/
Author: Суслов А.Г.
Tags: детали машин передачи (механические) подъемно-транспортное оборудование крепежные средства смазка общее машиностроение машиноведение инженерия машиностроение машиностроительные нормативы инженерное дело
ISBN: 978-5-217-03427-7
Year: 2008
Text
ИНЖЕНЕРИЯ
ПОВЕРХНОСТИ
ДОШЕЙ
ИНЖЕНЕРИЯ
ПОВЕРХНОСТИ
ДЕТАЛЕЙ
Под редакцией
д-ра техн, наук проф.
А.Г. Суслова
МОСКВА “МАШИНОСТРОЕНИЕ” 2008
УДК 621.8
ББК 34.41
И62
Авторы: А.Г. Суслов, В.Ф. Безъязычный, Ю.В. Панфилов, С.Г. Бишутин, И.В. Говоров,
А.О. Горленко, О.А. Горленко, Д.И. Петрешин, В.И. Сакало, С.Ю. Съянов,
В.П. Тихомиров, О.Н. Федонин, В.П. Федоров, Д.Н. Финатов, А.Н. Щербаков
Рецензент: акад. РАН И.Г. Горячева
Инженерия поверхности деталей / Колл, авт.; под ред. А.Г. Суслова. М.:
И62 Машиностроение. 2008. - 320 с.: ил.
ISBN 978-5-217-03427-7
Экономическая целесообразность комплексного обеспечения качества деталей на всех ста-
диях их жизненного цикла вызвала необходимость аналогичного подхода и к рабочим поверх-
ностям деталей. Здесь впервые комплексно рассмотрено качество поверхностного слоя деталей
на всех этапах их жизненного цикла (проектирование, технологическая подготовка производст-
ва, изготовление, контроль, сборка, испытание, диагностика, эксплуатация, ремонт, восстанов-
ление и утилизация), в результате чего сформировано учение об инженерии поверхности, зани-
мающее сейчас одно из ведущих мест в технике.
Данная книга является первой попыткой обобщения указанного учения и его применения в
практике. В ней даны примеры по инженерии поверхности конкретных изделий.
Для инженерно-технических работников и специалистов промышленных предприятий, пре-
подавателей, аспирантов и студентов технических вузов.
УДК 621.8
ББК 34.41
ISBN 978-5-217-03427-7 © Суслов А.Г., Безъязычный В.Ф., Панфилов Ю.В. и др., 2008
© Издательство "Машиностроение", 2008
Перепечатка, все виды копирования и воспроизведения материалов,
опубликованных в данной книге, допускаются только с разрешения
издательства и со ссылкой на источник информации
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.............................................................6
Глава1. ФОРМИРОВАНИЕ УЧЕНИЯ ОБ ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ
ДЕТАЛЕЙ И НАПРАВЛЕНИЯ ЕГО ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ (АТ. Суслов) 7
1.1. Начало инженерии поверхности деталей машин................7
1.2. Инженерия поверхности деталей на этапах жизненного цикла.16
1.3. Направления дальнейшего развития учения об инженерии поверхности
деталей...................................................... 20
Глава 2. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИ-
РОВАНИЯ (Л.Г. Суслов, А.О. Горленко, В.П. Тихомиров)................25
2.1. Инженерия поверхности с позиций контактного взаимодействия твердых тел 25
2.2. Роль инженерии поверхности в обеспечении надежности изделий машино-
строения .....................................................29
2.3. Выбор и назначение параметров качества поверхностного слоя деталей
машин.........................................................40
Глава 3. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ТЕХНОЛО-
ГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА (А.Г. Суслов, С.Г. Бишутин,
С.Ю. Съянов)........................................................55
3.1. Технологическое обеспечение качества поверхностного слоя деталей при
лезвийной обработке...........................................55
3.2. Технологическое обеспечение качества поверхностного слоя деталей при
алмазно-абразивной обработке....................................62
3.3. Технологическое обеспечение качества поверхностного слоя деталей при
отделочно-упрочняющей обработке поверхностно-пластическим деформиро-
ванием (ОУО ППД)..............................................71
3.4. Формирование качества поверхностного слоя деталей при электрофизи-
ческих методах обработки........................................78
3.5. Методика обеспечения качества поверхностного слоя деталей при техно-
логической подготовке производства............................83
Глава 4. МЕТОД ПОДОБИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ
(В.Ф. Безъязычный)..................................................91
4.1. Исходные соотношения метода подобия при резании материалов.91
4.2. Расчет остаточных напряжений в поверхностном слое детали.93
4.2.1. Определение температуры в поверхностном слое при обработке 93
4.2.2. Тепловые остаточные напряжения........................97
4.2.3. Силовые остаточные напряжения......................105
4.2.4. Суммарные остаточные напряжения....................112
4.2.5. Тепловые остаточные напряжения при шлифовании......113
4.3. Расчет степени и глубины наклепа........................121
4.3.1. Определение глубины наклепа при точении............121
4.3.2. Определение глубины наклепа при шлифовании.........123
4.3.3. Расчетное определение степени наклепа..............125
4.4. Расчетное определение параметров шероховатости поверхности.126
4
ОГЛАВЛЕНИЕ
4.5. Теоретико-экспериментальное исследование параметров поверхностного
слоя........................................................... 131
4.5.1. Определение остаточных напряжений при точении.......131
4.5.2. Определение высоты неровностей обработанной поверхности .... 132
4.5.3. Расчет глубины наклепа при точении..................135
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД В ИНЖЕ-
НЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ {А.Г. Суслов, О.А. Горленко)...............138
5.1. Способ решения задач, когда известны совокупность и уровни техноло-
гического обеспечения параметров качества поверхностного слоя деталей 138
5.2. Способ решения задач, когда известна совокупность, но неизвестны
уровни технологического обеспечения параметров качества поверхностного
слоя деталей................................................... 142
5.3. Способ решения задачи, когда неизвестны и совокупность, и уровни тех-
нологического обеспечения параметров качества поверхностного слоя деталей 143
5.4. Технологическое обеспечение эксплуатационных показателей поверхно-
стных слоев деталей с помощью комплексных параметров........... 149
5.5. Экспериментально-статистический метод технологического обеспечения
эксплуатационных свойств поверхностных слоев деталей............151
5.6. Примеры применения экспериментально-статистического метода в ин-
женерии поверхности..............................................155
Глава 6. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ
{А.Г. Суслов, Д.И. Петрешин).........................................170
6.1. Обеспечение качества поверхностного слоя деталей при изготовлении 170
6.2. Технологическое наследование в инженерии поверхности..... 176
6.3. Адаптивное управление качеством поверхностного слоя........180
6.4. Технологическое создание закономерно изменяющегося качества по-
верхностного слоя деталей.......................................193
Глава 7. ЭЛЕКТРОННЫЕ И НАНОТЕХНОЛОГИИ В ИНЖЕНЕРИИ
ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ {Ю.В. Панфилов)...............................198
7.1. Области применения электронных и нанотехнологий.........198
7.2. Эффекты взаимодействия электронных и ионных пучков, газоразрядной
плазмы с поверхностью твердого тела..........................200
7.3. Ионно-лучевая обработка и ионная имплантация............207
7.4. Вакуумно-плазменное травление материалов.....................210
7.5. Вакуумное осаждение тонких пленок.......................213
7.6. Нанесение в вакууме твердосмазочных и износостойких покрытий.221
7.7. Наноструктурированные материалы в инженерии поверхности.225
Глава 8. КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ
ДЕТАЛЕЙ {А.Г. Суслов, В.П. Федоров)..............................233
8.1. Концепция компьютерного мониторинга параметров качества поверх-
ностного слоя и эксплуатационных свойств поверхностей деталей машин233
8.2. Метрологическое обеспечение геометрических параметров качества в
инженерии поверхности и его автоматизация............................236
8.3. Виртуальная система микроскопии и анализа поверхностей..........246
ОГЛАВЛЕНИЕ
5
8.4. Автоматизированная система нормализованного определения несущей
способности поверхностных слоев деталей машин...............247
Глава 9. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ СБОРКЕ И
ЭКСПЛУАТАЦИИ (А.Г. Суслов, О.Н. Федонин).........................256
9.1. Инженерия поверхности деталей при сборке...............256
9.2. Инженерия поверхности деталей при эксплуатации.........258
Глава 10. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН ПРИ ИХ
ВОССТАНОВЛЕНИИ (А.Г. Суслов, И.В. Говоров, А.Н. Щербаков)........267
10.1. Восстановление рабочих поверхностей трения деталей машин пластиче-
ским вытеснением материала..................................267
10.2. Восстановление рабочих поверхностей трения деталей машин электро-
механической обработкой..................................... 270
10.3. Восстановление рабочих поверхностей трения деталей машин плазмен-
ными методами...............................................272
10.4. Восстановление рабочих поверхностей трения деталей наплавкой, на-
варкой .....................................................276
10.5. Подготовка восстанавливаемых поверхностей деталей под нанесение по-
крытий ..................................................... 280
10.6. Механическая обработка восстановленных поверхностей трения деталей
машин.......................................................282
Глава 11. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖ-
НЫХ РЕЛЬСОВ И КОЛЕС (А.Г. Суслов, В.И. Сакало,Д.Н. Финатов)......286
11.1. Оптимальные поперечные профили железнодорожных колес и рельсов 286
11.2. Технологическое обеспечение оптимального поперечного профиля и ка-
чества поверхности катания железнодорожных колес при изготовлении и ре-
монте ......................................................299
11.3. Технологическое обеспечение оптимального поперечного профиля и ка-
чества поверхности катания железнодорожных рельсов при изготовлении и
ремонте.....................................................306
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................312
ВВЕДЕНИЕ
Одним из основных показателей качества машин является их надежность. Как пра-
вило, все разрушения деталей (износные, коррозионные, прочностные, контактные, ус-
талостные) начинаются с поверхности.
Изучение качества поверхностного слоя за свою 100-летнюю историю осуществля-
лось от неопределенного учета неровностей до комплексной оценки его состояния, учи-
тывающей как все виды неровностей (макроотклонение, волнистость, шероховатость,
субшероховатость), так и физико-химические свойства (структуру, фазовый и химиче-
ский составы, наклеп, остаточные напряжения, экзоэлектронную эмиссию и др.). Каче-
ство поверхностного слоя вызывает интерес ученых различных направлений: механиков,
физиков, химиков, метрологов и технологов.
В настоящее время в России вопросам качества поверхностного слоя придают осо-
бое значение в различных научных школах, в том числе в БГТУ, МГТУ им. Н.Э. Ба-
умана и РГАТА им. Л.А. Соловьева. Данная монография написана представителями
именно этих научных школ.
Экономическая целесообразность комплексного обеспечения качества деталей на
всех стадиях их жизненного цикла обусловила необходимость аналогичного подхода и к
их рабочим поверхностям. Рассмотрение качества поверхностного слоя деталей машин
на всех стадиях жизненного цикла (проектирование, изготовление, контроль, испытание,
диагностика, эксплуатация, ремонт, восстановление и утилизация) положило начало
учению об инженерии поверхности, которое занимает в наше время одно из ведущих
мест в технике. Инженерии поверхности посвящаются многие международные научно-
технические конференции.
Написание данной монографии является первой попыткой обобщения данного уче-
ния и его применения на практике. В ней рассмотрена инженерия поверхности деталей
на этапах проектирования, технологической подготовки производства, изготовления,
контроля, испытаний, сборки, эксплуатации и восстановления. Последняя глава посвя-
щена инженерии поверхности конкретных деталей железнодорожного транспорта: колес
и рельсов.
Монография является научно-техническим изданием и предназначается для ИТР
промышленных предприятий и может быть полезна профессорско-преподавательскому
составу, студентам и аспирантам технических вузов.
Глава 1
ФОРМИРОВАНИЕ УЧЕНИЯ ОБ ИНЖЕНЕРИИ
ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ И НАПРАВЛЕНИЯ
ЕГО ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ
Сущность учения об инженерии поверхности деталей заключается в разработке
теории научно обоснованного определения формы рабочих поверхностей, геометриче-
ских параметров (макроотклонений, волнистости, шероховатости) и физико-химических
свойств, обеспечивающих безотказность и экономически целесообразную долговеч-
ность, а также в технологическом создании таких поверхностей, их контроле, испыта-
нии, изменении при эксплуатации, ремонте, восстановлении и утилизации.
1.1. НАЧАЛО ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Корродирование, износ и разрушение деталей привело к постепенному осознанию
влияния на эти процессы качества их поверхностей, причем это осознание пришло из
практики и укрепилось в инженерии [34, 37].
Первоначально это качество трактовалось как чистота поверхности, которую оце-
нивали в виде знаков V, W, VW, VWV, проставляемых на чертежах деталей и технологи-
чески обеспечиваемых при их обработке. При этом было абсолютной истиной, что чем
«чище» поверхность, тем лучше. Повышение чистоты обеспечивалось различными ме-
тодами лезвийной и абразивной обработки.
Улучшение чистоты поверхности при лезвийной обработке обеспечивалось умень-
шением подачи на оборот (при точении, растачивании) или на зуб (при фрезеровании).
Теоретически это базировалось на приблизительной формуле Чебышева (рис. 1.1)
h с 2
h = —, или Rz = —, (1.1)
8r 8r
где b - ширина хорды, мм; S - подача на оборот или зуб, мм; г - радиус окружности при
вершине резца или зуба, мм.
При абразивной обработке повышение «чистоты» поверхности обеспечивалось пу-
тем уменьшения зернистости инструмента, подачи и увеличения числа выхаживаний.
Для дальнейшего повышения «чистоты» поверхности снижали величину зерна инстру-
мента и увеличивали число выхаживаний, что привело к процессам полирования и притирки.
Благодаря работам советских и зарубежных ученых технологов впервые появились
справочные инженерные данные о возможностях различных методов обработки деталей
Рис. 1.1. Схема исходного теоретического
представления формирования шероховато-
сти при точении
b=S
8
Глава 1. ФОРМИРОВАНИЕ УЧЕНИЯ ОБ ИНЖЕНЕРИИ
Z X X X в обеспечении классов чистоты поверхно-
/ \ Ф1/\ / \ сти. К этому времени из практики было
' 1 _L_v \ установлено, что наклеп поверхности при-
водит к повышению износостойкости де-
Рис. 1.2. Геометрический профиль шерохова- талей (отбивание кос перед уборкой уро-
тости с учетом углов ср и ср, жая и Технолог-практик А.И. Кузь-
мин еще в 1933 г. осуществлял наклеп
поршневых колец молоточком. В конце 40-х годов XX века принцип наклепа поверхно-
сти (дробеструйная обработка) был принят и для автомобильных листовых рессор. Это
положило начало развитию обработки деталей поверхностным пластическим деформи-
рованием.
В эти же годы ученые, занимающиеся изучением качества поверхности, установи-
ли, что наряду с шероховатостью, трактуемой как «чистота» поверхности, имеются и
другие неровности с большим шагом, трактуемые как волнистость, огранка, бочкооб-
разность, конусность и др. Было установлено, что образование этих неровностей обу-
словлено жесткостью технологической системы СПИЗ (станок-приспособление-ин-
струмент-заготовка) и ее вибрациями. По мере возрастания деталей и повышения «чис-
тоты» их поверхности стремились к уменьшению и данных неровностей. Обеспечивает-
ся это увеличением жесткости станков и инструментов, установкой станков на хорошо
подготовленный фундамент и введением дополнительных чистовых и отделочных опе-
раций шлифования, полирования, доводки, притирки.
Контроль чистоты поверхности деталей осуществлялся визуально с использовани-
ем образцов «чистоты», а в лабораторных условиях - профилометрами по среднему
квадратическому отклонению - Rq. Затем для упрощения и незагромождения чертежей
в соответствии с ГОСТ 2789-59, чистоту поверхности стали обозначать одним треуголь-
ником с цифровым указателем чистоты, например V7. Это означает, что поверхность
должна иметь седьмой класс чистоты, которому соответствует среднее арифметическое
отклонение профиля шероховатости Ra 0,63... 1,25. Причем впервые была введена базо-
вая длина для измерения шероховатости.
В 50-е годы прошлого века уточнена теоретическая зависимость формирования ше-
роховатости при лезвийной обработке. Установлено, что наряду с радиусом при верши-
не резца в формировании шероховатости в зависимости от геометрии инструмента и
подачи могут участвовать и углы в плане ф и фь (рис. 1.2), а также наличие упругого вос-
становленного материала при резании и приращения шероховатости на эту величину [32].
Были предприняты попытки по выделению волнистости и ее оценке по аналогии с
шероховатостью. Введено понятие «класс волнистости» в зависимости от их высоты
Wz[33]:
Высота волнистости, мкм 1 2 4 8 16 32 64 175 250
Класс волнистости....... I II III IV V VI VII VIII IX
За рубежом параметры волнистости были стандартизованы (табл. 1.1).
Исследование процессов резания и пластического деформирования при обработке
деталей показало, что действие сил и температур в зоне обработки вызывает зарождение
поверхностных остаточных напряжений, которые, судя по исследованиям, значительно
влияют на долговечность деталей. Активно исследуется формирование поверхностных оста-
точных напряжений при различных методах обработки: лезвийной, абразивной и отделочно-
упрочняющей обработке поверхностно-пластическим деформированием (ППД) [37]. Раз-
рабатываются методы контроля поверхностных остаточных напряжений [37].
НАЧАЛО ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
9
1.1. Стандартизованные параметры волнистости
Страна Высота волни- стости Высота волнистости Средний шаг волни- стости Глубина нивелирования волнистости Среднее арифметиче- ское отклонение волнистости
сред- няя макси- мальная
Франция Германия Австрия Япония Велико- британия Wt W Жшах Aw Wp Wa
- - - -
-
Hz
Советскими учеными в работах по трению и износу установлено, что не всегда уве-
личение чистоты поверхности снижает силу трения и уменьшает износ. Объяснила это
явление молекулярно-механическая теория трения И.В. Крагельского [33], согласно ко-
торой улучшение чистоты поверхности, а следовательно, снижение неровностей шеро-
ховатости приводит к уменьшению механической составляющей коэффициента трения и
к увеличению ее молекулярной или адгезионной составляющей.
Это привело к еще большему пониманию того, что классы чистоты не могут
в дальнейшем использоваться для оценки качества поверхности деталей. Теоретические
работы советских и зарубежных ученых убедительно свидетельствовали, что долговеч-
ность деталей не может быть обеспечена указанием по чертежам класса чистоты по-
верхности, который характеризовал только высотные параметры шероховатости: Ra или
Rz (средняя высота неровностей профиля шероховатости по десяти точкам). В част-
ности, теоретически и экспериментально было доказано, что такие эксплуатационные
свойства, как контактная жесткость и износостойкость, зависят от несущей способности
профиля шероховатости, характеризуемой относительной длиной опорной линии д и ее
параметрами b и v (рис. 1.3) [35, 36]:
д = 6е\ (1.2)
где £ - относительное расстояние от линии выступов до рассматриваемого уровня про-
филя шероховатости.
Работы советских и зарубежных ученых показали, что реальный контакт деталей
машин происходит не по всей геометрической площади, а только по фактической пло-
щади контакта, наряду с которой существует и контурная площадь контакта, обуслов-
ленная наличием других неровностей
[35, 36]. При этом выяснилось, что факти-
ческая площадь контакта составляет
3...5 % от геометрической. Активно ведут-
ся работы по экспериментальному опреде-
лению фактической площади контакта [36].
Начинаются работы по топографии по-
верхности деталей и их оценке [10]. Даже
относительную площадь д первоначально
предполагалось определять перемножени-
ем д поперечного и продольного направле-
ний. Однако правило шахматной доски
Рис. 1.3. Кривая опорной линии профиля
шероховатости
10
Глава 1. ФОРМИРОВАНИЕ УЧЕНИЯ ОБ ИНЖЕНЕРИИ
убедительно показало неверность данного подхода, так как при записи профиля в поперечном
направлении учитываются и неровности продольного направления.
Работы по усталостной прочности показали, что она зависит от параметров шеро-
ховатости: 7?тах (максимальная высота профиля шероховатости) и Sm (шаг неровностей
профиля шероховатости по средней линии) (рис. 1.4), которые характеризуют радиус
впадин неровностей, определяющий концентрацию напряжений [38].
Все эти работы привели к тому, что в 1973 г., когда была принята в СССР Про-
грамма на повышение качества продукции, был введен стандарт (ГОСТ 2789-73) на па-
раметры шероховатости: Ra, Rz, 7?max, tp, Sm, S и взаимное положение профиля шерохо-
ватости || (параллельное), -L (перпендикулярное) вместо классов чистоты. Аналогичные
параметры шероховатости поверхностей деталей в эти годы были стандартизованы и
в других странах (табл. 1.2).
1.2. Стандартизованные параметры шероховатости в различных странах1
Страна Параметры шероховатости Число пара- метров
Ra Rp Rm RMS Rz 7?max R It tp Ar Sm S kp к
Австрия + + Rs Rt Lt + + 7
Болгария + + + 3
Великобри- тания CLA Hi 2
Венгрия + Rt Rf hq + + + kp kh 10
Дания + Ru + + + + + Bb Kb + 10
Испания hm hrms H kv 3
Италия + Rc Ri Raq + kp 7
Нидерланды + 1
Польша + + + 3
Румыния + + + 3
Россия + + + + + + 6
Сербия + + + In Pn k 6
США АА + 2
Финляндия + + + 3
Франция + + Rq + Rv Lc Tc Av + kv 10
Германия + + + Rt + + 6
Чехия + + + 3
Швеция + G H 3
Швейцария + + Rq + Rn,Rs t tc + kv 10
Япония 1
ISO + + + 3
1 Знак «4-» означает стандартизованные, пустые графы - нестандартизованные параметры.
НАЧАЛО ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
11
В эти же годы правительством была поставлена цель: разработка опережающих
стандартов для того, чтобы все организации имели время на подготовку производства
для внедрения этих стандартов. Так, для нового стандарта на шероховатость
(ГОСТ 2789-73) срок начала внедрения оговаривался с 1975 г. Но службы стандартиза-
ции организаций продолжали действовать в соответствии с установившимся ранее по-
рядком. Получив в 1973 г. стандарт, срок внедрения которого значился с 1975 г., они
отложили его до 1975 г. В начале 1975 г. ими было издано распоряжение по своим орга-
низациям о внедрении данного стандарта без соответствующей подготовки производст-
ва. За полтора года не было предпринято ни в отраслевых НИИ, ни на предприятиях ни-
каких действий по разработке необходимых материалов по внедрению данного государ-
ственного стандарта. В приложении к нему была помещена таблица соответствия клас-
сов чистоты параметрам Ra и Rz из старого стандарта.
Это было сделано для того, чтобы можно было до 1980 г. временно пользоваться
старыми чертежами, так как все чертежи за один-два года невозможно было перерабо-
тать. Это привело к тому, что практически все конструкторы поместили на свои доски
эту таблицу и при проектировании новых изделий вместо простановки на чертежах де-
талей параметров шероховатости поверхностей, определяющих их эксплуатационные
свойства, а следовательно, и долговечность (табл. 1.3) стали проставлять параметр Ra
или Rz,
1.3. Рекомендуемые параметры шероховатости рабочих поверхностей деталей машин
Эксплуатационные свойства Параметры шероховатости рабочих поверхностей Направление неровностей
Контактная жесткость Износостойкость Прочность Усталостная прочность Контактная прочность Фреттингостойкость Виброустойчивость Коррозионная стойкость Прочность сцепления покрытий Герметичность соединений Прочность посадок Т еплопроводность Ra, Sm, tp, (Rp) || или-L
Яшах, Sm
Ra, Sm, tp, (Rp)
Ra, Sm, S —
Ra, Sm || или-L
Ra, Sm, tp, (Rp)
Ra, tp, (Rp)
Ra, Sm, tp, (Rp)
Примечания. 1. (Rp) - нестандартизованный параметр шероховатости, оказы-
вающий основное влияние на эксплуатационные свойства.
2. || или 1 - параллельное или перпендикулярное расположение следов обра-
ботки относительно изображенной на чертеже проекции.
Естественно, такой подход не мог способствовать повышению качества продукции,
поскольку простановка только высотных параметров шероховатости Ran Rz ничего не
изменяла по сравнению со старым стандартом. Он изменил только обозначение, т.е. за-
менил классы чистоты, которые определялись значениями этих параметров, на числен-
ные значения самих параметров.
12
Глава 1. ФОРМИРОВАНИЕ УЧЕНИЯ ОБ ИНЖЕНЕРИИ
Осознавая все это, многие ученые в те годы интенсивно вели теоретические и экс-
периментальные исследования по установлению взаимосвязи эксплуатационных свойств
деталей машин и их соединений (контактной жесткости, износостойкости, усталостной
прочности, прочности посадок, герметичности, коррозионной стойкости) со стандарти-
зованными параметрами шероховатости и по их технологическому и метрологическому
обеспечению [6, 7, 8, 10, 11, 12, 14, 39,40,41].
Так, работы ученых по трению и износу привели к установлению комплексного
_ . 7? max z
безразмерного параметра шероховатости А =----— (pw-радиус выступов профиля
v
шероховатости), характеризующего трение и износ поверхностей. Было выдвинуто по-
ложение о равновесной шероховатости поверхностей трения и определено его ком-
плексное значение:
z \5/4 1
Аравн=16— 63/4Р?, (13)
\ О’г 7
где та - адгезионное свойство материала поверхности трения [40]; аг - коэффициент гис-
терезисных потерь при скольжении [40]; 0 - постоянная физико-механических свойств
материала; рс - контурное давление.
Дальнейшие работы в этом направлении позволили уточнить и объяснить физиче-
скую сущность комплексного параметра шероховатости с позиции ее несущей способ-
ности [19].
A = M/V-’ (М)
I ip) рт
В эти годы осуществлено математическое описание взаимосвязи различных пара-
метров шероховатости и установлено, что интегрированным параметром, характери-
зующим несущую способность профиля шероховатости, является высота его сглажива-
ния - Рр (расстояние от линии выступов до средней линии) (см. рис. 1.4). К этому вре-
мени работы по топографической оценке шероховатости показали, что ее параметры
практически ничем не отличаются от профильных параметров шероховатости. Это при-
вело к практическому прекращению работ по топографии шероховатости, хотя уже су-
ществовали автоматизированные системы, позволяющие строить топографические кар-
ты с выделением опорных поверхностей на различных уровнях.
Активно ведутся работы по моделированию шероховатости поверхности. В качест-
ве таких моделей используют стержни [14], сферу [36], эллипс [35]. В работе [19]
предложена универсальная модель - эллиптический параболоид «-го порядка, наиболее
точно описывающий выступы и впадины как шероховатости, так и волнистости.
Уравнение данного параболоида имеет следующий вид:
У =
хПпоп
С1Ппоп
z”np
(1-5)
где «поп и «Пр - положительные рациональные числа; а и b - полуоси эллипсов на уровне
средней линии (рис. 1.5).
Для этой модели сечения, получаемые от пересечения профиля шероховатости с
плоскостью, перпендикулярной к средней плоскости, представляют параболы «-го по-
рядка (рис. 1.5, а), а с плоскостью, параллельной средней плоскости, - эллипсы
(рис. 1.5, б), площадь которых определяется уравнением
НАЧАЛО ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
13
Рис. 1.5. Параболы л-го порядка (а) и эллиптический параболоид (б)
Art; = ita'b', (1.6)
где а' и Ь' - текущие полуоси эллипса соответственно в поперечном и продольном на-
правлениях.
Выразив а' и Ь' через текущее значение у, получим
"пр
. Г I У I "поп
Лг = nab
\*р)
У
Так, для шероховатости с учетом того, что полуоси эллипсов на уровне средних ли-
ний соответственно равны
(1-7)
Sm tm
а =-----,
200
_ Smnptmnp
200
получим выражение для определения площади эллипса через характеристики попереч-
ного и продольного ее профилей:
( 1____
Ar. = п L +
4-104Лр1/Ипоп/?р'р”пр
где tm, tmnp, Sm, Smnp, Rp, Rpnp - относительная опорная
длина профиля соответственно на уровне средней линии,
средний шаг неровностей и высота сглаживания
в поперечном и продольном направлениях.
Предварительные экспериментальные исследования
показали, что для точения, фрезерования, строгания
в поперечном направлении характерны профили 1, 2
(рис. 1.6, п< 1), в продольном направлении - профиль 4
(п = 4), для шлифования в поперечном и продольном на-
правлениях - профили 1, 2, 3 (п < 2), для виброобкатыва-
ния, магнитоабразивных и электрохимических методов
обработки в поперечном и продольном направлениях -
профиль 3 (п = 2), для накатывания и полирования в обоих
направлениях - профиль 4 (п = 4).
пру, (1.8)
п<1
И=1
п=2
^\yr\jr\yr\3
п=4
4
Рис. 1.6. Профили шерохова-
тости, моделированные па-
раболоидами и-го порядка
14
Глава 1. ФОРМИРОВАНИЕ УЧЕНИЯ ОБ ИНЖЕНЕРИИ
Достоинством данной модели является ее универсальность, позволяющая прово-
дить теоретические расчеты контактного сближения сопрягаемых поверхностей, обрабо-
танных различными методами (v > 0), и учитывающая топографию через поперечный и
продольный профили. Кроме того, модель эллиптического параболоида может быть ис-
пользована для описания волнистости и макроотклонений поверхностей деталей машин.
Технологические исследования позволили уточнить возможности различных мето-
дов обработки в обеспечении всех стандартизованных и нестандартизованных парамет-
ров шероховатостей поверхностей характеризующих их несущую способность [19]. На-
ряду с экспериментальными зависимостями взаимосвязи всех этих параметров шерохо-
ватости с условиями обработки для различных технологических методов были получены
и теоретические зависимости на основе описания физической картины их формирования
при обработке [19]. Причем эти зависимости были получены как для отдельных методов
обработки (точение, фрезерование, шлифование, накатывание), так и в общем случае для
механической обработки (лезвийная, абразивная и отделочно-упрочняющая ППД).
При проведении этих работ было установлено, что для обеспечения и повышения
надежности деталей недостаточно нормировать только параметры шероховатости по-
верхностей, так как она в большей степени зависит от других характеристик их качества:
волнистости, макроотклонений и физико-химических свойств.
Было доказано, что формирование равновесной шероховатости поверхности трения
в процессе приработки будет зависеть от других ее характеристик, в частности волни-
стости, макроотклонения и упрочнения. Это привело к введению понятия не равновес-
ной шероховатости поверхностей трения, а равновесного их состояния [9]. Для оценки
волнистости и макроотклонения поверхностей был предложен ряд параметров: средняя
высота волн - Wz9 высота сглаживания волн - Wp и средний шаг волн Smw, максималь-
ная величина макроотклонения - /Ушах; высота сглаживания макроотклонения - Нр.
Для оценки физико-химических свойств поверхностного слоя детали было предло-
жено свыше 25 параметров (табл. 1.4) [13].
1.4. Параметры физико-химического состояния поверхностного слоя
Характери- стика поверх- ностного слоя Наименование параметра Обозна- чение
Структура Размер зерен, мкм 4
Форма и распределение зерен -
Ориентация решетки монокристаллического материала
Текстура поликристаллического материала
Плотность дислокаций, см-2 Pd
Концентрация вакансий Cv
Размер (форма) блоков, нм 4
Угол разориентировки блоков, град аб
Размер областей когерентного рассеяния, нм
Среднее квадратическое смещение атомов, вызванное статиче- скими искажениями решетки, нм2
Среднее квадратическое смещение атомов, вызванное их теп- ловыми колебаниями, нм2
НАЧАЛО ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
15
Окончание табл. 1.4
Характери- стика поверх- ностного слоя Наименование параметра Обозна- чение
Фазовый состав Число, концентрация и распределение фаз -
Тип кристаллической структуры фаз MS
Параметры решетки фаз, нм а, Ь, с
То же, градус а, Р, Y
Химиче- ский состав Профиль концентрации элементов в поверхностном слое, % сх
Концентрация элементов в фазах, % Сф
Деформа- ция (наклеп) Степень деформации, % 8
Глубина наклепа, мкм Ан
Степень наклепа, % иИ
Градиент наклепа, HV/мм Wpp
Микродеформация решетки, % 0
Остаточ- ные напря- жения Макронапряжения (напряжения первого рода), МПа ^ост
Микронапряжения, (напряжения второго рода), МПа аост
Статические искажения решетки (напряжения третьего рода), МПа ° ост
Экзоэлек- тронная эмиссия Интенсивность эмиссии, импульс/с I
Работа выхода электронов, эВ ф
Глубина выхода электронов, нм л
Все большее распространение получают комплексные параметры для оценки каче-
ства поверхностей деталей машин П, С, Сх и др., включающие в себя параметры как ше-
роховатости, волнистости, макроотклонения, так и физико-механических свойств [19]:
_ (7?а^Ятах)1/6
х tm2l2Sm'l2U™X ’ '
где X - коэффициент, учитывающий влияние поверхностных остаточных напряжений
второго рода ОдСТ на износ;
где ов - временное сопротивление разрушению; оа - действующие значения амплитуд-
ного напряжения по поверхности трения; ty - параметр фрикционной усталости при
упругом контакте [4].
Показано, что значение формируемой шероховатости в процессе приработки (рав-
новесной шероховатости) зависит от других параметров качества поверхностного слоя:
волнистости, макроотклонения, микротвердости, а следовательно, речь необходимо вес-
ти о равновесном качестве поверхностного слоя деталей. Для определения его равновес-
ного значения предложена зависимость [19]
16
Глава 1. ФОРМИРОВАНИЕ УЧЕНИЯ ОБ ИНЖЕНЕРИИ
0,5т^/+4 J
^лравн 2 1 ’
«’ ЦН «r2(l,7ri”4
I Е )
(1-10)
где <5Т - предел текучести материала детали; ц - коэффициент Пуассона; Е - модуль
упругости материала детали; р - давление на поверхность трения.
В последние годы в нанотриботехнологии начинают учитывать геометрию поверх-
ности на наноуровне - субшероховатость, размеры которой (Rzc, Smc), очевидно, опреде-
ляются зернистостью наноматериала детали.
Технологи активно ведут исследования по технологическому обеспечению всех
этих параметров качества поверхностного слоя, устанавливаются возможности методов
обработки в их обеспечении. Появляются теоретические и эмпирические зависимости по
их определению для различных условий обработки [19]. Продолжаются работы по тех-
нологическому исследованию качества поверхности, особенно при отделочно-упрочня-
ющей обработке ППД. Совершенствуются существующие и разрабатываются новые
методы обработки, позволяющие повышать качество поверхностного слоя деталей,
в частности физико-химические и комбинированные методы.
Метрологи разрабатывают и создают новые средства контроля всех этих парамет-
ров [10, 11, 43]. Начинаются исследования по изучению изменения всех этих параметров
качества поверхностного слоя деталей при эксплуатации, а так же работы по восстанов-
лению качества рабочих поверхностей при ремонте. Эти работы убедительно свидетель-
ствуют о том, что качество поверхностного слоя экономически выгодно рассматривать
комплексно на всех стадиях жизненного цикла деталей, что и обусловило появление
учения об инженерии поверхности
1.2. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ
НА ЭТАПАХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА
Поверхностный слой детали можно представить в виде рис. 1.7.
В соответствии с учением об инженерии поверхности изучение этого слоя необхо-
димо осуществлять комплексно на всех стадиях его жизненного цикла, который можно
изобразить в виде рис. 1.8.
На стадии проектирования, исходя из функционального назначения детали сле-
дует определить размеры поверхности, ее форму, параметры макроотклонения, волни-
стости, шероховатости и физико-химических свойств обеспечивающие оптимальную
долговечность с наименьшими затратами при изготовлении, контроле, эксплуатации,
ремонте, восстановлении и утилизации (этап 7).
Рис. 1.7. Схема поверхностного слоя детали:
1 - отклонение формы; 2 - макронеровности; 3 - волнистость; 4 - шероховатость; 5 - субшерохо-
ватость; 6 - адсорбированная зона; 7 - зона оксидов; 8 - граничная зона материала; 9 - зона мате-
риала с измененными физико-химическими свойствами; 10 - основной материал
ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПАХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА 17
8
Формирование
сопряжений и
взаимного
расположения
рабочих поверхностей
деталей при сборке
Формирование
качества поверхностных
слоев деталей при их
изготовлении
поверхностного
слоя деталей
технологии
рования треоуемого
качества поверхност-
этапе технологической
подготовки
производства
рования, по определению
ного назначе
Контроль
и испытание качества
поверхностных слоев
Выполнение
эксплуатации
Утилизация
и частичное
востановление
для их использования в
новых или ремонтируемых
изделиях
Научно-исследовательские и
опытно-конструкторские
работы на этапе проекти-
оптимальных размеров,
формы и качества
дорогостоящих поверх-
ностных слоев деталей
Ремонт, востановление,
контроль и частичная
утилизация поверхност-
ных слоев деталей,
потерявших свое
качество
функционального наз-
начения поверхностных
слоев деталей при
оверхностного слоя
деталей исходя из
их функциональ-
Инженерия
Проектирование
ного слоя деталей на
Рис. 1.8. Этапы жизненного цикла инженерии поверхности деталей
При проектировании новых изделий и отсутствии необходимых данных проводятся
научные исследования по рассматриваемому направлению. Для экспериментальных ис-
следований целесообразно создавать нормализованные методы испытаний и различные
автоматизированные системы научных исследований эксплуатационных свойств дета-
лей машин и их соединений.
При этом следует учитывать и возможность задания закономерного изменения ка-
чества поверхностного слоя как по глубине, так и по поверхности некоторых деталей
для повышения их долговечности [1]. Этот вопрос детально будет описан в гл. 2 данной
монографии. Здесь надо отметить только то, что решение этого вопроса может рассмат-
риваться традиционно - двухступенчато через качество поверхностного слоя деталей и
одноступенчато - непосредственно через его эксплуатационные свойства [1].
Как при двухступенчатом, так и при одноступенчатом решении проблемы этот этап
неразрывно связан со следующим этапом жизненного цикла - технологической подго-
товкой производства, поскольку различные сочетания параметров качества поверхност-
18
Глава 1. ФОРМИРОВАНИЕ УЧЕНИЯ ОБ ИНЖЕНЕРИИ
ного слоя детали могут обеспечивать их одинаковую долговечность. Оптимальным*
сочетаниями здесь будут считаться те, которые технологически обеспечиваются с наи-
меньшей себестоимостью изготовления деталей.
Естественно, решение такой многовариантной оптимизационной задачи практиче-
ски невозможно без использования систем автоматизированного проектирования (САПР).
При технологической подготовке производства разрабатываются технологи*
формирования поверхностных слоев деталей, обеспечивающие их требуемое качестве
или эксплуатационные свойства при наименьшей суммарной себестоимости (этап 2).
Аналогично предшествующему этапу эта задача успешно может быть решена толь-
ко на базе САПР технологических процессов (ТП), а еще экономичнее при их объедине-
нии на базе ИПИ - технологии.
При реализации этого этапа необходимо учитывать все новейшие достижения тех-
нологии по формированию поверхностных слоев деталей, в том числе и методом их на-
ращивания. Хорошо зарекомендовали себя в данном вопросе электронные, ионные к
плазменные технологии [5]. Кроме того технология в настоящее время позволяет доста-
точно просто обеспечивать и закономерное изменение качества поверхности. Подробнс
этот этап инженерии поверхности деталей описывается в гл. 3.
Важнейшим этапом в инженерии поверхности деталей является их изготовле-
ние (этап 3). На этом этапе происходит процесс формирования поверхностей детали.
Причем он начинается с получения заготовки и заканчивается окончательной чистовом
обработкой, и каждый из этих методов оказывает определенное влияние на качестве
поверхностного слоя готовой детали. Изучением влияния на формирование качества
поверхностного слоя деталей предшествующих технологических переделов, операций
или переходов занимается наука о технологической наследственности [23, 24].
Этот этап для России в настоящее время является важнейшим вследствие склады-
вающейся долгие годы психологии среди производственников, в частности рабочих, с
возможности нарушения технологической дисциплины ради повышения выработки. Нс
завышенные режимы приводят к увеличению температурного и силового воздействия на
обрабатываемые поверхности и к возникновению отрицательных остаточных напряже-
ний, зачастую не контролируемых в условиях производства. Эти напряжения могут вы-
зывать коробление детали при эксплуатации, появление поверхностных макротрещин и
их разрушение.
Наряду с технологической дисциплиной качество поверхностного слоя деталей при
изготовлении в значительной мере зависит от качества технологического оборудования
и оснастки, которые должны подвергаться регулярной проверке на их соответствие нор-
мам точности и жесткости. Для ликвидации влияния случайных факторов (колебания
твердости заготовок, припусков, жесткости, затупление и износ инструмента и др.) на
качество поверхностного слоя деталей при обработке разработаны различные адаптив-
ные АСУ [1, 42]. Подробно реализация данного этапа инженерии поверхности деталей
описывается в гл. 6.
Этап 4 инженерии поверхностного слоя деталей включает в себя контроль и
испытания.
Вопросами контроля и испытания качества поверхностного слоя деталей занимают-
ся в БГТУ, РГАТА им. Л.А. Соловьева, Институте машиноведения им. А.А. Благо-
нравова (Имаш) РАН (Москва). В настоящее время разработано много различных мето-
дов и приборов для контроля как геометрических, так и физико-химических параметров
качества поверхностного слоя деталей [1, 43]. В последнее время стали появляться мето-
ды и приборы для контроля и комплексных параметров качества поверхностных слоев
деталей [19]. Однако все они практически являются пассивными методами, констати-
рующими, что получилось в результате обработки поверхности, и служат для защиты
потребителя от бракованных изделий.
ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПАХ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА 19
а) б)
Рис. 1.9. Соединение цилиндрических
деталей, имеющих эллипсную
погрешность формы:
а и б - соответственно при взаимно-перпенди-
кулярном и при взаимно параллельном распо-
ложениях наибольших диаметральных размеров
Что касается экономической заинте-
ресованности производителя, то для него
особенно важно использование активного
контроля непосредственно в процессе об-
работки, который бы позволял провести
своевременную поднастройку технологи-
ческой системы, чтобы избежать вообще
брака, а следовательно и потерь от него.
Для этой цели существуют отдельные ме-
тоды активного контроля, в частности
шероховатости и системы адаптивного
управления [1,4].
Если иметь в виду испытания по-
верхностных слоев деталей, то для этого
разработано много различных методов по
испытанию на контактную жесткость и
прочность, коррозионную и износостой-
кость. Их большое разнообразие приводит к отличию результатов по одним и тем же
поверхностям в 2 - 5 раз. Естественно, это убедительно говорит о необходимости нор-
мализации методов испытаний поверхностных слоев деталей.
Подробное описание этапа 4 инженерии поверхностного слоя деталей дано в гл. 8.
На этапе 5 происходит контактирование поверхностей деталей при сборке и
осуществляется действительное взаимное расположение.
Причем качество контакта будет зависеть как от качества соединяемых поверхно-
стей, так и от их взаимного положения при сборке. При сборке, например, цилиндриче-
ских деталей, имеющих эллипсную форму, в зависимости от их взаимного положения
значительно меняются характер контакта и качество сопрягаемых поверхностей (рис. 1.9).
В процессе сборки соединяемые поверхности в результате контактных деформаций
будут претерпевать свои качественные изменения. Эти же контактные деформации при-
водят к частичному изменению взаимного положения отдельных поверхностей деталей
при сборке, что будет сказываться на качестве изделия в целом.
Вообще вопросам инженерии поверхности деталей при сборке, уделяется недоста-
точно внимания, частично они рассмотрены в гл. 9.
На этапе 6 инженерии поверхности деталей - эксплуатации - могут происхо-
дить значительные изменения в качестве. Нормальные и касательные нагрузки на
контактирующие поверхности деталей вызывают их упругие и пластические деформа-
ции, так как фактическая площадь контакта составляет 2...5 % от номинального значе-
ния, т.е. геометрической площади. Это приводит к изменению их геометрических и фи-
зико-механических параметров. Действия аналогичных нагрузок на неконтактирующие
поверхности вызывает растяжение или сжатие поверхностных слоев, что изменяет их
остаточные напряжения. Длительное циклическое воздействие нагрузок на поверхности
грозит зарождением поверхностных микротрещин, которые могут вызывать как поверх-
ностные, так и объемные разрушения деталей. Воздействие окружающей среды, особен-
но агрессивной (химически активной), на поверхность детали влечет за собой ее корро-
дирование, появление микротрещин и разрушение.
Температурное воздействие на поверхности деталей при эксплуатации вызывает
неравномерные объемные и линейные изменения, что приводит к изменению их оста-
точных напряжений и возникновению микротрещин, а зачастую растрескиванию и раз-
рушению поверхностных слоев.
20
Глава 1. ФОРМИРОВАНИЕ УЧЕНИЯ ОБ ИНЖЕНЕРИИ
Взаимное перемещение контактирующих поверхностей приводит к их трению и из-
носу, которые могут вызывать значительные изменения их качества. Изменяются шеро-
ховатость, волнистость, макроотклонения и физико-механические свойства поверхно-
стей трения, даже без проскальзывания и качения контактирующих поверхностей дета-
лей в результате воздействия вибраций от других машин, подверженных фреттинг-
износу, а следовательно изменению своего качества.
Вопросам инженерии поверхности деталей при эксплуатации посвящено достаточ-
но много работ [1, 6, 7, 17, 36]. Подробно они рассматриваются в гл. 9.
Важнейшим этапом в инженерии поверхности деталей являются их ремонт и
восстановление (этап 7).
При ремонте машин зачастую требуется замена или восстановление деталей вслед-
ствие износа и коррозии их рабочих поверхностей или наличия на них микротрещин,
которые могут привести к разрушению машин при дальнейшей эксплуатации.
Замена деталей или их восстановление определяется себестоимостью процессов.
Если детали несложные, изготавливаются в условиях массового производства и отлича-
ются низкой себестоимостью, то, очевидно, экономически выгодно при ремонте осуще-
ствлять их замену. Когда детали сложные и дорогие, то экономически целесообразно
при ремонте восстанавливать их изношенные или корродирующие поверхности. При
этом восстановление деталей как по размерам, так и по качеству их рабочих поверхно-
стей должно проводиться до их оптимальных значений, определяемых функциональным
назначением. Для одних деталей это будет их исходное состояние перед эксплуатацией,
для других - сформированное в процессе приработки.
Что касается технологии восстановления, то она зависит, как правило, от величины
восстанавливаемого поверхностного слоя и необходимости обеспечения или повышения
его долговечности. При этом учитывается и подготовка исходной поверхности с воз-
можностями дефектного поверхностного слоя восстанавливаемой детали.
Таким образом, поверхность может восстанавливаться путем поверхностного пла-
стического передеформирования материала или нанесения новых поверхностных слоев
на изношенную деталь с соответствующей дальнейшей обработкой. При этом дополни-
тельно необходимо осуществлять контроль и испытание поверхностного слоя, проч-
ность его сцепления с основным материалом детали.
Подробно данный этап жизненного цикла в инженерии поверхностного слоя дета-
лей описан в гл. 10.
Последним этапом жизненного цикла в инженерии поверхностного слоя дета-
лей является их утилизация. Утилизации могут подвергаться дорогостоящие (позоло-
ченные) или экологически вредные для здоровья (радиационные, химически активные)
поверхностные слои деталей, которые могут сниматься с детали химически или механи-
чески. Если детали имеют запас по ресурсу, то они используются повторно в новых или
ремонтируемых изделиях.
Этап 8 жизненного цикла в инженерии поверхности деталей является менее изу-
ченным, а поэтому малореализуемым.
1.3. НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ УЧЕНИЯ
ОБ ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ
Развитие учения об инженерии поверхности деталей идет по следующим направлениям.
1. Оптимизация формы рабочих поверхностей деталей [1-3]. Работы в этом на-
правлении убедительно показали, что традиционно существующие формы рабочих по-
верхностей многих деталей (зубчатых колес, чашек дифференциала, цилиндрических
НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ УЧЕНИЯ
21
роликов, железнодорожных колес и др.) не являются оптимальными. Работы в этом на-
правлении инженерии поверхности должны вестись в теоретическом описании поверх-
ностей различной геометрической формы единым математическим уравнением, которое
преобразуется в частные формулы для плоских, цилиндрических, конических, сфериче-
ских, параболоидных, эвольвентных, эллипсоидных и гиперболических поверхностей.
Форма рабочих поверхностей должна определяться их функциональным назначением и
условиями эксплуатации (давлением, скоростью, окружающей средой).
2. Исследования законов изменения качества поверхностных слоев различных
участков одних и тех же рабочих поверхностей в зависимости от условий их функ-
ционирования с целью определения оптимальных их величин для повышения дол-
говечности контактирующих деталей [1, 14, 17, 18]. Цель исследований - установле-
ние оптимального качества поверхностных слоев деталей, обеспечивающего требуемую
долговечность деталей с наименьшей себестоимостью их изготовления.
3. Исследование физико-химических свойств и структуры поверхностных сло-
ев деталей на молекулярном уровне и установление параметров, в том числе и
комплексных, оказывающих влияние на различные эксплуатационные свойства
(износостойкость, статическую и динамическую прочность, коррозионную стой-
кость, тепло и электропроводность, светоотражение, прочность посадок, герметич-
ность соединений и др.) [1,4, 6,9, 10, 13].
4. Установление комплексного параметра, характеризующего несущую спо-
собность поверхностного слоя деталей машин.
5. Изучение контактного взаимодействия поверхностей деталей на наноуровне
с учетом их субшероховатости и структуры как методами классической механики,
так и методами конечных элементов [1, 6, 7, 8]. Работы этого направления позволяют
с большей точностью рассчитывать контактные перемещения деталей, фактические и
контурные площади их контакта, коэффициенты трения, интенсивность изнашивания,
контактную статическую и динамическую прочность, фреттингостойкость и др.
6. Изучение явления самоорганизации поверхностного слоя деталей на нано-
уровне [15, 16, 25].
7. Изучение взаимосвязи эксплуатационных свойств деталей машин с пара-
метрами качества их рабочих поверхностей [1, 12, 13]. Работы этого направления да-
ют возможность установить физическую сущность, получить теоретические и эмпири-
ческие уравнения, описывающие эту взаимосвязь. Использование этих уравнений позво-
ляет прогнозировать эксплуатационные показатели деталей машин и их соединений, от
которых зависит их надежность. Решение обратной задачи позволяет определить пара-
метры качества рабочих поверхностей деталей, обеспечивающие требуемые значения их
эксплуатационных свойств. Это дает возможность не просто прогнозировать, а гаранти-
ровать требуемую долговечность изделий на стадии их проектирования.
8. Формирование параметров качества поверхностного слоя деталей при раз-
личных методах их обработки [1, 19, 20]. Работы этого направления базируются на
установлении физической картины формирования макроотклонения, волнистости, ше-
роховатости, степени и глубины упрочнения, поверхностных остаточных напряжений,
экзоэлектронной эмиссии, структуры при различных методах механической и физико-
химической обработки.
9. Исследование влияния технологического оборудования и оснастки на каче-
ство обработанных поверхностей деталей [1,21]. Это направление позволяет устано-
вить степень влияния металлообрабатывающих станков, инструментов и приспособле-
ний на формируемые параметры качества поверхностного слоя деталей при их обработ-
22
Глава 1. ФОРМИРОВАНИЕ УЧЕНИЯ ОБ ИНЖЕНЕРИИ
ке. Все это дает возможность и научно обоснованно подойти к оценке состояния стан-
ков, проектированию технологической оснастки с учетом качества обработанных по-
верхностей деталей машин.
10. Технологическое обеспечение качества поверхностного слоя деталей
[1, 17, 19, 20, 22]. Эти работы позволяют выявить возможности различных методов об-
работки в обеспечении параметров качества поверхностного слоя деталей машин. Полу-
чение теоретических и эмпирических уравнений их взаимосвязи с режимами обработки
помогает технологам на стадии технологической подготовки производства научно обос-
нованно выбирать методы обработки и рассчитывать оптимальные режимы, обеспечи-
вающие требуемые значения параметров качества поверхностей деталей машин.
11. Использование метода подобия в инженерии поверхности [20,39]. Это на-
правление позволяет в упрощенном варианте получить общетеоретическое уравнение, а
затем экспериментально определить эмпирические коэффициенты.
12. Исследование качества поверхностного слоя деталей из неметаллических
материалов и их технологического обеспечения [26]. Работы этого направления бази-
руются на особенностях подхода к дефектным слоям деталей из неметаллических мате-
риалов и необходимости их полного удаления при изготовлении.
13. Изучение технологического наследования параметров качества поверхно-
стного слоя, позволившее установить степень влияния их исходных значений на
формируемые при различных методах обработки (лезвийной, абразивной, поверх-
ностно-пластическом деформировании) [1, 16, 23-25]. Это позволяет более правильно
разрабатывать весь маршрут обработки рабочих поверхностей деталей.
14. Совершенствование существующих и научная разработка новых, комби-
нированных и наукоемких методов обработки и создания поверхностных слоев де-
талей, обеспечивающих значительное повышение их долговечности [1, 16, 30, 31].
15. Электронные и нанотехнологии в инженерии поверхностных слоев деталей [5].
16. Контроль параметров качества поверхностного слоя деталей контактными
и бесконтактными методами [1, И]. Разработан ряд приборов и автоматизированных
систем для измерения различных параметров качества поверхностного слоя деталей,
в частности шероховатости, волнистости, поверхностных остаточных напряжений, мик-
ротвердости и экзоэлектронной эмиссии. Это направление требует ускоренного разви-
тия, так как имеется объективная необходимость в оперативных автоматизированных
средствах контроля всех перечисленных параметров, в том числе и комплексных. Осо-
бое внимание при развитии данного направления надо обратить на создание методов и
средств активного контроля параметров качества поверхностного слоя деталей непо-
средственно при их обработке.
17. Адаптивное управление качеством поверхностного слоя обрабатываемых
деталей [1, 16,51]. Это направление позволяет обеспечить требуемые значения пара-
метров качества поверхностного слоя деталей при обработке, несмотря на колебания
твердости и припуска заготовки, износ инструмента и изменение жесткости технологи-
ческой системы. Его развитие даст возможность создать самообучающиеся автоматизи-
рованные технологические системы с адаптивным управлением, гарантированно обес-
печивающие требуемые значения параметров качества поверхностного слоя обрабаты-
ваемых деталей.
18. Модификация рабочих поверхностных слоев деталей машин [13, 27, 28]. Ра-
боты этого направления значительно расширяют возможности конструирования и тех-
нологического формирования поверхностных слоев деталей машин, в частности исполь-
зования различных физико-химических процессов в инженерии поверхностных слоев
НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ УЧЕНИЯ
23
деталей. В частности, изменение режимов лазерной обработки позволяет перераспреде-
лить легирующие элементы в поверхностном слое детали. Появляется возможность вы-
ращивания как поверхностных слоев, так и самих деталей с закономерными изменения-
ми их физико-механических свойств, что позволяет экономить дорогостоящие высоко-
легированные материалы, используемые для изготовления деталей, подвергающихся
интенсивной коррозии, эрозии, изнашиванию и фреттингу. Кроме того, модификация
поверхностных слоев деталей обеспечивает целенаправленное повышение их надежно-
сти и долговечности.
19. Технологическое обеспечение и повышение эксплуатационных свойств по-
верхностных слоев деталей машин и их соединений [1, 2, 13, 17, 18, 28, 30, 51]. Это
направление является одним из перспективных. Оно объединяет функции конструктора
и технолога при решении проблемы обеспечения и повышения надежности и долговеч-
ности изделий, позволяет оптимизировать решение этой проблемы.
В данном направлении необходимо стремиться к получению теоретических зави-
симостей эксплуатационных свойств деталей машин от условий их обработки на базе
единства процессов силового и температурного воздействия на рабочие поверхности
детали как при ее изготовлении, так и при эксплуатации. Для получения эмпирических
зависимостей требуется разрабатывать нормализованные методы испытаний. В частно-
сти, для контактной жесткости такой метод разработан и реализован, что позволило по-
лучить банк данных о возможностях различных технологических методов в обеспечении
контактной жесткости и эмпирические уравнения для ее расчета в зависимости от режи-
мов обработки.
Решение обратной задачи позволяет выбирать методы обработки и рассчитывать
режимы, обеспечивающие требуемое значение контактной жесткости. Развитие этого
направления позволит решить такую задачу и по всем остальным эксплуатационным
свойствам поверхностных слоев деталей машин и их соединений.
20. Исследование изменения качества поверхностного слоя деталей при их
сборке и эксплуатации [1, 14, 51]. Требуются установление физической картины изме-
нения как отдельных параметров, так и комплексного состояния поверхностного слоя
под действием сил, температур, скорости, окружающей среды при сборке и эксплуата-
ции и ее математическое описание. Это направление дает возможность оптимизировать
исходное качество рабочих поверхностей деталей и повысить их долговечность.
21. Исследование надежности технологического обеспечения параметров каче-
ства и эксплуатационных свойств поверхностных слоев деталей машин [1,18,29,51].
Работы этого направления позволяют научно обоснованно гарантировать технологиче-
ское обеспечение параметров качества поверхностного слоя деталей, а при использова-
нии нормализованных методов испытаний - и их эксплуатационных свойств. Получен-
ные в результате таких исследований показатели надежности должны учитываться при
разработке технологических процессов обработки ответственных деталей.
22. Восстановление и модификация рабочих поверхностных слоев деталей при
ремонте изделий [17, 28, 51]. Необходимо проведение исследований по получению тео-
ретического уравнения для определения прочности адгезионной связи поверхностей
деталей в зависимости от их физико-механических свойств, структуры, субшероховато-
сти, шероховатости, и волнистости. Это направление значительно расширяет экономи-
чески целесообразные возможности в повышении долговечности деталей машин и их
соединений. Работы данного направления позволяют определить области использования
различных методов (от пластического вытеснения материала до нанесения новых слоев)
в восстановлении деталей, изготавливаемых из различных материалов.
24
Глава 1. ФОРМИРОВАНИЕ УЧЕНИЯ ОБ ИНЖЕНЕРИИ
23. Исследование и разработка эффективных технологий утилизации дорого-
стоящих или экологически вредных поверхностных слоев деталей машин.
24. Разработка и создание нормализованных методов испытания поверхност-
ных слоев и эксплуатационных свойств деталей машин [1,16].
25. Разработка автоматизированных систем научных исследований инженерии
поверхности [1, 16]. В условиях жесткой конкуренции значительно сокращаются сроки
как на подготовку производства, так и на научные исследования, сопровождающие ее.
Это, несомненно, относится и к инженерии поверхности. Справиться с этой задачей
можно только на базе созданных автоматизированных систем, которые позволяют
в готовом виде получать эмпирические зависимости исследуемых процессов. Так, по-
добные системы созданы для исследования контактной жесткости и шероховатости по-
верхностей.
26. Разработка и создание систем автоматизированного проектирования в ин-
женерии поверхности [16,20,44,45]. Это направление призвано автоматизировать
решение задач конструкторов, технологов и эксплуатационников на одном алгоритмиче-
ском и программном языке, т.е. на основе CALS-технологии. Все это дает возможность
экономически выгодно и комплексно решать проблему инженерии поверхностных слоев
деталей на всех этапах их жизненного цикла.
27. Стандартизация в инженерии поверхности деталей машин. Развитие пере-
численных направлений в инженерии поверхности позволит научно обоснованно подой-
ти к стандартизации параметров качества поверхностных слоев и эксплуатационных
свойств деталей машин, методов их испытаний. Это будет гарантировать сертификацию
как изделий, так и производства в целом.
Объединение всех этих направлений в едином учении «Инженерия поверхности»
позволяет значительно ускорить его развитие, перейти к нетрадиционному одноступен-
чатому решению проблемы обеспечения и повышения надежности и долговечности ма-
шин на всех стадиях их жизненного цикла и на базе этого повысить конкурентоспособ-
ность выпускаемых изделий машиностроения.
Глава 2
ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ
НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Важнейшим этапом жизненного цикла рабочих поверхностей деталей является про-
ектирование, когда закладываются требования к их качеству или непосредственно к экс-
плуатационным свойствам (износостойкости, контактной жесткости, коррозионной
стойкости, контактной прочности и др.). Эти требования должны формироваться исходя
из физической картины контактного взаимодействия деталей и обеспечения оптималь-
ной надежности изделий машиностроения.
2.1. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ С ПОЗИЦИЙ
КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Учитывая, что все реальные контактирующие поверхности деталей имеют макроот-
клонения, волнистость, шероховатость и субшероховатость, первоначальный их контакт
должен произойти только в трех точках. Напряжения в этих точках из-за малости факти-
ческой площади контакта значительно превышают напряжения сдвига, возникающие на
критической глубине под поверхностью контакта. Даже при очень малых нагрузках эти
напряжения значительно превышают предел текучести материала и вызывают начало
пластических деформаций на вершинах выступов шероховатости, вступивших в контакт [1].
Расчеты, проведенные по формулам работы [8], показывают, что вершины высту-
пов, вступивших в контакт, имеют переходный характер деформаций от упругих к пла-
стическим (табл. 2.1). Этот переход обусловлен величиной критического сближения,
которая определяется через геометрические и физико-механические параметры контак-
тирующих выступов шероховатости поверхностей деталей машин. Если контактное
перемещение вершин выступов реальных поверхностей у < >’кр, то они будут иметь
упругий характер деформаций, а при у > укр вершины будут находиться в режиме пла-
стических деформаций.
Для поверхностей с Ra > 0,1 мкм можно принять с небольшим допущением
(0,01 мкм), что вершины контактирующих выступов сразу же начнут пластически де-
формироваться. Очевидно, величина этих деформаций будет зависеть от образования
площадки контакта выступа, способной воспринимать приходящуюся на него нагрузку,
а именно: Art = /</(С'стт), где С = 2,87 - коэффициент стеснения [19].
Если этот процесс пластических деформаций рассматривать применительно к ре-
альной поверхности детали, находящейся в контакте под действием нормальной нагруз-
ки, то вероятно, что величина ее пластических деформаций будет определяться форми-
рованием фактической площади контакта с учетом шероховатости, волнистости и мак-
роотклонения (рис. 2.1):
Лг = Р/(С'ст).
(2.1)
26 Глава 2. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
2.1. Расчетные значения критических сближений
Среднее арифме- тическое отклонение профиля Ra, мкм Поперечный радиус высту- пов микроне- ровностей рпоп, мкм Профильный радиус высту- пов микроне- ровностей рпр, МКМ Степень наклепа н Нисх Взаимно па- раллельное расположение следов обработки Укр, мкм Взаимно- перпендикуляр- ное расположе- ние следов обработки Укр, мкм
4,0 45 Торцовое ф1 200 резерование 1,10 0,0067 0,0063
2,0 50 260 1,05 0,005 0,0074
0,8 55 550 1,05 0,01 0,0091
1,8 15 Плоское ш 250 лифование 1,15 0,0039 0,0027
0,9 20 550 1,10 0,0052 0,0035
0,45 35 1200 1,10 0,0097 0,0062
0,25 40 1700 1,05 0,011 0,0071
0,24 700 Полир 300 ование 1,0 0,039 0,038
0,14 1000 450 1,0 0,052 0,05
2,0 300 Вибронак 410 атпывание 1,8 0,085 0,085
0,9 500 560 1,3 0,067 0,067
0,50 630 860 2,0 0,22 0,215
0,25 750 1950 1,5 0,19 0,18
0,12 900 3520 1,5 0,25 0,24
Рис. 2.1. Исходная схема для расчета нормальных контактных перемещений:
1 - 1 - исходное положение контактирующей поверхности; 2 - 2 - положение контактирующей
поверхности с учетом пластических деформаций выступов; 3 - 3 - конечное положение
контактирующей поверхности (I - макроотклонение; II - волнистость; III - шероховатость)
ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ С ПОЗИЦИЙ КОНТАКТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ 27
Очевидно, эти пластические деформации будут наблюдаться при первичном при-
ложении нагрузки к контактирующим поверхностям. Можно считать, что при повтор-
ном приложении нагрузки (десятое нагружение), по величине не превышающей первую,
без взаимного смещения поверхностей будут иметь место только упругие контактные
деформации. Увеличение нагрузки при повторном приложении на несмещенные по-
верхности выше первоначальной, очевидно, будет вызывать дополнительные пластиче-
ские деформации в диапазоне этого увеличения. Однако не следует думать, что при по-
стоянном повышении нагрузки пропорционально увеличиваются и пластические дефор-
мации. Естественно, что с возрастанием нагрузки происходят структурные изменения,
которые резко меняют структурно чувствительные механические и физические свойства.
Особенно сильно увеличивается предел текучести. Так, для низкоуглеродистой стали,
деформированной до 70 %, от повышается в 2,2 раза, а для аустенитной - в 4,2 раза.
Кроме того, увеличение нагрузки вызывает расширение зоны пластических дефор-
маций выступов до их оснований. Встречаясь между собой у основания неровностей,
зоны пластических деформаций как бы препятствуют своему распространению и допол-
нительно взаимно упрочняются.
Эти два фактора приводят к постепенному увеличению предела текучести от Сстт до С"стт
(С" = CUn\ а затем и до значения пластической твердости HD (в ГОСТ 18835-73 НД), при
котором выступы неровностей достигают своего пластического насыщения (Ar = const).
В общем случае величина пластических контактных деформаций будет определять-
ся уравнением [1]
•У пл
= 7С
Z п Э О \1/6
2rcP7taW772max )
(2.2)
ЛС’от
где А - геометрическая площадь контакта.
Дальнейшее увеличение нагрузки будет приводить к небольшой величине пласти-
ческих деформаций в результате расширения зоны пластического насыщения. При дос-
тижении напряжений на фактических площадках контакта значений, равных ств, будут
происходить их контактные разрушения [47].
Очевидно, что смещение поверхностей перед каждым новым приложением нагруз-
ки будет вызывать упругие деформации уже пластически ^деформированных вершин
выступов и пластические деформации вершин, ранее не контактировавших или имею-
щих перемещения меньше критического. По мере многократных смещений и повторных
приложений нагрузки все большая часть микронеровностей будет деформировать упру-
го и все меньшая их часть - пластически. Если связать это с процессом трения, то пере-
ход от пластического характера деформаций вершин выступов к упругому будет проис-
ходить в период приработки поверхностей. При смещении поверхностей под нагрузкой
в результате перераспределения площади фактического контакта будут иметь место до-
полнительные пластические деформации.
Многократное приложение нормальных или касательных нагрузок приводит к кон-
тактному разрушению пластически насыщенных площадок контакта и образованию но-
вых неровностей. Очевидно, что этот процесс будет итерационным. Известно, что кон-
тактное сближение поверхностей происходит как вследствие деформации вершин вы-
ступов, так и в результате деформаций нижележащих слоев. Эти деформации могут про-
исходить или от упругого погружения основания неровностей в основной металл как
жестких штампов [35, 36] или из-за упругого погружения нижележащих слоев под дей-
ствием нагрузки, распределенной по фактическим площадкам контакта [8].
28 Глава 2. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Учитывая, что материал неровностей, как и основной металл, является упругопла-
стическим, а не жесткопластическим, то, очевидно, более правильно второе предполо-
жение о деформации основного металла. Причем эти деформации также можно рассмат-
ривать как упругие перемещения под действием равномерно или неравномерно распре-
деленной нагрузки на приведенные площадки контакта или как перемещения под дейст-
вием нагрузки, распределенной по фактическим эллипсным площадкам контакта. Пер-
вый случай рассмотрен в работе [8], второй в публикации [1].
Очевидно, что фактические площадки контакта будут упруго перемещаться под
действием не только собственных сил, но и сил, приложенных к соседним площадкам
контакта, т.е. наблюдается взаимное влияние площадок друг на друга (рис. 2.2). В общем
виде эти упругие контактные деформации могут быть рассчитаны по формуле [1]
1 - ( л0’5
Jyn=2n—HC"CTJpm2M . (2.3)
£ V 2 )
Таким образом, теоретические рассуждения показывают, что контактные сближе-
ния сопрягаемых поверхностей происходят как за счет пластических деформаций кон-
тактирующих выступов, так и в результате упругих перемещений нижележащих слоев.
Многие детали машин работают при динамическом воздействии нагрузок, вызы-
вающих увеличение пластических контактных деформаций, которые рассчитываются из
уравнения [7]
2л(Р + Рд)Яа2^2Я2 maxi Г Т 1 6
ЛС"стт VhbJ
(2.4)
где Рд - дополнительная динамическая нагрузка на контакт; Т - текущее время с момен-
та действия динамической нагрузки; ГНв - время испытания на твердость по Бринеллю.
Коэффициент тп\ вычисляется по формуле [7]
тх=т^+К^Р1Рл), (2.5)
где шст - реологическая константа, характеризующая статическую ползучесть контакта
(временной показатель роста контактных деформаций при отсутствии вибраций);
- коэффициент, характеризующий динамическую ползучесть контакта (табл. 2.2).
Упругая составляющая контактных деформаций при этом рассчитывается по фор-
муле (2.3).
Рис. 2.2. Картина упругих перемещений контактирующей поверхности:
I - исходное положение контактирующей поверхности; II - положение контактирующей
поверхности после ее упругих деформаций; ууп вл - упругие деформации
от взаимного влияния площадок контакта
РОЛЬ ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ В ОБЕСПЕЧЕНИИ НАДЕЖНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 29
2.2. Реологические и динамические характеристики контакта
различных материалов [7]
Материал Твердость НВ, МПа WCT Кя
Ст5 1100 0,0052 0,0132
Сталь 40 1800 0,0031 0,0163
СЧ21 2100 0,0035 0,0151
Медь Ml 800 0,0062 0,0324
< Р V/3
1- 1- —
_ nSm
К 4Rz2
При скольжении за счет перераспределения фактических площадок контакта про-
исходит увеличение пластических контактных деформаций, которые могут быть рассчи-
таны по формуле [50]
Лк=Лт(\/1 + /2-1), (2.6)
где уст - контактные деформации в статике (уст = упл + ууп); f - коэффициент трения.
Все вышесказанное относится к области нормальных контактных перемещений.
Однако из работ [48-50] следует, что при приложении сдвигающей силы к контакти-
рующим деталям машин они будут иметь касательные контактные перемещения, вели-
чина которых может быть определена из уравнения [1]
(Тск-Тст), (2.7)
где Рк - касательная нагрузка.
При упругом нормальном взаимодействии выступов касательные перемещения
также будут упругими, переходящими в трение скольжения. Для нормальных деформа-
ций упругопластического характера касательные перемещения контактирующих неров-
ностей будут оставаться упругими только до тех пор, пока не начнется процесс допол-
нительного углубления неровностей, а следовательно, перераспределение площадей
фактического контакта. Затем упругие деформации перейдут в пластические, макси-
мальная величина которых определяется так называемым предварительным смещением
поверхностей, т.е. началом проскальзывания. Уравнение для ее вычисления имеет сле-
дующий вид [1]:
Таким образом, область касательных контактных перемещений ограничивается
предварительным смещением, при котором она переходит в сферу трения-скольжения.
2.2. РОЛЬ ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ В ОБЕСПЕЧЕНИИ
НАДЕЖНОСТИ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Под надежностью понимают свойство объекта сохранять во времени в установ-
ленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять
требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслу-
живания, хранения и транспортирования. Нарушение работоспособного состояния одно-
типных изделий относят к случайному событию - отказу. Все отказы и разрушения из-
делий происходят по одному из эксплуатационных показателей (износу, корродирова-
30 Глава 2. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
нию и др.) и начинаются, как правило, с поверхности деталей. Все эксплуатационные
свойства и их показатели тесно взаимосвязаны с геометрическими и физико-
механическими характеристиками поверхностных слоев [1,51].
Рассмотрим некоторые примеры, отражающие роль инженерии поверхности в
обеспечении надежности.
Износ сферы. Особенностью работы сферических поверхностей трения является не-
равномерность изнашивания вдоль образующей сферы, что связано с распределением
давления и скорости относительного скольжения. Изменение первоначальной геомет-
рической формы приводит к потере работоспособности сферического шарнира. Это
происходит вследствие локального повышения температуры и наличия в зоне контакта
частиц износа.
Улучшение триботехнических показателей в данном случае возможно на основе
разработки соответствующих научно обоснованных методик оценки износостойкости,
выбора и нормирования параметров качества рабочих поверхностей. В связи с этим ста-
новится актуальной задача, направленная на исследование формоизменения изнашивае-
мой поверхности. Подобные задачи ранее рассматривались в работах [1—4, 53]. Не оста-
навливаясь на подробном анализе этих работ, отметим, что интерес представляет эволю-
ция формы износа криволинейных поверхностей. Четкое представление эволюционной
картины позволяет обеспечить одинаковую износостойкость разных участков поверхно-
сти (что очень важно, например, в кулачковых механизмах) с применением контроли-
руемого и управляемого процесса упрочнения.
Сферическая пара трения (с равными или близкими по величине радиусами) явля-
ется трибомеханической системой. Функция состояния такой системы описывается эн-
тропией S. В изолированной системе, обменивающейся с окружающей средой только
тепловой энергией и находящейся в термодинамическом равновесии, производство эн-
тропии равно нулю
dS/dt = b.
Если система локальна и неизолированна, т.е. имеет возможность обмениваться с
другой системой и окружающей средой тепловой энергией, и если эта система находит-
ся в состоянии, близком к равновесию, то производство энтропии запишем в виде
dS / dt = const. (2.9)
Состояние трибомеханической системы, описываемой уравнением (2.9), является
стационарным, соответствующим: 1) минимальному рассеянию энергии; 2) минималь-
ному производству энтропии; 3) установившемуся процессу изнашивания; 4) формиро-
ванию равновесного состояния поверхностного слоя сопряженных деталей и, следова-
тельно, минимальному износу.
В соответствии с принципом И.Р. Пригожина минимум производства энтропии
трибомеханической системы может быть представлен выражением
dS / dt = kFnfNslT. (2.10)
Здесь, судя по работам [2, 3]
Рп = jPn^ ’ Рп = Jn /[(^1 + ) Vs ] ,
А
где Fn - нагрузка; рп - давление; jn - скорость изнашивания в направлении, нормальном к
поверхности трения; vs - скорость скольжения; f - коэффициент трения; Т - темпера-
тура; kw - коэффициент изнашивания.
РОЛЬ ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ В ОБЕСПЕЧЕНИИ НАДЕЖНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 31
Для осесимметричной задачи выражение (2.10) представим следующим образом:
dS/dt = -.—jnf . (dA.
(2.Н)
В выражении (2.11)
dA = i]l + (dy/dx)2 • dx .
Минимум производства энтропии определяется экстремумом функционала
*Г . 711/2
а
В самом общем виде функционал можно представить следующим образом:
ь
^F{x,y,y’)dx. ।
а
Для нахождения экстремума функционала (2.12) используем уравнение Л. Эйлера
_0
(2.12)
(2.13)
Рассмотрим частные случаи решения этого уравнения.
I. Функция F зависит только от у’х, т.е. F = F(y'). Тогда уравнение (2.13) имеет
вид
/(х)Г//=0.
2. Функция F не зависит от у, т.е. F = F(x, у'). В этом случае
В соответствии с первым частным случаем
ЛУ)=[1+(У)2]1/2;
y"(x)Fyy =У(х)/[1 + (У)2]3/2 =0.
Решению уравнения (2.14) удовлетворяет семейство прямых вида
у = Ci х + С2.
Здесь коэффициенты С\ и С2 будут характеризовать геометрическую форму, приобре-
таемую сферической поверхностью в процессе изнашивания. Если считать, что С2 = 0,
то семейство прямых при разных Q будет иметь вид, показанный на рис. 2.3. При
Ci = 1 семейство прямых представлено на рис. 2.4.
(2.14)
Рис. 2.3. Форма изношенной поверхности
при С2 = 0
Рис. 2.4. Форма изношенной поверхности
при Ci = 1
32 Глава 2. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Рис. 2.5. Расчетная схема
При решении второго частного случая счи-
таем, что изменение нормальных давлений вдоль
образующей сферического контакта подчиняется
косинусоидальному закону (рис. 2.5):
рп =pQ cos а .
Скорость скольжения
vs = (f)R sin а . (2.15)
С учетом выражения (2.15) получим
dS со#о^ f .
— =-----— х cosa sma dA ,
dt T J
где p0 cos a sin a fdAx - момент силы трения от-
носительно оси вращения.
В соответствии с рис. 2.5 dA =----, sin a = -=------у-т.
cosa [1 + (У)2]’/2
Найдем минимум производства энтропии, определяемый, в свою очередь, экстре-
мумом функционала
ь
_____i____а,
• [1*< '
Подынтегральное выражение имеет вид
ху'
F(x,y') =
Тогда решение уравнения Л. Эйлера запишем так:
Fy'=Cx,
где производная F(x,y') по у' равна
(2.16)
Решив уравнение (2.16) с учетом того, что у' = dy/dx, и произведя некоторые преоб-
разования, получим
У = -^Ух2П-с\" -^ + с2- (2-17)
Ч a
Уравнение (2.17) представляет собой семейство кривых, причем постоянная Ч оп-
ределяет форму изношенной поверхности, а С2 - эволюцию процесса изменения формы.
Экспериментальное исследование изнашивания сферических пар трения проводилось с
помощью устройства, смонтированного на токарно-винторезном станке мод. 16К20,
в соответствии с расчетной схемой, приведенной в работе [54]. Нагружение пары трения
осуществлялось через тарельчатые пружины суппортом станка, соединенным с задней
бабкой. Линейный износ измерялся после определенного времени работы в пределах
угла a е [10 и 80°]. Элементы сферической пары трения изготавливались из стали 40Х. Ис-
РОЛЬ ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ В ОБЕСПЕЧЕНИИ НАДЕЖНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 33
пытания велись по плану двухфакторного эксперимента (22) с тремя повторениями и
последующим дисперсионным анализом полученных результатов. В качестве варьируе-
мых факторов были приняты: давление р0 и скорость относительного скольжения v$ при
угле а= 10°. Минимальные значения давления, МПа, и скорости скольжения, м/с, со-
ставляли соответственно 0,5 и 0,12, а максимальные - 2 и 0,4. Выходным фактором яв-
лялся износ сферических поверхностей, который оценивался в соответствующих сече-
ниях методом искусственных баз с помощью профилометра-профилографа мод. 254
завода «Калибр» (Москва).
Результаты измерений износа представлены на рис. 2.6, где кривая 3 построена по
значениям суммарного износа сферической поверхности за время испытаний, соответст-
вующее 10 000 м пути трения. Кривые 7 и 2 отражают эволюцию формы изнашиваемой
сферической поверхности.
Рассмотрим особенности построения этой кривой. Легко показать, что произведе-
ние рч пропорционально произведению sin a cos а и его максимум достигается при
а = л/4. Учитывая предположение о пропорциональности износа произведению /?v, счи-
таем, что одинаковый износ будет при разных углах а (при си < 45° и а2 > 45°), при ко-
торых указанное произведение будет иметь одно и то же значение.
Таким образом, уравнение (2.17) позволяет описать форму изношенной поверхно-
сти (рис. 2.7) в широком угловом диапазоне. Для согласования с экспериментальными
данными были приняты: Q = 0,275 и С2 = 0,175. Сравнение полученной расчетной зави-
симости и экспериментальных данных показало их удовлетворительную сходимость и
подтвердило обоснованность принятых предположений.
В связи с тем что долговечность сферической пары трения определяется не столько
самой величиной износа, сколько его равномерностью, правомерна постановка задачи
обеспечения закономерно изменяющегося вдоль образующей состояния поверхностного
слоя технологическими методами.
Таким образом, на основе принципа минимума производства энтропии получены
экспериментально подтвержденные зависимости, отражающие эволюционную картину
формы изнашиваемой поверхности. Полученные закономерности изнашивания позво-
ляют так изменять состояние поверхностного слоя, чтобы обеспечить равномерный из-
нос поверхности трения. Представляется возможным осуществить условие равномерно-
сти изнашивания технологическими методами отделочно-упрочняющей обработки на
основе установления функциональной связи между режимами обработки и эксплуатаци-
онными показателями пар трения [55].
