Исследование влияния внешних условий изнашивания на износостойкость резцов дорожной фрезы Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

3. Углов А.А., Смуров И.Ю., Лашин А.М., Гуськов А.Г. Моделирование теплофизических процессов импульсного воздействия на металлы. - М.: «Наука», 1991. -287 с.

4. Оптическое измерение температуры поверхности металлов при импульсном лазерном облучении / А.А.Уг-лов, А.Н. Ермолаев, В.И. Завидей // Квантовая электроника. - 1990. - № 4(17). - 519 с.

5. Повышение надежности турбинных лопаток методом вакуумно-дугового нанесения покрытий / И.В. Буров, В.П. Валуев, В.Г. Кузнецов, С.А. Леонтьев, И.С. Полипанов, А.И. Рыбников, А.А. Соломатников // ISSN 04916441 Сварочное производство. - 1995. - № 5. - С. 13-16.

Одержано 26.12.2007

Представлены результаты лазерного легирования сталей 12Х18Н10Т и ЭП 823 сложными смесями. Проанализировано влияние температурного поля на особенности формирования структурно-фазового состояния поверхности. С помощью компьютерного моделирования распределения значений температурного поля в оплавленной зоне установлены оптимальные режимы лазерного легирования исследуемых сталей. Показано, что использование методики оценки размера зерен в сочетании с корректно подобранными легирующими элементами и режимами поверхностной обработки позволит создавать защитные барьерные слои с прогнозируемой мелкозернистой структурой и высоким уровнем функциональных свойств.

The results of laser alloying of steels 12X18H10T and ЭП 823 by complex mixtures are presented. Influence of the temperature field is analyzed on the feature offorming of the structural-phase state of surface. Using computer design of distributing of the temperature field values in a melting area the optimum modes of laser alloying of studied steels are found. It is shown that the application of method of grains size estimation and modes of surface treatment in combination with correctly chosen alloying elements allow to create protective barrier layers with the predictedfinegrained structure and high level of functional properties.

УДК 669.017:539.375

Канд. техн. наук С. Н. Попов, Д. А. Антонюк Национальный технический университет, г. Запорожье

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ УСЛОВИЙ ИЗНАШИВАНИЯ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ РЕЗЦОВ

ДОРОЖНОЙ ФРЕЗЫ

В работе исследовано влияние внешних условий изнашивания на износостойкость резцов дорожной фрезы, эксплуатирующихся в условиях изнашивания закрепленным абразивом. Установлено, что с увеличением глубины разрыхления и прочности асфальтобетона при одноосном сжатии возрастает массовый износ инструмента. Разработаны математические зависимости, позволяющие прогнозировать износостойкость рабочих органов дорожных фрез при изменении прочности асфальтобетона и глубины врезания.

Введение

Анализ априорных данных относительно влияния режимов эксплуатации и внешних условий изнашивания на способность материалов противостоять абразивному воздействию при разрушении гранитных частиц в монолитной связке представляет значительную сложность вследствие малочисленности работ, а также отсутствия системного подхода в исследованиях. Проблема состоит в том, что известные подходы при анализе определяют процесс фрезерования как резание материала с образованием стружки. Однако по своей сути фрезерование асфальтобетона поворотными резцами представляет собой внедрение инструмента в монолитный слой, состоящий из битумно-мине-ральной связки и гранитных абразивных частиц. Ра-

бочий орган, взаимодействуя с частицами, освобождает последние от связки, тем самым образует разрыхленную массу. Следовательно, особенность данного вида обработки состоит в механизме удаления гранитных частиц из монолитной связки - разрыхлении.

Барабан дорожной фрезы с резцами относится к быстроходным рабочим органам, имеющим повышенные скорости обработки асфальтобетона. Принимая во внимание, что при увеличении как линейной скорости относительного перемещения, так и угловой скорости вращения фрезы, возрастают затраты, связанные с потерей мощности, повышается износ рабочих инструментов. Высокая твердость (12-16 ГПа) и прочность (10-30 МПа) частиц гранита, входящих в состав асфальтобетона, вызывает интенсивное разрушение

© С. Н. Попов, Д. А. Антонюк, 2008

корпуса резца под действием сложного механизма изнашивания частицами закрепленного и незакрепленного абразива, с наличием локальных ударных нагрузок и пластического оттеснения микрообъемов металла.

