Брянск, Брянская область, Россия
Брянск, Брянская область, Россия
УДК 621.9 Обработка резанием (снятием стружки).Резка (разделительные операции без образования стружки).Дробление и измельчение.Обработка листового материала.Изготовление резьбы и т.д. Способы (технология), инструменты, машины и приспособления
ББК 345 Общая технология машиностроения. Обработка металлов
В статье представлены результаты исследований параметров контактного взаимодействия между индентором инструмента и обрабатываемой поверхностью деталей при обработке методами поверхностного пластического деформирования алмазным выглаживанием и накатыванием шариками. Изменение технологических факторов алмазного выглаживания и накатывания при сравнительно равных условиях обработки по-разному влияют на формирование топографии и параметров микропрофиля. Это обусловлено характером контактирования индентора с поверхностью. При алмазном выглаживании интентор жестко закреплен в держателе инструмента, при накатывании шариком индентор вращается. Соответственно, для выглаживания превалирует процесс трения скольжения, для накатывания – трения качения. Силы трения в зоне контакта индентора инструмента с поверхностью детали влия¬ют на процессы. Коэффициент трения зависит от деформационной и адгезион¬ной составляющих. На процессы пластической деформации металла, на качество обрабатываемой поверхности и другие параметры обработки в зоне контакта индентора с обрабатываемой поверхностью большое влияние оказывают прочность адгезионной связи и молекулярная составляющая коэффициента трения. Значения этих факторов определяются сочетанием материалов контактирующих поверхностей. Нередко такая информация отсутствует в справочной и научной литературе, а теоретические расчеты не позволяют учесть реальные факторы обработки. В статье представлена методика и некоторые результаты исследований молекулярной составляющей коэффициента трения, удельной прочности адгезионной связи и пьезокоэффициента в зоне контакта индентора с поверхностью при алмазном выглаживании и накатывании шариками. Представленные результаты определяют научную новизну статьи.
выглаживание, накатывание, деформация, индентор, взаимодействие, коэффициент, трение, адгезионная связь
Введение
В машиностроении для повышения эксплуатационных свойств поверхностей деталей (например, усталостная прочность, контактная жесткость, износостойкость и др.) широко применяются методы обработки деталей поверхностным пластическим деформированием (ППД). Простыми и эффективными являются алмазное выглаживание неподвижным индентором и накатывание сферическим вращающимся индентором (шариком) [1 – 3 и др.], которые закреплены в держателе инструмента упругого действия.
В процессе технологической подготовки производства проектирование процессов изготовления изделий связано с выбором методов обработки деталей из множества альтернативных. Критерии выбора определяются технологом в зависимости от количества информации об анализируемых процессах, протекающих в процессе обработки, технологических возможностях рассматриваемых методов по формированию требуемых параметров качества и др. Несмотря на достаточную изученность методов алмазного выглаживания и накатывания, иногда сложно найти требуемую информацию о параметрах контактного взаимодействия инденторов инструментов с обрабатываемой поверхностью, необходимых для расчета ряда показателей процессов обработки. При анализе процессов контактного взаимодействия индентора с поверхностью необходимо учитывать прочность адгезионной связи и молекулярную составляющую коэффициента трения [4, 5]. Для прогнозирования результатов обработки деталей машин указанными методами значительный интерес представляют результаты исследований этих факторов.
Особенности формирования поверхности детали при ППД
Процессы алмазного выглаживания (АВ) и накатывания шариком (НШ) отличаются характером трения (скольжения и качения) индентора с поверхностью обработки, что влияет в определенной степени на характер формируемой топографии поверхности и ее физико-механические свойства [1, 4, 6 – 10].
На рис. 1 представлены примеры микропрофилей и микрорельефов плоских поверхностей деталей (чугун СЧ20), полученных после обработки шлифованием периферий абразивного круга с последующим АВ. При обработке происходит процесс охрупчивания неровностей поверхности и заполнение продуктами разрушения впадин между микронеровностями. При увеличении силы Q выглаживания на поверхности наблюдается рост размеров «макрозёрен», что видно по их паутинообразным границам (рис. 1б, е).