Рис. 2.6. Форма изношенной поверхности сферы
Рис. 2.7. Форма изношенной поверхности
34 Глава 2. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Модели отказов при изнашивании. Для того чтобы система в целом и ее элемен-
ты были в работоспособном состоянии, рабочие характеристики их должны лежать в
некоторых допустимых пределах, определяемых функциональным назначением систе-
мы. Так, зазор в сопряжении, увеличивающийся при работе вследствие изнашивания
трибоэлементов, должен лежать в пределах, обеспечивающих безударное движение и
необходимую кинематическую точность. Зазор, определяемый величиной линейного
износа, представляется неубывающей функцией. При достижении этой функцией пре-
дельного значения наступает отказ.
Обозначим через h(L) величину рабочей характеристики (износ), соответствующей
пути трения L. Изменения h(L) во времени (или относительно пути трения), называемые
реализациями, обусловлены как внешними нагрузочно-скоростными факторами, так и
ходом физических процессов, протекающих на поверхностях трения [8].
Кроме того, вид реализаций h(L) зависит от начальных условий, например от каче-
ства изготовления рабочей поверхности. Простейшее предположение относительно из-
менения h(L) состоит в том, что оно носит линейный характер:
/?(£) = /?(£ = 0) + 7/Д
В общем случае, сохраняя предположение о линейном характере изменения от-
дельной реализации, величины h(L = 0) и Д являются случайными. В этом случае время
безотказной работы или путь трения до достижения предельного износа [/?] определяет-
ся формулой
[Л]-А(£ = О)
4
Рассмотрим некоторые модели отказов (рис. 2.8), для которых дадим без вывода
значения математического ожидания Af[/?(Z)] и дисперсии D[h(L)] случайного процесса
Рис. 2.8. Графики зависимости линейного
износа от пути трения:
а - M[h(L)] = M[h(L = 0)] +
D[h(L)} = D[h(L = 0)] +D(Ih)L2-,
F(£) = <D
Л/[Л(£ = О)] + Л/(/а)£-[Л]
7z>[ft(Z = O)] + D(/A)Z2
6 - M*(Z)1 = h(L = 0) + <Д)£;
D[A(Z)] = D(A)I2;
F = J(£ = 0)] + Wj,U-W1.
I O(Ih)L2 ]’
e - <*(£)] = D[ft(I)] = D(Ih)L2-,
F(L) =
[D(Ih)L2 J
г - M[h(L)] = M[h(L = 0)] +
£)[*(!)] =ZW = 0)];
[ 7ZW = O)J J
РОЛЬ ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ В ОБЕСПЕЧЕНИИ НАДЕЖНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 35
изменения износа, а также оценим вероят-
ность безотказной работы узла трения при
наличии детерминированной границы - пре-
дельного износа [й].
На рис. 2.8 F(L) - вероятность того, что
за путь трения, равный L, реализация износа
не пересечет границу [й]; Ф(...) - функция
Лапласа, определяемая уравнением
Функция Лапласа табулирована, что по-
зволяет сравнительно просто определить ве-
роятность безотказной работы подвижного
сопряжения.
Рассмотрим различные задачи прогнози-
рования параметрической надежности трибо-
элементов с износостойкими покрытиями.
Рис. 2.9. Модель формирования
постепенного износового отказа
(скорость изнашивания покрытия переменна)
1. Качество покрытия неоднородно, скорость изнашивания покрытия а - слу-
чайная величина с плотностью распределения Да), остальные параметры модели
не варьируются.
Модель формирования параметрического отказа для этого случая показана на
рис. 2.9, дополнительная временная ось f определяет момент полного износа покрытия.
Для нахождения плотности вероятности выхода монотонно изменяющегося во вре-
мени параметра «(/) за некоторые границы [7?ь Т?2] была получена следующая зависимость:
<” й,
где - плотность распределения параметра и в момент времени t.
Очевидно, что при постоянной скорости изнашивания будем иметь
/!(«//) = /(«//);•
Плотность вероятности полного износа покрытия равна
j a j alt' / \
?('') = " 77 №ult} = "77 //(а) da = 7 •
0 dt о (' ) v '
(2.18)
Для трибоэлемента, изготовленного из однородного материала, выражение (2.18)
определяет плотность вероятности постепенного износового отказа. Для многослойной
детали результат (2.18) является промежуточным, необходимым для оценки полного
износа трущегося элемента.
В связи с тем, что скорость изнашивания основного материала в данной задаче по-
стоянна, плотность распределения постепенного износового отказа q(t) соответствует
плотности д(/’) с учетом сдвига временного аргумента
f = t - у,
где у = ———. Здесь R = [«(/)] - предельный износ; а - толщина покрытия; р - скорость
износа.
36 Глава 2. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Отсюда следует
7 а/(?-у) / \
^) = -^7 f/(a)Ja = —,
Ж (/-у)2 {t-Yj
t>Y-
Тогда вероятность безотказной работы
за время Т будет равна
Р(П = 1- T\q(t)dt.
О
В частности, при нормальном законе
распределения скорости изнашивания по-
крытия Да) вероятность безотказной работы
определяется соотношением
Р(Т) = 0,5 + Ф
Рис. 2.10. Модель отказа (толщина
покрытия - случайная величина):
т(а) - математическое ожидание
толщины покрытия
где та - математическое ожидание скорости изнашивания.
2. Качество покрытия неоднородно, в связи с чем его толщина - случайная ве-
личина с законом распределения ц(а), остальные параметры модели не изменяются.
Модель формирования параметрического отказа для этого случая представлена на
рис. 2.10. Время f, как и ранее, определяет момент полного износа покрытия.
гч , 1
Очевидно, что это время определяется зависимостью t = — а .
a
Тогда плотность вероятности полного износа покрытия будет равна q(f) = p(af )a.
Учитывая, что
р - a dt р - а ’
рг-7?
ц а .
р-а )
находим плотность вероятности постепенного износового отказа:
Р-а
и вероятность безотказной работы за время Т
P-a
. dt = 1 - fp(a) da .
P-aJJ a
------------------
P~a
Рассматривая частный случай, когда распределение толщины покрытия подчинено
нормальному закону, получим
~~ R-m(a)
p-a__________
o(a)
P(T) = l-^-Jp
P“ao
Р(/) = 1 + Ф
-Ф
-^-(рТ-Р)-/и(а)
P~a_____________
o(a)
(2-19)
Г Р'-Я
а ----
РОЛЬ ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ В ОБЕСПЕЧЕНИИ НАДЕЖНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 37
Здесь т(а) и а(а) - соответственно ма-
тематическое ожидание толщины покрытия
и его среднее квадратическое отклонение.
3. Качество покрытия неоднородно, в
связи с этим скорость изнашивания по-
крытия и его толщина - случайные вели-
чины, законы распределения которых
соответственно Да) и ц(а).
Модель отказа для этого случая показа-
на на рис. 2.11, где время f по-прежнему опре-
деляет момент полного износа покрытия.
Распределение f следует рассматривать
как распределение функции от двух случай-
ных аргументов. Вероятность события
f < Т’ для такого случая равна
P(t'<T') = Q(T') = fJ/(a)jx(a),
D
Рис. 2.11. Модель отказа
(скорость изнашивания и толщина
покрытия - случайные величины)
где область D определяется функцией а =а/Ти условием f < Т'.
Отсюда
С(П=/ f/(a)|j(a)JaJa.
Оа/Г
Дифференцировав эту функцию, получим следующее выражение для плотности ве-
роятности полного износа покрытия:
(2.20)
Для нахождения плотности вероятности отказа многослойной детали q(t) заметим, что
Тогда запишем
б(П = 1 J/(a)n(a)da da.
0? R-a
Р
(2-21)
Плотность вероятности постепенного параметрического отказа для этого случая
представим в виде
?(0 = J—
<4-
R-a
Р
р J
(2.22)
\i{d)da ,t>y.
Полученное выражение позволяет найти вероятность безотказной работы.
4. Качество покрытия и основы неоднородно, в связи с чем скорости изнаши-
вания покрытия а и основного материала 0 являются случайными величинами с
соответствующими законами распределения Да) и ф(Р).
38 Глава 2. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Рис. 2.12. Модель отказа
(скорости изнашивания покрытия и основного
материала являются случайными величинами)
Рис. 2.13. Модель отказа
(скорости изнашивания покрытия, основного
материала и толщина покрытия - случайные
величины)
На рис. 2.12 для этого случая представлена модель формирования параметрического
отказа. Пусть известна плотность вероятности полного износа покрытия q(f). Прираще-
ние числа изделий с изношенным покрытием к некоторому моменту времени f = fj будет
равно dQj =
Из-за вариации скорости изнашивания основного материала Р эти изделия распреде-
лены по закону ф(Р).
Тогда дифференциал плотности вероятности q(t) равен
R-a
а /а}. . .
Ф^-—' (у / ПРИ * = tj'
Интегрируя в пределах f е[0Д получаем
л х \ R —а (
(2.23)
5. Общий случай - скорость изнашивания покрытия а, толщина покрытия а и
скорость изнашивания основного материала р - случайные величины с законами
распределения Да), ц(а) и ф(Р).
Модель формирования параметрического отказа для этого случая представлена на
рис. 2.13. Здесь время t\ определяет момент полного износа покрытия, начальная тол-
щина которого была at.
Плотность вероятности полного износа покрытия с начальной толщиной а, найдем по
формуле
Приращение числа изделий с полным износом покрытия, начальная толщина которого
составляла ai9 к некоторому моменту времени = ty, очевидно, равно
РОЛЬ ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ В ОБЕСПЕЧЕНИИ НАДЕЖНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 39
Вследствие варьирования скорости изнашивания основы эти изделия распределены по
закону ф(Р). Тогда дифференциал второго порядка плотности вероятности отказа имеет вид
R-a
dt
|ф(Р)(Ф 4wl=
о
R-at
’--ЛГФ
R- а,
t-t'u
№i)f
da dt\.
a
t'a
Интегрируя по а в пределах ае[0,оо] и по f, где t' 6 [0, /], получаем
(2.24)
На рис. 2.14 представлены графики плотности распределения износового отказа для
покрытия, имеющего толщину а и математическое ожидание скорости изнашивания w(a).
На рис. 2.15 приведены плотности распределения постепенных износовых отказов
для некоторых рассмотренных выше ситуаций. Когда скорости изнашивания покрытия и
основного материала - случайные величины, распределенные по нормальному закону,
дополнительно предполагалось, что коэффициенты вариации va = vp = 0,2 и отношение
R/a = 4.
На рис. 2.15 показан график плотности распределения времени отказа для ситуа-
ции, когда а, 0 и а - нормально распределенные случайные величины (при этом отно-
шение математических ожиданий скоростей изнашивания основы и покрытия составляет
w(P)/w(a) = 2; отношение предельного износа многослойной детали к математическому
ожиданию толщины покрытия равно R/m(a) = 2; значения коэффициентов вариации при-
няты одинаковыми, а именно: va = vp = Na = 0,2).
Полученные аналитические зависимости позволяют оценить вероятность безотказ-
ной работы трибоэлементов, найти оптимальную величину толщины покрытия и про-
гнозировать ресурс узла трения.
Рис. 2.14. Плотности распределения отказа:
1 - коэффициент вариации
скорости изнашивания va = 0,1;
2 - то же, при va = 0,2
Рис. 2.15. Плотность распределения
моментов времени полного износа q(t)
(кривая 1); плотность распределения
отказа q(t) при m(0)/m(a) = 4 (кривая 2)
и при m(0)/m(a) = 2 (кривая 3)
40 Глава 2. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
2.3. ВЫБОР И НАЗНАЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ
КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Анализ литературных данных [1, 18, 19, 51] показывает, что эксплуатационные
свойства деталей машин, определяющие их надежность, зависят от системы параметров
качества их рабочих поверхностей: макроотклонения Яшах, Нр; волнистости Wz, Wp,
Smw; шероховатости Ra, Rz, 7?max, Rp, Sm, S, tp; субшероховатости 7?max', Sm'; физико-
химических свойств аост, йсто, ЯЦо (Ян), 8,13, (табл. 2.3).
Анализ этой таблицы и результаты проведенных исследований позволяют выдать
научно обоснованные рекомендации по стандартизации параметров качества поверхно-
стного слоя деталей машин: для шероховатости - Rp, Sm; для волнистости - Wz, Smw;
для макроотклонения - Яшах; для субшероховатости - 7?тах'; для физико-механических
свойств - ЯЦо, ЛЦо, Пост- Такая стандартизация позволит успешнее решать проблему
повышения надежности и долговечности машин. Следует отметить, что стандартизации
должны подлежать параметры, оказывающие основное влияние на эксплуатационные
свойства деталей машин, технологически управляемые и метрологически обеспеченные.
Определение численных значений параметров качества поверхностного слоя дета-
лей машин исходя из их функционального назначения может быть осуществлено рас-
четно-аналитическим, экспериментальным и опытно-статистическим (табличным) мето-
дами. Общая структурная схема решения этой задачи приведена на рис. 2.16.
I_______________________________________________________________________I
Рис. 2.16. Структурная схема выбора конструктором параметров качества
рабочих поверхностей деталей машин
ВЫБОР И НАЗНАЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ 41
На основе совместного анализа условий функционирования (блок 7) и технических
условий на изделие (блок 2) определяют эксплуатационные свойства деталей машин и
их соединений, лимитирующие надежность и точность узлов и машин в целом (блок 3).
Например, если суммарное сближение сопрягаемых поверхностей под нагрузкой при
трении скольжения не должно превышать 20 мкм, а контактное сближение поверхност-
ных слоев составляет 5...6 мкм, то это значит, что износ сопрягаемых деталей не должен
превышать 15... 14 мкм.
Зная срок службы машины, обусловленный ее моральным старением, или экономи-
чески целесообразный период замены узла, определяют фактическое время его работы
или общий путь трения за этот период и рассчитывают интенсивность изнашивания
I = (14... 15)/L. Аналогичные расчеты выполняют для остальных деталей и соединений.
Следует отметить, что переход от блоков 7 и 2 к блоку 3 является неформализован-
ным, т.е. не поддается алгоритмизации. Это означает, что на данном этапе проектирова-
ния весьма важными факторами являются имеющиеся статистические данные по экс-
плуатации прототипов проектируемых узлов или машин, а также опыт конструкторов.
После того как определены требуемые значения эксплуатационных свойств проек-
тируемых соединений, осуществляют поиск соответствующих зависимостей или таб-
личных данных, которые характеризуют количественную взаимосвязь между данными
эксплуатационными свойствами и параметрами качества рабочих поверхностей (блок 4).
В блоке 5 осуществляется выбор параметров качества рабочих поверхностей деталей,
обеспечивающих требуемые значения эксплуатационных свойств в допустимых преде-
лах их изменения. В этом блоке можно решать разные задачи: 1) при известных разме-
рах детали, обусловленных конструктивными соображениями, выбирают материал, точ-
ность размеров и параметры состояния поверхностного слоя; 2) при заданном материале
детали находят размеры, их точность и параметры состояния поверхностного слоя;
3) при известных размерах и материале детали устанавливают их точность и параметры
состояния поверхностного слоя; 4) при известных материале, размерах и точности дета-
ли определяют параметры состояния поверхностного слоя.
При решении этих задач сталкиваются с рядом ограничений. Так, физико-
механические свойства материалов определяются наличием соответствующих марок,
точность размеров и параметры качества поверхностного слоя - технологическими воз-
можностями, т.е. накладываются технические ограничения:
^ттш — — ^ттах’
IT < IT < IT • s
x * min — z x max ’
(2.25)
^^min — — -^^max •
Некоторые из этих ограничений взаимосвязаны. Так, физико-химическое состояние
поверхностного слоя деталей в значительной мере зависят от физико-механических
свойств материала, точность размеров - от качества поверхностного слоя.
Решение всех этих задач многовариантно, поэтому в блоке 6 осуществляют поиск
оптимального варианта, как правило, по себестоимости изготовления детали. При этом
на основе анализа задач блока 5 определяют векторы постоянных параметров и незави-
симых оптимизируемых параметров:
^ = (aT,E,p,J,...);
X = {Ra^Wz,H^...Y
(2.26)
Итак, решение задачи конструктора, начиная с блока 4, является в достаточной сте-
пени формализованным, т.е. может быть алгоритмизировано и реализовано на ЭВМ.
42 Глава 2. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
2.3. Параметры, определяющие эксплуатационные
Эксплуатационные свойства Свойства материалов Размер и его точность Параметры
Нв От Е НВ d,l,B т Яшах Нр Wz Wp
Контактная жесткость:
первое нагружение 0 + + + +* _* - _* - *_
повторное нагружение 0 + - - +* _* _* - _* -
Коэффициент трения + + + + 0 0 + + + +♦
Износостойкость + + + + +* - - _* - —*
Герметичность соединений 0 - _* - _* _* - _* - —*
Прочность посадок 0 - +* - +* _* - _* - —*
Прочность деталей +* +♦ + - +♦ 0 0 0 0 0
Усталостная прочность + +♦ + _* +* 0 0 0 0 0
Коррозионная стойкость 0 0 0 0 0 0 0 0 - -
Поверхностная тепло- проводность - - 0 0 +* _* _* _* —* —*
Т ермостойкость + + + + 0 0 0 0 0 0
Примечание. Обозначения «+» и «-» показывают, что увеличение и уменьшение
эксплуатационного свойства: «*» - параметр оказывает основное влияние на данное
свойство.
ВЫБОР И НАЗНАЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ 43
свойства деталей машин и их соединений
качества поверхностного слоя
Ra, Rz 7?max Rp tp Sm s J?max' Sm’ CTOct £ k Pd
- - - _* +♦ + 0 0 0 +* 0 +* 0 _* _* _*
- - - _* +* +* 0 0 0 - 0 - 0 _* —* _*
- + + +♦ _* - - + - - 0 +* 0 + - -
+ - - _* +* +* + - + +* 0 +* 0 +* _* _*
- - - _* +* _* - - - - 0 - 0 0 0 0
- - - _* +♦ - 0 - 0 - 0 - 0 0 0 0
0 - - +* - +* 0 0 0 + +* +* +♦ + —* —*
0 - _* + - +* 0 0 +* +* +* +* +* +* _* —*
+ _* - - + +* +* —* +* +* + + + —* +♦ _*
- _* - _* +* - - _* - - - - - - + -
0 - - - + + 0 0 0 - 0 - 0 - —* —*
этих параметров вызывает соответственно улучшение или ухудшение данного
эксплуатационно свойство; «О»- параметр не влияет на данное эксплуатационное
44 Глава 2. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
При этом система уравнений характеристик эксплуатационных свойств, технических
ограничений, постоянных и оптимизируемых параметров является исходной для разра-
ботки алгоритма в блоках 5 и 6. При реализации этого алгоритма может быть использо-
ван метод «ЛП-поиска», отличающийся большей простотой, чем другие.
Структурная схема оптимизационного алгоритма расчетно-аналитического метода
определения параметров качества поверхностного слоя деталей машин по одному из
эксплуатационных свойств приведена на рис. 2.17.
Рис. 2.17. Структурная схема оптимизационного алгоритма по определению параметров
качества рабочих поверхностей деталей машин
ВЫБОР И НАЗНАЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ 45
В данном алгоритме осуществляют с учетом ограничений генерацию случайных
независимых переменных. Далее выполняют расчет характеристики эксплуатационного
свойства, а результат расчета сравнивают с предыдущим значением; запоминают значе-
ние характеристики эксплуатационного свойства, наиболее близкое к требуемому, а
также значения параметров качества поверхностного слоя деталей, при которых они по-
лучены. При этом одно и то же значение характеристики эксплуатационного свойства
может быть получено при различных многовариантных сочетаниях параметров качества
поверхностного слоя деталей. Поэтому появляется необходимость ввести оптимизаци-
онный алгоритм.
Следует отметить, что задача конструктора значительно облегчается при использо-
вании комплексных параметров для оценки качества поверхностного слоя деталей ма-
шин, в частности П и Сх. После выбора метода вычислений составляют программу рас-
чета по структурной схеме на одном из алгоритмических языков.
При экспериментальном методе исследуют то или иное эксплуатационное свойство
при различных параметрах качества поверхностного слоя образцов. Параметры, обеспе-
чивающие требуемое значение эксплуатационного свойства, являются оптимальными.
При табличном методе численные значения параметров качества поверхностного
слоя деталей машин (как правило, определенные статистическим методом) берутся из
таблиц. Так, в табл. 2.4 приведены оптимальные значения стандартизованных парамет-
ров шероховатости поверхностей различных деталей машин, рекомендуемые для про-
становки на рабочих чертежах.
2.4. Оптимальные значения параметров шероховатости
поверхностей деталей машин
Поверхности деталей Ra Rz 7?max Sm, мм *50> %
Опорные шейки валов: под подшипники скольжения 0,2...0,5 - - 0,032...0,05 45...70
под вкладыши из бронзы 0,32...0,63 0,032...0,06
под баббитовые вкла- дыши 0,20...0,32 0,020...0,032
под вкладыши из чугуна 0,32...0,5 0,032...0,05 65...70
под вкладыши из гра- фитопласта 0,32...0,4 0,025...0,04 50...70
под подшипники качения 0,63...2,0 0,040...0,06 45...70
Рабочие поверхности шариковых и роликовых подшипников 0,08...0,32 - - 0,020...0,032
Поверхности, обеспечи- вающие избирательный перенос 0,25...0,50 0,025...0,04 45...50
46 Глава 2. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Продолжение табл. 2.4
Поверхности деталей Ra Rz Яшах Sm, мм /5о, %
Поверхности валов, рабо- тающих под нагрузкой - - 0,63... 1,25 0,060...0,10 -
Напыленные поверхности трения скольжения 0,08...0,10 - 0,020... 0,04 45...50
Поверхности: под напыление - 50... 125 0,200...0,50 -
под электрохимиче- ские покрытия 1,0...4,0 0,025... 0,080
Свободные несопрягае- мые торцы валов, флан- цев, крышек - 15...100 - -
Опорные поверхности корпусов, кронштейнов, шкивов и других деталей, не являющихся посадочными 12...30
Поверхности посадочных отверстий зубчатых колес 0,50...0,2 -
Шейки и кулачки распре- делительных валов 0,25...0,40 0,05...0,08 50...60
Рабочие шейки коленча- того вала 0,2...0,3 0,04...0,06
Поверхности отверстий рычагов, вилок, сопрягае- мых с валами или осями 0,63... 1,25 - -
Корродирующие поверхности 0,063... 0,1 0,032...0,05
Поверхности под склеи- вание - 15...20 -
Поверхности, соединяе- мые с натягом 0,5...2,5 0,032...0,15 45...50
Посадочные конические поверхности гидропередач 0,8...1,2 - 0,04...0,10
Боковые поверхности: зубьев колес 0,4... 1,25 —
ниток червяков 0,25...0,4 0,032...0,06 45...60
Поверхности основных отверстий корпусов: стальных 0,63...1,6 - -
чугунных 1,0...2,0
из алюминиевого сплавов 0,5...1,2
ВЫБОР И НАЗНАЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ 47
Продолжение табл. 2.4
Поверхности деталей Ra Rz Яшах Sm, мм ^50, %
Сопрягаемые поверхности корпусов и крышек - 10...60 - - -
Поверхности зеркала ци- линдра 0,2...0,63 - 0,04...0,08 45...50
Рабочая поверхность поршневого кольца 0,63... 1,25 0,03... 0,06
Торцовая поверхность кольца 0,25...0,63
Юбка поршня 0,63... 1,25 — —
Канавка в поршне 0,2...0,63 0,03...0,08 45...50
Поверхность отверстия в поршне под палец 0,3...0,5 0,03...0,05
Поршневой палец 0,1...0,2 0,01...0,06 50... 60
Толкатель 0,16...0,32 0,02...0,05
Отверстия в головках шатуна: малое 0,5... 1,25 - 45...50
большое 0,6...1,0
Втулка шатуна 0,25...0,6 0,03...0,06
Рабочая поверхность ша- рового пальца 0,2...0,3 0,04...0,06 50...60
Клапан 0,16...0,25 0,02...0,04
Рабочая поверхность про- ушины колодки переднего тормоза автомобиля 1,2...1,6 - -
Рабочая поверхность фланцев под уплотнения 0,4...0,8 0,08...0,15 70...80
Поверхность канавки ка- ретки включения передач 1,25...2,5 - -
Рабочая поверхность пальцев крестовины диф- ференциала заднего моста автомобиля 0,5...0,8 0,03...0,06 45...50
Поверхности под уплот- нение полуоси заднего моста автомобиля 0,08...0,15 70...80
Рабочая поверхность гнез- да турбины под лопатку 0,5±20 % 0,02...0,05 -
Поверхности лопаток турбины и компрессора: замка 0,63... 1,25 0,08...0,10 45...50
пера лопатки 0,32... 1,25 0,04...0,10
48 Глава 2. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Окончание табл. 2.4
Поверхности деталей Ra Rz Яшах Sm, мм %
Рабочие поверхности деталей тележки рефри- жераторной секции: оси 0,63... 1,25 - - - 65...70
подпятника 1,25...2,5 -
втулки 1,8...2,0
валика — 15±10%
Поверхность трения: подвески вагона 15+70 % —
балки вагона 1,0...2,5 - 0,03... 0,08 60 ± 5 %
рамы вагона 0,32...0,63 - —
оси колесной пары 0,63... 1,25 45...50
Посадочная поверхность отверстия колеса -
Поверхности направляю- щих трения скольжения станков: универсальных 0,5...0,8 0,04...0,06 45...50
прецизионных 0,1...0,15 0,02...0,03
тяжелых 1,25...2,0 — —
Поверхности направляю- щих качения 0,12...0,16 0,02...0,03 45...50
Рабочие поверхности матриц и пуансонов вы- рубных штампов 0,32...2,0 0,12...0,32
Поверхности заготови- тельных ручьев ковочных штампов - 50...200 - -
Поверхности окончатель- ных ручьев ковочных штампов 20... 100
Рассмотрим несколько примеров по назначению параметров качества рабочих по-
верхностей деталей машин.
Пример 1. Спроектировать соединение вала с втулкой, передающее крутящий момент
М= 0,013 Нм. Заданы номинальные размеры: d = 20 мм, / = 15 мм, D = 26 мм и характеристики
механических свойств материалов: Е\ =Е2 = 21-104 МПа и gi = ц2 = ОД Уравнение для инженер-
ных расчетов натяга А и параметров состояния сопрягаемых поверхностей посадок с натягом, по-
зволяющих передавать заданный крутящий момент, имеет следующий вид:
д - [(ЯР1 + Нр2 ) + (Wpx + Wp2) + (Rpx + Rp2 )] =
( D2+d2
2103M P2-d2 +И1
ndlf Ex
1-H2
Ег
(2.27)
ВЫБОР И НАЗНАЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ 49
Подставив исходные данные в уравнение (2.27), получим
Д-[(ЯА +ffp2)+(WPl +^Р2)+(ЯР1 +йр2)] =
Г 262 +202
.21010'013 26^22=0002 мм
л-20-15-0,2 21-104 21-104
к 7
Учитывая, что для соединений с натягом диаметром 20 мм в соответствии с
Н7 Н7 Н7 Н7 Н7
ГОСТ 25347-82 предпочтительными являются посадки —;—;------------;— и------, натяг А (мкм)
кб пб рб гб s6
может быть: 2...36; 15...49; 22...56; 28...62; 35...69. Отверстия диаметром 20 мм по седьмому квали-
тету могут быть изготовлены чистовым развертыванием, шлифованием и тонким растачиванием.
По данным работы [22], эти методы обработки позволяют соответственно получить следующие
средние значения параметров поверхностей: 7?р1=2,8мкм, И£>1 = 1,4мкм, Нр\ = 4,0 мкм и
Rpx = 1,8 мкм, Wp\ = 1,4 мкм, Нр\ ~ 2,5 мкм. Вал диаметром 20 мм по шестому квалитету может
быть изготовлен тонким обтачиванием и шлифованием [22], которые позволяют получить
Rp2 = 1,4 мкм, Wp2 = 0,6 мкм, Нр2 = 2,5 мкм и Rp2 = 0,5 мкм, Wp2 = 0,3 мкм, Нр2 = 2,0 мкм.
Если все 100 % изготовляемых соединений гарантируют передачу заданного крутящего мо-
мента, то натяг для рекомендованных посадок составляет: 2,15; 22; 28 и 35 мкм.
В соответствии с изложенным выше получим следующее.
Втулка обрабатывается чистовым развертыванием, вал - тонким обтачиванием
2 - [(4 + 2,5) + (1,4 + 0,6) + (2,8 +1,4)] = - 10,7 мкм < 2 мкм,
15 - [(4 + 2,5) + (1,4 + 0,6) + (2,8 +1,4)] = 2,3 мкм « 2 мкм,
22 - [(4 + 2,5) + (1,4 + 0,6) + (2,8 + 1,4)] = 9,3 мкм > 2 мкм,
остальные варианты можно не просчитывать;
втулка обрабатывается чистовым развертыванием, вал - тонким шлифованием
2 - [(4 + 2) + (1,4 + 0,3) + (2,8 + 0,5)] = - 9 мкм < 2 мкм,
15 - [(4 + 2) + (1,4 + 0,3) + (2,8 + 0,5)] = 4 мкм « 2 мкм;
22 - [(4 + 2) + (1,4 + 0,3) + (2,8 + 0,5)] = 11 мкм > 2 мкм;
втулка обрабатывается чистовым шлифованием, вал - тонким точением
2 - [(2,5 + 2,5) + (2,4 + 0,6) + (2,4 +1,4)] = - 9,8 мкм < 2 мкм,
15 - [(2,5 + 2,5) + (2,4 + 0,6) + (2,4 +1,4)] = 3,2 мкм « 2 мкм,
22 - [(2,5 + 2,5) + (2,4 + 0,6) + (2,4 +1,4)] = 11,2 мкм > 2 мкм;
втулка обрабатывается чистовым шлифованием, вал - тонким шлифованием
2 - [(2,5 + 2) + (2,4 + 0,3) + (2,4 + 0,5)] = - 8,1 мкм < 2 мкм,
15 - [(2,5 4- 2) 4- (2,4 4- 0,3) 4- (2,4 4- 0,5)] = 4,9 мкм » 2 мкм,
22 - [(2,5 + 2) + (2,4 + 0,3) + (2,4 + 0,5)] = 11,9 мкм > 2 мкм;
втулка обрабатывается тонким растачиванием, вал - тонким точением
2 - [(2,5 4- 2,5) 4- (1,4 4- 0,6) 4- (1,8 4- 1,4)] = - 8,2 мкм < 2 мкм,
15 - [(2,5 4- 2,5) 4- (1,4 4- 0,6) 4- (1,8 4- 1,4)] = 4,8 мкм ® 2 мкм,
22 - [(2,5 + 2,5) + (1,4 + 0,6) + (1,8 + 1,4)] = 11,8 мкм > 2 мкм;
втулка обрабатывается тонким растачиванием, вал - тонким шлифованием
2 - [(2,5 4- 2) 4- (1,4 4- 0,3) + (1,8 + 0,5)] = - 6,5 мкм < 2 мкм,
15 - [(2,5 + 2) + (1,4 + 0,3) + (1,8 + 0,5)] = 6,5 мкм > 2 мкм.
„ Н7
Таким образом, единственно приемлемой посадкой для данного соединения является —.
пб
Поскольку она является легконапряженной, отпадает необходимость в проверочном расчете втулки
50 Глава 2. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
«) б)
Точить
и вала на прочность. При изготовлении втулки и
вала в условиях существующего производства
метод окончательной обработки их сопрягаемых
поверхностей конструктор согласует с технолога-
ми. Если же они будут изготавливаться на новом
производстве, то с учетом технологической себе-
стоимости целесообразно обрабатывать втулку
чистовым развертыванием, а вал - тонким обтачи-
ванием.
Значит, сопрягаемые поверхности втулки и
вала должны иметь следующие параметры:
Рис. 2.18. Постановка размеров и парамет- втулка _ Hpi=4 мкм; w = 14 мкм;
ров шероховатости на рабочих чертежах: = 2 8 мкм
а - втулка; б - опорная шейка вала 1 ’ тг ’ _ э „___. л
J 9 г вал-Нр2 = 2,5 мкм; Wpi = 0,6 мкм; Rp2 = 1,4 мкм.
Так как из геометрических параметров поверхности стандартизован только параметр шеро-
ховатости, на рабочих чертежах детали должны быть проставлены параметры Ra и tp, значения
которых определяются из табл. 2.5 и 2.6. Для чистового развертывания втулки с Rp = 2,8 мкм
Ra = 1,0 мкм, /50 = 40 %; для тонкого обтачивания вала с Rp = 1,4 мкм Ra = 0,5 мкм, /50 = 40 %.
Таким образом, на сопрягаемых поверхностях рабочих чертежей втулки и вала должны быть
проставлены размеры и параметры шероховатости (рис. 2.18).
Пример 2. Определить значения комплексного параметра поверхностного слоя и его состав-
ляющих основных отверстий корпуса электродвигателя (D = 52 мм) под наружные кольца под-
шипников качения для следующих условий: допустимый износ w = 0,13 мм в течение 40000 ч
работы; рабочее давление р = 15 МПа, средняя частота вращения вала п = 1500 мин“ I
Определим интенсивность изнашивания, исходя из условия, что наружное кольцо подшип-
ника качения проскальзывает в корпусе на 30° за один оборот вала:
I = “ =-----9’!3-2б о----= о-1О.
L л-52-1500-4000-30
При изготовлении корпуса из алюминиевого сплава АК12 (от=150МПа, Е=105МПа,
ц = 0,25, т = 104, % = 0,2). Подставив исходные данные в уравнение, получим следующее значение
исходного параметра качества поверхности основного отверстия:
СХ=1,6-1О~10
25л7/6-1502/3-105-104
0,2 • 157/б(1 — 0,25~2)1/2
= 0,32.
Это значение комплексного параметра получается раскатыванием (см. гл. 3). Методом пере-
бора установлены значения аргументов (отдельных параметров состояния поверхностного слоя),
удовлетворяющие значению комплексного параметра. С учетом возможности раскатывания (см.
табл. 2.6) Ra = 0,1 мкм, Sm = 0,02 мм, tm = 60 %, Wz = 1 мкм, //max = 6 мкм, к = 1,3, X = 1.
Таким образом, на рабочей поверхности основного отверстия корпуса из алюминия конст-
руктор должен проставить
Раскатать
^./Ra 0,1
\У 0,25/Sm 0,02 •
у/ t40 60
При изготовлении корпуса из алюминия с втулками основных отверстий под подшипники из
стали СтЗ (gb = 392 МПа, Е = 21-Ю4 МПа, ц = 0,3, п = 104, % = 0,2)
Сх = 1,61О"10
25л7/6 •3292П(21-104)1/2104
0,2-157/6(1-0,32)1/2
2.5. Возможности методов обработки в обеспечении точности размеров и параметров качества наружных
______________________________поверхностей вращения деталей машин______________________________
Метод обработки Ква- литет Параметры качества поверхностного слоя детали
Яшах, мкм, 1000 мм Wz, мкм Smw, мм Ra, мкм Rp, мкм Sm, мм S, мм — ^ост, МПа h0, мм Мн, % hH, мм
Обтачивание: черновое получистовое чистовое 12...14 10...12 8...9 160-500 80...200 40... 100 6,25...13,0 3,2... 10,0 1,6...4,0 2,5...10,0 0,12...8,0 0,8...8,0 12...40 2,0...16 0,8...2,5 32...120 5,0...50 2,0...8,0 0,32...1,25 0,16...0,40 0,08...0,16 0,32...1,25 0,12...0,40 0,05.-0,16 200...300 150...250 150...200 0,10...0,20 0,08...0,15 0,6...0,12 10...50 10...40 20...40 0,2...0,5 0,15.-0,30 0,05...0,20
Шлифование: черновое чистовое тонкое плосковер- шинное о> ч© ОС ОС Ч© ЧГ) ч© 25...100 10...40 6...20 10...100 3,2...10,0 0,5...4,0 0,16...0,8 0,5...10,0 0,8...4,0 0,4... 1,5 0,25...0,6 0,8...8,0 1,0...2,5 0,2...1,25 0,05...0,25 0,32...2,5 2,5...10,0 0,5...4,0 0,125...0,8 0,5...3,2 0,63...0,2 0,025.-0,1 0,008...0,025 0,063...!,25 0,032...0,16 0,01.-0,08 0,003...0,016 0,008...0,16 200...400 300...400 200...500 100...200 0,15—0,25 0,10.-0,20 0,08—0,15 0,006...0,12 10...40 10...30 0...20 0...10 0,05...0,08 0,02...0,05 0,01...0,02 0,01...0,015
Суперфини- ширование: обычное плосковер- шинное 4...6 6...8 5...20 20...80 0,08...0,5 0,75...2,5 0,25...1,5 0,8...8,0 0,032..Д25 0,25...2,0 0,08...0,8 0,32...2,5 0,006...0,02 0,05... 1,25 0,003...0,016 0,006...0,16 150...200 100...150 0,06...0,12 0,05...0,10 0...20 0...10 0,02...0,06 0,01...0,02
Полирование: обычное плосковер- шинное 5...6 6...8 6...40 30...100 0,16...0,75 0,4...0,9 0,4... 1,5 0,8...8,0 0,008...0,08 0,10...0,80 0,016...0,16 0,125.-1,0 0,008...0,025 0,032...0,20 0,002...0,008 0,016...0,20 100...400 100...200 0,03.-0,10 0,02...0,05 0...20 0...10 0,01...0,02 0,005...0,01
Притирка: обычная плосковер- шинная 4...6 5...7 4...15 15...60 0,08...0,1 0,4...0,8 0,25...1,5 0,25...2,5 0,01...0,10 0,10...0,80 0,02...0,25 0,10.-1,25 0,006...0,04 0,032...0,2 0,002...0,032 0,032...0,2 150...250 100...200 0,05.-0,10 0,02...0,05 0...20 0...10 0,005—0,01 0,005...0,008
Обкатывание: черновое чистовое 8...10 5...7 24... 100 6...40 2,5...12,5 0,4...2,5 0,8...8,0 0,3...6,0 0,8...2,5 0,05.-1,00 1,5...6,3 0,063...2,0 0,2...1,25 0,025...0,2 0,2...1,25 0,025...0,2 200...500 100...400 0,5...2,0 0,2...0,8 30...80 20...70 0,8...5,0 0,3...2,0
Выглаживание 5...9 6...80 0,4... 10,0 0,3...8,0 0,05...2,0 0,063...6,0 0,025...1,25 0,025... 1,25 100...400 0,2... 1,5 20...70 0,3...3,0
Вибронакаты- вание 5...9 6...100 0,5...13,2 0,25—15,0 0,063... 1,6 0,08...5,0 0,01.-10,5 0,008...0,8 100...450 0,15...!,5 10...70 0,1...3,0
ВЫБОР И НАЗНАЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
Окончание табл. 2.5
Метод обработки Ква- литет Параметры качества поверхностного слоя детали
Яшах, мкм, 1000 мм Wz, мкм Smw, мм Ra, мкм Rp, мкм Sm, мм S, мм i ^OCTJ МПа h0, мм мн, % hn, мм
Электромеха- ническая 5...7 6...40 0,4...0,8 0,3...0,8 0,02...1,6 0,2...3,2 0,025...1,25 0,025...1,25 200...400 0,1...1,5 40...80 0,05...1,5
Магнитно- абразивная 5...9 6...70 0,5... 12,5 0,4...8,0 0,02... 1,6 0,04...5,0 0,008... 1,25 0,003...!,0 200...600 0,005...0,010 0...10 0,01...0,03
Примечания: 1. Данные относятся к деталям из конструкционных сталей.
2. Для деталей из чугуна параметры шероховатости Ra, Rz можно принимать в 1,5 раза больше табличных.
3. Характеристики физико-механических свойств для деталей из чугуна следует принимать в 1,5 раза меньше табличных.
2.6. Возможности методов обработки в обеспечении точности размеров и параметров качества внутренних
поверхностей вращения деталей машин
Метод обработки Ква- литет Параметры качества поверхностного слоя детали
Яшах, мкм, 1000 мм Wz, мкм Smw, мм Ra, мкм Rp, мкм Sm, мм S, мм — ^ОСТ> МПа ho, мм «н, % hK, мм
Сверление и рассверливание 10...13 40...160 5,0...32 1,2...8,0 3,2—12 8,0...40 0,16...0,8 0,08...0,63 200...300 0,2...0,3 10...30 0,2...0,5
Зенкерование: черновое чистовое 10...12 8...9 10...120 10...50 5,0...16 3,6...8,0 2,0...6,0 0,8...3,2 2,5...8,0 1,25...3,2 6,3...25 3,2...10 0,16...0,8 0,8...0,25 0,063...0,4 0,05...0,16 100...200 100...200 0,2...0,25 0,08...0,15 20...40 10...40 0,15...0,4 0,1...0,2
Развертывание: черновое чистовое тонкое 10...11 7...9 5...6 25...100 6...40 2...10 2,5...6,25 1,25...4,0 0,5...1,6 0,8...4,0 0,5...2,0 0,3...1,0 1,25...2,5 0,63...1,25 0,32...0,63 3,2...8,0 1,6...4,0 0,8...2,0 0,08...0,2 0,032—0,1 0,0125...0,04 0,04...0,16 0,0125...0,063 0,008...0,02 100...300 100...400 100...450 0,08...0,15 0,06...0,12 0,03...0,1 10...40 20...40 10...30 0,2...0,4 0,15—0,3 0,05...0,2
Протягивание: черновое чистовое 00 10...80 3...30 1,25...5,0 0,4... 1,6 1,0...4,0 0,5...2,0 1,25...3,2 0,32...1,25 0,2... 1,0 0,8...4,0 0,08...0,25 0,02...0,10 0,04...0,2 0,008...0,08 200...300 200...300 0,10...0,40 0,05—0,15 20...40 10...50 0,2...0,8 0,1...0,5
52 Глава 2. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ВЫБОР И НАЗНАЧЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ 53
3 3 о" А 8 А о" ° о 8 ч s S о О о §- S 8 8 5 р р р о- £> £> р -i р A А о о о о о* 0,005...0,01 0,005... 0,008 0,5...3,0 0,2... 1,0 | 0,3...2,0 0,1...1,5 | 0,2...3,0
0,04. 0,02. 0,01. 0,01..
о о ..40 .30 о о — 't и ® о т—ч о о о о СП Tf СП о .20 .10 ..70 ..60 о о о А
о о 20. 0.. 2 2 О 2 2 2^ о о 30. 20. о еч о Т“Н [5а
ГЧ </4 ед »л »л еч О О /) (Ч СП ГЧ А О А °* ол »/4 о^
о" о о 2 о о о о о" о" о" о 2 ® гч" А еГ гч"
о" 0,08.. 0,06.. 0,04. 0,1.. 0,08.. 0,08.. 0,06. 0,05.. 0,10.. 0,08.. 0,06.. 0,05. 0,02.. 0,3.. 0,15. о" о" 0,15.
о о о »л 2 ° §88 о *Г) о о о о О UH о о ° 2 UH О g I о о о »/4 8
СП гч ГЧ *-<, СП СП т—ч р А ГЧ ГЧе А А
О о о О о »л о 8 8 8 о о 8 8 8 8 Й 8 о о о <п о о О о 8
гч V—ч еч сп еч Г-Н СП СП СП гч г—<
СЭ гч СП 2 « А О А о о 40 чо оо чо о -1 °. -1 <4 ГЧ о О CN Л А О' А О'
г—< о" А о 2 о" о" о" О О О О ©; о; г\
ип CN об гч 8 => 8 3. § 40 О О in об сп об гч о о о Ол Ол ОЛ О' ГЧ СП о о Ач А 0,1... ,025 Г4 О об о о 40 О
о" О ® о" о" о" о" о" о" о" о о" о" о"
О гч 40 О */4 сч a g О' ГЧ СП гч - о 8 <ч о <ч О' А О'
г—1 о о" о" о °: О- о" о" A -f о ° А р еч"
«/4 Г4 еч об сч о о S g § о о S о сп гч 2 тг g О 8 о : Г4 о" А UH гч О' о §
О о о о ° о" А о о" о" ® о" о" о" о
сП <n Ч о о О' о оо А 8 5 Ач А О' о А
гч 40" СП 2 < 4 */4 о©; а о; А : А ®? А СП
о СП О1 А J а а гч СП rJ СП А 4© СЧ СП UH 40 О о
40 еч" о" о о о" о" ° о" © о' о" о" о" сГ <о
о^ оо ГЧ Г4 А сП in _ Щ UH Q <4 гч гч А 40 О А ®.я р^ А А
40 1— 00 сч" о" СП о" гч" А т-Г о" о" р <1 О? гч; 1—<
об 2,5. об еч о" о" 48 g " О о- 0,32. 1,25. 0,25.. 0,04.. 0,25. 0,02.. 0,10.. 0,32. 0,05.. 0,05. 0,062 о"
о о^ О' ГЧ ГЧ А А А А ® А А А Ач Ач О' А А
г| СП А 00 гч; а о© сч; А А А </4
2,5.. 1,25. об о" о" 0,8.. 0,4.. 0,25. 0,18. 0,8.. 0,8.. 0,25. 0,8.. UH UH сч сч o' о" 0,5.. 0,3.. СП о" £ </4 А о
о 1Г) CN А */4 40 4© ГЧ - А 4© 04 о чо «п гч Ач о (N А
гч" 40" А 40" А о" 2 А А А о; 2; 1— А СП
8,0. 4,0.. 2,5... 0,5. 4,0. 1,25. 0,32 о" 1,25 0,4. 0,4. 0,5. 0,125 0,4.. гч; чо* 3,2. 0,5. sz‘o 1
8 о 40 g ° § § ° о 2 4© о О о о о р о о о о
1—< : А —J А гч 00 А А
100. О О £ 40 гч 2 15. 5.. 2.. 5.. еч uS 40.. 5.. 1/4 1/4
о 00 40 04 Г^ 40 00 Г- 40 00 1Г) Г-- А А А 00 А
04 е* «п 00 40 1/4 4© 40 «П UH Tt »Л об UH */4 1/4 »/4
Растачивание: черновое получис- товое чистовое тонкое Шлифование: черновое чистовое тонкое плоско- вершинное Хонинго- вание: черновое чистовое тонкое плоско- вершинное Притирка: обычная плоско- вершинная Раскатывание: черновое чистовое Выглаживание | Вибро- накатывание Дорнование |
Примечания см. в табл. 2.5
54 Глава 2. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Это значение комплексного параметра получается тонким растачиванием, что соответствует:
Ra = 1,0 мкм, Sm = 0,08 мм, tm = 45 %, Wz = 5,0 мкм, Яшах = 12 мкм, к = 1,0, X = 1,0, и на чертеже
конструктор должен проставить
Расточить
/Ра1,0 .
0,8/Sm 0,08
<50 45
При изготовлении корпуса из чугуна СЧ18 (сгсж = 687 МПа, Е = 11,8-10 МПа, ц = 0,25,
и = 104, % = 0,2)
к, 25л7/6-3292/3(21 •1°4)1/21°4
0,2-157/6(1-0,32)1/2
= 0,79.
Такое значение комплексного параметра обеспечивается чистовым растачиванием (см. гл. 3) при
Ra = 2,0 мкм, Sm = 0,12 мм, tm = 40 %, Wz = 6,0 мкм, Яшах = 8,0 мкм, к= 1,0, X = 1,0 (см. табл. 2.6).
На рабочей поверхности основных отверстий корпуса из чугуна конструктор должен проставить
Расточить
/ Ртах 2,0
\/ <50 40
Пример 3. Определить параметры шероховатости поверхности вала (d = 40 мм), изготовлен-
ного из стали 40Х (сгв = 550 МПа) и работающего на растяжение, обеспечивающие его усталост-
ную прочность при действии циклической нагрузки Р = 100 кН.
Уравнение для расчета параметров шероховатости имеет следующий вид:
20 ( 607? max Ла^0,5 _ ств -аост
(100-tm)Sm\ 100-tm J оа
где ов - амплитудное напряжение.
Р 4-100
Амплитудные напряжения, действующие на вал, ая = — =----— = 80 МПа.
F л-0,042
При окончательной обработке поверхности вала чистовым точением (см. табл. 2.5) tm = 45 %;
Ra = Pmax/6, = 150 МПа. Подставив исходные данные в уравнение (2.28), получим Pmax/Sm = 25.
Этому соотношению при чистовом точении соответствуют Ртах = 4,0 мкм, Sm = 0,16 мм
(см. табл. 2.5), и на чертеже конструктор должен проставить
Точить
Ртах 4,0
\/ ^ISm^
При окончательной обработке поверхности вала шлифованием (см. табл. 2.5) tm = 50 %,
Ra = Pmax/7, oOCT = 50 МПа, а следовательно Pmax/Sm = 32. Этому соотношению при шлифовании
соответствуют: Ртах= 1,5 мкм, Sm = 0,047 мм (см. табл. 2.5), и на чертеже детали конструктор
должен проставить
Шлифовать
-—уРтах 1,5
\/ 0,8/^0,050
При окончательной обработке поверхности вала накатыванием (см. табл. 2.5) tm = 60 %,
Ra * Pmax/5, oOCT = - 400 МПа и Pmax/Sm = 40, что обеспечивается при Ртах = 10,0 мкм,
Sm = 0,25 мм. На чертеже детали конструктор должен проставить
Накатать
Ртах 1,5
0,8/Sm 0,25 ’
Таким образом, имеющиеся результаты исследований позволяют научно обосно-
ванно выбрать и определить численные значения параметров качества рабочих поверх-
ностей деталей машин, исходя из их функционального назначения.
Глава 3
ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА
Технологическая подготовка производства определяет процесс формирования по-
верхностного слоя деталей. К настоящему времени накопился достаточно большой объ-
ем научной, технической и справочной информации по технологическому управлению
параметрами качества поверхностного слоя деталей. Наибольшее применение в маши-
ностроении находят технологические методы лезвийной, алмазно-абразивной, отделоч-
но-упрочняющей (ОУО), электрофизической и электрохимической обработки.
В работе [1] дана общая физическая и математическая модель формирования пара-
метров качества поверхностного слоя деталей при механической обработке.
В данной главе рассматриваются процессы формирования параметров качества по-
верхностного слоя деталей при лезвийной, алмазно-абразивной, электрофизической,
электрохимической обработке и ОУ О ППД и методика их обеспечения на этапе техно-
логической подготовки производства.
3.1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО
СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКЕ
Анализ имеющихся результатов исследований по формированию шероховатости
поверхностей при различных методах обработки позволяет сделать вывод, что в общем случае
на образование шероховатости при механической обработке влияют следующие факторы'.
1) геометрия рабочей части инструмента (резца, зерна, шарика, ролика, алмазного
индентора и т.п.) и кинематика его рабочего движения относительно обрабатываемой
поверхности;
2) колебательные перемещения инструмента относительно обрабатываемой по-
верхности;
3) упругие и пластические деформации обрабатываемого материала заготовки в зо-
не контакта с рабочим инструментом;
4) шероховатость рабочей части инструмента;
5) вырывы частиц обрабатываемого материала.
В зависимости от условий обработки степень влияния каждого из этих факторов на
образование шероховатости поверхности будет различной. Первые четыре фактора вы-
зывают образование систематической составляющей профиля шероховатости, которая
может быть описана математически. Пятый фактор способствует образованию случай-
ной составляющей профиля и определяет разброс, или дисперсию, параметров шерохо-
ватости.
Исходная схема для расчета систематической составляющей высоты профиля ше-
роховатости поверхности при механической обработке приведена на рис. 3.1.
56 Глава 3. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПОДГОТОВКИ
Рис. 3.1. Исходная схема для расчета высоты
профиля шероховатости поверхности при
механической обработке
Таким образом, средняя высота профиля шероховатости в общем случае при всех
методах механической обработки определяется равенством
Rz = h\ + h2 + Аз + А4, (3.1)
где h\ - составляющая профиля шероховатости, обусловленная геометрией и кинемати-
кой перемещения рабочей части инструмента; h2 - составляющая профиля шероховато-
сти, зависящая от колебаний инструмента относительно обрабатываемой поверхности;
Аз - составляющая профиля шероховатости, обусловленная пластическими деформация-
ми в зоне контакта инструмента и заготовки; А4 - составляющая профиля шероховато-
сти, вносимая шероховатостью рабочих поверхностей инструмента.
Из геометрического построения величина h} при лезвийной обработке определяется
по следующим зависимостям:
1) при ф < arcsin— и < arcsin—,
2г 2г
h = г(1 - cos q>) + tg а tg Ф1 ~ r(sin ф + sin 91 ~ r tg ф(со8 Ф1 ~ cos ф) • (3.2)
tg<p + tg9j
S S
2) при ф > arcsin— и ф! > arcsin— полученная зависимость преобразуется в урав-
2г 2г
нение Чебышева
/г!=?/8г; (3.3)
3) при наиболее распространенных случаях <р > arcsin — и < arcsin —,
2r 2r
hx =г(1-СО8ф1)4-8Шф1[у СО8ф! ~^S 8Шф1(2г-5' sin9i)]; (3.4)
4) при наименее характерных случаях ф < arcsin— и ф! > arcsin—,
hx =2(1- cos ф) + sin ф [у cos ф - sin ф(2г - s sin ф) ], (3.5)
где ф и ф1 - главный и вспомогательный углы режущего инструмента в плане; г - радиус
при вершине режущей части инструмента.
Составляющая профиля шероховатости А2 при лезвийной обработке определяется
амплитудой колебаний вершины инструмента относительно обрабатываемой поверхно-
сти при его прохождении по выступу или впадине исходной шероховатости и неравно-
мерностью твердости заготовки на различных участках обрабатываемой поверхности:
_ (/-ЛисхИ ,,
/?2 — 9
Успиз
где су9 уру, Zpy, п, Хру - коэффициенты; v - скорость резания; t - глубина резания; 7?гисх -
исходная средняя высота профиля шероховатости обрабатываемой поверхности; НВтах и
HBmin - колебания твердости заготовки; уСпиз- жесткость технологической системы.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРИ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКЕ 57
Пластическое оттеснение (сдвиг) обрабатываемого материала в зоне резания при-
водит к увеличению высоты образующей шероховатости на величину /23, которая рас-
считывается по формулам:
S . S
1) при ф< arcsin— и q>j < arcsin—
/»,= i^f ; <3-7)
------1---
tg<p tgq>i
2) при ф > arcsin— и ф! > arcsin—
2г 2г
h, = ; (3.8)
32г
3) при ф> arcsin— и ф! < arcsin—
2г 2г
Ь = 1Ьсяв2г; (3.9)
-----+—
tg<Pi S
4) при ф < arcsin— и ф! > arcsin—
2г 2г
J 1 2г
----+ —
tgф 5
(3.10)
Величина пластического оттеснения Ьсдв при лезвийной обработке определяется по
формуле
*U = 0,5p 1-
т
сдв
(3.11)
где тсдв - прочность обрабатываемого материала на сдвиг; ат - предел текучести обраба-
тываемого материала; р - радиус скругления режущей кромки.
Составляющая высоты шероховатости h4 при лезвийной обработке определяется
средней высотой профиля шероховатости на вершине резца, т.е. h4 = RzBP и зависит от
технологии заточки и режимов резания. Остальные параметры шероховатости при лез-
вийной обработке рассчитываются по формулам:
Ra = V2Rz\ (3.12)
Яшах = l,2/?z; Sm = S=s; (3.13)
tp = О.ООбр2’2 прир < 60 %; (3.14)
tp = 100 - 0,055 (100 -р)1’8 прир > 60 %. (3.15)
Анализ приведенных зависимостей и имеющихся результатов исследований пока-
зывает, что высотные параметры шероховатости поверхности деталей при лезвийной
обработке зависят: от режимов обработки; геометрии режущей части инструмента; его
заточки; определяющей шероховатость режущей кромки; жесткости технологической
58 Глава 3. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПОДГОТОВКИ
системы; физико-механических свойств обрабатываемого материала и исходной шеро-
ховатости обрабатываемой поверхности.
Наибольшее влияние на образование шероховатости оказывает подача при ее зна-
чениях 5 > 0,08 мм/об. При меньших значениях (s < 0,08 мм/об) изменение подачи прак-
тически уже не сказывается на изменении шероховатости обработанной поверхности.
При s < 0,08 мм/об высота формируемой шероховатости определяется в основном ра-
диусом при вершине резца, его шероховатостью, радиусом скругления режущей кромки
и физико-механическими свойствами обрабатываемого материала и материала режуще-
го инструмента. Повышение предела текучести и уменьшение сдвиговой прочности об-
рабатываемого материала приводят к увеличению минимально достигаемой шерохова-
тости при лезвийной обработке.
Шаговые параметры шероховатости поверхности при лезвийной обработке в ос-
новном определяются подачей. Относительная опорная длина профиля шероховатости
является стабильной и практически не зависящей от режимов лезвийной обработки. Рас-
четы по формулам (3.14) и (3.15) позволяют определить их численные величины.
Значения относительной опорной длины профиля шероховатости поверхности при
лезвийной обработке приведены ниже:
р,%....... 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90
tp,%...... 0,1...0,3 1...2 3...5 10...12 18...22 30...35 48...52 73...77 86...90 95...98
Таким образом, лезвийная обработка обладает достаточно широкими возможностя-
ми в управлении высотными и шаговыми параметрами шероховатости поверхностей
деталей машин.
В общем случае на образование волнистости поверхностей деталей машин при
механических методах обработки влияют следующие факторы:
1) исходное состояние поверхностного слоя обрабатываемой заготовки
2) биение заготовки и инструмента Н2\
3) геометрия инструмента и кинематика его перемещения относительно обрабаты-
ваемой поверхности Н3.
В зависимости от методов и режимов обработки степень влияния перечисленных
факторов на образование волнистости будет различной. Таким образом, средняя высота
волнистости, образуемой на поверхности детали при механических методах обработки,
слагается из всех перечисленных составляющих в соответствии с правилами суммиро-
вания случайных величин:
Wz = +Н22+Hl . (3.16)
Составляющая высоты волнистости, обусловленная исходным состоянием поверх-
ностного слоя обрабатываемой заготовки Н\ при лезвийной обработке с учетом разности
сил, действующих на инструмент, вызываемой разнородностью состояния поверхност-
ного слоя заготовки и динамикой процесса может быть определена по формуле [1]
— . > (A-i • )
Успиз
где й^исх - исходная высота волн.
Составляющая волнистости Н2, обусловленная колебаниями заготовки и инстру-
мента при лезвийной обработке, определяется по формуле
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРИ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКЕ 59
Н2 =24^041 +cos
г п18011
(ти-1)--- к
т I
(3.18)
где Акр - амплитуда главного колебания вдоль оси у, определяемая из равенства
Со = Н\/2\ т - знаменатель рациональной дроби [1].
Геометрия инструмента и кинематика его перемещения при лезвийной обработке
влияют на образование волнистости через составляющие Н\ и Н2.
Анализ приведенных зависимостей свидетельствует о том, что основное влияние на
волнистость при точении оказывает жесткость технологической системы, скорость, по-
дача и глубина резания.
Остальные высотные параметры волнистости поверхности при механической обра-
ботке рассчитываются исходя из следущего: IFmax = 1,2ИЪ; Wp = 0,5 FTz - при лезвийной
обработке; Wp = 0,6 Wz - при абразивной обработке; Wp = 0,4 Wz - при ОУО ППД.
Шаг волн Smw практически рассчитать не представляется возможным, но на него
оказывают влияние жесткость технологической системы, частота ее колебаний, скорость
резания и подача.
Макроотклонение поверхности при механических методах обработки опреде-
ляется четырьмя факторами:
1) геометрической неточностью станка Н\\
2) разностью упругих деформаций технологической системы при обработке по-
верхностей я2;
3) температурными деформациями технологической системы в процессе обработки
поверхности Я3;
4) износом режущего инструмента при обработке поверхности Н4.
Сложение этих составляющих макроотклонений по длине, ширине или диаметру
поверхности при определении Ятах производится геометрически:
Яшах = Нх ± Н2 ± Н3 ± Н4. (3.19)
Так, при обработке наружной цилиндрической поверхности вала сбазированного в
центрах, макроотклонение определяется по рис. 3.2.
Рис. 3.2. Исходная схема для определения максимальной величины макроотклонения
при механической обработке наружной поверхности вала, сбазированного в центрах:
d- диаметр заготовки
60 Глава 3. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПОДГОТОВКИ
В зависимости от соотношения составляющих макроотклонения Нз и (Н\ + Н2 + Щ)
ее максимальная величина будет в сечении I -1, т.е. у левого торца обрабатываемой по-
верхности вала, или в сечении II - II, т.е. на расстоянии (/2 -1\)/2 от левого торца обраба-
тываемой поверхности.
Составляющая Н\9 мкм, при этом рассчитывается по формуле
_ Д/2
1 1000 ’
где Д - непараллельность направляющих относительно оси центров на длине 1000 мм;
/2 - длина обрабатываемой поверхности.
Составляющая Н2 вычисляется по формулам сопротивления материалов
Рухг(1х+12-х)2
11 J —
ЗЩ+У
где Ру - радиальная составляющая силы резания; Е - модуль упругости обрабатываемого
материала; J- момент инерции сечения детали (J= 0,05t/*); х-расстояние от переднего
центра до рассматриваемого сечения.
При х = /1 (сечение I -1)
(3.20)
(3-21)
Р I2!2
Н2 =------у——
3EJ{lx +/2)
(3.22)
При х = (сечение II - II)
(3.23)
(3.24)
Я =^22-----
2 48£7
Для консольно закрепленного вала в патроне
Р х3
Н2 =
2 3EJ
Составляющая макроотклонения Нз будет значимой только при достаточно боль-
шом машинном времени (Т> 10 мин) обработки поверхности и при точении и расточке
рассчитывается по формуле
(3-25)
F
где с - коэффициент (при v = 100...200 м/мин, /<1,0мм и s < 0,2 мм/об с = 4,5);
/р - вылет резца, мм; F - площадь поперечного сечения резца, мм2; ств - предел прочно-
сти обрабатываемого материала.
Составляющая макроотклонения мкм, при точении и расточке рассчитывается
по формуле
Н4=^Ц
1000
где и0 - величина относительного износа инструмента, мкм/км; £р - длина пути резания,
м, при обработке поверхности:
(3.26)
_ ndl2
р " 10005 ’
где /2 - длина обрабатываемой поверхности.
(3.27)
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРИ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКЕ 61
При торцовом фрезеровании плоской по-
верхности величина относительного износа
определяется из уравнения
«od»=«o|l + —I. (3.28)
О ФР ♦ 01 Ю/ J v 7
где и0 - относительный износ для аналогичных
материалов при точении; Ц - путь резания, м,
резца фрезы за один ее оборот:
Рис. 3.3. Исходная схема для расчета
угла контакта зуба торцовой фрезы с
заготовкой
z _ ЧрУ
1 1000-360’
(3.29)
где с/фр - диаметр торцовой фрезы, мм; у - угол
контакта зуба фрезы с обрабатываемой поверх-
ностью, определяемый из равенства (рис. 3.3)
sin \|//2 = B/d^y (3.30)
где В - ширина фрезеруемой поверхности.
На упрочнение поверхности будут оказывать влияние силовой и температурный
факторы. Учитывая, что почти все инструменты (резцы, абразивные зерна, шарики, ро-
лики), применяемые при механической обработке, имеют скругленный рабочий участок
с заданными поперечными и продольными радиусами, для определения упрочнения по-
верхностного слоя от силового фактора проводится моделирование рабочей части инст-
румента сферическим индентором.
При вдавливании сферического индентора в поверхность материала сила, дейст-
вующая на него, связана с диаметром отпечатка по формуле Мейера
(3.31)
где d0 - диаметр отпечатка; тип- коэффициенты, зависящие от свойств обрабатывае-
мого материала.
Выразив диаметр через фактическую площадь пластического отпечатка Аг, получим
( 4Аг^2
Р = т\---- . (3.32)
V 7Г )
Сила деформирования в соответствии с теорией контактного взаимодействия опре-
деляется из равенства
P = HBucxuAr. (3.33)
Подставив выражение (3.33) в равенство (3.32), получим уравнение для определе-
ния упрочнения:
(3.34)
z л\п/2
«=—-—W
о,бнвисх W
где коэффициент 0,6 учитывает переход пластических деформаций на основание высту-
пов шероховатости.
Уравнение (3.34) является исходным для расчета упрочнения при механических ме-
тодах обработки без учета температурных изменений, влияние которых на упрочнение
пока не представляется возможным описать математически.
Площадь Аг в каждом конкретном случае определяется условиями обработки. Ко-
эффициенты т и п легко найти из испытаний на твердость по Бринеллю при различных
62 Глава 3. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПОДГОТОВКИ
нагрузках. Так, для некоторых материалов значения этих коэффициентов, по данным
Ю.Г. Шнейдера, приведены ниже.
Марка стали....
т...............
п..............
20 45 40Х38Х1Н 12ХНЗА 34ХМА 20X13 12Х18Н9Т
44 56 63 135 75 61 40
2,32 2,31 2,32 2,31 2,29 2,31 2,26
инструмента с заготовкой, опреде-
При лезвийной обработке площадь контакта
ляющая упрочнение, рассчитывается по формуле
Аг =
Г, \h\ 1 АЛуп
arccos 1-------+ЛИ +——
р ) sin а
------+ 4 arccos
sin ср
(335)
где АЛ - упругопластический оттесняемый слой обрабатываемого материала, который
можно рассчитать по формуле
ДЛ = 0,5р 1-
т
сдв
(3.36)
Аи - износ по задней грани; Д/гуп - величина упругого восстановления, рассчитываемая
по формуле
Дй =2,4(1,
\ Е J
(3.37)
а - задний угол резца.
Подставив (3.36) и (3.37) в (3.35), получим уравнение для расчета площади факти-
ческого контакта инструмента с заготовкой при лезвийной обработке:
+йи+2?рд-н2)ГнвГ
sin а V Е )
Аг =
arccos 0,5-
О’Чдв
t-Rz \ л Rz
---------+ 4arccos 1-
_ sin ср-v 2 ,
(3.38)
Таким образом, приведенные теоретические зависимости позволяют определить
параметры качества поверхности детали при лезвийной обработке.
3.2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО
СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ ПРИ АЛМАЗНО-АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКЕ
Результатами многочисленных исследований Брянской научной школы доказано,
что эксплуатационные свойства деталей машин и их соединений характеризуются ком-
плексными параметрами качества поверхностного слоя (П, Сх, Су, См и др.) (рис. 3.4).
Исходя из требуемых величин этих комплексных параметров, целесообразно рас-
считать значения всех параметров качества поверхностного слоя, входящих в эти ком-
плексы. Процедуры таких расчетов представлены в работе [56]. Далее названные значе-
ния параметров качества используются при определении методов и условий абразивной
обработки в соответствии с алгоритмом, представленным на рис. 3.5.
После того как определены требуемые значения единичных параметров качества
поверхностного слоя (например, исходя из известных значений комплексных парамет-
ров качества) (блок 1-3), необходимо проверить возможность обеспечения шлифовани-
ем данной совокупности значений параметров качества (блок 5). Для этого предназначен
банк данных по возможностям процессов шлифования (блок 4).
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРИ АЛМАЗНО-АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКЕ
63
п=
См=
= (RpWpHp)vi
к116
= (RaWzHmax.)1*
tm^Sm^k^k
= 140 (7?тах-У7?тах7ф), 0т
tmSm
=Rp+Wp+Hp
Параметры качества поверхностного слоя детали
Параметры
шероховатости:
Яшах, Rp, Sm,
Ra, tm
Параметры
волнистости:
Wz,Wp
Параметры
макроотклонения:
Нтах,Нр
Физико-механические
параметры качества:
GT, к
Рис. 3.4. Общая стратегия обеспечения качества поверхностных слоев деталей
при алмазно-абразивной обработке
Если можно шлифованием обеспечить требуемую совокупность значений парамет-
ров качества, то следует перейти к предварительному выбору условий и режимов шли-
фования рассматриваемой поверхности детали (блок 6). Соответствующая научно-
техническая информация представлена в работах [22, 60, 72]. Обобщение данных по
предварительному выбору условий и режимов шлифования поверхности, а также правки
абразивных кругов приведены в публикациях [56, 58, 59].
Далее надо определить необходимую для дальнейших расчетов радиальную состав-
ляющую Ру силы резания при шлифовании (блоки 7 и 8). Данные для расчета Ру имеются
в работах [20,60, 64]. Так, в частности, величина Ру необходима для расчета числа I вы-
хаживающих ходов шлифовального круга или времени тв выхаживания, исходя из обес-
печения параметров макроотклонения поверхности [56]:
Яшах «(2...2,5)Нр = Готахе^"™ - romine^““ , (3.39)
где Уотах , Уотт - соответственно максимальный и минимальный натяги в технологиче-
ской системе при установившемся процессе шлифования, обусловленные переменной
жесткостью jc технологической системы (/с е[ A min; A max]) по длине обрабатываемой по-
верхности или по углу ее поворота, а также изменением силы резания вследствие выхода
части шлифовального круга за пределы поверхности заготовки в процессе ее обработки
64 Глава 3. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПОДГОТОВКИ
( Начало)
Ввод требуемой совокупности параметров качества поверхностного
слоя или комплексного параметра качества (П, Сх и др.), а также
свойств обрабатываемого материала, параметров станка и пр.
но значение комплексного
параметра качества? _ —
гг5---------------- д* г ——------------------------
Расчет требуемой совокупности параметров качества,
I обеспечивающих заданное значение П, Сх или др.
4
5^-б—— Т--------s.
Возможно шлифованием обес-
печить требуемую совокупность
—- . - р^рчметров —-
ДГ~1
Нет
База данных по
возможностям
шлифования
_70.
База данных
для выбора
условий
шлифования
и расчета Ру
6. __________________________________________
Предварительный выбор условий шлифования поверхности
Насчет радиальной составляющей силы резания Д
при установившемся процессе шлифования
Расчет времени выхаживания обрабатываемой поверхности,
исходя из обеспечения Ни или Яшах
Корректировка условий шлифования, исходя из обеспечения
параметров шероховатости и требуемой производительности
Пересчет времени выхаживания с учетом
скорректированных условий шлифования
12 — — - - _^73 7т cz
Г*1 1 ПаГ Целесообразно применение
I Возникают прижоги в конце I——L. прерывистого шлифования?
цикла шлифования? ~ ~
--------------- д^К
м НЙТ СР_________________
[^Расчет высоты волнистости и физико-механических параметров качества
16—- ~~
Г Обеспечена заданная
высота волнистости?
77.
Ler
Введение дополнительной
операции по обработке
поверхности абразивными
брусками и определение
“ ее реализации ।
—21——Д^Г _______________
I Определение длительности
I шлифования, исходя из
11 отсутствия прижогов
г ---------------------
Высота волнистости
меньше запанной? —
"Т|Нет,20-<
р Возможно увеличить
^параметры шероховатости!
|Нет
] । условий е<
J ДШ
[,а—v
гг-22" - *— —- - - .......
I Проверочные расчеты выбранных f Кпигп''
II режимов абразивной обработки I конец j
3
высота волнистос'пГ"*’]
в 2 и более раз
больше заданной^—
[ет
. ,79 -------------
Увеличение времени
выхаживания,
корректировка
режимов обработки
1
Рис. 3.5. Алгоритм определения методов абразивной обработки и условий их реализации,
исходя из обеспечения требуемых значений совокупности параметров качества
поверхностных слоев деталей машин
(Уотах =Ру!Jcmin; Уотт = Листах); К = 4Дв/УЬ ~ ДЛЯ ШЛИфоВЭНИЯ МвТОДОМ ПОПервЧНОЙ ПОДЯЧИ;
7М - минутная поперечная подача; ке = Г7/Уо - для шлифования методом продольной подачи;
ке max, fcmin - максимальное и минимальное значения величины ке.
Значение Яшах, рассчитанное по уравнению (3.39), затем следует скорректировать
на величину, учитывающую геометрическую неточность станка [22, 65].
Выбранные условия шлифования необходимо подвергнуть корректировке, исходя
из обеспечения заданных параметров шероховатости поверхности (блок 10). Для этого
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРИ АЛМАЗНО-АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКЕ
65
требуются соотношения между параметрами шероховатости. В работе [1] показано, что
при шлифовании в каждых конкретных условиях формируется определенная совокуп-
ность параметров шероховатости. На основе анализа распределения по высоте профиля
неровностей его впадин, образованных вершинами зерен, и кинематики перемещений
инструмента относительно заготовки были получены соотношения между параметра-
ми шероховатости поверхности, которые, например, для шлифования периферией кру-
га имеют вид
R max = 6,7 Ra; Rp = 2,7Ra; 1
S = 3,5 • 1 O’3 (pfla)0’5; Sm = 1 • 10'2 (рЯа)0,5 ,J
где Яшах, Ra, S, Sm - высотные и шаговые параметры шероховатости по ГОСТ 2789-73;
Rp - расстояние от средней линии до линии выступов профиля неровностей.
Относительная опорная длина профиля по средней линии tm при абразивном шли-
фовании составляет 46.. .57 %.
Максимальную высоту неровностей профиля можно рассчитать по уравнению [56]
Ятахн = Cpokmnt£, (3.41)
где С, к, n,f - расчетные коэффициенты; р0 - начальный радиус скругления вершин зе-
рен после правки; - фактическая глубина шлифования.
Например, при шлифовании периферией круга: С = 31,6; к = - 0,25; п = - 0,5 и/= 0,75;
KSoFc(t<b)q с 2ук(/фЛ)°’5/,бН
/и = (0,6...0,7)- 0 ; So=------*----------, (3.42)
(0,62WJ уз
где А = DK - для плоского шлифования периферией круга; А = DJ\I(D3+D^ - для круг-
лого наружного (+) и внутреннего (-) шлифования периферией круга; vK - скорость
вращения шлифовального круга; v3 - скорость вращения (перемещения) заготовки;
DK, А ~ соответственно диаметр шлифовального круга и заготовки; N - зернистость ин-
струмента; V - объемное содержание зерен в круге; q - коэффициент, учитывающий
многовершинность зерна; к3 - расчетный коэффициент, учитывающий влияние вибраций
в технологической системе; Lq - значение базовой длины; Fc(t$) - доля вершин зерен
круга, расположенных в его поверхностном слое, толщиной, равной фактической глуби-
не шлифования /ф (определяется характеристиками шлифовального круга, условиями и
режимами его правки [56]); Н - величина, учитывающая многократное взаимодействие
рассматриваемого участка поверхности заготовки со шлифовальным кругом:
- для круглого наружного и внутреннего шлифования периферией круга методом
продольной подачи
гт кгЪ v, ,
^ = ------(3.43)
vs nD3
- для плоского шлифования периферией круга на станках с прямоугольным столом
я=^вк-Ч; (3.44)
- для круглого наружного и внутреннего шлифования периферией круга методом
поперечной подачи (врезное шлифование)
H = kt. (3.45)
Здесь В - высота шлифовального круга; kL - часть высоты шлифовального круга,
контактирующая в ходе обработки с заготовкой; v.s. - скорость стола станка; Ип - про-
дольная подача стола плоскошлифовального станка; - расчетный коэффициент, учи-
66 Глава 3. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПОДГОТОВКИ
тывающий процесс съема металла на этапе выхаживания от упругости технологической
системы.
На чистовых и тонких режимах шлифования, когда абразивные зерна круга работают
преимущественно в режиме затупления, необходимо корректировать значение 7?тахн с уче-
том линейного износа и шлифовального круга в соответствии с зависимостью [56]
7?тах = |[и2 +2£т£517?тах2(о,5А:52 + и/^ф)]°5 (3.46)
где ks[, ks2 - коэффициенты, учитывающие неравномерность распределения вершин зе-
рен по глубине рабочей поверхности шлифовального круга (когда распределение вер-
шин зерен по глубине рабочей поверхности инструмента мало отличается от равномер-
ного и при и = 0, ks\ = kS2 = 1);
кт=/гс(^)ро,7к'^ф)р°’5т1й1] •
Здесь Гс'(Гф) - доля вершин зерен круга, расположенных в его поверхностном слое
толщиной, равной /ф + м; т]и - коэффициент, учитывающий изменения вероятности попа-
дания вершин зерен в процессе шлифования на ранее срезанные участки металла вслед-
ствие износа инструмента; 7?тахн - максимальная высота неровностей профиля при и - 0.
F'(z)4 Fc(* + «); 0<z<Zi-M;M<Mkp;
[Fc(z + w)-Fc(w-wKp); м>Икр; 0<z<tr-u,
где Мкр - величина линейного износа инструмента, при которой начинается самозатачи-
вание инструмента [56]; р - радиус скругления вершин зерен круга:
< 1 V1
p = Po+fcpw-——-1 (3.48)
н Vsms/2 )
где кр - коэффициент, учитывающий влияние износа вершин зерен на величину р (в большин-
стве случаев &р=0,5.. .0,7); s - угол между гранями вершины зерна.
Значение линейного износа шлифовального круга можно рассчитать, если ап-
проксимировать диаграммы его изнашивания во времени т степенными зависимо-
стями вида
м = г7л(т/Гк)₽,0<т<Гк, (3.49)
где Un - линейный износ шлифовального круга за период стойкости ТК (табл. 3.1);
Р - показатель степени (Р = 1,0...0,5).
3.1. Результаты исследований стойкости шлифовальных кругов [66,67]
Обрабатываемый материал Период стойкости Тк, мин Интенсивность изнашивания круга, мм3/мин Твердость круга Общий линейный износ ил, мкм
Сталь 45 (190...217 НВ) 85 18 С1 38
Сталь 45 (HRC 48...52) 45 24 С1 27
Сталь 12ХНЗА (HRC 58...60) 40 25 С2 25
Сталь ШХ15 (HRC 58...60) 35 40 С2 35
Сталь 40X13 (незакаленная) 14,6 80 СМ2 28
Сталь Р18 (HRC 60...62) 2,8 370 СМ1 25
Сталь Р9Ф5 (HRC 62...64) 1,2 930 СМ1 27
Примечание. В исследованиях применялся круг 1 -400x32x203-24А25СМ1-С27К5.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРИ АЛМАЗНО-АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКЕ
67
Корректировка выбранных режимов шлифования или характеристик шлифовально-
го круга по зависимостям (3.40), (3.41) и (3.46) вызывает необходимость уточнения ве-
личины радиальной составляющей Ру силы резания при шлифовании, а следовательно, и
числа выхаживающих ходов инструмента для обеспечения Нр или Яшах в соответствии
с зависимостью (3.39) (блок 77 на рис. 3.5).
Одним из главных критериев качества абразивно-алмазной обработки является от-
сутствие прижогов и значительных термопластических деформаций в поверхностном
слое, приводящих к образованию нежелательных растягивающих остаточных напряже-
ний первого рода в обработанных деталях. Избежать подобной ситуации можно, если
выбранные ранее режимы обработки удовлетворяют следующему условию (блок 72 на
рис. 3.5):
z \0,5
_ ^Ук | | <т
4А,ВЛ3°’Ч v3 J - н
(3.50)
где 9тах- максимальная температура в зоне контакта круга с заготовкой (выражение
для 0тах в левой части неравенства взято из работы [68]); Fz - тангенциальная состав-
ляющая силы резания; ат, X - теплофизические характеристики обрабатываемого
материала; 2Л3 - ширина контакта круга с заготовкой вдоль направления ее движе-
ния; Тн - температура начала структурно-фазовых превращений в обрабатывае-
мом материале [69] или возникновения значительных термопластических деформа-
ций (в последнем случае Тн *2&т/Еал [70], где ст, Е, ал - соответственно предел теку-
чести, модуль упругости и коэффициент линейного расширения обрабатываемого
материала).
Если условие (3.50) не выполняется, то необходимо снижать температуру в зоне
контакта круга и заготовки. Снижать температуру до 20 % рациональнее путем приме-
нения более щадящих режимов обработки, переходом на более грубые режимы правки
круга или на основе интенсификации процесса охлаждения детали различными техноло-
гическими средствами. Если требуется снижение температуры на 20...50 %, то целесо-
образно использовать прерывистые или композиционные шлифовальные круги (блок 13
на рис. 3.5).
Научно-техническая информация по применению и эксплуатации таких абразивных
инструментов представлена в работах [68, 71-73]. В случае использования прерывистых
или композиционных шлифовальных кругов необходимо уточнить проведенные ранее
расчеты (начиная с блока 8 на рис. 3.5) с учетом новых условий обработки.