К наиболее важным внешним условиям изнашивания, в наибольшей степени оказывающим влияние на разрушение резца дорожной фрезы, следует отнести физико-механические свойства асфальтобетона, которые определяются температурой окружающей среды, прочностью и твердостью гранитных частиц. Исследованиями [1] установлено, что наиболее распространенным показателем прочности асфальтобетона является сопротивление при одноосном сжатии, которое можно рассчитать, зная температуру окружающей среды (для диапазона г = -24 °С - +22 °С):

Q сж — 65,

-0,032t °C

(1)

Понижение температуры асфальтобетона повышает скорость износа инструмента. Для анализа зависимости между износом инструмента и механическими свойствами асфальтового покрытия было получено уравнение [1]:

водился для одного резца на основании средних значений сил, моментов и мощности. Суммарная длина пути одного резца, пройденного в асфальтовом бетоне, определяется из выражения:

L рез — L ■ П ■ t,

(3)

где Ь - длина пути резца, пройденного за один оборот барабана фрезы от точки а до точки Ь (см. рис. 1),

L — R ■а

2nRa° 2nR

рад

360

P

arccosl 1--I, где P - ве-

360 1 R

личина заглубления (подачи) резца; Я - радиус барабана фрезы; а - угол, образующийся между крайними точками а и Ь, в которых происходит контакт с асфальтовым бетоном;

п - частота вращения барабана фрезы; г - время обработки слоя асфальтового бетона. Тогда переходя к площади выработанного покрытия суммарная длина пути резца определяется:

s íi p

L рез ——arccosl 1--

Jрез

R

6

Д рМт = 0,23 +

+ (12,6а' + 0,442стсж - 234,0) • 10-4 • (12,76 + т), (2)

где а' - показатель абразивности асфальтового бетона, а' = 28,73 - 0,21 °С , мг;

ст сж - прочность асфальтобетона при одноосном сжатии, МПа; т - время резания, сек.

Однако следует отметить, что данная зависимость была построена для резцов дорожных фрез остроза-точенной формы, жестко закрепленные в резцедержателе. Сведения относительно влияния условий изнашивания при обработке конусообразными вращающимися резцами в литературе отсутствуют. Исходя из проведенных ранее подобных исследований [1-3], можно выработать общие закономерности и принципы разрушения инструмента, однако не позволяет количественно оценить вклад каждого из показателей на способность вращающегося резца противостоять разрушению.

Основными параметрами работы инструмента при разрушении асфальтового бетона являются: Р - глубина разрыхления, V - скорость относительного перемещения резца, г - время обработки, 5 - площадь удаленного асфальтового бетона. Характерной особенностью процесса разрушения асфальтобетона является периодичность работы резцов фрезы, переменная площадь удаляемого слоя одним резцом, а также непостоянное число резцов, одновременно находящихся в работе, что вызывает переменное значение сил, моментов и мощности, необходимых для осуществления обработки. Поэтому вывод зависимостей при разрыхлении и удалении асфальтовых покрытий произ-

2

1

Рис. 1. Определение пути резца L, пройденного в асфальтобетонном дорожном покрытии:

1 - слой асфальтового бетона;

2 - барабан фрезы радиусом R; 3 - резец

Давление изнашивающей среды при взаимодействии рабочего органа дорожной фрезы с абразивным материалом выражается величиной подачи (S) при разрыхлении. Которая в свою очередь отражается на объеме удаленного асфальтового бетона:

Smax — S sin Y , (4)

где S - подача, Y - угол контакта.

Авторы [2, 3] показали, что скорость изнашивания пропорциональна давлению: чем больше давление, тем больше скорость изнашивания. И. А. Тер-Азарьев [3] уточнил, что с увеличением подачи износ инструмента, отнесенный к единице пути трения, увеличивается и относительная разница в абсолютных значениях с увеличением подачи больше при более прочных по-

родах. Такое поведение твердых сплавов можно объяснить увеличением роли температурных трещин на процесс разрушения контактной поверхности и нагрузок в зоне контакта. В работе [1] отмечено, что с увеличением подачи от 0,3 мм/зуб до 1,38 мм/зуб при фрезеровании асфальтобетона острозаточенными резцами увеличение линейного износа вызвано преимущественно за счет повышения скорости и интенсивности изнашивания, которое обусловлено ужесточением процесса взаимодействия с абразивом и повышением контактных нагрузок на задней поверхности инструмента. В то же время, при подачах < 1,00 мм/зуб, величина приработки практически не зависит от подачи. Математическую модель объемной интенсивности изнашивания в зависимости от давления и твердости материала можно представить в виде полинома:

У = 0,7137 + 0,3309 • Р - 0,6748 • ВЯЛ - 0,3133 • Р • ПЕЛ , (5)

где У - объемная интенсивность изнашивания; Р - удельное давление; ВЯЛ - твердость материала.