Чрезмерное увеличение силы Q приводит к перенаклёпу поверхности и разрушению отдельных микрообъёмов (характерно для чугуна) или возникновению волнистости (характерно для пластичных материалов). Перенаклёп поверхности детали из чугуна может являться причиной появления на ней дефектов в виде «кратеров», росту высотных параметров шероховатости (рис. 1е) [6]. Дефекты поверхностей в виде «кратеров» наблюдаются как после шлифования (1, рис. 1а), так и после АВ (2, 3 рис. 1в). Эти дефекты образуются после АВ (или НШ) при силовой интенсификации обработки или могут наследоваться [7].
Также при АВ может наблюдаться процесс «размазывания» исходных микронеровностей по поверхности (рис. 1б, г, е), схожий с процессом наростообразования. При НШ этот процесс практически отсутствует, но наблюдается раскатывание исходных неровностей (рис. 1в, д). Такое различие связано с тем, что при АВ превалирует процесс трения скольжения, при НШ – процесс трения качения.
Профилограммы поперечного профиля поверхности (направление «Т», рис. 1)) показывают, что при увеличении силы Q высотные параметры шероховатости снижаются после обработки АВ и НШ. Интенсивность снижения значений высотных параметров больше при АВ.
Исследования, проводившиеся при обработке плоских поверхностей деталей из чугуна методами ППД после торцевого фрезерования синтетическими сверхтвердыми материалами, показали аналогичную физическую картину формирования микрорельефа [10].
При выглаживании плоских поверхностей стальных деталей (сталь 45), предварительно обработанных шлифованием периферией круга, следов процесса «охрупчивания» или «размазывания» материала по поверхности не наблюдалось.
Таким образом, алмазное выглаживание характеризуется «размазыванием» материала исходных неровностей по поверхности в результате «охрупчивания» микронеровностей и микрорастрескивания поверхности (для чугуна) или пластического деформирования исходных микронеровностей (для стали). Для процесса накатывания шариками характерно «раскатывание» материала исходных неровностей по поверхности.
Формирование различной текстуры обрабатываемых поверхностей определяет различие их эксплуатационных свойств.
Методика диагностики адгезионных связей в зоне контакта индентора с поверхностью
При обработке ППД силы трения в зоне контакта индентора инструмента с поверхностью детали влияют на процесс пластической деформации металла, изменение температуры, показатели качества поверхностного слоя и др. [1]. Коэффициент трения зависит от значения коэффициента fдеф, определяемого процессом деформирования поверхностного слоя, и значения коэффициента fадг, определяемого показателями адгезионных связей между индентором и поверхностью [8]:
. (1)
Деформационная составляющая коэффициента трения определяется силой P обработки ППД, глубиной h внедрения индентора, поверхностной микротвердостью, радиусом r индентора.
|
Для анализа процессов контактного взаимодействия индентора с обрабатываемой поверхностью необходимо определить такие показатели, как прочность адгезионной связи, молекулярная составляющая коэффициента трения и др. Проводились исследования процессов обработки поверхностей деталей методами алмазного выглаживания инденторами из синтетических сверхтвёрдых материалов (АСПК) и накатыванием шариками из стали ШХ15 с целью определения этих показателей.
Прочность на срез адгезионной связи и молекулярная составляющая коэффициента трения fм зависят от материалов поверхностей, контактирующих друг с другом [9], в случае обработки ППД – от обрабатываемого материала и материала индентора.
Коэффициент fм рассчитывается по зависимости [11]:
, (2)
где tп – сдвиговая прочность молекулярных связей; t0 – удельная сдвиговая прочность молекулярных связей при нормальном давлении в зоне контакта индентора с поверхностью, равном к нулю; Рr – нормальное давление в зоне контакта; b – пьезокоэффициент, учитывающий изменение молекулярной составляющей коэффициента трения при изменении нормального давления.
Молекулярная составляющая коэффициента трения алмазного индентора с поверхностью влияет на формирование параметров её качества независимо от процессов, протекающих при обработке: микрорезания, наволакивания, пластического оттеснения и т.п. Поэтому, для обеспечения требуемых параметров качества поверхностного слоя материал индентора инструмента ППД должен иметь минимальные значения tп и fм.
На рис. 2 представлена схема лабораторной установки, с помощью которой по методике, изложенной в [2], проводились исследования.