Следует отметить, что шлифование прерывистыми абразивными кругами по срав-
нению с обработкой обычными кругами при прочих равных условиях приводит к повы-
шению волнистости (см. формулу (3.55)) и шероховатости поверхности.
Ra/Ra* [1/(1 -S*)]0’5, (3.51)
где Ra, Ra* - среднее арифметическое отклонение профиля шероховатости при шлифо-
вании соответственно обычным кругом и прерывистым на тех же режимах; 5* - доля
площади периферии поверхности круга, приходящаяся на впадины.
В случае, когда шлифование прерывистыми и композиционными кругами также
приводит к образованию прижогов на обрабатываемой поверхности [не выполняется
условие (3.50)], целесообразно данную поверхность подвергнуть шлифованию крупно-
зернистыми абразивными брусками (зернистость 16...63). Такая обработка по произво-
дительности уступает шлифованию традиционными абразивными инструментами, но на
порядок превосходит производительность суперфиниширования и хонингования.
68 Глава 3. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПОДГОТОВКИ
Кроме того, данный метод абразивной обработки позволяет значительно снизить
волнистость обрабатываемой поверхности и управлять параметром шероховатости по-
верхности Rz в пределах 2,5... 10 мкм. Такая обработка из-за невысоких скоростей реза-
ния (до 5 м/с) не вызывает прижогов и способствует формированию в поверхностном
слое сжимающих остаточных напряжений.
Рабочая поверхность абразивного бруска контактирует с несколькими вершинами
волн обрабатываемой поверхности. В связи с этим съем металла происходит только по
вершинам волн, что в конечном итоге может привести к практически полному отсутст-
вию волнистости на обрабатываемой детали, в поверхностном слое которой будут сфор-
мированы остаточные напряжения сжатия.
Условия реализации и режимы обработки поверхности детали крупнозернистыми абра-
зивными брусками (блок 14 на рис. 3.5) могут быть определены по следующим формулам:
рКтахи-2*, 0<2<Жтахи; fO*,0<O<FKmax„;
FKmax = < \т Q = \* *
[0, Q > WmaxH; * [0Л, Q ^тахи;
1
6* = [(j^* + l)vg(fFmaxliy*r]J‘+1; Q„ = 0,27ke-^-pL.
* * НВр J
(3.52)
Ятах = - 1103р 0,5
0,5£6£FH(6)
(o^w1)2
(3.53)
Здесь Q - съем металла при обработке бруском; т - время обработки; РКтахи - мак-
симальная высота исходной волнистости обрабатываемой поверхности; у* - параметр
интерполяции кривой относительных опорных длин профиля волнистой поверхности
заготовки; /3 - расстояние между зернами бруска; НВ - твердость обрабатываемого
материала по Бринеллю; кд - расчетный коэффициент, учитывающий условия взаимо-
действия вершин зерен с металлом; р = Рс / 5бр - контактное давление [Рс - сила прижа-
тия абразивного инструмента (бруска) к обрабатываемой поверхности; 5бр - площадь
рабочей поверхности бруска]; L - длина контакта рассматриваемого участка поверхно-
сти заготовки с абразивным инструментом за время обработки; Ng - скорость съема ме-
талла при установившемся процессе обработки (при отсутствии волн на обрабатываемой
поверхности); FH(0 - доля вершин зерен рабочей поверхности бруска, находящихся на
глубине, равной Q\ х - показатель степени плотности распределения впадин профиля от
вершин зерен по его высоте.
Наиболее часто обработка абразивными брусками проводится с осцилляцией инст-
румента, осуществляемой перпендикулярно к направлению его перемещения относи-
тельно обрабатываемой поверхности. В таком случае величина L при 0< 5пр < Вбр может
быть рассчитана по формуле
2^4+0,25/г2 -кх-
28^4+0,254
------------к.
L = \
-±—^-L0nxn^, ^<8^, hx<Lf~,
*^пр УП
А + Ffin Ln
. -х—4>S6p, Aj<Lp;
Ac ^np vn
^-14 +0,25/?]2 -к Лк + Дбр „ „ h,>LD.
1 v к 7 i x о x op7 к op7 1 p
"1 dnp
(3.54)
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРИ АЛМАЗНО-АБРАЗИВНОЙ ОБРАБОТКЕ
69
В этой формуле Zp - длина бруска (размер бруска в направлении его перемещения
относительно обрабатываемой поверхности); Вбр - ширина бруска; 5пр - величина сме-
щения бруска в направлении подачи при каждом его новом контакте с рассматриваемым
участком поверхности заготовки; пх - число рабочих ходов бруска (брусков); ИбР - число
одновременно работающих брусков; Ак - размах колебаний бруска; кх - коэффициент,
учитывающий влияние каждого контакта бруска с рассматриваемым участком обраба-
тываемой поверхности заготовки на величину Z; = vn/9; vn - линейная скорость пе-
ремещения рассматриваемого участка обрабатываемой поверхности относительно не-
подвижного бруска; 9 - частота колебаний абразивного бруска (брусков). Среднее зна-
чение скорости, развиваемой бруском в процессе осцилляции, v6p = 2ЛК9.
При выполнении условия (3.50) следует перейти к расчету интересуемых парамет-
ров волнистости поверхности и физико-механических параметров качества поверхност-
ного слоя (блок 75 на рис. 3.5).
Если исходить из того, что волнограмма шлифованной поверхности является ре-
зультатом наложения траекторий перемещений рабочей поверхности шлифовального
круга относительно заготовки при многократном контактировании абразивного инстру-
мента с рассматриваемым сечением обрабатываемой поверхности, то уравнение для рас-
чета максимальной высоты волнистости FPmax будет иметь вид
fFmax = +Н%+Н% (3.55)
где kw - коэффициент пропорциональности [при расчете по формуле (3.55) средней вы-
соты волн Wz и высоты сглаживания волнистости Wp значение к^ следует принять соот-
ветственно равным 0,85 и 0,5]; Н\, Н2, Н3 - составляющие высоты волнистости, обуслов-
ленные соответственно неоднородностью исходного состояния поверхностного слоя;
биением периферийной поверхности шлифовального круга относительно обрабатывае-
мой поверхности; наличием впадин на рабочей поверхности прерывистого шлифоваль-
ного круга [19]; а - показатель степени в формуле корреляционной функции профиля
волнистости поверхности, сформированной в начале процесса обработки; Р - то же, ко-
нечной волнистости поверхности [Р = Длк, к-)]; ик - число контактов шлифовального
круга с рассматриваемым сечением обрабатываемой поверхности; к- - расчетный ко-
эффициент, учитывающий процесс съема металла на этапе выхаживания.
Если полученная величина высоты волнистости поверхности больше требуемой в 2
и более раз, то целесообразно для снижения волнистости поверхности применить обра-
ботку абразивными брусками (блоки 14 и 7# на рис. 3.5). Когда высота волнистости пре-
вышает требуемое значение не более чем в 2 раза, снижать ее целесообразно путем уве-
личения числа выхаживающих ходов шлифовального круга (блок 19 на рис. 3.5). При
расчетном значении высоты волнистости, значительно меньшем требуемого, следует
рассмотреть возможность увеличения значений отдельных параметров качества поверх-
ностного слоя, например параметров шероховатости (блок 20 на рис. 3.5). При больших
значениях параметров шероховатости можно достичь большей производительности об-
работки. Затем надо перейти к прогнозированию физико-механических параметров ка-
чества поверхностного слоя.
Известно, что физико-механические параметры качества поверхностного слоя,
влияющие на эксплуатационные свойства деталей, формируются под действием силово-
го и температурного факторов процесса обработки. Однако влияние последнего стара-
ются свести к минимуму или, по крайней мере, ограничить из-за возможности появле-
70
Глава 3. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПОДГОТОВКИ
ния прижогов на обрабатываемой поверхности. В этих условиях степень упрочнения UH
поверхностного слоя может быть выражена через такой параметр, как накопленная сте-
пень деформации сдвига Г01 материала поверхностного слоя:
ии = (к -1)100% =
ат+С[Г0,.(у)/Уз]Чта t
от+С(Гн/7з)”
100 %,
(3.56)
где к - отношение микротвердости поверхностного слоя заготовки после шлифования к
исходной микротвердости поверхностного слоя; от - предел текучести материала заго-
товки; Го/Су) - накопленная степень деформации сдвига материала поверхностного слоя
как функция глубины его залегания у [30]; С, п - коэффициенты, связывающие величину
Г0/ с интенсивностью напряжений oz; Гн - начальная накопленная интенсивность дефор-
мации сдвига; Агм = of-(0)/<yf (20 °C); oz(0), oz (20 °C) - интенсивность напряжений в обра-
батываемом материале соответственно при рассматриваемой температуре 0 и при 20 °C
(значения 0 можно определить на основе результатов исследований А.В. Якимова [68]).
Оценку остаточных напряжений первого рода в приповерхностном слое металла,
обработанного в условиях бесприжогового шлифования, целесообразно проводить, ис-
пользуя известную теорему Г. Генки о разгрузке. В соответствии с этой теоремой, чтобы
вычислить остаточные напряжения Gj в пластически деформированном теле после сня-
тия нагрузки, надо напряжения оп, которые имелись в теле при пластической деформа-
ции перед разгрузкой, алгебраически сложить с упругими напряжениями ор, которые
могли бы возникнуть под действием внешней нагрузки противоположного знака. При-
чем эта внешняя нагрузка равна по величине, но обратна по знаку силе, вызывающей в
рассматриваемом объеме поверхностного слоя пластические деформации [30]. Таким
образом, с учетом температурного фактора процесса шлифования интенсивность оста-
точных напряжений первого рода можно определить по формуле
Ф нп + Ср + стн ,
(3.57)
где птн - интенсивность остаточных напряжений, возникающих от неравномерного на-
гревания поверхностных слоев заготовки в процессе обработки.
В результате преобразования уравнения (3.57) в конечном итоге можно получить
_ --ГгтГГ 1-гт 1. °’5ат£ ^(Го/)^рг7^)
CTi ~ L<WoJ < ^тр ’ (3.58)
qp п + \
где 0/(Го/) - интенсивность напряжений в рассматриваемом объеме поверхностного слоя
перед разгрузкой как функция величины Г0/; р* - плотность металла; с\ - удельная теп-
лоемкость обрабатываемого металла; - коэффициент, учитывающий увеличение ос-
таточных напряжений от теплового фактора вследствие трения вершин зерен о металл.
Из формулы (3.58) следует, что при доминировании силового фактора процесса об-
работки над температурным [т.е. при отн < oz (Г0/) - от] в поверхностном слое формиру-
ются сжимающие остаточные напряжения первого рода, в противном случае - анало-
гичные растягивающие напряжения.
При обработке маложестких заготовок деталей остаточные напряжения могут быть
существенно меньше, чем при обработке заготовок большой жесткости (в связи с их де-
формацией, приводящей к перераспределению остаточных напряжений в объеме заго-
товки). В этой связи значения остаточных напряжений должны быть скорректированы.
Методология проведения такой корректировки представлена в работе [63].
Следующим этапом реализации рассматриваемой методологии является расчет
длительности процесса шлифования, исходя из отсутствия прижогов на обрабатываемой
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРИ ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКЕ 71
поверхности (блок 21 на рис. 3.5). Это можно осуществить с помощью неравенства
(3.50), однако тангенциальная составляющая силы резания Fz, входящая в это неравенст-
во, должна быть представлена как функция времени работы шлифовального круга после
правки. Ориентировочные значения периода стойкости шлифовального круга по крите-
рию отсутствия прижогов приведены в табл. 3.1.
В завершение проводится проверка выбранных условий шлифования по обеспече-
нию требуемой величины комплексного параметра качества поверхностного слоя или
единичных параметров качества в течение всего периода стойкости шлифовального кру-
га с помощью вышеприведенных зависимостей (блок 22 на рис. 3.5).
Таким образом, приведенная методология позволяет определять как параметры ка-
чества поверхностного слоя деталей машин при алмазно-абразивной обработке, так и
условия шлифования, обеспечивающие получение требуемых параметров качества по-
верхностного слоя деталей машин.
3.3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО
СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКЕ
ПОВЕРХНОСТНО-ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ (ОУО ППД)
ОУ О ППД заключается в пластическом деформировании поверхностного слоя де-
талей роликами, шариками, алмазными инденторами. В зависимости от степени пласти-
ческого деформирования ОУО ППД может быть отделочной (р< 1,5от, р - давление в
зоне контакта инструмента и обрабатываемой поверхности детали), отделочно-упрочня-
ющей (1,5ат <р < Зот) или упрочняющей (р>3ат). Совершенно очевидно, что степень
пластического деформирования при ОУО ППД в основном и определяет формирование
качества поверхностного слоя деталей по всем его параметрам: шероховатости, волни-
стости, макроотклонению, упрочнению и остальным напряжениям. Так, при обработке
на отделочных режимах происходят пластическое деформирование исходных микроне-
ровностей и их уменьшение, а также деформирование выступов волн, в частности сни-
жение их высоты. На макроотклонение, упрочнение и остаточные напряжения отделоч-
ная обработка практически не влияет.
При обработке на отделочно-упрочняющих режимах наблюдается пластическое
деформирование всех исходных микронеровностей, их значительное уменьшение, а
также пластическое деформирование исходных волн и уменьшение последних, макроот-
клонение практически не изменяется, увеличивается упрочнение и появляются сжи-
мающие поверхность остаточные напряжения.
При обработке на упрочняющих режимах происходит полное переформирование
исходной шероховатости и волнистости, уменьшение исходного макроотклонения, зна-
чительные упрочнения, сжимающие поверхностные остаточные напряжения.
Для ОУО ППД картину формирования профиля шероховатости можно представить
в виде, показанном на рис. 3.6.
Составляющая профиля шероховатости h2, обусловленная пластическими деформа-
циями исходной шероховатости при ОУО ППД, уменьшается с повышением рабочего
72 Глава 3. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПОДГОТОВКИ
Рис. 3.6. Картина формирования профиля шероховатости при ОУО ГШД
на различных режимах:
а - на отделочных; б - на отделочно-упрочняющих; в - на упрочняющих;
1 - исходный профиль шероховатости обрабатываемой поверхности заготовки;
2 - сформировавшийся профиль шероховатости обработанной поверхности детали;
3 - обрабатывающий инструмент
давления и полностью исчезает при обработке на упрочняющих режимах (р > Зат), когда
происходит процесс полного переформирования исходного профиля шероховатости
(рис. 3.6, в). Причем если при обработке на отделочных режимах (р < 1,5от) h2 определя-
ется из равенства
^2=^исх-^пл, (3.59)
то при обработке на отделочно-упрочняющих режимах (1,5от <р < Зст) составляющая h2
находится из равенства (рис. 3.7)
h2 — Rz исх — 2ЛПЛ . (3.60)
Это объясняется тем, что при 1,5ат<р<3ат пластические деформации микроне-
ровностей распространяются на их основания и происходит свободное вытеснение мате-
риала впадин (рис. 3.7).
Величина пластической деформации исходной шероховатости определяется фор-
мированием фактической площади контакта инструмента с обрабатываемой поверхно-
стью, способной воспринимать рабочую нагрузку от инструмента (шарика, ролика) при
его качении или скольжении.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРИ ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКЕ 73
Рис. 3.7. Исходная схема для расчета составляющей й2
при ОУ О ППД на отделочно-упрочняющих режимах
Рис. 3.8. Исходная схема для рас-
чета Аа при ОУО ППД шариком
(3.61)
Фактическая площадь контакта инструмента с учетом шероховатости исходной по-
верхности определяется следующей зависимостью:
( h ч2
Аг = А -0,5—
^37taHCX
где Ла - номинальная площадь контакта инструмента с заготовкой, слагающаяся из
фронтальной площади контакта Лафр и площади упругого последствия Лаупр:
^а- фР + ^аупр* (3.62)
При контактировании шарика с заготовкой составляющие номинальной площади
определяются по рис. 3.8:
Лфр = лЯЛкин/4; (3.63)
Лаупр = ЗлТМупр /4. (3.64)
При накатывании роликом R = y/rD/2 глубина внедрения инструмента в обраба-
тываемую поверхность при качении или скольжении определяется по формуле
1/3
h
™кин
— * ^Рисх
к7?(тгРНВисх)0’5 2р(1 + /2)0’5
2 лЯНВисх
Упругое восстановление определяется по формуле:
11(лНВисх)0,5
32Е
(3.65)
(3.66)
Подставив зависимости (3.63), (3.64) в (3.62), а полученное уравнение в (3.61) и за-
тем в (3.60), получим формулу для расчета остаточной высоты исходной шероховатости
при ОУО ППД:
=7?zxsl-12
12ООР(1 + /2)0,5
0,5
(3.67)
Теоретический анализ и экспериментальные исследования показали [1], что состав-
ляющие Л3 и Л4 на порядок меньше составляющей поэтому ими в расчетах высоты
профиля шероховатости при ОУО ППД можно пренебречь.
Остальные параметры шероховатости при ОУО ППД в зависимости от рабочего
давления определяются из следующих равенств:
14 Глава 3. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПОДГОТОВКИ
1) при отделочной обработке (р < 1,5стт)
Ra = 0,3 Rz;
7?max = l,lRz;
Sm = Smwx;
tp = l,5p приp < 40 %;
tp = 100 - 0,012 (100 -у?2) приp > 40 %;
2) при ОУО (1,5ат <p < Зат)
Ra = 0,257te;
Лшах = l,157te;
e ^исх +
Sm =—;
2
3) при упрочняющей обработке (p > Зот)
Ra = 0,2Az;
Яшах = l,257?z;
Sm = S',
tp = 0,0 Ip2.
Приведенные зависимости убедительно показывают, что ОУО ППД позволяет в
широком диапазоне управлять не только высотными и шаговыми параметрами шерохо-
ватости, но и относительной длиной опорной линии tp.
Формирование волнистости поверхности при ОУО ППД также в основном опреде-
ляется ее исходным значением, рабочим давлением и его соотношением с ат материала
обрабатываемой заготовки.
При ОУО ППД составляющая волнистости Н\ находится как уменьшение ис-
ходной волнистости вследствие пластических деформаций:
? \1/4
лАНВисх у
^1=^исх-2
(3.68)
_______4/спиз_______
Я7?НВИСХ (/^кин + ^упр ) _
Н2 = 1,4 Лр (1 +/2 )д°р’5
При ОУО ППД составляющая волнистости Н2 от биения рабочей поверхности
ролика и ее волнистости может быть описана уравнением
0,5
(3.69)
где Лр - биение поверхности ролика.
При ОУО ППД составляющая волнистости определяется толщиной слоя метал-
ла, приводящего к образованию наплыва в направлении движения деформирующего
элемента, обусловленной кинематикой перемещения и геометрией инструмента.
В процессе обработки перед рабочим роликом движется наплыв обрабатывае-
мого материала. Высота наплыва постепенно увеличивается, приводя к расширению
площади контакта деформирующего элемента с обрабатываемой деталью, а следова-
тельно, к их упругому отжатию. При достижении критической величины наплыва ро-
лик проскальзывает его, вызывая образование составляющей Н3, и под действием
радиальной силы занимает свое исходное положение. Затем этот процесс повторяется.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРИ ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКЕ 75
Величина составляющей волнистости при этом может быть рассчитана по формуле
#3 — ^кин 2
(3.70)
Для уменьшения этой составляющей применяют ролики с каплевидным контактом.
Как и для шероховатости, явление технологической наследственности особенно яр-
ко проявляется при ОУ О ППД. Высота образующейся волнистости зависит от ее исход-
ного значения, силы накатывания и геометрии инструмента.
Исходное макроотклонение поверхности при ОУ О ППД практически не изменяется.
Степень упрочнения при ОУ О ППД определяется условием и площадью фактиче-
ского контакта инструмента с заготовкой. Эта площадь при ОУ О ППД вычисляется по
формуле
100
h
™кин
180-arccos S- а"~
------------а,1Л ' + h
180 упр
I $ ^пл
arccos -----—
_______\ ^пл
180
(3.71)
Подставив выражение (3.71) в формулу (3.34), получим уравнение для расчета
упрочнения от силового фактора при отделочно-упрочняющей обработке:
z л \*/2
т (4)
и =-----— —
0,6Сот
, / 7 '\VHCX
юо^ ЛРисх J
(3.72)
Учитывая, что Лупр на порядок меньше Лкин, а также принимая tmwcx = 50 %,
ЛРисх = 3/ta; vHCX = 2, получаем
z л\п/2
т ( 4)
w =-------— —
0,6С о V я J
71 Г ^ПЛ L
4^hcxJ
(3.73)
г р У’5
Помня, что для стали п = 2,3, подставляем выражение апл = ------ в формулу
яС'от )
(3.73) и получаем
СГ
(3.74)
76 Глава 3. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПОДГОТОВКИ
(3.75)
v = 2,4...3 м/с; Р= 1244...2670 Н)
1,79 1,57 1,44 1,49 1,39
1,73 1,48 1,52 1,48 1,25
1,73 1,40 1,50 1,32 1,24
1,71 1,34 1,34 1,71 1,35
определению параметров качества по-
Значение коэффициента См, по данным П.Г. Алексеева, может изменяться от 1,5 до 2.
При накатывании шариками или роликами с г< 10 мм на упрочняющих режимах
можно воспользоваться приближенной формулой
тР°’15
U л1’15 ’
^исх^т
Результаты экспериментальной проверки полученных теоретических данных при
ОУО стали 40Х (г = 2,6...5 мм; s = 0,25...0,044 мм/об;
приведены ниже:
Экспериментальные данные............
Данные расчетов по формулам:
(3.59)...........................
(3.60)...........................
(3.61)...........................
Отдельные эмпирические зависимости по
верхностного слоя деталей при ОУО ППД имеют следующий вид.
Накатывание торцовыми головками
Rak'skl Ra = k0 , ис* П1 , ° рк2пкЧкз (3.76)
р , ^Рисх5пр Rp^pw ’ (3.77)
Wz = ka ° ркъ№ (3.78)
рк2пк* FT =Ю£0- -V ° Rakl sk3vks пх*исх‘>пр v (3.79)
где $Пр - продольная подача (13...42 мм/мин на один шар); р - удельная нагрузка (200.. .600 МПа); п - число ходов (1.. .3); v - окружная скорость шариковой головки (при D = 90 мм, v = 14...70 м/мин). Значения коэффициентов kQ...k5 приведены в табл. 3.3. Вибронакатывание Ла = Ло—ГЛГ, (3.80) рк2п А
тч 7 * MvA lip (3.81)
Wzki ski Wz = k0 ™пр , ° рк2пкА (3.82)
Н =к0 p2 ”4 . 0 Rak' зкз JVU*HCX°np (3.83)
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРИ ОТДЕЛОЧНО-УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКЕ 77
Значения коэффициентов kQ.. .к4 для исследуемых параметров состояния поверхно-
стного слоя деталей машин из различных материалов приведены в табл. 3.4.
Эти уравнения адекватно описывают процесс вибронакатывания плоских поверхностей
деталей при: $пр= 200...600 мм/мин;р = 200...600 МПа; п = 1...3 и RaUCK = 0,5...1,6 мкм.
3.3. Значения коэффициентов Л0...^5 для характеристик качества
накатанных поверхностей
Характеристика качества поверхности Исследуемый материал ко ki кг k3 k4 ks
СЧ21 3,4 0,986 0,896 0,202 0,023 -0,004
Ra 40Х (HRC 30) 8,0 0,756 0,651 0,103 0,206 0,090
40Х (HRC 40) 12,1 0,796 0,752 0,028 0,034 0,019
СЧ21 3,1 0,927 0,969 0,257 0,027 -0,017
Rp 40X(HRC30...32) 17,4 0,640 0,809 0,103 0,206 0,090
40X(HRC40...42) 17,8 0,772 0,890 0,064 0,071 0,026
СЧ21 0,07 0,112 0,427 0,063 -0,076 -0,066
Wz 40X(HRC 30.. .32) 51,6 1,037 1,123 0,087 0,134 0,058
40X(HRC 40.. .42) 6,4 0,907 0,538 0,014 0,016 0
СЧ21 102,3 0,042 0,312 0,024 0,013 0,018
н»0 40X(HRC30...32) 120,6 0,033 0,266 0,014 0,025 -0,013
40X(HRC40...42) 236,0 0,008 0,180 0,038 0,008 0,005
3.4. Значения коэффициентов Л0...^4 для характеристик качества
вибронакатанных поверхностей
Характеристика качества поверхности Исследуемый материал ко ki k2 кз k4
СЧ21 8,7 1,013 0,717 -0,289 0,190
Ra 40X (HRC 30.. .32) 6,6 0,871 0,987 0,230 0,087
40X (HRC 40.. .42) 7,0 0,901 0,819 0,166 0,090
СЧ21 0,6 0,904 0,783 0,406 0,163
Rp 40X(HRC30...32) 1,8 0,819 0,897 0,411 0,139
40X (HRC 40.. .42) 8,5 0,922 1,025 0,240 0,102
СЧ21 0,30 0,675 0,733 -0,013 0,029
Wz 40X (HRC 30.. .32) 0,34 0,690 -0,753 0,140 -0,130
40X (HRC 40.. .42) 53,0 0,787 0,980 0,074 0,050
СЧ21 18,2 -0,073 0,454 0,169 0,129
H.o 40X (HRC 30.. .32) 155,3 0,026 0,262 0,035 0,009
40X (HRC 40.. .42) 288,8 0,000 0,200 0,021 0,006
78 Глава 3. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПОДГОТОВКИ
Аналогичные зависимости имеются и для других методов ОУ О ППД цилиндриче-
ских поверхностей деталей из различных материалов [1, 17, 19].
Таким образом, ОУО ППД обладает широкими возможностями в управлении пара-
метрами качества поверхностного слоя деталей не только из-за изменения условий обра-
ботки, но и благодаря технологической наследственности.
3.4. ФОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ
ПРИ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДАХ ОБРАБОТКИ
Формирование качества поверхностного слоя деталей рассмотрим на одном из наи-
более распространенных в промышленности электрофизических методах - электроэро-
зионной обработке.
Электроэрозионная обработка заключается в изменении формы, размеров, шерохо-
ватости и свойств поверхности заготовки под воздействием электрических разрядов в
результате электрической эрозии (ГОСТ 25331-82). Для представления картины форми-
рования качества поверхностного слоя деталей при электроэрозионной обработке рас-
смотрим физику самого процесса. Схема электроэрозионной обработки представлена на
рис. 3.9.
Электроэрозионная обработка носит электротермический характер: электрический
разряд - высококонцентрированный в пространстве и во времени импульс электриче-
ской энергии - преобразуется между электродом-инструментом 1 и электродом-заготов-
кой 2 в тепловую энергию.
Механизм разрушения поверхности электродов можно представить следующим об-
разом [76, 79, 86, 87, 92].
При сближении двух металлических электродов 7 и 2 (рис. 3.9), находящихся под
напряжением U, наступает момент, когда между участками электродов, расположенны-
ми на минимальном расстоянии друг от друга 8, создается электрическое поле высокой
напряженности. Последняя возрастает обратно пропорционально расстоянию между
электродами:
E = U/b, (3.84)
где U - напряжение между электродами 7 и 2; 8 - расстояние между электродами.
Наибольшая напряженность возникает на участке, где межэлектродный зазор ми-
нимален. Расположение этого участка зависит от местных выступов, неровностей на
Рис. 3.9. Схема электроэрозионной обработки:
7 - электрод-инструмент; 2 - электрод-
заготовка; 3 - электропроводная частица;
4 - диэлектрическая жидкость
инструменте и заготовке, а также от нали-
чия и размеров электропроводных металли-
ческих частиц 3, находящихся в межэлек-
тродном промежутке (наличие таких частиц
уменьшает расчетный зазор 8 до величины
81 + 32).
Все вышеперечисленное приводит к
пробою межэлектродного промежутка. В
диэлектрической жидкости возникает плаз-
менный канал проводимости 3 (рис. 3.10), в
котором протекают нагрев, расплавление и
испарение материала с локальных поверх-
ностей электродов, ионизация и распад ра-
бочей жидкости. Между электродами через
канал переносятся электрические заряды,
ФОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПРИ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДАХ ОБРАБОТКИ 79
Рис. 3.10. Процесс образования
лунки:
1 - газовый пузырь из продуктов
разложения рабочей жидкости;
2 - образовавшаяся лунка с продук-
тами эрозии; 3 - плазменный канал
разряда
в плазме выделяется джоулева теплота, а переход
зарядов через границу между плазмой и электродами
сопровождается поступлением импульсных тепловых
потоков на электроды.
Материал электрода-заготовки из образовав-
шейся лунки 2 выбрасывается в межэлектродный
промежуток. Благодаря выделению джоулевой теп-
лоты канал разряда окружается газообразными про-
дуктами распада рабочей среды - газовым пузырем 1.
Стенки расширяющегося пузыря выталкивают из
межэлектродного промежутка рабочую среду и вме-
сте с ней частицы металла, ранее выброшенные из
лунки. Возникновение и распределение электриче-
ских разрядов по поверхности определяются изме-
нением минимального расстояния между взаимодей-
ствующими поверхностями электродов. Вследствие
этого при обработке (в условиях воздействия на материал заготовки периодических им-
пульсов определенной последовательности) на электроде заготовке отражается форма-
электрод инструмента.
Таким образом, электроэрозионное формообразование поверхности является ито-
гом последовательного возникновения на электроде заготовке большого числа лунок.
Форма лунки в плане (с точностью до 10 %) близка к сферической [86-88, 90]. Микро-
рельеф поверхности представлен большим числом взаимно перекрывающихся лунок.
Величина перекрытия лунок находится через коэффициент перекрытия £, который опре-
деляется как отношение радиуса лунки к расстоянию между соседними лунками. Наибо-
лее вероятное значение коэффициента 0 лежит в пределах 1... 1,25, а наибольшее число
лунок образуется с коэффициентом перекрытия 0 = 1,1. Коэффициент 0, при котором
будет происходить пробой лежит в пределах 1...2. При 0<1 пробой маловероятен, так
как увеличивается расстояние между электродами, при 0=2 имеет место предельный
случай перекрытия - касание [82, 84, 86, 88].
Также на размеры лунок влияют физико-механические свойства материала, влия-
ние которых можно оценить благодаря критерию фазового превращения Палатника
[82, 86, 87, 92], который определяется как произведение основных физико-механических
показателей:
П = срХГ^, (3.85)
где с - удельная теплоемкость материала; р - плотность материала; X - коэффициент
теплопроводности материала; Гпл - температура плавления материала.
По данному критерию также можно судить об эрозионной стойкости того или ино-
го материала, т.е. чем выше критерий Палатника, тем выше эрозионная стойкость материала.
Так как для качественной электроэрозионной обработки необходимо соблюдение
условия локализации процесса обработки во времени, т.е. импульсы энергии должны
подводиться к элементарным участкам объема металла, подлежащего удалению, непре-
рывно и с достаточной частотой. Из этого вытекают основные характеристики электро-
эрозионной обработки: напряжение U, ток I, длительность импульсов ти (частота следо-
вания импульсов У), которые в зависимости от обрабатываемых материалов и требуемой
чистоты поверхности могут лежать в пределах [76-78,84, 85, 88,89], указанных в табл. 3.5.
80 Глава 3. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПОДГОТОВКИ
3.5. Режимы обработки стали и твердого сплава
Характе- Материал
Сталь 1 Твердый сплав
ристика Режим обработки
черновой чистовой тонкий черновой чистовой ТОНКИЙ
ти, мкс 200... Ю5 5...200 <100 100.. .5-Ю4 2,5... 100 <50
и, в 18...27 13,5...20 9...13,5 18...27 13,5...20 9...13,5
ДА 10...90 0,25...3,5 <0,25 0,1...0,15 0,06...0,1 0,04...0,03
/кГц 0,01...5 5...200 >10 0,02... 10 10...400 >20
Также при электроэрозионной обработке немаловажную роль играют материал, из
которого сделан электрод-инструмент, и диэлектрическая жидкость. Чаще всего в каче-
стве материалов для электродов-инструментов используют [76, 77, 80, 82] медь Ml, М2,
латунь, алюминиевые сплавы Д1, АК7ч, АЛЗ, АК5М, медный сплав МЦ4, серый чугун,
вольфрам, специальный графитированный материал ЭЭГ. Латунные и медные электро-
ды обеспечивают хорошие результаты обработки, но подвержены довольно большому
износу (до 60... 120 %). В качестве рабочих жидкостей при электроэрозионной обработке
применяют [75,76,80,81,82,86] дистиллированную воду, керосин, индустриальные
масла, дизельное топливо и другие подобные жидкости, а также всевозможные смеси из
перечисленных жидкостей.
В результате электроэрозионной обработки поверхность приобретает специфиче-
скую шероховатость, параметры которой определяются размерами и геометрией двух
групп неровностей: 1) полученных в результате взаимного пересечения лунок и 2) обра-
зовавшихся вследствие искажения профиля лунки.
Первая группа неровностей в значительной степени будет определяться размерами
лунок радиусом гл и глубиной /гл, а также коэффициентом взаимного перекрытия лунок
Р, т.е. факторами, с помощью которых можно определить те или иные параметры шеро-
ховатости. Вторая группа неровностей полностью определяется случайными факторами.
Таким образом, можно разделить реальный профиль шероховатости на две состав-
ляющие: систематическую и случайную. Случайную составляющую профиля шерохова-
тости, которая составляет 10... 15 % от систематической, в настоящий момент рассчитать
довольно сложно.
Систематическая составляющая профиля шероховатости в основном зависит от
следующих факторов [88, 89, 91, 92]:
1) режимных параметров процесса (напряжения U, тока /, длительности импульса
ти, коэффициента полезного использования энергии импульса г|);
2) физико-механических свойств материала детали и инструмента (удельной тепло-
емкости с; плотности материала р; температуры плавления материала 7^);
3) свойств рабочей жидкости;
4) коэффициента перекрытия лунок.
Все перечисленные факторы определяют геометрические параметры лунки, а они,
в свою очередь, - показатели шероховатости поверхности, которые можно рассчитать по
следующим теоретическим зависимостям [79]:
7?тах = з,
(2p-l)/t7iiT
(др+ОсрТ™
(3.86)
ФОРМИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПРИ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДАХ ОБРАБОТКИ 81
& = O,84J£t&, (3.87)
Ra = 0,40Rz, (3.88)
Rp = 0,67Rz, Sm - 4,5Rz, (3.89) (3.90)
tp = O,44/?1,072 приp < 50 %; (3.91)
tp = 100 - 9,99(100 - p)0’49 при p > 50 %. (3.92)
На формирование волнистости при электроэрозионной обработке влияют различные
факторы, которые могут присутствовать или отсутствовать в зависимости от схемы обработки
и от того, ведется обработка в сплошном материале или заранее подготовленной поверхности.
К основным факторам, влияющим на получаемую волнистость поверхности при
электроэрозионной обработке, можно отнести параметры Н2, Н3, обусловленные
влиянием соответственно исходной волнистости заготовки; исходной волнистости инст-
румента; колебаний технологических режимов обработки.
При прямом и обратном копировании, обработке в сплошном материале на полу-
чаемую волнистость влияют лишь составляющие Н2, Ну, прямом и обратном копирова-
нии, обработке заранее подготовленных поверхностей основное влияние оказывают та-
кие составляющие, как Н2, Ну, при электроэрозионном разрезании, вырезании, шли-
фовании и т.п. главное влияние оказывает составляющая Н3.
Рассчитав указанные составляющие, получим зависимости для расчета Wz.
При прямом и обратном копировании, обработке заранее подготовленных поверхно-
стей независимо от режимов, при которых износ инструмента меньше или больше 100 %,
Wz =
KHCJ ]+(^z“cJ(1-0)02y)+
(3.93)
При обработке в сплошном материале независимо от режимов, при которых износ
инструмента больше или меньше 100 %,
(^^У(1-0,02У + 10-4У2)+ 0,53 -^- (3-94)
< V СР^ПЛ )
В случае электроэрозионного разрезания, вырезания, шлифования и т.п. при данной
схеме и данных операциях обработки средняя волнистость будет определяться лишь
составляющей Я3, и тогда получим
^ = 0,5зП^^-^^), (3.95)
I СР*ПЛ
где I - сила тока при обработке; t/max - максимальное напряжение при обработке
Umvc=U+&U, AU - перепад напряжения; C7min - минимальное напряжение при обработке
82 Глава 3. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПОДГОТОВКИ
Umin=U - At7; т - длительность импульса; г| - коэффициент полезного действия энергии
импульса; с - удельная теплоемкость обрабатываемого материала; р - плотность обраба-
тываемого материала; 7^ - температура плавления обрабатываемого материала; -
исходная волнистость заготовки; Wz*cx - исходная волнистость инструмента; у - износ
электрода-инструмента.
Исходными данными для определения поверхностной микротвердости являются:
• Аи- энергия импульсов технологического тока, Дж;
• свойства обрабатываемого материала: с - удельная теплоемкость, Дж/кг-К; р -
плотность материала, кг/м3; Тпл - температура плавления, К; а - коэффициент темпера-
туропроводности, м2/с; X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м К);
• свойства материала электрода-инструмента: с - удельная теплоемкость, Дж/кг-К;
р - плотность материала, кг/м3; X - коэффициент теплопроводности, Вт/м-К;
• г| - коэффициент полезного использования энергии импульсов для рассматривае-
мых условий обработки.
Алгоритм определения поверхностной микротвердости выглядит следующим образом.
1. Используя исходные данные, рассчитать границу зоны расплавленного материала
Упл по зависимости
Тпл
-4ати In
(3.96)
2. По исходным данным и результатам расчета п.1 рассчитать распределение тем-
пературы по глубине материала с использованием зависимости
Т = Т0+— exp
ср(2^лати J
(У-Упл)2
4ати
(3.97)
где То - начальная температура.
3. Определить ожидаемую структуру материала, используя полученные результаты
по распределению температуры и данные теории металлов и сплавов для рассматривае-
мого обрабатываемого материала.
4. По данным теории металлов и сплавов определить твердость получаемых структур.
Температура на поверхности электродов также приводит к возникновению оста-
точных напряжений. Общая картина напряженного состояния поверхностного слоя
представляет собой результат суммарного воздействия растягивающих напряжений, ко-
торые возникают вследствие кристаллизации и фазовых превращений обрабатываемого
материала. Величина и глубина распространения остаточных напряжений зависят от
параметров импульсов, свойств обрабатываемого материала и физико-химических
свойств оплавленного поверхностного слоя.
Остаточные напряжения возрастают с увеличением энергии импульса при постоян-
ной длительности. Это же наблюдается в случае повышения длительности импульса при
постоянной энергии импульса. Максимальная величина остаточных напряжений имеет
место на поверхности и глубине до 20 мкм, которая составляет 600...800 МПа.
С углублением в поверхность материала остаточные напряжения уменьшаются. Глубина
залегания колеблется от 80 до 100 мкм [76-78, 85, 88, 92].
Таким образом, при электрофизических методах обработки можно управлять пара-
метрами качества обрабатываемых поверхностей деталей машин.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ ПРОИЗВОДСТВА 83
3.5. МЕТОДИКА ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
ДЕТАЛЕЙ ПРИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ ПРОИЗВОДСТВА
Результаты решения задачи конструктора являются частью исходных данных зада-
чи технолога, которую также целесообразно осуществлять с помощью ЭВМ.
Структурная схема решения задачи технолога для условий уже существующего
производства показана на рис. 3.11. В блоке 1 заложена информация, взятая из чертежа и
технических требований на конкретную деталь узла, для которой проводятся расчеты. В
блоке 2 приведены условия существующего производства: имеющееся оборудование и
его загрузка, наличие инструмента, оснастки и т.д. Следует отметить, что если техноло-
гический процесс разрабатывается для вновь создаваемого производства, то надобность
в блоке 2 отпадает. В блоке 3 осуществляется выбор возможных методов обработки.
Рис. 3.11. Структурная схема задачи технолога
84 Глава 3. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПОДГОТОВКИ
Данный этап решения можно выполнять с помощью ЭВМ для всех уже сущест-
вующих производств (массового, крупносерийного, серийного, мелкосерийного, еди-
ничного) при наличии соответствующих уравнений связи параметров качества поверх-
ности с условиями их обработки. Наряду с указанными уравнениями выбирается область
факторного пространства, внутри которой адекватно описывается поверхность отклика.
Ряд таких зависимостей для механических методов обработки приведен в гл. 5 и 6.
Расчет условий обработки для каждого из выбранных методов, обеспечивающих
назначенные конструктором параметры состояния поверхности и точность размеров,
проводится в блоке 5. На этом этапе заданные конструктором параметры состояния по-
верхностного слоя деталей являются функцией, а искомые условия обработки - аргу-
ментом. Таким образом, стоит задача описания аргумента по заданной функции.
В общем случае одни и те же значения аргумента должны удовлетворять нескольким
функциям, поскольку предстоит решить задачу технологического обеспечения системы
параметров состояния поверхностного слоя. Конечно, если требуется обеспечить только
один параметр состояния поверхности (например, Ra), то задача существенно упрощается.
Эту задачу можно упростить, если использовать уравнения взаимной связи пара-
метров состояния поверхности, основанной на их коррелированности для каждого мето-
да обработки, и привести их к одной характеристике или применить комплексный пара-
метр, в частности Сх. Возможности некоторых методов обработки в обеспечении этого
параметра приведены ниже.
Значение параметра Сх для различных методов чистовой обработки
Торцовое фрезерование:
чистовое...................................................2,4... 0,80
тонкое..................................................... 1,3... 0,55
Плоское шлифование:
чистовое.......................................................2,3.. .0,70
тонкое..................................................... 1,2... 0,40
Накатывание....................................................0,9... 0,08
Обтачивание:
чистовое...................................................2,1... 0,68
тонкое.....................................................1,0... 0,45
Круглое шлифование:
чистовое.......................................................2,2...0,75
тонкое.....................................................1,0... 0,30
Суперфиниширование.............................................1,0... 0,3 0
Полирование....................................................0,9... 0,10
Накатывание....................................................0,8... 0,07
Растачивание:
чистовое...................................................2,2... 0,71
тонкое.....................................................1,2... 0,65
Внутреннее шлифование:
чистовое.......................................................2,3... 0,80
тонкое.....................................................1,4... 0,60
Хонингование...................................................1,2... 0,40
Раскатывание...................................................0,8... 0,08
Осложнения при решении возникают и в связи с тем, что условия обработки могут
изменяться только в заданной области изменения факторов, которая выбирается вместе с
соответствующими зависимостями в блоке 4. Это указывает на то, что совместное реше-
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ ПРОИЗВОДСТВА 85
ние системы уравнений, связывающих требуемые параметры качества поверхностного
слоя и точность размеров с условиями конкретного метода обработки, из-за ряда огра-
ничений представляет определенную трудность, а в некоторых случаях такого решения
может и не быть.
Поиск совместного решения существенно облегчается тем, что необходимые пара-
метры качества поверхностей и размеры деталей машин задаются конструктором вместе
с допустимыми границами их изменения, которые рассчитываются в блоке 6 структур-
ной схемы на рис. 3.11. Чем шире эти границы, тем легче технологу решить свою задачу.
Экономически целесообразнее применить метод обработки, имеющий наименьшую
технологическую себестоимость, поэтому в блоке 7 рассчитывается технологическая
себестоимость методов обработки, которые обеспечивают заданные параметры состоя-
ния поверхностного слоя и точность размеров деталей при рассчитанных условиях обра-
ботки.
После проведения расчетов для всех возможных методов обработки, выбранных в
блоке 3, в блоке 8 осуществляется окончательный выбор метода обработки конкретной
поверхности, обеспечивающего получение параметров ее состояния и точность размера
в допустимых пределах и имеющего минимальную себестоимость. Необходимо отме-
тить, что технологические расчеты, начиная с блока 3, формализованы и могут осущест-
вляться на ЭВМ после выбора соответствующих вычислительных методов и разработки
программы.
В данном случае целесообразнее применять технологические ориентированные
языки программирования, которые позволяют параллельно с выводом результатов рас-
четов на печать изготавливать программоносители для станков с числовым программ-
ным управлением (ЧПУ). Примером разработки технологически ориентированных язы-
ков программирования могут служить системы подготовки управляющих программ,
например «ЕХАРТ». В работе [19] даны характеристика этой системы и примеры ее ис-
пользования в металлообработке.
Таким образом, задача, выполняемая в блоках 5, 7 и 8, может решаться по одной из
программ автоматизированной системы технологической подготовки производства
«Расчет режимов резания и нормирования» с учетом уравнений, приведенных в гл. 5 и 6
и используемых в качестве технических ограничений по качеству поверхностного слоя
обрабатываемых деталей машин.
Написанная программа по назначению и технологическому обеспечению системы
параметров поверхностного слоя деталей машин базируется на следующих положениях.
Эксплуатационный показатель С, связан с параметрами двух контактирующих
поверхностей h{, hl2, ... (z = 1, 2) и с некоторыми геометрическими и физико-
механическими характеристиками деталей р\, рг, ..., соединяемых теоретической или
эмпирической зависимостью
В частности, для определения износа, контактной жесткости, герметичности
соединений и момента, передаваемого посадкой с натягом, такие уравнения приведены в
работе [51].
Для фиксированных методов обработки сопрягаемых поверхностей имеются эм-
пирические выражения параметров их состояния hj с условиями обработки гк':
Такие уравнения приведены выше.
86 Глава 3. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПОДГОТОВКИ
Наконец, известна зависимость обобщенного показателя экономичности Е от ре-
жимов обработки для различных технологических методов. Ставится задача математи-
ческого программирования:
[min].#;
С е [Со; Ci]; (3.98)
1=1, 2; А: =1,2,..., к‘. (3.99)
Условие (3.98) выделяет в параллелотопе (3.99) область весьма сложной формы,
поэтому в программе реализован алгоритм узлов прямоугольной сетки:
+(пк -s)]$,seO> 4 • (3.100)
Пк
Для уменьшения объема перебора вариантов в алгоритм введена предварительная
сортировка параметров г1к по характеру их влияния на вектор (с; £).
Положим, что
г
1, если С монотонно возрастает по г1к ;
/ \ -1, если С монотонно убывает по г1к ;
vE\rl<)=\ п г
0, если С не зависит от гк ;
2, если С зависит от rl немонотонно.
I
Аналогично вводится чЕ (гк). В зависимости от сочетания значений vc(r^) и
v£( гк) отнесем параметр гк к одному из классов (табл. 3.6).
Для каждого класса (с учетом подкласса «а» или «б») назначаются начальные
значения параметра режимов и устанавливается своя система перебора. К примеру, па-
раметрам подкласса 8а назначаются максимально возможные значения, которые уже не
изменяются.
Частота сетки п1к для каждого параметра гк назначается в зависимости от класса
этого параметра и задаваемого в исходной информации уровня дробности d. В програм-
ме реализованы четыре уровня дробности. Зависимость п1к (diK№^ отражена в табл. 3.7.
При наличии быстродействующей ЭВМ программа может быть без труда дополне-
на дальнейшими уравнениями дробности, соответствующими более мелким сеткам. Ес-
ли необходимо обеспечить требуемое эксплуатационное свойство с определенной точ-
ностью, то устанавливается уровень терпимости TOL, определяемый формулой
TOL = 1 + //100, (3.101)
где t - допустимое отклонение эксплуатационного свойства, %.
3.6. Классы гк
Функция vc Функция V£
-1 1 0 2
-1 За 6а 8а За
1 66 36 86 36
0 46 4а 0 1
2 56 5а 7 2
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ ПРОИЗВОДСТВА 87
3.7. Частота сетки
d Класс
0 1 2 3 4 5 6 7 8
1 — 1 2 2 1 2 2 1 —
2 — 1 2 3 1 2 3 1 —
3 — 2 2 3 1 1 3 2 —
4 - 2 2 3 2 3 3 2 -
Вся справочная информация помещена в подпрограммы. Исходные данные зано-
сятся на специально разработанный бланк заказа. Программа выводит на печать: число
найденных равноценных вариантов; способ обработки вала и втулки; тип посадки; способ
сборки; параметры сопрягаемой поверхности вала и втулки; режимы их обработки.
Расчеты на ЭВМ показали, что производительность инженерного труда при опре-
делении оптимальных условий обработки вала и втулки и параметров сопрягаемых по-
верхностей, обеспечивающих требуемое эксплуатационное свойство, повышается
в сотни раз.
Приведем некоторые примеры использования данной методики.
Примеры. 1. Прогнозирование параметров шероховатости при чистовом точении за-
готовок из конструкционной стали 40Х (ств = 1800 МПа) резцами, оснащенными твердым сплавом
Т15К6 (ф = 45°, ф! = 5°, у = 0, а = 1°, г = 1 мм). Режим обработки: v = 150 м/мин, t = 0,5 мм,
5 = 0,16 мм/об. Обработка ведется на токарно-винторезном станке (уст = 20 мН/м).
Ожидаемые параметры шероховатости можно определить по теоретическим и эмпирическим
зависимостям. Для расчета по теоретическим уравнениям предварительно определим исходную
формулу:
. 5 .0,16 о
arcsin— = arcsin--= 9 .
2r 2-1
Таким образом, теоретический расчет параметра Rz необходимо провести по формуле (3.4).
Предварительно определим по справочнику тсдв=500 МПа.
Подставляя исходные данные в уравнение (3.4), а затем в (3.1) и учитывая, что вторая со-
ставляющая на порядок меньше остальных, получаем
Rz = 103 ^1 - cos 5)+sin 5[о,16 cos 5 - ^0,16 sin 5(2-1-0,16 sin 5)J+
0,0/1-1 500
+ I y5002 +8002J mkm
1 2-1
tg5+Oj
Остальные параметры шероховатости можно рассчитать по формулам (3.12)-(3.15):
Ra = 0,2 • 4,5 = 0,9 мкм; Атах = 1,2 • 4,5 = 5,4 мкм;
Sm = 0,16 мм; /)0=0,006 • 102’2 = 0,95 %;
/20 = 0,06 • 202-2 = 4,4 %; /30= 0,006 • 202’2 = 10,7 %;
/до = 0,006 • 402,2 = 20,1 %; /50 = 0,006 • 502’2 = 32,8 %;
/б0 = 0,006 • 602,2 = 49 %; /70 = 100- 0,055(100 - 70)1'8 = 96,5 %.
Расчеты по эмпирическому уравнению, приведенному в работе [37], позволяют получить
Az = 416,6-150-0’45 -0,16°>36 О,5-0,1 • I0’12 (50 + О)0’005 lO^’^lOO-ЮО)-0,31 =4,6 мкм;
88 Глава 3. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПОДГОТОВКИ
5m = l,79 1590>1 -ОДб0,36 -O.S-0’1 -10’15(50 + О)0’21 •1О(2О-1ОО)“0’31 =0,17 мм.
Полученные значения Rz наглядно демонстрируют, что результаты расчетов по теоретиче-
ским и эмпирическим уравнениям имеют хорошую сходимость.
2. Определение оптимальных режимов чистового точения жестких валов (d = 40 мм) из
стали 45 на токарно-винторезном станке 1К62 резцами из сплава Т15К6 с глубиной резания
t = 0,6 мм и Ra = 2,5 мкм.
В качестве технических ограничений при чистовом точении жестких валов могут быть приняты
следующие ограничения:
1) по стойкости
где Т - стойкость резца, принимаемая равной 60 мин; Cv = 420, xv = 0,15, yv = 0,20, m = 0,20, = 75/61 -
коэффициенты [22];
2) по параметру шероховатости обрабатываемой поверхности Ra [1]
Ra ^одО’85(9О + ,У)0,15
R 7,0 г0,65у0,36
(3.103)
3) по минимальной подаче станка
— ^сттпъ
4) по максимальному числу оборотов станка
" < ист тах.
Подставляя условия обработки в уравнения (3.102) и (3.103) и принимая по паспорту станка
^сттт=0,07 мм/об и «ст max = 2000 мин-1, получаем
и$°’2< 1954,3; «°’0615“°’58< 0,4; 5 > 0,07; п < 2000.
Введя обозначения In п = xb In (100$) = х2, получим систему линейных неравенств:
+ 0,2х2 < 7,58;
0,061^-0,58x2 <0,91;
Xi < 7,6;
х2 > 1,94.
(3.104)
Решив полученную систему неравенств графически для условия ns = max, получим
"опт = еХ1°пт = е7 = 1100 об/мин;
ех2опт ^2,5
$ппт =-----=-----= ОД2 мм/об.
опт 100 100
Этот пример показывает, что приведенные в данной главе уравнения могут быть использо-
ваны в качестве технических ограничений по состоянию поверхностного слоя обрабатываемых
деталей при расчете оптимальных режимов.
3. Определение наиболее производительного метода обработки (алмазного точения или
магнитно-абразивной обработки) роликов из стали 45 (HRC 48)(Z) = 100 мм, L = 350 мм) с целью
получения параметра шероховатости поверхности Ra = 0,3 мкм при исходном его значении
^исх = 1,5 мкм. Условия обработки:
а) алмазное точение проводится резцами, оснащенными эльбором-Р с радиусом при вершине
г = 1,5 мм и передним углом у = 0°;
б) магнитно-абразивная обработка осуществляется на установке ФАС-3 при следующих ре-
жимах: зернистости порошка К = 120; окружной скорости детали v = 84 м/мин; зазоре между по-
люсниками и деталью 6 = 1 мм; магнитной индукции в зазоре В = 1 Тл; скорости осцилляции
v0 = 5 м/мин.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ ПРОИЗВОДСТВА 89
Уравнение для определения подачи, ограниченной параметром шероховатости обрабатывае-
мой поверхности Ra, имеет следующий вид [52]:
„1,Яа,’б9г°’6%0’32
s = 22,13-------—
(90 +у) ’ 2
Подставив исходные данные в это уравнение, получим
(3.105)
5 = 22,13
/ inn Ло>32
ОЗ1’69 • 1 50,49| ГС’100” I
? ? I 1000 J
(90 +О)1’12
Максимальная производительность обеспечивается при наибольшей допустимой подаче, ко-
торая, как следует из последнего равенства, возрастает с увеличением скорости обработки, поэто-
му для максимальной скорости v = 150 м/мин, определяемой стойкостью инструмента, получим
«„их = 472 об/мин. Скорректировав это значение с паспортными данными станка (ист = 400 об/мин), полу-
чим 5 = 0,12 мм/об.
Машинное время обработки при алмазном точении
1 + /!+/2 150 + 5 + 5
5П ” 0,12-400
= 3,3 мин.
Для магнитно-абразивной обработки роликов машинное время можно определить из уравнения [1]
|0,58Яа°£5А0’15а0’3
Ла50,05у0,08у0)26 •
(3.106)
Подставим исходные данные в уравнение (3.106), получим
_ 1о,58 • 1,50,55 -120°’15 -I0’3
М 0,3 10°’05 -84°’08 - 50’26 ' ’ МИН‘
Следовательно, для данного случая наиболее производительным методом обработки по ма-
шинному времени является алмазное точение.
4. Определение оптимальных режимов вибронакатывания плоских поверхностей дета-
лей из стали 40Х (HRC 30) с целью получения максимальных значений контактной жесткости.
С использованием математического метода планирования экстремальных экспериментов бы-
ла получена эмпирическая зависимость связи контактной жесткости непосредственно с условиями
вибронакатывания [19]:
j = 392,7(0,1^)°-22П°’13Ла^’245^’23 , (3.107)
где р - рабочее давление при вибронакатывании; п - число рабочих ходов; 5пр - продольная пода-
ча; Ra^cx - исходное значение среднего арифметического отклонения профиля шероховатости об-
рабатываемой поверхности.
Для определения оптимальных режимов вибронакатывания можно применить симплекс-
метод, суть которого состоит в следующем:
1) на основании плана эксперимента для полученной зависимости (3.107) в точках простран-
ства, близких к оптимальным, проводится серия опытов;
2) из серии опытов, образующих симплекс, отбрасывается точка с худшими значениями кон-
тактной жесткости;
3) точка заменяется на новую, симметрично расположенную относительно других точек;
4) в этой точке ставятся эксперименты и рассматриваются значения контактной жесткости в
точках нового симплекса;
5) исследования продолжаются до тех пор, пока применение пп. 1 - 3 не приведет к тому,
что система симплексов начнет вращаться вокруг некоторого наиболее высокого значения кон-
тактной жесткости. Это означает, что достигнута область оптимума.
90 Глава 3. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ НА ЭТАПЕ ПОДГОТОВКИ
3.8. Контактная жесткость плоских поверхностей деталей в различных точках симплекса
Результаты проведенных исследований по определению оптимальных режимов вибронака-
тывания плоских поверхностей деталей их стали 40Х при давлении р = 10 МПа с целью получения
максимальных значений контактной жесткости приведены в табл. 3.8.
Точка симплекса р, МПа ^npj мм/мин п у, МПа/мкм
Первое нагружение Повторное нагружение
7 600 200 1 4,0 4,7
8 700 250 1 4,7 6,6
9 700 160 1 5,6 6,5
10 700 200 2 5,3 6,1
11 800 200 1 5,0 5,8
12 700 160 2 6,6 8,4
13 600 200 3 5,4 6,4
14 700 125 2 6,6 8,2
15 800 125 1 5,5 6,2
16 700 160 4 6,5 8,0
За опорную точку для построения симплекс-плана взяты результаты седьмого опыта из мат-
рицы планирования экспериментов.
Итак, оптимальными режимами вибронакатывания деталей из стали 40Х (HRC 30)
являются рабочее давление р = 700 МПа, что соответствует нагрузке Р = 2,6 кН, на один
шарик при его диаметре d= 15 мм; продольная подача з-щ, = 160 мм/мин; число рабочих
ходов п = 2.
Обработка на этих режимах позволяет повысить контактную жесткость плоских
поверхностей деталей: при первом нагружении с 1,5 до 6,6 МПа/мкм; при повторных
нагрузках - с 2,4 до 8,4 МПа/мкм.
Таким образом, на этапе технологической подготовки производства имеются широ-
кие возможности в выборе методов обработки и режимов, позволяющих получать тре-
буемое качество и эксплуатационные свойства обрабатываемых поверхностей деталей ма-
шин с наибольшей производительностью и наименьшей технологической себестоимостью.
Глава 4
МЕТОД ПОДОБИЯ В ИНЖЕНЕРИИ
ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ
В Рыбинской государственной авиационно-технологической академии при техно-
логическом исследовании инженерии поверхности деталей широко используется метод
подобия, который представлен в данной главе.
4.1. ИСХОДНЫЕ СООТНОШЕНИЯ МЕТОДА ПОДОБИЯ
ПРИ РЕЗАНИИ МАТЕРИАЛОВ
Процессы механической обработки связаны с возникновением в зоне обработки
сложных физических явлений, обусловленных высокими температурами и силами реза-
ния, трением контактируемых поверхностей и др. Математическое описание этих явле-
ний представляет сложную задачу. Экспериментальное исследование также затруднено
в связи не только со сложностью проведения экспериментов, но и с их большим объемом.
В различных отраслях науки и техники при изучении таких явлений широкое рас-
пространение получила теория подобия, которая позволяет на основе небольшого числа
экспериментов получать обобщенные выводы. Применительно к процессам обработки
материалов резанием впервые методы теории подобия были использованы проф.
С.С. Силиным. Эти методы основаны на анализе результатов экспериментального ис-
следования значений температуры и силы резания, а также износа инструмента и др. с
помощью безразмерных комплексов, включающих в себя важнейшие параметры изу-
чаемых процессов. Они находятся путем анализа общих теоретических уравнений про-
цесса резания.
Конкретная зависимость между критериями подобия устанавливается на основе
экспериментов, когда результаты опытов обрабатываются с целью получения зависимо-
стей между этими критериями. Метод подобия позволяет распространить данные не-
большого числа опытов на группу подобных процессов обработки резанием и получить
обобщенные теоретико-экспериментальные зависимости в виде критериальных уравне-
ний. В этом случае сложные теоретические уравнения, устанавливающие взаимосвязь
между множеством отдельных параметров, характеризующих процесс резания, упроща-
ются и становятся функциональными зависимостями между критериями подобия, число
которых значительно меньшие числа отдельных параметров.
В основе теории подобия процесса резания, разработанной проф. С.С. Силиным,
лежат следующие критерии подобия (безразмерные комплексы):
Б = ^-
ад
критерий процесса резания, характеризующий степень влияния режимных условий об-
работки по сравнению с влиянием теплофизических свойств обрабатываемого материа-
ла, где v - скорость резания; aj - толщина среза; ад - температуропроводность обраба-
тываемого материала детали.
92
Глава 4. МЕТОД ПОДОБИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ
Г = —-
V
критерий, отражающий влияние геометрии инструмента и отношения теплопроводно-
стей инструментального и обрабатываемого материалов, где Хр и Хд - теплопроводность
обрабатываемого и инструментального материалов детали; 0 и е - соответственно угол
при вершине резца в плане и угол заострения режущей кромки;
д=£-
критерий, по которому судят о геометрии сечения среза, где Ь\ - ширина среза;
Е = —-
«1
критерий, характеризующий влияние на процесс резания геометрической формы режу-
щей кромки инструмента, где pi - радиус округления режущей кромки инструмента;
_ аА(ср)д9
— -
рг
энергетический критерий, позволяющий сделать вывод о тепловой активности стружки
по отношению ко всей выделившейся в зоне резания теплоте, где (ср)д -удельная объ-
емная теплоемкость обрабатываемого материала; 0 - температура в зоне резания; Pz -
сила резания.
п сБ*Дг _
1^(1-sin у)0’73
критерий, характеризующий степень пластических деформаций металла снимаемого
припуска и поверхностного слоя обрабатываемой детали, где у - передний угол резца.
Значения коэффициентов и показателей степени приведены в табл. 4.1.
4.1. Значения коэффициентов и показателей степени в формуле для определения Б
Обозначение величин Интервалы изменения Б и Хд Значения величин
Г <9,5 Г >9,5
с Б < 60 Г 0,05 Д0,11 Хд<20 0,9 1,35
Хд>20 0,45 -0,09
Б >60 Г0,05 Д0,11 Хд<20 6,05
Хл>20 2,6
X Б <0,6 Г0,7 Д0,11 -0,21 [Г (1 -siny)]“°’3 + m
60 Г0,05 Д0,11 > Б > 0,6 Г0,7 Д0’11 -0,31 [Г (1 - sin у)]-0,22 + тн
Б>60Г0’05Д0,11 -0,16 [Г (1- sin у)]-0’22 + т
У Хд<20 0,11 [Б (1 - sin у)]’016
20<Хд< ПО -0,62 [Б(1 -sinу)Г0’82
Хл > 110 0,195
Z 0,19 [БГ(1 - sin у)]0’11
Значения т для расчета величин х (см. табл. 4.1) определяются следующим обра-
зом: при Хд < 20 и Б < 10 Г°’05Д°’и т = 0,045; при 10 Г^Д0’11 < Б < 60 Г^Д0’11 т = 0,03;
при Б > 60 г0>05д011 т = —0,055; при Хд > 20 при тех же интервалах изменения Б т равно
0,105; 0,09 и - 0,005 соответственно.
РАСЧЕТ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ДЕТАЛИ 93
4.2. РАСЧЕТ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ДЕТАЛИ
В общем случае остаточные напряжения в поверхностном слое деталей при меха-
нической обработке определяются как алгебраическая сумма тепловых и силовых оста-
точных напряжений. В связи с этим в данном разделе представлена методика расчетного
определения остаточных напряжений в поверхностном слое детали с учетом одновре-
менного воздействия на поверхностный слой температуры и силы резания. Предложен-
ная методика применима к обработке лезвийным инструментом (точение, растачивание,
строгание, фрезерование), а также шлифованием.
Остаточные напряжения, обусловленные структурными и фазовыми превращения-
ми, не учитываются, что может быть справедливо при обработке жаропрочных сплавов,
так как влияние их на суммарные остаточные напряжения в этом случае незначительно.
Таким образом, задача сводится к расчету тепловых остаточных напряжений и ос-
таточных напряжений, обусловленных силовым воздействием на поверхностный слой.
Поскольку остаточные напряжения являются упругими, а для сложения последних при-
меним метод наложения, суммарные остаточные напряжения определяются алгебраиче-
ским суммированием тепловых и силовых остаточных напряжений. Для того чтобы оп-
ределить остаточные напряжения от каждого фактора в отдельности, необходимо уста-
новить закономерность определения температуры в поверхностном слое обрабатывае-
мой детали, а также определить силу резания, действующую на обрабатываемую по-
верхность.
4.2.1. Определение температуры в поверхностном слое при обработке
При рассмотрении в зоне резания плоских источников теплоты (рис. 4.1) получена
следующая зависимость для определения температуры в поверхностном слое детали:
z \ z \*2 ( \x3~d
=Се(БВГ’Р±Л £1 sin^-^asm-^y, (4.1)
1Мпл < «1 ) W
где 0W - температура в z-том слое от поверхности обрабатываемой детали; - темпера-
тура на условной вершине резца (в точке Л); Се, х2, х*9 d - величины, зависящие от
свойств обрабатываемого и инструментального материалов, геометрии режущей части
инструмента, режима обработки. Их значения приведены в табл. 4.2.
4.2. Значения коэффициентов в формуле (4.1)
Обозначение величины Интервалы измененияу!а\, БВ и р\!а\ Значения величины
БВ < 30 30 < БВ < 70 БВ > 70
Се у/а\ > 1,05 (га)0’05 Pi/ai < 0,5 0,7 0,16 0,077
Pi/«i > 0,7 0,125 0,06
у/а\ < 1,05 (га)0’05 Pi/«i < 0,5 0,976 0,42
pi/ai > 0,7 0,33
*1 БВ<30 0,23
БВ>30 0,47
Х2 у/ах > 1,05 (БВ)0’05 -(БВ)0’13
у/а, < 1,05 (БВ)0’05 -0,8 (БВ)0’488
94
Глава 4. МЕТОД ПОДОБИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ
Окончание табл. 4.2
Обозначение величины Интервалы изменения у/а\9 БВ и pi/aj Значения величины
БВ<30 30 < БВ < 70 БВ>70
Хз БВ< 16 0,1 (БВ)0'404
БВ > 16 0,205 (БВ)0’155
d БВ < 30 0
БВ > 30 Р1/#1 < 0,5 0,088
Pi/tfi > 0,5 0,265
Х4 (БВ)0'51
Рис. 4.1. Схема действия плоских источников тепла и распределения температурных полей
в поверхностном слое детали в процессе обработки:
- интенсивность теплового потока в плоскости сдвига; - то же, при трении резца
об обрабатываемую поверхность
РАСЧЕТ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ДЕТАЛИ 95
Рис. 4.2. Схема действия объемных источников теплоты и распределения температурных
полей в поверхностном слое детали в процессе обработки:
1 - наклонный объемный источник теплоты ABKNA, возникающий в зоне основных пластических
деформаций металла снимаемого припуска; 2 - объемный источник теплоты ANN^A^A, располо-
женный впереди инструмента и возникающий в результате пластических деформаций в поверхно-
стном слое детали; 3 - объемный источник теплоты ДАА^ДД, возникающий на площадке контакта
АД инструмента с деталью, обусловленный трением контактирующих поверхностей; qi9 q2, qi -
законы изменения интенсивности тепловыделения первого, второго и третьего источников теплоты
В ряде случаев с определенной степенью погрешности плоская схема действия теп-
ловых источников может удовлетворять принятым условиям. Однако в реальных усло-
виях в поверхностном слое детали действуют объемные источники теплоты, установ-
ленные проф. Н.В. Талантовым (рис. 4.2). В этом случае температура в /-том слое по-
верхности детали определяется по формуле
Л \ ( 7 \«/7 \к ( л \Р , \mvf А
| — ^(EB)W I —- I f — | | А 1 | | I I
UJ (aJ Ia2J ’
(4-2)
Значения коэффициента R и показателей степени приведены в табл. 4.3.
Размеры источников теплоты в направлении оси х имеют следующие значения:
a2B'62(1’siny)’x 8
sinacosy+ Bsiny pj ’
A = arccos l-a2B-42*1-siny)"
96
Глава 4. МЕТОД ПОДОБИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ
4.3. Значения коэффициента и показателей степени в формуле (4.2)
Обозначение величины Интервалы изме- нения у/Л, hjh, БВ, h/hx и A/Aj Значение величины
R у/Л = 0 ЗЗ^Л)0’123^.)^^!)0’466 hla\ < 0,6 х = 0,07 h/a\ > 0,6 х= 0,625
БВ<30 БВ>30
0 <y/h < 3 1,3 (БВ)"0,259 3,2 (БВ)-0,543
3 <y/h < 6 0,78 (БВ)-0’176 13,5 (БВ)’1
VI V ю 0,27 70 (БВ)-0’664
y/h>9 БВ<20 БВ>20
7 (БВ)”1,072 0,62 (БВ)’0-268
т h}/h <0,1 0,195(А/А1)°’7
hi/h>O,l h/a\ < 0,8 O,22(h/ax)-°'306
Ыах > 0,8 О,2(Л/а1)'0’675
п hx/h<Q,\ Д/Д1 < 0,5 h/a\ < 1 0
h/a\ > 1 0,0036 (БВ)1-303
А/Д! > 0,5 h/ax < 0,8 БВ<30 БВ>30 0,38 (БВ)"0-73 0
h/ax > 0,8 -0,036 (БВ)
0,1 </п/й <0,7 й/а, < 0,5 БВ<30 БВ > 30
0 -0,14
Ыах > 0,5 -0,025 (БВ)0-74 -0,344
hx/h > 0,7 -0,174 -0,0057 (БВ)
к БВ<5 -0,052
5 < БВ < 30 0,115 (БВ)0’23 (А/аО0-15^0’364
БВ>30 -0,2 (Ж)0’8
Р БВ<30 0,07 (БВ)0148
БВ > 30 0,36
и Д1/Д2 < 0,5 hx/h < 0,1 1,24 (БВ)“0'16 ( , А \0,23 | hx А j
hx/h >0,1 (Й/АО0-194 (Л/аО0-3
Д!/Д2 > 0,5 / , А \ 0,061 2,4 (БВ)-0’158 I ——-1 h A! J
Пу y/h = 0 0
0 <y/h < 3 0,22
y/h>3 1
ТПу y/h = 0 0
0<y/h<3 -0,23
y/h>3 -0,57 (БВ)0-37
РАСЧЕТ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ДЕТАЛИ 97
А2=^-72(1 + В2) + 1,
О о
где 8 - длина площадки износа резца по задней поверхности режущего инструмента.
Значения а2, х, Ь2 приведены в табл. 4.4.
4.4. Значения коэффициентов a2? х, и Ь2
Коэффициент В <0,5 0,5 < В < 0,9 В >0,9
а2 0,557 0,44 0,294
X 0,75 0,53 0,445
Ь2 0,078 0,45 3,4
4.2.2. Тепловые остаточные напряжения
Тепловые остаточные напряжения обусловлены напряжениями, возникающими в
поверхностном слое при нагревании и охлаждении, причем они появляются только в том
случае, если напряжения при нагревании превышают предел текучести. Напряжения,
действующие в поверхностном слое при охлаждении, могут быть как упругими, так и
упругопластическими. Поэтому возможны две схемы образования тепловых остаточных
напряжений при охлаждении (рис. 4.3): в поверхностном слое возникают только упругие
деформации; в поверхностном слое наблюдаются как упругие, так и упругопластические
деформации. При этом расчет тепловых остаточных напряжений может проводиться как
с учетом, так и без учета упрочнения обрабатываемого материала. При получении зави-
симостей для определения тепловых остаточных напряжений приняты следующие усло-
вия и допущения.
1. Остаточные напряжения определяются на основании теоремы Генки о разгрузке
и равны алгебраической сумме напряжений, возникающих при нагружении и снятии
нагрузки.
2. Обрабатываемый материал не претерпевает фазовых и структурных превращений.
3. Рассматривается плоское напряженное состояние.
4. Принято линейное упрочнение обрабатываемого материала.
Условие возникновения пластических деформаций определяется на основе анализа
энергетической теории прочности при плоском напряженном состоянии:
Q12 - Q1 О2 + = <*т •
Для напряженного состояния при условии О] = о2 = Q моменту наступления пласти-
ческого состояния соответствует равенство о = от, т.е. диаграмма деформирования мате-
риала как при упругих, так и при пластических деформациях полностью совпадает с
диаграммой растяжения.
Для решения поставленной задачи использован метод расчленения тела, предло-
женный В.В. Абрамовым.
При обработке деталей типа дисков тепловые остаточные напряжения формиру-
ются по схемам, показанным на рис. 4.3. В общем виде в условиях упругопластического
деформирования тепловые напряжения при нагревании
98
Глава 4. МЕТОД ПОДОБИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ
я)
Рис. 4.3. Схемы, объясняющие механизм формирования температурных остаточных
напряжений при точении дисков:
а - при упругих деформациях при охлаждении; б - при упругопластических деформациях
при охлаждении; Я - толщина детали; у0 н и у0 0 - глубины залегания упругих деформаций при
нагревании и охлаждении; от - предел текучести материала обрабатываемой детали
где 8д = Рдб - относительное линейное расширение обрабатываемого материала; yQ н -
граница раздела упругих и пластических деформаций при нагревании; рд - коэффициент
температурного линейного расширения обрабатываемого материала; 0 - температура в
Рис. 4.4. Система координат, принятая
при определении напряжений
рассматриваемом поверхностном слое; £д и
ц - модуль упругости и коэффициент Пуас-
сона материала детали.
Для толстостенной детали, когда
Я>12а/у, 0 = 0тах-2О°.
При определении остаточных напряже-
ний в системе координат, показанной на
рис. 4.4, используется формула (4.1), преоб-
разованная к виду
е -а *
° max “ Л1
где
✓ \ *з - d
4=Св0л(БВУ> Р х
xsin0,05-0,042*4 asin-0,021*4 у.
(4.4)
РАСЧЕТ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ДЕТАЛИ 99
Проинтегрировав (4.3) с учетом (4.4), после преобразований получим
Величина уо н определяется из условия равенства напряжений на границе раздела
упругих и пластических деформаций. С учетом упрощений
З^о.н
(1-Ц)пт
Рд4^д .
(4.6)
Формула для определения напряжений при нагревании в предположении идеальной
упругости обрабатываемого материала с учетом (4.6) примет вид
/ ЧХ, --------к1+12 -(// + «! )1+121
„ _ МЛ Гя-j+^Y2 (i+x2)^11 J
СТн’~ТТК ) -------------н-----------Г (4’7)
Напряжение при охлаждении с учетом возникновения вторичных пластических де-
формаций определяется так:
Рд4£д Гя-y + ^Y2
°О - —:----i --------- +
1-ц \ ах )
Ед [(Я + а, -у0.н)1+Х2 -(Я + а,)1+12] +2(1-ц)от(Я-у0.0)
. (4.8)
Мо.о
При охлаждении с возникновением только упругих деформаций
Рд4^д
1-ц
( Н-у + а^2
I «1 J
----------Р1+*2 - (Я + Oj )1+*2 I
, (1 + х2)<2 L J
Я
(4.9)
Граница раздела упругих и пластических деформаций у0 0 при охлаждении опреде-
ляется из условия равенства напряжений в этой области удвоенному пределу текучести:
100
Глава 4. МЕТОД ПОДОБИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ
Уо.о=Н~а^
2(1-м)стт х2 j
L Рд4*д
(4.Ю)
Остаточные тепловые напряжения в соответствии со схемами, представленными на
рис. 4.3, рассчитываются следующим образом:
ост.т
Рд4^д
1-М
1 |д1+*2
Я-у + а, Y2 | ai2(l-x2y* l
«1 J н
ОСТ.Т
Рд-41-^д
1-М
приу>у0.н? Но max < 2ст;
—--------[(Я + а, -уо.н)1+Х2 +(1-м)пт(Я-Уо.н)]
а12(1-хг)
^д^о.н
(4.11)
, <2(1 + х2Г
Н
При у < JVq.h? а0 max 2(УТ,
(4.12)
ост.т °т +
МЛ
1-м
ПрИ у > Уо.н5 °о max 2
Я-у + aiY2 +
а1 J
(4.13)
1
—L
, <2(1 + х2)
-Уо.о)1+Х2 -(Н + «1)1+Х2 ]+ 2(1 - ц)от(Я - у00)
-^д^о.о
_ Рд4^д
ост.т ,
1-М
q2(l + x2)
При у0 0 > у > Уо.н? а0 max 2(УТ,
*1 -Уо.о)1+Х2 -(Я + а1)1+^]+2(1-ц)от(Я-у0.0)
(4.14)
^д^о.о
р г 1
д (Я + а,-у0.н)1+Х2 -(Я + а1)1+Х2 +от(1-м)(Я-у,н)
ai2(l + x2)
-^Д^О.Н
при у < уом; а0 тах = 2ат. (4.15)
Последовательность расчета тепловых остаточных напряжений в поверхностном
слое без учета упрочнения обрабатываемого материала следующая.
1. Определяются критерий В и величина Ai по формуле (4.4).
РАСЧЕТ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ДЕТАЛИ 101
2. Проверяется условие возникновения тепловых остаточных напряжений:
где ан
Если это условие не соблюдается, то остаточных напряжений нет и расчет прекра-
щается. Если условие выдерживается, то определяется граница раздела упругих и пла-
стических деформаций уо н по формуле (4.6).
3. Проверяется условие возникновения пластических деформаций на поверхности
при охлаждении:
где а0
Рд^1^д
1-Ц
1 + Х2
1 +-------
При соблюдении этого условия определяется у0 0 по формуле (4.10).
4. Определяются тепловые остаточные напряжения по формулам (4.11)-(4.15).
При определении тепловых напряжений в цилиндрической детали последняя рас-
сматривается как полый цилиндрический вал, состоящий из «-го числа элементарных
цилиндров, каждый из которых нагрет до определенной температуры (рис. 4.5).
Осевые напряжения при нагревании определяются по формуле
Рис. 4.5. Схема к определению тепловых напряжений при обработке цилиндрических деталей
102
Глава 4. МЕТОД ПОДОБИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ
Тангенциальные напряжения при нагревании определяются по формуле
м —
\ а1
сттн
г° н ( г —г 4- л V2 Ч
Х2 £дМ J --------------------Ч <7г-(1-ц)стт рг
I гъ ' ГО.Н
| го.н
£д ]dr
(4-17)
1-ц
где гн и гв - наружный и внутренний радиусы обрабатываемой детали; г - текущее (рас-
сматриваемое) значение радиуса; го н ~ радиус, соответствующий границе раздела упру-
гих и пластических деформаций в поверхностном слое при нагревании.
Проинтегрировав (4.16) и (4.17), после преобразований получим
7^ +(гн-гв + о1)1+Х2 х
1 + х9 )
г 4- ~ + U1
• Н • НВ 1
1 + х2 2 + х2
ТН
мл
af2 (1-ц)
0,5of2<yT
Ml
-(rH-r + ai)X2 х
Ьн “ ro н + а1 )1+Х2 - (гн ~ гв + а1 )1+Х2 ]- ~~~ ~ ~ ~ т~ (ГН - го н )
+ *2 Ml
Осевые и тангенциальные напряжения при нагревании в предположении идеаль-
ной упругости обрабатываемого материала определяются по формулам
I +------------i---------[Я11+Х2 -(гн -г +й11)1+Х2 ][ РдЛ1£д . (4.19)
ах ) (l + x2)af2(rH-rB)L1 Jj 1-
РАСЧЕТ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ДЕТАЛИ 103
Осевые и тангенциальные напряжения при охлаждении:
- в области пластических деформаций
п _ Рд^1^д
сто.о
* (г -г+ ахУ2----------------[ел(гн
*1Х2(1-Р)Г 0,5(го2о-гв)е/ д1н
Х| и -Г0.9 + Д1 _ + 4
2 + х2 1 + х2 )
0.5(1-цЦ'2
Mi
о.о
о.о
1+х, [ гн + а, гя - гв + а, „
к * ' •*' I 11 1 II D XI Ду
\ 1 "Ь Х2 2 "Ь %2 J
(гн2 -'коП;
1
х
то «1Х2(1-м)
+ х2
ъ -rB + at)1+Х2 ]- (1 (г -г )
РдЛ1
(^0.0 )^Д
(4.20)
- в области упругих деформаций
1
2 + х2
Рд4^д .
