В настоящее время разработанная математическая модель и программный комплекс применяются компанией «Универсал — контактные сети» в процессе проектирования контактной сети для скоростей движения до 350—400 км/ч с учетом перспективного применения на российских высокоскоростных магистралях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Kiessling, F. Contact Lines for Electric Railways: Planning, Design, Implementation, Maintenance [Текст] / F. Kiessling, R. Puschmann, A. Schmieder, E. Schneider.— Second Edition.—Wiley, John & Sons, 2009.— 994 p.

2. UIC 799—1. Characteristics of direct-current overhead contact systems for lines worked at speeds of over 160 km/h and up to 250 km/h [Текст] / Translation International Union of Railways (UIC).— 2002.

3. Кудряшов, Е.В. Совершенствование механических расчетов контактных подвесок на основе статических конечноэлементных моделей [Текст]: Дис. ... канд. техн. наук / Е.В. Кудряшов.— 05.22.07— СПб., 2010.— 187 с.

4. Poetch, G. Pantograph/Catenary Dynamics and Control [Текст] / G. Poetch, J. Evans, R. Meisinger [et all.] // Vehicle System Dynamics.— 1997. № 28 (2-3).— P. 159-195.

5. Chung, J. A time integration algorithm for structural dynamics with improved numerical dissipation: The generalized-a method [Текст] / J. Chung, G. Hulbert // ASME Journal of Applied Mechanics.— 1993. № 60.— P. 371-375.

6. Rauter, F.-G. Contact Model for the Pantograph-Catenary Interaction [Текст] / F-G. Rauter, J. Pombo, J. Ambrosio [et all.] // Journal of System Design and Dynamics.— 2007. Vol. 1, № 3.— P. 447-457.

7. European Standard EN 50318:2002. Railway applications— Current collection systems— Validation of simulation of the dynamic interaction between pantograph and overhead contact line [Текст] / CELENEC.— 2002.

8. UIC 794—1. Pantograph/overhead line interaction for DC-electrified railway lines [Текст] / Translation International Union of Railways (UIC).— 2001.

УДК 621.92

Н.В. Никитков, П.А. Дорофеев

ВЫЯВЛЕНИЕ ДОМИНИРУЮЩЕГО ФАКТОРА, ВЫЗЫВАЮЩЕГО ТРЕЩИНЫ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ШЛИФУЕМЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ ТВЕРДЫХ ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ

В современных машинах и механизмах часто ответственные детали делают из керамики, композитов, твердого сплава, природных минералов с микротвердостью поверхности заготовок НУ= =10—30 ГПа. Механическая обработка заготовок деталей производится преимущественно алмазным инструментом. Обеспечение точности размеров и взаимного положения поверхностей у деталей осуществляется за счет оборудования, оснащения и квалификации рабочего. Качество поверхностного слоя материала заготовок зависит от параметров инструмента и режимов

обработки. Микротрещины на поверхности [1—7], сколы краев по периметру заготовок [1—7] возникают по причине термического и механического воздействия алмазных зерен на поверхность заготовок. Достаточно сложно прогнозировать, какой из этих двух факторов — главный при образовании микротрещин и выколов на поверхности и у краев заготовок.

Ниже приведены результаты исследований по выявлению доминирующего фактора образования микротрещин и сколов краев при алмазном шлифовании заготовок из керамики.

4

Математические методы. Моделирование. Экспериментальные исследования

Цель исследований: путем сопоставления различных процессов шлифования установить главный фактор (термический или силовой) образования поверхностных трещин на заготовках из керамики.

Методика исследований. Обрабатываемые заготовки наклеивались термопластичным клеем на поверхность сменных столов (рис.1) станков моделей СПШП-1 (рис. 2, а) и 3111 (рис. 2, б). Снятие заготовок производилось после нагрева стола до 90 °С. Стол с заготовками устанавливали на торец вертикального высокоточного шпинделя станка. Частота вращения шпинделя стола равна 30—400 мин-1. Инструментальный шпиндель станков вращался с частотой 300018000 мин-1. Станки имеют возможность работать с постоянной силой Ру = 0-300 Н прижима алмазного круга к поверхности заготовок или вертикальной подачей инструмента в материал заготовок — £в = 0,01-0,5 мм/мин. В качестве смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) использовали воду с антикоррозийными присадками. Применяли алмазные круги формы 12А2 с углом 45° характеристик АС6 80/63 М1-100. Круги правили путем шлифования мягких абразивных брусков из электрокорунда зернистостью, равной зернистости алмазных кругов. С целью выявления доминирующей причины трещинообразования материала в поверхностном слое заготовок на поверхность заготовок действовали так: только термическим, только силовым, а также совместно силовым и термическим факторами.

