CC BY
26
ЕТАПЛООБРАБОТК]
УДК 621.793
Оценка износостойкости направляющих скольжения, подвергнутых плакированию
А. В. Зотов, О. И. Драчев
Исследовано воздействие технологических факторов процесса плакирования на износостойкость чугунных изделий при обработке гибким инструментом. Произведена оценка влияния толщины формируемых покрытий на износостойкость обработанных образцов. Приведены данные рентгеноспектраль-ного микроанализа структуры формируемых покрытий. Показано, что обработка методом плакирования изделий гибким инструментом при нанесении покрытий толщиной 3,5-6 мкм позволяет повысить износостойкость в 3 раза.
Ключевые слова: плакирование, гибкий инструмент, износостойкость, микроанализ.
Введение
Эксплуатационные характеристики поверхностей деталей пар трения оборудования являются одним из важнейших факторов его надежной работы и в значительной мере определяются технологическим процессом изготовления. Особая роль в этом процессе принадлежит финишным методам обработки, например плакированию гибким инструментом (ПГИ) [1].
ПГИ не требует наличия дорогого оборудования и инструмента — обработка производится дисковой металлической проволочной щеткой (гибкий инструмент), устанавливаемой на оборудование металлообрабатывающей группы, в частности на шлифовальных станках вместо абразивного круга. Помимо простоты использования, метод отличается высокой производительностью и экологичностью.
Как известно, в машиностроении для изготовления деталей, составляющих пару трения скольжения (направляющие металлообрабатывающих станков, подшипники скольжения и т. п.), широко используется серый чугун.
Серый чугун является непластичным, ма-лодеформирующимся материалом и обладает при деформировании рядом особенностей. Для обозначения подобных материалов в настоящее время используется термин полухрупкие. Полухрупкими принято называть
малодеформирующиеся тела, у которых при одноосном растяжении остаточные деформации перед разрушением соизмеримы с упругими. Кривые деформирования в координатах интенсивность напряжений — интенсивность деформаций неинвариантны ввиду напряженного состояния. Коэффициент Пуассона по мере роста деформаций при одноосном сжатии увеличивается, и его значение превышает 0,5, а при одноосном растяжении — уменьшается [2]. Такая специфика серого чугуна представляет серьезные трудности для вывода адекватной аналитической модели износостойкости обработанных поверхностей.
Методика и результаты эксперимента
В целях повышения эксплуатационных характеристик пар трения металлообрабатывающего оборудования, в частности износостойкости обработанных изделий, оцениваемой в зависимости от толщины формируемых покрытий, был проведен четырехфакторный эксперимент по симметричному некомпозиционному плану Бокса—Бенкина [3].
В качестве варьируемых факторов были выбраны: натяг N плакирующего инструмента к обрабатываемой поверхности Х^ диаметр ворса (¿в инструмента Х2; отношение угловых
Уровни варьирования факторов
Фактор Натяг N, мм, Х1 Диаметр ворса мм, Х2 Отношение угловых скоростей Юд / Ющ. Х3 Отношение длины ворса к радиусу заделки 1 / Гз, Х4
Основной уровень (Хю) 1 0,18 0,00225 0,35
Интервал варьирования (АХ;) 0,5 0,04 0,00125 0,1
Верхний уровень (X; = +1) 1,5 0,22 0,0035 0,45
Нижний уровень (X; = +1) 0,5 0,14 0,001 0,25
скоростей вращения Юд/Ющ обрабатываемой детали и гибкого инструмента Х3; отношение длины вылета ворса к радиусу его заделки 1_/ гз(Х4). Параметрами оптимизации служили: к — толщина получаемого покрытия, мкм; Аш — потеря массы образца, мг.
В таблице представлены уровни варьирования факторов при проведении эксперимента.
Эксперимент проведен на переоборудованном токарном станке, на суппорте которого была установлена плакирующая установка. В качестве материала покрытия использована бронза БрОЦС5-5-5, брусок которой прижимался к инструменту с усилием 20 Н. В качестве экспериментальных образцов использованы кольца СЧ 21-40 (180-190 НВ) диаметром 45 мм, предварительно подвергнутые шлифовке. Опыты не дублировали, поскольку центральный опыт повторяли трижды. При формировании фактора Х4 использовано устройство [4].
