Электроаналоговое моделирование кинетики контактной приработки материалов на различных этапах эксплуатации деталей

V.L. Baranov, V.N. Lavruhin, N.V. Tretyakov

EXPERIMENTAL AND THEORETICAL METHOD OF WEAR KINETICS STUDY OF SURFACES WITH REPETITIVE MICROGEOMETRY.

This article investigates questions of machine components manufacturing with preplanned performance of their surface by definition of surface wear kinetics.

Key words: roughness, microgeometry, stable roughness, microrelief wear kinetics.

Получено 17.10.12

УДК 621.8

Н.В. Третьяков, асп., 8-920-275-52-21, Torr 86@mail.ru

ЭЛЕКТРОАНАЛОГОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИКИ КОНТАКТНОЙ ПРИРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ НА РАЗЛИЧНЫХ ЭТАПАХ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДЕТАЛЕЙ

Рассмотрены вопросы определения этапов жизненного цикла поверхности деталей машин, а также проведено моделирование кинетики приработки поверхности

Ключевые слова: шероховатость, относительная опорная длина профиля, фактическая площадь контакта.

Эксплуатационные свойства деталей машин в значительной мере зависят от состояния их поверхностных слоев, характеристики которых подразделяются на геометрические и физико-механические.

Физико-механические свойства поверхностного слоя зависят от вида конструкционного материала, из которого изготавливается деталь, вида и способа получения заготовки, вида термической обработки, наличия в технологическом процессе отделочно-упрочняющих операций для формирования требуемых остаточных напряжений и достижения необходимой микротвердости, вида защитно-декоративных покрытий.

Под геометрическими параметрами поверхности деталей понимают параметры шероховатости, волнистости и макрооотклонения.

Шероховатость, волнистость и макроотклонения на контактирующих поверхностях деталей машин приводят к дискретности их контакта и дифференциации площадей контакта на фактическую, контурную и номинальную. Номинальная площадь контакта, обусловленная наличием макроотклонений на поверхностях деталей, будет равна сумме отдельных номинальных площадок. На номинальных площадках контакта расположены отдельные контурные площади контакта, обусловленные волнистостью поверхностей. Сумма отдельных контурных площадок приводит в целом к образованию контурной площади контакта. Контакт деталей машин происходит по вызванным шероховатостью фактическим площадкам контакта, которые в сумме составляют фактическую площадь контакта.

Шероховатостью поверхности называется совокупность неровностей с относительно малыми шагами (отношение шага неровностей к их высоте - меньше 50), выделенная, например, с помощью базовой длинны.

Шероховатость поверхности после механической обработки - это, прежде всего, геометрический след от режущего инструмента, искаженный в результате пластической и упругой деформации и сопутствующей процессу резания вибрации технологической системы.

При стандартизации шероховатости поверхности в основу принята система отсчета, в которой в качестве базовой линии служит средняя линия профиля, т.е. линия, имеющая форму номинального профиля и проведенная так, что в пределах базовой длинны среднее квадратическое отклонение профиля до этой линии минимально. [1]

По действующему стандарту (ГОСТ 2789-73) шероховатость поверхности регламентируется следующими шестью параметрами: Яа - среднее арифметическое отклонение профиля; - высота неровностей профиля по десяти точкам; Ятах - максимальная высота профиля; Бт - средний шаг неровностей; Б - средний шаг по вершинам локальных выступов; 1р -относительная опорная длина профиля на уровне р.

В рабочих чертежах деталей при указании требований к геометрическим параметрам шероховатости различных поверхностей конструктор, как правило, указывает лишь требуемые значения высотных параметров (Яа, Ятах).

При применении традиционной системы параметров качества поверхности (в соответствии с ГОСТ 2789-73), поверхности имеющие одинаковые значения по высотному параметру, но обработанные различными методами (рис. 1), будут обладать совершенно разными эксплуатационными характеристиками.

(З-у, мкм

Рис. 1. Кривые опорной поверхности при одинаковых параметрах Яг

В настоящее время в научных исследованиях, посвященных оценке несущей способности различных шероховатых поверхностей, широко используется наиболее информативный параметр - относительная опорная длина профиля. Относительная опорная длина профиля представляет собой отношение суммы длин отрезков в пределах базовой длины, отсекаемых на заданном уровне в материале профиля линией, эквидистантной средней линии, к базовой длине.

Относительная опорная длина профиля количественно характеризует увеличение несущей площади поверхности детали по мере срабатывания ее наружных слоев.

По расположению опорных кривых и по значению их параметров проводят сравнение несущей способности шероховатости поверхностей, обработанных различными методами и с разной величиной высотных параметров (рис. 2).