1-м
РдА^д
1-Ц
(4.21)
где г0>0 - граница раздела упругих и пластических деформаций при охлаждении.
В соответствии со схемами, объясняющими образование остаточных напряжений
(рис. 4.6), получим формулы для расчета тепловых остаточных напряжений в поверхно-
стном слое обрабатываемой детали.
Осевые тепловые остаточные напряжения:
-77— к+Х2 - (гн - г, + Д1 )2+Х2 ]}1 "У” приг>г0.н; О0.отах<2ат;
Z т х2 J J 1 — р
(4.22)
„ - Рд^1^д
°О.Т.ОСТ — /1 \
«1(1-Ц)
,.[Ч~Г°.Н+Д1 гн+а!
2 + х2 1 + х2
о.н
------У—2-------[£д(Гн
[0,5(го2н-гв2)£д1 Д
+ (Г -г + д.)1+Х2f + - ГИ 7ГЯ-+ ]е -
+ (гн Г.+Д0 + 2 + ъ
о.н
X
104
Глава 4. МЕТОД ПОДОБИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ
Рис. 4.6. Схемы, объясняющие механизм формирования тепловых остаточных напряжений
при точении цилиндрических деталей:
а - при упругих деформациях при охлаждении; б - при упругопластических деформациях
при охлаждении
o,5(i-mW2 от
Рд4
приг<г0.н; о0.ошах<2от;
(г^ — А-2 )
"н 'о.н/
(4.23)
Сто.ост = от приг>г0.0; стоотах =2от; (4.24)
^о.т.ост
. . Рд4^д
т *1Х2(1-м)
(Гн-Гв+«1)Х2 -
1
0,5(го2о-гв)£д
£д(гн-го.о+Я1)1+Х2*
( Го.о + г 1 п \1+*2 (
------------------------I Т I Гы — Гп "Г Ui I--------------------------\Л п
2 + х2 1 + х2 J \1 + х2 2 + х2 )
^о.т.ост
0,5(1-ц)а^от
Рд4
(гн -го2о)
при г0.н < г0.0; сто отах =2от; (4.25)
Рд4^д
а^а-ц)
1
0,5(го2н -гв2)£д
(^н ^о.н
(1+Х2 ( *о.н + Д1
I 2 + х2
н ^а2 L
1 + Х2 )
+ (rH-rB+ai)1+X2
гн+а1 '•и-гв+аЛ£, 0,5(1-p)gjC2oT
1 + х2 2 + х2 J д рд4
1
0,5(го2о-гв2)£д
х Ед(гп-г00
л \1+*2 I ^0.0 +
-------
V 2 + х2
-^W-rBW+X2^-V^k
1 + х2 J V 1 + *2 2 + х2 J
0,5(1-ц)а^т
Рд4
(Гн-^о)
приг<г0.н; сто.ошах =2от. (4.26)
РАСЧЕТ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ДЕТАЛИ 105
Тангенциальные тепловые остаточные напряжения:
т.ост
_________1
(l + x2)af2(rH
РдД^д
1-ц
приг>гон; o0.tmax <2стт;
(4.27)
°т т.ост
-(rH-'i+ai)1+X2]>
При Г < ^о.Н) П0.г шах < 2от,
(4-28)
°tT.0CT =°т при г>г0.0; столшах <2от; (4.29)
при гом <г< г0.0; стохтах = 2от ; (4.30)
° X Т.ОСТ 1
1-ц
(^о.н Гв )^д
1 (1-gtfg
-г0, + а,ГХг-(rH-rg + ai)1+*2]-(1 ^?От<гн -гоо)
1-ц_______________________________ РДА_________________
(^0.0 Гв )^д
приг<го н; o0 tmax =2стт.
4.2.3. Силовые остаточные напряжения
При обработке резанием на поверхностный слой обрабатываемой детали влияют
силовые поля, действующие со стороны передней и задней поверхностей режущего ин-
струмента. Целесообразно раздельно определить остаточные напряжения от силы, дей-
ствующей по передней поверхности, и силы, обусловленной трением между обрабаты-
ваемой поверхностью и задней поверхностью резца, а затем, используя принцип супер-
позиции, вычислить суммарные остаточные напряжения как алгебраическую сумму
106
Глава 4. МЕТОД ПОДОБИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ
Рис. 4.7. Схема к определению силовых напряжений в поверхностном слое от сил,
действующих при обработке на передней поверхности инструмента
напряжений, возникающих при нагружении действием вышеуказанных сил и разгрузке
после прекращения их действия. Рассмотрим действие сил на обрабатываемую поверх-
ность со стороны передней поверхности резца в виде равномерно распределенной на-
грузки (рис. 4.7). В системе координат х В у при равномерно распределенной нагрузке
напряжения в поверхностном слое могут быть определены по формулам, полученным
Б.А. Кравченко:
*sin0]—Ц-
. ,R /------[2(02-0])-(sin202-sinZeo];
2710,^8111(3] +p2 ~Y)
tfsinPi—-Ц-
— .-;n И--------[2(02-0i) + (sin202 -sin 20])];
sin (Pi + p2 ~ Y)
* sin Pi —-Ц-
t' =---------------------(cos 20, - cos 201).
271^1 sin (Pi + p2 - y)
(432)
Величины углов 0Ь 02 и значения их функций определяются следующим образом:
0i=7t/2-(p2-Y);
в+в^—
a h а, Iп ]
02 = arccos—г=--..ц=-+ —р2 - у ;
Ji+[b+^—f
V \ h Oi J
РАСЧЕТ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ДЕТАЛИ 107
sin 202 =
2| В + В—— [2 sin2 (р1 - у) -1] + sin 2(pj - у)
к а\)
(в+в^—1 -1
к h ai)
1+
sin 29i = sin 2 (p2 - y); cos 291 = 9,5 sin 2 (p2 - y);
i-Гв+в^—1
к a\)
[cos2(p2-y)]-2| B + B—— |sin2(p2-y)
к h a\ J
к h a\ J
Равнодействующая внешних сил co стороны передней поверхности резца R может
быть определена как разность между суммарной силой резания R’z и составляющей силы
трения по задней поверхности резца FT, т. е.
_ R'z-FT cosa
cos(p2—у)
где р2 - угол трения по передней поверхности резца.
Установлено, что
cos292 =
1
VA l + - + tg(arctgB-y)
R =----L-S--------------=
В________
cos(p2-y)
Подставив значение R в формулы
и т' и приняв во внимание, что
Pi = 45° - - -у-, после преобразований получим
' ТР I D У h I 1
= —“Vi В; —;— ---
2л h ajjl-p
' тр fn У 1
ov = —-Vz В; —;— ---ri
y 2л h ajjl-p2
' Tp fD У 1
Trv = —“Vai B; —;— -
2л h ajl-p2
(4.33)
где Vi =
1 + В + В tg(arctgB-y)
х
I I тс |
-2arctgB l + sinl y-2arctgB I cos
x-! 2 arccos
b+b^A
h л
+ sin 2 —
108
Глава 4. МЕТОД ПОДОБИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ
X
2 В + В^А| 2sin2|--2arctgB|-l
I hajj U 6 J
2( 71
<2
1 + 1 B + B—— 1
I h Hi )
V2 =
х<
sin2l —-2arctgB
в+в^-А) _i
h ах)
1+| b+b^-AI
I h ах )
1 + В + В tg(arctgB-y)
I i i (n
-2arctgBl4-sin|—-2arctgB I cosl —
2arccos
b+b^A
S. = - + sin2| — - 2arctgB | +
( LA 12 J
1 + | B + B^-A|
к h a\)
2|в + В—— | 2sin2[ — -2arctgB |-1
к aiJL к 2 J
. 2 71
V2
l + | B + B——I
к a\ J
. J л _ _
sm 21 —-zarctgB
X
В + В^-—1 -1
h ах)
1 + 1 в+в^— 1
к а\)
Уз =
1 -ь В -ь В tg(arctgB - у)
л
X
za]2
h ах)
-2arctgB |4-sin| —-2arctgB | cos[ —-2arctgB j 14-1 В 4-B——
J к 2 ) к 2 JI h
2
1-(в+в^А1
к al J
-2| В4-В—— jsinf—-2arcsinB
h ах) к 2
1+(в+в^А1
к h a\J
- 0,5 sin^-j “ 2arctg В J .
Глубина залегания опережающих пластических деформаций h в поверхностном
слое детали от сил, действующих на передней поверхности резца, может быть определе-
на с использованием положений теории пластичности (рис. 4.8):
Рис. 4.8. Схема распределе-
ния пластических деформа-
ций при обработке резанием
РАСЧЕТ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИИ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ДЕТАЛИ 109
Принимая во внимание, что tg pi = В, после преобразований получаем
h = ах
Напряжения в поверхностном слое, обусловленные силами, действующими на зад-
ней поверхности инструмента (рис. 4.9),
2Л
ат =—Lcosa.
nbr
где г - расстояние от оси детали до рассматриваемого слоя, в котором определяются
напряжения; R] - равнодействующая сила, действующая на задней поверхности резца:
R 0,5трР1Л
1 sin р2
arccosQ - а2Ь)-^(1’sin--------------------------+ -
sin a(cos у + В sin у) р
Значения а2, Ь2, х приведены в табл. 4.4.
В координатах х В у
cos а. (4.34)
_• 2
ax = ar sin а,
- 2
ау = ar cos а,
т" =arsinacosa,
где а", а" и - осевые и тангенциальные напряжения в поверхностном слое, обу-
словленные силами, действующими на задней поверхности резца.
Для представленной на рис. 4.9 схемы:
а’ = о ТГ- -[2<02-9i)-(si«202-Sin0i)];
27CDiAC0Sp3
о; = L-H—[2(62 - 9,) + (sin292 - sin9,)];
iTtby A cos р3
*1^
= о LA Ц----<C0S 202 ~cos 01)>
2TOJACOSP3
(4.35)
где рз - угол трения по задней поверхности инструмента (р3 » р2).
Переходя к декартовой системе координат, после преобразований получаем:
--—----^if~;B;A;y^ 1
2тс^соза yh
<=———;B;—;y
2nZ>]Cosa A! Jl-p
„ X„b (у Д. 1
tv, -—5’ В; —; у--------г-
2n61cosa Д[ Jl-p2
1-ц2’
1
2 ’
>
(4.36)
110
Глава 4. МЕТОД ПОДОБИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ
Функции 5z и 5з рассчитываются следующим образом:
2 1 -1+
5i =------7-------------r- arccos
sin 2l — - 2arctgB + у 1
2- —
2
7C_____
2
1 +
fAB
Ai
zA
< й a,
2
+ 1
2
1 +
fAB
A,
zA
, h a.
Л
2
Ab
A,
zA
, h a.
Л
2
1 +
AB
A,
zA
h ay
-1
( тс
tg 2l — - 2arctg В + у
e 2
q2 =-----7---------------r arccos
sin 2l — - 2arctg В + у I
2-—
2
1 +
1 +
3,47-
1
1 +
fAB
A,
zA
. й a.
A8
Ai_
zA
. h a.
fAB
Ai_
zA
, h a.
1 +
7C
Ab
A__
zA
, h a.
2
I 7C
tg2|—-2arctgB + y
л
2
—7--------------\-2
f я 1
tg2|—-2arctgB + y I
Ab
Ai_
zA
, h a.
+ 1-
1 +
1 +
Л
2
+ 1
—В
A__
zA
h ay
-1
fAe'l
A,
zA
<ha\>
1 +
1 +
Г AB
A;
ZA
h ау
-1
fAB^
Ai_
zA
<hai>
РАСЧЕТ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ДЕТАЛИ 111
Рис. 4.9. Схема к расчету напряжений в поверхностном слое от сил, действующих на задней
поверхности инструмента
Глубина залегания пластических деформаций в поверхностном слое h\ от сил реза-
ния, действующих на задней поверхности инструмента, определяется на основании ре-
шения Л. Прандтля о том, что длина пластически деформируемого участка свободной
поверхности при вдавливании плоского штампа равна ширине штампа (см. рис. 4.8):
Расчет остаточных напряжений, обусловленных воздействием на поверхностный
слой детали сил резания, проводится в следующей очередности.
1. Определяются суммарные силовые напряжения при нагрузке:
= Ох 4- О* \
оу =0'^+0'; >
^ху “ ^ху ^ху
(4.37)
Значения ох, о'у9 ох, о", и вычисляются по формулам (4.32) и(4.35).
2. Проверяется условие пластичности по теории Хубера-Мизеса для плоского на-
пряженного состояния (ci = 0):
-^7СТ2+(ст2-стз)2 °т-
Главные напряжения находятся по формуле
°2,3 = ± ll&x-Gy')2 ~ 4tt’
112
Глава 4. МЕТОД ПОДОБИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ
3. Определяются остаточные напряжения в соответствии с теоремой Генки о раз-
грузке:
^ост.с ~ ^фикт ^ИСТ ’
где стфикт - фиктивные напряжения (при нагрузке), вычисляемые по формулам (4.32) и
(4.35); стист - истинные напряжения в материале, соответствующие состоянию текуче-
сти, которые определяются по формулам (4.32) и (4.35) в предположении, что у = h и
у = так как на этой глубине упругие и пластические напряжения равны.
4.2.4. Суммарные остаточные напряжения
Сопоставляя в системе координат хВу направления остаточных напряжений, обу-
словленных силовым воздействием на поверхностный слой, с направлениями осевых ст0,
радиальных и тангенциальных сгт тепловых остаточных напряжений, приходим к
выводу, что при обработке цилиндрических деталей стх = и оу = (рис. 4.10, а), а
при обработке торцовых поверхностей дисков стх = стт и = (рис. 4.10, б). Для ци-
линдрических деталей между осевыми, радиальными и тангенциальными тепловыми
напряжениями справедлива зависимость ог = ст0 - стт. Поэтому суммарные остаточные
напряжения с учетом совместного действия температуры и сил резания будут опреде-
ляться по следующим зависимостям:
а) при обработке цилиндрических поверхностей
^ОСТ.Т “ ^ТТ.ОСТ + ^Х’
^ост.о ~ ^от.ост ~~ ост.т т +
б) при обработке торцовых поверхностей дисков
ост.т — ^тт.ост + °х>
►
^ост.о ^от.ост + & у
Результаты расчета остаточных напряжений по пр
тавлении с экспериментальными данными приведены на
(4.38)
(4.39)
соженнои методике
:. 4.11.
в сопос-
Рис. 4.10. К определению суммарных остаточных напряжений при точении
РАСЧЕТ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ДЕТАЛИ 113
Рис. 4.11. Расчетные и экспериментальные значения остаточных напряжений
при точении дисков из стали ХН77ТЮР резцами из ВК8. Толщина диска 3 мм:
а = 12°; у = 10°; <р = 45°; ф! = 15°; г = 1 мм; t - глубина резания; S - подача; v - скорость резания;
pi - радиус округления; а - при S = 0,2 мм/об; б - при S = 0,1 мм/об
4.2.5. Тепловые остаточные напряжения при шлифовании
При обработке деталей шлифованием
основное влияние на формирование оста-
точных напряжений в поверхностном слое
оказывает тепловой фактор, т.е. задача
сводится к определению тепловых напря-
жений. При выводе формул для этой цели
рассматривались конечные моменты про-
цесса нагревания и охлаждения, когда вре-
мя нагревания и охлаждения стремится к
бесконечности. Если иметь в виду плоскую
деталь толщиной Н (рис. 4.12), обрабаты-
ваемую на плоскошлифовальном станке, то
она может быть представлена в форме пластинок, каждая из которых нагрета до опреде-
ленной температуры. Наибольшему нагреву подвержен слой п, расположенный на обра-
батываемой поверхности, наименьшему - слой 1, наиболее удаленный от теплового
источника. В этом случае напряжения при нагревании и охлаждении в любом слое дета-
ли при наличии как упругих, так и пластических деформаций без учета упрочнения ма-
териала определяются по формуле
Рис. 4.12. Схема плоского шлифования
-рд+ Je^/So - |(1-н)от4>/(ЗД
0 м J1 1
(4.40)
где уо - граница раздела слоев материала, на которой упругие и пластические деформа-
ции равны.
114
Глава 4. МЕТОД ПОДОБИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ
Температура в любом слое детали при плоском шлифовании определяется по сле-
дующим зависимостям:
0 = 0тахехР
Z \2
при <0,8;
в = 0тах ехр
при Б^-=у-J > 0,8 ,
(4.41)
(4.42)
где I - - длина дуги контакта детали с кругом (DK - диаметр круга, мм; t - глуби-
на резания, мм).
Максимальная температура, °C, на поверхности детали находится по формуле
0тах =---------1 ------1; (4.43)
0,885X5Ы l + ^д(ср)д
У V<XcP)aJ
где vK - скорость вращения круга, м/с; Вд - длина шлифуемой поверхности при врезном
плоском шлифовании, мм; к « 0,5 - коэффициент, учитывающий отношение средней по
объему температуры стружки к максимальной температуре 9max; Pz - сила резания; Хд -
теплопроводность материала обрабатываемой детали; (ср)д - удельная объемная тепло-
емкость обрабатываемого материала.
Формулы (4.41)-(4.43) применяются для расчета температур в толстостенных шли-
фуемых деталях, которые можно рассматривать как полубесконечное тело. Это условие
соблюдается при толщине детали Н > 12 ад/уд, где ад - температуропроводность мате-
риала детали; уд - скорость перемещения детали.
Формулы справедливы при однопроходном шлифовании или многопроходном с
охлаждением, когда теплота от предыдущего прохода с поверхностного слоя почти пол-
ностью распространяется в глубь детали и окружающую среду и обработанная поверх-
ность приходит к шлифовальному кругу практически остывшей.
При расчете температуры рассматривается квазистационарное температурное поле,
которое устанавливается примерно через десятую долю секунды после начала обработ-
ки, поэтому в формулах (4.41) - (4.43) время не учитывается. В связи с этим при расчете
остаточных напряжений в поверхностном слое детали не принимаются во внимание
краевые эффекты.
При расчете температуры и напряжений значения теплофизических и механических
констант обрабатываемого материала и шлифовального круга выбираются средними для
интервала температур процесса шлифования, т. е. для 0тах/2. Принимая 8 = 0Д0 и
yi = Н - у, получаем исходные формулы для определения тепловых напряжений при
нагревании в соответствии со схемой, приведенной на рис. 4.13:
РАСЧЕТ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ДЕТАЛИ 115
Рис. 4.13. Схема формирования
тепловых остаточных напряжений
при плоском шлифовании
в случае возникновения в поверхностном слое только упругих деформаций
Рд®тах^д
1-Ц
при
<0,8; у<у0.н;
-ехр -0,9
( Н-у^
при Bl —— I >0,8; у<у0.н;
при появлении в поверхностном слое упругих и пластических деформаций
СТн =°т при
(н-vY
14)11 V-/ J ~0,8; •у~Уо-н;
116
Глава 4. МЕТОД ПОДОБИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ
-ехр
Л).Н
J ехр-
о
при > °’8; У - У™
После интегрирования и преобразований получим формулы для определения теп-
ловых напряжений в поверхностном слое при нагревании:
при возникновении в поверхностном слое детали только упругих деформаций
стл = I--Ц=Г 1 - expf- 0,93а/б • —Y| - expf- 0,93>/б •
[0,93VbL I I )\ Л I )\ 1-Ц
Z ч2
при у-] -°’8;
(4.44)
i
0,6Я
Рд^тах^д
1-Ц
Jit I If
+ 47=erfJO,93 Б —
2VB V У U J
Z \2
при fil-y-j >0,8;
(4.45)
при возникновении в поверхностном слое упругих и пластических деформаций
ст" = стт при Н - у > у0„; (4.46)
ст£ = J —Ц=ехрГ- 0,93>/Б • —1 expf- 0,93>/б • - lVomax -
|0,93л/б Л I JL Л / )
-0,93л/б
тт __ ( )
Рдбтах - М- при Б < 0,8; Н - У1 < у0,н; (4.47)
£Д У0.н J1-P U7
.П
н
I ( А2
<-ехр -0,9?1б(^1
Рдв"“ + 0,6х„
ехр -oJbf-yj
I------ I z \2
+ Jtf-yo* ехр 0,9з/б| - ~^-н I
V Б/ V I z )
г.
РАСЧЕТ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ДЕТАЛИ 117
Z ч2
при б! %-1 > 0,8; Н - у} < у0 н .
(4.48)
Граница раздела упругих и пластических деформаций уо н определяется из равенст-
ва напряжений:
при нагревании
Z \2
-стт = ctJJ [определение по формуле (4.47)] при Б (1 < 0,8;
Z ч2
—стт = ст" [определение по формуле (4.48)] при Б — > 0,8;
при охлаждении
ст* = -ст* [определение по формуле (4.44)]
ст* = -ст* [определение по формуле (4.45)]
Z \2
приБ <0,8;
z ч2
приБ(^у-) >0,8.
Остаточные напряжения в поверхностном слое определяются как алгебраическая
сумма напряжений, возникающих при нагревании и охлаждении, т.е. стост = стн + ст0. При
этом они возникают только в том случае, если напряжения при нагревании достигают
предела текучести обрабатываемого материала. При охлаждении так же, как и при на-
гревании, в поверхностном слое могут возникать и упругие, и пластические деформа-
ции. Если при нагревании на поверхности возникают сжимающие напряжения, то при охла-
ждении - растягивающие. В случае пластических деформаций максимальные напряжения в
поверхностном слое не могут превышать предела текучести стт, т.е. стн < ст0 и стост < стт.
Это согласуется с положением, что наибольшее возможное по абсолютной величи-
не напряжение не может быть больше предела текучести, т.е. стн + ст0 < стг, а именно:
|ст0| = |стн| + |стт| • Поскольку максимальное значение стн = стт, то ст0 = 2стт. В соответствии
с этим тепловые напряжения при охлаждении в случае возникновения в поверхностном
слое упругопластических деформаций определяются по формулам
ст" = 2стт при Н-У1> у0 0 ; (4.49)
0,93^7
ехр|-0,9зТБ-Я &°
1 Рд®тах
- expf- 0,93а/б • Н Уо°
\ I /Д еД I
.П
о
«и - ехр
1
+ ^У0.0
(4.50)
118
Глава 4. МЕТОД ПОДОБИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ
xerf
Я-Уо.о
Б/
0,93 Б
(ff-y А2
•ехр -0,9? Б --
'жсг1
0,9? б(—1
V U )
л/тг
------?=х
2^Б
стт Н-уо.о Е,
max j-, ? '
£д
/ \2
-^2- при Ы — I
1-ц U )
0.0 •
2
I
(4.51)
Граница раздела упругих и пластических деформаций при охлаждении у0 0 опреде-
ляется из равенства напряжений:
z \2
2стт = ст" [определяемое по формуле (4.47)] при Б I -у-1 < 0,8;
z \2
2стт = ст" [определяемое по формуле (4.48)] при 5 Ш > 0,8.
При расчете остаточных напряжений возможны два случая (рис. 4.14): при охлаж-
дении возникают: 1) только упругие деформации или 2) упругие и пластические. В пер-
вом случае остаточные напряжения определяются следующим образом:
f I
-ехр( -0,93 Jb • >х
ост
о,9з7бя.
х РфаА при БШ2 < 0,8 ; Н - У1 > Л.н; (4.52)
1-р V/)
ост
< < - ехр -0,9?1б1
1
0,6Н
I (
•ехр -0,93/б! — I
2
+ 4^erf JO,9? б( —
2^Б V V U .
I
M-А БМ >0,8; Н-У1>Уо,и; (4.53)
1-ц \ I )
я)
Рис. 4.14. Схемы формирования тепловых остаточных напряжений
при плоском шлифовании:
а - при упругих деформациях; б - при упругопластических деформациях
РАСЧЕТ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ДЕТАЛИ 119
стт Н -Ур.н . ^д
^О.Н 1 “ Н
- < - ехр
РАА при бЫ > 0,8; Н - У1 < JO H.
1-ц UJ
(4.55)
Во втором случае остаточные напряжения определяются по формулам
стосг=стт при Н-У! >у0.я;
-------}=-----ехр| - 0,9з7б • —
[0,93а/б^о.о I 1-
ОСТ °’’
стост
хехр
0.0
-1 Рд0.
-exi
.0
Уо.о
А.
1-ц
* / ^д
z \2
при б[ у! < 0,8 ; уоя >Н-У1< у00;
-ехр -0,9
РЛах
(4.56)
д vmax
(4.57)
। (нУ2,
-0,9? Б —
V I/ )
N Б/
ехр
120
Глава 4. МЕТОД ПОДОБИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ
j j । s' \ 2
£т. Lj-np,,^ >0)8;}, <я_л<? . (4.58)
Ед Уо.о Jp-M Ш
^ост
-------4-----expf- 0,93т/б • ехр - 0,93т/б • Н Уо° Рл0тах -
0,93<Б • уоо \ Л V Уо.о J
-ехр^-О,93>/Б-^рд0тах
0.0
р д0тах - ехр(- 0,9з7Ё • ^Рд0тах
ОтЯ~Л.н] Ед
ЕД Уо.Н J 1 ~ Н
Z \2
при Н у] <0,8; Н-У1<уо.„;
(4-59)
/ Л А2
< - ехр -О,931б(^)
1
х ехр
+ з/---^2- ехр
V Б/
Рд^тах
и>ЧУ0.н
xerf
Рдвтах -
Рд^тах +
О~Т Н Уо н 1 -^д
Хо.Н Р “ Н
+ з/^ -^o-Z
V Б/
ехр
н-у0,Л
I )
xerf
’Рд^тах
gT Н-Уо.о ЕД
Ед I P-М
<ч2
у 1 > 0,8; Н - уг < уо и . (4.60)
Приведенные формулы позволяют учитывать различные факторы, характеризую-
щие процесс шлифования: режим резания (уд, vk, t), физико-механические свойства об-
рабатываемого материала и материала шлифовального круга [Хд, е/д, (ср)д, £д, ат, Р, Хк,
(ср)к], размеры шлифуемой детали и шлифовального круга Используя эти
РАСЧЕТ СТЕПЕНИ И ГЛУБИНЫ НАКЛЕПА
121
зависимости, можно регулировать оста-
точные напряжения в поверхностном слое
обрабатываемой детали и по заданным
значениям напряжений назначать режимы
резания.
Расчеты остаточных напряжений по
полученным формулам показали, что с
увеличением глубины резания тепловые
растягивающие остаточные напряжения
возрастают (рис. 4.15). Это свидетельству-
ет о превалирующем влиянии при образо-
вании остаточных напряжений теплового
фактора. Получено достаточно близкое
совпадение расчетных и эксперименталь-
ных значений остаточных напряжений в
поверхностном слое, что подтверждает их
правильность.
С увеличением глубины шлифования
увеличивается расхождение между расчет-
ными и экспериментальными значениями
остаточных напряжений, что объясняется
действием силового фактора на поверхно-
стный слой обрабатываемого материала.
^ост»
МПа
400
300
200
100
0
-10
Рис. 4.15. Расчетные и экспериментальные
значения остаточных напряжений в поверх-
ностном слое при шлифовании стали
13Х11Н2В2МФ кругом 25А25СМ18К
4.3. РАСЧЕТ СТЕПЕНИ И ГЛУБИНЫ НАКЛЕПА
При учете совместного влияния температурного и силового воздействий на поверх-
ностный слой обрабатываемой детали глубина наклепа может быть определена из условия
ау + ан = -ат, (4.61)
где су - напряжение в поверхностном слое, обусловленное силовым воздействием; ан -
напряжение в поверхностном слое, обусловленное тепловым воздействием.
4.3.1. Определение глубины наклепа при точении
Глубина наклепа обработанной поверхности, как доказано рядом исследований, оп-
ределяется глубиной залегания пластических деформаций в поверхностном слое. В со-
ответствии с условием пластичности Хубера-Мизеса пластические деформации в по-
верхностном слое возникают при создании напряжений, равных пределу текучести.
Возникновение пластических деформаций в поверхностном слое обусловлено од-
новременным воздействием температуры и силы резания, поэтому глубина залегания
пластических деформаций должна определяться из условия равенства пределу текучести
алгебраической суммы напряжений, обусловленных силовым и тепловым воздействия-
ми. Для получения расчетных зависимостей были проанализированы закономерности
влияния технологических факторов исходя из условий возникновения наклепа как от
раздельного, так и от совместного действия температуры и силы резания. Разупрочняю-
щее действие температуры при этом не учитывалось. При точении дисков глубина на-
клепа, обусловленного тепловым воздействием на поверхностный слой, определяется
следующим образом:
122
Глава 4. МЕТОД ПОДОБИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ
О,215СердЕд0пл
0,042*4-0,05 0,021*4 .zi _• ..\0,73*i
(l-p)aTsin 4 asm 4y(l-siny) 1 * * * V
*! (l+*-z)-*3W p*j-af
(4.62)
Глубину наклепа от действия силы резания при точении следует определять из ус-
ловия равенства напряжений в поверхностном слое пределу текучести, а именно:
Оу = -ат, (4.63)
где
2л
1 + В + В tg (arctg В - у)
х
I Л I । Л if л
В cosl — -2arctgB l + sinl — -2artcgB I cosl —
B + B—
_ Cl] . Л » _ I
2 arccos—p-. = - 1l==t - sin 21 — - 2arctg В I +
Ji+Ib+b^-
V I aiJ
2 B + B—
I a\.
/ \2
1+ B + B—I
I a\)
2^ cos a
arccos
-2arctgB + y
+ sin2 —-2arctgB
1
l-l?
У
< ai >
(4.64)
- 2arctg В + у
РАСЧЕТ СТЕПЕНИ И ГЛУБИНЫ НАКЛЕПА
123
Суммарная глубина наклепа определяется из условия
Оу + сгн = -пт. (4.65)
Сопоставление расчетных и экспериментальных значений глубины наклепа при то-
чении приведено в табл. 4.5.
4.5. Сопоставление расчетных и экспериментальных
значений глубины наклепа при точении
Обрабатываемый и инструментальный материалы S, мм v, м/с г, мм Ф, град а,град Глубина наклепа hc, мкм Расхож- дение, %
Расчет Эксперимент
ХН73МБТЮ-ВК8 о,1 0,5 1 45 10 92 80 +15
0,2 150 120 +25
0,15 0,5 134 +11,7
2 116 100 +16
0,2 0,37 1 15 150 120 +25
13Х11Н2В2МФ 1,57 12 70 75 -6,7
0,1 1,26 60 48 +25
0,3 1,57 85 100 -15
0,1 55 45 +22
1,98 52 43 -21
0,79 49 +6
4.3.2. Определение глубины наклепа при шлифовании
При чистовом шлифовании глубина залегания наклепанного слоя определяется из
условия равенства напряжений в поверхностном слое пределу текучести, т. е. в соответ-
(Н-у V
ствии с уравнением (4.47) при Б -< 0,8
—^7=ехр|-0,93>/б — | ехр| -0,93л/б-Я А»
0,93>/б I / А I I
1 РдОщах
Учитывая, что
expf - 0,93Vb • — | ехр[ - 0,9з7б • —-1
X \ З'о.Н )
«О и
* 0 ,
Ед Eq.H
получаем
- от = -ехр(- 0,93-Уб • А-
или окончательно
1п
ЯА-В). = -0,9з7б • A-Zai
Рд^тах^д I
124
Глава 4. МЕТОД ПОДОБИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ
то
Поскольку
Н Уо.н hi
1п<зт(1-р)з
0,93а/б Рд6тах
й,= —
(4.66)
(Н-у V
При El"-z-°" I
формулой (4.66)
в соответствии с условием возникновения наклепа и
(Н-у У
-ехр -0,9з1б[ •Хон I
Рифтах ----------
г Д ШДА гч f
0>6уо.н
ехр -О^ЯвГу')
Уо.н
Б/
I / ТТ _
ехр -0,9 3 Б п Л>-н
+ЖегГ
0,9 з/б(—)
V U )
-2^Б
0,9 2 Б------
V I I
о.н
О Л _ gT Уо.Н
Рдитах г 7
Ел
1-ц
т \И 1
Так как слагаемые л----------
V Б/ 0,6^о.н
лл,МнУ
ехр — О,92/б1 — I
от Н уо н
и-----------
Еа I
близки к
нулю и
erf
I / (
0,93 Б —
' / \2
о оз Б - ...
V I I )
/
то - ат = ехр - 0,9?1Б| ——
РдбтахТ^
1 ц
Н-у
Поскольку J—
-^- = ехр -0,93 Б1
РЛинЛ V 1
о.н
или окончательно
I
2
2
I
-----
2
О,855л/Б РдОтах^д
(4.67)
Последовательность определения глубины наклепа при шлифовании должна быть
следующей: определяется значение hc по формуле (4.66) и проверяется условие
РАСЧЕТ СТЕПЕНИ И ГЛУБИНЫ НАКЛЕПА
125
Б|-у-1 - 0,8. Если оно выполняется, то полученное значение hc будет искомым. В про-
тивном случае значение hc находится по формуле (4.67).
4.3.3. Расчетное определение степени наклепа
Установлено, что между глубиной hc и степенью наклепа N существует взаимозави-
симость
hc = kN, (4.68)
где к - коэффициент, значение которого зависит от марки обрабатываемого материала.
Анализ (табл. 4.6) показал, что значения к имеют достаточно тесную корреляцион-
ную связь с пределом прочности обрабатываемого материала (рис. 4.16).
4.6. Зависимость к от предела прочности обрабатываемого материала
Марка материала Ов/ Ов э к
СтЗ 1 1,36
Сталь 10 1,12 1,38
Сталь 45 1,7 1,81
Сталь У12А 2,5 2,13
Сталь 13Х11Н2В2МФ 2,43 2,8
Сталь 15Х18Н12СЧТЮ 1,86 2,2
Сплав ХН70ВМТЮ 3,16 2,88
Сплав ХН73МБТЮ (ЭИ 698) 3,2 3,8
Сталь 40Х 1,8 1,82
Сплав ХН77ТЮР 2,8 3,14
Сплав 13Х14НЗВ2ФР 2 3,86
На основе значений к, приведенных в табл. 4.6, получена следующая зависимость:
Z \0,8
к = 1,25 -^2-
\ ав.э )
(4.69)
где ав э - предел прочности электротехнической ста-
ли, принятой за эталон.
С учетом (4.68) формула для определения сте-
пени наклепа, %, имеет вид
1,25(ов/св.э)°’8
Для проверки формулы (4.70) были проведены
эксперименты по обработке резанием на оптималь-
ных скоростях, обеспечивающих минимум износа
режущего инструмента, материалов ВТ9 и
ХН73МБТЮ резцом из ВК8. Максимальная погреш-
ность формулы не превышает 40 % (табл. 4.7).
Рис. 4.16. Зависимость коэффици-
ента к от отношения ов/ов.э
126
Глава 4. МЕТОД ПОДОБИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ
4.7. Сопоставление расчетных и экспериментальных значений степени наклепа
Изменяемый параметр Обрабатываемый материал
ХН73МБТЮ (ЭИ 698ВД) ВТ9
s, мм/об Pb мкм N,% Расхож- дение, % м% Расхож- дение, %
Расчетное значение Эксперименталь- ное значение Расчетное значение Эксперименталь- ное значение
0,1 20 36 31 14 22 14 36
30 41 43,5 6 30 18 40
50 50 50 0 44 41 7
0,25 20 73 — — 33 32 3
30 78 50 36 40 41 2,5
50 88 57 35 55 54 2
0,4 20 107 67 37 42 61 45
30 112 75 33 50 69 38
50 121 99,5 18 65 97 33
4.4. РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ
ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ
На формирование неровностей при обработке резанием существенно влияют гео-
метрия инструмента, режимы резания, физико-механические свойства обрабатываемого
и инструментального материалов, вибрации режущего инструмента и заготовки. Извест-
ные ранее теоретические зависимости для определения высоты неровностей учитывают
только геометрические параметры зоны резания. Однако если считать подачу, входящую
в эти формулы, функцией от толщины среза, то можно учитывать при расчете значения
высоты микронеровностей физико-механические свойства обрабатываемого и инстру-
ментального материалов и режимы резания. Действительно, в зависимость для опреде-
ления толщины среза входит не только подача, но и глубина резания, главный и вспомо-
гательный углы в плане, радиус при вершине резца в плане, радиус округления режущей
кромки резца, передний и задний углы резца, прочность обрабатываемого материала
(через силу резания), а влияние температуры резания проявляется через коэффициент
теплопроводности и удельную объемную теплоемкость обрабатываемого материала.
Таким образом, в известные теоретические формулы для определения высоты не-
ровностей, полученные из геометрических соображений, следует подставлять не S, а
некоторое значение 5ф, полученное в виде функции от толщины среза:
( „0,125. 0,7 г, 0,1 0,43
af dj’cpepfa’ ;
vX sin0,165 a
1
ftp 1 + + tg (arctg В - у) I
х (2,85 sin0’115 av0’57^0’345^0’3 + O,6625Z,pPEa°’57p?’075)- 0,5трр^ х
х« arccos 1-<я2В 42(1 smy)
a2Bi-M-si°Yr §
sina(cosy + Bsiny) p1
>cosa
2
1
8г
(4.71)
РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ 127
Тогда высоту неровностей можно определить по формулам А.И. Исаева:
= .ШфСОф, Г 3 _ , / ф Ф, V
sin(<p + <р,) L * Л 2 2 JJ
S S
при ф1 < arcsin — ; ф < arcsin — ;
Rz = r-10-3(1 - СОЗф^ + 5ф • 10“3 ЗШф! СО8ф! -
- sin ф! •10-38тф1[2(г-10~3)-^ф -10-3 sn^J
S S
при ф > arcsin — ; Ф1 < arcsin — ;
2г 2г
Rz = г • 10-3(1 -созф) + 5ф • 10-3 зтфсоБф-зтф-^З'ф 10-38тф[2(г 10-3)-£ф • 10~3зтф]
(4.74)
(4-72)
(4.73)
S S
при ф < arcsin — ; Ф1 > arcsin — ;
2г 2г
8г 103
(4.75)
S S
при <р > arcsin — ; ф1 > arcsin — .
2г 2г
В формулах (4.71) - (4.75) г, S и 5ф в мм, Rz в мкм.
При оптимальных скоростях резания, соответствующих минимуму износа режущего ин-
струмента, высота неровностей, мкм, на обработанной поверхности рассчитывается по формуле
2
1-«0
( t А0,3
Л Qo;~0,115„,,0,57 0,345л| < | ,л л О,57 0,075
4,3sin ’ av Л — +Л_р£а pf
Rz = —
8г
О л
’ 1 Р ° ~ ~~ОЛЗ • 0,025 л ,0,25 О,74-ио , 0,04 и0-°,1 z,
тра ’ sin av0AZ тп cQb pj (l-0,45smy)
(4.76)
где m = a\/S - коэффициент, зависящий от геометрических параметров режущего инструмента.
Если скорость резания изменяется от скорости наибольшего наростообразования
vHap ДО оптимальной v0 (рис. 4.17), то при
г 1-д/1-(572г)2 < t <г (1-со8ф)
f 0,12510Л 0,43
Д1 д x
vX sin 0,165 a
высота неровностей Rz =
__________1
ftp l + ^tg(arctgB-y) I
X [2,85 sin0’115 av0’57^0’345^0’3 + 0,6625XpM’57P?’°75]- °>5трР1Ь x
2
Dl-Wl-siny) x я
x arccos(l - а2В)_/>2(1~81пу) +--------------------------+ —
sin a(cos у + В sin у) pj
cos a
(4.77)
128
Глава 4. МЕТОД ПОДОБИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ
Рис. 4.17. Зависимость высоты неровностей обработанной поверхности от скорости резания
При расчете по формулам (4.72)-(4.75) не учитывается увеличение высоты неров-
ностей обработанной поверхности вследствие упругого восстановления поверхности
резания АТ?/,, которое в ряде случаев может быть значительным и равным разности меж-
ду упругим восстановлением вершины неровности (выступа) hy выст и упругим восста-
новлением впадины йувп, т. е. Rh = йувыст -йувп •
Принимая отношение толщин пластически подминаемого h и упруго восстанавли-
1 ,, й , , cosy + Bsiny
ваемого пу слоев равным коэффициенту усадки стружки — = ка , где к =-----L,
h В
и учитывая, что й = а2Р1В *2(1 smy) , получаем
увп cosy + Bsiny
Исследованиями А.И. Исаева установлено, что если микронеровность образуется
криволинейным участком режущей кромки, то
Лувыст = 0,5^4r2 -S2 -4^4r(r-2hym)-S2 .
Если же неровности обусловлены криво- и прямолинейным участками резца, то
Йу выст
= (г-Йувп)П-8Ш
ф! + arcsin 1 -
S
~ Йу ВП
+ Йу ВП
L . . L SV I
- q 1 - sin ф! + arcsm 1-sin ф! f.
Таким образом, увеличение высоты неровностей обработанной поверхности, обу-
словленное упругим восстановлением поверхностного слоя ДЯЛ, будет определяться по
следующим формулам:
- неровности образуются при обработке деталей только радиусной частью вершины
резца, т.е. S < 2r sin фр
Д/?А =0,5] 74г2
-S2 - 4г
2a2piB1-*2(1-siny)'
cosy + Bsiny
—J-Z^U-siny) х
--------—--------; (4.78)
cosy + Bsiny
-52 агР1В
РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ 129
- неровности появляются при обработке деталей радиусной частью резца и вспомо-
гательной режущей кромкой, т. е. S > 2r sin фр
( а2Р1В 4. . Г . fl-Ssincp^ а2р1В1’б2(1’“птГ Ц
Д/?А = г-------—------К1 - sin <р] + arcsin ------— ——------------------ +
cosy + Bsinyy \ г J cosy + Bsiny
a2p1B1-z’2(1-sini')’x f, .
---------------1 - sin
cosy + Bsiny [
. f, Ssintp] a2p1B1’62(l’si“Y)’X
+ arcsin 1----— ----------
V r yJJ cosy + Bsiny
(4.79)
Расчетные значения Rz и AT?/, приведены в табл. 4.8.
4.8. Значения полученные по формулам (4.79) и (4.77)
Обрабатываемый и инструментальный материалы Режим резания Геометрия инструмента Rz, мкм мкм (AT?//T?z)100 %
ВТ9 - ВК8 t = 1 мм; 5 = 0,1 мм/об; v = 2 м/с а=15°;у=10°; ф = 45°; ф1 = 15°; г = 1,5 мм; pi = 30 мкм 5,8 0,74 12,8
13Х11Н2В2МФ- Т15К6 t = 1 мм; S = 0,1 мм/об; v = 2 м/с а =10°; у =10°; ф = 45°; ф1 = 15°; г = 1,5 мм; Pi = 30 мкм 5,7 0,58 10,3
ХН73МБТЮ- ВК8 t = 0,5 мм; S = 0,1 мм/об; v = 0,3 м/с а= 15°; у = 10°; Ф = 45°; ф1 = 15°; г = 1 мм; pi = 30 мкм 4,0 0,8 20,0
13Х11Н2В2МФ- Т15К6 t = 0,5 мм; S = 0,1 мм/об; v = 2 м/с а= 15°; у = 10°; <р = 45°; epi = 15°; г = 0,5 мм; pi = 30 мкм 15,6 1,о 6,3
ВТ9-ВК8 t = 1 мм; S = 0,1 мм/об; v = 2 м/с а= 15°; у = 10°; <р = 45°; (pi = 15°; г = 1 мм; pi = 30 мкм 8,0 0,84 10,5
Вибрации, возникающие в направлении, перпендикулярном к обработанной по-
верхности, также существенно влияют на ее шероховатость. Максимальная высота не-
ровностей обработанной поверхности
Т?тах = Rz + АТ?/, + АТ?В, (4.80)
где АТ?В - увеличение высоты неровностей, обусловленное вибрациями технологиче-
ской системы станок - приспособление - инструмент - заготовка.
_ П'Яу~х°5
в CJ+n^-’v"*05 ’
(4.81)
C1TX3sbn(l-siny)0’7:,a^X^131+^-^9,5^ н,
11 C^C^ppe/"5 sino’19asino’17y-O,14°3+a5(x+zH 1
Н = 0,75 + 0,4za5 - 0,03a4 + 0,35(1 - a3 - a5x);
Hx = 0,3(1 + za5 - a4) + 0,3a4 + 0,2[a3 -1 + a5 (x + z)];
H2 = 0,05(1 + za5 - a4 ) + 0,05a4 + 0,95[a3 -1 + a5 (x + z)];
130
Глава 4. МЕТОД ПОДОБИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ
Рис. 4.18. Зависимость между высотой не-
ровностей и подачей при точении ВТ9 - ВК8:
a = ai = 10°; У = 0; X = 0; ср = 45°; (pi = 15°;
t = 1 мм; г = 1 мм
Н3 = -0,5(1 + za5 - а4) - 0,4а4 - О,3[а3 -1 + а5 (х + z)];
Н4 = -0,06[а3 -1 + а5 (х + z)],
где С, Сь а3, а4, а5, х, z - величины, зависящие от свойств обрабатываемого и инструмен-
тальных материалов [1].
Установлено, что при обработке с оптимальной скоростью резания &Rh и ARb зна-
чительно меньше, чем Rz, поэтому они могут не учитываться. Экспериментальная про-
верка формул показала, что их погрешность не превышает 20 % (рис. 4.18). Другие па-
раметры шероховатости могут быть выражены через значение Rz (табл. 4.9).
4.9. Взаимосвязь параметров шероховатости
Параметр шероховатости Его выражение через другие параметры
Ra Ra = 0,21 Az1’02
Яшах Яшах = 6 Ra
Rp Rp = 2,6 Ra
Г, Гпоп, гпр, мкм r = Vrnonrnp (Э.в. Рыжов), 280 40 где Гпоп ~ 2^0,966 ’ Гпр - ^0,488
tp , f T?max-nY2 tfmax-Tto , ; v, = 2(1 — rm) — -1; рЯшах-7?р) Ra tm » 0,5 (при обработке лезвийным инструментом)
^выст, ^вп _ _ . tm2Sm2 _-.(!- ^)3 Sm2 гвыст = 0,24 ; гвп = 0,24- выст Ra ’ вп ’ Ra
Sm S<2r sin (pi Sm = 2д/Rz(2r - Rz)
2rsin<p1 <S < < l-cos^ + cpj) sin (pj „ ~ r-(l-cos(pi)-0,57?z Sm = 2r sin ф! - arctg 1i + Rz ctg ф} [_ Г8Шф! J
ГГ1-СО5(Ф+Ф1)'| sin <pj _ 2^0—C0S(Pi) + O,52?z (ctg ф + 3ctg ф!) ЗШф!
Условные обозначения: гПр~ радиус кривизны вершин неровностей в про-
дольном направлении; гпоп - то же, в поперечном направлении; гвыст - радиус кривизны
выступа профиля неровностей; гвп - радиус кривизны впадин профиля неровностей;
Sm - средний шаг неровностей.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
131
4.5. ТЕОРЕТИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
Параметры качества поверхностного слоя могут также исследоваться методами по-
добия, причем исследование должно проводиться путем анализа теоретических зависи-
мостей характеристик качества поверхностного слоя от технологических условий обра-
ботки, характеризующих процесс резания. Использование критериев подобия позволяет
применять для определения характеристик качества поверхностного слоя теоретико-
экспериментальный метод. Сущность последнего заключается в том, что расчетная зави-
симость получается на основе анализа теоретических уравнений, а коэффициенты и по-
казатели степени в полученных уравнениях определяются экспериментально. Возмож-
ность такого подхода показана в данной работе.
4.5.1. Определение остаточных напряжений при точении
Анализ расчетных зависимостей для определения суммарных остаточных напряже-
ний от совместного действия температурного и силового факторов показал, что послед-
ние являются функцией от критериев подобия процесса резания Б, Г, Д, Е, а также от
безразмерных комплексов качества поверхностного слоя:
Мт=-^; Mb=^; Y = ^~ Ф = ^-; Ж = -^;Р = —,
ат °Ь а1 СР а1
где Н - размер обрабатываемой детали; у - координата рассматриваемой точки от по-
верхности.
На поверхности детали при учете плоского источника теплоты у/а\ = 1.
При проведении экспериментов с целью определения остаточных напряжений в по-
верхностном слое при точении без учета упрочнения обрабатываемого материала рас-
четная зависимость должна определяться в следующем виде:
о0СТ стГ™3Д™4Е™5Ж™6 cos™7 аМ™8Р™9
aT Б™1 Ф™2 sin™10 у ’
В случае, когда учитывается упрочнение обрабатываемого материала,
о0СТ с,Г™3Д™4Е™5Ж™6 cos™7 аЛ/™8^™9^™11
<5Ъ Б™*Ф™2 sin™10 у
где ст,q, т\9 т2,.постоянные для конкретных условий обработки.
При получении теоретико-экспериментальной зависимости для определения оста-
точных напряжений в поверхностном слое при точении конкретного обрабатываемого
материала с заданной глубиной резания, с постоянными геометрическими параметрами
и свойствами инструментального материала критерии подобия Г, Ж, Mb, Y могут не учи-
тываться как имеющие для этих условий постоянное значение. Критерий Y для деталей
толщиной свыше 5 мм может быть опущен ввиду малой степени его влияния на величи-
ну остаточных напряжений. Тогда
о0СТ сД™4Е™5
ат Б™]Ф™2
При принятой подаче и известном радиусе округления режущей кромки режущего
инструмента
г гг7”11
________А)^т__________
’ост ( V0
I УД1 | | У_|
а J
(4.84)
132
Глава 4. МЕТОД ПОДОБИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ
При исследовании температурных остаточных напряжений, Па, при обработке ста-
ли 13Х11Н2В2МФ (ЭИ 961) резцом из ВК6М при следующих условиях: 5 = 0,23 мм/об,
/= 1 мм, v = 0,12... 1,5 м/с, а = 10°, у =10°, <р = 45°, <pi=45°, г=1мм, pi = 30 мкм,
у
— = 1,05...2 была получена формула следующего вида:
«1
600от10-7
СТ°СТ " / \18/ \И ’
[ у«1 ] [2.1
V а } v ai J
(4.85)
4.5.2. Определение высоты неровностей обработанной поверхности
Критерием качества поверхностного слоя при характеристике шероховатости мо-
жет быть отношение высоты неровностей обработанной поверхности к подаче
R = Rz/S.
При обработке конкретного материала резцом из известного инструментального
материала с заданной геометрией критерий R, как показал анализ теоретической форму-
лы , будет являться функцией от критериев процесса резания Б = ; Д = —; Е = —;
а Ьх
5
Э = — . Зависимости между этими критериями, полученные на основе эксперименталь-
ных данных, представлены на рис. 4.19-4.21.
Как видно из графиков, существует достаточно близкая корреляционная зависи-
мость между названными критериями. С использованием представленных графиков
можно получить формулу для определения высоты неровностей при точении в критери-
альной форме в следующем виде:
R = -
Bx°EJo
(4.86)
где Сл, ко, ро9 xq, уо - коэффициенты, зависящие от обрабатываемого и инструментально-
го материалов и определяемые экспериментально.
Из формулы (4.86) получена теоретико-экспериментальная формула для определе-
ния высоты неровностей обработанной поверхности в следующем виде:
7“ ~
s=_!a1Al2_
I Y^Pi У"
V а ) ах )
или в более удобном для практического использования виде
С а4
R —---------------------
(4.87)
(4.88)
tk°rPopyovx°
где т - коэффициент, устанавливающий соотношения между толщиной среза и подачей,
а\
т.е. т = —.
S
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
133
Рис. 4.19. Критериальные зависимости при исследовании высоты неровностей
обработанной поверхности (обрабатываемый материал АК7, резец из сплава ВК8)
Рис. 4.20. Критериальные зависимости при исследовании высоты неровностей обработанной
поверхности от критериев Б и Е при точении 13Х11Н2В2МФ (ЭИ 961) резцом из Т15К6
134
Глава 4. МЕТОД ПОДОБИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ
Рис. 4.21. Критериальные зависимости при исследовании высоты неровностей обработанной
поверхности от критериев Д и Э при точении 13Х11Н2В2МФ (ЭИ 961) резцом из Т15К6
Анализ последней формулы показывает, что для получения обобщенной теоретико-
экспериментальной зависимости высоты неровностей от различных технологических
факторов необходимо результаты опытов обрабатывать до получения численных значе-
ний критериев Б, Д, Е, R, Э и далее получать степенную зависимость между ними с це-
лью определения коэффициента CR (рис. 4.22) и показателей степени хо,уо-
Полученная формула позволяет определять высоту неровностей обработанной по-
верхности с учетом основных параметров, характеризующих процесс механической обра-
ботки при определенном сочетании обрабатываемого и инструментального материалов.
В табл. 4.10 приведены значения коэффициентов в формуле (4.88) для некоторых
материалов при обработке их резцами из ВК8 с геометрическими параметрами, указан-
ными в табл. 4.11.
Рис. 4.22. Зависимость CR от критерия Б:
а - обрабатываемый материал ВТ9 резцом из ВК8;
б - обрабатываемый материал АК7 резцом из ВК8
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
135
4.10. Значения коэффициентов в формуле (4.88)
Обрабатываемый материал Значения коэффициентов
Cr ко Ро Хо Уо
ВТ9 2,53 1,072 0,869 0,524 1,664
ХН73МБЮ-ВД (ЭИ 698ВД) 2,36 0,933 0,844 1,963
Д16Т 468,09 3,432 2,347 1,66 1,535
Ма2-1 152,105 4,705 3,732 0,871 2,05
АК7 21 1,6 0,495 1,596 1,235
Мл5 48 1,281 0,966 3,118 0,81
4.11. Значения геометрических параметров режущего инструмента
в формуле (4.88)
Обрабатываемый материал Геометрические параметры инструмента, град
Ф Ф1 У а ОС1
ВТ9 45 45 0 0 10 10
ХН73МБЮ-ВД (ЭИ 698ВД)
Д16Т 20 10
Ма 2-1
АК7
4.5.3. Расчет глубины наклепа при точении
Глубина наклепа может определяться критериями подобия процесса резания Б, Г, Д, Е;
Саг'"2д'”зе"14Г—1
hc __\ J
«1 Б7”1 sin7”6 a sin7”5 у
(4.89)
Для конкретного сочетания обрабатываемого и инструментального материалов при
неизменной геометрии режущего инструмента формула (4.89) будет иметь более про-
стой вид
hc _ СhRm3Em*
«1 ‘ Б7”5
В качестве примера получена теоретико-экспериментальная формула для определе-
ния глубины залегания наклепанного слоя при точении стали 13Х11Н2В2МФ
(ЭИ 961Ш) резцом из ВК8 при следующих условиях обработки: S = 0,15...0,34 мм/об,
t = 1 мм,
0,522
£°’6
м/с, а= 10°, у = 10°, ф = ф1 = 45°, X = 0, г = 1 мм, pi = 20... 100 мкм.
136
Глава 4. МЕТОД ПОДОБИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ
Рис.4.23. Зависимость — от критериев Б, Е, Д
«1
По результатам экспериментов были построены зависимости критерия глубины на-
клепа — от критериев Б, Е, Д (рис. 4.23), на основе которых получена формула
«1
hc 1О5ОЕ°’55Д0’63
Б1^
(4.90)
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
137
Таким образом, установлено, что для принятых условий обработки, формула для
определения глубины наклепа, м, при точении 13X11Н2В2МФ будет иметь вид
1050а1’33а1°’85р{)’55
с v1’33^0’63
(4.91)
где «1, pi, Ъ\ в метрах, v в метрах в секунду, а в ньютонах на метр в квадрате.
Проведенные исследования показали, что для получения обобщенных теоретико-
экспериментальных зависимостей остаточных напряжений, глубины и степени наклепа,
высоты неровностей обработанной поверхности необходимо результаты опытов обрабо-
тать до получения численных значений критериев подобия качества поверхностного
слоя и критериев подобия процесса резания и далее получить зависимость между этими
критериями.
Достоверность экспериментальных данных оценивается коэффициентом корреля-
ции, значение которого колеблется в пределах 0,85...0,95.
Глава 5
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД
В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ
В Брянском государственном техническом университете наряду с классическим
технологическим подходом к инженерии поверхности деталей, описанным в гл. 3 дан-
ной монографии, используется и экспериментально-статистический метод.
Применение экспериментально-статистического метода, базирующегося на стати-
стической теории и методологии, включающей в себя дисперсионный, корреляционный,
регрессионный и ковариационный анализы, а также планирование экспериментальных
исследований [1, 93], позволяет избежать многих трудностей, встречающихся при реше-
нии таких задач.
5.1. СПОСОБ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ, КОГДА ИЗВЕСТНЫ СОВОКУПНОСТЬ
И УРОВНИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ
Данная задача возникает в случаях, когда нормирование параметров качества по-
верхностных слоев проводится либо на основе теоретических расчетов, исходя из тре-
буемых эксплуатационных показателей деталей, либо по прототипу, идентичному по
назначению условиям эксплуатации, материалу и другим характеристикам.
Таким образом, заранее известны совокупность параметров качества R19 R2, ...,
Rn, обуславливающих регламентируемый эксплуатационный показатель детали, и
уровни параметров качества, подлежащих технологическому обеспечению, 7?lsk ±37?1J(t,
•• •, 7?z* ±37?г>, где R^- номинальное значение, a 37?z*- допускаемое откло-
нение от номинального значения параметра качества. Требуется определить режимы
механической обработки и параметры инструмента, т.е. совокупность технологических
факторов (по номенклатуре) и их уровни (по номинальным значениям), при которых
обеспечиваются заданные параметры качества.
Полагаем, что уровни технологических факторов фиксированы. В этом случае
можно рекомендовать следующий порядок решения данной задачи (для принятого ап-
риори технологического метода формирования параметров качества):
1) обработка пробной партии заготовок (или пробных поверхностей заготовок) по
плану полного или дробного факторного эксперимента;
2) измерение параметров качества R}, R2,..., Rt пробных заготовок;
3) разработка с помощью ЭВМ (встроенной в технологическое оборудование или
выполненной в переносном варианте) математико-статистической модели принятого
способа обработки, определение на ее основе режимов, позволяющих обеспечить рег-
ламентированные значения параметров качества /?]*, •••> и их допускаемые
отклонения 37?1J(t, •••> 37?z*;
4) обработка на данных режимах основной партии заготовок.
Поскольку связи между параметрами качества поверхностного слоя деталей и тех-
нологическими факторами чаще всего линейные или к таковым можно перейти, преоб-
СПОСОБ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
139
разовав исходные данные, например, путем логарифмирования, обработку пробной пар-
тии заготовок следует проводить по планам полного 2к или дробного 2к~р факторного
эксперимента с и повторениями.
Исходя из того что число пробных заготовок не должно быть слишком большим,
наиболее приемлемыми являются планы полных факторных экспериментов 22, 23, 24и
дробных - 24"1, 25~2, 26-3, 27^, а также 25-1, 26-2, 27~3, 28^, 29-5. Число повторений и также
не должно быть очень большим; можно рекомендовать принимать в зависимости от
плана эксперимента и = 2, 3, 4 так, чтобы общее число обрабатываемых заготовок
п = uN = и • 2к или n = uN = и- 2к~р не превышало 8, 16, 24 или, в крайнем случае, 32.
Число пробных заготовок можно сократить (в зависимости от плана эксперимента) до 12
или 20, когда опыты с повторениями и = 4 проводятся в центре плана (технологические
факторы при этом принимают значения ху- = 0).
Математико-статистическую модель способа обработки пробных заготовок можно
в этом случае представить в виде следующей системы уравнений:
_ к
К = bio+Ybuxj>
1
А2 =Z»20; х
Д =bio+HbijXj>
1 J
где - предсказываемые значения параметра качества; Ь[{) и by - коэффициенты;
Xj - технологические факторы, определяющие условия обработки j = 1,2,..., к, число
факторов к > i.
Верхний и нижний уровни варьирования факторов ху-, обозначаемые соответст-
венно +1 и -1, принимают на основе опыта и справочных данных.
Уравнения (5.1) должны содержать факторы, влияние которых на параметры каче-
ства Rt существенно на принятом уровне значимости а; быть статистически значимыми
и адекватными. Результаты математико-статистического анализа каждого из уравнений
(5.1) следует представлять в виде табл. 5.1. Фактор ху- подлежит включению в уравне-
ния (5.1), если фактические значения Fj -отношения больше критического значения
FJ=—T> Fi; («) • (5.2)
Уравнения (5.1) в целом значимы, если
М
Fva=-^>F^uN_m_^), (5-3)
*%ст
и адекватны, если
s2
F^ = < FN-m-V, ЛГ(«-1)(а)' (3-4)
140
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД
5.1. Дисперсионный анализ эксперимента 2к или с и повторениями
по обработке пробных заготовок (для параметра Rj)
Источник вариации параметров качества Число степе- ней свободы Сумма квадратов Средний квадрат F-отношение
Факторы:
Х1 1 51 А/, =5,
х2 1 $2 = 52 F2=M2/s2e
XJ 1 SJ F^Mjs2
хк 1 sk Mk=Sk Fk=Mkls2
Регрессия (т значи- т Я
мых факторов из к) ш ^рег 1 ^рег = — т Fper“ 2 ° OCT
Остаток uN-т - 1 *$ост ~ ~ ^рег о S 2 _ ^ост uN-m-\ -
Неадекватность N-m-1 С — С _ С мад мост е 2 _ 5ад ад ЛГ-т-1 F =-^- ад 2 Se
Воспроизводимость 2 Se
#(м-1) s = -— е N(u-l) —
Сумма uN-1 ^0 - -
Примечания. 1. N = 2к или N = 2к р - число опытов по обработке пробных
заготовок.
2. Суммы квадратов вычисляются по следующим уравнениям: , . О /
*0 ”( Nu
У и N и ’ <N U J /
г / \2
/“ ’
и и
где RiNu - наблюдаемое значение параметра качества при повторении и опыта А.
При отсутствии повторений (и = 1) удается проверить только значимость уравнений
связи. Если последние оказались неадекватными, необходимо, как известно, перенести
центр эксперимента, или изменить интервалы варьирования факторов, или провести об-
работку пробных заготовок по планам более высоких порядков, позволяющих перейти к
нелинейным зависимостям. Если связи между параметрами качества и технологически-
ми факторами оказываются незначимыми, но адекватными, то уравнения (5.1) представ-
ляют в виде 7^ = Ri, где Rt = ^£RiNu /Nu - среднее значение параметра качества.
N и
СПОСОБ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
141
Дисперсионному анализу экспериментальных данных обычно предшествует про-
верка однородности дисперсий воспроизводимости в отдельных опытах плана с помо-
щью критерия Кохрана, и в случае необходимости следует так преобразовать исходные
данные (например, прологарифмировать их), чтобы дисперсии стали однородными.
Когда опыты по обработке пробных заготовок повторяют только в центре плана,
при Xjг = 0 , в качестве дисперсии воспроизводимости принимают
с N(u -1) степенями свободы.
Значения коэффициентов bi0 и by в уравнениях (5.1) вычисляют с помощью выра-
жения
, (5.6)
Nu
при определении коэффициента blQ принимают условно для всех опытов Ху = +1.
Мерой тесноты связи между параметрами качества и технологическими факторами
является отношение R1 = 5рег/ 50, называемое коэффициентом множественной детер-
минации и оценивающее долю вариации параметров качества, обуславливаемой техно-
логическими факторами, влияние же отдельного фактора может быть оценено с помо-
щью коэффициента = S'. / So.
Значения уровней технологических факторов х7>, позволяющих технологически
обеспечить регламентированные значения параметров качества Rt* , определяют путем
решения системы уравнений (5.1). При этом значения Ху* должны находиться внутри
области варьирования факторов при обработке пробных заготовок, т.е. чтобы
-1<Хуф <+1.
С вероятностью р = 1 - а допускаемые отклонения 8R^ технологически обеспечи-
ваются, если
8R^ > 8Rt = ^(i-a/2);N(u-l)V^(^?j > (5.7)
где 8R-- доверительный интервал предсказанного значения параметра Rt \ *(i_a/2); tv(w-i) “
квантиль распределения Стьюдента; d(r^)- дисперсия предсказываемого значения па-
раметра качества Rt.
(5-8)
142
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД
5.2. СПОСОБ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ, КОГДА ИЗВЕСТНА СОВОКУПНОСТЬ,
НО НЕИЗВЕСТНЫ УРОВНИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ
Данная задача так же, как и предыдущая, возникает тогда, когда нормирование па-
раметров качества поверхностных слоев проводится либо на основе теоретических рас-
четов, либо по прототипу. Заранее известна и совокупность параметров качества
R2 , Ri9 обусловливающих регламентированный эксплуатационный показатель дета-
ли. Однако требуют уточнения уровни подлежащих технологическому обеспечению
параметров Яр. ±6Я1)|(, Я2*±6Я2+, ..., R^±dR^.
Рассматриваемая задача наиболее характерна для случаев, когда необходимо опре-
делить уровни параметров равновесной шероховатости, которая, как известно, формиру-
ется на поверхностях трущихся деталей в конце периода их приработки и не зависит от
исходной. В этом случае можно предложить следующий способ решения рассматривае-
мой задачи (также для принятого априори технологического метода формирования па-
раметров качества):
1) обработка пробной партии (или пробных поверхностей) заготовок по плану пол-
ного или дробного факторного эксперимента с и повторениями;
2) измерение совокупности параметров качества Я2, ..., на обработанных
поверхностях заготовок;
3) обработка партии из uQ пробных заготовок в центре плана эксперимента, когда
технологические факторы принимают средние значения = 0 ;
4) приработка пробных заготовок, изготовленных в центре плана эксперимента, на
испытательном стенде в условиях, близких к эксплуатационным;
5) измерение регламентированной совокупности параметров качества на прирабо-
танных поверхностях пробных заготовок и определение по результатам измерений сред-
них значений параметров качества , Я2+, ..., и (1 - а) 100% -ных доверительных
параметров качества ±57? и, ±6Я2+,..., ±6Я/Ф;
6) разработка с помощью ЭВМ математико-статистической модели принятого спо-
соба обработки, определение на ее основе режимов, позволяющих технологически обес-
печить числовые значения параметров качества R{*, R2*, ..., Rj* и отклонения 57?1+,
6Я2ф ,..., 57?z> ;
7) обработка на установленных режимах основной партии заготовок.
Параметры шероховатости для повышения точности и производительности следует
измерять с помощью контрольно-измерительных систем на базе ЭВМ. В качестве оцен-
ки параметров шероховатости пробной поверхности заготовки, как показывают исследо-
вания, необходимо принимать числовые значения, осредненные по результатам измере-
ний на 20...25 базовых длинах профиля. Допускаемые пределы изменения параметров
шероховатости SR^ в данном случае определяют из уравнения
> 57?z ^(l-a/2);(w0-l)
(5-9)
где ^(i-a/2);(w-i) ~ критерий Стьюдента; sRi*~ дисперсия, характеризующая вариацию
параметра шероховатости R^ приработанных поверхностей пробных заготовок;
СПОСОБ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
143
Значения технологических факторов Ху*, обеспечивающих изготовление деталей с
требуемыми величинами параметров шероховатости, определяют так же, как и в преды-
дущей задаче.
5.3. СПОСОБ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ, КОГДД НЕИЗВЕСТНЫ И СОВОКУПНОСТЬ,
И УРОВНИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ
Рассматриваемая задача возникает в тех условиях, когда необходимо обеспечить
эксплуатационные показатели оригинальных деталей, не имеющих аналогов, и когда
теоретически затруднительно определить совокупность функциональных параметров
качества. Сложность решения данной задачи обуславливается еще и тем, что в силу вза-
имных корреляционных связей между параметрами качества в конкретных условиях
эксплуатации важнейшими в функциональном отношении могут оказаться те или иные
из них. Совокупность таких параметров может быть определена по результатам стендо-
вых испытаний, максимально приближенных к условиям эксплуатации и проводимых по
плану активного (планируемого) или пассивного (непланируемого) эксперимента.
Опишем сначала случай, когда совокупность функциональных параметров качества
и уровни их технологического обеспечения определяются по результатам пассивного
эксперимента (для принятого способа обработки рабочих поверхностей деталей):
1) изготовление партии опытных деталей (размером N) на режимах, вызывающих
изменение параметров качества их поверхностных слоев;
2) измерение на поверхностях данных деталей всех параметров качества, которые
могут влиять на регламентированный эксплуатационный показатель детали Г,
3) испытания опытных деталей на стендах (в условиях, близких к эксплуатацион-
ным) с определением в конце испытаний эксплуатационных показателей 1п каждой де-
тали;
4) разработка математико-статистической модели процесса испытаний и определе-
ние на ее основе совокупности функциональных параметров качества R19 R2, ..., Rt ,
в наибольшей мере обуславливающих изменение показателя I, а также определение
уровней параметров качества , R2*, ..., R^ , подлежащих технологическому обеспе-
чению, исходя из регламентированных значений Ц; проверка возможности технологи-
ческого обеспечения допускаемого отклонения ±ЬЦ.
Простейшей математико-статистической моделью процесса испытаний является
линейная:
I = CIq + + ^2^2 + ••• + (5.11)
Чтобы модель не оказалась громоздкой и малопригодной для практического при-
менения, число параметров качества, включенных в нее, не должно быть большим,
i < 5 . Линейную модель (5.11) принимают в том случае, когда все связи между I и
линейны, о чем судят по значению коэффициента парной корреляции
144
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД
(табл. 5.2), который статистически значим, если |г/л.| > Г(1-а/2);и-2 • В противном случае
следует преобразовать исходные данные, например путем логарифмирования.
Уравнение (5.11) получают методами множественного регрессионного анализа (ме-
тод всех возможных регрессий, метод исключения независимых переменных, метод
включения независимых переменных, шаговый регрессионный анализ). При большом
числе независимых переменных (параметров качества Rt) данные методы не осущест-
вимы без применения ЭВМ.
В практике, судя по исследованиям, удовлетворительные результаты дает следую-
щий упрощенный метод. Очевидно, что число параметров качества Rt, содержащееся в
уравнении (5.11), должно быть как можно меньшим. При этом в уравнение (5.11) долж-
ны входить параметры, которые наиболее просто могут быть обеспечены метрологиче-
ски. В этой связи вначале вычисляют все коэффициенты парной корреляции rRI между
эксплуатационным показателем и отдельными параметрами качества, а также между
отдельными параметрами качества и оценивают их статистическую значимость.
5.2. Исходные данные для построения математико-статистической модели
процесса эксплуатационных испытаний
№ опытной детали Параметр качества поверхностного слоя опытных деталей Эксплуатационный показатель рабочей поверхности детали
*1 Ri Ri Rq
1 ^21 Ra *q\ А
2 ^12 ^22 Rn *q2 11
п *1п *2n *in *qn 1п
Наибольшее зна- чение ^Imax *2 max p iVzmax p ^qmax Алах
Наименьшее зна- чение Среднее значение ^Imin ^2 min *2 D 7'/min Ri p 2\min Anin I
Дисперсия s*2 sRt
Среднее квадра- тическое откло- нение sr2 SRt SRq SI
Коэффициент вариации
Коэффициент корреляции rR2I rRiI rRql -
Примечания. 1. Коэффициент вариации VR. =sR./Rj и Vj-sJl.
2. Коэффициент парной корреляции вычисляют по уравнению rR = -2—.-г-
Нм,
СПОСОБ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
145
Включаемые в уравнение (5.11) параметры качества Rt должны быть, с одной сто-
роны, наиболее тесно корреляционно связаны с эксплуатационным показателем I и, с
другой стороны, наименее тесно корреляционно связаны между собой (лучше корреля-
ционно не связаны вовсе).
Анализируя таким образом корреляционные связи, можно выбрать несколько групп
совокупностей параметров качества и получить несколько регрессионных уравнений
(5.11). Предпочтение следует отдать тому из них, которое обуславливает наибольшую
долю вариации эксплуатационного показателя. Это, как правило, уравнение регрессии,
которому соответствует наибольший коэффициент множественной детерминации R1.
Влияние параметров качества 7?, на эксплуатационный показатель I значимо, и,
следовательно, коэффициент регрессии at значим, если (табл. 5.3)
^рег /
ЛОСТ
/-1(a).
(5-12)
5.3. Результаты дисперсионного анализа уравнений (5.11)
Источник вариации показателя Число степе- ней свободы Сумма квадратов Средний квадрат F-отношение
Регрессия, обуслов- ленная всеми фак- торами / ‘S’per *5оег Л/пег =-E!L Рег . Л/пег F - рег Рег „2 лост
То же, фактором 7?! 1 с uperi ^peri “ *^рег1 Р . ^РСТ-1 *" s2 ЛОСТ
То же, фактором R2 1 ^рег2 ^рег2 “ ^^рег2 р ^Рег2 2~ s2 ост
То же, фактором 7?, 1 A'Sper, -^рег, — А'З'рег/ ^рег, F‘ s2 ° ост
Остаток N-i-l ^ост 2 _ ^ост дост . л n — i — \ -
Сумма N-1 $0 - -
Примечания. 1. Суммы квадратов вычисляют по следующим уравнениям:
/ ч2 ( л2
^рег =ао2Ул +а12^1пЛ1 +"+а/2^/пЛ>------”----'> ’
п п п И п ”
*^ост ~ *0 — *^рег •
2. Вычисление 5^, ^рег12 9 м проводится так же, как и
5рег = 5'реГ1 ., причем коэффициенты регрессии по мере ввода переменных Rt в
анализ необходимо каждый раз вычислять заново.
146
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД
Уравнение (5.11) значимо в целом, если
Л-ег = ~^->F1;^_1(a).
5 ОСТ
(5.13)
Адекватность уравнений (5.11) проверить не удается из-за отсутствия опытных де-
талей с одинаковыми по величине параметрами качества.
Исходя из регламентированных значений Ц, по уравнению регрессии (5.11) не-
трудно определить совокупность уровней параметров качества R^ , R2*, R^, подле-
жащих технологическому обеспечению.
Регламентированное отклонение эксплуатационного показателя 57* технологиче-
ски обеспечивается, если
8Ц >81 = Jd(1), (5.14)
где D(I)~ дисперсия предсказываемого уравнением (5.11) значения эксплуатационного
показателя, определяемая с учетом рассеяния при механической обработке параметров
качества поверхностного слоя заготовки Rt с дисперсией D(Rtг):
£>(/) = D(a0)+ £>(а!)[>(£])]2 + ... + £>(a,)[A/(^)]2 + 2Я] cov (aoai)+ ... +
+ 2Rj_^ cov(al_1al)+ Z>(a1)Z>(2?1)+ ... + (a, )Z> (/?,) +
+ D^M)]2 +... + D(7?jM(a,)]2. (5.15)
Здесь D(aQ), дисперсии коэффициентов регрессионной модели; М(Д),
- соответственно математические ожидания параметров качества и коэффициен-
тов регрессии. Принимая во внимание, что D(ax) = Ctis^ и cov(aI-_1, az) = G-i^oct» где
Си и G* _1)z - весовые коэффициенты Гаусса, [M(7?z)]2 = R? и [A7(az)]2 = а2, выраже-
ние (5.15) можно компактно представить в матричной форме:
Go
Go
4Т(Я'СЯ)+4t(G)£>)+a'da = 4[u...,
Go
’Сц 0 ... О’
, 2 0 С22 ... 0 D(R2) . Г 1 Ж) a2
+ ^ОСТ + h,a2,...,a,J
0 о ... с„ jW. ai
(5.16)
Дисперсии D(7?z), входящие в уравнения (5.15) и (5.16), определяются по результа-
там механической обработки пробной партии заготовок [уравнение (5.8)].
Уравнение (5.16) упрощается, если параметры качества, включенные в регрессион-
ную модель принятого способа обработки рабочих поверхностей деталей, не коррелиро-
ваны между собой:
D(l) = £>(а0) + £р(а,)/?2 D(a,)D(/?,) +• (5-17)
1 1 1
СПОСОБ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
147
Рассмотрим случай, когда выявление совокупности параметров качества поверхно-
стного слоя деталей R}, R2 , 7?, проводится одновременно с определением уровней
технологических факторов:
1) изготовление опытной партии деталей по плану полного или дробного факторно-
го эксперимента (типа 2к или 2к~р с и повторениями);
2) измерение всех параметров качества поверхностного слоя пробных заготовок
7?!, R2 , ..., Ri9 ..., Rq, которые могут обуславливать вариацию их эксплуатационных
показателей;
3) стендовые испытания опытных деталей по плану эксперимента 2к или 2к~р (с и
повторениями или без повторений и = 1) в условиях, максимально приближенных к экс-
плуатационным с определением их эксплуатационных показателей INu в конце испытаний;
4) разработка математико-статистической модели процесса испытаний I =
= ? ^2’ •••> ’ •••’ Rq) с помощью специализированной ЭВМ (встроенной в ком-
плекс «технологическое оборудование - испытательный стенд») и выявление на основе
модели совокупности параметров качества Ri9 R2, ..., Ri9 в наибольшей мере обуслав-
ливающих вариацию эксплуатационного показателя, и уровней параметров качества
R}*, R2*, ..., R^, позволяющих технологически обеспечить его регламентированное
значение Д;
5) разработка с помощью ЭВМ математико-статистической модели процесса меха-
нической обработки в виде зависимостей Rt =Дх1, х2, Xj, ..., хк); определение на
ее основе значений технологических факторов , х2* > • > ху*> позволяющих получить
требуемые значения параметров Rt*, а также фактических значений дисперсий парамет-
ров качества D^R^);
6) проверка возможности технологического обеспечения регламентированных зна-
чений допускаемых отклонений эксплуатационного показателя +дЦ ;
7) изготовление на установленных технологических режимах основной партии деталей.
Возможен также вариант технологического обеспечения регламентированных уров-
ней эксплуатационных показателей Ц ± дЦ на основе зависимостей I ~fix\9 х2> ..):
1) изготовление опытной партии деталей по плану полного или дробного факторно-
го эксперимента (типа 2к или 2к~р си повторениями);
2) стендовые испытания данных деталей (по плану эксперимента 2к или 2к~р с и
повторениями) в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным, с опреде-
лением их эксплуатационных показателей INu и в конце испытаний;
3) разработка математико-статистической модели процесса испытаний в виде рег-
рессионной зависимости I =fix\9 х2, ..., х} )с помощью ЭВМ (встроенной в испытатель-
ный стенд) и выявление на ее основе совокупности технологических факторов х}-, обу-
славливающих в наибольшей мере вариацию эксплуатационного показателя, и уровней
Xj„ , позволяющих обеспечить требуемое значение эксплуатационного показателя Ц и
его допускаемых отклонений дЦ ;
4) изготовление основной партии деталей на установленных режимах.
148
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД
Данный вариант требует обязательных испытаний с повторениями (и > 2), что уве-
личивает их трудоемкость. Обязательным затем является соблюдение режимов (техно-
логической дисциплины) при изготовлении основной партии заготовок.
Зависимость I =Д х19 х2,..Xj) представляют в виде
I = с0 + qxj + с2х2 +...+ CjXj. (5.18)
Уравнение (5.18) должно содержать факторы, влияние которых на эксплуатацион-
ный показатель имеет большое значение (на принятом уровне значимости а), быть в
целом значимым и адекватным. Результаты испытаний представляются аналогично
табл. 5.3, а дисперсионного анализа уравнения (5.18) - в виде табл. 5.4. Для математико-
статистической обработки экспериментальных данных используют уравнения (5.2) -
(5.4) и аналогичные им (5.6) и (5.7).
Значения уровней технологических факторов , позволяющих обеспечить тре-
буемое значение Ц, определяют путем решения уравнения (5.18) методом подбора. До-
пускаемые отклонения технологически обеспечиваются, если
5/. > 57 = /{1_а/2);^„4)75(7), (5.19)
где
т /
°(')° 'UN <5-20»
Здесь D(I)~ дисперсия предсказываемого уравнением (5.18) значения эксплуата-
ционного показателя.