В качестве инденторов применялись стандартные вставки из алмаза синтетического поликристаллического (АСПК, радиусом r =
Рис. 1. Вид микрорельефа и профилограммы плоских поверхностей деталей из чугуна СЧ20,
полученных алмазным выглаживанием и накатыванием шариком (радиус инденторов r =
после шлифования периферией абразивного круга
Fig. 1. Microrelief formation and microprofiling of flat surfaces of parts made of cast iron GG20
|
Рис. 2. Схема установки для определения адгезионной составляющей коэффициента трения
Fig. 2. Installation diagram for measuring the adhesive component of the friction ratio
Индентор 3 (радиус r =
На рис. 3 представлен общий вид дисковой обоймы с инденторами.
Молекулярная составляющая коэффициента трения должна быть постоянной по величине. Для этого значение нормальной нагрузки в зоне контакта индентора с образцами должно быть таким, чтобы возникающие средние напряжения были равны твердости (по Бринеллю) материала образцов.
Рис. 3. Дисковая обойма с инденторами: а – блок с инденторами в разобранном состоянии;
б – блок инденторов в сборе; 1 – обойма; 2 – выглаживатель из АСПК; 3 – инденторы
Fig. 3. Disk-shape shell with indentors: а – mount with indentors in the disassembled condition;
b – mount with indentors in the assembled condition; 1 – shell; 2 – standard inserts made of synthetic
polycrystalline diamond; 3 – indentors
По результатам эксперимента по схеме на рис. 4 рассчитываются значения прочности на срез адгезионных связей tп и коэффициент fм, учитывающий молекулярную составляющую коэффициента трения:
, 
. (3)
Здесь Fо – окружное усилие на дисковой обойме, действующее в момент трогания с места индентора [2]; Rо – радиус приложения усилия Fо к индентору (радиус обоймы, рис. 4); rо – радиус отпечатка индентора на образце; N – нормальная нагрузка.
Размеры отпечатков индентора в образцах определялись: 1) по профилограммам, полученным с помощью компьютеризированной информационно-измерительной системы [2, 12] (рис. 5); 2) на микроскопе в 2-х взаимно перпендикулярных сечениях.
|
Рис. 4. Схема измерения молекулярной
составляющей коэффициента трения:
1 – индентор; 2 – образец;
3 – дисковая обойма
Fig. 4. Scheme for finding the molecular
component of the friction ratio
1 – indentor; 2 – sample; 3 – disk holder
Обзор результатов эксперимента
Исследовались пары «АСПК – Чугун СЧ20», «АСПК – Сталь 45», «ШХ15 – Чугун СЧ20», «ШХ15 – Сталь 45». Установлено, что микрочастицы материала образца на поверхности индентора отсутствовали. Также исследовалась пара «АСПК – медь». В этом случае на поверхности индентора оставалась плёнка цвета меди (рис. 5б), образование которой объясняется низкой прочностью меди и высокой прочностью адгезионной связи материалов исследуемой пары [13].
На рис. 6 показаны графики изменения значений прочности адгезионной связи tп и молекулярной составляющей fм коэффициента трения в зоне обработки «индентор – чугун СЧ20». При АВ индентор (АСПК), как при наличии смазки, так и без неё оказывает более значимое влияние на исследуемые величины t0, b, по сравнению с методом НШ. В зоне контакта «индентор ШХ15 – СЧ20» значение t0 в 2,8…4,1 раза выше, чем в зоне контакта «индентор АСПК – СЧ20», а величина b больше, примерно, в 2 раза.
Рис. 5. Пример профилограмм отпечатков индентора для оценки прочности адгезионной связи
и молекулярной составляющей коэффициента трения в парах «индентор (АСПК, ШХ15) – Чугун СЧ20)»:
а – общий вид отпечатков на поверхности образца; б – поверхность индентора после испытаний;
в – профили отпечатков в сечении «I – I»
Fig. 5. An example of profile records of indenter prints for assessing the strength of the adhesive bond and the
molecular component of friction ratio in pairs «indentor – Cast iron GG20»: а – general view of the indentation cups
on the surface of the sample; b) indentor after testing; c) indentation profiles in sections «I – I»
|
Рис. 6. Изменение значений прочности адгезионной связи tп и молекулярной составляющей коэффициента
трения fм в зоне контакта инденторов АСПК (1, 2) и ШХ15 (3, 4) с поверхностями деталей из чугуна СЧ20
при наличии (1, 3) и отсутствии (2, 4) смазки
Fig. 6. The strength of the adhesive bond tп and the molecular component of the coefficient of friction fm
at the contact of the surfaces of cast iron GG20 with the SPCD (1, 2) and SHX15 (ball bearing steel
with chrome content 15%) (3, 4) indentors with (1, 3) and without (2, 4) lubrication
В случае исследования процессов контактного взаимодействия в паре «АСПК – медь» наблюдается высокая прочность адгезионной связи (рис. 7). Также, по аналогии с парой «индентор ШХ15 – СЧ20», наблюдается эффект повышения τ0 при наличии смазки. При этом величина fм снижается с ростом давления Рr в зоне контакта индентора с поверхностью.