Для измерения толщины покрытия использовали толщиномер QuaNix 4500 (в электромагнитном режиме работы) с погрешностью 2 % и минимальным радиусом измерения 5 мм. На каждом образце проводили порядка 25 замеров, среднее значение которых и шло в окончательный анализ толщины сформированных покрытий.
Обработка данных эксперимента позволила получить уравнение регрессии для толщины нанесенных покрытий:
к = 5,733 - 2,992х2 - 1,325х3 + +2,3X1X2 + 0,9^2 Х3 1,575^2 %4
-1,004x2 + 2,946ж| - 0,804ж| - 1,504ж|, (1)
где X; — коэффициент перехода от кодированных величин к натуральным: Х1 = (Х1 - 1) / 0,5; х2 = (Х2 - 0,18) / 0,04; х3 = (Х3 - 0,00225) / / 0,00125; х4 = (Х4 - 0,35) / 0,1.
Проверка модели по критерию Фишера при 5%-ном уровне значимости подтвердила ее адекватность. При проверке модели учитывали то обстоятельство, что один опыт плана трижды дублировали.
Анализ уравнения регрессии показывает, что наибольшее влияние на формирование толщины покрытия оказывают: диаметр ворса (¿в инструмента и отношение длины вылета ворса к радиусу его заделки I / гз. На рис. 1 приведена зависимость толщины покрытия от этих параметров при N = 1 мм; юд / Ющ = = 0,00225.
Полученное уравнение хорошо коррелирует с моделью формирования толщины плакированного слоя [5].
Следующим шагом были испытания на износ, которые проводили в течение 60 мин по схеме диск—колодка на модернизированной машине трения СМТ-1. В качестве материала колодки использовали СЧ 21-40 (48-52 НИС). Колодка прижималась к диску с давлением 1,2 МПа. Диск при вращении окунался в ванну, заполненную маслом «Индустриальное-20», содержащим 5 % карборунда зернистостью 5-7 мкм. Абразив поддерживался во взвешенном состоянии для обеспечения равномерности его попадания на поверхность трения. Перед непосредственным испытанием на износ
12
10
к, мкм
0,45
0,16 ¿в, мм О,19
0,38
,31 I / Гз
0,22
0,25
Рис. 1. Зависимость формируемой толщины покрытия от параметров гибкого инструмента
ШШШМБОТКА
Дт, мг
0,0035
0
N, мм
0,0027
0,0018
1,5 0,001
ю / юп
Рис. 2. Зависимость износостойкости опытных образцов от режимов плакирования
проводили приработку в течение 30 минут на тех же режимах.
Обработка данных эксперимента по исследованию износостойкости, где в качестве параметра была выбрана потеря массы испытанных образцов, позволила получить уравнение регрессии вида
Дm = 0,037 + 0,063ж1 + 0,242ж3 + + 0, 075ж2 x4 + 0,067x12 + 0,073x2, (2)
где Xi — коэффициент перехода от кодированных величин к натуральным: Xl = (Х^ - 1) / 0,5; x2 = (Х2 - 0,18) / 0,04; x3 = (Х3 - 0,00225) / / 0,00125; x4 = (Х4 - 0,35) / 0,1.
Проверка модели по критерию Фишера при 5%-ном уровне значимости подтвердила ее адекватность.
Как видно из этой модели, на износостойкость в наибольшей степени влияют натяг ворса инструмента N^1) к поверхности изделия и отношение угловых скоростей вращения юд / Ющ ^3) обрабатываемого образца и гибкого инструмента. График зависимости потери массы от этих параметров при = 0,18 мм, l / гз = 0,35 представлен на рис. 2.
Для сравнения дополнительно к эксперименту были испытаны три кольца, не подвергавшихся обработке методом ПГИ. Среднее значение потери массы этих образцов составило 0,8 мг. При анализе графика можно сделать вывод, что все испытанные образцы, плакированные бронзой, за редким исключением, показывают износостойкость, более
высокую, чем образцы стандартной пары трения (рис. 2).