Рис. 1. Оснастка и керамические заготовки, наклеенные на сменные столы станка

Изготавливали сферические микрошлифы для определения глубины микротрещин под бороздами от зерен круга или под оптическими следами — траекториями движения зерен по поверхности заготовок.

Ниже приведены результаты исследований образования трещин в поверхностном слое материала заготовок в процессе алмазного шлифования при разных условиях обработки.

Действие на поверхность заготовок только термического фактора [1, 2]. Полированную поверхность заготовок на круглом сменном столе станка «шлифовали» кругом с площадками износа на вершинах зерен. Зерна не могли внедриться и резать керамику. Они скользили по поверхности заготовок при постоянной силе прижима круга, равной Ру = 150 Н.

При этом давление на контактной поверхности зерен равно

Рис. 2. Оборудование для исследований: лабораторный станок модели СПШП-1

аз = Ру/

где Д£ед — средняя арифметическая площадь площадки износа одного зерна, определяемая в пяти полях зрения (х64) микроскопа МБС-2;

N = ^лнЗДр, где N — количество площадок износа на зернах круга; £ — площадь режущей поверхности круга; N — количество площадок износа на номинальной площади £н контакта круга с поверхностью заготовок. Например, притупленный круг АС6 80/63 М1-100 имеет ДSед = 375 мкм2 и N = = 875 шт. площадок. При ^н/^кр, = 0,7 получается N = = 0,7-875 = 612 шт. шлифующих зерен в контакте. Следовательно, фактическое давление при силе Ру = 150 Н равно аз = 150/(375х х10-12 • 612) = 0,65 ГПа.

На столе станка СПШП-1 наклеены заготовки в виде кольца (см. рис. 1) с наружным и внутренним радиусами, равными соответственно 130 и 50 мм. К неподвижной поверхности заготовок из титаносодержащей керамики круг прижимали силой 150 Н. Круг вращался со скоростью 15 или 90 м/с в течение 3 с. СОЖ отсутствовала. Для этих скоростей давления апл, при которых оплавляется керамики на контактной поверхности зерен, рассчитанные по формуле

апл = ^^/

(здесь и Ьм — коэффициенты тепло- и температуропроводности щлифуемого материала; Тпл = Тсп/(0,827—0,97) — температура начального плавления поверхностного слоя у различных керамик; т — время действия источника тепла; /— коэффициент трения; Ьм — доля тепла, переходящая в материал заготовки; V — скорость скольжения; г0 — радиус пятна контакта) равны 13,3 и 7,2 ГПа.

Критические давления а при скоростях шлифования 15 и 90 м/с, при которых на площадках износа зерен микротвердость алмаза снижается с примерно 95 до значения 30 ГПа, близкого к микротвердости материала заготовок, равны 1,45 и 0,24 ГПа. На полированной поверхности керамики образуются яркие блестящие следы от зерен (рис. 3). Профилографирование поперек следов показало, что поверхность ровная, без выступов и впадин. На сферических шлифах (рис.3) видно, что слой материала под следами не имеет трещин. При скорости 90 м/с факти-

ческое давление было в 2,7 раза больше давления, при котором снижается твердость алмазов, но в 11 раз меньше, чем требуется для оплавления контактирующих с зерном точек поверхности заготовок. После 3 с скольжения зерен по поверхности заготовок были вновь измерены величины Д£ед и Ил. Они увеличились и стали равными соответственно 470 мкм2 и 890 шт. Расчетные значения плотности потока ^р = (0,9— — 0,95) WрYÍ, не вызывающие образования трещин в поверхности керамики, скорости нагрева дТ/дт и температурного градиента дТ/ду при времени действия источника т = 2(Д£ед/л)0>5(1/^ и скоростях 15 и 90 м/с соответственно равны: 0, 21109 и 0,64-109 Вт/м2; 0,0273-109 и 0,236-109 К/с; 0,0636-109 и 0,224-109 К/м. Глубина прогрева до температуры спекания Тсп равна 0,17 и 0,07 мкм.

В следующем опыте на стол станка были наклеены в форме кольца заготовки из титаносо-держащей керамики, 22ХС, нитрида кремния кермета, композита. Ширина кольца равна Лзн — Лзв = 80 мм. Заготовки прошлифованы и отполированы. Вышеописанный опыт повторили. На всех заготовках, шлифованных при скорости 90 м/с, трещин не обнаружили.