5.4. Дисперсионный анализ эксперимента 2к или с и повторениями
по испытанию опытных деталей (для показателя 7)
Источник вариа- ции параметров качества Число степеней свободы Сумма квадратов Средний квадрат Г-отношение
Факторы:
1 51 F\=mJs2
х2 1 52 — S2 F2=M2ls2e
XJ 1 SJ M^Sj F^Mj/s2
1 sk Мк = $к Fk=Mkls2
Регрессия (т значимых факторов из к) т т 5 per =^5у 1 *^оег Л/„г = — т „ _ A/ре,, t2 °OCT
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ 149
Окончание табл. 5.4
Источник вариа- ции параметров качества Число степеней свободы Сумма квадратов Средний квадрат F-отношение
Остаток uN-m - 1 *$ост “ $0 —5рег с 2 _ ° ост ocr~ uN-m-\ -
Неадекватность N-m-1 С - с _ с мад ^ост 2 ^ад ад А-ТИ-1 s2 - ад 2
Воспроизводи- мость N(u-1) Se s2 = е N(u-\) -
Сумма uN- 1 5о - -
Примечания. 1. N = 2k или N -2к р - число опытов по обработке пробных
заготовок. 2. Суммы квадратов вычисляются по следующим уравнениям:
Sj=Y^InuXjINw, So Nu-
N u N и \N и J /
5e = Z
N
где INu - наблюдаемое значение параметра качества при повторении и опыта N.
5.4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ
ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ДЕТАЛЕЙ
С ПОМОЩЬЮ КОМПЛЕКСНЫХ ПАРАМЕТРОВ
Задачи по технологическому обеспечению эксплуатационных показателей деталей
машин существенно упрощаются, если качество их поверхностных слоев характеризо-
вать комплексным параметром Q = R2, Rt)- В качестве комплексного может
быть взят один из предложенных в гл. 1 параметров П, Сх. Связь между эксплуатационным
показателем I и комплексным параметром качества Q может быть выражена уравнением
7=а0+а2- (5.21)
Одним из преимуществ использования комплексного показателя Q является то, что
чаще всего удается проверить и адекватность уравнения (5.21), в этом случае в качестве
повторений принимают близкие значения Q пробных заготовок (табл. 5.5). Значения
коэффициентов а0 и а определяют по следующим уравнениям:
a0=T-aQ; ° = --------J-----------тру, (5.22)
Ze2 - Zed п
п \ п ) /
где I = £/ п /п и Q-^Qnln - средние значения эксплуатационного показателя и
п п
комплексного параметра качества.
150
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД
5.5. Дисперсионный анализ уравнения (5.22)
Источник вариации эксплуатационного показателя Число степе- ней свободы Сумма квадратов Средний квадрат F-отношение
Регрессия 1 ^рег ^рег *$рег ^пег /7 — Рсг грег 2 *%ст
Остаток п-2 с ° ост s 7 о 1 II Г4 О Оз -
Неадекватность n-fe-2 ^ад Со £ м II > £ 1 ю Z7 ад “ 2 Se
Воспроизводи- мость fe Se со | II сч 03 -
Сумма п— 1 *0 — —
Примечание. Суммы квадр с _ L1 1 1 / _ ₽er « V / к ик / 1 1 степенью свободы, здесь к - число вых значений Q. Чаще всего ик = 2 свободы; 5ад =50ст -Se. атов вычисляются по следующим уравнениям: 2 п ( п \2 / > ^0 ~ X IX 1 п -> ^ост ~ ^0 ^рег » -\о к 1 опытов, в которых имеется ик примерно одинако- * 2 / :, тогда Se = с fe~ к степенью 1 /
Исходя из регламентированного значения эксплуатационного показателя Д, не-
трудно по уравнению (5.21) определить значение комплексного показателя Q*, подле-
жащего технологическому обеспечению.
Уровни технологических факторов хи, х2», ..., ху>, позволяющих получить при
механической обработке значение Q*, находят из уравнения связи между параметром
качества и технологическими факторами
2 = Z)0+Z)1x1 + b2x2 + ... + bjXj, (5.23)
коэффициенты которого определяют по результатам математико-статистической обра-
ботки экспериментов типа 2к или 2к~р [уравнение (5.6)].
Допускаемые отклонения S/* технологически обеспечиваются, если
8/. >6/=Z(1_a/2). „_27Б(7), (5.24)
где £>(/)- дисперсия предсказываемого уравнением (5.21) среднего значения I.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД
151
Если уравнение (5.21) представить в виде In =1 + a(Qn -Q), то дисперсию D(T)
можно вычислить следующим образом:
D(f„) = d(z)+ D(a)D{Qn -Q)+ D{a\M(Qn - + D(Qn -ёМОГ (5-25)
или, учитывая, что D{I) = s2„ In, D(a) = s2CT /(Q„ ~q)2 , D(Q„ -Q) = D(Q„),
I 1
[M(a)] = а2 и a2 = J(ln -I)2 /£(Q„ - Q)2 ;
= sper/s0 = i-sOCT/s0 =1-4т(«-2)Д(/„-/)2,
после несложных преобразований получаем
du )=—+— [ж)+(е„ - q )2 ]+d(q„ fi - s 2СТ
п Ш-ё)2 1
Значения D(Qn) определяют по уравнению
1О2
Ж) =------Ч-----& (5-27)
uN
используя результаты дисперсионного уравнения (5.23), представленные в виде табл. 5.5.
5.5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ
СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ДЕТАЛЕЙ
Одной из важных и сложных проблем, стоящих перед современным машинострое-
нием, является, в частности, разработка и производство машин с оптимальными экс-
плуатационными свойствами рабочих поверхностей их деталей. Только на путях реше-
ния данной проблемы возможно достижение наибольшей экономии материальных, энерге-
тических и трудовых ресурсов, на что в мировой практике обращается огромное внимание.
В соответствии с современными представлениями о влиянии параметров качества
поверхностного слоя деталей на их эксплуатационные свойства необходимо технологи-
чески обеспечивать следующую совокупность параметров: М9 FT, R, 77, о, 5 и т, где М9 W
и R - соответственно показатели макрогеометрии, волнистости и шероховатости обрабо-
танной поверхности; Н, а, 5 и т - соответственно показатели, характеризующие упрочнение,
напряженность, физическое и химико-физическое состояния поверхностного слоя.
В частности, если для детали узла трения качество поверхностного слоя оценивать
комплексным параметром Q =ЦМ9 W, R, Н, а, 5, т), то для конкретного узла трения (оп-
ределенные конструкция и условия функционирования) эксплуатационным показателем
будет I =f (2i, g2), где Q\ и Q2 - соответственно комплексные параметры качества по-
верхностного слоя контактирующих деталей.
В большинстве случаев функция является линейной:
/ = Я0 +^0! +Я222’ (5.28)
где «о, #!, а2 - коэффициенты.
152
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД
Рис. 5.1. Системно-структурная модель
процесса обработки, включающего в себя
две операции:
1 - плоскость упрочняющей обработки;
2 - плоскость отделочной обработки;
бц и e2i - инструмент; 6i2 и е22 - заготовка;
ей и е23 - смазочно-охлаждающая жидкость;
614 и б24 - окружающая среда
Тогда для дисперсии Z>(7), характери-
зующей рассеяние эксплуатационных пока-
зателей относительно их средних значений,
будем иметь
Z>(7) = D(aQ) + D(ar ) + a2D(Q{) +
+ Q2D{ax) + D(a2)D(Q2) +
+ a2D(Q2)+Q2D(a2), (5.29)
где jD(«o)? D(ai) и D(a2) - дисперсии коэф-
фициентов a0, ль а2; D(Qi) и D(Q2) - дис-
персии комплексных параметров качества
поверхностного слоя контактирующих де-
талей; 21 и Q2 - значения параметров каче-
ства, при которых обеспечивается заданное
значение I.
При известном значении Z>(7) Р%-ные
доверительные интервалы ±А/ для средне-
го значение / равны
М = Кр4Щ), (5.30)
где Кр - коэффициент, зависящий от закона
распределения эксплуатационного показа-
теля I.
Комплексные показатели качества по-
верхностного слоя 21 и Q2 формируются в
ходе выполнения конкретных технологических маршрутов обработки контактирующих
поверхностей деталей. Системно-структурная модель такого технологического маршру-
та, включающая в себя две технологические операции (например, упрочняющую и отде-
лочную), представлена на рис. 5.1.
Для конкретных методов обработки и условий их осуществления (материал заго-
товки, режимы обработки, характеристики инструмента, смазочно-охлаждающая жид-
кость и окружающая среда) выходные параметры технологических операций {yj и
{у2}, характеризующие свойства обработанных поверхностей заготовок:
W = /ilW>^(ei 1)^12)]; 1
{У2} = /2[{х2},Р(е21),Р(е22)],1 1 }
где {xj и {х2} - входные параметры технологических систем; Р(еп) и Р(е21) - свойст-
ва инструментов; Р(е12) и Р(е22) свойства заготовок.
Очевидно, что комплексный параметр качества 2 (21 или Q2) формируется с уче-
том влияния технологической наследственности. Исходные и промежуточные свойства
заготовки P(ei2) и Р(е22) могут, как известно, наследоваться или подавляться.
Как показывает опыт, связи между параметрами качества поверхностного слоя и
технологическими факторами можно описать линейными зависимостями
21 = ^10 + л 1 + W12 + • • •+Мн + • • •+£1Л;
02 ~ £20 + £21 х21 + ^22х22 + • • • + b2jX2j + ... + Ъ2тХ2т,
(5.32)
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД
153
где хн и x2j - технологические факторы, к которым относятся входные параметры {х} и
параметры, характеризующие свойства инструмента и заготовки; пит соответствуют
числу технологических факторов, под влиянием которых формируются параметры каче-
ства й и б2 .
Для выявления зависимостей для I, Qx и Q2 может быть применен эксперименталь-
но-статистический метод, базирующийся на множественном регрессионном анализе
экспериментальных данных. При этом для определения зависимостей для Qi и Q2 можно
использовать более простой метод планирования экспериментальных исследований, ко-
гда технологические факторы х рассматриваются на двух уровнях: верхнем (X = +1) и
нижнем (А= -1). В этом случае
S2 S2
o(a)=^-(i+Pi2); o(a)=-^-(i+p^), (5.33)
uxNx u2N2
где si - дисперсия воспроизводимости параметра Q; р - расстояние от центра плана
эксперимента до точки области варьирования факторов, в которой обеспечивается за-
( п т
данное значение 2 р? = и Р2 = ; и - число параллельных опытов в плано-
17
вых экспериментах; N - число опытов планового эксперимента, например полного фак-
торного, когда NX-2P и N2 = 2q, где р и q - соответственно число принятых в экспе-
рименте факторов.
В общем случае п <р и т < q.
На основе изложенного выше можно рекомендовать следующий подход к техноло-
гическому обеспечению эксплуатационных свойств соединений деталей машин.
1. Выбор технологических маршрутов обработки рабочих поверхностей контакти-
рующих деталей соединений на основе имеющегося опыта. При этом принимаются во
внимание технологические возможности по обеспечению эксплуатационного показателя
соединений в пределах, покрывающих его заданное значение.
2. Проведение для каждого принятого технологического маршрута эксперимен-
тальных исследований по изготовлению опытных заготовок на основе, например, орто-
гональных планов 2к или 2к~р.
3. Оценка параметров качества поверхностного слоя обработанных поверхностей
заготовок: М, W, R, а, 5 и т. Если выражения для этих показателей качества заранее
неизвестны, можно на данном этапе оценивать элементарные параметры качества:
Ятах - наибольшую величину макроотклонений; Wz и Smw - соответственно среднюю
высоту и шаг волнистости; Ra, Rp или R max - высотные параметры шероховатости:
среднее арифметическое отклонение, высоту наибольшего выступа или максимальную
высоту неровностей; Sm и р - шаг неровностей по средней линии и радиус скругления
их вершин; tm и v - относительную опорную длину профиля на уровне средней линии и
параметр, характеризующий кривизну начального участка опорной кривой профиля; HV
и h - соответственно микротвердость приповерхностного слоя и глубину упрочнения.
Таким образом, на данном этапе надлежит контролировать, по крайней мере, 12
элементарных показателей качества. Необходимость контроля такого большого числа
параметров обусловлена тем, что, как правило, заранее неизвестна та совокупность па-
раметров качества, которая в наибольшей мере будет обуславливать эксплуатационный
показатель рассматриваемой пары трения.
154
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД
4. Формирование из числа опытных деталей партии опытных соединений.
5. Проведение для каждого опытного соединения эксплуатационных испытаний в
условиях, максимально приближенных к реальным, и оценка для каждого соединения
эксплуатационного показателя I.
6. Выявление на основе методов множественного регрессионного анализа совокуп-
ности элементарных параметров качества поверхностного слоя, в наибольшей мере
влияющих на эксплуатационный показатель I.
/ = а0 +а117?11 +a12^i2 + ...+аьЯь + ...+а1л7?1л +
+а21^21 +а22^22 +---+a2jR2J + -+а2т^2т’ (5.34)
где Ru и R2j - элементарные показатели качества поверхностного слоя деталей опыт-
ных соединений.
Формирование комплексных показателей качества Q} и Q2:
21 = ацЯц +«12^12 + ••• +а1Аr + ... +ai„7?i„;
Q2 = а21^21 + а22^22 + • • • + 0-2jR2j + • • • + а2т&2т’
проведение повторного регрессионного анализа с целью выявления зависимости для /,
определение коэффициентов а0, «ь а2, значений дисперсий D(ao), D(ai) и D(a2), а также
значений показателей качества Qi и Q2, соответствующих заданному значению эксплуа-
тационного показателя L На данном этапе следует проверить, находится ли заданное
значение I среди значений эксплуатационных показателей, соответствующих опытным
узлам трения. В противном случае предыдущие этапы надо повторить с внесением необ-
ходимых изменений по принятым методам обработки, рассматриваемым технологиче-
ским факторам и уровням их варьирования.
7. Выявление известными статистическими методами зависимостей между Qb Q2 и
технологическими факторами и x2j-. Определение коэффициентов Ью, ..., Ь\п и
Ь2о, уровней факторов хп, xi2,..х\п и х2ь х22,..., х2т, обеспечивающих требуемые значе-
ния параметров качества Q\ и Q2 и эксплуатационного показателя 7, а также определение
значений дисперсий Z>(2i) и D(Q2). Следует принимать такие уровни технологических
факторов, которым бы соответствовали минимальные дисперсии D(2i) и D(Q2>-
8. Оценка возможности технологического обеспечения допускаемых отклонений
|AZ| эксплуатационных показателей /, для чего необходимо вычислить значение диспер-
сии Z>(7) и Р%-ные, например 95%-ные, доверительные интервалы AZ. Если |AZ| > AZ,
задача технологического обеспечения эксплуатационных свойств рассматриваемого со-
единения решена. Если | AZ |< AZ, надо возвратиться к этапу 7 и изыскать пути умень-
шения дисперсий D(0i) и D(Q2), а затем, если это не приведет к решению поставленной
задачи, то к этапам 2 и 1.
Заданное отклонение | AZ | индивидуального сопряжения технологически обеспе-
чивается, если
—-f(1 а/2);иУ 2 J--< q = (5.36)
d№^^-Q'cQ+cod) So1
uN -2
где ^(1-а/2);мУ-2 ~ квантиль Стьюдента, соответствующий принятому уровню значимости
а и числу степеней свободы uN- 1 (обычно принимают a = 0,05),
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКОГО МЕТОДА 155
0)0
A'DA = , а2 ]
Z>(02 ). .а2.
Q'CQ = [1,Q,Q2] с,0
Qo
(Соо... С22 - весовые коэффициенты Гаусса);
Сн 0 р(й)'
О С22_
q - критерий функциональной значимости зависимости между Г и Q1, Q2 ; S0CTl и SoI -
соответственно остаточная и общая суммы квадратов, определяемые по результатам
дисперсионного анализа уравнения связи между Iи Ql9Q2.
9. Изготовление основной партии деталей с контролем параметров их качества Q\ и
Q2, формирование основной партии соединений, выборочные испытания соединений с
контролем их эксплуатационного показателя I. Корректировка по результатам выбороч-
ных испытаний значений Qi и Q2 и внесение при необходимости изменений в конструк-
торскую и технологическую документацию.
Рассматриваемый экспериментально-статистический метод технологического обес-
печения эксплуатационных свойств соединений деталей машин довольно трудоемок,
требует широкого применения электронно-вычислительной техники и экономически
оправдан, очевидно, для ответственных соединений, определяющих работоспособность
машины в целом. Усложняется при этом и технологический процесс изготовления дета-
лей: необходимо контролировать в ходе технологического процесса обеспечение не
только числовых значений комплексных параметров качества Q\ и Q2, но и их дисперсий
D(Q\) и D(Q2), что требует применения автоматизированных систем контроля. Необхо-
дима и специальная подготовка инженерно-технического персонала, связанного с разра-
боткой технологических процессов изготовления и непосредственно с изготовлением
узлов трения машин.
Натурные испытания, проводимые на этапах 5 и 2, могут быть заменены статисти-
ческими испытаниями с помощью ЭВМ на имитационных моделях процессов контакт-
ного взаимодействия деталей. Для этого необходима разработка моделей, которые адекват-
но описывали бы данный процесс.
5.6. ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКОГО
МЕТОДА В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ
Технологическое обеспечение параметров шероховатости при абразивной обра-
ботке. Образующиеся на поверхности детали при шлифовании микронеровности можно
рассматривать, в известной мере, как кинематическое отображение профиля рабочей
поверхности круга. В этой связи после выбора шлифовального круга, шлифовального
станка и смазочно-охлаждающей жидкости технологическое управление параметрами
шероховатости возможно лишь на основе изменения условий правки шлифовального круга.
Для исследования влияния режима правки при круглом шлифовании на шерохова-
тость обрабатываемой поверхности был проведен двухфакторный эксперимент 22 с дву-
мя повторениями, план которого приведен в табл. 5.6.
5.6. План эксперимента, номинальные значения параметров шероховатости поверхности
стальных деталей после круглого шлифования
№ опыта Матрица плана 22 Параметр шероховатости
х2 Ra, мкм Rp, мкм 7?тах, мкм ^тах
1 -1 -1 0,84 2,79 3,30 5,66 6,36
0,84 2,74 3,26 5,55 6,58
2 +1 -1 1,43 3,62 2,51 8,22 5,70
1,31 3,58 2,65 7,76 5,81
3 -1 +1 0,81 2,84 3,48 5,55 6,82
0,77 2,84 3,68 5,64 7,31
4 +1 +1 1,42 3,71 2,58 8,55 5,96
№ опыта х2 tm, % V Sm, мкм р, мкм А
49,7 1,80 31,7 31,8 0,185
1 -1 -1
49,8 1,78 33,7 29,9 0,264
52,1 1,65 60,1 48,7 0,148
2 +1 -1
52,8 1,68 51,1 48,4 0,231
50,2 1,66 30,8 32,8 0,270
3 -1 +1
50,2 1,81 29,9 31,9 0,283
53,4 1,68 63,4 54,3 0,134
4 +1 +1
52,9 1,63 63,3 46,8 0,193
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКИИ МЕТОД
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКОГО МЕТОДА 157
Первый фактор vM (скорость перемещения правящего инструмента) изменяется
от 0,2 (Ху = -1) до 1,7 м/мин (Ху = +1), второй фактор Nq (скорость вращения детали) -
от 8,8 (Х2 = -1) до 37,7 м/мин (Х2 = +1). Шлифованию подвергались заготовки из стали 45
кругами из белого электрокорунда на керамической связке (40АСМ2К) на круглошли-
фовальном станке мод. 3M153. В качестве правящего инструмента использовался алмаз
в оправе типа I ГОСТ 22908-78. Средние значения параметров шероховатости, опреде-
ленные по 20 базовым длинам (/б = 0,8 мм) приведены также в табл. 5.6.
Как показывают результаты дисперсионного анализа экспериментальных данных,
скорость перемещения правящего инструмента (фактор Ху) оказывает наибольшее влия-
ние на формирование параметров шероховатости обрабатываемых поверхностей Ra, Rp,
кр, 7?max, £max, tm, Sm и р. Скорость вращения заготовки (фактор Х2) оказывает влияние
лишь (на уровнях значимости а = 0,05) на формирование параметра Rp. В принятых
условиях шлифования факторы Ху и Х2 не сказываются на вариации параметров шерохо-
ватости v и А.
Методами регрессионного анализа выявлены следующие зависимости между пара-
метрами шероховатости и технологическими факторами Ху и Х2:
Ra = (1,11 + 0,ЗА\ )± 0,15 мкм;
Rp = (3,25 + 0,45^) + 0,07 X2 » (3,25 + 0,45 ^)± 0,29 мкм;
кр = (3,01 - 0,41Xj)± 0,21;
7?тах = (6,95 +1,35 )± 0,08 мкм;
Лтах = (6,3-0,46^) ±0,82;
Zm = (51,4+ 1,4^) ±1,2 %;
v = 1,71 ±0,18 %;
Sm = (45,5 +14,0А'1)± 11,6 мкм;
р = (40,6 + 9,0^) ± 6,8 мкм;
А = 0,213 ±0,156.
(5.37)
В уравнениях, содержащих технологический фактор Ху указаны 95%-ные довери-
тельные интервалы на границах плана эксперимента, когда Ху = ±1. В центре плана дан-
ные интервалы немного уже. Доверительные интервалы подсчитаны для параметров
шероховатости индивидуальных заготовок по зависимости (5.7).
Уравнения (5.37), содержащие Ху, являются, как показывают результаты их диспер-
сионного анализа, высокозначимыми и адекватными. Для уравнений вида R = R неаде-
кватность незначима.
Очевидно, в процессе механической обработки трудно обеспечить совокупность
заданных произвольно значений параметров шероховатости. Параметры шероховатости,
величины которых формируются под влиянием фактора Ху, оказываются взаимозависи-
мыми. Величины некоторых параметров (v и А), наоборот, независимы. Для рассматри-
ваемых условий шлифования корреляционные связи между параметрами Rp, 7?max, tm,
Sm, р и параметром Ra оказываются тесными, почти функциональными [коэффициенты
парной корреляции находятся в пределах 0,947...0,993, критическое же значение коэф-
158
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД
фициента парной корреляции -^(1-0,01/2); 6 =0,834]. Номинальные значения этих парамет-
ров могут быть вычислены по следующим уравнениям:
Rp = 1,574-1,527?^;
Яшах = 1,89 + 4,567?а;
tm = 46,3 4- 4,67ta;
5w = -7,7 + 47,97ta;
p = 8,14- 29,27ta (размерность см. в табл. 5.10).
(5.38)
Таким образом, обеспечение в принятых условиях обработки заданных значений
параметра шероховатости Ra автоматически приводит к получению определенных зна-
чений параметров Rp, 7?max, tm, Sm и p.
Исходя из результатов проведенных исследований, можно рекомендовать следую-
щий способ обеспечения параметров шероховатости при шлифовании:
1) обработка пробных партий заготовок (одинакового объема п) шлифовальным
кругом, правка которого осуществляется при двух продольных подачах правящего инет-
румента Ипр| и Кпр2;
2) измерение на обработанных поверхностях параметров шероховатости, подлежа-
щих технологическому обеспечению, R^ и > гДе _ условное обозначение пара-
метров Ra, Rp, кр, Яшах, fcmax, tm, Sm и др.; i - номер пробной заготовки партии;
3) оценка влияния продольной подачи правящего инструмента Кпр на параметры
шероховатости R, для чего вначале вычисляют средние значения параметров R^ и
“ И(1) + 5я(2)] (с 2и - 2 степенями свободы), где
2"
_ _ 1 п
Т?(2) и их дисперсий sR =
п
If "
1
п-1
П
вычисление дисперсии проводится в предположении однородности дисперсий и
5^(2) , поскольку условия обработки пробных заготовок идентичны (при необходимости
данное предположение проверяют по критерию Фишера и устраняют причины, порож-
дающие неоднородность дисперсий);
4) выявление уравнений связи между параметрами шероховатости и режимами
правки круга:
R = I"RM - К (1) *(2) -
L (,) ^’Чаг^)]
+ ^пр v v >
(5.39)
если |Я(1)-Я(2)|/75я/2'г ?(1-а/2);(2л-2), где ?(]-а/2);(2»-2)~ критерий Стьюдента, и
R =
(5.40)
если |^(1) “ ^(2)| /^]sR/2n < ^(1-а/2);(2и-2)’
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКОГО МЕТОДА 159
5) определение режимов правки, обеспечивающих достижение при шлифовании за-
данных параметров шероховатости R*,
у _ ^пр(1) +Р^пр(2)
щ> Я* 1+R
(5-41)
где Р = [7?*]/[Т?(2)-Т?(1)] (по данному уравнению рассчитывается значение К ф
для тех параметров шероховатости, на формирование которых влияет режим правки
шлифовального круга); в качестве рабочего режима правки V * , применяемого при
обработке основной партии заготовок, следует принять, очевидно, среднее значение из
числа величин К », рассчитанных по уравнению (5.41);
6) определение возможных отклонений параметров шероховатости отдельных заго-
товок основной партии заготовок (с доверительной вероятностью 1 -а)
1 V • ~
1 v ПР
2" ?ь>
е 2 1 А
=/(1-а/2)(2л-2) 5яу + т“ +
(5.42)
где ИПр [ГПр(1) + ГПр(2)]/2,
7) обработка основной партии заготовок шлифовальным кругом, правка которого
осуществляется с продольной подачей V , .
Технологическое обеспечение совокупности информативных параметров неровно-
стей поверхности деталей машин. Исследования взаимосвязей между параметрами не-
ровностей при различных законах распределения ординат профиля шероховатой по-
верхности позволяют выявить совокупность так называемых информативных парамет-
ров неровностей, через которые могут быть выражены их функциональные параметры.
Нетрудно показать, что и дисперсии функциональных параметров неровностей могут
быть выражены через дисперсии информативных параметров.
Если распределение ординат профиля незначительно отличается от закона Гаусса,
то в качестве информативных параметров неровностей можно принять Rq (среднее
квадратическое отклонение ординат профиля), А и Е (асимметрия и эксцесс плотности
распределения ординат профиля), Rqv (среднее квадратическое отклонение ординат
первой производной профиля) и Ev (эксцесс плотности распределения ординат первой
производной профиля).
Использование совокупности таких параметров для оценки шероховатости поверх-
ности деталей позволяет существенно упростить задачи технологического управления
их эксплуатационными свойствами. В этой связи можно предложить следующий способ
технологического обеспечения параметров равновесной шероховатости:
1) изготовление опытной детали по плану полного или дробного факторного экспе-
римента (2к или 2к~р )си повторениями;
2) измерение совокупности информативных параметров Rq, А, Е, Rqv и Ev шерохо-
ватости поверхностей, подлежащих приработке;
3) изготовление партии из w0 опытных деталей в центре плана эксперимента, когда
технологические факторы принимают средние значения (х7 = 0);
160
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД
4) приработка таких деталей на испытательном стенде в условиях, близких к экс-
плуатационным;
5) измерение совокупности информативных параметров шероховатости на прира-
ботанных поверхностях опытных деталей и определение по результатам измерений
средних значений параметров Rq*, A^E^Rq^* Ev*, 1 - а 95%-ных интервалов ин-
формативных параметров ±8Rq*, + 8А*, ±8£», ±8Rqy* и ±8£v#;
6) разработка с помощью ЭВМ математико-статистической модели принятого спо-
соба обработки по результатам измерений информативных параметров шероховатости и
определение на ее основе технологических режимов, позволяющих получить при меха-
нической обработке числовые значения информативных параметров равновесной шерохова-
тости Rq*, A*,E*,Rqv*, Е^* и обеспечить отклонения 8Rq*, 8А*, 8Е*, 8Rqy* и 8Е^*;
7) обработка на установленных технологических режимах основной партии заготовок.
Информативные параметры Rq, А, Е шероховатости определяются по ординатам
профиля Zh пересчитанных относительно средней линии, положение которой находится
методом наименьших квадратов, а информативных параметров Rqv, Ev - по ординатам
первой производной профиля zvi = -zw)/80, где 80 - шаг дискретизации исследуе-
мого профиля:
Z \1/2 Z
Л 1 п Л ( 1 п „
кя = = -S4
1 J 1
. 1 v 3
А =---rLz>
nRq3 T
1 n . 1 n
^^-3; Ev= ‘ £z4-3.
nRq i nRqv i
(5.43)
Рассмотрим предлагаемый способ решения технологической задачи по обеспече-
нию функциональных параметров равновесной шероховатости на конкретном примере.
Для оценки влияния технологических факторов при вибрационной обработке ал-
мазными эластичными брусками на информативные параметры шероховатости Rq, А, Е,
Rqv и Еу наружных цилиндрических поверхностей образцов из стали 40Х (HRC3 35) про-
веден полный факторный эксперимент 22 с четырьмя повторениями.
При этом были выбраны следующие технологические факторы и интервалы их
варьирования: фактор Х\ - скорость вращения заготовки v (12,8...6,4 м/мин); фактор
Х2 - номинальное давление алмазного бруска на обрабатываемую поверхность q
(0,5...0,1 МПа). Частота осцилляции брусков была постоянной, а именно 1500 дв. ходов
в минуту с амплитудой 4 мм. Время обработки составляло 10 с. Обработка осуществля-
лась при охлаждении керосином. Результаты экспериментальных исследований приве-
дены в табл. 5.7.
Обработка экспериментальных данных методами регрессионного анализа позволи-
ла получить следующую систему уравнений:
Rq = 0,67 + 0,06^ +0,09У2 -0,04Х,Х2; s2 = 5Ю’3;'
Л = 0,17 ±0,41;
Е = 0,88 ±0,54;
Rqv =0,05 ±0,01;
Ev =3,05 ±1,16Xt;
s2=0,6;
s2=0,97;
s2 = 7-10’4;
s2 =3,45.
(5.44)
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКОГО МЕТОДА 161
5.7. План эксперимента и информативные параметры шероховатости
обработанных поверхностей
№ опыта Факторы А Е &7v Ev
X х2
0,763 0,735 1,090 0,055 1,281
1 -1 -1 0,662 0,606 -0,303 0,075 1,509
0,606 -0,345 -1,182 0,044 2,055
0,604 -0,579 0,315 0,045 1,203
0,927 -0,669 0,511 0,051 2,567
о 1 1 1 0,917 0,191 0,763 0,074 3,840
Z +1 —1 0,754 0,841 0,926 0,046 3,523
0,828 0,051 0,546 0,049 4,462
0,561 0,268 0,405 0,059 5,137
о 1 11 0,543 0,345 0,328 0,049 1,456
э —1 +1 0,581 -0,863 1,049 0,038 0,569
0,533 0,173 1,464 0,049 1,912
0,659 1,274 4,212 0,069 4,272
л 11 11 0,602 1,014 0,313 0,064 2,958
4 +1 +1 0,638 -1,207 1,824 0,032 2,822
0,489 0,183 1,765 0,034 9,228
Для параметров А, Е, Rqv и Ev указаны 95%-ные доверительные интервалы.
В центре плана Хх = Х2 = 0 (v = 10 м/мин и q = 0,3 МПа) были изготовлены опытные
образцы, которые подвергались испытанию на изнашивание на машине трения МИ-1М
при граничной смазке маслом ’’Индустриальное-12” при скорости скольжения 0,9 м/с и
давлении 2,2 МПа в паре с контртелом из бронзы БрО5Ц5С5. С приработанных поверх-
ностей цилиндрических образцов снимались профилограммы, по ординатам которых
рассчитывались информативные параметры равновесной шероховатости. Измерения
дали следующие результаты: Rq* = 0,52 мкм [D(Rq*) = 0,009]; Л = -0,35 [£>(Д,) = 0,20]
(л =-0,35 ±0,62); Е, =1,46 [Е>(Е,) = 1,22]; 7?^. =0,04 мкм/мм [е>(е^.)=3 10^]
(Rqv. = 0,04 ± 0,02); Еу. =1,98 [e>(Ev.) = 0,89] .
Решив систему уравнений (5.44) для данных значений информативных параметров,
получим из уравнения для Е*-Х2 = +1,07 ~ +1, из уравнения для Е*-Х2 = -0,92 ® -1.
Тогда Rq* = 0,55 «0,52 при Х{ = -1 и Х2 = +1, D(Rq)=s2e{t + Xf + X22)/mN = 5-10’3х
х(1 + 1 + 1)/4-4 = 9Ю"4 <Е>(/?/)=9Ю~3, т.е. допускаемые отклонения для параметра
Rq* технологически могут быть обеспечены. Нетрудно показать, что при X] = -1 и Х2 = +1
технологически обеспечиваются и допускаемые отклонения для параметров Е* и Е^ :
Е>(е)= 0,12 <Е>(Е,) = 1,22; E>(EV)= 0,43<d(e^)= 0,89.
162
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД
Значения параметров Л» и Rqv ♦ для принятых условий механической обработки не
зависят от уровней варьирования технологических факторов и, как показывает матема-
тико-статистический анализ, по величине они практически не отличаются от аналогич-
ных информативных параметров равновесной шероховатости (их доверительные интер-
валы взаимно перекрываются).
Таким образом, обработка алмазными эластичными брусками применительно к
рассматриваемым условиям эксплуатации трущейся пары обеспечивает информативные
и, следовательно, функциональные параметры равновесной шероховатости (по номи-
нальному значению и допускаемым отклонениям) на следующих уровнях варьирования
технологических факторов Xi = -1 (v = 6,4 м/мин) и Ai = +1 (q = 0,5 МПа).
Технологическое обеспечение показателей износостойкости деталей при комбини-
рованной обработке на основе электромеханического упрочнения. Для исследования
влияния технологических факторов на параметры качества поверхностного слоя и пока-
затели износостойкости цилиндрических деталей из стали 45 был проведен дробный
факторный эксперимент 26-3 (табл. 5.8).
5.8. План эксперимента 2*~3 и показатели износостойкости трущихся пар
№ опыта Фактор Износ
х2 Х3 х* Хз Хь образца и0, мкм контртела мк, мг
1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 12 3,79
2 +1 -1 -1 +1 +1 +1 5 0,67
3 -1 +1 -1 +1 +1 -1 5 0,55
4 +1 +1 -1 -1 -1 +1 14 1,62
5 -1 -1 +1 +1 -1 +1 14,5 1,41
6 +1 -1 +1 -1 +1 -1 6 0,57
7 -1 +1 +1 -1 +1 +1 9 0,48
8 +1 +1 +1 +1 -1 -1 13 2,99
В качестве факторов рассматривались:
- способ предварительной обработки упрочняемых поверхностей: точение рез-
цами из сплава РЗО (Х\ = +1) и шлифование кругами из электрокорунда (Х\ = -1);
Х2 - параметр шероховатости Ra, мкм, предварительно обработанных поверхностей,
равный 0,9 (Х2 = +1) и 2,8 (Х2 = -1);
Х3 - сила тока I, А, при электромеханическом упрочнении величиной 1100 (Jf3 = +1)
и 600 (Х3 = -1);
Х4 - длительность импульсов тока ти, с, равная 0,4 (Х4 = +1) и 0,1 (Х4 = -1);
Х5 - способ чистовой обработки упрочненных поверхностей: шлифование кругами
из электрокорунда (Х5 = +1) и точение резцами из гексанита (Х5 = -1);
Х6 - способ отделочной обработки упрочненных поверхностей: алмазное выглажи-
вание (Х6 = +1) и виброполирование эластичными брусками из алмазов АС2 (Х$ = -1).
Электромеханическое упрочнение осуществлялось роликом из меди диаметром 57
и шириной 3 мм. Ролик прижимался к упрочняемой поверхности с силой 120 Н. Ско-
рость вращения заготовки составляла 0,47 м/мин. При охлаждении использовалась жид-
кость, содержащая NaCO3, NaNC>2, NaNO3 соответственно 0,7; 2 и 5 %, остальное - вода.
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКОГО МЕТОДА 163
Изнашивание упрочняемых образцов из стали 45 (диаметром 50 мм) проводилось
на машине трения СМЦ-2 с контртелами из бронзы БрО5Ц5С5 при скорости скольжения
1,09 м/с и давлении 4 МПа в условиях граничного трения. В табл. 5.8 приведены данные
по износу элементов трущейся пары после 125,16 км пути трения (для контртел) и, со-
ответственно, 18,22 км (для образцов).
Очевидно влияние условий комбинированной упрочняюще-отделочной обработки
на величины и0 и ик (табл. 5.9). Как показывают результаты дисперсионного анализа, на
величину износа образцов и0 влияет в основном фактор Х5, а на величину износа контр-
тела - факторы Х5, Х6 и взаимодействие Х2Хз:
и0 = 9,81- 3,56 Х5;
ик = 1,51 - 0,94X5 - 0,46Х6 + 0,47Х2Х3.
Первое уравнение объясняет 87,6 % вариации величины и0, второе - 96,7 % измене-
ния величины мк.
(5.45)
5.9. Результаты дисперсионного анализа величин износа образцов (в числителе)
и контртел (в знаменателе)
Источник изменения Число степеней свободы Сумма квадратов Средний квадрат F-отношение
1 0,781 0,018 - -
х2 1 1,531 0,080 1,531 3,77
*3 1 5,281 0,174 5,281 0,174 13,0 2,8
^4 1 1,531 0,088 1,531 3,77
*5 1 101,531 7,106 101,531 7,106 249,9* 114,5*
Л, 1 5,281 1,730 5,281 1,730 13,0 27,9**
Взаимодей- ствие 1 0,031 1,786 1,786 28,8**
Сумма 7 115,968 10,923 - -
Ошибка * Fl;2 =9? 2 3 >,5, F1; з = 34,0 на у 0,812 0,186 ровне значимое™ 0,406 0,062 I а = 0,01; -
** F1; 2 = 18,5, F1; з = 10,1 на уровне значимости а = 0,05 .
164
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД
При формировании вывода о влиянии исследуемых факторов на величины износа
образцов uQ и мк следует учитывать возможное смешивание отдельных факторов. Дан-
ному эксперименту, определяющими контрастами которого являются соотношения
Х4 = Х\Х2Х^ Х5 = ~Х\Х2 и Х6 = -Х1Х3, соответствует следующая система смешивания
влияния факторов (взаимодействия факторов более высоких порядков не учитывались):
Х^-Х2Х5-Х3Х6;]
Х2^-Х1Х5-Х4Х6-
х3«-х3х6-хАх5-,
х4«-х3х5-х2х6;.
х5*-х,х2-х3хА,
(5.46)
х6 «-Х]Х3-х2х4;
Х2Х3®Х5Х6.
(5.47)
Несомненно влияние взаимодействия Х3Х4 на изменение значений и0 и wK, посколь-
ку оно в значительной мере определяет величину микротвердости упрочненных поверх-
ностей образцов, а также взаимодействия Х$Х6, под влиянием которого формируется
микрогеометрия рабочих поверхностей образцов. В этой связи уравнения для и0 и ик
можно переписать следующим образом:
и0 = 9,81 + 3,56Х3Х4;
wK = 1,51 + 0,94X3X4 - 0,46Х6 + 0,47Х5Х6.
Из данных уравнений следует: для того чтобы минимизировать величины износа
элементов трущейся пары, электромеханическое упрочнение деталей из стали 45 необ-
ходимо осуществлять при сочетании факторов Х3 = +1 (I = 1100 А) и Х4 = -1 (ти = 0,1 с)
или Х3 = -1 (/ = 600 А) и Х4 = +1 (ти = 0,4 с), чистовую обработку упрочненных поверх-
ностей следует проводить точением резцами из гексанита (Х5 = -1), а отделочную - ал-
мазным выглаживанием (Х6 = +1).
Параметры качества поверхностных слоев деталей из стали 45 после рассматривае-
мой комбинированной обработки, включая наибольшую высоту волнистости Wmax и
шаг волны по средней линии Smw, а также наибольшее отклонение от круглости Ятах,
приведены в табл. 5.10, а результаты их дисперсионного анализа - в табл. 5.11. Влияние
факторов, определяющих условия комбинированной обработки, может быть выражено
следующими уравнениями:
Ra = 0,65 - 0,06Х2 - 0,36Х3 - 0,16Х6 + 0,08Х2Х3;
Rp = 1,71-0,85^ "0,38Х6;
R max = 3,71 -1,5 8Х5 - 0,95Х6;
mt = 52,4;
5m = 48,9-12,6X5;
v = 1,76-0,06Х] +Ц4Х5 -0,06Х6;
р = 181,5;
А = 0,048 + 0,02X5 - 0,02Х6;
(Утах = 8,8-3,35X5;
Smw =914,8-197,5Х3 -178,6Х5;
Ятах = 20,9;
Яц = 7335,1 + 235,2Х4 +186,8Х5 (размерность см. в табл. 5.10).
(5.48)
5.10. Параметры качества поверхностных слоев упрочненных деталей из стали 45
№ опыта Параметр шероховатости Параметр волнистости Отклонение формы Яшах, мкм Микротвер- дость Ям, МПа
Ra, мкм Rp, МКМ Ятах, мкм tm, % Sm, мкм V Р, мкм А IFmax, мкм Smw, ММ
1 1,31 3,02 7,62 56,3 68,92 1,75 139,7 0,113 7,32 0,736 12,5 7508,5
1 1,47 3,59 6,45 51,8 51,30 1,89 107,3 0,089 15,53 1,065 14,5 7347,9
о 0,32 0,58 1,27 48,8 43,49 1,75 213,0 0,009 3,04 1,595 12,5 7376,7
0,20 0,59 1,44 51,0 41,18 1,77 206,9 0,007 4,17 1,101 8,0 7434,9
0,32 0,98 2,58 55,4 29,04 2,03 83,9 0,024 12,89 0,884 28,2 7082,4
□ 0,38 1,16 2,79 54,9 29,94 2,01 77,6 0,025 11,14 0,754 7,0 7517,4
л 0,59 1,60 3,72 50,4 69,89 1,42 852,2 0,032 12,72 1,102 15,4 7538,3
4 0,79 2,76 5,99 50,3 61,80 1,49 179,2 0,111 11,66 1,662 19,0 6629,6
с 0,88 2,07 4,52 52,8 63,52 1,47 180,3 0,025 12,26 0,835 20,1 7689,9
3 0,81 1,93 4,47 54,5 52,58 1,66 162,0 0,023 12,28 1,093 15,5 7845,9
г 0,36 1,21 3,02 52,6 31,73 1,81 92,8 0,030 2,94 0,387 7,7 7156,3
О 0,40 1,25 2,97 53,7 29,38 2,04 89,3 0,113 4,44 0,297 5,5 6532,1
п 0,21 0,54 1,39 50,2 39,20 1,81 158,3 0,008 1,86 0,573 27,5 7014,9
/ 0,23 0,46 1,53 51,6 46,70 1,94 148,3 0,008 3,20 0,298 10,1 7082,4
о 1,23 2,89 6,72 53,2 67,16 1,62 135,5 0,083 9,12 0,922 19,0 7909,7
о 0,95 2,54 5,14 50,9 56,42 1,69 78,1 0,061 16,36 1,333 16,9 7705,2
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКОГО МЕТОДА 165
166
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД
5.11. Результаты дисперсионного анализа данных табл. 5.10
(значения F-отношений)
Источ- ник измен- чиво- сти Число сте- пеней сво- боды Параметр шероховатости Параметр волнистости Откло- нение формы Яшах Микро- твер- дость Н»
Ra Rp Яшах tm Sm V Р А FFmax Smw
Х1 1 5,02 <1 2,61 <1 <1 6,75 1,366 1,14 1,11 3,55 <1 <1
Ai 1 5,89 <1 4,28 <1 <1 <1 <1 <1 2,23 <1 <1 <1
Х3 1 <1 <1 <1 <1 <1 <1 1,45 <1 1,98 7,58 <1 <1
X. 1 <1 1,50 <1 <1 <1 <1 <1 4,30 3,60 4,36 <1 9,50
х5 1 210,2 90,3 155,3 <1 59,4 33,8 2,27 6,88 22,2 6,20 <1 5,99
х6 1 41,0 19,3 56,4 <1 4,377 16,7 3,67 6,90 2,66 <1 <1 <1
Взаи- модей- ствие 1 10,3 <1 3,31 <1 3,18 1 1,89 <1 3,00 <1 <1 1,31
Ошибка 8 -
Сумма 15 -
Данные уравнения представляют собой математическую модель рассматриваемого
процесса комбинированной упрочняюще-отделочной обработки. Они могут быть ис-
пользованы с целью технологического обеспечения заданных параметров качества по-
верхностного слоя деталей из стали 45. Как показывают результаты дисперсионного
анализа, все уравнения адекватны. С ними связано 94,9 % вариации параметра шерохо-
ватости Ra (92,9 % без учета влияния фактора Х2); 90,7 % - Rp; 92,1 % - Tfrnax; 77,7 % -
Sm; 86,5 % - v (76,2 % без учета влияния фактора Х{); 49,8 % -Smw и 68,4 % изменения
параметра волнистости И+пах, 44,7 % - Smw и 60,7 % вариации поверхностной микро-
твердости Яц.
Данные уравнения могут быть использованы также для определения значений па-
раметров качества, соответствующих минимальным величинам износа uq и мк элементов
трущейся пары, контролируя которые представляется возможным судить о стабильности
процесса комбинированной обработки и, следовательно, технологического обеспечения
требуемых показателей износостойкости. Принимая во внимание тесноту корреляцион-
ной связи между величинами м0, ик и параметрами качества (табл. 5.12), а также между
параметрами качества и факторами, определяющими условия обработки, можно делать
вывод о целесообразности контроля при изготовлении деталей параметров неровностей
Ra и Sm. С параметром Ra связано 90,3 % вариации величины мк, а с Sm - 81,3 % изме-
нения величин и0:
и к =-0,29 + 2,75 Ra,
к (5.49)
uQ =-4,45 + 0,31 Sm.
Уровням варьирования факторов Х5 = -1 и Х6 = +1, которые, как было сказано вы-
ше, минимизируют величины износа и0 и мк, соответствует следующее значение пара-
метра Ra:
Ra = 0,65 - 0,06(0) - 0,36(-1) + 0,16(+1) + 0,08(-1)(+1) = 0,77 мкм.
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКОГО МЕТОДА 167
5.12. Значения коэффициента парной корреляции г между величинами износа
элементов трущейся пары йк и я0 и параметрами качества поверхностного
слоя образцов из стали 45
Параметр Ra 7?p Яшах tm Sm V p A JFmax Smw Яшах
wK 0,71 0,65 0,79 -0,14 0,90 -0,73 0,12 0,29 0,67 0,37 0,95 0,75
«о 0,95 0,85 0,84 0,07 0,60 -0,31 -0,28 0,40 0,83 -0,03 0,67 0,71
Ra 1 0,93 0,93 0,26 0,58 -0,32 -0,26 0,49 0,85 -0,06 0,69 0,66
Rp 1 0,96 0,18 0,50 -0,34 -0,31 0,77 0,78 0,02 0,64 0,60
Rmax 1 0,11 0,66 -0,52 -0,20 0,66 0,86 0,20 0,80 0,69
tm 1 -0,48 0,56 -0,47 0,00 0,21 -0,59 -0,32 -0,23
Sm 1 -0,86 0,36 0,17 0,54 0,50 0,96 0,73
V 1 -0,55 0,13 -0,41 -0,84 -0,85 -0,74
P 1 -0,30 -0,39 0,39 0,19 0,05
A 1 0,30 -0,02 0,28 0,19
FTmax 1 0,26 0,71 0,75
Smw 1 0,54 0,57
Яшах 1 0,80
1
Очевидно, что в целях минимизации величины износа мк предварительную обра-
ботку деталей из стали 45 следует вести на режимах, обеспечивающих достижение па-
раметра шероховатости Ra = 1,8 мкм (Х2 = 0).
Комплексирование параметров качества деталей машин. Комплексные показатели
качества могут быть связаны с единичными через функциональные зависимости (на-
пример, комплексный параметр свойств поверхностного слоя деталей Сх), а также быть
некоторой комбинацией их. Функциональный способ выявления комплексного показа-
теля качества более предпочтителен, но по ряду причин не всегда возможен. Если ком-
плексный показатель качества нельзя выразить через единичные на основе функцио-
нальной зависимости, можно применять известный из теории квалиметрии способ обра-
зования комплексных показателей по принципу среднего взвешенного.
В практике используют разные виды средних взвешенных комплексных показате-
лей: среднее гармоническое Q\, среднее геометрическое 22, среднее арифметическое 03,
среднее квадратическое 04.
Рассмотрим влияние этих показателей на величину средней контактной жесткости
/ср (табл. 5.13). Так, по экспериментальным данным этой таблицы получено следующее
уравнение регрессии
Ар = + bxRx + b2R2 = 10,70 - 0,832Др + 0,0554рпоп , (5.50)
где Rp - высота наибольшего выступа неровностей; рпоп - среднее значение радиуса
выступов в поперечном по отношению к следам обработки направлении неровностей
(в анализ включались также параметры Ra и рпр - среднее значение радиуса выступов в
продольном направлении).
Данное уравнение, как показал анализ, значимо (на уровне значимости а = 0,05 и
выше) и объясняет 68 % вариации среднего коэффициента контактной жесткости/ср.
168
Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКИЙ МЕТОД
5.13. Средний коэффициент контактной жесткости/ср и параметры
шероховатости поверхности образцов из чугуна СЧ20, контактирующих
с гладким и жестким контртелом
Номер опыта 7ср Единичный параметр шероховатости, мкм Комплексный показатель шероховатости
Ra Яр Рпоп Рпр Qo 2i Qi 2з 04
1 13,2 0,42 1,16 75 207 3,19 1,68 4,28 24,29 41,99
2 10,0 0,60 2,00 21 520 -0,50 2,79 4,18 7,95 11,87
3 13,7 0,70 1,64 49 767 1,35 2,35 4,75 16,47 27,46
4 10,7 0,87 2,28 55 550 1,15 3,26 6,17 18,79 30,84
5 11,2 1,03 2,41 69 730 1,82 3,45 6,89 23,27 38,67
6 12,2 1,06 2,10 60 114 1,58 3,01 6,00 20,24 33,63
7 14,8 1,22 2,60 76 221 3,99 3,73 7,48 25,59 42,59
8 10,9 1,30 3,28 48 374 -0,70 4,63 7,60 17,29 27,00
9 10,3 1,43 2,92 51 320 0,40 4,14 7,15 17,98 28,65
10 9,0 1,50 5,02 51 256 -1,35 6,99 10,38 19,42 28,84
11 10,0 1,52 3,96 41 210 -1,02 5,52 8,23 15,56 23,18
12 9,8 1,62 3,93 37 321 -1,22 5,46 7,93 14,29 20,96
13 10,1 1,93 3,97 51 155 -0,48 5,58 8,83 18,70 28,73
Среднее ариф- метическое значение 11,223 1,169 2,867 52,615 364,846 0,632 4,045 6,913 18,449 29,970
Среднее квад- ратическое отклонение 1,738 0,440 1,108 15,267 212,96 1,716 1,520 1,821 4,601 8,495
При этом с параметром шероховатости Rp связано = 0,467 вариации величины jcp
(в долях единицы), а с параметром шероховатости рпоп связано dl = 0,213 .
Уравнения для Qi..,Q^ можно записать в виде
п I п
r2 2\%2 №
21 = —^,е2= ГР"' ,<2з=^~,в<= <5-51)-(5-54)
dj \i=l J I lx.
где d? - весовой коэффициент, учитывающий важность, или ценность, каждого еди-
ничного показателя качества Ri среди других, причем значение этого коэффициента мо-
жет быть равным коэффициенту отдельного определения.
Значения комплексных параметров качества, рассчитанных по уравнениям
(5.51) - (5.54) приведены в табл. 5.13. Здесь же приведено значение комплексного пока-
зателя Qo, определенное по уравнению
во = b\Rp + b2 Рпоп = - 0,8327?р + 0,0554 рпоп- (5.55)
В табл. 5.14 приведены значения парных коэффициентов корреляции между коэф-
фициентом контактной жесткости уСр и параметрами шероховатости поверхности, в том
числе и комплексными.
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-СТАТИСТИЧЕСКОГО МЕТОДА 169
5.14. Коэффициенты парной корреляции между коэффициентом контактной
жесткости/ср и параметрами шероховатости
Коэффициент контактной жесткости Единичный параметр шероховатости Комплексный параметр шероховатости
Яр Рпоп во Qi Qi 2з 04
7 ср -0,684 -0,653 0,888 -0,675 -0,502 0,594 0,65
Примечание. Критическое значение коэффициента корреляции на уровне
значимости а = 0,05 для условий эксперимента составляет R = 0,532.
Анализ данных табл. 5.14 показывает, что комплексные параметры шероховатости
поверхности Q\, Q3 и Q4, а также Qo корреляционно связаны с коэффициентом контакт-
ной жесткости /Ср с доверительной вероятностью Р = (1 - а) 100 % = 95 % и выше. Одна-
ко более тесная корреляционная связь существует между /ср и комплексным параметром
шероховатости Qq.
Технологически обеспечивая значение комплексного показателя Qi, Q3 и Q4 или Qq
при изготовлении основной партии деталей, можно с известной долей вероятности га-
рантировать достижение требуемых значений эксплуатационных показателей, в частно-
сти, как показано в рассматриваемом примере, коэффициента средней контактной жест-
кости контактирующих поверхностей.
Глава 6
ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ
ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ
Процесс формирования качества поверхностного слоя деталей машин реализуется
при их изготовлении. Его реализация определяется технологическими процессами (ТП),
разработанными на стадии технологической подготовки производства, состоянием тех-
нологического оборудования, соблюдением технологической дисциплины, квалификаци-
ей исполнителей, уровнем технического оснащения производства и его автоматизацией.
6.1. ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ
ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ
Система обеспечения качества поверхностного слоя деталей при изготовлении за-
висит от серийности производства.
При единичном производстве, когда разрабатывается маршрутный ТП, качество
поверхностного слоя деталей обеспечивает непосредственно исполнитель (станочник),
поэтому оно определяется квалификацией, опытом и добросовестностью станочника.
Недостаточная техническая оснащенность производства и неудовлетворительное состояние
технологического оборудования частично могут быть скомпенсированы опытом станочника,
но это делает производство нестабильным и полностью зависящим от исполнителей.
Для мелкосерийного и серийного производств необходимо разработать маршрутно-
операционный ТП. В этом случае качество поверхностного слоя деталей обеспечивается
строгим соблюдением технологической дисциплины, квалификацией, опытом и добросовест-
ностью станочника, состоянием оборудования и техническим оснащением производства.
При крупносерийном и массовом производствах, когда разрабатывается операци-
онный ТП, качество поверхностного слоя деталей достигается строжайшим соблюдени-
ем технологической дисциплины и надлежащим состоянием технологического оборудо-
вания и оснастки.
Технологическая дисциплина обеспечивается благодаря ее строгому контролю.
Не допускается ее нарушение. Контроль за технологической дисциплиной должен осу-
ществлять мастер, технолог и контролер.
Лишить исполнителя возможности нарушать технологическую дисциплину можно
путем: введения повременной и премиальной оплаты труда за своевременность и каче-
ство изготовления деталей; автоматизации, а также системного и ритмичного обеспече-
ния инструментом рабочих мест.
Влияние случайных факторов (колебания твердости заготовки, снимаемого припус-
ка, качества инструмента и др.) можно исключить своевременной корректировкой ре-
жимов. Для этого необходимо знать, каким способом можно воздействовать на тот или
иной параметр качества обрабатываемой поверхности. С этой целью могут быть исполь-
зованы данные, приведенные в табл. 6.1 - 6.5 [1, 76-78].
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ 171
6.1. Взаимосвязь параметров качества поверхностного слоя деталей машин
_________________с условиями их лезвийной обработки_________________
Параметр Точ- ность Яшах Wz Ra Rp Sm s О0ст WH Лн
Подача s, мм/об:
<0,07 — + + + 0 0 + + + + + +
>0,07 — + + + +* +* +* +* +* +* +* +*
Скорость резания v, м/мин:
<30 + — — + + + 0 — _* _* _* _*
>30 + — — + — — 0 + _* _* _* _*
Глубина резания t _* +* +* +* + + 0 0 +* +* +* +*
Углы в плане:
Ф + — — 0 +* +* 0 0 — — — —
Ф1 0 0 0 0 + + 0 0 — — — -
Передний угол:
у >0 _* +* +* 0 + + 0 — — — — —
у <0 _* +* +* + + + 0 +* +* +* +* +*
Радиус вершины г — + +* 0 _* — 0 — +* +* +* +*
Радиус скругления режущей кромки р - + + 0 + +* 0 - +* +* +* +*
Шероховатость режу- щей кромки Ягин 0 0 0 0 +* +* - - - - - -
Жесткость технологи- ческой системы /спиз +* _* _* _* - - + + + + + +
Точность станка +* _* _* _* — — 0 0 0 0 0 0
Неравномерность твер- дости заготовки АНВ - + + + + + 0 0 0 0 0 0
Предел текучести ма- териала заготовки ст - + +* +* - - 0 - - - - -
Молекулярное сродст- во материала режущей части инструмента с материалом заготовки та _* +* + 0 - - - - + + + +
сотс + — — 0 — — — — +* +* +* +*
Исходные параметры
заготовки:
точность +* _* — — 0 0 0 0 0 0 0 0
волнистость — + +* +* 0 0 0 0 0 0 0 0
шероховатость 0 0 + + + + + + 0 0 0 0
Примечания. 1. Знак «+» означает, что увеличение или уменьшение данного параметра
способствует увеличению или уменьшению соответствующего параметра качества детали.
2. Знак «-» говорит о том, что увеличение или уменьшение данного параметра способствует
уменьшению или увеличению соответствующего параметра качества детали.
3. Знак «О» означает, что изменение данного параметра практически не влияет на соответ-
ствующий параметр качества детали.
4. Знак «*» свидетельствует, что данный параметр оказывает основное влияние на соответ-
ствующий параметр качества детали.
172
Глава 6. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ
6.2. Взаимосвязь параметров качества поверхностного слоя деталей машин
с условиями их алмазно-абразивной обработки
Параметр Точ- ность Ятах Wz 5ти Ra Ар Sm S ^ост йа WH к
Круговая или линей- ная скорость детали уд - + + + + + + + + + + +
Подача S - + + + +* * +* +* +* + + + +
Глубина резания t _* +* +* +* +* +* +* +* +* +* +* +*
Число выхаживаний N +* _* * * * * * *
Зернистость — + + + +* +* +* +* +* +* +* +*
Коцентрации + — + — _* _* _* _* + + + +
Молекулярное сродст- во материала зерен с материалом заготовки - + + + - - - - + + + +
Правка круга + — _* _* _* _* _* _* _* _* _* _*
Жесткость технологи- ческой системы +* _* _* _* - - 0 0 + + + +
Предел текучести материала заготовки ат - + + + - - 0 - - - _* _*
Неравномерная твер- дость заготовки ДНВ - + + + + + 0 0 0 0 0 0
СОТС +* _* _* _* — — — — 0 0 0 0
Точность станка +* _* _* _* — — — — 0 0 0 0
Исходные параметры
заготовки:
точность +* _* - - 0 0 0 0 0 0 0 0
волнистость - + +* +* 0 0 0 0 0 0 0 0
шероховатость 0 0 + + + + + 0 0 0 0 0
степень наклепа _* +* + + 0 0 0 0 +* +* +* +*
*См. примечание к табл. 6.1.
Из табл. 6.1 - 6.3 следует, что:
• макроотклонением в наилучшей степени можно управлять при обработке резанием;
• волнистостью - при алмазно-абразивной и отделочно-упрочняющей обработках;
• параметрами шероховатости - при всех методах обработки;
• физико-механическими свойствами поверхностного слоя - при отделочно-
упрочняющей обработке поверхностным пластическим деформированием (ОУО ППД).
При лезвийной обработке основное влияние оказывают: на точность размеров и
макроотклонение деталей - точность станка, жесткость технологической системы и ма-
териал режущего инструмента; на волнистость - жесткость системы и точность станка;
на параметры шероховатости - подача (при S > 0,07 мм/об); на физико-механические
свойства - СОТС, геометрия режущей части инструмента и режимы (последователь-
ность перечисления условий обработки определяется уменьшением степени их влияния).
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ 173
6.3. Взаимосвязь параметров качества поверхностного слоя деталей машин
с условиями их ОУ О ППД
Параметр Точ- ность Яшах Wz Ra Rp Sm s О0ст h„ WH hH
Скорость V 0 0 — — + + 0 0 _* _* _* _*
Подача S 0 0 + + +* +* +* +* _* _* _* _*
Рабочая нагрузка Р + _* +* +* +* +* 0 — +* +* +* +*
Число рабочих ходов + _* _* _* _* _* _* _* +* +* +* +*
Радиус рабочего шари- ка и индентора R 0 0 _* +* _* - 0 0 _* +* _* +*
Диаметр рабочего ролика D 0 0 - + - - 0 0 - + - +
Профильный радиус ролика г 0 0 _* +* _* _* 0 0 _* +* _* +*
Задний угол вдавлива- ния фо 0 0 +* _* + + 0 0 _* +* _* +*
Волнистость и эксцен- триситет ролика - + +* +* + + 0 0 - - - -
Шероховатость рабо- чей поверхности инст- румента 0 0 0 0 + + - - 0 0 0 0
Молекулярное сродст- во материала выглажи- вающего индентора с материалом заготовки - + 0 0 + + + + - - - -
Предел текучести об- рабатываемого мате- — +* +* +* +* + 0 0 _* _* _* _*
риала ст
Жесткость технологи- ческой системы + - - - 0 0 0 0 0 0 0 0
Исходные параметры
заготовки:
точность +♦ _* —* +* 0 0 0 0 0 0 0 0
волнистость — + +* +* 0 0 0 0 0 0 0 0
шероховатость 0 0 + — +* +* +* +* 0 0 0 0
СОТС + — — + — — 0 0 +* +* +* +*
Точность станка + - - + 0 0 0 0 0 0 0 0
* См. примечание к табл. 6.1.
При алмазно-абразивной обработке оказывают влияние: на точность размеров и
макроотклонение деталей - точность станка, жесткость технологической системы, глу-
бина резания и число выхаживаний; на волнистость - жесткость технологической систе-
мы, точность станка, число выхаживаний; на шероховатость - зернистость, число выха-
живаний, концентрация и подача; на физико-механические свойства - глубина резания,
зернистость и СОТС.
174
Глава 6. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ
6.4. Взаимосвязь параметров качества поверхностей деталей
с условиями электроэрозионной обработки
Параметр Ятах Rz Ra Rp Sm Wz Smw Ятах WH Ah
Энергия импульсов +* +* +* +* +* +* +* +* 0 +*
Свойства обрабаты- ваемого материала (коэффициент Палат- ника П = срХГпл _* _* _* _* _* + + + _* _*
Свойства материала электрода-инструмента (коэффициент Палат- ника П = срХГпл) - - - - - _* _* +* + +*
Свойства диэлектри- ческой жидкости (ки- нематическая вязкость) - - - - - - - - +* _*
Исходная волнистость: инструмента детали 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 (+*) (+) (+) (+) 0 0 0 0 0 0
Исходное макроотклонение: детали инструмента 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 +* +* 0 0 0 0
* См. примечание к табл. 6.1.
6.5. Взаимосвязь параметров качества поверхностного слоя деталей машин
с условиями их электрохимической обработки
Параметр Ятах Rz Ra Rp Sm Wz Smw Ятах WH AH
Состав электролита +* +* +* +* +* 0 0 0 0 0
Плотность тока _* _* _* _* _* + + 0 0 0
Форма кривой тока (т - дли- тельность импульсов тока) - - - - - + + 0 0 0
Скорость течения электролита + + + + + 0 0 0 0 0
Температура электролита + + + + + 0 0 0 0 0
Исходная волнистость: инструмента детали 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 +* +* +* +* 0 0 0 0 0 0
Исходные макроотклонения: детали инструмента 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 +* +* 0 0 0 0
Исходные физико-механичес- кие свойства поверхностного слоя детали 0 0 0 0 0 0 0 0 +* +*
* См. примечание к табл. 6.1.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ 175
При ОУО ППД точность размеров и макроотклонения деталей зависят в основном
от исходного значения, частично от рабочей силы, числа рабочих ходов и предела теку-
чести обрабатываемого материала; волнистость кроме перечисленных факторов зависит
от формы рабочего инструмента; шероховатость - от ее исходного значения, рабочего
давления, подачи и предела текучести обрабатываемого материала.
Анализ табл. 6.3 показывает, что при ОУО ППД в наибольшей степени можно
управлять физико-механическими свойствами поверхностного слоя, которые значитель-
но зависят от рабочего давления, числа рабочих ходов, подачи, формы инструмента,
предела текучести обрабатываемого материала и СОТО.
Многочисленные исследования [1,2, 17, 18,21,42,43], в том числе приведенные
теоретические зависимости для расчета параметров шероховатости и волнистости, пока-
зывают, что качество обработанных поверхностей деталей в значительной мере зависит
от состояния технологического оборудования и оснастки.
Как параметр для оценки состояния технологического оборудования и его влияния
на качество обработанных поверхностей в работе [21] предложена их жесткость, Н/мм,
j = Py/y, (6-1)
где Ру - радиальная сила резания; у - упругие деформации станка в направлении дейст-
вия силы Ру.
В этой же работе предложен автоматизированный метод определения j.
Экспериментальные исследования по влиянию жесткости станка j на параметры ка-
чества поверхностного слоя убедительно подтвердили правомерность положения, вы-
двинутого в работе [21].
Так, при обтачивании деталей из стали 40Х получено следующее уравнение с уче-
том жесткости оборудования:
у. = sk2tk3rk* (50 + у)*5 а*6,/*7, (6.2)
где v - скорость резания (0,83...2,5 м/с); 5 - подача (0,05...0,5 мм/об); t - глубина реза-
ния (0,15...0,9 мм); г - радиус при вершине резца (0,5...2 мм); у - передний угол резца
(4...40°); а - задний угол резца (3...700); /ст - статическая жесткость станка по
ГОСТ 7895-86 (19,6...34,3 кН/мм).
Значения коэффициентов для различных параметров состояния поверхност-
ного слоя деталей приведены в табл. 6.6.
Шлифование (40Х, HRC 30...35):
У, = , (6.3)
где v - окружная скорость детали (0,33...0,83 м/с); snp - продольная подача, в долях ши-
рины круга (0,3 В...0,8 В); 5рад - радиальная подача (0,01...0,05 мм/дв. ход); п - число
выхаживаний (5... 10); Н- твердость круга (СТ2; СМ1); уст - статическая жесткость стан-
ка (9,8...29,4 мН/м).
176
Глава 6. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ
6.6. Значения коэффициентов формулы (6.2)
Исследуемый параметру. ^0 ki кг ^3 л4 к$ кб ^7
Ra, мкм 416,6 -0,45 0,36 -0,1 0,12 0,005 -0,10 -0,22
Rp, мкм 1158,6 -0,32 0,1 -0,07 -0,04 0,035 -0,15 -0,36
Sm, мкм 1,79 20,18 0,58 -0,25 0,21 0,07 0,26 -0,31
Wz, мкм 1,55 -0,5 0,24 -0,25 0,21 0,07 0,26 0,33
ЯИ0,МПа 1636 0,084 0,005 0,09 0,08 -0,064 0,069 0,11
Значения коэффициентов &0---&7 для различных параметров состояния поверхност-
ного слоя деталей приведены в табл. 6.7.
6.7. Значения коэффициентов формулы (6.3)
Исследуемый параметру. ^0 к\ кг ^3 ki кб ^7
Ra, мкм 0,47 -0,06 0,36 -0,009 -0,024 0,29 0,08 0,34
Rp, мкм 1,08 -0,02 0,16 0,033 0,008 0,71 0,033 0,24
Sm, мкм 0,02 -0,22 0,34 -0,15 0,04 0,24 0,055 0,13
Wz, мкм 4,3 0,006 0,25 0,08 -0,06 0,51 0,087 -0,25
ЯИ0,МПа 2253 0,03 -0,04 0,003 0,02 0,008 0,020 -0,01
Анализ этих зависимостей подтверждает, что качество поверхностного слоя дета-
лей при изготовлении зависит не только от методов и режимов обработки, но и от со-
стояния технологического оборудования и оснастки.
6.2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ
Наряду с окончательными методами обработки значительное влияние на качество
поверхностного слоя деталей машин оказывает предшествующая обработка. Это явле-
ние переноса свойств поверхностного слоя от предшествующих операций к последую-
щим, по А.М. Дальскому [18], называется технологическим наследованием.
Исходные неровности поверхности детали (макроотклонение, волнистость и шеро-
ховатость) приводят к неравномерности глубины резания, а следовательно, к изменени-
ям сил резания и вынужденным колебаниям инструмента относительно обрабатываемой
поверхности. Естественно, что эти колебания будут влиять на формирование неровно-
стей при окончательной обработке деталей.
Анализ расчетов показывает, что при лезвийной обработке формирование шерохо-
ватости зависит от Rzncx и колебаний исходной поверхностной твердости HBmin, HBmax,
волнистость - от ее исходной величины, от Rzncx и изменений поверхностной твердости.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ
177
Исходное макроотклонение частично наследуется при последующей обработке, а также зави-
сит от исходных физико-механических параметров поверхностного слоя , h^, с0, Ре-
формирование физико-механических свойств поверхностного слоя при лезвийной
обработке в значительной мере будет определяться исходным состоянием, причем
предшествующие степень и глубина упрочнения будут влиять на возникающие поверх-
ностные остаточные напряжения.
Кроме того, исходные неровности будут вызывать неравномерность силового и
температурного воздействий на различные участки обрабатываемой поверхности, а сле-
довательно, приводить к неравномерности структуры и формированию поверхностных
остаточных напряжений.
Учитывая, что предшествующая лезвийная обработка проводится с большими глу-
биной резания и подачей и, как правило, с меньшей скоростью резания, чем последую-
щая, то при ней будут создаваться большие степень упрочнения и глубина упрочненного
слоя. Значит, при каждой последующей обработке в зависимости от глубины резания
силовое и температурное воздействия будут налагаться на упрочненную или неупроч-
ненную поверхность. Очевидно, что это будет вызывать изменение картины упрочнения
поверхностного слоя.
Технологическое наследование параметров качества поверхностного слоя при лез-
вийной обработке схематично показано на рис. 6.1, а. При абразивной однопроходной
обработке картина технологического наследования качества поверхностного слоя анало-
гична лезвийной обработке. Учитывая, что процесс шлифования осуществляется за не-
сколько рабочих ходов и, как правило, с выхаживанием, то очевидно, что исходная ше-
роховатость поверхности не будет влиять на ее последующее формирование.
В то же время исходные неровности поверхности при абразивной обработке могут
оказать более существенное влияние на физико-механические свойства поверхностного
слоя. Это объясняется тем, что исходные неровности, даже небольшие (-0,01 мм),
т.е. в пределах шероховатости Rz = 10 мкм, будут вызывать более значительные колеба-
ния фактической глубины шлифования при ее значениях 0,01.. .0,02 мм, а следовательно,
и разность температурного и силового воздействий на соседние участки (выступы и впа-
дины неровностей) обрабатываемой поверхности.
Параметры волнистости и макроотклонения будут частично наследоваться от их
исходного состояния. Кроме того, формируемое макроотклонение будет зависеть (как и
при лезвийной обработке) и от исходных физико-механических параметров поверхност-
ного слоя. Особенно технологическое наследование проявляется при плосковершинной
алмазно-абразивной обработке, полировании и суперфинише, когда снимаемый припуск
находится в пределах исходной высоты неровностей шероховатости.
Общая схема технологического наследования параметров качества поверхностного
слоя при алмазно-абразивной обработке приведена на рис. 6.1, 6.
При ОУО ППД физическая картина технологического наследования параметров ка-
чества поверхностного слоя будет значительно отличаться от лезвийной и алмазно-
абразивной обработки. Так как обработка проводится не за счет снятия поверхностного
слоя, а за счет пластических деформаций, то даже небольшое изменение величины натя-
га вследствие исходных неровностей поверхности будет вызывать заметные изменения
рабочих давлений. Особенно это касается жесткого инструмента, используемого при
ОУО ППД.
178
Глава 6. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ
я)
Исходные параметры качества поверхностного слоя
Получаемые параметры качества поверхностного слоя
б)
Исходные параметры качества поверхностного слоя
Получаемые параметры качества поверхностного слоя
в)
Рис. 6.1. Технологическое наследование основных параметров качества
поверхностного слоя деталей:
--------- основное наследование;--------- второстепенное наследование;
а - лезвийная обработка; б - алмазно-абразивная обработка; в - ОУО ППД
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ НАСЛЕДОВАНИЕ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ
179
Рис. 6.2. Изменение шероховатости поверх-
ности при ОУО ППД на упрочняющих
режимах:
а и б - соответственно исходный и
сформированный профили шероховатости
Картина изменения исходной шероховатости при статическом вдавливании шарика
представлена на рис. 3.6. Анализ этого рисунка показывает, что при одинаковой рабочей
силе формируемая шероховатость определяется ее исходной величиной. Причем это
относится как к высотным Ra, Rz, Rmax, так и к шаговым Sm и опорным tp параметрам.
Лишь при ОУО ППД параметр шероховатости Rp управляется изменением не только
режимов, но и исходной величины шероховатости. При этом для увеличения Rp при
одинаковых режимах ОУО ППД необходимо иметь большие значения исходных высот-
ных параметров шероховатости Ra, Rz, Яшах. Кроме того, формируемая шероховатость
будет зависеть и от исходной поверхностной микротвердости Я.
Следует отметить, что такой механизм технологического наследования будет спра-
ведлив только при незначительных рабочих силах, т.е. при ОУО ППД на отделочных
режимах. При обработке на упрочняющих режимах вследствие поверхностного пласти-
ческого деформирования может произойти полное переформирование исходной шеро-
ховатости (рис. 6.2).
Волнистость при ОУО ППД значительно зависит от ее исходной величины, исход-
ной шероховатости и твердости поверхности. Макроотклонение при ОУО ППД практи-
чески не изменяется и копируется, т.е. в полной мере проявляется технологическая на-
следственность, что относится к одному из недостатков данного метода.
На физико-механических свойствах поверхностного слоя сказывается как их ис-
ходное состояние, так и исходные неровности обрабатываемой поверхности. При обра-
ботке на отделочных режимах на вершинах этих неровностей величина упрочнения бу-
дет больше, чем в их впадинах. Это относится как к макроотклонению и волнистости,
так и к шероховатости. При обработке на упрочняющих режимах поверхностная твер-
дость различных участков выравнивается.
Схематично технологическое наследование параметров качества поверхностного
слоя деталей при ОУО ППД представлено на рис. 6.1, в. Анализ показывает, что из всех
методов механической обработки технологическое наследование в наибольшей мере
проявляется при ОУО ППД на отделочных режимах.
Описанный механизм и представленная структурная схема технологического на-
следования в качестве поверхностного слоя деталей хорошо подтверждаются результа-
тами многочисленных экспериментальных исследований.
Исследования показали, что при проектировании технологических процессов целе-
сообразно придерживаться следующего правила технологического наследования: каждая
последующая обработка уменьшает исходные высотные параметры шероховатости
в 2-6 раз. Например, если требуется обработать наружную поверхность вращения с па-
раметром шероховатости Ra = 0,05...0,08 мкм, а заготовкой является поковка, то необхо-
димо предусмотреть следующие операции:
1) точение: черновое -Rz = 40...60 мкм; чистовое -Ra = 2,0...3,0 мкм;
2) шлифование: черновое -Ra = 0,6...1,0 мкм; чистовое -Ra = 0,16...0,2 мкм;
3) суперфиниширование или притирку -Ra = 0,05...0,08 мкм.
180
Глава 6. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ
6.3. АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
В основе адаптивного управления ходом технологического процесса лежит знание
качественных и количественных зависимостей между действующими факторами про-
цесса, свойствами технологической системы (ТС), условиями обработки и выходными
показателями процесса параметрами качества поверхностного слоя и точностью меха-
нической обработки.
Сам же процесс адаптивного управления обработкой деталей на станках можно
рассматривать как решение двух задач: своевременного получения с требуемой точно-
стью информации об отклонениях различных параметров, влияющих на ход технологи-
ческого процесса, и своевременного внесения соответствующей поправки в величины,
функционально связанные с управляемой величиной.
Сущность адаптивного управления процессом механической обработки заключает-
ся в поддержании какого-либо из параметров процесса, определяющих качество, произ-
водительность и себестоимость обработки деталей, на заданном уровне независимо от
изменений условий его протекания, например от колебания припуска и твердости мате-
риала заготовки, затупления режущего инструмента и других факторов. Для этого ТС
оснащают различными чувствительными элементами и преобразующими устройствами,
с помощью которых контролируются параметры, характеризующие ход технологическо-
го процесса.
Измеренные величины сравниваются с заданными значениями, и в случае их разли-
чия определяются знак и величина поправки, которую необходимо внести в ход техно-
логического процесса с тем, чтобы указанное различие уменьшилось до допустимой ве-
личины. Поправки вносят с помощью различного рода исполнительных механизмов,
имеющихся в станке или специально встроенных для этой цели.
Термин «адаптивное управление», применяемый в отечественной и зарубежной ли-
тературе для ТС, не всегда соответствует принятому в современной теории управления,
так как не всякое управление режимами резания с помощью дополнительной информа-
ции, извлекаемой в процессе металлообработки, связано с целенаправленным изменени-
ем структуры и параметров управляющего устройства. Поэтому под системой адаптив-
ного управления (САдУ) понимают комплекс технических и программных средств,
обеспечивающих автоматическое управление режимами металлообработки в соответст-
вии с задачей достижения определенной цели.
Этой целью может быть или поддержание (стабилизация) какого-либо управляемо-
го параметра процесса [например, параметра шероховатости Ra (Rz), микротвердости,
остаточных напряжений, силы и мощности резания и т.д.] на заранее заданном уровне,
или получение экстремума заданной оценочной функции процесса металлообработки.
В первом случае САдУ называются адаптивными системами предельного регулирования
(adaptiv control with constraint - ACC), во втором - адаптивными системами оптимизации
(adaptiv control for optimal - ACO). Наличие в этих системах механизма изменения своих
структур или отдельных их параметров не является обязательным.
Практика создания САдУ [42, 95, 96, 98, 100, 132, 133] к металлорежущим станкам
различного типа показала, что при разработке таких систем необходимо последователь-
но решить следующие вопросы:
1) постановки технологической задачи, для решения которой будет проектировать-
ся САдУ;
2) выбора способа адаптивного управления;
3) проектирования системы адаптивного управления.
АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
181
Постановка технологической задачи. Одним из важнейших в разработке САдУ
является этап постановки технологической задачи. Для выявления последней необходи-
мо установить причину, препятствующую достижению заданного уровня выходного
показателя технологического процесса. Препятствием для достижения нужного качества
поверхностного слоя могут быть следующие причины: состояние ТС (жесткость систе-
мы), колебание припуска и твердости заготовки, износ режущего инструмента, тем бо-
лее что иногда требуется технологически обеспечивать закономерное его изменение на
различных участках одной и той же рабочей поверхности трения.
Например, для САдУ [101] параметром шероховатости Ra в качестве технологиче-
ской задачи может быть принята задача обеспечения заданного высотного параметра
шероховатости обрабатываемой поверхности Ra (Rz) при механической обработке.
Практически большинство САдУ строится по схеме с регулированием по отклоне-
нию, в системе имеется замкнутый контур регулирования, состоящий из прямой цепи,
по которой передается управляющее воздействие, и обратной связи по регулируемой
величине.
Выбор способа адаптивного управления. Под способом адаптивного управления
понимают сочетание способа получения информации о ходе технологического процесса,
способа внесения поправки в ход технологического процесса и управления на основе
закона, отражающего количественную связь между управляемой величиной и парамет-
ром управления.
Для получения наиболее достоверной информации о протекании процесса в объек-
те управления датчики необходимо располагать в местах протекания процесса или наи-
более близко к ним расположенных. Прямой метод измерения контролируемой выход-
ной величины объекта управления предпочтительнее, чем косвенные, связанные с до-
полнительными математическими вычислениями. Выбор того или иного типа датчика будет
зависеть от контролируемой выходной величины и технических характеристик датчика.