Для наглядного представления взаимосвязи между толщиной покрытия и износостойкостью построим гистограммы результатов эксперимента (рис. 3).
Для оценки износостойкости введем показатель эффективности нанесенных покрытий ^ф = 0,8 / Дmi, т. е. во сколько раз износостойкость образцов плакированных оловянистой бронзой больше износостойкости образцов, не обработанных методом ПГИ.
По рис. 3, а можно сделать вывод об отсутствии стойкой зависимости между исследуемыми показателями, а на рис. 3, б наглядно видно, что покрытия с наибольшей толщиной не являются самыми эффективными.
Хорошую эффективность показывают образцы с толщиной покрытия от 3,5 до 6 мкм — износостойкость повышается в 1,6-4 раза. Покрытия с толщиной более или менее указанного диапазона показывают слишком большой разброс значений, что затрудняет выбор параметров плакирования при проектировании технологических процессов.
Анализ полученных регрессионных моделей показывает, что на формирование толщины покрытия основное влияние оказывают диаметр ворса и отношение длины его вылета к радиусу заделки, т. е. параметры плакирующего инструмента (1), а на износостойкость обработанных образцов — натяг и отношение угловых скоростей вращения обрабатываемого образца и гибкого инструмента, т. е. режимы обработки (2).
Проведенные металлографические исследования шлифов образцов с нанесенной на них бронзой БрОЦС5-5-5 показали хорошую сплошность получаемого покрытия.
На рис. 4 представлен шлиф образца, обработанного по одному из режимов проведенного эксперимента.
Заметного уплотнения основы обработанного образца в результате деформационного воздействия ворса щетки не наблюдается, что, скорее всего, связано с низкой способностью серого чугуна подвергаться динамическому упрочнению.
На рис. 5 и 6 приведены спектрограммы поверхности покрытия соответственно на внешнем слое обработанного образца и вблизи его основы.
МЕТАЛЛООБРАБОТКЕ
обработка материалов резанием
а)
□ ш, мг • 10
□ к, мкм
б)
П кэ<5> □ Л, мкм
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27
Порядковый номер опыта
15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
123456789
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27
Порядковый номер опыта
Рис. 3. Гистограмма результатов эксперимента: а — соотнесение толщины покрытия с потерей массы образца; б — соотнесение толщины покрытия с коэффициентом эффективности
Данные спектрограммы по составу элементов покрытия (рис. 5): Са = 0,29 %; Ее = 7,09 %; Си = 78,25 %; Zn = 5,30 %; Бп = 4,63 %; РЬ = = 4,43 %.
Данные спектрограммы по составу элементов покрытия на основе образца (рис. 6): & = 1,47 %; Сг = 1,16 %; Мп = 0,56 %; Ее = 69,04 %; № = 0,62 %; Си = 22,57 %; Zn = 2,01 %; Бп = 1,22 %; РЬ = 1,35 %.
Граница раздела чугун—покрытие довольно хорошо просматривается. Это говорит о том, что, видимо, из-за структурных особенностей серого чугуна при его плакировании не образуется промежуточной зоны, характерной при обработке пластичных материалов.
1
2
Рис. 4. Шлиф СЧ 21-40 (180-190 НВ) с нанесенным покрытием БрОЦС5-5-5: 1 — покрытие; 2 — чугунная основа
с с 1 дл/ I Л - I Эрес^гит 1 Си К
.......................................................................................................................................................................................................... 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 -ыИ 5са!е 7659 Сиггог: 20.219 кеУ (0 с*8) кеУ
Рис. 5. Спектрограмма покрытия на внешнем слое
■^ЕТАППООБРАБОТК]
Анализ спектрограмм показывает наличие железа на внешнем слое покрытия (рис. 5), а это говорит о том, что частички материала покрытия и основы перемешиваются.
Учитывая, что частица материала обладает повышенной способностью к схватыванию, особенно при соударении со сдвигом с юве-нильной поверхностью основы, а по шлифу видно, что материал покрытия проникает во все впадины поверхности обработки, можно сделать вывод о хорошей адгезии наносимого покрытия.