Силовое и термическое действие зерен круга на шлифуемую поверхность [3, 7]. Притупленный круг, вращающийся со скоростью 90 м/с, вводили в зазор между заготовками так, чтобы площадки износа зерен были ниже уровня полированной поверхности. При повороте стола с заготовками рукой зерна круга наносили отдельные риски на их поверхности. При этом под рисками глубиной 1 мкм обнаружены трещины глубиной до 7 мкм (рис. 3, в). Описанные выше опыты повторили при расходе СОЖ-воды, равном 6 дм3/мин. Получили аналогичные результаты.

Следовательно, тепловой поток от сил трения зерен о материал не вызывает разрушения полированной поверхности. Увеличение плотности потока за счет варьирования режимов шлифования не приводит к образованию трещин при скольжении зерен по полированной поверхности керамических заготовок, так как происходит интенсивное изнашивание контактной поверхности алмазов и снижение давления. Образование трещиноватого слоя происходит только при внедрении зерен в заготовки на глубину большую, чем предельная упругая деформация материала.

Математические методы. Моделирование. Экспериментальные исследования -

Рис. 3. Отсутствие повреждений под следами (а, б) зерен на полированной поверхности заготовок. Микротрещины (в) под бороздами от зерен круга глубиной 7 мкм. х160

Действие на поверхность заготовок только силового или одновременно силового и термического факторов [3]. Сопоставляли обработку тита-носодержащей керамики с НУ = 20 ГПа (на микрошлифах этой керамики лучше различимы микротрещины) при скоростях круга, равных 0,002, 15 и 90 м/с. Для измерения фактической глубины внедрения зерен кругов в заготовку на керамике были прорезаны пазы, куда вклеены алюминиевые проволочки — свидетели. Поверхность заготовок шлифовали кругом АС6 80/63 М1 — 100 с износом зерен, равным 10 мкм, при постоянной силе Р = 90 Н, радиусах

установки заготовок на столе станка Лзн = 130 и Лзв = 50 мм. Скорость 0,002 м/с обеспечивали поворотом круга вручную на длину дуги 8—10 мм за 4—5 с. При скорости 15 и 90 м/с режущую поверхность круга подводили с зазором ~ 5 мкм к поверхности вращающихся заготовок и опускали на 1—2 с, затем поднимали. Плотность теплового потока на площадках износа зерен вычисляли по формуле \¥р = Ь¥[азУ для скоростей 0,002, 15 и 90 м/с. Фактические давления оценивали по зависимости (1) исходя из эмпирических значений наибольших глубин внедрения зерен в материал заготовок. Для указанных

выше скоростей получили давления, равные соответственно 0,26; 0,11; 0,03 ГПа, и плотности потоков Шр — 1,25-104; 0,04-109; 0,065-109 Вт/м2 . Из сопоставления плотностей потоков следует, что при скорости 0,002 тепловой поток в 5200 раз, а при 15 — в 1,63 раза меньше, чем при 90 м/с. Следовательно, шлифование со скоростью 0,002 м/с можно приближенно считать только силовым процессом, а при 90 м/с — процессом одновременного действия силового и термического факторов. При обработке профилограмм поперечных сечений шлифовочных рисок и анализа микротрещин на сферических шлифах получено следующее (рис. 4, а, б, в): глубина самых глубоких рисок, сформированных на скорости 0,002 м/с в 1,4 раза больше, чем при 15 м/с, и в 1,75 раза больше, чем на 90 м/с, при прочих равных условиях. Глубины трещин под самыми глубокими рисками при скоростях 0,002 и 15 м/с различаются на 13 %, но в 3,4 раза больше, чем при 90 м/с (см. рис. 4, а). У рисок, образованных шлифованием на скорости 90 м/с, края и дно более гладкие, а на скорости 0,002 м/с — со сколами и вырывами материала.

На сферических шлифах внешне трещины, полученные на разных скоростях, выглядят практически одинаково, но глубина их различная. Физически трещины представляют собою раздавленные силой резания и разориентиро-ванные кристаллы керамики (выглядят на микрофото черными). Из анализа профилограмм борозд следует, что при малой скорости шлифования зерна внедряются в материал глубже (при прочих одинаковых условиях шлифования). В полированную поверхность вклеивали в пазы керамики проволочки из алюминия. Борозды наносились при шлифовании на поверхность керамики и на проволочки. Глубина шлифовочных рисок из-за хрупкого разрушения керамики в 3—3,5 раза больше, чем на металле. Глубина рисок и трещиноватого поверхностного слоя при низкой скорости (практически силовом процессе) больше, чем при высокой скорости — силовом и термическом процессах. Увеличение плотности теплового потока в 5200 раз с ростом скорости от 0,002 до 90 м/с не приводит к росту глубины трещин. Это свидетельствует о том, что скорость шлифования через термический фактор не влияет на глубину трещин. Итак, в механизме образования

трещин доминирующее значение имеют сила и время ее действия.