Однако если для статических деталей, не находящихся в обработке, применение
прямого метода измерения контролируемой выходной величины не вызывает трудно-
стей, то для движущихся деталей во время механической обработки возникают значи-
тельные трудности, поэтому зачастую используются косвенные методы измерения. Для
этого необходимо знать, как формируются параметры качества поверхностного слоя во
время механической обработки.
При механической обработке такие параметры качества поверхностного слоя, как
остаточные напряжения и поверхностная микротвердость, формируются при одновре-
менном воздействии силы и температуры резания. Поэтому для определения этих пара-
метров и управления ими во время обработки следует измерять в зоне резания темпера-
туру и силы резания. Для измерения температуры в зоне резания может быть использо-
вана естественная термопара. Измерение сил резания может быть осуществлено с помо-
щью различных динамометрических устройств, устанавливаемых на станок или встраи-
ваемых в него.
На формирование шероховатости при всех методах механической обработки влия-
ют следующие факторы: геометрия рабочей части инструмента (резца, зерна, шарика,
ролика и т. п.) и кинематика его рабочего движения; колебательные перемещения инст-
румента относительно обрабатываемой поверхности; упругие и пластические деформа-
ции обрабатываемого материала в зоне контакта с рабочим инструментом; шерохова-
тость рабочей части инструмента; вырывы частиц обрабатываемого материала. Влияние
каждого из этих факторов на образование шероховатости будет различным, в зависимо-
сти от условий обработки [1].
182
Глава 6. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ
Технические средства САдУ. Для того чтобы вести управление, необходима ин-
формация о состоянии объекта управления, т.е. о значении того показателя (или ряда пока-
зателей), по которому ведется управление. Этот показатель может меняться по своему
значению из-за воздействия на объект управления возмущающих факторов. В данном слу-
чае в качестве объекта управления рассматривается процесс механической обработки де-
талей машин при обеспечении заданных параметров качества поверхностного слоя. Ин-
формацией о состоянии процесса в этом случае являются геометрические (шероховатость,
волнистость и т.д.) и физико-механические характеристики (глубина и степень упрочне-
ния, остаточные напряжения и глубина их залегания) поверхностного слоя обрабатывае-
мой детали.
Информацию о состоянии объекта управления получают от первичных преобразо-
вателей, или датчиков (сенсоры). Они служат для преобразования контролируемой ве-
личины, характеризующей протекание процесса в объекте управления, в некоторую
удобную для последующих преобразований и управления физическую величину; чаще
всего на выходе датчика действует некоторая электрическая величина.
Для активного контроля шероховатости обработанной поверхности используются
прямой и косвенный методы измерения.
Щуповой метод активного контроля высотных параметров шероховатости обраба-
тываемой поверхности и конструкции датчиков рассмотрены в работах [132,133].
При прямом методе измерения используется вращающийся датчик 1 в виде колеса,
внутри которого располагается чувствительный элемент 2 с закрепленной на нем алмаз-
ной иглой 3 (рис. 6.3). За один оборот датчика снимается одна ордината шероховатости
поверхности. Для полного определения параметра шероховатости Ra необходимо не
менее 200 точек измерений. Измерительная информация с вращающегося датчика сни-
мается с помощью токосъемного узла. Датчик к контролируемой поверхности поджима-
ется с помощью пружины, чем и обеспечивается его вращение.
При косвенном методе на контролируемую поверхность опускается ощупывающая
головка с пьезоэлектрическим преобразователем. В этой конструкции датчика отсутст-
вует токосъемный узел. В обоих случаях контролируется параметр шероховатости Ra в
диапазоне 0,5... 1,0 мкм, погрешность измерения составляет ±5 %.
Косвенный метод оценки высотных параметров шероховатости основывается на
корреляционной связи параметров шероховатости с выходными параметрами процесса
резания. В качестве информации о параметре шероховатости поверхности Rz могут ис-
Рис. 6.3. Датчик для измерения
шероховатости обработанной поверхности
пользоваться тангенциальная составляю-
щая силы резания и средняя температура в
зоне резания [94, 99].
Показатели качества поверхностного
слоя формируются под одновременным
воздействием силы резания и температуры.
Они связаны математическими зависимо-
стями с энергетическим критерием подо-
бия процесса резания. Определение вели-
чины шероховатости по измеренным силе
резания и средней температуре осуществ-
ляется с помощью энергетического крите-
рия подобия процесса резания, который
рассчитывается по аналитической обоб-
щенной зависимости [99].
АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
183
Рис. 6.4. Лазерно-оптический датчик
OptoNCDT 1700-2:
1 - начало диапазона измерения; 2 - диапазон
измерения; 3 - конец диапазона измерения;
4 - середина диапазона измерения
Рис. 6.5. Лазерно-оптический датчик модели
5872 фирмы Optical Dimensions (Германия):
1 - источник лазерного излучения; 2 - рассеян-
ные лучи лазера; 3 - зеркально отраженные лучи
лазера; 4 - датчики, воспринимающие рассеян-
ные лучи лазера
В последнее время очень активно в области измерения развиваются лазерно-
оптические датчики для определения размеров деталей и перемещений объектов. Этим
объясняется то, что на рынке средств измерения все больше стало появляться приборов
и устройств для бесконтактного измерения размеров и перемещений с разрешающей
способностью 0,1...0,005 мкм в диапазоне измерения до 2 мм (рис. 6.4). Например, ин-
дуктивные датчики, применяемые в профилометрах, имеют разрешающую способность
порядка 0,1... 0,01 мкм.
Появляются приборы для измерения шероховатости, где вместо измерительной иг-
лы используется лазерно-оптический датчик (рис. 6.5 и 6.6). Приборы измеряют пара-
метр шероховатости Ra = 0,001... 1,1 мкм с точностью измерения до ±2 % и Ra < 2,5 мкм
с точностью измерения до ± 2%. Причем последний прибор используется для активного
контроля шероховатости обработанной поверхности на шлифовальном станке при шли-
фовании валов с применением СОТС. Зона измерения составляет по длине 5 и по шири-
не 1 мм. Для защиты зоны измерения от действия СОТС используется струя сжатого
воздуха, подводимая непосредственно к зоне измерения [134].
Преимущества лазерно-оптических датчиков над индуктивными при измерении
шероховатости поверхности - отсутствие:
• контакта измерительного наконеч-
ника с измеряемой поверхностью;
• износа измерительной иглы;
• контактных деформаций измеряемой
поверхности в зоне измерения.
К недостаткам лазерно-оптических
датчиков измерения шероховатости следу-
ет отнести следующее:
• диаметр светового пятна в начале и
конце диапазона измерения 80 мкм, в сере-
дине диапазона 35 мкм (см. рис. 6.4.). Напри-
мер, радиус измерительной алмазной иглы
5... 10 мкм, угол при вершине 90... 120°;
• измерение незеркальных поверхностей;
• высокую цену лазерно-оптических
датчиков.
Рис. 6.6. Лазерно-оптический датчик модели
6212 фирмы Optical Dimensions:
1 - источник лазерного излучения; 2 - зеркаль-
но отраженные лучи лазера; 3 - датчики,
воспринимающие рассеянные лучи лазера
184
Глава 6. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ
(6.4)
Оценим возможность применения лазерно-оптических датчиков [134] для измере-
ния шероховатости поверхности из условия, что световое пятно, проецируемое лазер-
ным диодом на поверхность объекта, должно «ощупывать» впадины неровностей. Ради-
ус впадины шероховатости определяется по уравнению [1]:
_ (100-tm)2Sm2
Pm ~ . ^4
8-104 Rm
где tm - относительная опорная длина профиля на уровне средней линии, %; Sm - сред-
ний шаг неровностей профиля, мкм; Rm - глубина сглаживания (расстояние от средней
линии до линии впадины), мкм.
Для условий чистового точения имеем следующие исходные данные: frw = 40...
45 %; Sm = 0,08...0,16 мм; Rm - RxnaK-Rp\ Rm = 2,8...7 мкм.
В результате имеем ртах = 87 мкм; pmin = 35 мкм.
Сопоставляя полученный результат с техническими характеристиками лазерно-
оптического датчика OptoNCDT 1700-2, у которого диаметр светового пятна в начале и
конце диапазона измерения составляет 80 мкм, а в середине диапазона 35 мкм, можно
сделать вывод о том, что данный датчик может быть использован для измерения пара-
метров шероховатости обработанной поверхности после чистового точения и построе-
ния системы активного контроля шероховатости.
Для активного контроля и управления микротвердостью и остаточными
напряжениями в процессе механической обработки, как правило, используют косвенные
методы измерения [42, 94].
Конечное состояние металла поверхностного слоя определяется соотношением
процессов упрочнения или разупрочнения, зависящих от преобладания в зоне резания
силового или теплового фактора. Увеличение силы резания Р повышает степень
наклепа. Рост продолжительности ее действия на поверхностный слой увеличивает
глубину распространения наклепа. Изменение режимов обработки, приводящее к
повышению температуры в зоне резания, усиливает интенсивность разупрочнения и
уменьшает степень наклепа. Увеличение силы Р вызывает рост остаточных напряжений
сжатия и снижает напряжения растяжения при обработке малопластичных материалов.
Изменение режимов резания, приводящее к возрастанию температуры резания, влечет за
собой рост остаточных напряжений растяжения и уменьшает напряжение сжатия.
Повышение температуры может вызвать фазовые изменения поверхностного слоя и
появление дополнительных остаточных напряжений.
Измерение температуры в зоне резания осуществляется либо методом искус-
ственной термопары, либо естественной термопарой. Метод искусственной термопары
достаточно прост, но подвести термопару в зону контакта инструмента и заготовки
невозможно, она всегда располагается на некотором удалении от места контакта.
Следовательно, ему присуща неустранимая погрешность. Метод измерения температуры
естественной термопарой более совершенен и основан на зависимости ЭДС,
возникающей в месте контакта инструмента и заготовки, от температуры данного места [100].
Существуют различные методы измерения силы резания: уравновешивания,
торможения, пластической деформации образца, по затрачиваемой мощности резания,
упругой деформации. Для измерения силы резания на станках с ЧПУ наиболее пригоден
метод упругой деформации, при котором величину силы резания оценивают по
величине вызванной ею упругой деформации элементов ТС.
В динамометрах для измерения силы резания в основном применяются
электрические датчики: индукционные, пьезоэлектрические, емкостные, индуктивные,
тензометрические [97]. Для измерения силы резания на станках с ЧПУ наибольшее
распространение получили индуктивные и тензометрические датчики.
АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
185
Рис. 6.7. Структурная схема измерения силы резания тензоэлементом:
F - действующая сила; AZ - изменение линейных размеров упругого элемента;
Аг - изменение сопротивления тензорезисторов; £7ВЫХ - выходное напряжение
Структурная схема измерния силы тензоэлементом представляет собой
последовательное соединение трех измерительных преобразователей (рис. 6.7).
По сравнению с индуктивными датчиками тензометричекие обладают следующими
преимуществами:
• малыми габаритными размерами и простотой конструкции;
• более простой измерительной цепью (тензометрический мост запитывается
постоянным напряжением, для усиления сигнала требуется усилитель постоянного тока,
питание индуктивного датчика осуществляется от генератора синусоидального напряжения,
для выделения полезного сигнала требуются детектор, фильтр и усилитель);
• установкой датчика без изменения конструкции объекта тензометрирования;
• безынерционностью;
• низкой стоимостью тензорезисторов.
К недостаткам тензометричеких датчиков можно отнести:
• малый уровень выходного сигнала с тензомоста, который в зависимости от
нагрузки и конструкции тензоэлемента может составлять 0,1... 10 мВ;
• необходимость компенсации температурного приращения сопротивления
тензорезисторов.
Поэтому для активного контроля и управления микротвердостью и остаточными
напряжениями в процессе механической обработки целесообразно применение
тензодатчиков для определния силы резания и естественной термопары для измерения
температуры в зоне резания. На основе полученной информации по математическим
зависимостям, связывающим остаточные напряжения и микротвердость с температурой
и силой резания, определяют физико-механические характеристики обработанной
поверхности.
Информация, получаемая с датчиков о состоянии объекта, как правило, имеет ма-
лый энергетический уровень, поэтому наличие усилительных устройств в системах ав-
томатического управления обязательно. С их помощью осуществляется усиление сигна-
ла для дальнейшей его обработки и выработки управляющих воздействий.
Измерительный усилитель должен иметь дифференциальный вход, высокое значе-
ние коэффициента усиления, низкий сдвиг нулевого уровня и очень большой (обычно
> 80 дБ) коэффициент ослабления синфазного сигнала (КОСС). Большое значение
КОСС необходимо для усиления милливольтового дифференциального сигнала, кото-
рый наложен на более высокое синфазное напряжение.
Дифференциальный входной сигнал часто представляет собой выходное напряже-
ние, снимаемое с датчика или мостовой схемы, как это показано на рис. 6.8. Датчик вы-
являет любые изменения, измерение которых предусматривается спроектированной
схемой. Примеры датчиков-преобразователей: 1) фоторезисторы для преобразования
уровней освещенности в величины сопротивления; 2) термисторы для преобразования
изменений температуры в изменения сопротивления; 3) тензодатчики; 4) термопары.
186
Глава 6. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ
Рис. 6.8. Тензометрический мост, подклю-
ченный к измерительному усилителю:
R - активное сопротивление моста; АК - изме-
нение сопротивления тензодатчика, вызванное
его деформацией; е2 - потенциалы вершин
моста; Ц? - напряжение питания моста;
Ro c - активное сопротивление цепи обратной
связи измерительного усилителя; - активное
сопротивление входной цепи измерительного
усилителя; С7ВЬ1Х - выходное напряжение изме-
рительного усилителя
Схемотехнические решения построения измерительных усилителей изложены в ра-
боте [102]. На сегодня разработчиками предлагаются готовые устройства сбора данных,
которые обеспечивают съем информации с термопар и тензодатчиков и могут представ-
лять ее на выходе либо в цифровом, либо в аналоговом виде.
Современные системы управления технологическим процессом строятся на базе
ПЭВМ. Для связи ПЭВМ с периферийными устройствами используют порты, обычно
это последовательный порт RS-232 или USB (Universal Serial Bus - универсальный по-
следовательный порт, предназначенный для подключения периферийных устройств к
персональному компьютеру).
Поэтому, чтобы ввести данные от внешнего устройства в ПЭВМ, необходимо:
1) преобразовать аналоговую информацию, полученную от измерительной систе-
мы, в цифровой код с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП);
2) передать полученный цифровой код в ПЭВМ через последовательный порт.
Выбор АЦП определяется по следующим критериям: разрядности; быстродейст-
вию; диапазону входного напряжения; тактовому генератору (внешний / внутренний);
источнику опорного напряжения (внешний / внутренний); цене.
Чтобы передать полученный цифровой код в ПЭВМ через последовательный порт
обычно используют микроконтроллер, который выполняет функции приема цифрового
кода от АЦП и передачи его в ПЭВМ. Необходимый микроконтроллер выбирается по
следующим критериям: быстродействию; разрядности; числу портов ввода/вывода; на-
личию последовательного порта; объему внутренней памяти ПЗУ; наличию програм-
много обеспечения для отладки и программ; опыту работы разработчика с микрокон-
троллерами; возможности многократного перепрограммирования; цене.
Выбор управляющих воздействий параметрами качества поверхностного слоя.
При лезвийной обработке в качестве управляющих воздействий параметрами качества
поверхностного слоя могут быть использованы скорость резания v (частота вращения
шпинделя) и величина продольной подачи Snp- Глубина резания в качестве управляюще-
го воздействия используется крайне редко, так как на чистовых операциях и переходах
ее стараются не изменять.
Наибольшее влияние на формирование шероховатости поверхности оказывают по-
дача, геометрия рабочей части инструмента и скорость резания. Глубина резания на
формирование шероховатости поверхности не влияет. Поэтому в качестве управляющих
воздействий на формирование шероховатости могут быть приняты лишь подача и скорость
резания, которые можно изменять непосредственно во время механической обработки.
Поскольку остаточные напряжения и поверхностная микротвердость формируются
при одновременном воздействии силы и температуры резания, то в этом случае как
управляющее воздействие может быть принята и глубина резания.
АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
187
Управление объектом может оказаться неэффективным, если не будет определена
четкая взаимосвязь между входными и выходными факторами объекта управления, по
которым ведется управление. Кроме того, необходимо знать степень влияния входных
управляемых факторов на выходные показатели объекта управления, например входных
технологических факторов: скорости резания, подачи, глубины, твердости заготовки,
геометрии инструмента и др. на выходные показатели процесса: геометрическую точ-
ность, качество поверхности, производительность. Степень влияния входных факторов
на выходные определяется так:
у _ у
и _ Ъ’тш/Сптах) Jzmin/(xzmin) . пп 0/ YZ
МYininf(xi) ~----у----------------1UU /о, (О.Э)
Атах Amin
я = ^>’max/(ximax) — ^max/(ximin) 10() % (6,6)
zzmaxj^xzj у ____у 7 \ /
Атах Amin
где ^min/(Ximax), ^min/(x/min) ~ значения выходного параметра при условиях обработки
(чистовая обработка), обеспечивающих его минимальную величину, и соответствующих
максимальном (xi max) и минимальном (xi min) значениях исследуемого входного фак-
тора; ^max/(xzmax) , ^max/(xzmin) ~ значения выходного параметра при условиях обработ-
ки (чистовая обработка), обеспечивающих его максимальную величину, и соответст-
вующих максимальном (xi max) и минимальном (xi min) значениях исследуемого вход-
ного фактора; Yt mjn У, max - минимальное и максимальное значения выходного параметра
во всем диапазоне варьирования входных параметров.
Имея информацию о состоянии объекта управления и степени влияния входных
факторов на выходные показатели объекта управления, можно выбрать закон управле-
ния и способ внесения поправки в ход процесса.
Под законом управления понимают количественную связь между управляемой ве-
личиной и параметром управления. Управляемая величина - это величина, значение ко-
торой поддерживается на заданном уровне, например управляемой величиной может
являться один или совокупность параметров качества поверхностного слоя: шерохова-
тость обрабатываемой поверхности, микротвердость, остаточные напряжения, глубина
упрочнения. Параметр управления - величина, изменением которой обеспечивается за-
данный уровень управляемой величины. Например, параметром управления являются
режимы резания (величина подачи, скорость резания, глубина резания).
В общем случае количественную связь между управляемой величиной и парамет-
ром управления можно представить в общем виде:
¥=^,Х2,Х3,...9Хп), (6.7)
где Y- выходной параметр объекта управления, управляемая величина; Х\, ...,Хп- вход-
ные факторы объекта управления, параметр управления.
Тогда закон управления получим в виде:
AXi=f(AY,X1,X2,XJ,...,X„)-
; (6.8)
AXJ=f(AY,Xl,X2,Xi,...,Xn),
где ДУ - отклонение выходного параметра от требуемого значения; XXt и ДА} - необхо-
димая поправка на входную величину, которую надо внести, чтобы выходной параметр
достиг нужного значения или находился в пределах допуска на требуемое значение.
188
Глава 6. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ
Рис. 6.9. Структурная схема САдУ:
ОУ - объект управления; СС - схема согласова-
ния; ИУ - исполнительное устройство; У - усили-
тель; Д - датчик; Р - выходной параметр процес-
са; U - сигнал обратной связи; е - величина рассо-
гласования
Для количественной связи параметров качества поверхностного слоя с условиями ме-
ханической обработки существуют теоретические и эмпирические зависимости [1,22].
В общем виде система адаптивного управления, построенная на базе ЭВМ, может
быть представлена структурной схемой (рис. 6.9).
Перед началом работы всей системы в ЭВМ вводят исходные данные входных фак-
торов и требуемое значение выходного параметра (геометрическая точность, качество
поверхности, производительность). ЭВМ рассчитывает начальные величины управляе-
мых входных факторов, которые должны обеспечить заданный уровень выходного па-
раметра. Далее начинается выполнение задания.
В результате воздействия внешних возмущающих факторов на объект управления
значение выходного параметра Р будет отличаться от заданного. Получение информа-
ции о состоянии объекта управления осуществляется с помощью датчика, предназна-
ченного для преобразования контролируемой величины в некоторую удобную для по-
следующих преобразований и управления физическую величину. Для повышения точно-
сти работы САдУ сигнал с выхода датчика усиливается усилителем (У) и подается на
вход ЭВМ. Сигнал U с усилителя на вход ЭВМ поступает как правило в аналоговой
форме, а ЭВМ может работать только с цифровым сигналом. Для преобразования анало-
гового сигнала в цифровой используют цифро-аналоговые преобразователи, которые
могут встраиваться в ЭВМ или быть внешними. Для обработки полученной информации
и реализации алгоритма функционирования системы необходимо специальное про-
граммное обеспечение.
В результате сравнения заданного значения выходного параметра с фактическим
(измеренным) на выходе ЭВМ действует величина в, называемая рассогласованием.
Система работает так, чтобы рассогласование было как можно меньше. Для этого сигнал
рассогласования подается на исполнительное устройство через схему согласования.
Исполнительное устройство так воздействует на объект управления, что некоторая
входная величина, функционально связанная с выходной, изменяется в направлении, в
котором выходная величина поддерживается на заданном уровне. В качестве исполни-
тельного устройства выступают устройство ЧПУ (УЧПУ) и приводы станка.
Алгоритм работы САдУ представлен на рис. 6.10.
Повышение эффективности современных станков с УЧПУ ограничивается наличи-
ем «жесткой» управляющей программы, устанавливающей заданные режимы обработки.
В жесткой системе не учитываются особенности обработки конкретной детали, влияние
непрерывно изменяющихся внешних воздействий и параметров ТС.
Современные УЧПУ строятся на базе промышленных компьютеров и относятся к
классу PCNC, но большинство современных УЧПУ не имеет режима адаптивного
управления качеством обработки. Наличие же развитого интерфейса связи с внешним
оборудованием и ПЭВМ в этих УЧПУ позволяет реализовать режим адаптивного управ-
ления. Поэтому построение САдУ на базе станков с УЧПУ класса PCNC обеспечивает
значительное расширение их функциональных возможностей. Структурная схема САдУ
параметрами качества поверхностного слоя деталей, построенная на базе металлорежу-
щего станка с УЧПУ типа NC200, относящаяся к классу PCNC, представлена на рис. 6.11.
АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
189
В состав системы входят следующие
элементы: ТС; контроллер сопряжения
датчика с ПЭВМ и ПЭВМ с УЧПУ; УЧПУ
класса PCNC, обеспечивающее управление
ТС; датчик, снимающий информацию о
текущем значении параметра качества об-
работанной поверхности; ПЭВМ, испол-
няющая роль управляющей системы.
В настоящее время при создании ав-
томатизированных систем управления тех-
нологическим оборудованием важнейшая
роль отводится не только аппаратным сред-
ствам, но и алгоритму управления, от кото-
рого зависят работа всей системы и реше-
ние поставленной технологической задачи.
Поэтому алгоритм работы следует рассмат-
ривать как неотъемлемую часть САдУ.
Для работы САдУ необходимо полу-
чить информацию от первичных преобра-
зователей, измеряющих управляемый па-
раметр; обработать ее и сформировать
управляющее воздействие. В связи с этим
возникает проблема ввода аналогового сиг-
нала от первичных преобразователей в
УЧПУ, анализа полученной информации и
выработки на основе анализа управляюще-
го воздействия. Данная проблема может
быть решена, если использовать ПЭВМ
верхнего уровня. Ее задача - обработка
принятой информации и формирование
управляющего воздействия. Для связи УЧ-
ПУ с ПЭВМ необходимо использовать кон-
троллер сопряжения, функциональная схе-
ма которого представлена на рис. 6.12.
Контроллер сопряжения предназначен
для работы с УЧПУ типа NC200 токарного
станка 16Б16ФЗ. Он служит для управле-
Рис. 6.10. Алгоритм работы адаптивной ТС
Рис. 6.11. Структурная схема САдУ
параметрами качества
поверхностного слоя деталей:
КС - контроллер сопряжения; Д - датчик;
остальные обозначения см. в тексте
ния процессом получения сигнала от датчика, преобразования его и передачи информа-
ции в ПЭВМ и от ПЭВМ в УЧПУ. «Общение» модуля сопряжения с ПЭВМ происходит
по последовательному порту RS-232.
Основой модуля сопряжения является микроконтроллер. Он управляет процессом
получения информации от первичных преобразователей, ее передачей в ПЭВМ верхнего
уровня и выдачей управляющего воздействия от ПЭВМ в УЧПУ. Входная часть модуля
сопряжения построена по классической схеме «аналоговый датчик - усилитель - анало-
го-цифровой преобразователь».
190
Глава 6. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ
Рис. 6.12. Структурная схема контроллера сопряжения:
КС - контроллер сопряжения
Вычисленная величина поправки (подачи или скорости резания) передается от
ПЭВМ контроллеру и далее в УЧПУ. Связь контроллера с УЧПУ NC200 происходит
через модуль дискретных входов-выходов, встроенный в УЧПУ. Программируемая ло-
гика станка позволяет настроить УЧПУ на изменение условий обработки в автоматиче-
ском режиме благодаря внешнему программному управлению корректорами подач и
частоты вращения шпинделя. Подача и частота вращения шпинделя могут изменяться в
диапазоне 0...127 % от первоначально установленных значений (им соответствует
100 %) с дискретностью 1 %.
Для проверки работоспособности созданной САдУ были проведены эксперимен-
тальные исследования. Их цель состояла в получении результатов, подтверждающих
работоспособность разработанной САдУ.
Чистовое точение осуществлялось на токарном станке модели 16Б16ФЗ, который
был оснащен разработанной САдУ. Для точения использовался вал диаметром 70 и дли-
ной 200 мм. Материал вала - сталь 20Х17Н2. Эта сталь является представителем труд-
нообрабатываемых сталей и сплавов, к которым относятся коррозионно-стойкие, жаро-
стойкие и жаропрочные стали и сплавы. Такие стали и сплавы обрабатываются на низ-
ких скоростях резания - порядка 6.. .45 м/мин [94, 99].
Вал закреплялся в трехкулачковый патрон. Для точения использовался резец, ос-
нащенный напайной пластиной из твердого сплава ВК8. Обработка велась при следую-
щих условиях: скорости резания v = 36 м/мин; главном угле в плане <р = 45°; вспомога-
тельном угле в плане <pi = 45°; заднем угле резца а = 10°; переднем угле у = 12°; радиусе
скругления режущей кромки резца р = 30 мкм; жесткости технологической системы
7= 10 000 Н/мм.
В ходе эксперимента величина продольной подачи рассчитывалась и устанавлива-
лась САдУ автоматически перед началом обработки в зависимости от требуемой шеро-
ховатости поверхности и условий обработки. В процессе обработки величина продоль-
ной подачи изменялась системой также автоматически в зависимости от результата
сравнения измеренной шероховатости с требуемой.
АДАПТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ
191
Рис. 6.13. Конструкция датчика для измерения шероховатости поверхности:
1 - твердосплавная опора; 2 - оправка; 3 - прецизионная направляющая; 4 - шток; 5 - корпус;
6 - индуктивный датчик; 7 - кожух; 8 - рычаг; 9 и 10- алмазные иглы;
11 - хвостовик
Перед началом обработки проводились
выверка и настройка датчика для обеспече-
ния совпадения его оси с осью обрабаты-
ваемой детали. Конструкция датчика для
измерения параметра шероховатости Ra
представлена на рис. 6.13, а схема установки
датчика на контролируемую поверхность
детали - на рис. 6.14.
В результате экспериментальных ис-
следований были получены данные в виде
протоколов, которые отражают работу
САдУ шероховатостью обрабатываемой
поверхности.
При запуске САдУ сразу же начинает в<
Рис. 6.14. Схема установки датчика на кон-
тролируемую поверхность детали:
1 - деталь; 2 - датчик
гись протокол ее работы. В нем фиксиру-
ются результаты действий, производимых системой, т.е. заданный параметр шерохова-
тости, расчетная величина продольной подачи, допуск на параметр шероховатости, дан-
ные измерения параметра шероховатости в процессе обработки и величина скорректи-
рованной подачи. Запись результатов осуществляется в специальный отдельный файл,
просмотр которого возможен после завершения работы.
В протоколе № 1 (табл. 6.8) отражена работа САдУ при обеспечении заданного па-
раметра шероховатости Ra = 3,0 мкм с допуском до ± 10 % при точении резцом с радиу-
сом при вершине г = 0,5 мм. По введенному требуемому параметру шероховатости
Ra = 3,0 мкм система определила расчетным путем необходимую величину продольной
подачи, которая составила S = 0,132395 мм/об.
После обработки участка поверхности длиной ~10 мм на контролируемую поверх-
ность опускался датчик и измерялась шероховатость поверхности. Ее величина состави-
ла Ra = 3,72 мкм. Измеренная величина оказалась больше заданной, поэтому система
сама определила величину и знак необходимой поправки. Затем была внесена поправка
на изменение величины подачи в сторону ее уменьшения. Величина скорректированной
подачи составила S = 0,082922 мм/об.
Точение на скорректированной подаче привело к тому, что шероховатость обраба-
тываемой поверхности, как показали последующие измерения (Ra2 = 3,15; Ra3 = 3,02;
Ra4 = 3,03), стала находиться в заданном поле допуска.
192
Глава 6. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ
6.8. Результаты работы системы адаптивного управления
при обеспечении заданного параметра шероховатости
Протокол № 1
Радиус при вершине резца г = 0,5 мм, заданная шероховатость Ra = 3,00 мкм,
___________________расчетная подача 5 = 0,132 мм/об______________
№ измерения Установленная подача, мм/об Измеренная шероховатость Ra, мкм Допуск на шероховатость, мкм
1 0,132 3,72 ±0,300
2 0,083 3,15
3 3,02
4 3,03
Протокол № 2
Радиус при вершине резца г = 1 мм, заданная шероховатость Ra = 3,00 мкм,
расчетная подача 5 = 0,155 мм/об
№ измерения Установленная подача, мм/об Измеренная шероховатость Ra, мкм Допуск на шероховатость, мкм
1 0,155 4,08 ±0,300
2 0,122 3,08
3 3,14
4 2,88
Протокол № 3
Радиус при вершине резца г = 1 мм, заданная шероховатость Ra = 3,50 мкм,
__________________расчетная подача 5 = 0,179 мм/об_____________
№ измерения Установленная подача, мм/об Измеренная шероховатость Ra, мкм Допуск на шероховатость, мкм
1 0,179 4,14 ±0,350
2 0,14 3,81
3 3,77
4 3,79
Несоответствие измеренной величины параметра шероховатости расчетной подаче,
при которой должен был бы быть получен параметр шероховатости Ra = 3,0 мкм, можно
объяснить тем, что используемая теоретическая зависимость не может учитывать дейст-
вие случайных факторов, возникающих при обработке. В число этих факторов входят
износ инструмента, колебания припуска и твердости обрабатываемого материала, со-
стояние ТС.
Протокол № 2 (см. табл. 6.8) отражает работу САдУ при обеспечении заданного па-
раметра шероховатости Ra =3,0 мкм с допуском до ± 10 % при точении резцом с радиу-
сом при вершине г = 1 мм. По введенному требуемому параметру шероховатости
Ra = 3,0 мкм система определила расчетным путем необходимую величину продольной
подачи, которая составила S = 0,15457 мм/об. По сравнению с протоколом № 1 расчетная
величина подачи увеличилась потому, что был увеличен радиус при вершине резца.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ СОЗДАНИЕ ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ КАЧЕСТВА
193
После регулирования До регулирования
S = 0,083 мм/об; Ra = 3,15 мкм. S = 0,132 мм/об; Ra = 3,72 мкм
После регулирования До регулирования
S = 0,122 мм/об; Ra = 3,14 мкм. S = 0,155 мм/об; Ra = 4,08 мкм
После регулирования До регулирования
S = 0,14 мм/об; Ra = 3,81 мкм. S = 0,179 мм/об; Ra = 4,14 мкм
Рис. 6.15. Профиль поверхности после точения с использованием САдУ
Первое измерение показало, что полученный в результате точения на расчетной по-
даче параметр шероховатости Ra = 4,08 мкм оказался больше заданного, поэтому систе-
ма внесла поправку на величину продольной подачи. Величина скорректированной по-
дачи составила S = 0,1225 мм/об. Точением на скорректированной подаче было достиг-
нуто требуемое значение параметра шероховатости поверхности - Ra.
Несоответствие измеренной величины параметра шероховатости расчетной подаче,
при которой должен был бы быть получен параметр шероховатости Ra = 3,0 мкм, можно
объяснить теми же причинами, что и вышеупомянутые.
Аналогичные рассуждения справедливы и для протокола № 3, за исключением то-
го, что в протоколе № 3 заданным значением параметра шероховатости являлось Ra =
= 3,5 мкм, обработка велась резцом с радиусом при вершине г = 1 мм.
На рис. 6.15 представлены профили шероховатости поверхности, измеренные после
обработки, на которых вертикальной линией обозначены места, в которых происходила
коррекция величины подачи. Слева от вертикальной линии показан профиль после кор-
рекции подачи, а справа до ее коррекции. Из рис. 6.15 видно, что изменение подачи при-
водило к изменению шероховатости поверхности.
Полученные результаты подтверждают работоспособность созданной САдУ.
6.4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ СОЗДАНИЕ ЗАКОНОМЕРНО ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ
КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ДЕТАЛЕЙ
Некоторые детали машин (чашки дифференциалов, кулачки распределительных ва-
лов, гильзы цилиндров, направляющие станков, железнодорожные колеса и др.) исходя
из своего функционального назначения должны иметь закономерное изменение качества
рабочих поверхностей.
Широкими возможностями в закономерном изменении макроотклонения, волни-
стости и шероховатости обрабатываемой поверхности обладают станки с ЧПУ, на кото-
рых достаточно просто обеспечивается запрограммированное изменение режимов.
194
Глава 6. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ
Из методов обработки следует выделить ОУ О ППД.
Так, В.П. Федоровым предложен программный метод образования микрорельефа
при вибронакатывании на станках с ЧПУ. Его сущность заключается в программирова-
нии траектории движения центра инструмента с единичным индентором. Этот метод
позволяет реализовать как новые типы микрорельефов, так и любой закон их изменения.
Например, для создания синусоидального регулярного микрорельефа (рис. 6.16, а)
программно обеспечивается следующая траектория движения индентора относительно
обрабатываемой поверхности:
Y = Д sin
—х1+о-1)дФ +дг,
_ А
(6.9)
sin + АГ,
(6.10)
Y = 4sin-^^f;
А
Параметры Л i, Г, АГ, входящие в уравнения (6.9) и (6.10), рассчитываются системой
ЧПУ в процессе обработки по исходным данным L, В9 /, N, k, к\9 i9 г, Аф, частично пред-
ставленным на рис. 6.16, которые вводятся при обработке.
Данный метод позволяет реализовать принципиально новый класс микрорельефа -
стохастический и любой закон его изменения. Кроме того, имеется возможность в узких
пределах управлять и параметрами физико-механических свойств обрабатываемой по-
верхности.
Более широкие возможности в управлении закономерным изменением физико-
механических свойств поверхностного слоя обрабатываемой детали открывает электро-
механическая обработка (ЭМО) путем автоматизированного изменения силы тока. При
решении этой задачи положение рабочего ролика относительно обрабатываемой по-
верхности контролируется датчиком. Сигнал от этого датчика в зависимости от заданно-
го закона изменения силы тока преобразуется в сигнал управления и подается на уста-
новку ЭМО (рис. 6.17).
Данная автоматизированная система закономерного изменения силы тока может
быть жесткой, быстроперенастраиваемой и гибкой. В жесткой системе в качестве про-
граммоносителя может быть использован копир (рис. 6.18), быстроперенастраиваемой -
постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) (рис. 6.19). При использовании ПЗУ
функции разработки управляющей программы и ее реализации в управляющие напря-
жения в процессе обработки детали разделены.
На первом этапе на ЭВМ разрабатываются управляющая программа на конкретную
деталь или группу деталей, имеющих одинаковый профиль, и закон изменения качества
поверхностного слоя. Эта программа записывается в ПЗУ.
Таким образом, ПЗУ хранит в себе закон изменения силы тока в зависимости от переме-
щения инструмента, т.е. по каждому адресу ПЗУ хранится конкретное значение силы тока.
На втором этапе при ЭМО детали используется ПЗУ. Сигнал от датчиков движения
или (и) таймера поступает в блок формирования сигнала управления, который запраши-
вает в ПЗУ значение силы тока, соответствующее данному положению рабочего ролика
относительно обрабатываемой поверхности. Это значение с помощью микроконтролле-
ра преобразуется в управляющее напряжение для установки ЭМО.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ СОЗДАНИЕ ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ КАЧЕСТВА
195
Рис. 6.16. Регулярный синусоидальный (а) и квазирегул ярный синусоидальный {б)
микрорельефы при вибронакатывании на станках с ЧПУ:
1 - контур детали; 2 - контур обработки; 3 - траектория центра индентора;
4 - след индентора; 5 - траектория огибающей линии
196
Глава 6. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ
Рис. 6.19. Быстроперенастраиваемая автоматизированная система ЭМО с ПЗУ
В случае обработки детали по другому закону изменения силы тока необходимо
заменить ПЗУ.
Использование копира может оказаться эффективным в крупносерийном и массо-
вом производствах, ПЗУ - в средне- и крупносерийном производствах. При использова-
нии копира датчики движения в зависимости от его положения вырабатывают сигнал, по
которому микроконтроллер подает сигнал на установку ЭМО и через напряжение изме-
няет рабочую силу тока.
Схема гибкой автоматизированной системы управления силой тока при ЭМО при-
ведена на рис. 6.20. Управление в этой системе осуществляется через ЭВМ.
Система датчиков представляет собой набор контрольных датчиков, позволяющих
формировать сигнал положения инструмента относительно обрабатываемой поверхно-
сти детали. Это могут быть датчики: линейного перемещения обрабатывающего ролика;
начальной точки обработки; запуска ЭМО; частоты вращения шпинделя и др.
Рис. 6.20. Гибкая автоматизированная система:
АЦП и ЦАП - аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ СОЗДАНИЕ ИЗМЕНЯЮЩЕГОСЯ КАЧЕСТВА
197
Система датчиков может отсутствовать. Тогда положение инструмента относитель-
но обрабатываемой поверхности будет определяться первоначальным его положением,
подачей и временем. В этом случае сигнал управления является функцией времени.
Аналого-цифровой преобразователь предназначен для приема сигналов от датчиков
и аналога, преобразования в цифровую форму и передачи в ЭВМ. ЭВМ обрабатывает
цифровые сигналы и в соответствии с программой определяет значение рабочей силы
тока, которое в цифровом виде подается на цифроаналоговый преобразователь. Послед-
ний преобразует цифровой сигнал в сигнал управления стойкой ЭМО, т.е. получение
управляющего напряжения, соответствующего заданной силе тока.
Установка ЭМО обеспечивает рабочую силу тока, необходимую для данного участ-
ка обрабатываемой поверхности детали. Закон изменения силы тока в зависимости от
участков обрабатываемой поверхности детали может быть заранее задан и храниться в
ЭВМ или вычисляться по соответствующей заданной программе. Во втором случае в
ЭВМ должна вводиться информация о детали, для которой расчетный модуль в соответ-
ствии с программой установит зависимость силы тока от местоположения инструмента
относительно обрабатываемой поверхности детали.
Данная система является универсальной, быстропереналаживаемой и с успехом
может использоваться в мелкосерийном и серийном производствах.
Это говорит о том, что в настоящее время имеются широкие возможности в повы-
шении долговечности деталей машин благодаря автоматизированному технологическо-
му обеспечению закономерно изменяющегося качества обрабатываемой поверхности
детали.
Глава 7
ЭЛЕКТРОННЫЕ И НАНОТЕХНОЛОГИИ
В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ
Последние годы все больший интерес машиностроителей вызывают электронные и
нанотехнологии. Особенно он высок с позиций инженерии поверхности деталей, так как по-
зволяет формировать их функциональные свойства на уровне отдельных атомов и молекул.
7.1. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ
И НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Электронные технологии - это процессы обработки материалов высокоэнергетиче-
скими потоками частиц (электроны, ионы, молекулы), газоразрядной плазмой и излуче-
ниями (оптическое, гамма, рентгеновское). Применяют также наименования «электрон-
но-ионно-плазменные», «элионные» технологии, однако «электронные» получило рас-
пространение как наиболее простое [103].
К электронным технологиям относят также ряд нетрадиционных процессов, воз-
никших и отработанных первично в электронной промышленности. Наиважнейший сре-
ди них - вакуумирование, получение разреженной среды (вакуума) в замкнутых объе-
мах, в которых проводятся различные технологические операции. При получении конст-
рукционных материалов и их обработке ранее использовались только две технологиче-
ские среды: атмосферная и жидкостная.
Однако сверхчистые материалы нельзя получить в атмосфере из-за растворения за-
грязняющих газов в объеме и на поверхности. Их химический состав и свойства по-
верхности не могут быть должным образом оценены по причине поверхностной адсорб-
ции паров и газов. Традиционные инструменты формообразования и размерной обра-
ботки резанием и пластическим деформированием имеют прочностные пределы миниа-
тюризации и обеспечить микрообработку не в состоянии, а потоки электронов и ионов,
поддающиеся необходимой фокусировке, в атмосфере функционировать не могут. Нане-
сение гальванических покрытий и иные технологические методы формирования защит-
ных свойств поверхностного слоя были возможны лишь в токсичных жидких или высо-
котемпературных паровоздушных средах с экологически опасными стоками и выбросами.
Коренной перелом в решении проблем качества стал возможен благодаря новой
технологической среде - вакууму, куда в настоящее время «уходят» многие «традици-
онные» технологические процессы. Плавка в вакууме позволяет получать особо чистые
металлы, без раковин и загрязнений. Сварка в вакууме избавляет от коррозионной хруп-
кости сварные швы и точки соединения. Вакуумная упаковка продуктов дает возмож-
ность длительно сохранять все необходимые свойства, сушка в вакууме взамен высоко-
температурной атмосферной не приводит к разложению веществ и образованию токсич-
ных выбросов.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ
199
Вакуумная техника и электронные технологии дали путевку в жизнь многим прин-
ципиально новым процессам. Прежде всего это:
- экологически чистое безотходное нанесение тонкопленочных покрытий - защит-
ных, упрочняющих, антифрикционных, декоративных;
- легирование путем имплантации в поверхность металла ионов необходимых эле-
ментов взамен высокотемпературной диффузии;
- электронно-лучевая размерная микрообработка - получение отверстий, пазов, ло-
кальный нагрев и др.;
- «сухое травление» ионными потоками или газоразрядной плазмой с нано- и мик-
рометровым съемом материала по поверхности;
- микролитография - получение на плоскости рисунков с микронным и субмикрон-
ным уровнем разрешения;
- высочайшей точности контроль в вакууме с помощью потоков частиц размеров
микроструктур, химического состава и физических свойств поверхности материалов.
Электронные технологии в настоящее время стремительно развиваются и находят
применение в энергетике, машиностроении, строительстве, медицине, при производстве
бытовых и художественных изделий.
Электронные технологии в машиностроении - это технологии воздействия потоков
частиц в вакууме на конструкционные материалы. Характер воздействия зависит от ти-
па частиц (электроны, ионы, атомы, молекулы), от их энергии и химической активности,
а также от материала твердого тела (металлы, полупроводники, диэлектрики и т.п.).
Энергия воздействия определяется массой частиц т и скоростью их движения v
(Е = mN2/2), электрическим зарядом q и ускоряющим напряжением U (Е = qU), а также
температурой частиц Т (Е = кТ, где к - постоянная Больцмана). В зависимости от энер-
гии и плотности потока частиц возможны приведенные в табл. 7.1 эффекты взаимодей-
ствия и их практические приложения.
Уникальность этих технологий заключается в «работе» с отдельными атомами и
молекулами обрабатываемых материалов, что обеспечивает высочайшую дискретность и
точность обработки, причем как локальной, так и по всей поверхности детали. Широк и
диапазон энергий атомных частиц (от нескольких электрон-вольт до нескольких гига-
электрон-вольт на частицу) и длительностей воздействия (от 10-16 с до непрерывной
обработки).
Эти технологии обладают огромными плотностями мощности пучков (до 1012...
1014 Вт/см2), возможностью дозированного легирования поверхностных слоев готовых
изделий (повышение в десятки и сотни раз эксплуатационных характеристик деталей и
узлов) и непрерывного контроля за состоянием, химическим составом и геометрически-
ми размерами непосредственно в ходе технологической операции, а также из-за возмож-
ности быстрой оптимизации параметров и полной автоматизации технологического
процесса.
Описание электронных технологий, расчет и выбор методов и режимов обработки
базируются на физических эффектах взаимодействия электронных и ионных пучков,
газоразрядной плазмы с поверхностью твердого тела. Далее в тексте будут употреблять-
ся общепринятые термины, определяющие твердое тело: объект обработки, мишень,
подложка, образец, деталь и др.
200
Глава 7. ЭЛЕКТРОННЫЕ И НАНОТЕХНОЛОГИИ
7.1. Основные виды взаимодействия потоков ускоренных частиц
с энергиями от Emjn до Етах с обрабатываемыми материалами
Энергия частиц минимальна (JS'mm)’ осаждение
тонких пленок; химическая обработка поверх-
ности; сорбционно-десорбционные процессы
Е\ > Emin: активация поверхности; нагрев для
термообработки, плавления, испарения (в том
числе для локального воздействия)
Е2 > Е\: выбивание атомов и молекул с поверх-
ности для ее очистки и создания нано- и мик-
рорельефа, изучение химического состава,
формирования атомарного и молекулярного
потоков
Е3> Е2: проникновение в материал с целью ге-
нерирования излучений, исследования и изме-
нения (путем имплантации) химического со-
става и физических свойств
Етах: проникновение сквозь материал для изго-
товления сверхтонких мембран и фильтров,
создания основы для получения наноматериалов
hv^ е е е
ООО
Условные обозначения: е- электрон; hv - энергия фотона.
7.2. ЭФФЕКТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ И ИОННЫХ ПУЧКОВ,
ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ТВЕРДОГО ТЕЛА
В процессах обработки материалов потоками заряженных частиц в вакууме приме-
нительно к задачам электронных технологий различают три фазы:
1) формирование потоков частиц (электронов, ионов, атомов, молекул) с приданием
им необходимых энергии и плотности;
2) пролет частиц от источника до объекта обработки (энергомассоперенос) с вы-
полнением разнообразных процессов модификации потоков: ускорения, фокусирования,
сканирования, нейтрализации заряда и т.п.;
3) взаимодействие потоков с поверхностью - обрабатываемым или контролируе-
мым материалом с выполнением заданных технологических функций.
Поверхность твердого тела отличается от объемного материала по геометрическому
расположению атомов, структуре электронных связей, химическим соединениям и т.п.
Все поверхности, соприкасающиеся с атмосферой, покрыты слоями адсорбированных
атомов и молекул. Так, если при давлении КГ4 Па получить ювенильно чистую поверх-
ЭФФЕКТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ И ИОННЫХ ПУЧКОВ
201
ность, то примерно через 1 с она оказывается покрытой монослоем (~1015 атом/см2) ад-
сорбированных газов. Чтобы удержать поверхность на атомарно-чистом уровне для
проведения, например, операции молекулярно-лучевой эпитаксии, необходим
сверхвысокий вакуум с давлением не выше 10~8 Па.
Эффекты, возникающие при взаимодействии электронного пучка с веществом
(рис. 7.1), реализуются как дискретные события, сопровождающиеся ионизацией и воз-
буждением остаточных газов и паров (рис. 7.1, а), появлением вторичных электронов
(рис. 7.1,0, возбуждением колебаний плотности плазмы, ионизацией на внутренних
электронных оболочках, вызывающих рентгеновское излучение и эмиссию оже-
электронов (рис. 7.1, б, в) и атомных частиц (рис. 7.1, г), рождением электронно-
дырочных пар (рис. 7.1, Э, к) с последующим световым излучением, переходным излу-
чением и возбуждением упругих колебаний кристаллической решетки - возбуждением
фононов (рис. 7.1, е), образованием дислокаций и радиационных дефектов (рис. 7.1, ж),
нагревом (рис. 7.1, з), химическими реакциями (рис. 7.1, и) и другими явлениями.
В зависимости от параметров пучка электронов и свойств материала мишени (обра-
батываемой детали) могут иметь место упругое и неупругое отражения электронов от
поверхности твердого тела, что дает возможность наблюдать за поверхностью с помо-
щью электронного микроскопа, получать новые электронные пучки, анализировать хи-
мический состав материала мишени и многое другое. Электронные пучки способны вы-
зывать и эмиссию атомов и молекул с облучаемой поверхности за счет испарения или
сублимации вещества, термо- и электроностимулированной десорбции адсорбирован-
ных газов, разложения химических соединений и т.п.
Вакуум
(р<10'2..10’4 Па)
Твердое тело (металл,
диэлектрик, полупроводник)
а) ионизация и возбуж-
дение остаточных
газов и паров
е r
б) эмиссия
/т\ электронов
д) ионизация атомов
е
е
в) эмиссия
фотонов
з) нагрев
ж) образование дислока-
ций и радиационных
дефектов
е) возбуждение фононных
колебаний
и) химические
<->о<->о реакции
г) эмиссия атомных частиц Q
к) увеличение проводи-
мости полупроводни-
ков и диэлектриков
Рис. 7.1. Эффекты взаимодействия электронного пучка с твердым телом
202
Глава 7. ЭЛЕКТРОННЫЕ И НАНОТЕХНОЛОГИИ
Нагрев вещества при облучении его электронами имеет несколько особенностей.
Так, максимум поглощенной энергии находится в объеме твердого тела, а не на поверх-
ности, как, например, при лазерной обработке; с помощью термического воздействия
электронов можно вызывать в веществе структурные фазовые переходы, отжиг дефек-
тов, диффузию примесей, рекристаллизацию, плавление материала, десорбцию и испа-
рение с поверхности атомных частиц.
Тепловое воздействие электронного луча с энергией Eq на твердое тело характери-
зуется распределением температуры по его поверхности во времени:
Е ( -г2 У
T(r,t) =----2—j/exP ------
ср(4лат/)/2
(7.1)
где г - расстояние от центра луча до рассматриваемой точки; сут =Хт/(ср) - температуро-
проводность материала; Хт - теплопроводность; р - плотность материала; с - теплоем-
кость; t - время.
Установившаяся температура может быть определена как
г2 Р
Т(г) *-*--*-, (7.2)
Zr Лт
где го - радиус электронного луча; Ре - удельная мощность электронного луча.
Изменение температуры поверхности при воздействии электронного луча можно
рассчитать по формуле
где 1е - ток пучка; qe - заряд электрона; R - глубина проникновения электронов в материал.
Скорость испарения материала равна
уи=5,38-1(Г3Л^%, (7.4)
где ps - упругость пара материала при температуре Т; М- молекулярная масса испаряе-
мого материала.
Несмотря на сложности выполнения электронно-лучевой обработки, связанные с
необходимостью помещать объекты обработки в вакуум, она успешно конкурирует с
другими методами благодаря следующим преимуществам:
- универсальности (можно обрабатывать практически любые материалы, причем не
только изменять геометрические размеры деталей и свойства их поверхности, но и про-
водить различные измерения);
- экологической чистоте (процесс протекает в высоком вакууме, электронный луч
не вносит загрязнений и не подвержен износу, контроль с его помощью, как правило,
является неразрушающим;
- управляемости (можно легко регулировать энергию, фокусировку, модуляцию и
отклонение электронных пучков, причем малая инерционность позволяет быстро пере-
мещать луч с одного участка на другой и обеспечивать высокую скорость обработки и
локальность воздействия).
Физические эффекты в объеме твердого тела, возникающие в результате проникно-
вения электронного пучка в глубь материала, делятся на нетермические и термические.
К первым относятся ионизация атомов мишени, возбуждение фононных колебаний, об-
разование дислокаций и радиационных дефектов, активация химических реакций и уве-
личение проводимости полупроводников и диэлектриков; ко вторым - плавка, испаре-
ние, сварка и размерная обработка (прошивка отверстий, пазов, профилирование и т.п.).
ЭФФЕКТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ И ИОННЫХ ПУЧКОВ
203
Одним из наглядных примеров использования ускоренных электронных потоков в
инженерии поверхности является применение сильноточных импульсных пучков для
модификации свойств деталей титановых сплавов [104] - таких, как компрессорные ло-
патки газотурбинных двигателей. Облучение этих деталей электронами с энергией
115... 120 кэВ и длительностью импульса 20...40 мкс значительно повышает наиболее
важные эксплуатационные характеристики лопаток: износо- и коррозионную стойкость,
длительную прочность и пластичность. При плотности энергии 18...20 Дж/см2 в поверх-
ностном слое протекают высокоскоростной нагрев и плавление, абляция и кристаллиза-
ция, что уменьшает шероховатость поверхности и способствует формированию нерав-
новесных микроструктур благодаря перекристаллизации материала в поверхностном
слое толщиной 20.. .25 мкм.
В зависимости от материала, формы, энергии и удельной мощности ионного пучка
при взаимодействии его с веществом происходят процессы направленного изменения
геометрических размеров и свойств твердого тела, а также их контроля. Ионный пучок
может быть сформирован как из положительных, так и из отрицательных ионов, однако
наиболее часто используют ионы, несущие положительный заряд, из-за большей просто-
ты их получения и управления параметрами пучка. В качестве материала ионного пучка
могут служить атомы практически всех элементов Периодической системы элементов
Д.И. Менделеева, включая ионы молекул, что при возможности варьирования величиной
заряда делает ионные пучки потенциально более гибким средством воздействия на об-
рабатываемый или исследуемый объект по сравнению с электронными пучками.
Основные эффекты, возникающие при взаимодействии ускоренных до энергий
100эВ... 10 МэВ ионов с веществом и наиболее часто используемые в ионных и плаз-
менных технологиях, можно иллюстрировать схемой, представленной на рис. 7.2.
а. Двигаясь в вакууме к облучаемому образцу, ионы могут сталкиваться с атомами
и молекулами остаточных или рабочих газов и паров. Как и в случае с электронными
пучками, могут происходить рассеяние и потеря энергии первичных частиц, однако
кроме ионизации попавшегося на пути атома и испускания при этом фотона возможно
явление перезарядки ионного пучка. Оно сводится к тому, что движущийся ион захва-
тывает электрон у атома, с которым он столкнулся, и продолжает движение практически
с той же скоростью, но уже в нейтральном состоянии. Эффект перезарядки ионного пуч-
ка можно осуществить и с помощью направленного на него потока электронов, которые
нейтрализуют заряд и тем самым создают пучок ускоренных атомов, используемых, на-
пример, для обработки диэлектриков.
б. Ударяющиеся о поверхность образца ионы могут оказаться связанными с ней
благодаря адсорбции или хемосорбции, что может оказаться полезным для получения
тонкопленочных слоев. Вероятность того, что ударившийся о поверхность ион останется
на ней рассчитывается с помощью коэффициента аккомодации а = (Е,- Ed )/(Ei~ Ed)< 1,
где Et - кинетическая энергия иона; Ed - энергия десорбированного атома до наступле-
ния термодинамического равновесия с подложкой; Ed - то же, после установления тер-
модинамического равновесия с подложкой.
в. При столкновении с поверхностью твердого тела ионный пучок может рассеи-
ваться атомами или группой атомов облучаемого образца, при этом происходят откло-
нение траектории ионов от первоначального направления и обмен энергии между ними
и атомами мишени. В зависимости от материала взаимодействующих частиц и энергии
ионного пучка обмен энергии может быть упругим (с ядрами) и неупругим (с электро-
нами). При этом максимальная энергия £тах> передаваемая атому материала ионом с
энергией Eh равна Етах = --Et.
\МХ + м2)
204
Глава 7. ЭЛЕКТРОННЫЕ И НАНОТЕХНОЛОГИИ
Рис. 7.2. Эффекты взаимодейст-
вия ускоренных ионов
с веществом:
а - ионизация газа; б - осаждение
на поверхность; в - отражение
иона; г - десорбция атома или
молекулы; д - физическое распы-
ление; е - химическое распыле-
ние; ж - вторичная ионная эмис-
сия; з - эмиссия электронов;
и - нагрев; к - химические реак-
ции; л - ионная имплантация
г. Упруго отраженные ионы могут вызывать десорбцию слабо связанных с поверх-
ностью атомов и молекул газов и паров, а также различных видов загрязнений. Этот эф-
фект широко используется для очистки поверхностей деталей перед многими операция-
ми, особенно перед процессами эпитаксии и осаждения тонких пленок.
д. Если бомбардирующие поверхность образца ионы передают настолько большой
импульс, что полностью освобождают от связей один или несколько атомов, то проис-
ходит физическое распыление. Это наиболее эффективно проявляется при энергиях иона
0,5.. .5 кэВ, а показателем эффективности служит коэффициент распыления S = NJNb где
Na - число распыленных атомов; - число падающих на поверхность мишени ионов.
Коэффициент распыления зависит от максимальной энергии Етах, передаваемой
атому материала падающим на поверхность мишени ионом. Коэффициент распыления S
зависит также от угла падения иона ф согласно выражению S (ф) = 5(0)/cos ф, где S(0) -
коэффициент распыления при падении иона перпендикулярно к поверхности мишени,
т.е. при ф = 0.
ЭФФЕКТЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ И ИОННЫХ ПУЧКОВ
205
Явление ионного распыления широко используется для строго дозированного уда-
ления вещества с определенных участков обрабатываемого изделия («ионное фрезеро-
вание»), нанесения тонких пленок в вакууме из большой номенклатуры материалов,
анализа распыленных частиц по массам.
е. Пучок химически активных ионов на основе Н+, О+, N*, Cl+, F+ и других элемен-
тов может вступать в химическую реакцию с атомами облучаемого образца и образовы-
вать на его поверхности новые химические соединения, в том числе и газообразные.
Этот эффект называется химическим ионным распылением и широко используется в
операциях ионно-химического травления материалов и ионно-химического осаждения
тонких пленок.
ж. Если при ионном распылении поверхностные атомы возбуждаются до ионизиро-
ванных состояний и покидают образец, то имеет место вторичная ионная эмиссия. Сила
тока вторичных ионов моноизотопа распыленного вещества равна 7,2 =
где г| - чувствительность датчика; к - коэффициент ионизации (10-5... 10-1); С - концен-
трация /-того элемента в мишени; S - коэффициент распыления /-того элемента
(0,1... 10). Этот эффект лежит в основе принципа действия анализатора химического со-
става вещества - вторично-ионного масс-спектрометра.
з. При ионной бомбардировке металлических поверхностей возникает вторичная
электронная эмиссия, которая является естественным средством поддержания самостоя-
тельного газового разряда. Кроме того, это явление используется в ионной микроскопии
и спектроскопии.
и. Если энергия, переданная пучком ионов атомам мишени, недостаточна для их
распыления, то атомы начинают колебаться около положения равновесия, растрачивая
энергию на нагрев окружающей их среды, что приводит, естественно, к нагреву мишени.
При достаточной мощности, выделяемой на единицу поверхности мишени, возникают
процессы (плавление и испарение вещества мишени, термоэмиссия электронов, термо-
излучение и т.п.), которые ничем не отличаются от происходящих при облучении мише-
ни электронами. Примером термической обработки с помощью ионных пучков может
служить протонный отжиг материалов. Однако они, как правило, не выдерживают кон-
куренции с нагревом электронными пучками, получить которые значительно проще.
к. Ионные пучки, подобно электронным, могут изменять химический состав веще-
ства, в который они проникают. Если в качестве материала использовать ионорезист, а
ионный пучок сфокусировать в пятно малого диаметра, то можно получить изображение
с размерами в доли микрометра.
л. При энергии ионов >30 кэВ они могут проникать в глубь образца. На этом явле-
нии основан процесс, который называется ионной имплантацией, или ионным легирова-
нием (рис. 7.3). Независимо от материала мишени в нее можно внедрить атомы практи-
чески любых элементов Периодической системы элементов Д.И. Менделеева, что широ-
ко используется для изменения механических, электрических, химических, оптических,
эмиссионных и других свойств вещества.
Рис. 7.3. Схема пробега
имплантированного иона:
R - полная длина пробега иона; R? - проекци-
онный пробег иона (средняя глубина);
Д/?р - разброс проекционного пробега ионов;
- разброс пробега ионов по оси у
(закон распределения - нормальный)
206
Глава 7. ЭЛЕКТРОННЫЕ И НАНОТЕХНОЛОГИИ
Так как имплантация ионов - процесс термодинамически неравновесный, то можно
создавать соединения, которые принципиально нельзя получить диффузией или метал-
лургическим путем, а также достигнуть концентрации имплантированного материала,
существенно превышающей предел растворимости данной примеси в материале мишени.
Доза легирования D =jnt, ион/м2, гдеуи - плотность ионного тока; t - время легиро-
вания, является важнейшей характеристикой технологического процесса.
Концентрация имплантированных в материал ионов распределяется по нормально-
му закону:
С(х,у) = —=-------ехр
v2rc • Д7?р
fx-ApYl ( / А
I А*Р J I 2ДМ
(7.5)
где х - координата, перпендикулярная к поверхности мишени; у - координата, парал-
лельная поверхности мишени; D - доза легирования; ДЯр - средний квадратический раз-
брос глубины проникновения ионов (по координате х); 7?р - математическое ожидание
глубины проникновения ионов (проекционный пробег); &Ry - средний квадратический
разброс пробега ионов по координате у.
Газоразрядная плазма, состоящая из электронов, ионов и электрически нейтраль-
ных атомов, молекул и радикалов, генерирующая различные виды излучений, также мо-
жет служить инструментом для обработки материалов. С ее помощью можно осаждать
металлические и диэлектрические пленки, стимулировать осаждение из газовой фазы
диэлектрических пленок, пленок переходных металлов, вытравливать материал через
резистивную маску после операций микролитографии, а также получать ионные и элек-
тронные пучки большой интенсивности. Плазменная обработка, заменившая жидкостное
травление, получила название «сухое травление».
Плазменная обработка осуществляется при давлении ниже атмосферного и поэтому
совместима с другими «вакуумными» процессами. Параметрами газоразрядной плазмы
являются: состав и концентрация частиц, температура (энергия) электронов и ионов,
плазменное давление и др. В плазменных технологиях в качестве рабочего газа для об-
работки материалов чаще других используются Аг, О2, N2, Н2, CF4, СС14, SiH4, различные
углеводородные соединения CXHV при давлении 0,65...250 Па; концентрация ионов в
плазме составляет порядка 1О10 ион/см3, а электронов 1О8...1О10 эл/см3; энергия электро-
нов может составлять 1,2...30 эВ, а частота ВЧ-плазмы может изменяться в диапазоне
3,5...27 МГц.
Напряжение зажигания самостоятельного газового разряда U3 зависит от рода газа
и произведения давления р на расстояние между электродами d. Эта зависимость иллю-
стрируется кривыми Пашена (рис. 7.4).
Рис. 7.4. Зависимость потен-
циала зажигания газового
разряда U3 от pd для различ-
ных газов (кривые Пашена)
ИОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА И ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ
207
Одним из наиболее характерных примеров использования газоразрядной плазмы в
машиностроении является очистка и травление поверхности обрабатываемого изделия,
нанесение тонкопленочных покрытий.
Если плазма зажигается в отдельной вакуумной камере (автономном источнике ио-
нов), а ионы вытягиваются из нее в виде пучка, который направляется на мишень, то это
называется ионно-лучевой обработкой, частным случаем которой является ионная им-
плантация.
7.3. ИОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА И ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ
Ионно-лучевая обработка применяется для формирования микрорельефа
(рис. 7.5, а), очистки, полировки и активации поверхностей (рис. 7.5, б, в), нанесения
тонких пленок в вакууме с ионно-лучевым ассистированием (рис. 7.5, г), распылением
(рис. 7.5, Э) и осаждением (рис. 7.5, г), а также для модификации и легирования поверх-
ностных слоев деталей с помощью имплантации ионов из сепарированных пучков
(рис. 7.5, ж).
К источникам ионов предъявляются следующие требования: токи пучка ионов
должны составлять сотни миллиампер, а плотности тока - несколько миллиампер на
сантиметр в квадрате; энергия ионов должна лежать в диапазоне 0,05...5 кэВ; пучки ио-
нов должны состоять из различных веществ, включая химически активные, например
фтор- и хлорсодержащие соединения, углеводороды, кислород, азот и др.; пучки ионов
должны иметь одинаковую плотность тока по сечению пучка большого диаметра, коль-
цевого, прямоугольного, ленточного, сходящегося или расходящегося.
Наиболее полно этим требованиям отвечают источники ионов с холодным катодом,
формирующие пучки ионов в скрещенных электрическом и магнитном полях. Источни-
ки ионов с горячим катодом практически непригодны для формирования химически ак-
тивных пучков ионов.
Разработаны источники ионов с диаметром пучка 50...500 мм, для обработки изде-
лий больших размеров используются прямоугольные пучки с длиной >1 м. При этом
неравномерность обработки, например, толщины наносимой пленки не превышает ±5 %
при скорости осаждения 1.. .2 нм/с.
В технологии ионной имплантации используются сепарированные моноизотопные
пучки ионов. Сравнительно низкая температура обработки материалов, достаточно точ-
ный контроль глубины и профиля распределения примеси, возможность автоматизации
процесса способствуют расширению применения технологии ионной имплантации в
различных областях современного производства. Ионная имплантация позволяет управ-
лять дозами облучения 1010... 1019 ион/см2 и обеспечивает неоднородность распределе-
ния примеси на площади 320 см2 не более 1.. .2 %.
В результате бомбардировки поверхности полупроводника и внедрения в его объем
ионов примеси в кристалле возникают дефекты, а при больших дозах ионов могут обра-
зовываться аморфные участки. Для устранения радиационных дефектов, а также для
перемещения электрически неактивных ионов в узлы кристаллической решетки приме-
няется отжиг при температуре 800... 1200 К.
Ионная имплантация в металлы и диэлектрики позволяет в широких пределах из-
менять их свойства. Удается, например, сплавлять металлы, не смешиваемые в жидком
состоянии. Так, молибден в алюминии практически не растворим, а в результате ионной
имплантации в поверхностном слое алюминия образуется сплав, содержащий 25 % мо-
либдена. При этом повышается стойкость алюминия к питтинговой коррозии. С помо-
щью ионной имплантации получены пересыщенные твердые растворы, метастабильные
интерметаллические соединения, равновесные сплавы и аморфные фазы.
208
Глава 7. ЭЛЕКТРОННЫЕ И НАНОТЕХНОЛОГИИ
Рис. 7.5. Варианты ионно-лучевой обработки:
1 - источник ионов; 2 - маска; 3 - изделие; 4 - испаритель; 5 - мишень; 6 - масс-сепаратор;
7 - система ускорения ионов; 8 - система сканирования
Модификация поверхностных слоев многокомпонентных материалов, таких, как
стали и сплавы, может быть обусловлена не только имплантацией ионов примеси, но и
перераспределением компонентов сплава. Ионной имплантацией можно упрочнять ме-
таллы путем изменения структуры поверхности в процессе бомбардировки. При упроч-
нении металлов (деталей машин, инструмента и т.д.) в их поверхность могут быть им-
плантированы ионы, играющие роль твердой смазки.
Ионная имплантация в металлы применяется для изменения их поверхностных
свойств: повышения твердости, износо-, коррозионной и радиационной стойкости; уве-
ИОННО-ЛУЧЕВАЯ ОБРАБОТКА И ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ
209
личения сопротивления усталостному разрушению; уменьшения коэффициента трения;
управления химическими, оптическими и другими свойствами (рис. 7.6). Ионная им-
плантация позволяет упрочнять поверхностные слои металлов и сплавов путем перевода
их в аморфное состояние. Аморфизация поверхности различных металлов (Al, Со, Ni, Fe
и др.) достигается при имплантации в них ионов металлоидов (В+, Р+, As+) или при бом-
бардировке ионами W\ Та+, Аи+ сталей, в том числе коррозионно-стойких. Для сопро-
тивления изнашиванию наиболее часто используется имплантация ионов FT, В+, С+, Ti+, после
чего долговечность деталей или инструмента увеличивается в 2-10 раз.
Оборудование ионной имплантации (рис. 7.7) включает в себя: ионный источник,
экстрагирующую и фокусирующую ионную оптику, ускоряющую систему, масс-
сепаратор, устройство сканирования ионного пучка, источники питания, приемную ка-
меру, вакуумную систему, устройства контроля и управления технологическим процес-
сом. Атомы имплантированной примеси вводятся в ионный источник либо напуском в
виде газа, либо испарением жидкости или твердого вещества. В ионном источнике они
ионизируются и вытягиваются электрическим потенциалом в ускоритель, где приобре-
тают нужную энергию.
Существует несколько типов источников ионов: источники с горячим, холодным и
полым катодами; дуоплазмотроны; источники с ВЧ- и СВЧ-возбуждением; с поверхно-
стной ионизацией. Для получения многозарядных (двух или трехзарядных) ионов ис-
пользуется дуговой источник с катодом косвенного накала.
Ускоритель ионов предназначен для сообщения ионам необходимой плотности
энергии и фокусировки пучка при его движении вдоль ускорителя. Он может распола-
гаться до или после масс-сепаратора. Последний применяется для отделения импланти-
руемых ионов от других веществ, присутствующих при формировании пучка в источни-
ке ионов, т.е. для создания моноизотопного пучка ионов.
Устройство сканирования ионного пучка направляет сфокусированный ионный луч
в нужное место мишени по заданной программе. В оборудовании ионной имплантации
применяются три способа сканирования: механический, электростатический и комбини-
рованный. При механическом сканировании ионный луч не перемещается в перпенди-
кулярных к его движению направлениях, а передвигается мишень относительно луча в
двух взаимно-перпендикулярных направлениях. При электростатическом сканировании
ускоренный ионный луч отклоняется от направления своего движения потенциалом
отклоняющих электродов.
Рис. 7.6. Кривые выносливости стали
30ХГСН2А (ЗОХГСНА) исходной (кривая 1)
и после имплантации ионов В+ (кривая 2),
N+ (кривая 3) и С+ (кривая 4) с энергией
40 кэВ дозой 1017 см’2:
Рис. 7.7. Схема установки для ионной
имплантации:
7 - источник ионов; 2 - масс-сепаратор;
3 - система фокусировки; 4 - система ускоре-
ния ионов; 5 - система сканирования; 6 - при-
емная камера; 7 - вакуумные насосы
рк - разрушающее контактное давление
210
Глава 7. ЭЛЕКТРОННЫЕ И НАНОТЕХНОЛОГИИ
Приемная камера служит для загрузки, фиксации, перемещения во время легирова-
ния и выгрузки обрабатываемых изделий. Вакуумные системы оборудования ионной
имплантации строятся как на масляных (с использованием диффузионных насосов), так
и на безмасляных вакуумных насосах (турбомолекулярных или криогенных).
7.4. ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННОЕ ТРАВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ
С помощью вакуумно-плазменного травления можно обрабатывать металлы, ди-
электрики, полупроводниковые материалы, оксиды, нитриды, карбиды, алмаз, камни,
высокомолекулярные соединения и т.д., причем как в монолитном, так и в тонкопленоч-
ном виде. В качестве инструмента травления используются: газоразрядная плазма
(инертные и химически активные газы); ионный луч (Ar+, Kr+, Cl+, F+ и др.); атомный и
молекулярный пучки (Ar, Кг, Cl2, F2, О2, Н2 и др.). Глубина травления может составлять
от 50 нм до нескольких микрометров, а минимальная ширина линии травлении 0,1.. .0,5 мкм.
В зависимости от вида обрабатываемого материала, требований по точности разме-
ров микроструктур и производительности оборудования применяются различные спосо-
бы вакуумно-плазменного травления (табл. 7.2, 7.3). Скорость травления в зависимости
от применяемого способа может колебаться от 0,01 до 500 нм/с.
При ионном травлении (ИТ) скорость травления (физического распыления мате-
риала), м/с, равна
(7.6)
LSM
vht ~ ’
<leNAP
где Ji - плотность ионного тока, А/м2; S - коэффициент распыления, атом/ион; М- моле-
кулярная масса, кг/кмоль; qe - заряд электрона, Кл; Nk - число Авогадро, молекул/кмоль;
р - плотность материала, кг/м3.
При химическом травлении (XT) скорость травления (спонтанной химической ре-
акции), м/с, равна
_ ^хач8хрГхр^
VXT - 77
^аР
(7.7)
где ^хач - плотность потока химически активных частиц (ХАЧ) на поверхность мате-
риала, ХАЧ/(м2-с); 8хр - вероятность спонтанной химической реакции (ХР); ухр - коэф-
фициент выхода материала в результате ХР, атом/ХАЧ (для реакции Si + 4F -> SiF4
Ухр = 0,25 атом/ХАЧ).
Величину #хач можно рассчитать по формуле
ЧХАЧ Г~—; ’
где /?хач “ парциальное давление ХАЧ, Па; к - постоянная Больцмана, Дж/К; Т - тем-
(7-8)
пература стенок вакуумной камеры, К.
Величину 8Хр можно найти по формуле
(-Е А
Sxp=CXPexp|-^, (7.9)
где СХР - предэкспоненциальный множитель, не зависящий от температуры; £акг-
энергия активации спонтанной ХР, Дж.
При ионно-химическом травлении (ИХТ) скорость травления определяется как
сумма Уцхт = у ит + Ухт*
ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННОЕ ТРАВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ
211
7.2. Классификация методов вакуумно-плазменного травления
ИТ Ионно-плазменное травление (ИПТ) 0 0 0 Аг+, Кг+ 1 1 1 h 8«0
Ионно-лучевое травление (ИЛТ)
Атомно-лучевое травление (АЛТ)
ихт Реактивное ионно-плазменное травле- ние (РИПТ) (р (? Cl+, F+, О+, Н +
Реактивное ионно-лучевое травление (РИЛТ)
Реактивное атомно-лучевое травление (РАЛТ)
XT Газовое травление (ГТ) C1',F', CF4,02,Н2 уЗ V ^4 —
Радикальное травление (РТ)
Плазмо-химическое травление (ПХТ)
Условные обозначения: 1 - подложка; 2 - слой толщиной й; 3 - маска;
8 - погрешность травления.
7.3. Характеристики методов вакуумно-плазменного травления
Характе- ристика ИПТ ИЛТ АЛТ РИПТ РИЛТ РАЛТ ГТ РТ ПХТ
р, Па 10-1...10 10’3...10‘2 1О-1...1О2 10‘2...10-1 10...102 1,0...ю2 10...ю2
Tmin, мкм 0,3 0,1 1,0 0,8 3,0 2,0
АГ, мкм 0,1 0,05 0,5 0,3 1,0
С S М L
НС L м S
Условные обозначения: р- рабочее давление; Zmjn - минимальный раз-
мер; АГ - погрешность травления; С - селективность; НС - нарушенный слой
(5 - малый; М- средний; L - большой).
Селективность травления, т.е. возможность обрабатывать различные материалы,
зависит от эффекта, лежащего в основе удаления материала с обрабатываемой поверх-
ности. Физическим распылением можно обрабатывать практически любые материалы;
скорость травления материалов зависит только от коэффициента распыления. Химиче-
ское взаимодействие, наоборот весьма избирательно к различным материалам.
Погрешность травления, т.е. отклонение получаемых размеров от размеров маски,
определяется показателями изотропности травления. Строгая направленность обработки
ускоренными частицами (заряженными ионами, нейтрализованными атомами или моле-
212
Глава 7. ЭЛЕКТРОННЫЕ И НАНОТЕХНОЛОГИИ
кулами) способствует уменьшению погрешности размеров благодаря преимуществен-
ному травлению перпендикулярно к поверхности, т.е. в глубь материала (см. табл. 7.2).
Травление электрически нейтральными частицами (молекулами, атомами и радикалами),
не имеющими преимущественного направления движения, вызывает появление погреш-
ности размеров обработки, вносимое изотропным травлением как перпендикулярно к
поверхности, т.е. в глубь материала, так и параллельно ей, т.е. под маску.
При ИТ погрешность размеров обработки может появиться при неправильно вы-
бранной толщине маски. Если толщина маски намного больше толщины вытравливае-
мого слоя, то распыляемые атомы осаждаются на боковые стенки маски и изменяют ее
размеры (длину, ширину или диаметр окна). При этом соответствующие размеры обра-
батываемого слоя уменьшаются. Если толщина маски меньше или равна толщине обра-
батываемого слоя, то материал маски может стравиться быстрее, чем материал слоя, и
его размеры могут стать больше требуемых.
К материалам маски при ИТ предъявляются следующие требования: высокая раз-
решающая способность; термостойкость; минимальная скорость травления по отноше-
нию к скорости травления слоя. Применяются маски из фольги (трафареты) с минималь-
ным размером рисунка 30...50 мкм и тонкопленочные (контактные) маски с минималь-
ным размером рисунка 0,1.. .0,5 мкм. Тонкопленочные маски изготавливают из:
- органических материалов - фоторезистов, которые могут работать при темпера-
туре < (423...473) К, что определяет критическую плотность мощности ионного тока на
мишени: 0,05 Вт/см2 без охлаждения мишени, 0,5 Вт/см2 с водяным охлаждением без
плотного прижатия к мишени, 1 Вт/см2 с водяным охлаждением по всей площади по-
верхности мишени;
- металлов: Ti, Cr, Мп, V, Мо, Та и А1, которые выдерживают температуру
620...670 К и скорость травления которых резко уменьшается при напуске кислорода
(через такие маски обрабатывают материалы, коэффициент распыления которых мало
зависит от парциального давления кислорода: SiO2, Si3N4, Си, Ag, Au, Pt, GaAs и др.);
- графита, имеющего самый низкий коэффициент распыления в чистом аргоне и
выдерживающего большие плотности мощности ионного тока на мишени.
Выбор способа травления заключается в определении приоритетных характери-
стик: наименьшими селективностью травления и погрешностью размеров обработки
обладает ИТ; наибольшую скорость травления и наименьший нарушенный слой обраба-
тываемой поверхности можно получить при XT; наилучшим сочетанием точности обра-
ботки и производительности оборудования характеризуется ИХТ.
Современные методы нанесения тонких пленок распылением мишеней таких твер-
досмазочных материалов (ТСМ), как дисульфид молибдена, позволяют получать покры-
тия с уникальными антифрикционными свойствами при малой толщине и высокой адге-
зии покрытия к подложке. Интерес к такому покрытию обусловлен низким коэффициен-
том трения (аномально-низким в условиях сверхвысокого вакуума), малым газовыделе-
нием в вакууме, возможностью использования в экстремальных условиях: в вакууме,
при высоких температурах и нагрузках.
Основным препятствием к широкому использованию технологий вакуумного нане-
сения ТСМ в машиностроении является малая, до нескольких микрометров, толщина
покрытий, обеспечивающая недостаточно высокую долговечность, несмотря на низкую
интенсивность его изнашивания. Поэтому твердосмазочные покрытия (ТСП) толщиной
порядка 1 мкм, формируемые вакуумными методами, целесообразно использовать в
прецизионных механизмах, а для многоциклических механизмов необходимо повышать
долговечность ТСП.
ВАКУУМНОЕ ОСАЖДЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК
213
Одним из возможных решений проблемы является объединение в едином вакуум-
ном цикле операций ИТ и нанесения тонких пленок с целью формирования на поверхно-
сти трения микрорельефа и покрытия, сопоставимых по своей глубине и толщине с па-
раметром шероховатости поверхности. После износа слоя покрытия на участках между
микрокарманами антифрикционные свойства контакта обеспечиваются путем подпитки
зоны трения содержащимися в микрокарманах запасами ТСМ.
Использование уникальных возможностей ионных технологий при финишной под-
готовке поверхности перед нанесением покрытия (ионная очистка и ионная активация)
позволяет добиться высокой адгезии тонкой пленки, что повышает антифрикционные
характеристики ТСП.
Кроме того, ионно-лучевая обработка может выступать также и в качестве эффек-
тивного инструмента для формирования необходимого микрорельефа (микрокарманов),
поскольку максимальная требуемая глубина травления составляет до нескольких мик-
рометров.
В то же время операция ионной полировки поверхности трения в отличие от тради-
ционной механической обработки благодаря сглаживанию вершин микронеровностей
обеспечивает наиболее предпочтительный контур шероховатости (с позиции уменьше-
ния интенсивности изнашивания тонкопленочного ТСП).