Необходимо особенно остановиться на легировании покрытий кислородом, играющем большую роль в упрочнении покрытия. При данной схеме получения покрытия активируются ювенильные поверхности на внешнем слое покрытия и на частице, переносимой щеткой. Это способствует адсорбции и растворению в их поверхностных объемах элементов внешней среды, в том числе и кислорода. После появления контакта, деформации и схватывания между поверхностями очередной частицы и образовавшегося слоя
растворенный кислород оказывается внутри покрытия, т. е. протекает механическое легирование покрытия [6].
Выводы
Получены регрессионные зависимости износостойкости обработанных изделий, изготовленных из серого чугуна (СЧ 21-40), с нанесенным покрытием из оловянистой бронзы (БрОЦС5-5-5) и получаемой толщины покрытия от технологических режимов плакирования и параметров гибкого инструмента.
Установлено, что при формируемой толщине покрытия в диапазоне 3,5—6 мкм износостойкость в среднем повышается в 3 раза.
Рентгеноспектральным микроанализом выявлено, что материалы покрытия и основы перемешиваются, при этом наибольшее процентное содержание компонентов элемента материала покрытия приходится на внешний слой (порядка 90 %); при снятии данных
с основы образца процентное содержание покрытия составило порядка 25 %.
Данные зависимости использовались для оптимизации технологии обработки направляющих скольжения смешанного трения металлорежущего оборудования в условиях мелкосерийного производства на ООО «Лада инструмент» — ОАО «АвтоВАЗ».
Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. Мероприятие 1.4.
Литература
1. Анцупов В. П. Теория и практика плакирования изделий гибким инструментом. Магнитогорск: МГТУ им. Г. И. Носова, 1999. 241 с.
2. Батанова О. А. Специфика прочностного расчета деталей из полухрупких материалов // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2009. № 5. С. 48-53.
3. Новик Ф. С. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М.: Машиностроение, 1980. 304 с.
4. Пат. 2360034 Российская Федерация. МПК С 23 С 24/02. Устройство для нанесения покрытий / О. И. Дра-чев, А. В. Зотов; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет». № 2007127977/02; заявл. 20.07.2007; опубл. 27.06.2009. Бюл. № 18.
5. Платов С. И., Дема Р. Р., Зотов А. В. Модель формирования толщины плакированного слоя на деталях пар трения технологического оборудования // Вестн. МГТУ им. Г. И. Носова. 2013. № 1. С. 69-72.
6. Завалищин А. Н., Смирнов О. М., Тулупов С. А. Модификация поверхности металлических изделий с использованием покрытий. М.: Орбита-М, 2012. 336 с.
УДК 621.922
Кинетическая трактовка стойкости абразивного зерна
Д. В. Ардашев
Статья содержит результаты теоретических исследований износа абразивного зерна с позиций кинетической теории прочности твердого тела. Разработанная методом конечных элементов модель взаимодействия единичного абразивного зерна с обрабатываемой заготовкой позволила получить напряжения в абразивном зерне в процессе резания. Определена долговечность абразивного материала для различных технологических условий работы шлифовального круга.
Ключевые слова: термофлуктуационный механизм износа абразивного зерна, кинетическая теория прочности, износ абразивного зерна.
Введение
Шлифование, как известно, представляет собой взаимодействие двух твердых тел: абразивного зерна и обрабатываемой заготовки. Этот процесс сопровождается их взаимным износом, однако абразивный материал разрушается менее интенсивно и гораздо в меньших объемах. Несмотря на это, вопросы износостойкости абразивных инструментов на протяжении
всего времени существования науки о резании материалов остаются актуальными.
В технической литературе имеется большое количество эмпирико-теоретических исследований, посвященных износу и разрушению абразивных зерен в процессах шлифования. Это работы Т. Н. Лоладзе и Г. В. Бокучавы [1, 2], Е. Н. Маслова [3] и Л. Н. Филимонова [4], Л. Л. Мишнаевского [5] и др. Все они содержат исследования различных механизмов износа
[10
№ 3 (75)/2013