Единичное и циклическое действие на поверхность заготовок силового и термического факторов одновременно [4, 5]. Было подготовлено несколько пар сменных столов (см. рис. 1) с полированной поверхностью заготовок, наклеенных в три-пять рядов, из следующих материалов: титаносодержащей керамики, форстерита, 22ХС, нитрида кремния — кермета. Циклическое действие зерен круга на поверхность заготовок осуществлялось путем съема припуска z, равного 40-50 мкм, острым кругом АС6 80/63 М1-100 при его скорости 90 м/с, а заготовок — 3 м/с и силе Ру = 180 Н. Число циклов воздействия на любую точку поверхности заготовок равно Ыц = = =1200, где Ь3 — путь, пройденный точкой заготовки по поверхности инструмента за время т = г/И, (И — интенсивность съема материала, мм/с; X — средний шаг между разрушающими зернами).

Единичное действие зерен круга на поверхность заготовок осуществлялось при обработке другого сменного стола. Алмазным кругом с теми же режимами произвели шлифование в течение 1-2 с по методу (поворот стола рукой), описанному выше. При этом на поверхности заготовок образовались отдельные риски с большим шагом.

После изготовления сферических шлифов на единичных рисках и на шероховатой шлифованной поверхности установлено с погрешностью до 11 % равенство наибольших средних глубин I трещиноватого слоя у заготовок из одинаковых материалов. Глубины трещин, зафиксированные в различных местах единичных рисок и шлифованной поверхности, распределены нормально и имеют рассеивание результатов ±3аз < 0,183 I.

Чем больше микротвердость HV и модуль упругости Е материала, тем меньше глубина трещин и значение 3аз.

Создавая технологию изготовления деталей из керамики, технолог должен учитывать, что на качество изделий и производительность процесса влияет следующее:

глубины трещиноватого слоя на поверхности шлифованных заготовок для конкретной керамики при единичном и при циклическом воздействии одновременно силового и терми-

Математические методы. Моделирование. Экспериментальные исследования -

Рис. 4. Глубина трещиноватого слоя при шлифовании на скоростях 0,002, 15, 90 м/с материала заготовки (соответственно а, б, в). Борозды (г) от резания единичным зерном (гз = 14 мкм) титаносодержащей керамики при силе Ру, равной соответственно 0,5; 0,3; 0,2; 0,05 Н (х160). На берегах борозд видны сколы краев и криволинейные трещины

ческого факторов от действия зерен круга на поверхность с погрешностью 11 % равны;

в механизме образования трещин доминирующее значение имеет сила и время ее действия, но не тепловое воздействие от трения зерна по поверхности материала заготовок;

глубины рисок и трещиноватого поверхностного слоя при низкой скорости (практически

силовом процессе) больше, чем при высокой, т. е. при силовом и термическом процессе;

присутствие или отсутствие СОЖ-воды не влияет на глубину трещин на прошлифованной поверхности;

глубина трещин, размеры выколов и сколов (рис. 4, г) по берегам борозд зависят от силы и прочностных свойств материала керамики.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бакунов, В.С. Особенности процессов деформации и разрушения поликристаллической оксидной керамики при температурах до 1600 °С [Текст]/ В.С. Бакунов, Е.С. Лукин, Э.П. Сысоев // Стекло и керамика.— 2011. № 11.— С. 11-16.

2. Немец, И.И. Оценка термостойкости керамических материалов [Текст] / И.И. Немец, В.Б. Златковский // Стекло и керамика.— 1988. № 3.— С. 20-22.

3. Кузин, В.В. Особенности изнашивания и разрушения керамических режущих пластин [Текст] / В.В. Кузин [и др.] // Вестник машиностроения.— 2010. № 11.— С. 50-53.

4. Прохоров, Е.М. Термическое разрушение ал-

мазов марки АСР [Текст] / Е.М. Прохоров, А.М. Комаров // Алмазы.— 1972. № 10.— С. 1-4.

5. Гогоци, Г.А. Прямое определение сопротивления керамики разрушению по методу скалывания / Г.А. Гогоци [и др.] // Заводская лаборатория.— 2007. Т. 73, № 3.— С. 49-53.

6. Резников, А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов [Текст] / А.Н. Резников.— М.: Машиностроение,1981.— 279 с.

7. Никитков, Н.В. Скоростная алмазная обработка деталей из технической керамики [Текст] / Н.В. Никитков, В.Б. Рабинович [и др.].— Л.: Машиностроение, 1984.— 131 с.