Из (5) следует, что наибольшее влияние на износ оказывает твердость и нагрузка. Однако влияние эффекта взаимодействия Р • НЯЛ на износ, особенно в области высоких удельных нагрузок, не ясен, что обуславливает противоречивость данной зависимости.

Таким образом, анализ априорной информации показал, что с ростом скорости относительного перемещения и давления изнашивающей среды интенсивность изнашивания резцов возрастает, при этом зависимость имеет в основном линейный характер. Данные о влиянии скорости относительного перемещения и давления изнашивающей среды, а также прочности

дорожного слоя на интенсивность изнашивания конусообразных вращающихся резцов при фрезеровании асфальтового бетона отсутствуют. Поэтому возникает необходимость в проведении направленных исследований с целью выявления закономерностей влияния внешних условий эксплуатации - скорости относительного перемещения инструмента, давления изнашивающей среды, а также прочности асфальтобетона и температуры окружающей среды на способность резцов дорожной фрезы сопротивляться абразивному изнашиванию.

Методика исследований

Авторами проведена серия промышленных испытаний стандартных резцов на фрезах Wirtgen W500 и БС2000, используемых для снятия дорожных покрытий в условиях предприятий КП «ЭЛУАД» и «Облав-тодор» г. Запорожья. Исследования проводили по разработанной авторами методике [4] для двух диапазонов физико-механических показателей асфальтобетона и температур окружающей среды: 9-17 °С (3,8194,933 МПа) и 19-29 °С (2,601-3,582 МПа). Скорость перемещения резца относительно поверхности асфальтобетона была принята постоянной (3-5 м/с). В ка -честве варьируемого фактора была принята величина подачи Р.

Полученные результаты

С ростом величины подачи (глубины снимаемого слоя от 50 до 150 мм) наблюдается увеличение массового износа исследуемых резцов. Так, например, после прохождения резцом Ьрз = 21000 мм в асфальтобетоне с прочностью при одноосном сжатии ст = 2,601-3,582 МПа

43 0

\\ 4 2

з/ »V 5/\

1

1

зе.о

е <

533.0

о 28,0

гх

123.0 о 'А

2 18.0

13.0

50

75 100 125

Глубина врезания (подача) Р мм

160

4.933 4.376 3,819 3,092 2.В01

Прочность асфальтобетона при одноосном сжатии оь», МПа

Рис. 2. Зависимость массового износа от глубины врезания (1, 2) и прочности асфальтобетона на одноосное сжатие (3, 4, 5):

1 - Т = 19-29 °С (2,601-3,582 МПа), после прохождения одним резцом пути Ьрез = 21000 мм; 2 - Т = 9-17 °С (3,819-4,933 МПа) после прохождения одним резцом пути Ьрез = 13000 мм; 3 - подача 50 мм, после прохождения Ьрез = 21000 мм;

4 - подача 100 мм, Ьрез = 21000 мм; 5 - подача 150 мм, Ьрез -

13000 мм

при глубине врезания 50 мм (1, рис. 2), средний массовый износ одного резца составляет 13,3 г, а при подаче 100 мм - 16,475 г. Разрыхление на максимальной глубине 150 мм вызывает дальнейшее увеличение массового износа на 12 % до значения 18,75 г. При обработке асфальтобетона с прочностью 3,819-4,933 МПа (Т = 9-17 °С) характер изменения кривой износа (2, рис. 2) также возрастающий, однако при увеличении глубины фрезерования с 50 до 150 мм массовый износ возрастает практически в два раза - с 20,11 г до 37,3 г.

Таким образом, установлено, что износ резцов дорожных фрез возрастает с увеличением подачи. Это связано с увеличением пути, пройденного инструментом в асфальтобетоне, при этом относительная разница в абсолютных значениях массового износа с ростом подачи больше при фрезеровании более прочных асфальтовых бетонов.

Исследования позволили количественно оценить степень влияния прочности асфальтобетона при одноосном сжатии на массовый износ резцов для различных величин подачи. Так, например, при подаче 50 мм (3, рис. 2) износ резца с стеж = 3,092 МПа составляет 13,3 г (после прохождения Ьрез = 21000 мм), а с увеличением прочности - до 4,376 МПа потери массы возрастают до значения 31,90 г. Линейный возрастающий характер зависимости наблюдается и для подачи 100 мм (4, рис. 2) и 150 мм (5, рис. 2). Получены математические линейные зависимости, показывающие влияние длины пути резания асфальтобетона Ьрез на массовый износ резцов Дт (табл. 1).