Одинаковые относительные расстояния е при различной высоте шероховатостей Rmax характеризуют разные уровни по своим абсолютным значениям у, поэтому при построении опорных кривых в относительных координатах одни из них как бы искусственно сжимаются, а другие - растягиваются. Так, на рис. 2 построены кривые для разных Rmax в относительных и абсолютных значениях по высоте ординат профиля. Как видно из рис. 2, а, несущая способность поверхности с опорной кривой 2 для Rmax=3 мкм хуже, чем для Rmax= 8 мкм (кривая 1). При построении этих кривых по высоте ординат профиля в абсолютных значениях картина принципиально изменяется (рис. 2, б).

Рис. 2. Распределение опорных линий микронеровностей по уровням при относительном (а) и абсолютном (б) значениях их расстояний от линии выступов: 1 - строгание широкими резцами Ятах =8 мкм;

2 - шлифование кругами из электрокорунда Ятах= 3 мкм

Микрогеометрия трущихся поверхностей является одним из решающих факторов, характеризующих явления трения и износа, которые, в свою очередь, определяют важнейшие эксплуатационные характеристики машины. Протекание процесса изнашивания во времени характеризуется тремя основными периодами: приработочный начальный износ, нормальный износ, предельный (катастрофический) износ. Приработка является важнейшим этапом для трущихся деталей, определяющим условия, характер их работы после приработки и длительность сохранения рабочих функций. Важна и способность трущихся поверхностей прирабатываться -прирабатываемость. Исходная шероховатость в общем случае состоит из совокупности различных по величине и геометрическому очертанию неровностей. В процессе приработки, вследствии взаимодействия неровностей возникают значительные нормальные и касательные напряжения.

Наиболее высокие и острые неровности за счет больших напряжений будут либо срезаться, либо пластически деформироваться. При контактном силовом взаимодействии пологие гладкие неровности также будут испытывать интенсивное воздействие за счет большой адгезии, что приведет к значительному изменению их геометрического очертания. Поэтому в ансамбле неровностей, имеющих различные высоты и радиусы закругления, в более благоприятных условиях окажутся промежуточные по своим размерам неровности. Эти неровности будут превалирующими на приработанной поверхности. Установившуюся после приработки шероховатость поверхности называют равновесной, так как при этом достигается минимум температуры контактирующих материалов и коэффициента трения, а также минимизируется теплообмен через фрикционный контакт. Количественной характеристикой микрорельефа, наиболее точно и полно отражающей прирабатываемость поверхности, по данным исследований Ю.Г.Шнейдера[2] является величина опорной поверхности.

Для определения фактической площади контакта в исследовательской и технологической практике используют три группы методов: методы информаторов, оптические и электрические [1].

В первой группе методов в качестве информаторов о фактическом контакте используют краски, пудры, радиоактивные вещества, а также тонкую фольгу и проволоку малых диаметров. Разрешающая способность и достоверность этих методов в основном определяется толщиной слоя информаторов. Толщина его должна быть в несколько раз меньше высоты неровностей поверхности. В противном случае неровности будут заполнены информатором и выявятся лишь зоны контакта участков, возвышение которых над поверхностью больше толщины слоя информатора. Для используемых информаторов толщина слоя составляет 0,01... 50 мкм.

В основу оптических методов положены явления нарушения полного внутреннего отражения в точках касания при контакте исследуемой поверхности с образцом из оптически прозрачного материала, явления отражения и рассеяния света при переходе из одной среды в другую с разными коэффициентами преломления, а также фазовоконтрастная микроскопия. Оптические методы позволяют непосредственно (без разъема стыка) наблюдать образование и развитие фактического контакта во время действия сжимающих усилий как при статических, так и динамических процессах. Основным недостатком оптических методов является необходимость изготовления одного из образцов из оптически прозрачного материала, что приводит к ограничению области его применения.

Электрический метод позволяет судить о фактическом контакте по изменению величины переходного сопротивления стыка поверхностей, происходящему в результате увеличения под нагрузкой числа точек контакта и величины элементарных площадок контакта. Для определения величины электрического сопротивления необходимо знать число единичных контактов в общей зоне контакта. При использовании регулярного

микрорельефа имеется возможность нормирования и технологического обеспечения аналитически рассчитываемых геометрических параметров поверхности. Благодаря применению регулярного микрорельефа появляется возможность аналитически оценить фактическую площадь контакта и спрогнозировать интенсивность износа поверхности.

Суммарное значение переходного сопротивления Як0нт^(ф стыка поверхностей, состоящего из п (единичных) площадок контакта,

Я- №))==£ 1 ,

п п 0 Б

где 2^) - текущая величина эксплуатационного сближения контактных поверхностей на этапе приработки; р- удельное сопротивление материала микронеровностей; Б(^) - текущее значение площади; п - количество микронеровностей на контактирующих поверхностях;

2(1)].