7.5. ВАКУУМНОЕ ОСАЖДЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК
Тонкие пленки можно получать практически из любых материалов, а области ис-
пользования тонкопленочных покрытий имеют очень широкий диапазон [1], в том числе
в машиностроении (табл. 7.4).
Технологический маршрут нанесения тонкопленочных покрытий состоит из сле-
дующих операций:
1) проверки работоспособности оборудования (наличия рабочих материалов, газов,
герметичности вакуумных камер);
2) загрузки изделия из атмосферы в вакуум и его перемещения в рабочую (техноло-
гическую) камеру;
7.4. Некоторые типы, области применения и материалы тонкопленочных покрытий
Тип пленки или покрытия Область применения Материал пленки
Алмазоподобная Машиностроение, элек- троника, медицина, связь а-С, а-С:Н, AIN, ZnO и др.
Износостойкое Машиностроение: детали машин, режущий и де- формирующий инстру- мент, фильеры, валки TiN, TiCN, TiAlN, TiSiBN, TiSiCrN, AlSi, CrN, NiWO4, WSi, WC, TiN-BN, TiN-NbN-Si3N4; TiN-HfN-BN, AIN, а-С, a-C:H и др.
Коррозионно- стойкое Машиностроение, меди- цина, электроника, архи- тектура, строительство, бытовая техника Al, Cu, Cr, Ni, Ti, TiN, NiCu, ZnCd, MgNi, a-C, a-CH
Т вердосмазочное Машиностроение MoS2, WS2, MoSe2, WSe2, a-C, a-C:H, фторопласт-4 и др.
214
Глава 7. ЭЛЕКТРОННЫЕ И НАНОТЕХНОЛОГИИ
3) подготовки поверхности изделия (нагрева, очистки, активации);
4) выхода на заданные режимы работы источников нанесения тонкопленочного по-
крытия;
5) напуска рабочего газа (если необходимо);
6) осаждения тонкой пленки;
7) стабилизации и контроля параметров пленки (нагрев, отжиг и др.);
8) выгрузки обработанных изделий.
Осаждение тонких пленок в вакууме включает в себя три этапа: генерацию атомов
или молекул, перенос их к подложке и рост пленки на поверхности подложки. Состав и
структура пленки зависят от исходных материалов, метода и режимов нанесения, обес-
печивающих необходимый энергомассоперенос материала.
В табл. 7.5 представлена классификация методов нанесения тонких пленок в вакуу-
ме, в основу которой положены физические принципы генерации и переноса потоков
атомов или молекул, способы реализации этих принципов и конструктивное исполнение.
Основными технологическими режимами нанесения тонких пленок в вакууме яв-
ляются: давление в рабочей камере рвак (остаточных газов - вакуума) и />р.г (рабочего
газа - инертного, химически активного, смеси газов), Па; температура подложки (изде-
лия) Тп, К; максимальная скорость осаждения пленки , мкм/с; энергия осаждаю-
щихся атомов, молекул, ионов и кластеров F, эВ; доля ионизированных частиц Ки.
В приведенных в табл. 7.5 формулах использованы также следующие обозначения:
/’нас - давление насыщенного пара, Па; М- молекулярная масса испаряемого материала,
кг/моль; Гисп - температура испарения, К; FH, Fp - площадь поверхности испарения или
распыления, м2; d- расстояние от источника до подложки, м; р - плотность осаждаемого
материала, кг/м3; уи - плотность ионного тока, А/м2; S - коэффициент распыления,
атом/ион; ддоп - допустимая плотность потока энергии на поверхность конденсации,
Вт/см2; Еопт - оптимальная энергия осаждающихся частиц, эВ; pi9 pi и М - соответствен-
но парциальное давление (Па), плотность (кг/м3) и молекулярная масса (кг/кмоль) осаж-
дающихся из газовой смеси компонентов п.
Условные обозначения методов приняты с целью использования их в базах данных
и автоматизированных экспертных системах, необходимых для повышения уровня информа-
ционного обеспечения разработок и исследований в области технологии тонких пленок.
К достоинствам метода осаждения тонких пленок термическим испарением отно-
сятся высокая чистота осаждаемого материала (процесс проводится при высоком и
сверхвысоком вакууме), универсальность (наносят пленки металлов, сплавов, полупро-
водников, диэлектриков) и относительная простота реализации. Ограничениями метода
являются нерегулируемая скорость осаждения v0, низкая, непостоянная и нерегулируе-
мая энергия осаждаемых частиц Е.
При молекулярно-лучевом методе D05 используются эффузивный источник в виде
ячейки Кнудсена и капиллярный испаритель, в которых энергия к веществу подводится
благодаря резистивному нагреву. Наличие тепловых экранов и контроль температуры
обеспечивают одинаковую энергию испаренных частиц Е и идеальную диаграмму рас-
пределения частиц по направлениям (косинусоидальный закон Кнудсена).
Сущность метода осаждения тонких пленок в вакууме ионным распылением D1 за-
ключается в выбивании (распылении) атомов вещества из поверхностных слоев мишени
высокоэнергетичными ионами рабочего газа (обычно инертного Аг). Ионы образуются в
газовом разряде при давлении ррг = 10...5-10-2 Па и ускоряются до энергии 0,7...5 кэВ
вследствие приложения к мишени отрицательного потенциала в 0,7...5 кВ. Распыленные
из мишени атомы осаждаются в виде тонкой пленки на поверхности подложки.
ВАКУУМНОЕ ОСАЖДЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК
215
7.5. Методы нанесения тонких пленок в вакууме
Принцип
Осаждение термиче-
ским испарением DO
рмк= 1 О’4...КГ8 Па;
Т„ = 373...973 К;
V™ =1,4-103р х
V ^исп р
= 0,1... 1,0 мкм/с;
£ = 0,1...0,3 эВ;
^и = 0
Метод Тип Код
Резистивный D00 // Проволочный D000
Ленточный D001
I 0^0 Сублимационный Тигельный D002 D003
Реактивный DOOR
ВЧ-нагрев D01 Тигельный D010
Ж Со стартовым элементом D011
D ВЧ
> Реактивный D01_R
Электронный D02 Тигельный D020
Проволочный D021
IW —0 4- Штабиковый Реактивный D022 D02R
Электронно-лучевой D03 С пушкой Пирса D030
\т п С аксиальной пушкой D031
г Многотигельный D032
Реактивный D03R
Лазерный D04 Твердотельный D040
Непрерывный СО2-лазер D041
' "У Реактивный D04R
F
-А
Мол секулярно-j =\tz= О 1 д r$Y£ О j * . ,, туче |^о в ° 4 ° -3° duo 5вой D05 Эффузионный (ячейка Кнудсена) Капиллярный D050 D051
216
Глава 7. ЭЛЕКТРОННЫЕ И НАНОТЕХНОЛОГИИ
Продолжение табл. 7.5
Принцип Метод Тип Код
Осаждение ионным распылением D1 Ионно-плазменный D10 Тлеющий разряд Диодный на постоянном токе D100
гп Диодный ВЧ D101
Рр.Г ф ф ф ф _ шШп гу s г; ; У1 Трехэлектродный D102
Магнетронный на постоянном токе D103
'.is S в Л ii о . и- II ЧО \ 2 Ь. ь, •© ® Г 1 £<Э LU к> К f J * k Я 11 Магнетронный ВЧ D104
Магнетронный с ЭЦР D105
Реактивный D100_R
Ионно-лучевой D11 С горячим катодом D110
С холодным катодом Dill
Реактивный D11_R
Осаждение взрыве D2 w> )М Лазерный D20 Импульсный D200
Рвак=1О3...1О-5Па; Тп = 293 К; уПиы < |q3 мкм/с- Е = 1...1000 эВ; Кя = 0,1...0,5 Электронно-лучевой D21 D210
Электроразрядный D22 \\^// Конденсаторный D220
ВАКУУМНОЕ ОСАЖДЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК
217
Продолжение табл. 7.5
Принцип Метод Тип Код
Осаждение дуговым разрядом D3 1——— 1 Гп Рвак= Ю“2...Ю'5Па; Тп= 293...693 К; y’liax < 9доп-^ __ ХптР = 0,1...50 мкм/с; Е = 0,1...10эВ; КИ = 0,2..Л С холодным катодом D30 Дуговой разряд В парах катода D300
В парах катода и анода D301
\W Реактивный D30_R
У//ШМ
С горячим катодом D31 В парах анода D310
В парах рабочего газа D311
+ tSb- 'ШШ Реактивный D31R
Ионное осаждение D4 Тп Термоионный D40 °_ о 9 Диодный D400
С потенциалом смещения D401
>4 Еч II < лП я„ II О °| || - й ф—* о ot4 Г й М Д II г 3 |л S О S ф " х • й о ; о S ° Ьн Я О u w ® 5.3 л W О ?? Д Jf Ф - • р и ф—► L Реактивный D40_R
Ионно-плазменный D41 Диодный D410
ixXXX?5s/5sXx Рабочий газ С потенциалом смещения D411
Ионно-лучевой D42 С горячим катодом D420
п р. „ фф Рабочий газ i 1 khL/xXXXXXX I 1 д X X X X X X > । УхХХХХХХ “ТЖаХаХ лии. С холодным катодом D421
218
Глава 7. ЭЛЕКТРОННЫЕ И НАНОТЕХНОЛОГИИ
Окончание табл. 7.5
Принцип Метод Тип Код
Ионное осаждение D4 । ' । Плазмотронный D43 Торцовый дуговой с горячим катодом сильноточный D430
^^х ^^х />вак= 10-3...1(Г5 Па; ррг= 103...10"' Па; Т„ = 293...493 К; max < Чцоп^' Ю _ О Т-1 ^оптР = 0,1...50 мкм/с; Е = £Опт» ЮО эВ; Хи = 0,1 ...1 Торцовый дуговой с горячим катодом холловский D431
Торцовый дуговой с холодным като- дом D432
С замкнутым дрейфом электро- нов D433
Импульсный с эрозией диэлек- триков D434
Химическое осажде- ние D5 А | О U 1 ррг= ПЛ.-ПГ1 Па; £„ = 293...1793 К; vmax = 4!38.10з х ХЁ^ 1^ = и Р, \ Т„ = 0,01. ..1 мкм/с; £= 0,1...10 эВ; Ки = 0 Из газовой фазы D50 1 ое 1 ое 1 При высоком дав- лении (АР CVD) D500
При пониженном давлении (LP С VD) D501
Г азофазная эпи- таксия D502
' Смесь газов Термическое окисление D503
Плазмохимический D51 Безэлектродный ВЧ D510
Диодный на постоянном токе D511
—сW
Тлеющий разряд Диодный ВЧ D512
С фотонной стимуляцией D513
Примечание. DR - реактивный метод; ВЧ - высокочастотный; е - электрон;
hv - энергия фотона; ОКГ - оптический квантовый генератор (лазер); АИИ - авто-
номный источник ионов; р.г - рабочий газ; ЭОС - электронно-оптическая система;
ЭЦР - электронно-циклотронный резонанс.
ВАКУУМНОЕ ОСАЖДЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК
219
Различают ионно-плазменный D10 и ионно-лучевой D11 методы, в которых ис-
пользуются тлеющий (тип D100, D101, D103, D104 и D105) и несамостоятельный (D102)
газовый разряды, а также автономные источники ионов Кауфмана (с горячим катодом -
тип D110) и Пеннинга (с холодным катодом - тип Dill). При использовании в качестве
рабочего газа смеси из Аг и химически активного газа (О2, N2 и т.п.) реализуется реак-
тивный метод осаждения оксидов, нитридов и т.п. (типы DIO R и DI 1_R).
Достоинствами метода осаждения тонких пленок ионным распылением являются
универсальность (можно наносить металлы, сплавы, диэлектрики, магнитные компози-
ции), регулируемая скорость осаждения v0 и относительно простая конструкция. К не-
достаткам относятся невысокая чистота осаждаемой пленки (из-за наличия рабочего
газа), низкая и нерегулируемая энергия осаждаемых частиц Е.
Тонкопленочные покрытия получают путем испарения вещества взрывом D2 при
импульсном воздействии на него лазерного излучения D20 или электронного пучка D21,
а также при пропускании мощного импульса тока через образец из наносимого материа-
ла в форме тонкой проволоки или фольги D22. Продукты взрыва с большой скоростью
(энергия частиц Е составляет 1...103 эВ) переносятся к подложке (детали) и конденси-
руются на ее поверхности в виде тонкой пленки.
Преимуществом метода является высокая скорость осаждения v0 и хорошая адгезия
тонкопленочного покрытия, однако его применение ограничено сложностью реализации
и большой неравномерностью толщины пленки.
Осаждение тонких пленок дуговым разрядом в вакууме D3 происходит вследствие
эрозии вещества в сильноточных дуговых разрядах (с холодным D30 и горячим D31 ка-
тодами), образования ионизированной паровой фазы (20... 100 % ионов), переносе ее с
большой скоростью (энергия частиц Е до 10 эВ) и конденсации на поверхности подложки.
К достоинствам метода осаждения тонких пленок дуговым разрядом в вакууме от-
носятся: практически неограниченная электрическая мощность; высокий коэффициент
ионизации испаряемых частиц АГИ; возможность получения пленок сплавов, оксидов,
нитридов, карбидов и т.п., причем как путем использования мишеней из этих материа-
лов, так и реактивным методом (типы D30 R и D31R); отсутствие необходимости в
дополнительном газе для ионизации; v0 - максимально возможная скорость осаждения
(ограничивается допустимым потоком энергии на поверхность конденсации). Недостат-
ками являются наличие в потоке осаждаемого вещества капельной фазы, нерегулируе-
мая энергия частиц Е и относительная сложность конструкции дуговых источников.
В основе методов ионного осаждения тонких пленок D4 лежит сочетание двух про-
цессов: 1) генерации плазмы исходного вещества с помощью одного из типов электри-
ческого разряда или ВЧ-индуктора и 2) ускорения ионов или всей квазинейтральной
плазмы с последующей конденсацией на поверхности подложки (детали). Исходное ве-
щество получают с помощью одного из методов термического испарения D0 (термоион-
ный метод D40); из газовой смеси, содержащей компоненты осаждаемой пленки (ионно-
плазменный D41 и ионно-лучевой D42 методы); посредством дугового разряда D3, который
используется как первая ступень плазменного ускорителя (плазмотронный метод D43).
Основными достоинствами метода ионного нанесения тонких пленок являются ре-
гулируемая в широких пределах энергия осаждаемых частиц Е (оптимальной считается
энергия £Опт =100 эВ) и высокая скорость осаждения v0, а главными недостатками -
сложность реализации и распыление конструкционных материалов, а следовательно, и
загрязнение плазмы и получаемой пленки.
Метод химического осаждения тонких пленок D5 осуществляется при напуске в
рабочую камеру (реактор) смеси газов, содержащей компоненты получаемой пленки, и
делится на осаждение атомов и молекул непосредственно из газовой фазы D50 и плазмо-
220
Глава 7. ЭЛЕКТРОННЫЕ И НАНОТЕХНОЛОГИИ
химическое осаждение электрически нейтральных атомов, молекул и радикалов D51.
Существуют CVD-методы (D500 и D501), газофазная эпитаксия (D502), термическое
окисление (D503), методы плазмохимического осаждения (D510 - D513) (CVD - Chemi-
cal Vapor Deposition).
В литературе часто встречается термин PVD (Physical Vapor Deposition) - осажде-
ние тонких пленок, к которым относятся все вышеупомянутые методы, кроме CVD.
Главными преимуществами метода химического осаждения являются широкий
диапазон скоростей осаждения v0 и возможность получения заданной кристаллической
структуры пленки (вплоть до монокристаллов), а основным недостатком - использова-
ние токсичных, экологически небезопасных газовых смесей.
Особенность технологии тонких пленок состоит в возможности управлять парамет-
рами тонкопленочных покрытий с помощью изменения структуры и геометрических
размеров пленки (в первую очередь толщины), а также ее состава. Получать пленки с
заданным составом можно реактивным нанесением, путем использования мишеней
сложного состава, с помощью одновременного осаждения различных материалов из не-
скольких источников.
Реактивным методом можно получить пленки оксидов, нитридов, карбидов и т.п.
(рис. 7.8). Условием стабильности процесса является выполнение неравенства 7?реак< Ар,
где Рреак - парциальное давление реактивного газа; рк? - критическое давление, при кото-
ром происходит изменение химического состава поверхности мишени, приводящее к
заметному изменению режимов осаждения пленки (т.е. скорость испарения или распы-
ления мишени должна быть больше, чем скорость ее окисления, нитридизации и т.п.).
В качестве примера можно привести изменение энергии межатомных связей Uq распы-
ляемого материала и его оксида: t70(Ti)= 4,9 эВ; С/о(тю) = 6,8 эВ; C7o(ai)= 3,2 эВ; С/о(А12о3) =
= 19,2 эВ. Величина р^, Па, рассчитывается исходя из условия наибольшей вероятности
осуществления химической реакции на подложке
Рир =5,4-1О10 vp/A(j, (7.10)
где vp - скорость распыления мишени, нм/с; AG - свободная энергия образования окси-
да, нитрида, карбида и т.п., Дж/атом.
Парциальное давление реактивного газа рреак можно рассчитать из условия превы-
шения плотности ионного тока jt на мишени над потоком реактивного газа на мишень
Адг > Упеак , Т.е.
ЛГ pCdK 7
Ji Т^реак
zqe pnMR0T ’
(7.U)
Рис. 7.8. Схема реактивного
осаждения тонких пленок:
UM - напряжение на мишени
где z - кратность ионизации атома газа;
М - молекулярная масса реактивного газа;
Rq - универсальная газовая постоянная; Т -
температура газа.
С помощью реактивного осаждения
наносят, например, пленки иттриевого фер-
рограната Y3Fe50i2 в среде Аг с добавлени-
ем 20% О2, причем поликристаллическая
пленка получается при температуре под-
ложки Т = 922 К, а аморфная - при Т <
< 922 К; пленки силицидов металлов MoSi,
НАНЕСЕНИЕ В ВАКУУМЕ ТВЕРДОСМАЗОЧНЫХ И ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ 221
Рис. 7.9. Схема распыления многокомпо- Рис. 7.10. Схема нанесения многокомпо-
нентной мишени с диссоциацией молекул (а) нентной или легированной пленки из двух
и без диссоциации (б) источников
WSi, PtSi и других в плазме Ar-SiH4 с последующим вжиганием при Т> 1300 К; сверх-
проводящие пленки NbN (температура сверхпроводимости Тс= 11... 15 К) при распыле-
нии мишени из Nb в среде Xe-N2; пленки поверхностно-активного вещества из A1N на
стеклянной подложке в среде N2-H2; пленки фторопласта-4 при распылении мишени из
политетрафторэтилена с хорошим охлаждением с добавлением CF4 к Аг.
Испарением или распылением мишеней сложного состава можно получать, напри-
мер, магнитооптические пленки GdCo или SmCo, причем в первом случае в состав ми-
шени входит: 25 % гадолиния и 75 % кобальта, а во втором - по 50 % самария и кобаль-
та; силициды тугоплавких металлов MoSi (рис. 7.9, a), WSi, PtSi и т.п., при этом стехио-
метрические составы пленки и мишени совпадают несмотря на то, что каждый элемент
распыляется отдельно и существует различие в коэффициентах распыления компонен-
тов; дисульфиды и диселениды металлов (твердые смазки), например MoS2 (рис. 7.9, б),
который распыляется целой молекулой, так как связь между атомами серы и молибдена
значительно больше межмолекулярных связей.
Осаждение многокомпонентных или легированных пленок из нескольких источни-
ков, например полупроводниковой пленки Si, легированной Sb (рис. 7.10), позволяет
получать необходимый стехиометрический состав тонкопленочного покрытия, строго
управлять уровнем легирования (можно получать сложные профили легирования,
сверхрешетки с практически любым Х-параметром кристалла). Так получают, например,
сверхпроводящие пленки Nbo,748Geo,252-
В машиностроении технология тонких пленок используется для повышения стой-
кости режущего инструмента, упрочнения деформирующего инструмента, уменьшения
трения и увеличения износостойкости деталей машин путем нанесения на них твердо-
смазочных и износостойких покрытий.
7.6. НАНЕСЕНИЕ В ВАКУУМЕ ТВЕРДОСМАЗОЧНЫХ
И ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ
Основными достоинствами ионно-плазменного нанесения (ИПН) MoS2 как твердо-
смазочного покрытия (ТСП), работающего в вакууме, являются отсутствие даже при
температуре 973 К в спектре газовыделения серосодержащих соединений (SO2, H2S, CS2)
(рис. 7.11) и малый поток продуктов износа. Спектр газовыделения покрытия «Димолит-
4», полученного химико-термическим осаждением MoS2 на стальных деталях, содержит
указанные соединения уже при температуре нагрева 423 К.
Достоинства покрытия на основе ИПН MoS2 связаны с постоянным стехиометри-
ческим составом, формируемым при осаждении пленки, так как MoS2 распыляется и
переносится к подложке в виде молекул. Высокая адгезия покрытия и малая толщина
222
Глава 7. ЭЛЕКТРОННЫЕ И НАНОТЕХНОЛОГИИ
определяют низкую интенсивность изнашивания и, как следствие, низкий поток
генерируемых частиц износа. Дополнительная очистка растущей пленки ионами во
время нанесения обеспечивает высокую чистоту покрытия и отсутствие примесей между
базовыми плоскостями кристаллов, что улучшает их взаимное скольжение. Коэффици-
ент трения скольжения в вакууме такого покрытия может достигать величины 0,002.
Таким образом, ТСП на основе ИПН M0S2 без связующих компонентов имеет наи-
более эффективные области применения в подшипниках качения и в малонагруженных
прецизионных парах трения скольжения. Для использования такого ТСП в тяжелона-
груженных парах трения вакуумных механизмов, например в высоковакуумных затво-
рах, необходима специальная подготовка поверхности.
Одной из особенностей рассматриваемого покрытия является малая толщина (по-
рядка 1 мкм), поэтому для повышения долговечности пары трения в технологический
маршрут введена операция формирования микрокарманов (рис. 7.12), в которых после
нанесения покрытия содержится запас дополнительной смазки, подпитывающей зону
трения после износа основного слоя. Разработанный технологический маршрут пред-
ставлен на рис. 7.13.
а)
О
Рис. 7.11. Спектр газовыделения покрытий на основе MoS2:
а - ИПН MoS2, Т= 773 К, t = 1 ч; б - «Димолит-4», Т= 623 К, t = 1 ч
Рис. 7.12. Эскиз микрокарманов на поверхности трения с запасом смазки:
^пов - размер поверхности трения; t/0TB- размер кармана; hK - глубина карманов;
Ra - шероховатость поверхности
НАНЕСЕНИЕ В ВАКУУМЕ ТВЕРДОСМАЗОЧНЫХ И ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ 223
Рис. 7.13. Технологический маршрут формирования покрытия
Важным преимуществом такого метода нанесения покрытия является проведение
технологического процесса в едином вакуумном цикле, начиная с операций по ионному
травлению микрокарманов, финишной полировке, очистке, активации поверхности и
заканчивая нанесением ТСП. Такие условия позволяют получить покрытие в условиях
высокой чистоты технологической среды и добиться высоких антифрикционных характери-
стик материала (как уже было отмечено, коэффициент трения скольжения достигает 0,002).
Это объясняется тем, что в результате обмена энергией и веществом между твердой
поверхностью и смазкой возможно образование новых структур на основе самооргани-
зующихся процессов (происходит строго дозированная подпитка смазки и микрокарма-
на). Эти новые структуры могут обеспечивать безызносную работу узла трения путем
образования упорядоченных нанослоев на поверхности трущихся деталей.
При изучении влияния относительной площади микрокарманов на интенсивность
изнашивания покрытия установлено, что микрокарманы способствуют снижению пото-
ков микрочастиц из зоны трения механизмов не только благодаря удерживанию продук-
тов износа, но и вследствие частичной разгрузки напряжений сжатия в покрытии, яв-
ляющихся основной причиной разрушения тонкопленочного ТСП.
Увеличение относительной площади микрокарманов, с одной стороны, приводит к
уменьшению потоков частиц износа из пары трения, а с другой - к увеличению интен-
сивности изнашивания. Данное обстоятельство заставляет проектировать пары трения с
учетом предъявляемых к ним требований по долговечности и потоку частиц износа.
Одной из задач, которую необходимо решить применительно к практическому
использованию тонкопленочного ТСП на основе M0S2, является нанесение такого
покрытия на сложные поверхности, например, подшипников качения. Основная
проблема при этом заключается в получении равномерного, сплошного покрытия как на
дорожках качения, так и на телах качения.
Самосмазывающиеся композиционные твердые покрытия на основе тонких пленок
TiAlCN+MoS2 предназначены для увеличения скорости лезвийной обработки материа-
лов, уменьшения коэффициента трения, повышения износо- и коррозионной стойкости
режущего и деформирующего инструмен-
та. Покрытие толщиной 1,5.. .3 мкм с объ-
емным отношением TiAlCN: MoS2 =
= 70 : 30 наносится методом реактивного
ионно-плазменного осаждения (рис. 7.14).
Предполагаемая структура покрытия -
мягкая аморфная фаза MoS2 между твер-
дыми гранулами TiAlCN. Результаты изме-
рения коэффициентов трения (рис. 7.15) и
скретч-теста (рис. 7.16) свидетельствуют о
существенном повышении качества покры-
тия при добавлении дисульфида молибдена
(табл. 7.6).
Таким образом, самосмазывающийся
нанокомпозит для режущего инструмента -
Рис. 7.14. Схема процесса реактивного ион-
но-плазменного одновременного распыле-
ния трех материалов: графита, M0S2 и TiAl
(по 50 атомных долей, %) в среде азота
224
Глава 7. ЭЛЕКТРОННЫЕ И НАНОТЕХНОЛОГИИ
Рис. 7.15. Зависимость коэффициента трения скольжения Д» износостойкого
покрытия TiAlCN (а) и тонкопленочного самосмазывающегося
нанокомпозита TiAlCN+MoS2 (0 от пути трения
Скретч-тест
/*=48 Н Р=60Н
а)
Скретч-тест
/*=60 Н /*=78 Н
Рис. 7.16. Результаты скретч-теста
износостойкого покрытия TiAlCN
(а) и тонкопленочного самосмазы-
вающегося нанокомпозита
TiAlCN+MoS2 (б) (Р- нагрузка на
индентор)
б)
TiAlCN+MoS2-noKpbiTHe, полученное методом PVD (Physical Vapor Deposition) с плаз-
менным ассистированием, а именно: распылением мишеней из графита, MoS2 и TiAl в
атмосфере азота, - обладает твердостью 42...56 ГПа, адгезией 48...78 Н, объемной ин-
тенсивностью изнашивания 10-5 (без MoS2) и 74О-7 (с MoS2) мм3 (Н м), коэффициентом
трения скольжения 0,75 (без MoS2) и 0,1 (с MoS2).
НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ 225
7.6. Сравнительные характеристики покрытий TiAlCN и TiAICN+MoSi
Характеристика Покрытие TiAlCN Покрытие TiAlCN+MoS2 Метод измерения Условия тестирования
Твердость, ГПа 56 42 Нано- инденти- рование Алмазная пирамида Бер- ковича, скорость нагру- жения 5 мН/мин, макси- мальная нагрузка 20 мН
Адгезия, Н: выкрашивание растрескивание 48 60 60 78 Скретч-тест Индентор Роквелла (ша- рик), линейное переме- щение с увеличением нагрузки от 1 до 150 Н, скорость нагружения 149,1 Н/мин, скорость перемещения 5,14 мм/мин
Скорость изнаши- вания, мм3/Н/м 8,8-10-6 7,0-10’7 «Палец - диск» Диаметр шарика на кон- це пальца 6 мм, нагрузка 10 Н, линейная скорость вращения диска 3 см/с, окружающая среда: 20 °C, влажность 50 %, путь трения 200 м
Коэффициент тре- ния скольжения 0,75 0,1
Перспективным направлением дальнейшего улучшения свойств упрочняющих тон-
копленочных покрытий является формирование наноструктурированных материалов.
Терминологически одни и те же материалы могут называться также наноструктурными,
нанокристаллическими, наноразмерными и т.п. Объединяет их то, что размеры отдель-
ных структурных элементов (зерен) должны быть меньше размеров границ раздела меж-
ду ними [105]. Поэтому принято считать, что аномально высокими характеристиками
обладают материалы с размерами зерен <100 нм и по мере их уменьшения улучшаются
их физико-механические и эксплуатационные свойства материалов.
7.7. НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ
Одним из характерных примеров использования наноструктурированных тонко-
пленочных материалов является формирование многокомпонентных упрочняющих по-
крытий ионно-плазменным распылением в среде азота мишеней из композиций на осно-
ве титана, легированного кремнием, бором, хромом и другими элементами. Такие ми-
шени получают методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза
[106]. На рис. 7.17 представлены фотографии сверл, вид стружки и топография поверх-
ности наноструктурированных многокомпонентных покрытий, полученная с помощью
атомно-силового микроскопа.
226
Глава 7. ЭЛЕКТРОННЫЕ И НАНОТЕХНОЛОГИИ
Кроме того, известно, что механические свойства материала тонкой пленки, например
микротвердость, зависят от ее толщины, т.е. имеет место явление, называемое наноэффек-
том. Максимум микротвердости наблюдается при толщине пленки 100... 150 нм (рис. 7.18),
а при увеличении ее толщины происходит плавное снижение значений микротвердости -
вплоть до твердости массивного материала. Следует отметить, что при толщине < 100 нм
микротвердость уменьшается, что может быть связано с несплошностью пленки.
В последнее время во многих областях науки и техники расширилась область при-
менения многослойных покрытий с толщиной слоев <1 мкм. Это обусловлено возмож-
ностью значительной модификации или даже принципиального изменения свойств из-
вестных материалов, а также новыми возможностями создания материалов и изделий из
структурных элементов нанометрового размера.
Рис. 7.17. Фотографии сверл (а) и стружки (0, топография покрытий Ti-B-N и Ti-Si-N (в)
НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ 227
Толщина пленки, нм
Рис. 7.18. График зависимости твердости наноразмерных пленок Al, Си, Ti, Nb от их толщины
Анализ существующих методов нанесения тонкопленочных покрытий показал, что
для формирования многослойных тонкопленочных покрытий наиболее перспективно
объединение методов магнетронного распыления, дугового испарения и ионно-лучевого
осаждения в одном технологическом цикле. Для формирования многофункциональных
покрытий используется оборудование различного класса - от недорогих установок пе-
риодического действия до автоматических установок с протяженными технологически-
ми источниками для обработки крупногабаритных изделий.
Результаты исследования микротвердости многослойных структур на основе сверх-
тонких пленок, нанесенных на алюминиевую подложку, показали, что наибольшей
микротвердостью обладает композиция титан/гидрогенизированный углерод/титан
(Ti/a-C :Н /Ti) с толщиной слоев 30...35 нм (рис. 7.19). Подбор мягких и твердых мате-
риалов слоев позволил выявить зависимость твердости многослойного покрытия от
толщины отдельного слоя и числа слоев в покрытии.
Поверхностные свойства твердого тела проявляются на границе раздела двух сред и
кончаются в глубине материала (—100 нм). Именно с определенных размеров (10... 100 нм)
поверхностные свойства материалов начинают доминировать над объемными. При этом
свойства материала зависят не столько от химического состава, сколько от формы и раз-
меров наноструктур и во многих случаях на порядки превосходят характеристики моно-
литных материалов.
В тонкопленочных материалах, которые можно считать двумерными системами,
повышение твердости поверхности при увеличении внутренней энергии не вызывает
снижения пластичности, так как растет энтропийный фактор, что невозможно для моно-
литного материала. В многослойных наноразмерных структурах повышение прочности
не приводит к увеличению хрупкости и склонности к внезапным разрушениям.
228
Глава 7. ЭЛЕКТРОННЫЕ И НАНОТЕХНОЛОГИИ
Рис. 7.19. Влияние толщины и числа
слоев на микротвердость покрытия:
1 - А1-основа;
2 - Ti (120 нм);
3-а-С:Н(100 нм);
4 - Ti (120 нм)/а-С:Н (100 нм);
5 - Ti (120 нм)/а-С:Н (150 нм)/П (120 нм);
6 - Ti (35 нм)/а-С:Н (30 нм)/П (35 нм)
В многослойных композициях рекомендуется объединять слои и пленки материа-
лов, которые значительно отличаются по механическим характеристикам, обладают вы-
сокой стабильностью свойств и обеспечивают прочную связь (адгезию) между слоями.
При измерении микротвердости тонких пленок необходимо учитывать, что стан-
дартный метод Виккерса не может быть использован для покрытий с толщинами
<5,6 мкм, а метод наноиндентирования пригоден для субмикронных и нанометровых
пленок, но только на очень гладких образцах - таких, как кремний и ситалл. Поэтому
наиболее полное представление о свойствах покрытия позволяет получить совместное
исследование методами микро- и наноиндентирования.
В нанотвердомерах заложен метод измерения твердости тонких покрытий
(< 1 мкм), основанный на непрерывной регистрации нагрузки и глубины вдавливания
индентора (рис. 7.20). Принцип их работы заключается в регистрации с высокой точно-
стью (порядкаЮ12 м) перемещения алмазного индентора под действием малых сил. При
определении твердости приходится учитывать величину упругого прогиба покрытия и
силовой рамы прибора, тепловое расширение стержня индентора, притупление вершины
индентора и другие параметры.
При погружении индентора нормально к поверхности могут происходить взрыво-
образное размножение дислокаций, деформационное старение и закрепление дислокаций
диффундирующими точечными дефектами, фазовыми переходами, индуцированными
Индентор
Область высоких
микронапряжений
I Многослойное
покрытие
НН| Основа
•
а)
Рис. 7.20. Отпечаток наноиндентора (а), схема проникновения индентора
в многослойное покрытие (0
НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ 229
высокими давлениями, зарождением микротрещин. Микротрещины не могут вырасти
свыше некоторого критического размера, определяемого размером зерен. При снятии
нагрузки эти маленькие трещины закрываются, приводя к восстановлению деформируе-
мого участка.
При измерении твердости многослойных покрытий на основе нанопленок ти-
тан/гидрогенизированный аморфный углерод с помощью нанотвердомера на определен-
ной глубине внедрения индентора образуются замкнутые кольцевые трещины вокруг
отпечатка. Кроме того, в многослойном покрытии сохраняются межфазные границы
раздела, при прохождении через которые меняется механизм деформации, проявляю-
щийся в виде характерной горизонтальной ступеньки (рис. 7.21), что свидетельствует о
резком снижении сопротивления проникновению индентора в материал.
Посредством наноиндентирования можно обнаружить межфазные границы раздела
между слоями в многослойном покрытии при достаточно низких скоростях деформиро-
вания. На рис. 7.21 представлена кривая наноиндентирования, соответствующая силе
нагружения 4 мН и скорости 8 мН/мин, и обозначены межфазные границы раздела меж-
ду слоями многослойной структуры Ti/a-C:H/Ti/a-C:H/Ti.
Очень высокие требования предъявляются к фрикционным свойствам гидрофоб-
ных и наноструктурированных тонких пленок, применяемых в микроэлектромеханиче-
ских системах (МЭМС). Особенности объекта исследований связаны с большой величи-
ной отношения поверхности к объему таких материалов, как Si и Ni. Адгезионное схва-
тывание контактирующих поверхностей, большие коэффициент трения и износ объяс-
няются сильным капиллярным эффектом и образованием пленки воды на поверхности, а
для эффективной борьбы с этими явлениями применяются гидрофобные покрытия по-
верхностей МЭМС.
Рис. 7.21. Кривая наноиндентирования многослойной тонкопленочной структуры
при максимальной силе нагружения 4 мН и скорости 8 мН/мин
230
Глава 7. ЭЛЕКТРОННЫЕ И НАНОТЕХНОЛОГИИ
Для исследований в этой области разработан микротрибометр (рис. 7.22) со сле-
дующими характеристиками: тангенциальная сила 10 мкН... 100 мН, нормальная сила
10 мкН... 100 мН, максимальная частота сканирования 10 Гц, максимальный ход 1 мм.
Результаты исследований трения фторуглеродных тонких пленок (рис. 7.23) представле-
ны на рис. 7.24: гладкой аморфной пленки CFX и частично кристаллической нанострук-
турированной (CF2)„, полученных методом стимулированного ВЧ-плазмой газофазного
осаждения (PECVD) при частотах 13,27 и 75 МГц при разных условиях осаждения.
Исследования показали, что сила трения скольжения кремниевого, сапфирового и
стального шариков диаметром 2 мм по фторуглеродным пленкам, нанесенным на крем-
ниевую подложку, значительно меньше, чем по естественному оксиду кремния, лучшие
гидрофобные свойства проявились у кристаллической фторуглеродной пленки с ленточ-
ной наноструктурой (рис. 7.25).
Рис. 7.22. Фотографии микротрибометра (а) и силового датчика (б)
13,5 нм.
0 нм
Гладкая
аморфная CFX
пленка
Рис. 7.23. Изображение структуры фторуглеродной пленки гладкой аморфной (а) и ленточ-
ной формы кристаллической с низкой (£) и высокой (в) плотностью
а)
НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ 231
Т^тр, мкН
1200-
1000-
800-
600-
400-
200-
0--
Si без покрытия
♦ Образец а
А Образец б
• Образец в
Условия теста:
скорость 125 мкм/с;
ход 500 мкм;
температура 293 К;
влажность 30 %
-I—।—।—।—।—।—।—।—।—।—।—।—।—।—।—।—।—
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Нормальная нагрузка, мкН
Рис. 7.24. Зависимость силы трения FTp сапфирового шарика Ra « 2 нм о кремниевую
пластину без покрытия (верхняя кривая) и с покрытиями, соответствующими
образцам а, б и в на рис. 7.23
(40±2)° (90±2)° (110±2)° (130±2)°
Рис.7.25. Характеристики гидрофобности (сила отрыва F0Tp и углы смачивания) кремниевой
пластины без покрытия и с покрытиями, соответствующими образцам а, б и в на рис. 7.23
232
Глава 7. ЭЛЕКТРОННЫЕ И НАНОТЕХНОЛОГИИ
Низкий коэффициент трения и хорошие гидрофобные свойства были получены при
трении гладкого (As = 7,3 нм) кремниевого с естественным оксидом шарика по силано-
вой пленке, нанесенной на кремниевую подложку из раствора.
Особенности поведения наноструктурированных материалов в парах трения связа-
ны с процессами самоорганизации, возникающими при обмене энергией и веществом
между трущимися поверхностями и внешней средой. При этом образуются новые
структуры, обеспечивающие безызносную работу узла трения путем образования за-
щитной пленки на поверхности трущихся деталей [107].
В заключение следует отметить, что тонкопленочные наноструктурированные ма-
териалы получают на существующем промышленном оборудовании с магнетронными,
дуговыми, ионно-лучевыми и другими источниками, что позволяет надеяться на широ-
кое освоение нанотехнологий на отечественных предприятиях в ближайшее время.
Глава 8
КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ
В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ
Одним из важнейших этапов жизненного цикла инженерии поверхности деталей
является контроль и испытание. Этот этап требует ускоренного развития, так как имеет-
ся объективная необходимость в оперативных автоматизированных средствах контроля
параметров шероховатости, волнистости, поверхностных остаточных напряжений, мик-
ротвердости, а также комплексных параметров, характеризующих несущую способность
поверхности в целом.
В настоящее время задачи высокопроизводительного измерения и вычисления
большого числа параметров качества наиболее эффективно могут решаться путем разра-
ботки и реализации автоматизированных управляющих информационно-измерительных
систем (ИИС) на базе персональных ЭВМ (ПЭВМ), что предполагает объединение в
единый комплекс измерительных, регистрирующих и управляющих приборов.
8.1. КОНЦЕПЦИЯ КОМПЬЮТЕРНОГО МОНИТОРИНГА ПАРАМЕТРОВ
КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ
СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Значительную часть современных средств измерений параметров качества поверх-
ностей деталей составляют приборы на базе микропроцессорных комплектующих. Од-
нако у них есть недостаток - ограниченная возможность измерения параметров.
Большое количество технологических факторов, влияющих на формирование па-
раметров качества поверхностного слоя (ПКПС) и факторов эксплуатационных свойств
соединений, обуславливает невозможность решения задач инженерии поверхности на
современном уровне без реализации средств компьютерного мониторинга. Они должны
охватывать комплекс вопросов от диагностики параметров качества поверхностного
слоя (ПКПС) до регистрации параметров эксплуатационных свойств (ПЭС) с установле-
нием количественных зависимостей между ними и условиями обработки путем построе-
ния соответствующих математических моделей и определения надежности технологическо-
го обеспечения регламентируемых параметров в установленных допустимых пределах их
варьирования.
Применение компьютеров позволяет создавать так называемые виртуальные изме-
рительные приборы или системы. Понятие «виртуальные приборы» (Virtual Instruments)
появилось на стыке информационно-измерительной и компьютерной техники. Вирту-
альный прибор представляет собой комбинацию компьютера, универсальных аппарат-
ных средств ввода-вывода сигналов и специализированного программного обеспечения,
которое определяет конфигурацию и функционирование измерительной системы.
Компьютеры используют для решения задач управления измерительными экспери-
ментами, сбора, регистрации, обработки и систематизации данных, представления и
хранения результатов наблюдений. При этом часть функций и операций осуществляется
не аппаратно, а программно с помощью персонального компьютера (ПК).
234 Глава 8. КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ
Создание и применение автоматизированных средств контроля и испытаний в ин-
женерии поверхностей на базе виртуальных ИИС позволяет:
• расширить функциональные возможности базовых измерительных и регистри-
рующих приборов путем перераспределения формируемых массивов измерительной
информации между компьютером и средствами сбора информации;
• повысить точность и достоверность результатов измерений посредством стати-
стической обработки измеренных данных;
• обеспечить визуализацию результатов измерения в режиме реального времени,
что дает возможность принять решение о дальнейших действиях;
• фильтровать и сортировать результаты измерений по требуемым критериям;
• накапливать и хранить полученную информацию в базах данных;
• проводить сервисную обработку информации о результатах измерения (представ-
ление информации в виде таблиц, графиков, моделей и др.);
• контролировать работоспособность блоков ИИС, в том числе самопроверкой мет-
рологических характеристик в режиме автоматизированного аудита.
Функциональные возможности традиционных измерительных приборов заданы их
производителем, и изменить число измерительных каналов достаточно проблематично.
Никакой производитель не в состоянии охватить все многообразие исследовательских и
производственных задач, что в значительной степени затрудняет подбор оптимального
комплекта измерительных приборов с требуемыми параметрами и его настройку. Вирту-
альная измерительная система снимает это ограничение.
Применение виртуальных ИИС в инженерии поверхностей позволяет реализовать
программный метод исследований ПКПС, определяющих эксплуатационные свойства
поверхностей, и непосредственных значений ПЭС, в основе которого можно использо-
вать программный метод испытаний металлорежущих станков, разработанный проф.
А.С. Прониковым [2].
Предлагаемая концепция компьютерного мониторинга ПКПС и ПЭС базируется на
экспериментах с объектами исследований, которыми являются технологические систе-
мы (ТС) обработки, с использованием серийно выпускаемых и исследовательских приборов
контроля ПКПС, программируемых испытательных стендов эксплуатационных свойств.
Управление объектами исследований осуществляется от компьютера (например,
IBM PC), входящего в систему, с использованием цифроаналоговых преобразователей
(ЦАП) и задающих устройств. Система (рис. 8.1) является открытой и включает сле-
дующие модули:
А, В - измерение параметров шероховатости, волнистости и отклонений от кругло-
сти. Используются серийно выпускаемые профилометры мод. 170311, 170622 и кругло-
мер мод. 175121 (завод «Калибр», Россия);
С - измерение микротвердости с использованием микротвердомера ПМТ-ЗМ
(ЛОМО, Россия) и фотоэлектрического окулярного микрометра ФОМ-2-16;
D - измерение деформаций и расчет их величины с построением соответствующих
эпюр распределения по глубине при исследовании остаточных напряжений поверхност-
ного слоя по методу акад. Н.Н. Давиденкова;
Е - измерение молекулярной составляющей коэффициента трения на адгезиометре
конструкции Имаша (Россия);
F - измерение нормальной контактной жесткости и податливости плоских и других
стыков деталей машин при статических и динамических нагрузках;
КОНЦЕПЦИЯ КОМПЬЮТЕРНОГО МОНИТОРИНГА ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА 235
Шина адресакомпьютера
Шина управления компьютером
Шина данных компьютера
Системный блок ЭВМ
Рис. 8.1. Структурная схема системы компьютерного мониторинга качества
и эксплуатационных свойств поверхностей деталей машин:
7,2- индуктивные и тензометрические датчики; 3 - термопара; 4 - микрофонный датчик;
5 - измерительные блоки; 6 - приводы исполнительных элементов; 7 - привод постоянного тока;
8 - приводы статических и динамических напряжений; ЗУ - запоминающее устройство;
П - поверхность
236 Глава 8. КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ
G - трибодиагностика цилиндрических пар трения (подшипники скольжения) при
статических и программируемых динамических нагрузках, включая измерение контакт-
ной податливости;
Н - трибодиагностика трибосистем с плоскими поверхностями контакта трибоэле-
ментов при статических и программируемых динамических нагрузках, в том числе из-
мерение контактной податливости;
I - регистрация и анализ структуры поверхностного слоя, а также макро- и микро-
фотографий поверхностей.
В качестве измерительных элементов в системе компьютерного мониторинга
ПКПС и ПЭС (см. рис. 8.1) предусматривается использование индуктивных 7, тензо-
метрических 2 датчиков для измерения перемещений, сил, крутящих моментов; термо-
пар 3 для измерения температуры и ее градиента в зоне контакта трибоэлементов; мик-
рофонных датчиков 4 для акустического мониторинга как на модулях G и Н в процессе
исследований, так и на реально эксплуатируемых комплексах трибосистем. Кроме ука-
занных измерительных элементов автономно могут использоваться измерительные бло-
ки 5, встроенные в серийно выпускаемые приборы.
В качестве привода исполнительных элементов 6 для модулей А, В, С применяются
встроенные в серийно изготавливаемые блоки приборов 175121, 170311, 170622, ПМТ-
ЗМ двигатели. Для модуля Е используется программируемый от ПК привод постоянного
тока 7. Исследование нормальной контактной податливости плоских стыков осуществ-
ляется при условиях закономерно изменяемой нагрузки, задаваемой приводом для ста-
тических и динамических нагружений 8, законы изменения которых могут задаваться
программным методом от ПК. Аналогично может задаваться закон изменения нагрузок,
включая программируемую случайную компоненту при исследовании цилиндрических
G и плоских Я трибосистем.
В некоторых случаях возможна жесткая реализация законов изменения нагрузки во
времени при испытаниях трибосистем, например, путем применения кулачковых меха-
низмов в сочетании с приводом постоянного тока.
Создание полной системы компьютерного мониторинга ПКПС и ПЭС в соответст-
вии с изложенной концепцией возможно на основе применения виртуальных ИИС,
работающих, например, в среде программирования LabView или других программных
средах.
8.2. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ
ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ
И ЕГО АВТОМАТИЗАЦИЯ
Для измерения и расчета геометрических параметров качества поверхностей дета-
лей машин в настоящее время существует большой арсенал средств класса профилогра-
фов-профилометров, кругломеров, в которых используются микропроцессорные ком-
плектующие. Однако они имеют большой недостаток - ограничение по числу измеряе-
мых параметров как стандартизованных, так и исследовательских.
Весьма распространенными в России являются: профилограф-профилометр мод.
170622, позволяющий измерить пять геометрических параметров шероховатости по-
верхности: Ra, Rz, 7?max, Rp, Rv; профилограф-профилометр мод. 170311, определяющий
Ra, Rz, Tfrnax, Rp, Sm, tp на десяти уровнях; кругломер мод. 175121 - EFK (отклонение
от круглости); цифровой измеритель шероховатости поверхности (ООО «Градиент-
Техно», г. Москва), измеряющий Ra, Rz; профилометр «Абрис ПМ-7» (выпускается в
Пензе) для измерения Ra, Rz, Tfrnax, Sm, tp.
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
237
Общим недостатком этих вычислительных средств является то, что они не позво-
ляют быстро принимать решения о состоянии ТС по результатам измерений и не дают
возможности представлять информацию в виде таблиц, графиков без предварительной
обработки данных.
Расширить возможности измерительно-вычислительных приборов позволяет созда-
ние ИИС на базе микропроцессорной техники, в частности ПЭВМ.
В этом плане следует отметить программно-аппаратный комплекс на базе IBM-
совместимого ПК «Абрис ПМ-7.2» (рис. 8.2). Эта система позволяет проводить измере-
ние, обработку, расчет параметров шероховатости и вывод на экран монитора и печа-
тающее устройство результатов расчета и профилограммы измеренного участка поверх-
ности детали.
Аналогичные комплексы для измерения геометрических параметров качества по-
верхностей деталей машин на базе ЭВМ имеются у ряда зарубежных фирм-
производителей, например система «Hommel Tester Т8000» (Hommelwerke GmbH, Гер-
мания, рис. 8.3, а), системы серии SV-600 (Mitutoyo Corp., Япония, рис. 8.3, б), системы
Talyserf (Rank Pressing Industries Corp., Великобритания) и т. п. Эти средства контроля
позволяют измерять параметры шероховатости и волнистости, регламентированные
стандартом ISO 4287:1997.
Похожие системы на базе ЭВМ созданы с применением в качестве измерительных
устройств кругломеров различных модификаций, например «Абрис К 10.2» мод. П-320-1
(Россия), F1003, F1004, F4003, F4004 (Hommelwerke GmbH, Германия), «Round Test»
(Mitutoyo Corp., Япония) и др.
Применение указанных измерительных комплексов открывает большие возможно-
сти для качественного управления процессами обработки деталей машин путем увели-
чения скорости измерений параметров, обра-
ботки и представления информации. Однако
такие системы, рекомендованные для работы
в лабораториях, трудно использовать в цехо-
вых условиях в связи с их относительно
большими габаритными размерами и ограни-
ченным пространством рабочей зоны.
Для применения в цеховых условиях
производители измерительной техники нала-
дили выпуск мобильных средств измерений
геометрических параметров поверхностей.
Рис. 8.2. Измерительная система
«Абрис ПМ-7.2»
Рис. 8.3. Системы измерения геометрических параметров качества поверхности:
а - «Hommel Tester Т8000»; б - SV-624
238 Глава 8. КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ
К мобильным средствам измерений гео-
метрических параметров поверхности можно
отнести профилометры мод. 170622 и «Абрис
ПМ-7.3» (рис. 8.4). Их основным недостатком
является ограниченное метрологическое обес-
печение характеристик геометрических пара-
метров качества. Эти профилометры могут
обеспечить производственные запросы сего-
дняшнего дня, но не удовлетворяют требова-
ниям научного поиска на перспективу.
Указанные профилометры имеют разъе-
мы дистанционного управления, что позволяет
передавать сигналы измерения с датчиков в сис-
Рис. 8.4. Профилометр «Абрис ПМ-7.3» темы обработки данных. Это позволяет созда-
вать мобильные ИИС параметров качества поверхностей деталей на базе ЭВМ.
Применение комплекса «Абрис ПМ-7.4» в условиях производства дает ряд очевид-
ных преимуществ. Однако его программное обеспечение не позволяет измерять широ-
кий круг исследовательских характеристик поверхностей деталей машин, необходимых
для оценки эксплуатационных характеристик их соединений.
Зарубежные производители выпускают аналогичные системы измерения, например:
SV-622 (Mitutoyo), «Hommel Tester Т500» и др. Эти приборы могут найти ограниченное
применение в российской промышленности из-за несоответствия измеряемых характе-
ристик государственным стандартам.
Таким образом, несмотря на широкий спектр применяемых средств измерений гео-
метрических параметров качества поверхностей деталей машин необходима разработка
ИИС, позволяющих в цеховых и лабораторных условиях измерять соответствующие
параметры (регламентированные стандартами и исследовательские); обрабатывать и
представлять полученную информацию в наглядной форме (вывод на экран монитора, в
виде протоколов), проводить статистическую обработку данных и т.п.
Это будет способствовать решению вопросов комплексного управления параметри-
ческой надежностью ТС в части геометрических параметров качества, регламентируе-
мых инженерией поверхности.
В связи с этим в Брянском государственном техническом университете (БГТУ) с
целью метрологического обеспечения геометрических параметров качества поверхно-
стей деталей машин создан виртуальный прибор (ВП), решающий задачу автоматизации
измерения и расчета параметров шероховатости, волнистости и отклонений от круглости
(регламентированных государственными стандартами и исследовательских), а также
хранения и анализа полученных данных.
В состав аппаратного обеспечения разработанного ВП входят измерительные и вы-
числительные модули и модуль сопряжения (рис. 8.5). В качестве вычислительного
(управляющего) модуля используется компьютер IBM PC, в роли измерительных моду-
лей для измерения параметров шероховатости и волнистости - профилограф-профило-
метр мод. 170311; для измерения отклонений от круглости применяется кругломер мод.
175121. Использование указанных моделей приборов не имеет принципиального значе-
ния. Главным является наличие индуктивного преобразователя, а остальное решается
программным путем. Модулем сопряжения между ПЭВМ и измерительными блоками
служит универсальный адаптер аналого-цифрового ввода-вывода NVL 03 для IBM PC
(ЗАО «Компания «Сигнал», Москва).
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
239
Рис. 8.5. Виртуальная ИИС для измерения
и расчета геометрических параметров поверхностей деталей машин
Разработанный ВП позволяет измерять и вычислять как стандартные, так и иссле-
довательские геометрические характеристики поверхностей деталей машин.
1. Параметры шероховатости в пределах базовой длины:
а) со стандартизованным алгоритмом расчета по ГОСТ 25142-82: Ra - среднее
арифметическое отклонение профиля шероховатости; Rz - высота неровностей профиля
по десяти точкам; Яшах - наибольшая высота неровностей профиля; Rp и Rv - расстоя-
ние от средней линии до линии вершин и до линии впадин профиля шероховатости со-
ответственно; Rq - среднее квадратическое отклонение профиля; Sm - среднее значение
шага неровностей профиля по средней линии; S - средний шаг неровностей профиля по
вершинам; tp - относительная опорная длина профиля на уровне р от линии выступов;
tg а - средний тангенс углов наклона профиля; /0 - относительная длина профиля;
б) с нестандартизованным алгоритмом расчета: р - средний радиус скругления
вершин выступов профиля; b и v - коэффициенты аппроксимации начального участка
относительной опорной кривой профиля шероховатости; А - безразмерный комплекс
Крагельского-Комбалова;
в) средние квадратические отклонения параметров tg а и р : atga и ср.
2. Параметры волнистости рассчитываются по аналогии с параметрами шерохова-
тости: Wa - среднее арифметическое отклонение профиля волнистости; Wz - высота не-
ровностей профиля волнистости по десяти точкам; РГтах - наибольшая высота волни-
стости; Smw - среднее значение шага волнистости по средней линии; рн, - средний ра-
диус скругления вершин выступов волны.
3. Параметры отклонений от круглости (определяются по ГОСТ 24642-81): EFK-
отклонение от круглости; EFKa - среднее арифметическое отклонение от круглости;
EFKq - среднее квадратическое отклонение от круглости; TFE - параметр, характери-
зующий овальность.
Наличие в конструкции электронных блоков профилографа-профилометра мод.
170311 и кругломера мод. 175121 специальных разъемов «Дистанционное управление»
позволяет подключать их к внешним устройствам управления. Благодаря этому измери-
240 Глава 8. КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ
тельную информацию с датчиков можно передавать в память ПЭВМ. При этом во время
работы ВП эксплуатируются только измерительные субблоки электронных блоков про-
филометра и кругломера, а работа счетно-решающих субблоков исключается. Принцип
работы измерительных субблоков профилометра и кругломера одинаков (рис. 8.6).
При помощи управляющей программы пользователь через устройство ввода-
вывода адаптера NVL 03 выполняет ряд операций по обеспечению процессов тарировки,
балансировки, измерения, расчета, накопления и представления информации.
Системный блок ПЭВМ
Рис. 8.6. Структурная схема работы ИИС
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
241
ВП является эффективным средством для контроля геометрических параметров по-
верхностей деталей машин при научных исследованиях в области повышения качества
изделий. Его рекомендуется использовать в заводских лабораториях, в научно-
исследовательских и учебных организациях технического профиля (рис. 8.7).
В целом работа ВП определяется пакетом прикладных программ, включающим в
себя программы: обеспечения периферийного интерфейса; интерфейса пользователя
(рис. 8.8); математического обеспечения.
Для использования в цеховых условиях разработан мобильный ВП, рассчитанный
на определение геометрических характеристик поверхностей деталей машин, отличаю-
щийся технической реализацией и малыми габаритными размерами.
В качестве управляющего модуля может применяться любой компьютер-ноутбук, а
как измерительный - блок привода с датчиком-преобразователем от профилометра мод.
170622 или других моделей, устанавливаемые в зависимости от контуров и габаритных
размеров контролируемой детали непосредственно на измеряемую поверхность с соот-
ветствующими сменными опорами. В роли модуля согласования используется электрон-
ный блок оригинальной конструкции, выполняющий функции сопряжения управляюще-
го и измерительного модулей, а также АЦП (рис. 8.9, ПК рядом показан условно).
Рис. 8.7. ВП для измерения и расчета геометрических
параметров качества поверхностей деталей машин с применением
профилографа-профилометра мод. 170311 (а) и кругломера мод. 175121 (6)
242 Глава 8. КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ
ИЕШ ЮЯИЖй1
,'Ш^Ш ШЛИ ЕТЬЖ-ИЛ HHIg lliJ
ШТИиК'Жггэ ииягшо
явжшжпл лтажжгп №ШШЖ1ГЛ
1ИШСШШ1 ЕЗЯШВШ. С-ЖЯШЖП!
КИИМ1 ШВНММ1
«)
б)
Рис. 8.8. Окна пользователя программным пакетом «Профилограф» (а) и «Кругломер» (б)
Часть функций производственного мобильного ВП выполняется с помощью про-
граммных модулей, используемых при работе ранее созданного ВП. Так, для обеспече-
ния интерфейса пользователя применяются те же программы установки графических
режимов, загрузки шрифтов и т.п., поэтому окно пользователя выглядит так же, как и на
рис. 8.8.
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
243
Рис. 8.9. Мобильный измерительный ВП
В соответствии с пунктами меню пользователя этот мобильный ВП осуществляет
те же функции, что и ВП, показанный на рис. 8.8, а. В связи с использованием в качестве
согласующего устройства электронного блока, более совершенного по своей конструк-
ции, чем серийно выпускаемый электронный блок профилометра мод. 170622, разрабо-
таны программы, предназначенные для управления функционированием системы в про-
цессе реализации измерительных задач (организация ввода-вывода информации, ини-
циализация и запуск периферийных объектов, самоконтроль и диагностика). Принцип
действия измерительного блока аналогичен принципу действия измерительного суббло-
ка профилометра-профилографа мод. 170311. Блок согласования реализован на базе
микроконтроллера АТ89С51 фирмы Atmel (США), представляющего собой восьмираз-
рядную однокристальную микроЭВМ с системой команд MCS-51 фирмы Intel (США).
Габаритные размеры блока 200 х 150 х 40 мм.
Достоинства разработанной системы (рис. 8.10): высокая скорость измерений, не-
большие габаритные размеры, малая масса и т. д. - позволяют эффективно использовать
ее в цеховых и лабораторных условиях для контроля геометрических параметров каче-
ства поверхностей деталей машин (шероховатости, волнистости) при их изготовлении,
научных экспериментах.
Основным требованием, предъявляемым к любому измерительному прибору или
системе, является точность измерения. Точность ВП для контроля геометрических пара-
метров качества поверхностей деталей зависит от пределов допускаемой основной по-
грешности измерительных модулей.
Для повышения точности измерений предлагается использовать в качестве измери-
тельного элемента стандартную лазерную головку CD-проигрывателя или ей подобную.
Возможная принципиальная схема такого лазерного профилометрирования изображена
на рис. 8.11.
244 Глава 8. КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ
Рис. 8.10. Структурная схема производственной мобильной
ИИС измерения геометрических параметров качества поверхностей деталей машин
Измерительный блок, служащий для управления лазерным преобразователем и пе-
редачи измеренной информации в память компьютера, может быть создан, например, на
базе микроконтроллера АТ89С51. На рис. 8.12 показана примерная структурная схема
работы ВП на базе лазерного преобразователя.
Сигнал с фотодатчика лазерной головки усиливается предварительным усилителем
(рис. 8.12) и поступает через аналоговый коммутатор на АЦП микроЭВМ и масштабные
усилители. Цифровой код анализируется процессором в соответствии с алгоритмом и
поступает на шину измерительного модуля (ШИМ). Импульсы с ШИМ преобразуются
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
245
Рис. 8.11. Принципиальная схема лазерного профилометрирования:
[/(foto) - напряжение от фотодатчика; t/(fok) - напряжение, подаваемое на блок фокусировки
Лазерная головка
Интегратор
Устройство
управления приводом
перемещения
ШИМ <J
^(foto)^
Усилитель
постоянного тока
[Усилитель х10
| Усилитель х 100
| Усилитель х 1000
[Усилитель х100001
о
w
э
д
2
I
SPI
. Порт
ввода-вывода
£=$ Микроконтроллер
4 UART
==Я1К
RS-232
2
I
ю
О
Блок управления и индикации
устройства согласования
Рис. 8.12. Структурная схема виртуальной ИИС на базе лазерного преобразователя:
SPI - интерфейс ввода-вывода; UART - контроллер последовательного обмена интерфейса RS-232
в постоянное напряжение на интеграторе и подаются в блок фокусировки лазерной го-
ловки. По окончании фокусировки на вход АЦП подключается один из масштабных
усилителей. Включается привод протяжки измерительной головки, и через определен-
ные интервалы времени запускается АЦП. Коды с АЦП представляют собой профиль
измеряемой поверхности в числовой форме, который передается по последовательному
интерфейсу (COM-порт) в ПК, управляющий всеми функциями прибора.
246 Глава 8. КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ
8.3. ВИРТУАЛЬНАЯ СИСТЕМА МИКРОСКОПИИ
И АНАЛИЗА ПОВЕРХНОСТЕЙ
Решение большого класса задач инженерии поверхностей, связанных с вопросами
обеспечения износостойкости и других эксплуатационных свойств, зачастую невозмож-
но без визуального анализа поверхности, ее микрорельефа на предмет наличия неста-
ционарных результатов контактирования (задиры, вырывы и др.), сплошности и качест-
ва наносимых приработочных пленок и т. д.
В связи с этим для повышения эффективности исследований в этих и других смеж-
ных направлениях разработан и используется ряд эффективных виртуальных измери-
тельных систем.
Ядром первой из них («Микро-ПК») является инвертированный металлографиче-
ский микроскоп «Leica Dmirm» (США), обеспечивающий возможность применения ши-
роко распространенных методов оптической микроскопии (рис. 8.13).
Микроизображение поверхности оцифровывается цифровой камерой и передается
для обработки на компьютер. В целях анализа полученных цветных и полутоновых рас-
тровых изображений, используется программный комплекс «ImageScope», позволяющий
улучшить качество изображений, проводить их базовую обработку (определяется >40
параметров, описывающих площадь изображений, форму, яркость и др.), печать, стати-
стическую обработку и экспорт результатов измерений, а также создать банки данных.
Система «Микро-ПК» позволяет вести исследования в трех режимах:
1) светлого поля, использующий разницу в отражении и обеспечивающий нату-
ральный цвет и форму;
2) темного поля, удобный для наблюдения и фотографирования мелких дефектов, не-
ровностей поверхности, разницы в уровнях или проб с низкой отражательной способностью;
3) простой поляризации, используемый для анализа специфических оптических ха-
рактеристик - таких, как изотропия и анизотропия, и позволяющий проводить обзор с
помощью поляризованного контраста в виде цветовой разности. Этот метод эффективен
при исследовании состояний кристаллов, определении напряжений и в других случаях,
связанных с вопросами усталости материалов.
Рис. 8.13. Виртуальная лаборатория сканирующей микроскопии на базе
инвертированного металлографического микроскопа «Leica Dmirm»
СИСТЕМА НОРМАЛИЗОВАННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ 247
а) б)
Рис. 8.14. Автоматизированная система получения, обработки и анализа изображений по-
верхностей деталей машин (а); исследуемая поверхность и результаты расчета параметров
изображений, полученных с помощью программного пакета ImageScope Color (б)
Наряду с этим в Брянском государственном техническом университете создана
компьютерная система металлографических и микротопографических исследований
«Висма» (система I, см. рис. 8.1), ядром которой служат серийно выпускаемые в России
микроскопы ПМТ-ЗМ, металлографические МИМ-10 и серии ЕС Метан РВ, панорамный
МБС-2 и др., позволяющие регистрировать увеличенный фрагмент 2 поверхности П об-
разца 7. Изображение через оптомеханическое устройство сопряжения 4 передается на
цифровую фото- или видеокамеру, которая запоминает его с помощью того или иного
устройства 7 и передает изображение на ПК для детального исследования и анализа с
помощью специального программного обеспечения. В конфигурацию реализованной в
БГТУ системы «Висма» (рис. 8.14, а) входят: микроскоп ПМТ-3 или другие из указан-
ных; видеокамера «Sony Digital-8» с цифровым выходом или аналогичные, а также циф-
ровые фотоаппараты, согласующее устройство с ПК. При исследованиях можно исполь-
зовать пакет программ ImageScope Color, его отдельные элементы или другие редакторы
обработки изображений, а также авторские программы специального назначения
(рис. 8.14, б).
Разработанная система позволяет при наличии согласующего устройства и цифро-
вого фотоаппарата или видеокамеры регистрировать результаты измерений на перифе-
рийных объектах статики и кинетики изучаемых процессов направления инженерии по-
верхности с дальнейшим их анализом на ПК.
8.4. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА НОРМАЛИЗОВАННОГО
ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ПОВЕРХНОСТНЫХ
СЛОЕВ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Все эксплуатационные свойства деталей машин во многом зависят от несущей спо-
собности их рабочих поверхностей.
Под несущей способностью поверхностных слоев деталей машин понимается их
способность сопротивляться упругим и пластическим деформациям и разрушению под
действием сопрягаемых с ними деталей и окружающей среды. Замена ГОСТ 2789-59 на
ГОСТ 2787-73 (шероховатость поверхности) и появление параметра tp (относительная
248 Глава 8. КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ
длина опорной линии профиля шероховатости на уровне - р) в значительной мере объ-
ясняются стремлением учесть несущую способность шероховатости.
Однако несущая способность шероховатости на одном из уровней является мало-
информативным параметром, поэтому в последнее время все больше внимания обраща-
ется на параметр Rp - высоту сглаживания шероховатости, который интегрированно
характеризует ее несущую способность (металлоемкость). Наряду с шероховатостью
металлоемкость поверхности очень зависит от волнистости и макроотклонений, наибо-
лее информативными параметрами которых по несущей способности являются Wp и Нр.
Кроме геометрии несущая способность поверхностного слоя деталей зависит от его
физико-механических свойств (микротвердости, остаточных напряжений и др.). В по-
следнее время предпринимались попытки установления комплексных ПКПС деталей.
Эти комплексные параметры являются функциональными, как правило, только по одно-
му из эксплуатационных свойств.
Так, одним из комплексных ПКПС деталей, определяющим их контактную жест-
кость, является параметр П [1];
П =
(8.1)
где Rp - высота сглаживания профиля, мкм; v - параметр начального участка кривой
относительных опорных длин профиля; Wp - высота сглаживания волнистости, мкм;
Нр - высота сглаживания макроотклонений, мкм; £/н - степень наклепа.
Аналогичные комплексные ПКПС деталей установлены по износо- и коррозионной
стойкости и другим эксплуатационным свойствам [1].
Практически до настоящего времени не установлен комплексный параметр несу-
щей способности поверхностных слоев деталей, характеризующий все эксплуатацион-
ные свойства.
Если следовать формулировке несущей способности поверхностных слоев, то в
наилучшей мере ее можно характеризовать коэффициентом средней контактной жестко-
сти, так как под последней понимается способность поверхностных слоев деталей ма-
шин сопротивляться действию сил, стремящихся их сдеформировать [8]:
Рср
J ср —
Уср
где рср - среднее геометрическое давление, Па; уср - среднее значение контактных пере-
мещений, мкм.
При этом в начальный период работы, когда возможны начальные пластические
деформации, несущую способность поверхностных слоев можно характеризовать коэф-
фициентом средней контактной жесткости при первом нагружении. При установившем-
ся процессе эксплуатации машин несущую способность рабочих поверхностных слоев
их деталей, испытывающих только упругие деформации, можно характеризовать
коэффициентом средней контактной жесткости при повторных нагружениях.
Для практической оценки несущей способности поверхностных слоев деталей ма-
шин через коэффициент средней контактной жесткости его определение должно быть
нормализовано. Такая нормаль была разработана еще в 1982 г. и издана Госстандартом
СССР в виде методических рекомендаций МР42-82 [1]. В соответствии с этими реко-
мендациями определение среднего коэффициента контактной жесткости осуществляется
при внедрении в испытуемую поверхность под нагрузкой двух или трех сферических,
цилиндрических или плоских инденторов нормализованных размеров (табл. 8.1).
(8.2)
СИСТЕМА НОРМАЛИЗОВАННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ 249
8.1. Схемы проведения экспериментов для различных поверхностей
Испытуемая
поверхность
Вид контроля, форма рабочей поверхности индентора
и схема расположения инденторов
Контактная жесткость с учетом
только шероховатости шероховатости и волнистости
поверхности поверхности
Плоская
а) три индентора со сфериче-
ским основанием 7?Сф = 17 мм
б) три индентора с плоским осно-
ванием диаметром D = 8 мм
3 инд. D
0100
Наружная
цилиндри-
ческая
а) два индентора с цилиндриче-
ским основанием 7?цил =17 мм;
/ = 25 мм
б) два индентора с плоским основа-
нием диаметром D = 8 мм
Внутренняя
цилиндри-
ческая
а) два индентора со сферическим
основанием 7?сф = 17 мм
б) два индентора с цилиндрическим
основанием R^ =17 мм; I = 25 мм
Нормализованные размеры инденторов и нагрузок в зависимости от формы испы-
туемой поверхности приведены в табл. 8.2-8.4.
Для ускорения определения несущей способности поверхностного слоя деталей
машин (коэффициентов средней контактной жесткости) разработана и изготовлена спе-
циальная автоматизированная система, общий вид которой представлен на рис. 8.15.
Эта автоматизированная система предназначена для измерения несущей способно-
сти плоских, наружных и внутренних цилиндрических поверхностей (со смазкой и без
смазки), обработанных с шероховатостью от Ra = 0,1 мкм до Rz = 3,2 мкм и твердостью
материала НВ = 1000...5500 МПа.
При этом несущая способность рабочей поверхности может определяться с учетом
только шероховатости или шероховатости и волнистости как при первой, так и при по-
вторных нагрузках.
8.2. Нагрузки для плоских поверхностей
Ra, мкм Базовая длина lb, мм Радиус сферы Дсф, ММ Диаметр индентора D, мм (с учетом шероховатости и волнистости) Минимальная Ni и макси- мальная n2 нагрузки, Н Микротвердость материала образца, МПа
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500
3,2 0,8 17 8 м 2564 3845 5127 6409 7691 8972 10250 11 540 12 820 14 100
м 1282 1923 2564 3204 3845 4486 5127 5768 6409 7050
1,6 а2 1282 1923 2564 3204 3845 4486 5127 5768 6409 7050
м 641 961 1282 1602 1923 2243 2564 2884 3204 3525
0,8 а2 341 961 1282 1602 1923 2243 2564 2884 3204 3525
м 320 481 641 801 961 1122 1282 1442 1602 1762
0,4 0,25 n2 320 481 641 801 961 1122 1282 1442 1602 1762
м 160 240 320 400 482 560 641 721 801 881
0,2 а2 160 240 320 400 482 560 641 721 801 881
м 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440
0,1 N2 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440
N} 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220
250 Глава 8. КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ
8.3. Нагрузки для наружных цилиндрических поверхностей
Ra, мкм Базовая длина lb, мм Радиус цилин- дра ^цил, ММ Диаметр индентора D, мм (с учетом шероховатости и волнистости) Минимальная #1 и макси- мальная 7V2 нагрузки,Н Микротвердость материала образца, МПа
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500
3,2 0,8 17 8 n2 2117 3176 4234 5293 6351 7410 8469 9527 10 590 11 640
Nx 1059 1588 2117 2646 3176 3705 4234 4764 5293 5822
1,6 n2 1059 1588 2117 2646 3176 3705 4234 4764 5293 5822
N] 530 794 1059 1323 1588 1852 2117 2382 2646 2911
0,8 n2 530 794 1059 1323 1588 1852 2117 2382 2646 2911
N] 265 397 529 662 794 926 1059 1191 1323 1456
0,4 0,25 n2 265 397 529 662 794 926 1059 1191 1323 1456
Nx 132 198 265 331 397 463 529 595 662 728
0,2 n2 132 198 265 331 397 463 529 595 662 728
Nx 66 99 132 165 198 232 265 298 331 364
0,1 n2 66 99 132 165 198 232 265 298 331 364
33 49 66 83 99 116 132 149 165 182
СИСТЕМА НОРМАЛИЗОВАННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ
8.4. Нагрузки для внутренних цилиндрических поверхностей
Ra, мкм Базовая длина lb, мм Радиус сферы 7?сф, мм Радиус цилиндра ^цил, ММ Минимальная N\ и макси- мальная N2 нагрузки, Н Микротвердость материала образца, МПа
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500
3,2 0,8 17 17 n2 2056 3084 4112 5140 6168 7196 8224 9252 10 280 11 310
м 1028 1542 2056 2570 3084 3598 4112 4626 5140 5654
1,6 n2 1028 1542 2056 2570 3084 3598 4112 4626 5140 5654
N} 514 771 1028 1285 1542 1799 2056 2313 2570 2827
0,8 n2 514 771 1028 1285 1542 1799 2056 2313 2570 2827
Nl 257 385 514 642 771 900 1028 1157 1285 1414
0,4 0,25 n2 257 385 514 642 771 900 1028 1157 1285 1414
129 193 257 321 385 450 514 578 643 707
0,2 Аг 129 193 257 321 385 450 514 578 643 707
65 96 128 161 193 225 257 289 321 353
0,1 #2 65 96 128 161 193 225 257 289 321 353
N 32 48 64 80 96 112 129 145 161 177
252 Глава 8. КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ
СИСТЕМА НОРМАЛИЗОВАННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ 253
Рис. 8.15. Общий вид автоматизированной системы для определения несущей
способности поверхностного слоя
Структурная схема автоматизированной системы определения несущей способно-
сти деталей машин представлена на рис. 8.16.
Рис. 8.16. Структурная схема автоматизированной системы:
НУ - нагружающее устройство; И - индентор; Об - образец; ИД - индуктивный датчик; Г - гене-
ратор; ТД - тензодатчики; БП - блок питания; Д - детектор; Ф - фильтр; БК - буферный каскад;
ПУ - предварительный усилитель; КН - корректор нуля; У - усилитель; А - преобразователь А;
Б - преобразователь Б; ЦАП - цифроаналоговый преобразователь; АЦП - аналого-цифровой пре-
образователь; ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина; ПО - программное
обеспечение; U3 - напряжение задания; ЭП - комплектный электропривод типа ЭТУ-3601;
ЭД - электродвигатель; БУ - блок управления
254 Глава 8. КОНТРОЛЬ И ИСПЫТАНИЯ В ИНЖЕНЕРИИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ
Перед измерениями в зависимости от формы исследуемой поверхности (плоская,
наружная или внутренняя цилиндрическая) и вида контроля (с учетом только шерохова-
тости или шероховатости и волнистости) выбираются соответствующая конфигурация
инденторов и схема их расположения.
Затем, исходя из заданных параметров Ra или Rz и твердости исследуемых образ-
цов, назначаются минимальная ЭД и максимальная ЭД нагрузки.
При этом необходимо, чтобы исследуемый образец был изготовлен из того же ма-
териала и теми же технологическими методами, что и реальная деталь.
Образец помещается на столик нагрузочного устройства, и проводится предвари-
тельное контактирование инденторов с образцом для устранения посторонних упругих
деформаций и люфтов, не связанных с деформациями в контакте (т.е. деформациями
инденторов, измерительной системы и пр.). Затем в автоматическом режиме происходит
шестикратное нагружение-разгружение образца.
Сигналы с ТД и ИД поступают соответственно на преобразователи А и Б, а затем на
субмодуль АЦП, который преобразует аналоговые сигналы с датчиков в цифровую
форму, необходимую для обработки данных на ПЭВМ. Управляющий сигнал U3 для
комплектного электропривода устройства нагружения формируется в блоке ЦАП по
командам ПЭВМ.
В качестве датчика контактных перемещений используется индуктивный датчик
линейных перемещений М-30 завода «Калибр». Точность измерения датчика составляет
0,1 мкм.
Для измерения прилагаемой к образцу нагрузки используются серийные динамо-
метры типа УДМ, на плечи которых наклеены тензорезисторы марки КФ5П1-3-200 с
номинальной базой 3 мм, включенные по мостовой схеме.
Исходя из необходимости перекрытия всего диапазона требуемых нагрузок, приме-
няется набор из трех динамометров с пределом измерений 0...1000; 1000...5000;
5000...50 000 Н.
Система посредством ПО позволяет осуществлять ускоренное перемещение столи-
ка с образцом в процессе подвода, нагружение-разгружение с заданной линейной скоро-
стью и отвод образца в позицию смены.
Для обеспечения работы автоматизированной системы определения несущей спо-
собности поверхностного слоя деталей машин разработано ПО. Оно дает возможность
регистрировать любые измерения в реальном масштабе времени и наблюдать их резуль-
таты на дисплее ПЭВМ в виде графиков и численных значений, что обеспечивает визу-
альное наблюдение за ходом измерений.
ПО выполняет следующие операции:
1) определяет наличие и правильность подключения к ПЭВМ внешних устройств
(датчиков силы и перемещений, субблоков АЦП, ЦАП);
2) ввод исходных данных (вид контроля, тип поверхности, шероховатость поверх-
ности, твердость материала);
3) назначает тип инденторов, максимальную и минимальную нагрузки, устанавли-
вает коэффициент усиления;
4) ускоренно перемещает столик с образцом в процессе подвода;
5) нагружает-разгружает с заданной линейной скоростью и отводит образец в пози-
цию смены;
6) считывает данные с датчиков, записывает их в файл и строит зависимость кон-
тактных перемещений от нагрузки;
7) рассчитывает коэффициент средней контактной жесткости при первом j\ и по-
вторном шестикратном нагружении jn0BT;
СИСТЕМА НОРМАЛИЗОВАННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ 255
8) строит средний график зависимости контактных перемещений от нагрузки из
трех измерений.
По окончании процесса измерений результаты эксперимента реализуются про-
граммой в виде протокола измерений, содержащего:
- исходные данные;
- величины нагрузок;
- результаты измерения контактной жесткости пяти опытов и рассчитанный сред-
ний коэффициент контактной жесткости, представляемые в виде таблицы;
- средний график зависимости контактных перемещений от нагрузки;
- среднее арифметическое отклонение.
Основными преимуществами использования данной автоматизированной системы
являются:
- значительное сокращение времени на определение несущей способности поверх-
ностных слоев;
- исключение из условий измерений и расчетов человеческого фактора;
- высокие разрешающая способность и точность;
- исключение эффекта неравномерности процесса нагружения-разгружения;
- возможность визуально контролировать на дисплее ПЭВМ ход измерений;
- получение результатов в форме готового протокола сразу по окончании эксперимента;
- возможность сохранения и накопления банка данных по несущей способности
поверхностных слоев деталей, обработанных различными методами.
Приведенные в данной главе информационно-измерительные приборы и автомати-
зированные системы научных исследований в инженерии поверхности деталей машин с
успехом могут использоваться в заводских лабораториях, в условиях производства, в
научно-исследовательских институтах и вузах технического профиля.