Результаты экспериментов показали, что максимальный путь, который резец может пройти в асфальтобетоне прочностью 2,601-3,582 МПа, в 2 раза превышает допустимый путь резца в асфальтобетоне с ст = 3,819-4,933 МПа (рис. 3).

еж 7 7 м /

Таблица 1 - Математические зависимости Дт = / (Ь з) для различных внешних условий изнашивания

Внешние условия изнашивания Величина подачи (глубина врезания) Р, мм

50 100 150

Т = 19-29 °С, сеж = 2,601-3,582 МПа Дт = 0,00066Ьрез - 0,61 Дт = 0,000634Ь рез + 2,847 Дт = 0,00116Ьрез - 4,593

Т = 9-17 °С сеж =3,819-4,933 МПа Дт = 0,0017Ьрез - 2 Дт = 0,00168Ь рез + 3,986 Дт = 0,002Ь рез +11,05

45

40

Е <3

га гг

СО ф

О. О

о

X гз X

л

со о о о га

Г 35

30 25 20 15 10 5

Т = 9-17 °С йт=0,00 16Эи+3,98в

Дт=0;0021 »+11,05 0

У А Дт=0,(Ю17и„- 2

У /V. 7 =¿9-29

2Дт=0,0[ 1161^-4,593^ 2Ат- о.ом

о

00661к.-0,61

534[_«±+2.847

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

Длина пути резания асфальтобетона мм

Рис. 3. Влияние параметров обработки и внешних условий изнашивания на массовый износ резца:

1-3 - фрезерование при температурах Т = 19-29 °С, 4-6 - при Т = 9-17°С; 1,4 - подача 50 мм, 2,5 - подача 100 мм,

3,6 - подача 150 мм

Выводы

Проведенные исследования впервые позволили дать комплексную количественную оценку влияния внешних условий изнашивания (температуры окружающей среды и прочности асфальтобетона), а также параметров взаимодействия (величины подачи) на массовый износ поворотных резцов дорожных фрез фирмы Wirtgen. Установлено, что увеличение глубины врезания Р (величины подачи) приводит к значительному росту потерь массы детали, а увеличение прочности асфальтобетона (за счет снижения температуры окружающей среды) также вызывает рост массового износа. Получены математические зависимости, отражающие влияние длины пути резания асфальтобетона Ьрез на массовый износ резцов Дда, которые позволяют прогнозировать износостойкость рабочих органов дорожных фрез при эксплуатации в различных внешних условиях абразивного изнашивания

Перечень ссылок

1. Бибиков В.Н. Исследование износа режущего инструмента при фрезеровании асфальтового бетона: Дис. канд. техн. наук: 05.05.04 / Горьковский политехнический институт им. А. А. Жданова. - Горький, 1975. - 24 с.

2. Рейш А.К. Повышение износостойкости строительных и дорожных машин. - М.: Машиностроение, 1986. -184 с.

3. Тер-Азарьев И. А. Основные закономерности износа режущего инструмента. - Сб. трудов Армянского института стройматериалов и сооружений. Ереван, 1959, вып. 1. - С. 203-240.

4. Попов С.Н., Антонюк Д.А. Методика производственных испытаний материалов резца дорожной фрезы в условиях изнашивания закрепленным абразивом // Новi матерiали та технологи в металурги та машинобуду-ванш. - 2007. - № 2. - С. 155-162.

Одержано 22.01.2007

У роботi до^джено вплив зовнiшнiх умов зношування на зносостштсть рiзцiв дорожньо! фрези, що експлуатуються в умовах зношування закрiпленим абразивом. Установлено, що зi збшьшенням глибини розрихлення та мiцностi асфальтобетону при одновiсному стиснент зростае масове зношення iнструмента. Розроблет математичнi залежностi, яю дозволяють прогнозувати зносостшюсть робочих оргатв дорожтх фрез при змШ мiцностi асфальтобетону та глибини вргзання.

External wear conditions influence on wear resistance of road milling cutters, which work in conditions of wear process by fixed abrasive, was investigated. It is found that with rise of milling depth and asphalt-concrete strength at the uniaxial compression the tool mass deterioration increases. Mathematical dependences that allow to forecast road milling cutters working organs wear resistance during exploitation in different external abrasive wear conditions are developed.