Общее значение сопротивления электрической цепи

2(*) АР

ЯЕ(2(г)) = Я + Я + Яз + Р\ ^,

п 0 ^

где ЯЬЯ2 - интегральные сопротивления контактирующих деталей; Я3 -коммутационное сопротивление электрической цепи;

Аналитическое выражение для текущего значения электрического тока в цепи

I (2 (, )) = =-" (() ,

я + Я + Я +р?-^

1 2 3 п Г Б({) где и - напряжение в электрической цепи.

Приравнивая полученное выражение к экспериментально полученному изменению электрического тока в цепи от времени 1эксп (/) и последовательно задаваясь рядом значений моментов времени 1:*, определяем соответствующие им значения контактного сближения Z(t*) как первые положительные корни уравнения:

1 (2=-и .

я,+ я2 + я3 + р Г

1 2 п 0 5

В результате получаем зависимости Z = Z(t) и £ = Б^), описывающие кинетику приработки контактирующих деталей. Знание данных зависимостей необходимо для анализа особенностей эксплуатации контактирующих деталей на этапе приработки с целью выбора предпочтительного профиля микрогеометрии.

В качестве примера определения длительности приработки рассмотрим определение кинетики приработки алюминиевой пластины с габаритными размерами 10х50х50 мм контактирующей в течение трех часов с вольфрамовой пластиной с теми же габаритами. Удельное сопротивление алюминия 2,7-10-8 Ом м, вольфрама - 5,5-10-8 Омм. Микрорельеф поверхности алюминиевой пластины регулярный, выпуклый, микронеровности сферические. Через контактную пару подают электрический ток и нагружают ее в соответствии с режимом эксплуатации в реальных условиях, регистрируют изменение силы тока и получают зависимость электрического тока в цепи от времени /(?). Используя расчетную зависимость изменения опорной площади поверхности по высоте микрорельефа

12 / 2 2\ £ = п= п-(2 + а) ),

где Я - радиус сегмента; а - смещение центра сегмента относительно поверхности; 2 - высота сегмента; п - количество сегментов на поверхности, зависимость для сопротивления

Я = Р, £

где р - удельное сопротивление материала; 2 - высота сегмента; £ - опорная площадь сегмента, и зависимость для силы тока

/=и,

Я

где и - напряжение; Я - сопротивление, получаем зависимость изменения сопротивления по высоте микрорельефа и зависимость изменения силы тока по высоте микрорельефа. Графическая зависимость опорно-контактной площади поверхности от времени представлена на рис. 3.

Э,мкмл2

1200,00

1000,00 800,00 600,00 400,00

t МИН

200

Рис. 3. Зависимость опорной контактной площади поверхности

от времени приработки

Данный график был получен на основе применения зависимости изменения электрического тока в цепи от времени.

Список литературы

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

2. Шнейдер Ю.Г. Эксплуатационные свойства деталей с регулярным микрорельефом. Л.: Машиностроение, 1982.

N.V. Tretyakov

ELECTRICAL AND ANALOG MODELING OF THE KINETICS BURNISHING CONTACT MATERIALS AT DIFFERENT STAGES OF USE MACHINE PARTS

This article investigates questions of determining the surface of the life cycle of machine parts and simulated running-surface kinetics

Key words: roughness, relative to the reference profile length, factual contact area

Получено 17.10.12

УДК 623.451.4.082.6

М.С. Воротилин, канд. техн .наук, доц.,

АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КУМУЛЯТИВНЫХ ОБЛИЦОВОК

Рассмотрено изменение микроструктуры материала кумулятивной облицовки в процессе ее изготовления, влияние структуры материала на координаты схлопыва-ния и глубину пробития.

Ключевые слова: кумулятивная облицовка, размер зерна, координаты схлопы-

вания.

Как известно, применение медных кумулятивных облицовок (КО), имеющих неоднородную структуру, состоящую из крупных и мелких зерен или обособленных участков, приводит к уменьшению глубины пробития преграды кумулятивным зарядом (КЗ). Это предъявляет определенные требования к величине зерна металла, предназначенного для изготовления кумулятивной облицовки. При изготовлении КО возникают условия, способствующие сохранению неоднородности структуры исходного материала заготовки, хотя зерно в результате деформации становится мельче. В связи с выше изложенным возникает необходимость контролировать величину зерна на этапах изготовления исходного материала и заготовки.

Анализ опубликованных экспериментальных данных стационарных испытаний, проведенных на ОАО «АК «Туламашзавод» по результатам конструкторско-технологической отработки КЗ, показал, что в зависимости от конструкции и технологии изготовления КО изменяется глубина пробития КЗ. Так в конструкции воронки № 1 отсутствует цилиндрическая часть (юбка) в основании конуса и имеются радиуса скругления при вершине снаружи и внутри. Микроструктура материала КО № 1 состояла из