Установлено, что введение смазки в зону контакта «индентор АСПК – СЧ20» незначительно влияет на изменение величин t0 и b (рис. 7). Это позволяет осуществлять алмазное выглаживание поверхностей деталей из чугуна без смазки.
Значения удельной сдвиговой прочности молекулярных связей t0 и пьезокоэффициента b (2) определялись по результатам экспериментов (рис. 6, 7) методом наименьших квадратов по зависимостям [14]:
t0 = 
, (4)
b = 
. (5)
Значения удельной сдвиговой прочности t0 и пьезокоэффициента b определялись по способу разгружения, методика которого изложена в [9]. Максимальная нагрузка на индентор в начале эксперимента составляла 4,45 кН, затем она снижалась до значений 3,45 кН, 2,45 кН и 1,45 кН. При каждом снижении нагрузки определялись значения fм, t и b.
Результаты расчётов представлены в табл. 1 [13].
Рис. 7. Изменение значений прочности адгезионной связи t0 и молекулярной составляющей коэффициента
трения fм при наличии (1) и отсутствии (2) смазки в зоне контакта: а – «АСПК – сталь 45»; б – «АСПК – медь»
Fig. 7. The strength of the adhesive bond t0 and the molecular component of the friction ratio fm when contacting
|
Таблица 1
Значения молекулярной составляющей коэффициента трения fм, удельной прочности
адгезионной связи t0 и пьезокоэффициента b в зоне контакта «индентор – поверхность»
при обработке алмазным выглаживанием (АСПК) и накатыванием шариками (ШХ15)
Table 1
Analysis of the molecular component of the friction ratio fm, the strength-density ratio of the
adhesive bond t0 and pressure coefficient b in the contact «surface – indentor» during SPD process
|
№ |
Материал индентора |
Обрабатываемый материал |
Смазка* |
Величина fм при нагрузке на индентор N, кН |
t0 |
b |
|||
|
4,45 |
3,45 |
2,45 |
1,45 |
||||||
|
1 |
АСПК |
Сталь 45 |
+ |
0,088 |
0,1 |
0,072 |
0,097 |
23,2 |
0,08 |
|
– |
0,092 |
0,097 |
0,097 |
0,093 |
8,3 |
0,09 |
|||
|
2 |
АСПК |
Чугун СЧ20 |
+ |
0,065 |
0,065 |
0,08 |
0,045 |
15,3 |
0,06 |
|
– |
0,078 |
0,07 |
0,078 |
0,056 |
9,8 |
0,06 |
|||
|
3 |
ШХ15 |
Чугун СЧ20 |
+ |
0,15 |
0,16 |
0,2 |
0,22 |
51,5 |
0,13 |
|
– |
0,15 |
0,15 |
0,14 |
0,15 |
35,5 |
0,12 |
|||
|
4 |
АСПК |
Медь |
+ |
– |
0,083 |
0,11 |
0,13 |
34,1 |
0,06 |
|
– |
– |
0,07 |
0,1 |
0,13 |
50,5 |
0,04 |
|||
* (–, +) – отсутствие или наличие смазки соответственно
Заключение
Результаты исследований прочности адгезионной связи и молекулярной составляющей коэффициента трения позволяют дать количественную оценку влияния материалов обрабатываемой поверхности и индентора, а также наличия смазки и величины нагрузки на индентор на удельную сдвиговую прочность молекулярных связей t0 и на пьезокоэффициент b, характеризующий изменение коэффициента трения при изменении нормального давления. Полученные зависимости и табличные базы данных могут быть использованы в процессе технологической подготовки производства при определении требуемых силовых параметров процессов АВ или НШ, а также в ходе теоретических расчетов триботехнических характеристик поверхностей деталей из стали и чугуна после алмазного выглаживания или накатывания шариком.
1. Одинцов Л.Г. Упрочнение и отделка деталей пластическим деформированием: справочник. Москва : Машиностроение, 1987. 328 с.
2. Нагоркин М.Н., Федоров В.П., Нагоркина В.В., Ковалева Е.В. Параметрическая надёжность технологических систем лезвийной и упрочняющей обработки инструментами из синтетических сверхтвёрдых материалов по геометрическим параметрам качества и триботехническим характеристикам поверхностей деталей. Прогрессивные машиностроительные технологии, оборудование и инструменты, том VII : коллективная монография ; под ред. А.В. Киричека. Москва : Спектр, 2016. С. 506-688. DOIhttps://doi.org/10.14489/4442-0118-3.
3. Fyodorov V.P., Nagorkin M.N., Kheifetz M.L., Polsky E.A. Modeling of the contact interaction of the tool indenter with the part surface when processing by surface plastic deformation methods. Materials Science Forum, vol. 1037, 2021. Pp 564-570. DOIhttps://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.1037.564.
4. Федоров В.П. Технологическая устойчивость и параметры контактного взаимодействия индентора с поверхностью при финишной обработке поверхностным пластическим деформированием устройствами упругого действия. Справочник. Инженерный журнал. 2006. №. 4. - С. 4-8.
5. Федоров В.П., Кириллов О.Н., Нагоркин М.Н., Ковалева Е.В. Исследование параметров контактного взаимодействия индентора с поверхностью при обработке методами поверхностного пластического деформирования Вестник Воронежского государственного технического университета. 2020. Т. 16, № 3. С. 110-119. DOIhttps://doi.org/10.25987/VSTU.2020.16.3.015.
6. Хворостухин Л.А., Шишкин С.В., Ковалёв А.П., Ишмаков Р.А. Повышение несущей способности деталей машин поверхностным упрочнением. Москва : Машиностроение, 1988. 144 с. ISBN 5-217-00064-3.
7. Нагоркин М.Н. Технологическое обеспечение шероховатости плоских поверхностей алмазным выглаживанием. Обработка металлов (технология, оборудование, инструмент). 2002. № 3 (16). С. 17-24.
8. Торбило В.М. Алмазное выглаживание. - Москва : Машиностроение, 1972. 105 с.
9. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение и повышение эксплуатационных свойств деталей машин обработкой пластическим деформированием. Справочник, Инженерный журнал. 2003. № 8. С. 8-13.
10. Нагоркин М.Н. Надежность технологического обеспечения шероховатости и износостойкости поверхностей деталей инструментами из синтетических сверхтвердых материалов: автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук / Нагоркин Максим Николаевич; Брянский государственный технический ун-т. Брянск, 2019. 32 с.: ил. Библиогр.: с. 29-31. Место защиты: Брянский государственный технический ун-т. Текст: непосредственный.
11. Михин Н.М. Внешнее трение твёрдых тел. Москва : Наука, 1977. 224 с.
12. Суслов А.Г., Федоров В.П., Нагоркин М.Н., Пыриков И.Л. Комплексный подход к экспериментальным исследованиям технологических систем металлообработки по обеспечению параметров качества и эксплуатационных свойств поверхностей деталей машин. Наукоемкие технологии в машиностроении. 2018. № 10. С. 3-13. DOI:https://doi.org/10.30987/article_5bb4b1f9abbc54.46761484.
13. Ковалева Е.В. Технологическое обеспечение заданной закономерности изменения шероховатости плоских поверхностей деталей машин при отделочно-упрочняющей обработке поверхностным пластическим деформированием на станках с ЧПУ : специальность 05.02.08 «Технология машиностроения»: дис. на соискание ученой степени канд. технических наук / Ковалева Елена Владимировна; Брянский государственный технический ун-т. Брянск, 2007. 235 с. Библиогр.: с. 210-227.
14. Суслов А.Г., Горленко О.А. Экспериментально-статистический метод обеспечения качества поверхности деталей машин: монография. Москва : Машиностроение-1, 2003. 303 с. ISBN 5-94275-041-6.