Глава 9
ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ
ПРИ СБОРКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
Сформировавшееся качество поверхностного слоя деталей при обработке, как пра-
вило, претерпевает определенные изменения во время сборки и эксплуатации. Эти изме-
нения обусловлены контактным взаимодействием сопрягаемых поверхностей под дейст-
вием определенных давлений и температур.
9.1. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ СБОРКЕ
При сборке осуществляется контактирование поверхностей собираемых деталей.
Известно, что при нормальном нагружении контактирующих поверхностей выступы
шероховатости, первыми вступившие в контакт, пластически сдеформируют на величи-
ну, которая может быть рассчитана по формуле [19]
_ ( 1O(W Y/V"cx ....
Упп R ПТ = ЛРиех ----------- , (9.1)
✓ ПЛ.В.Ш гИСл| j . л у г | 7 V /
( Д/тисх • 3Uисхот )
где Ярисх ~ высота сглаживания исходной шероховатости, вступившей в контакт; N -
нагрузка на контактирующие поверхности; Ас - контурная площадь контактирующих
деталей; tmncK - относительная длина опорной поверхности на уровне средней линии для
исходной шероховатости; Uucx - исходная степень наклепа контактирующей поверхности;
ст - предел текучести контактирующей детали; vHCX - параметр исходной шероховатости.
Объем металла при пластическом деформировании неизменный, поэтому перед ис-
следователями вставал вопрос, куда исчезает металл при пластических контактных де-
формациях микронеровностей. Специальные исследования по этому вопросу позволили
выдвинуть гипотезу, что пластически ^деформированный металл вершин микронеров-
ностей по мере увеличения фактического давления течет к их основанию и впадинам.
Встречаясь с аналогичными волнами пластически сдеформированного металла соседних
микронеровностей, они приподнимают их впадины (рис. 9.1).
Тщательно проведенные эксперименты по изменению профиля шероховатости до и
после пластических деформаций (рис. 9.2) убедительно подтвердили эту гипотезу. Вы-
полненные исследования одновременно дали ответ на вопросы: куда исчезает металл и
почему высота микронеровностей при их пластической деформации уменьшается на
большую величину, чем .Упл.в.ш • Исходя из равенства объема металла до и после пласти-
ческого деформирования, это уменьшение будет 2уплвш (см. рис. 9.1):
~~ 2Упл.в.ш •
Шероховатость поверхности, не вступившей в контакт, естественно, остается без
изменения. Таким образом, шероховатость контактирующих поверхностей будет нахо-
диться в диапазоне от Rz3KCn RzKCX 2упл в ш до 7?zHCX .
ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ СБОРКЕ
257
Рис. 9.1. Схема переформирования
шероховатости при его пластическом
деформировании:
1 - исходная шероховатость; 2 - шероховатость
после пластического деформирования;
3 - сечение перераспределенного металла
б)
Рис. 9.2. Изменение профиля шероховатости
при пластическом деформировании:
а - исходный профиль; б - профиль после
пластического деформирования (7?zHCX = 20 мкм,
7?гэксп = 14 мкм^пд в ш = 3 мкм, вертикальное
увеличение ВУ=1000, горизонтальное
увеличение ГУ=50)
Зависимость изменения шероховатости от давления благодаря пластическим де-
формациям при контактировании наглядно проявляется во время вдавливания сфериче-
ского индентора (d= 6 мм) в шероховатую поверхность (рис. 9.3). Наряду с шероховато-
стью таким же изменениям будет подвержена и волнистость контактирующих поверхно-
стей. Дальнейшее увеличение контактных давлений приводит к распространению зоны
пластических деформаций на волны и к их основанию, а следовательно, и к уменьшению
их высоты на 2yri4,B.
Величина >>пл.в может быть рассчитана по формуле [19]
'исх+2
З^пл.в
6 Аа ^исх £/исх ст т
(9.2)
где Ж?исх - исходная средняя высота волн; Ла - номинальная площадь контакта.
Аналогично шероховатости высота волн контактирующих поверхностей будет на-
ходиться в диапазоне от Wz3KCn = Wzucx - 2упл.в до PFzHCX .
Экспериментально уменьшение высоты волн не только от пластических деформа-
ций шероховатости, но и от собственных пластических деформаций наглядно обнаружи-
вается при контактировании единичной сферической шероховатой волны с гладкой по-
верхностью (рис. 9.4).
Рис. 9.3. Изменение шероховатости
при пластическом деформировании:
I - Ra = 1,0 мкм; II - Ra = 2,0 мкм;
а-в - соответственно Р = 10; 100 и 250 Н
Рис. 9.4. Изменение профиля единичной
волны в процессе пластических
деформаций (J?B = 9 мм; Р = 450 Н,
ВУ = 500, ГУ = 100):
1 - исходный профиль волны; 2 - пластиче-
ски сдеформированный профиль волны
258 Глава 9. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ СБОРКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
Уменьшение макроотклонения контактирующей поверхности составит
У пл.м
1ООпКа*™* WzL* Ятах 1СХ
пил пил мил
'исх+4
(93)
AtrnwcxUwcxa.
мил мил
где А - геометрическая площадь контакта; Ятахисх - исходная величина макроотклонения.
При одновременном приложении нормальной и касательной нагрузок к контакти-
рующим поверхностям величина пластических деформаций шероховатости, волнисто-
сти и макроотклонения может быть рассчитана по формуле
У пл.ш.ск w пл.в.ск > У пл.м.ск
ПЛ.В ’
(9.4)
где/- коэффициент трения контактирующих поверхностей.
Приложение дополнительной вибрационной нагрузки к контактирующим поверх-
ностям вызывает дополнительное уменьшение их исходной шероховатости, волнистости
на величину [7]
/ т \т\/к
<гнв J
.У пл
(9.5)
где Т - текущее время с момента действия вибраций; Тнв - время испытания на твер-
дость по Бринеллю; т\ определяется по формуле из работы [37]; к= vHCX для шерохова-
тости; к = vHCX + 2 для волнистости; к = vHCX + 4 для макроотклонения.
Так как фактическая площадь контакта составляет малую часть по сравнению с
геометрической, то на ее участках возникают высокие давления, вызывающие их пла-
стические деформации и упрочнение. Вследствие этого, очевидно, микротвердость кон-
тактирующих поверхностей будет изменяться от ее исходного значения исх (для уча-
стков, не вступивших в контакт) до пластической твердости HD, при которой выступы
неровностей, первыми вступившие в контакт, достигают своего пластического насыщения.
Процесс пластического насыщения поверхностного слоя собираемых деталей с ус-
пехом используется для повышения надежности резьбовых соединений путем так назы-
ваемых гладкорезьбовых соединений (вворачивание шпилек и болтов в гладкие про-
сверленные отверстия) [51]. При сборке гладкорезьбовых соединений происходит про-
цесс пластического переформирования гладкого отверстия в резьбовое. Это приводит к
пластическому насыщению материала резьбы, и при эксплуатации под действием дина-
мических нагрузок пластические деформации в соединении отсутствуют, а следователь-
но, не теряется их прочность и не будет происходить произвольного самоотвинчивания
шпилек и болтов. Аналогичные процессы имеют место и при сборке цилиндрических
соединений с натягом.
9.2. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
В процессе эксплуатации рабочие поверхности деталей машин так же, как и при из-
готовлении, испытывают воздействие окружающей среды, силовых и температурных
факторов. Если это воздействие значительно отличается от их воздействия при финиш-
ной обработке, то совершенно очевидно, что будет изменяться качество поверхностного
слоя деталей, т.е. поверхность начнет адаптироваться к условиям эксплуатации, что мо-
жет привести к значительному уменьшению долговечности.
Так, технологические остаточные напряжения растяжения при растяжении будут
налагаться на действующие эксплуатационные напряжения и уменьшать их допустимую
ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
259
величину. Сжимающие же остаточные напряжения, наоборот, станут увеличивать до-
пустимые эксплуатационные напряжения растяжения.
Значительное изменение качества поверхностного слоя деталей происходит при их
контактном взаимодействии. Так, на допустимые эксплуатационные напряжения при
действии знакопеременных нагрузок влияет исходная шероховатость. Ее влияние учи-
тывается с помощью коэффициента концентрации напряжений [1]:
аа = 1 + — — [2/?max(ftmax - Яр)]0’5. (9.6)
tmSm
Совершенно очевидно, что зарождение усталостных микротрещин при эксплуата-
ции происходит в местах наибольшей концентрации напряжений, а именно на дне наи-
большей впадины неровностей поверхности.
Особенно сильно проявляется изменение качества поверхностного слоя деталей при
трении и изнашивании.
Исследователи, занимающиеся вопросами трения и изнашивания, установили, что в
период приработки шероховатость поверхности трения претерпевает значительные из-
менения. Одним из основных условий завершения процесса приработки было принято
считать переход исходной технологической шероховатости к эксплуатационной [14].
М.М. Хрущев и П.Е. Дьяченко экспериментально показали, что по окончании при-
работки на поверхности трения формируется шероховатость, не зависящая от исходной,
полученной при механической обработке, а зависящая только от условий изнашивания.
Эта шероховатость оптимальна для данной пары и условий трения и обеспечивает ми-
нимальное изнашивание. Она может быть как меньше, так и больше исходной (рис. 9.5)
[33]. И.В. Крагельский и В.С. Комбалов [14] для шероховатости, сформировавшейся в
процессе приработки, ввели понятие «равновесная шероховатость» и предложили без-
размерный комплексный параметр ее оценки:
A = flmax/(rZ>1/v), (9.7)
где Яшах - максимальная высота шероховато-
сти; г - радиус скругления вершин микроне-
ровностей; v и b - параметры опорной кривой.
Процесс формирования равновесной ше-
роховатости поверхности трения схематиче-
ски представлен на рис. 9.6; слева показан
износ идеально гладкой поверхности, приво-
дящей к схватыванию и вырыву частиц мате-
риала, возникновению шероховатости и по-
степенному ее переходу к равновесной; справа -
износ поверхности трения, имеющей боль-
шую шероховатость, приводящую к микроре-
занию, ее уменьшению и переходу к равно-
весной; посредине - износ поверхности с ис-
ходной шероховатостью, близкой к равновесной.
Среднее арифметическое значение про-
филя шероховатости, сформировавшейся на
поверхности трения после приработки, можно
рассчитать по формуле (при v = 2):
Рис. 9.5. Изменение шероховатости по-
верхности трения при изнашивании:
1 - RznCX = 5,4 мкм; 2 - RzKCX = 0,5 мкм
260 Глава 9. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ СБОРКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
Рис. 9.6. Схематическое представление формирования равновесной шероховатости:
I - зона схватывания; II - зона преимущественно молекулярного износа; III - оптимальная зона
молекулярно-механического износа; IV - зона преимущественно механического износа;
V - зона микрорезания
7ta = 32
(9.8)
где та - адгезионное свойство материала поверхности трения [14]; аг - коэффициент гис-
терезисных потерь при скольжении аг = 22а (здесь аг - коэффициент гистерезисных
потерь для материала при одноосном растяжении-сжатии [14]); 0 - постоянная физико-
механических свойств материала, 0 = (1 - ц2)/£; рс - контурное давление.
Безразмерный комплексный параметр равновесной шероховатости определяется из
уравнения [14]:
Z \5/4
д = 16pd е3/4Р;1/2. (9.9)
var )
В период стационарного изнашивания равновесная шероховатость воспроизводится
на всем последующем процессе нормальной работы пары трения. Все это позволило не-
которым исследователям сделать вывод, что технология обработки поверхности трения
не влияет на ее долговечность. Но совершенно очевидно, что чем больше исходная ше-
роховатость поверхности трения отличается от оптимальной, тем больше будет износ в
период приработки, а следовательно, тем меньше долговечность пары трения (рис. 9.7).
Это говорит о том, что технология обработки поверхности трения значительно
влияет на ее долговечность, а также указывает на необоснованность стремления конст-
рукторов к завышению требований к шероховатости рабочих поверхностей трения дета-
лей машин.
ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
261
Рис. 9.7. Взаимосвязь долговечности
поверхности трения
с ее исходной шероховатостью
мкм
Допустимая величина износа детали, определяющая
Тх Т2 Т3
Наряду с шероховатостью в процессе приработки претерпевают изменения и дру-
гие параметры поверхности трения: макроотклонение, волнистость и физико-
механические свойства. Величина макроотклонения при изнашивании будет постоянно
уменьшаться за счет износа контактирующих участков. Волнистость поверхности тре-
ния в зависимости от условий изнашивания и ее исходного значения в процессе прира-
ботки станет изменяться аналогично шероховатости. Малые волны при больших нагруз-
ках могут вызывать «пленочное голодание» [14], схватывание и вырывы значительных
объемов, т.е. их увеличение. К увеличению волн приводят вибрации в узлах трения. При
большой исходной волнистости наблюдаются ее вершинный износ и уменьшение.
В процессе трения и изнашивания деталей машин происходит постепенное умень-
шение волнистости и макроотклонения трущихся поверхностей, отчего увеличивается
фактическая площадь контакта и уменьшаются напряжения на площадках контакта от стт
до ст. Это влечет за собой постепенное и медленное уменьшение интенсивности изнаши-
вания и наклона кривой износа. Одновременно по мере износа в работу вступают новые
поверхностные слои, имеющие другие физико-механические свойства, что иногда вызывает
отклонение величины износа (от кривой износа) в сторону увеличения или уменьшения.
Только после комплексной стабилизации макроотклонения, волнистости, шерохо-
ватости и физико-механических свойств поверхностей трения, т.е. образования равно-
весного состояния поверхностного слоя в целом, можно говорить о завершении процесса
приработки. Конечно, этот процесс может завершаться и раньше, когда еще имеется оп-
ределенная величина макроотклонения и номинальная площадь контакта еще не равна
геометрической. Но эту разницу компенсирует повышенная степень упрочнения на дан-
ном уровне.
По мере дальнейшего износа и увеличения номинальной площади контакта степень
упрочнения уменьшается, а следовательно, несущая способность поверхности не начнет
изменяться, т.е. будет сохраняться сформировавшееся комплексное равновесное состоя-
ние поверхности трения при частичном изменении его составляющих.
Описанная картина изнашивания характерна для плоских поверхностей трения (на-
правляющие станков). Что же касается цилиндрических поверхностей вращения, зубча-
тых зацеплений и резьб, то постоянно изменяющаяся (увеличивающаяся) номинальная
площадь контакта в процессе износа не позволяет вообще говорить о периоде нормаль-
ного износа, так как постоянно будет изменяться комплексное состояние поверхности
трения. При этом постепенное увеличение номинальной площади контакта может при-
вести к невозможности попадания смазки ко всем ее участкам, а следовательно, к воз-
никновению схватывания и интенсивного изнашивания поверхностей трения.
262 Глава 9. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ СБОРКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
Для цилиндрических возвратно-поступательных пар (плунжерные пары) зазор ми-
нимален и приработка будет происходить за счет износа выступающих неровностей (в
начальный период трения); по мере их изнашивания номинальная площадь растет, а за-
тем с увеличением зазора она уменьшается. Одновременно с этим снижается и номи-
нальное давление. В то же время увеличение зазоров приводит к увеличению перекосов,
а поэтому к возможности повышения фактического давления на контактирующих участ-
ках и, следовательно, к увеличению их износа.
Совершенно очевидно, что в процессе трения и изнашивания будет меняться харак-
тер контактного взаимодействия поверхностей. Принимая за основу разработанную ав-
торами физическую картину контактного взаимодействия деталей машин применитель-
но к трению и изнашиванию, можно полагать, что смещение поверхностей перед каж-
дым новым приложением нагрузки будет вызывать упругие и пластические деформации
или срез вершин, ранее не контактирующих или имеющих перемещение меньше крити-
ческого. После многократных смещений и повторных приложений нагрузки все большая
часть вершин микронеровностей будет деформироваться упруго и все меньшая их часть
будет иметь пластический характер деформаций.
Если связать это с процессом трения, то данный переход от микрорезания и пласти-
ческого характера деформаций вершин выступов к упругому будет происходить в на-
чальный период изнашивания поверхностей. При смещении поверхностей под нагрузкой
в результате перераспределения площади фактического контакта будут наблюдаться
дополнительные пластические деформации. Многократное приложение нормальных или
касательных нагрузок приводит к контактному, усталостному разрушению пластически
насыщенных площадок и образованию новых неровностей.
Изменению физико-механических свойств поверхностных слоев при трении по-
священы работы Б.И. Костецкого, И.М. Любарского и Н.А. Буше.
Анализ физико-химических процессов, протекающих на поверхности трения в пе-
риод приработки, позволил Б.И. Костецкому установить, что происходит образование
вторичных структур. И.М. Любарский показал, что для сталей, имеющих гетерогенное
строение, структурные изменения в процессе приработки приводят к образованию осо-
бого слоя, определяющего износостойкость материала. Н.А. Буше в своих работах также
подтвердил процесс структурных изменений в поверхностном слое детали при трении.
Эти структурные изменения зависят как от материалов контактирующих деталей, так и
от условий трения. Это позволило ему научно подойти к выбору материала деталей для
различных узлов трения.
Следует отметить, что процесс изменения макроотклонения, волнистости, шерохо-
ватости и физико-механических свойств поверхностей трения в процессе приработки
будет взаимосвязанным. Уменьшение макроотклонения и волнистости будет приводить
к увеличению номинальной и контурной площадей контакта и числа контактирующих
микронеровностей, а также к постепенному переходу контактных пластических дефор-
маций к упругим, т.е. к изменению физико-механических свойств поверхностей трения.
Очевидно, что значение формируемой равновесной шероховатости будет зависеть
от других параметров поверхности трения, в частности от макроотклонения, волнисто-
сти и физико-механических свойств. Все это позволило сформулировать понятие «рав-
новесное состояние поверхности трения» [12] и предложить комплексный параметр для
его оценки [9].
ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
263
Уравнение для расчета оптимального значения этого комплексного параметра по-
верхности трения имеет следующий вид [9]:
= 1
Г25тг7/И
,7/6
2/3 zrl/2
ат п п
(1-н¥г’
(9.10)
где I - допустимая интенсивность изнашивания поверхностного слоя детали; % - коэф-
фициент [14]; п - число циклов воздействия, которое приводит к разрушению материала
[14];р - нормальное давление на поверхности трения.
Все это говорит о том, что в процессе эксплуатации происходит взаимосвязанное
изменение параметров качества поверхностного слоя деталей машин и только техноло-
гическое обеспечение оптимального значения комплексного параметра позволяет в зна-
чительной мере повысить их долговечность.
Действие окружающей среды на поверхности деталей при эксплуатации, как пра-
вило, вызывает их корродирование, которое изменяет их качество.
В процессе корродирования детали материал ее поверхностного слоя разрушается,
что приводит к изменению качества поверхностного слоя. При этом коррозионное раз-
рушение идет неравномерно на различных участках поверхности вследствие различий
по состоянию и свойствам металла и особенностей микрорельефа поверхности.
Наиболее равномерно и прогнозируемо протекает коррозия гомогенных материа-
лов. Для чистых металлов характерна равномерная коррозия.
Коррозия гетерогенных материалов - различных сплавов - может быть как равно-
мерной, так и неравномерной (неравномерной сплошной, избирательной, пятнами, язва-
ми, точечной, сквозной, ножевой, растрескиванием, межкристаллитной, подповерхност-
ной, нитевидной) (рис. 9.8). Степень неравномерности коррозии определяется гетеро-
генностью состава материала, и чем она выше, тем более неравномерными будут
коррозионные разрушения.
Коррозию материалов анодных покрытий, чистых металлов, конструкционных уг-
леродистых и низколегированных сталей можно считать равномерной.
Рис. 9.8. Виды коррозии:
а - равномерная; б - неравномерная
сплошная; в - избирательная;
г - пятнами; д - язвами; е - точечная;
ж - сквозная; з - ножевая; и - рас-
трескиванием; к - межкристаллитная;
л - подповерхностная;
м - нитевидная
к) л) м)
264 Глава 9. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ СБОРКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
Последовательность этапов разрушения поверхности при такой коррозии можно
представить в виде схем, приведенных на рис. 9.9.
Учитывая, что наилучшие условия для протекания коррозии формируются во впа-
динах профиля шероховатости поверхности, в них и начинается процесс коррозии с об-
разованием питтинга сферической формы радиусом pw (рис. 9.9, а).
Высотные параметры шероховатости поверхности на данной стадии возрастают на
величину &Rz\
Rz = RzncK + ATte,
&Rz ~ pw,
где &Rz - приращение высоты профиля шероховатости вследствие коррозии; pw - радиус
питтинга коррозии.
Величина pw может быть рассчитана из условия равенства объема прокорродиро-
вавшего металла в течение определенного времени в локальной впадине профиля шеро-
ховатости поверхности и объема питтинга:
1 4 д
ук5повт= 2 7ЛР«” (911)
где vK - скорость коррозии металла детали в данных условиях, мм/год; Sn0B - площадь
поверхности локальной впадины профиля шероховатости поверхности детали, мм2;
т - время корродирования, год; pw - радиус питтинга коррозии во впадине, мм.
Рис. 9.9. Этапы коррозии поверхности детали:
а - начало коррозии металла во впадине профиля шероховатости поверхности детали с образова-
нием питтинга; б - рост очага коррозии по впадине профиля шероховатости поверхности детали;
в - формирование очага коррозии сферической формы на поверхности детали; г - сохранение
равностойкой формы поверхности детали при ее коррозии
ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
265
Определив площадь поверхности локальной впадины как площадь поверхности ко-
нуса и упростив выражение, получим
у 4smp
где Р - угол наклона профиля шероховатости.
Длительность развития питтинга коррозии будет зависеть от целого ряда факторов,
обусловленных как свойствами материала детали, так и условиями корродирования. По
мере корродирования металла в глубь впадины скорость коррозии снижается вследствие
блокирования продуктами коррозии доступа коррозионной среды к дну впадины, после
чего начинается разрастание очага коррозии на боковые поверхности и выступы профи-
ля шероховатости (рис. 9.9, б).
При этом скорость коррозии материала выступов будет выше, чем скорость корро-
зии материала впадин из-за того, что степень его наклепа выше.
Учесть разницу скорости коррозии можно с помощью коэффициента
с 7 z \ 5,2
v U5,2 (U I
К = -^ = ^- = ^5- , (9.13)
v U5,2 U
VK V ин 7
где vK B - скорость коррозии материала выступов; t/H.B - степень (коэффициент) наклепа
материала выступов; UH - степень наклепа материала детали.
Учитывая, что = 1,05...1,15, коэффициент Къ = 1,28 - 2,0.
Тогда диаметральные размеры детали и высотные параметры шероховатости мож-
но будет определить по зависимостям
D — 29исх — 2Apw,
Rz Rz исх 4" &Rz “Ь Apw Apw,
где Apw - изменение глубины питтинга коррозии во впадине профиля шероховатости,
Арн, = укт; Apw - изменение радиуса скругления выступов профиля шероховатости
Арщ = vKxA?B.
При этом радиусы впадин и выступов профиля шероховатости будут меняться сле-
дующим образом:
Р W — Р wn + Ар W ’
Рт Рт исх -Др
т •
При дальнейшем корродировании форма впадины профиля поверхности будет при-
обретать сферическую форму радиусом pw « 5аиисх / 2 (рис. 9.9, в).
Относительная опорная длина профиля по средней линии будет определяться вы-
ражением
tm = 100 - J2-° -fe . (9.14)
V Sm
При дальнейшем корродировании данная форма профиля поверхности при равно-
мерной коррозии изменяться практически не будет, ее можно считать равностойкой в
условиях коррозии (рис. 9.9, г).
266 Глава 9. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ СБОРКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
Размер детали будет меняться следующим образом:
Z) = /)исх ~ 2Apm — 2АЯ,
где АЯ- глубина корродирования материала детали АН = vkt.
При коррозии изменятся также и степень наклепа материала поверхностного слоя
вследствие разрушения верхних более упрочненных слоев металла. Поэтому текущая
степень наклепа металла поверхностного слоя может быть определена по зависимости
Н “ ^Н.ИСХ “ ’
где Ян исх - исходная степень наклепа; UH rp - градиент наклепа.
Таким образом, как сборка, так и эксплуатация деталей приводит к определенным
изменениям качества их поверхностных слоев. И чем больше эти изменения, тем меньше
долговечность деталей машин.
Глава 10
ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
ПРИ ИХ ВОССТАНОВЛЕНИИ
Так как ~70 % деталей машин выходят из строя по причине износа рабочих поверх-
ностей трения, который составляет сотые доли процента от их общей массы, то актуаль-
нейшей проблемой машиностроения является восстановление изношенных деталей.
Восстановление рабочих поверхностей трения деталей машин позволяет экономить ма-
териалы и затраты, связанные с производством заготовок. Восстановлением деталей ма-
шин занимаются различные ремонтные и малые предприятия, потребители машин и их
производители.
В производстве для восстановления рабочих поверхностей трения деталей машин
применяют разнообразные технологические методы. Выбор приемлемого метода опре-
деляется величиной восстанавливаемого поверхностного слоя; производственной про-
граммой; техническим оснащением предприятия; его обеспеченностью материалами и
энергией; квалификацией персонала.
В целом восстановление рабочих поверхностей трения деталей включает в себя три
процесса: подготовку детали под восстановление; восстановление; обработку восстанов-
ленных поверхностей деталей.
10.1. ВОССТАНОВЛЕНИЕ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
МАШИН ПЛАСТИЧЕСКИМ ВЫТЕСНЕНИЕМ МАТЕРИАЛА
Пластическое деформирование материала применяют для восстановления формы и
размеров поверхностей трения путем перемещения материала в объеме самой детали.
Способ используют для восстановления деталей, изготовленных из пластичных мате-
риалов (стали, меди, бронзы и др.), а также для обработки хрупких материалов, которые
превращаются в пластичные при нагреве или создании благоприятных условий нагру-
жения. Основная особенность данного способа состоит в том, что при восстановлении
многих параметров деталей обходятся без применения дополнительного материала.
Пластичность - это свойство твердых тел под действием внешних сил изменять
свою форму и размеры без разрушения и сохранять их в виде остаточной деформации
после снятия этих сил. Пластическая деформация кристаллических тел проявляется в
результате смещения атомных слоев по плоскостям скольжения под действием внешних
сил. Чем больше плоскостей сдвига образуется в объеме материала, тем он пластичнее,
тем при меньших напряжениях деформируется заготовка.
Степень и сила деформирования материала зависят от его химического состава и
структуры, температуры нагрева, скорости деформирования и схемы главных напряжений.
Наибольшей пластичностью обладают чистые металлы. Введение в состав металла
легирующих элементов чаще всего уменьшает его способность к пластическому дефор-
мированию. Неоднородность структуры и неравномерность распределения примесей также
приводят к уменьшению пластичности. Величина зерна влияет на пластичность при холод-
ном деформировании. Чем меньше размер зерна, тем прочнее металл и ниже его пластич-
ность. При горячем деформировании размер зерна не сказывается на пластичности.
268 Глава 10. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ИХ ВОССТАНОВЛЕНИИ
Пластичность материала увеличивается при его нагреве. Различают холодное и го-
рячее деформирование в зависимости от соотношения температур процесса и рекри-
сталлизации. При холодном деформировании температура обработки меньше темпера-
туры рекристаллизации, а при горячем - наоборот.
Нагрев до температуры ковки в 10-15 раз уменьшает сопротивление деформирова-
нию по сравнению с процессом в холодном состоянии. Нагрев деталей из углеродистых
сталей до 350 °C не увеличивает, а снижает пластичность, а нагрев > 700 °C приводит к
появлению окалины. Поэтому нагрев таких сталей целесообразен в указанном интервале
температур.
При восстановлении деталей машин пластическим вытеснением материала основ-
ным технологическим режимом является сила выдавливания. При расчете данных сил
учитывается то, что пластическая деформация наступает тогда, когда напряжения сдвига
в материале детали превышают предел его упругости. В то же время наряду с пластиче-
ской деформацией присутствует и упругая деформация, в результате действия которой
размеры детали в конечный момент нагружения отличаются от размеров после снятия
нагрузки.
Восстановление размеров элементов деталей пластическим вытеснением путем пе-
ремещения материала включает в себя подготовку детали, нагрев (при необходимости),
приложение деформирующей силы и последующую обработку.
Подготовка детали к деформированию представляет собой отжиг или высокотем-
пературный отпуск. В некоторых случаях заготовку непосредственно перед деформиро-
ванием нагревают до температуры ковки.
Процессы перемещения материала при пластическом деформировании классифи-
цируют в зависимости от соотношения направления внешних сил и деформаций: осадка,
раздача, обжатие, вытяжка и вдавливание (рис. 10.1).
Осадка (рис. 10.1, а) применяется для увеличения наружного размера сплошных де-
талей. При осадке действие силы Р перпендикулярно к направлению деформации 5. В
результате воздействия площадь поперечного сечения детали увеличивается вследствие
уменьшения ее высоты. Способ применяют для восстановления диаметров пальцев, ко-
ротких осей при нежестких требованиях к их длине.
Р
г) д)
Рис. 10.1. Способы восстановления размеров деталей:
а - осадка; б - раздача; в - обжатие; г - вытяжка; д - вдавливание
ВОССТАНОВЛЕНИЕ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
269
Пример. Процесс восстановления муфт синхронизаторов путем осадки в подкладном штам-
пе с разъемной матрицей обеспечивает производительность до 100 деталей/ч. Процесс включает в себя:
- нагрев деталей в камерной печи до температуры 960...980 °C в атмосфере эндогаза;
- установку двух технологических полуколец, препятствующих деформации паза, и собран-
ного изделия на оправку;
- штамповку на фрикционном прессе;
- выпрессовывание оправки и снятие полуколец;
- отжиг;
- точение кольцевой канавки;
- протягивание и калибрование эвольвентных шлицев;
- закругление зубьев;
- термическую обработку.
Направления действующих сил и деформаций при раздаче (рис. 10.1, б) совпадают
и направлены изнутри детали. Раздачу применяют для восстановления по наружному
диаметру поршневых пальцев, чашек дифференциала, втулок и других деталей с неже-
сткими требованиями к внутренним размерам.
При обжатии (рис. 10.1, в) направления действующих сил и деформаций совпадают,
но направлены внутрь детали. Этот способ используют при восстановлении внутренней
поверхности детали с нежесткими требованиями к наружным размерам.
Вытяжку (рис. 10.1, г) применяют для увеличения длины детали за счет уменьше-
ния ее поперечного сечения. Вытяжкой восстанавливают, например, размеры толкателей
при износе торцовых поверхностей.
Вдавливание (рис. 10.1, д) объединяет в себе признаки осадки и раздачи. Одновре-
менное протекание осадки и раздачи сохраняет длину детали, что является преимущест-
вом способа. Вдавливание хорошо зарекомендовало себя при восстановлении зубьев
шестерен, шлицев и других поверхностей деталей. Как правило, процесс ведут при вы-
сокой температуре нагрева (до 680...920 °C). Частный случай вдавливания - накатка
(рис. 10.2).
Ее применяют для увеличения наружного или уменьшения внутреннего размера де-
талей за счет вытеснения металла из отдельных участков рабочих поверхностей. Накат-
ку используют для восстановления размеров шеек и отверстий под подшипники, а также
подшипников, залитых свинцовистой бронзой. Образовавшиеся лунки заливают бабби-
том для восстановления несущей способности антифрикционного слоя. Поверхности
накатывают специальным инструментом - зубчатым роликом с прямыми или косыми
зубьями.
Наиболее перспективным восстановлением соединений, величина износа которых
составляет 0,004...0,02 мм, представляется увеличение наружного диаметра благодаря
высоте наплывов, образующихся по краям микроканавок при формировании рельефа
поверхностей пластическим деформированием, т.е.
удается решить одновременно две задачи: восстано-
вить размер и придать обработанной поверхности по- I
ложительные антифрикционные свойства (наличие
маслоемких каналов предотвращает в эксплуатации I
сухое трение и связанные с ним задиры контактирую- —► -|---£+)1 - ~гт--
щих поверхностей, их заклинивание). L—-— У X \ \V,
Одним из методов восстановления такой малой Хх. I
величины износа поверхностей деталей машин пласти- |
ческим деформированием является алмазное выдавли-
вание. При восстановлении алмазным выдавливанием
в качестве инструмента применяются, как правило, Рис. 10.2. Накатка поверхности
270 Глава 10. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ИХ ВОССТАНОВЛЕНИИ
выглаживатели из синтетического алмаза марки АСПК (Нормаль ВНИИалмаза
ОН 037-103-67). Инструмент применяется с рабочей частью конуса, имеющей радиус
сферы такой же, как и для алмазного выглаживания. В отличие от выглаживания, кото-
рое проводится для упрочнения поверхностного слоя и уменьшения высотных парамет-
ров шероховатости, при выдавливании величина подачи составляет 0,3... 1,5 мм/об. В
зависимости от условий эксплуатации восстанавливаемых поверхностей деталей машин
величина подачи инструмента может устанавливаться непрерывно и на поверхности бу-
дет образовываться винтовая линия либо восстановление проводится образованием на
поверхности деталей замкнутых кольцевых канавок.
Алмазное выдавливание, например, можно применять для восстановления изно-
шенных поверхностей прецизионных направляющих скольжения (восстановление с об-
разованием винтовой канавки) или деталей плунжерных пар (восстановление с образо-
ванием кольцевых канавок) и др.
10.2. ВОССТАНОВЛЕНИЕ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
МАШИН ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ
Процесс восстановления деталей электромеханической обработкой (ЭМО) основан
на перераспределении поверхностного слоя материала восстанавливаемой детали, что
обеспечивает значительное повышение использования металла, или наплавке добавоч-
ного материала к восстанавливаемой поверхности.
Технологический процесс восстановления посадочных поверхностей изношенных
деталей при ЭМО состоит из двух операций: высадки металла и сглаживания посадоч-
ной поверхности до определенного размера (рис. 10.3).
Принципиальное отличие этих операций состоит в различии контактных напряже-
ний. В первом случае обработка проводится пластиной (роликом) 2 из твердого сплава,
ширина поверхности контакта которой численно меньше подачи в ~3 раза, а во втором
случае обработка выполняется твердосплавной пластиной (роликом) 4, ширина контакта
которой значительно превышает подачу.
Рис. 10.3. Схема процесса восстановления размера детали при ЭМО:
1 - установка для электромеханической обработки; 2 - высаживающй ролик;
3 - выдавленный профиль; 4 - сглаживающий ролик; 5 - деталь; D} - диаметр после высадки;
D2 - диаметр до высадки; Do - диаметр после сглаживания; УЭМО - установка ЭМО
ВОССТАНОВЛЕНИЕ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
271
При высадке на контактной поверхности образуется винтовой выступ, а при сгла-
живании он уменьшается до необходимого размера; первоначальный диаметр контакт-
ной поверхности увеличивается.
Профиль может создаваться как путем повышения силы Р и величины силы тока,
так и увеличением числа рабочих ходов. По мере увеличения силы металл, контакти-
рующий с пластиной, подвергается все большему пластическому деформированию и
выдавливается наружу вдоль контура пластины, а последняя, внедряясь в металл, обра-
зует впадину, увеличивающуюся в своих размерах. Таким образом, по мере роста силы
расстояние между неровностями, ограничивающими выступ, уменьшается.
Приложение электрического тока в месте контакта инструмента и заготовки позво-
ляет значительно снизить прилагаемую силу за счет того, что происходят разогрев ме-
талла детали и увеличение его пластичности.
Сглаживание обеспечивает: увеличение контактной поверхности сопрягаемой дета-
ли и снижение ее шероховатости; повышение твердости и упругих свойств контактной
поверхности; необходимый натяг сопряжения и его прочность.
После сглаживания в несколько рабочих ходов сечение сглаженного профиля при-
ближается к прямоугольному.
В целях реализации данного метода применяется установка для ЭМО на базе то-
карно-винторезного станка. В настоящее время указанная технология восстановления
усовершенствована путем применения более интенсивных режимов, новых материалов и
конструкций инструмента. Подвод тока осуществляется непосредственно к головкам
(его прохождение по корпусу резцедержателя исключается).
При восстановлении размеров деталей машин в качестве инструмента применяются
пластины, работающие в условиях трения скольжения, и ролики, функционирующие при
трении качения. Так как инструмент работает в очень жестких условиях - высокие дав-
ления и температуры, то в качестве материала для его изготовления применяют термо-
стойкие бронзы, жаропрочные стали, твердые сплавы типа титанокобальтовых, псевдо-
сплавы на основе карбида вольфрама и меди. Ко всем этим материалам предъявляются
высокие требования по электро- и теплопроводности, жаропрочности.
Электромеханическое выдавливание позволяет эффективно восстанавливать размер
наружных цилиндрических поверхностей с последующей доводкой на 0,02...0,1 мм.
При данном способе восстановления цилиндрических поверхностей на величину
восстановленного размера большое влияние оказывает сила тока. Это вполне понятно и
объясняется тем, что с увеличением силы тока возрастает глубина проникновения высо-
кой температуры, уменьшается предел текучести обрабатываемого материала, а следо-
вательно, повышается интенсивность выдавливания.
При необходимости восстановления больших размеров применяются добавочные
материалы, наносимые на восстанавливаемые поверхности различными способами.
Так, например, при восстановлении размеров деталей на величину до 0,2...0,4 мм
применяют в качестве добавочного материала различные порошки. Порошок наносится
на восстанавливаемую поверхность несколькими способами: обмазкой, свободной пода-
чей в зону контакта инструмента и заготовки, удержанием порошка в зоне контакта с
помощью электромагнита.
При нанесении дополнительного материала (порошка) на восстанавливаемую по-
верхность обмазкой получается покрытие с очень большой пористостью, а иногда про-
исходит даже отслаивание наплавленного слоя. Это вызвано наличием так называемого
«третьего тела» - связующего компонента, который при наплавке из-за высоких темпе-
ратур выгорает в зоне контакта инструмента и слоя дополнительного материала.
272 Глава 10. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ИХ ВОССТАНОВЛЕНИИ
Для улучшения качества восстановленного слоя (уменьшения его пористости и
лучшего припекания к поверхности), избавляются от «третьего тела» путем нанесения
порошка свободной подачей бункера. Однако при таком способе нанесения дополни-
тельного материала происходит очень большой его перерасход. Поэтому в целях избе-
жания данного недостатка используют электромагнитное поле для удержания порошка в
зоне наплавки.
При восстановлении еще больших размеров используют в качестве добавочного
материала проволоку или ленту.
10.3. ВОССТАНОВЛЕНИЕ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ
ДЕТАЛЕЙ МАШИН ПЛАЗМЕННЫМИ МЕТОДАМИ
Плазменные методы восстановления деталей машин основываются на использова-
нии теплофизических свойств ионизированного газа (плазмы). Так как выделить плазму
в чистом виде весьма трудно, то для технических целей используют дуговой разряд,
обогащенный плазмой, т.е. в дуговом разряде наряду с заряженными частицами (ионами
и электронами) содержатся и нейтральные частицы. Такое состояние газа называется
низкотемпературной плазмой (температура на выходе из сопла плазмотрона
-5000...7000 К).
В качестве плазмообразующих газов самостоятельно могут быть использованы ар-
гон, азот, гелий, аммиак. Водород и кислород применяются в смеси с аргоном и азотом.
В комплект оборудования для плазменной обработки входят следующие узлы:
плазмотрон; механизм транспортирования порошковых и проволочных материалов;
пульт управления, в котором сосредоточены измерительные, регулировочные и блоки-
ровочные устройства; источник питания дуги; источник и приемник охлаждающей во-
ды; комплекс коммуникаций, соединяющий отдельные узлы установки и обеспечиваю-
щий подвод к плазмотрону газов, электроэнергии, охлаждающей воды.
Плазменное напыление. Для восстановления изношенных поверхностей плаз-
менным напылением широкое применение получили самофлюсующиеся сплавы систе-
мы Ni-Cr-B-Si, в которые нередко добавляют карбиды, бориды тугоплавких металлов
(вольфрама, молибдена, ванадия) для образования композиционных сплавов с более вы-
сокими физико-химическими свойствами. Весьма эффективно использование биметал-
лических термореагирующих порошковых сплавов (например, Al + Ni) с экзотермиче-
скими свойствами, повышающими прочность сцепления покрытия с основой и физико-
химические свойства в целом. Их применяют в качестве подслоя или для напыления ос-
новного слоя.
Технологический процесс восстановления деталей плазменным напылением вклю-
чает в себя следующие операции: подготовку порошка и поверхности детали, напыление
и механическую обработку напыленного покрытия.
Подготовка порошка заключается в его сушке при температуре 150...200 °C и про-
сеивании через сито с размером ячеек, не превышающим 200 мкм.
Подготовке поверхности детали к напылению должно придаваться первостепенное
значение, поскольку от ее качества в значительной мере зависит прочность сцепления
порошка с поверхностью детали. Детали, подлежащие напылению, очищают от грязи,
моют, просушивают, после чего подвергают механической обработке с целью создания
на поверхности необходимой шероховатости, которая существенно влияет не только на
прочность сцепления напыляемого материала с подложкой, но и на усталость восстанав-
ливаемой детали.
ВОССТАНОВЛЕНИЕ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
273
Наиболее рациональный метод создания шероховатости - дробеструйная обработка
чугунной крошкой с размером частиц 1...2 мм при давлении воздуха 0,5...0,6 МПа. Напы-
лять покрытия следует сразу после дробеструйной обработки, так как уже через 2 ч ее эф-
фективность уменьшается из-за увеличения на обрабатываемой поверхности оксидной пленки.
При плазменном напылении в качестве напыляемых материалов применяют по-
рошки (рис. 10.4, а), проволоки и прутки (рис. 10.4, б).
Более технологично использование порошков. В процессе реализации технологии
частицы порошка, подаваемые в зону плазмообразования, нагреваются в плазменной
струе до оплавления или расплавления и направляются с определенной скоростью
(50...200 м/с) на поверхность детали, ударяясь о которую, деформируются, растекаются,
кристаллизуются, образуя слоистые покрытия.
В зависимости от свойств напыляемых металлических частиц, способа и режима
напыления частицы могут достигать подложки в жидком, пластичном или твердом со-
стоянии. Экспериментально определено, что для получения более высокой прочности
сцепления частицы должны быть нагреты не ниже 90 % от температуры их плавления.
Повышению прочности сцепления способствует также предварительное напыление
подслоя толщиной <0,1 мм из металлов (сплавов), образующих прочные химические
связи в результате взаимодействия с подложкой (молибден, сплавы на никелевой основе,
содержащие алюминий, титан и др.). Весьма перспективно напыление композиционным
порошком (Ni-Al): в результате алюмотермической реакции образуется покрытие из
алюминида никеля, отличающегося высокой стойкостью к окислению и более высокой
температурой плавления (1640 °C), чем составляющие его металлы.
Существенным недостатком напыляемых покрытий является их пористость, что
объясняется небольшой площадью контакта как между частицами, так и между части-
цами и подложкой. При воздействии на такой слой сравнительно невысоких нагрузок
велика вероятность его отслоения. Для улучшения качества напыленных покрытий их
подвергают последующему оплавлению (рис. 10.5).
Для последующего оплавления пригодны те напыленные твердые сплавы, которые
обладают способностью самофлюсования. Это сплавы на никелевой основе. Наряду с
плазменным нагревом для оплавления покрытий используют газопламенный, аргоноду-
говой способы и токи высокой частоты. Твердость оплавленных порошковых смесей
составляет HRC 49...53, износостойкость до 5 раз превышает износостойкость стали 45,
сопротивление усталости повышается на 20...25 %, прочность сцепления покрытия с
подложкой достигает 400 МПа.
Рис. 10.4. Схема плазменного напыления:
а - порошком; б - проволокой; 1 - подвод
плазмообразующего газа; 2 - катод плазмотро-
на; 3 - корпус катода; 4 - изолятор; 5 - корпус
анода; 6 - порошковый питатель (механизм
подачи проволоки, рис. 10.4, б); 7 - подвод газа,
транспортирующего порошок; 8 - плазменная
струя; 9 - источник питания
Рис. 10.5. Схема плазменного напыления с
последующим оплавлением:
1 - источник питания; 2 - балластный реостат;
3 - порошковый питатель; 4 - плазмотрон;
5 и 6 - ввод и вывод охлаждающей воды;
7 - ввод напыляемого порошка;
8 - напыляемая деталь
274 Глава 10. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ИХ ВОССТАНОВЛЕНИИ
Однако несмотря на то, что способ напыления с оплавлением позволяет получать
высококачественные износостойкие покрытия с необходимым припуском под механиче-
скую обработку, широкого применения для восстановления деталей он не получил из-за
следующих недостатков. Процесс напыления с оплавлением трудоемок и по производи-
тельности уступает процессам получения покрытий наплавкой и электролитическими
способами. Применение дорогих самофлюсующихся порошков значительно повышает
себестоимость восстановления. Нагрев покрытия и детали при оплавлении достигает
1100 °C, что выше температур фазовых превращений, поэтому все недостатки, харак-
терные для наплавки, присущи и этому способу.
Методами плазменного напыления возможно получение покрытий толщиной в не-
сколько миллиметров, однако с увеличением толщины слоя >1...1,3 мм прочность его
сцепления с подложкой снижается, поэтому наиболее целесообразно восстанавливать
детали с износом, не превышающим 0,4.. .0,6 мм.
Плазменное напыление имеет смысл применять для восстановления деталей, не
подверженных значительным динамическим нагрузкам; изготовленных из чугуна и
алюминия, трудно поддающихся восстановлению другими способами; изготовленных из
любых сплавов, но при восстановлении которых не допускаются деформации. К таким
деталям относятся корпусные детали автомобилей, тракторов, у которых изнашиваются
посадочные места: гнезда блока под вкладыши коренных подшипников, гнезда картеров
коробок передач, опорные буртики и посадочные пояски гильз цилиндров, поверхность
нижней головки шатуна и др. Значительную номенклатуру составляют валы из чугуна,
стали 45, легированных сталей, с изношенными посадочными местами: валы коробок
передач, ходовой части машин и др. Плазменное нанесение покрытий экономически це-
лесообразно при восстановлении большого количества деталей.
Плазменная наплавка. Более технологичным и производительным является спо-
соб плазменной наплавки, который заключается в создании на восстанавливаемой по-
верхности под действием плазменной струи расплава присадочного материала. После
затвердевания формируется наплавленный слой с заданными физико-механическими
свойствами.
При упрочнении и восстановлении деталей в зависимости от их формы, условий
работы применяют несколько разновидностей плазменной наплавки, отличающихся ти-
пом присадочного материала, способом его подачи на изношенную поверхность и видом
используемой сжатой дуги.
Плазменную наплавку можно выполнять одиночными валиками (при наплавке ци-
линдрических деталей по винтовой линии), а также с применением колебательного ме-
ханизма (для широких слоев).
В качестве наплавочных материалов широко применяют следующие марки порош-
ковых сплавов: ПГ-Cl, ПГ-УС-25, ПГ-С27, ПГ-ФБХ-6-2, ПГ-Л101, а также различные
композиции этих сплавов с хромоникелевым порошковым сплавом ПГ-СР4. Ко всем
сплавам добавляют 6.. .8 % порошкового алюминия.
Альтернативой традиционным сплавам в настоящее время стало создание диффу-
зионно-легированных (ДЛ) самофлюсующихся порошков, состоящих из ядра (серийно
выпускаемые металлические порошки, измельченная металлическая стружка) и диффу-
зионной оболочки, содержащей бор и кремний. ДЛ-порошки при меньшей (в несколько
раз) стоимости позволяют эффективно восстанавливать и упрочнять функциональные
поверхности деталей. Грануляция порошков для плазменной наплавки должна нахо-
диться в пределах 200...600 мкм. Применение мелких частиц приводит к более интен-
сивному окислению и их частичному выгоранию. Кроме того, при их использовании
часто забивается сопло плазмотрона.
ВОССТАНОВЛЕНИЕ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
275
Для предотвращения окисления металла в ванне расплава применяют подачу в зону
наплавки защитных газов: аргона, азота или углекислого газа.
Универсальный способ плазменной наплавки - наплавка с вдуванием порошка в
дугу, который, частично оплавляясь, переносится на поверхность изделия, оплавляемого
дугой прямого действия (рис. 10.6). Благодаря широкому диапазону регулирования теп-
лоты, идущей на нагрев порошка и детали, этот способ позволяет получать наплавлен-
ные слои высокого качества с минимальной глубиной проплавления. К недостаткам спо-
соба следует отнести сложность конструкции плазмотрона, его низкую надежность и
большие размеры, а также значительный расход газа.
При использовании наплавочной проволоки наиболее эффективна наплавка токове-
дущей проволокой. В этом случае сжатая дуга используется главным образом для плав-
ления проволоки и в меньшей степени для подогрева детали (рис. 10.7).
Наплавленный слой в основном образуется вследствие теплоты перегретого на-
плавленного металла, смачивающего поверхность подогретого основного металла. Доля
участия основного металла в первом наплавленном слое <4 %, что важно для обеспече-
ния требуемых физико-механических свойств наплавки.
Наплавка прямой дугой токоведущей проволокой увеличивает производительность,
но при этом возрастает глубина проплавления основного металла (рис. 10.7, подвод тока
к детали показан пунктирной линией).
Заслуживает внимания способ плазменной наплавки двумя плавящимися проволо-
ками, подключенными последовательно к источнику переменного тока, с помощью ко-
торого они нагреваются до соответствующих температур и подаются в хвостовую часть
ванны расплавленного металла, образованной сжатой дугой прямого действия
(рис. 10.8). Производительность этого способа достигает 30 кг/ч.
Плазменную наплавку широко применяют для восстановления изношенных по-
верхностей следующих деталей: стальных крестовин карданных шарниров и сателлитов
дифференциалов; клапанов, распределительных и коленчатых валов автотракторных
двигателей; алюминиевых поршней двигателей; чугунных корпусных деталей; изнаши-
вающихся поверхностей деталей атомных реакторов; режущих кромок шнекобурильных
машин; долот вращательного бурения; зубьев ковшей экскаваторов.
Рис. 10.6. Схема плазменной наплавки
с вдуванием порошка в дугу:
1 - вольфрамовый электрод; 2 - источник пита-
ния сжатой дуги косвенного действия (плаз-
менной струи); 3 - плазмообразующее сопло;
4 - плазменная струя; 5 - защитное сопло;
6 - сжатая дуга прямого действия; 7 - источник
питания сжатой дуги прямого действия
Рис. 10.7. Схема плазменной наплавки
с присадочной проволокой:
1 - вольфрамовый электрод; 2 - плазмообра-
зующее сопло; 3 - вода; 4 - балластные реоста-
ты; 5 - источник питания; 6 - токоведущая про-
волока (пруток); 7 - плазменная струя; 8 - за-
щитный газ; 9 - плазмообразующий газ;
------ подвод тока к детали в случае наплавки
прямой дугой
276 Глава 10. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ИХ ВОССТАНОВЛЕНИИ
Рис. 10.8. Схема плазменной наплавки с по-
дачей в ванну двух плавящихся проволок:
1 - электродные токоведущие проволоки; 2 -
источник переменного тока; 3 - защитное со-
пло; 4 - источник постоянного тока; ПГ - плаз-
мообразующий газ; В - вода; ЗГ - защитный газ
Толщина наплавляемого за несколько проходов материала может достигать 10 мм,
однако наиболее эффективны наплавляемые слои до 2 мм при глубине проплавления
основного металла до 0,4...0,6 мм. В этом случае обеспечиваются наиболее высокие фи-
зико-механические свойства покрытий. Плазменная наплавка позволяет не только на-
плавлять изношенные поверхности, но и устранять эксплуатационные дефекты в виде
трещин (обычно глубиной до 3 мм).
Эффективность плазменной наплавки во многом определяется характером условий
эксплуатации восстановленного изделия и свойствами применяемых наплавочных мате-
риалов. Так, износостойкость клапанов двигателей после наплавки жаропрочными твер-
дыми порошковыми сплавами возрастает в 1,8-2 раза по сравнению с новыми, а приме-
нение наплавочных порошков на основе релита или спеченного сплава ВК повышает
износостойкость муфт геолого-разведочных бурильных машин до 6-8 раз.
10.4. ВОССТАНОВЛЕНИЕ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ
ДЕТАЛЕЙ НАПЛАВКОЙ, НАВАРКОЙ
Наваркой называют технологический процесс производства, основанный на таких
способах, при которых формирование наносимого слоя осуществляется под давлением
либо без расплавления присадочного материала, либо с частичным расплавлением его
легкоплавкой фазы. При наварке в металле сохраняются твердые первичные структуры,
а в поверхностном слое детали получают материал с гетерогенной (неравновесной)
структурой, обладающий повышенными износостойкими свойствами. Характерным
технологическим процессом наварки является нанесение присадочного материала путем
прямого электроконтактного нагрева между сжатыми электродами контактной свароч-
ной машины (точечной или роликовой) смеси, состоящей из нескольких разнородных
порошков.
Характеристика рекомендуемых областей применения различных способов наплав-
ки и наварки для восстановления различных деталей приведена в табл. 10.1.
Применяя различные способы наплавки и наварки, оборудование и присадочные
материалы, можно получать на поверхности восстановленных деталей слои с различны-
ми химическим составом и физико-механическими свойствами, в том числе из низкоуг-
леродистых, низколегированных, углеродистых и легированных сталей, чугунов,
композиционных сплавов, цветных металлов и т.д.
Ручную наплавку можно осуществлять неплавящимися электродами (вольфрамо-
вым, угольным), газовым пламенем с применением в качестве присадочного материала
порошка или прутков с дополнительной защитой аргоном или другими газами. Можно
применять также штучные покрытые электроды. При использовании этих способов уда-
ется успешно восстанавливать детали различной толщины из сталей, чугунов и цветных
металлов.
ВОССТАНОВЛЕНИЕ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
277
10.1. Промышленные способы восстановления деталей наплавкой и наваркой
Способ восстановления наплавкой и наваркой Область применения Характеристика детали
Ручная дуговая Наплавка слоев с особыми свой- ствами Детали сельхозтехники, зубья ковшей экскаваторов и др.
Аргонодуговая Наплавка деталей из алюминие- вых сплавов и легированных сталей Алюминиевое литье, детали из легированных сталей
Дуговая в углеки- слом газе Наплавка стальных деталей Валы, оси и др.
Дуговая порошко- вой проволокой и лентой Износостойкая наплавка больших поверхностей с толщиной слоя >3 мм Бандажи колес, зубья ков- шей экскаваторов, детали сельхозтехники
Дуговая под флюсом Наплавка деталей диаметром >50 мм при толщине слоя 1,0... 1,5 мм Валы, оси
Вибродуговая Наплавка стальных деталей диаметром > 30 мм
Плазменная Износостойкая наплавка стальных деталей Валы
Электроконтактная наварка компакт- ных и порошковых материалов Наварка рабочих слоев толщиной до 1,0... 1,5 мм Валы, оси, корпуса, клапа- ны, головки блоков
Электрошлаковая Наплавка слоев толщиной > 6 мм Зубья ковшей экскаваторов
Индукционная Наплавка тонких слоев на пло- ских поверхностях Плужные лемеха, диски, цилиндрические и плоские детали
Заливкой жидкого металла Наплавка деталей со значитель- ным износом (> 3 мм) Звенья гусениц тракторов
Диффузионная наварка в вакууме Наварка спеченных порошковых и специальных сплавов на рабо- чие поверхности Мерительный инструмент
Механизированная наплавка под флюсом и в защитных газах обеспечивает повы-
шение производительности и качества. Она целесообразна для применения в серийном и
массовом производствах, а также для деталей с большой площадью наплавки, при мно-
гослойной наплавке.
Для восстановления деталей машин получили промышленное применение электро-
дуговая наплавка под флюсом сплошной и порошковой проволоками, порошковой, спе-
ченной и сплошной лентами; наплавка в углекислом газе сплошной и порошковой про-
волоками; вибродуговая наплавка; наплавка под флюсом; дуговая наплавка с газоплаз-
менной защитой; электрошлаковая наплавка; электроконтактная наварка порошковых и
компактных материалов; индукционная наплавка.
278 Глава 10. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ИХ ВОССТАНОВЛЕНИИ
Технологические процессы восстановления деталей с применением ручной дуговой
наплавки основаны, как правило, на применении плавящихся металлических электродов.
Электродные материалы выбирают так, чтобы химический состав и физико-
механические свойства шва максимально приближались к основному металлу, обеспе-
чивались равнопрочность зоны соединения и минимальные деформации.
Газовую наплавку ведут с применением ацетиленокислородного нейтрального пла-
мени. Состав и свойства материала присадочной проволоки должен соответствовать со-
ставу и свойствам основного металла.
Механизированная наплавка в защитных газах позволяет механизировать подачу
плавящегося электрода и защитного газа и одновременно сохраняет высокую маневрен-
ность сварочной дуги. Это дает возможность наплавлять различные поверхности дета-
лей широкой номенклатуры с увеличенной в 2 раза производительностью по сравнению
с ручной наплавкой.
Для наплавки деталей из алюминиевых сплавов используют способы сварки плав-
лением, контактной сварки и без расплавления основного металла.
Импульсно-дуговую наплавку плавящимся электродом применяют для наплавки
деталей из высокопрочных, коррозионно- и жаростойких, углеродистых сталей, алюми-
ниевых, медных, никелевых и титановых сплавов, других металлов. Наибольшее рас-
пространение она получила для наплавки деталей из алюминиевых сплавов толщиной
>1,5 мм и высоколегированных сталей толщиной >1 мм.
Индукционную наплавку применяют для нанесения тонких слоев износостойких
сплавов на рабочие поверхности плужных лемехов, лап культиваторов, дисковых, ци-
линдрических и плоских деталей различных машин. В качестве присадочных использу-
ют различные порошковые сплавы и смеси.
Электрошлаковая наплавка повышает производительность процесса наплавки дета-
лей до 200 кг/ч. Ее применяют в том случае, если требуется нанести большой объем на-
плавленного металла при толщине слоя >30 мм. Эту наплавку осуществляют с примене-
нием кристаллизаторов, проволочных и ленточных электродов. В качестве электродов
можно применять также стержни, трубы и детали сложного сечения. Наплавка характе-
ризуется малой глубиной проплавления, в связи с чем доля основного металла в наплав-
ленном слое < 10 %.
Электроконтактное спекание и наварка порошковых и компактных материалов ос-
нованы на использовании методов порошковой металлургии и электроконтактной свар-
ки. Электроконтактное спекание и наварка порошковых материалов характеризуются
кратковременным прямым пропусканием через порошок, находящийся под давлением,
импульсного электрического тока большой силы и низкого напряжения. Это позволяет с
помощью типовых электроконтактных сварочных машин легко регулировать термоме-
ханические режимы формирования материалов и наваривать на рабочие поверхности
различные металлические слои.
Совмещение во времени процессов прессования и спекания деталей делает метод
похожим на горячее прессование в порошковой металлургии. Однако по сравнению со
статическим горячим прессованием с косвенным нагревом порошка в рассматриваемом
методе значительно активизируются и ускоряются процессы, в результате которых дос-
тигаются необходимые свойства деталей.
Спекание порошков при прямом пропускании электрического тока большой силы
основано на получении материала плотностью, близкой к 99... 100 % от теоретической,
путем совместного действия давления, температуры и электромагнитного поля свароч-
ных машин. Малая длительность процесса электроконтактного спекания и наварки позволя-
ет его проводить на воздухе без дополнительной защиты даже для активных металлов.
ВОССТАНОВЛЕНИЕ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
279
Для наварки используют как однокомпонентные порошки металлов и легирован-
ных сплавов, так и различные порошковые смеси. Последние могут содержать в качест-
ве твердого упрочняющего компонента одно или несколько соединений типа карбидов,
боридов, силицидов, нитридов и оксидов. В этом случае можно частично или полностью
сохранять свойства таких соединений и получать материалы как с равновесной, так и с
неравновесной структурой.
Материалы с гетерогенной, а еще лучше с неравновесной структурой обладают
очень высокой износостойкостью в условиях абразивного и других видов изнашивания.
Это обусловлено тем, что частицы твердых включений прочно связаны упругопластич-
ной, достаточно износостойкой металлической основой. При высоких контактных давлени-
ях твердые включения ограничивают область микро- и макросхватывания поверхностей.
В качестве присадочных материалов применяют дешевые и недефицитные порошки
железа, меди, ферросплавы, порошки из сплавов для наплавки, порошки электрокорун-
да, карборунда, смеси порошков, пасты, ленты и проволоку.
Для электроконтактной наварки и порошковых, и компактных материалов харак-
терны кратковременность процесса и малые зоны разогрева, а максимальные температу-
ры не достигают температур плавления.
Метод электроконтактной наварки при восстановлении и упрочнении различных
деталей машин можно применять для размерного восстановления изношенных стальных
и чугунных деталей, для изготовления биметаллических деталей с поверхностным сло-
ем, имеющим повышенные свойства твердости, износо- и коррозионной стойкости и
т.п., а также для повышения срока службы деталей.
Вибродуговая наплавка, являющаяся разновидностью электродуговой наплавки ме-
таллическим электродом, обеспечивает получение слоев толщиной 0,5...3,0 мм и более
(при многослойной наплавке) на деталях типа вала, на внутренних цилиндрических и
плоских поверхностях деталей. Сварочная установка обеспечивает вибрацию электрода
с частотой до 110 Гц и амплитудой колебаний до 4 мм, подачу на наплавляемую поверх-
ность охлаждающей жидкости, импульсную подачу электрического тока от источника
постоянного тока, вращение детали и подачу суппорта со сварочным мундштуком.
Для механизированных способов электродуговой и электрошлаковой наплавки, а
также для изготовления покрытых электродов для наплавки различных деталей исполь-
зуют стальную холоднотянутую сварочную проволоку. При механизированной дуговой
наплавке стальных деталей применяют наплавочную проволоку. Для ручной электроду-
говой наплавки деталей из различных сталей разработана широкая номенклатура типов
и марок покрытых плавящихся электродов, которые приведены в ГОСТ 10051-75.
В зависимости от требуемой твердости, износостойкости и других свойств поверх-
ностного слоя для наплавки применяют различные ленты из низкоуглеродистой, углеро-
дистой, инструментальной, пружинной, коррозионно-стойкой сталей, а также ленты из
спеченных и порошковых материалов, из никеля, меди и бронзы.
Технология восстановления и упрочнения деталей наплавкой, наваркой предусмат-
ривает подготовку материалов, наладку оборудования и технологических приспособле-
ний, подготовку деталей, сам процесс наплавки, наварки, включающий в себя также от-
делочные операции, контроль, испытание и приемку продукции.
Технологический процесс наплавки, наварки состоит из следующих операций:
вспомогательных (установка, подъем, поворот, вращение, транспортировка); основных
(сборка, наварка, наплавка); отделочных (термообработка, правка, окончательная меха-
нообработка); контрольных (определение показателей качества, испытания); заключи-
тельных (маркировка, приемка, консервация, упаковка).
280 Глава 10. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ИХ ВОССТАНОВЛЕНИИ
Обычно применение методов для восстановления деталей наплавкой, наваркой
обеспечивает их первоначальный ресурс, а наплавка, наварка твердых покрытий на ра-
бочую поверхность деталей машин увеличивает их долговечность в 1,5-3 раза и более.
10.5. ПОДГОТОВКА ВОССТАНАВЛИВАЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
ДЕТАЛЕЙ ПОД НАНЕСЕНИЕ ПОКРЫТИЙ
Для предотвращения растрескивания, шелушения и отслоения покрытий необходи-
мо подготовить поверхность детали под нанесение покрытия.
Поверхность зачищают до полного удаления влаги, масла, пыли, ржавчины, а также
дефектов (трещин, следов изнашивания и т.д.). При этом существуют различные спосо-
бы обезжиривания, из которых наиболее эффективна промывка ацетоном. Для удаления
оксидной пленки и мелких трещин применяют иглофрезы, металлические щетки, лепе-
стковые круги, абразивные ленты или песко- и дробеструйную обработку. Глубокие по-
верхностные трещины удаляют резцами.
Для предотвращения растрескивания покрытия осуществляют предварительный
подогрев детали. Этот подогрев обычно осуществляют газовой горелкой, ТВЧ или элек-
трическими нагревателями, нагрев деталей может выполняться и в нагревательных пе-
чах. В табл. 10.2, по данным Э.В. Рыжова приведены наиболее распространенные спосо-
бы обработки поверхностей перед напылением.
Прочность сцепления покрытия с подложкой определяется не только подготовкой
поверхности под напыление, но и конкретным значением шероховатости Ra или Rz и
Sm. Максимальная прочность сцепления напыленного покрытия будет при Rz =100...
150 мкм, Sm = 0,3...0,5 мм.
10.2. Способы подготовки поверхностей под газотермические покрытия
Способ обработки Назначение
Механические способы обраС Предварительная механическая обработка напыляемых поверхностей (точение, шлифование и др.) ютки со снятием стружки Придание необходимых размеров, точ- ности формы и шероховатости, удаление дефектных слоев
Нарезание резьбы Создание шероховатости при нанесении покрытий толщиной > 1 мм и при экс- плуатации в условиях повышенных на- грузок
Фрезерование насечки
Иглофрезерование Механическая очистка поверхностей простой геометрической формы
Механические способы обра( Косая сетчатая накатка эотки без снятия стружки Создание шероховатости на наружных цилиндрических поверхностях стальных незакаленных деталей (HRC3 35), рабо- тающих при высоких динамических на- грузках
Накатка резьбы
Поверхностно-пластическое деформирование
ПОДГОТОВКА ВОССТАНАВЛИВАЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ
281
Окончание табл. 10.2
Способ обработки Назначение
Комбинированные способы Накатка полукруглой резьбы и рифление механической обработки Создание шероховатости на поверхно- стях тел вращения
Нарезание резьбы и струйная обработка абразивным материалом То же, на деталях из легированных ста- лей
Обработка и нарезание резьбы То же, на деталях, работающих при вы- соких динамических нагрузках
Обработка свобод Вибрационная ными абразивами
Виброхимическая Подготовка мелких и средних деталей
Центробежная
Ультразвуковая
Струйно-абразивная Активация напыленных поверхностей и придание им нужной шероховатости
Предварительное н Газотермическое нанесение подслоя (из молибдена, никеля, никелевых сплавов, композиционных порошков) анесение подслоев Нанесение покрытий при большом раз- личии коэффициентов термического расширения материала покрытия и под-
Струйная обработка абразивным материа- лом и нанесение подслоя ложки, получение слоев
Прочие я Электроискровая обработка с последую- щей струйной обработкой абразивным материалом методы Подготовка поверхностей деталей из малоуглеродистых сталей и деталей, не несущих динамических нагрузок, при напылении толстых слоев на плоскости и поверхности вращения
Химическое травление Подготовка поверхностей тонкостенных деталей
Очистка тлеющим разрядом, катодное распыление Подготовка поверхностей при нанесении покрытий в вакууме
Особенно актуален вопрос прочности сцепления покрытия с подложкой при боль-
шой разнице их коэффициентов термического расширения, например при напылении
керамики на стальную основу. В этих случаях в начале напыляют керамику с материа-
лом основы, затем чистую керамику, армируют покрытия волокнами вольфрама или
молибдена. Для повышения прочности сцепления и улучшения свойств покрытия осу-
ществляют его оплавление, в частности лазерной обработкой.
В специальных установках для вакуумного напыления ионно-плазменных покры-
тий («Булат», «Пуск», и т.д.) процесс окончательной глубокой очистки восстановленной
поверхности осуществляется в самой установке.
282 Глава 10. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ИХ ВОССТАНОВЛЕНИИ
10.6. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ВОССТАНОВЛЕННЫХ
ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
После восстановления поверхностей деталей большинство из них подвергается ме-
ханической обработке для получения требуемой точности размеров и шероховатости
поверхности.
Иногда при обработке требуется обеспечить не только геометрическую форму и
размеры, но и взаимное расположение установочных баз. Поэтому как восстановление по-
верхностей деталей, так и их обработку необходимо проводить при одинаковой установке.
Для обработки восстановленных поверхностей деталей, как правило, применяется
лезвийная и абразивная обработка: точение, растачивание, торцовое фрезерование,
шлифование, хонингование, суперфиниширование и притирка.
Механическая обработка покрытий, по данным С.А. Клименко, значительно отли-
чается от обработки заготовок, имеющих аналогичный химический состав. Это объясня-
ется наличием пористости, прежде всего на границах покрытия, различной прочностью
сцепления и другими факторами.
Лезвийная обработка восстанавливаемых деталей применяется если требуемая точ-
ность находится в пределах квалитетов 7... 10, а шероховатость рабочих поверхностей
Ra 5...2,5.
Однако лезвийный инструмент, оснащенный твердым сплавом, не позволяет эф-
фективно производить обработку покрытий твердостью HRC > 42. Поэтому для обра-
ботки таких покрытий применяется инструмент, оснащенный поликристаллическим
сверхтвердым материалом на основе кубического нитрида бора.
В СНГ для этого разработаны такие режущие материалы как гексанит-Р
(ТУ 2-035-808-81), киборит (ТУ 2-037-636-88) и поликристаллы 10Д. Фирма De Birs
(Швеция) для этого изготовила пластины из амборита.
Инструмент из киборита позволяет удалять весь дефектный поверхностный слой
покрытия за один рабочий ход, т.е. обрабатывать с глубиной резания до 2,5 мм. Приме-
нение инструмента, оснащенного композитом-10 эффективно при глубине резания 1,0 мм.
Чистовая обработка покрытий со скоростями резания (2,50... 13 м/с), подачей (0,01...
0,15 мм/об) и глубиной резания (0,05...0,5 мм) проводится инструментом из композита
10, 10Д, эльбора.
Выбор геометрии режущей части инструмента для обработки покрытий определя-
ется следующими обстоятельствами. Режущий инструмент должен иметь отрицатель-
ный передний угол, радиус при вершине инструмента должен находиться в пределах
0,3...1,0 мм, главный угол в плане ф > 30...35°, так как малые углы в плане при обработке
твердых покрытий приводят к значительному увеличению радиальных сил, что, в свою
очередь, вызывает появление вибраций.
Инструмент из поликристаллов более работоспособен при обработке наплавленных
покрытий с мартенситной структурой (ПП-АН12; ПП-АН122; ПП-АН128; ЛС-5Х4ВЗМФС
и др.).
При обработке покрытий на основе твердых сплавов ВК более эффективен инстру-
мент, оснащенный пластинами с синтетическим алмазом, например алмазно-
твердосплавные пластины марки АТП (ТУ 2-037-547-86).
Стойкость резцов из поликристаллических сверхтвердых материалов при обработке
покрытий в 20-30 раз выше, чем резцов из твердого сплава Т15К6. При этом производи-
тельность обработки благодаря высокой скорости резания возрастает в 3-4 раза.
МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ВОССТАНОВЛЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ 283
Шлифование является основным методом обработки восстановленных поверхно-
стей деталей, особенно высокой твердости. Покрытия на основе карбидов вольфрама и
керамики могут эффективно обрабатываться только шлифованием. Эффективность про-
цесса шлифования в значительной мере определяется правильностью выбора абразивно-
го материала. Так, круги из электрокорунда могут быть использованы при обработке
покрытий с твердостью до HRC3 35, круги из карбида кремния - при обработке покры-
тий с твердостью HRC3 35...50. Покрытия с твердостью HRC3 >50 целесообразно обраба-
тывать алмазными кругами. Сравнительные результаты по производительности - Q и
износу различных кругов (относительный расход абразивного материала q) при круглом
наружном шлифовании композиционных покрытий на основе железа (Т-590Н), никеля
(СНГН), никеля и карбида вольфрама (ВСНГН), а также твердых сплавов (Т15К6 и
ВК6), по данным проф. А.И. Сидорова, приводятся в табл. 10.3.
Режимы обработки: vx = 25 м/с; 5П = 0,01 мм; 5пр = 1 м/мин.
10.3. Обрабатываемость покрытий
Шлифовальный круг Материал покрытия 2, мм3/мин q, мг/г
Из карбида кремния 64С 25 СМ1 Кб Т-590Н 172 950
СНГН-60 119 1530
ВСНГН 67 1570
Т15К6 58 8300
ВК6 50 8500
Из синтетических алмазов АС4 160/125 М6-02 Т-590Н 315 6,85
СНГН-60 234 5,17
ВСНГН 219 4,18
Т15К6 180 2,13
ВК6 149 1,73
Из эльбора Л0160/125В2-014 Т-590Н 325 2,41
СНГН-60 241 2,85
ВСНГН 216 3,46
Т15К6 60 4,2
ВК6 49 4,31
Из синтетических алмазов (элек- трохимическое шлифование) АС4 160/125 М6-02 Т-590Н 453 0,53
СНГН-60 413 0,5
ВСНГН 350 0,46
Т15К6 320 0,32
ВК6 253 0,3
При алмазно-электрохимическом шлифовании: vx = 21 м/с; 5П = 0,05 мм;
5пр= 2,5 м/мин, U= 6 В.
Применение алмазного инструмента наиболее эффективно при шлифовании особо
твердых покрытий. Так, при обработке плазменно-напыленного сормайта и оксида алю-
миния необходимо использовать только алмазный инструмент - шлифовальные круги с
алмазом АС4 100/80 со 100%-ной относительной концентрацией на связках М2-01,
284 Глава 10. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ИХ ВОССТАНОВЛЕНИИ
В2-08, ВЗ-ОЗ-1. Для отделочной обработки рекомендуются бесконечные алмазные ленты
АЛТТТБ с алмазами ACM, АС4 зернистостью 80/63,40/28,20/14 на связках ВЗ-06, ВЗ-02.
Применение алмазных кругов позволяет значительно снизить себестоимость обра-
ботки. Так, в табл. 10.4, по данным фирмы Tirolit Schleifmittelwerke Swarorwskie K.G.
(Австрия), приведена относительная себестоимость обработки Со покрытий алмазными
кругами при наружном шлифовании.
Круг имел связку В53 с 75%-ной концентрацией алмазов. Обработка проводилась с
охлаждением, с Sn = 0,02 мм/дв.ход. Относительная себестоимость Со определялась от-
носительно себестоимости обработки кругом из карбида кремния (С80Н8У18), которая
принята за единицу для аналогичных покрытий и режимов шлифования.
10.4. Относительная себестоимость обработки покрытий алмазным кругом
при круглом наружном шлифовании
Материал покрытия HRC3 Характеристика ал- мазного инструмента Со Режим шлифования
Vkp,m/c N, мин 1 5пр, м/мин
NiCrFeBSi 55...62 RDA-55N 120R75B53 0,09 30 75 0,5
DXDA-MC 120R75B53 0,08
45...50 0,3
«Кастолин Дуро Тек 19910» 64...66 DXDA-MC 200R75B53 2,01 32 65 0,6
FeMoNi+TiC («Ферро Тик Р143») 0,33 45 0,5
Для повышения эффективности обработки покрытий применяют плазменное элек-
троэрозионное шлифование (ПЭЭШ). Обработка в режиме ПЭЭШ осуществляется элек-
тропроводными алмазными кругами, инструмент изолируется от детали, в зону шлифо-
вания вводится дополнительная энергия от генератора импульсов. Применение ПЭЭШ
позволяет также повысить эффективность обработки наплавки релит-мельхиор, которая
практически не поддается шлифованию кругами из электрокорунда и карбида кремния и
плохо шлифуется алмазными кругами.
Хонингование применяется, например, при окончательной обработке восстанов-
ленных цилиндров и гильз, отверстий в бобышках поршней, втулок верхней головки
шатунов и др. Хонингование проводится при окружной скорости головки (хона) 0,75...
1,5 м/с, а скорость возвратно-поступательных движений головки в пределах 0,17...
0,34 м/с. Величина снимаемого слоя метала при хонинговании составляет 0,01.. .0,2 мм.
Суперфиниширование выполняется для окончательной обработки восстановленных
наружных поверхностей вращения. Сущность этого вида окончательной отделки рабо-
чих поверхностей заключается в том, что с поверхности вращающейся детали металл
снимается мелкозернистыми абразивными брусками, имеющими возвратно-
поступательное движение вдоль обрабатываемой поверхности. Скорость перемещения
брусков находится в пределах 0,025...0,05 м/с. Одновременно с этим бруски совершают
короткие (3...5 мм) колебательные движения с частотой 16...30 колебаний/с. Величина
снимаемого слоя металла при этом виде обработки составляет 0,005...0,02 мм.
МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ВОССТАНОВЛЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ 285
Притирка применяется для подгонки восстановленных плунжерных пар и других
прецизионных деталей с применением тонких порошков и паст.
Инструментом для такой обработки являются притиры, как правило, изготовленные
из серого чугуна марки СЧ15, СЧ18, СЧ25. По форме притиры могут быть в виде приз-
матических колодок или разрезных колец. Между притиром и восстановленной поверх-
ностью наносится абразивный материал - алмазные пасты или порошки различной зер-
нистости в зависимости от требуемой величины снимаемого припуска и шероховатости
поверхности. Обработка осуществляется на токарных универсальных станках, специализи-
рованных доводочных станках. Величина снимаемого припуска составляет 0,002...0,02 мм.
После операции доводки величина шероховатости восстановленной поверхности со-
ставляет Ra = 0,05...0,16 мкм.
Таким образом, технология восстановления изношенных поверхностей имеет ши-
рокие возможности в экономии материальных и энергетических затрат на производство
машин. Она является важным этапом в жизненном цикле изделий и занимает должное
место в учении об инженерии поверхности деталей.
Глава 11
ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ И КОЛЕС
Долговечность железнодорожных рельсов и колес в значительной мере определяет-
ся качеством их рабочих поверхностей катания, износ которых может приводить к ката-
строфическим последствиям на железнодорожном транспорте. Оптимально эта пробле-
ма может быть решена при совместном комплексном рассмотрении качества поверхно-
стей катания железнодорожных рельсов и колес на всех этапах жизненного цикла (про-
ектирования, изготовления, эксплуатации, ремонта и восстановления).
11.1. ОПТИМАЛЬНЫЕ ПОПЕРЕЧНЫЕ ПРОФИЛИ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС И РЕЛЬСОВ
Поиск оптимальных форм поперечных сечений железнодорожных колес и рельсов
ведется на основе трех основных критериев: усталостной контактной прочности их ма-
териалов, износостойкости, динамических характеристик экипажей при их движении на
прямых и кривых участках пути.
Обеспечение лучших показателей профилей по всем трем критериям представляет
собой трудную задачу. Например, в результате изнашивания колесо приобретает форму,
обеспечивающую благоприятные условия по уровню максимальных давлений, возни-
кающих в контакте с рельсом, но при этом в пятне контакта может наблюдаться большое
скольжение, приводящее к интенсивному изнашиванию материалов колеса и рельса,
может ухудшаться динамика движения экипажа.
Первые попытки оптимизировать профиль колеса по критерию максимальных кон-
тактных давлений были предприняты Н.М. Беляевым. В работе [ПО] рассмотрены на-
пряжения в контакте бегунка паровоза и рельса и сделан вывод о том, что, поскольку
обращающиеся на сети бандажи имеют желобообразную форму, правильнее сразу при-
давать бандажу эту форму, чем заставлять его приобретать те же очертания за счет пор-
чи рельсов и самого себя. Позднее были разработаны методы построения профиля коле-
са по выбранному профилю рельса, обеспечивающие наилучшие условия по критерию
максимальных контактных давлений.
Такой метод предложен в работе [134]. Полученный в результате построений про-
филь назван адаптированным к износу. Под ним понимается такой профиль, который
обеспечивает минимальное изменение формы поверхности катания в процессе изнаши-
вания. Профиль характеризуется эквивалентной конусностью. Под эквивалентной ко-
нусностью сочетания колесной пары и рельсового пути подразумевается конусность
колеса с конической поверхностью катания, дающего такую же длину волны виляния.
Для нового колеса европейских железных дорог с конической поверхностью катания
эквивалентная конусность совпадает с конусностью поверхности и равна 0,025...0,05. С
увеличением износа эквивалентная конусность тоже увеличивается, что приводит к
снижению устойчивости движения.
ОПТИМАЛЬНЫЕ ПОПЕРЕЧНЫЕ ПРОФИЛИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС И РЕЛЬСОВ 287
При построении адаптированного к износу профиля колеса к нему предъявляются
следующие требования: обеспечение низкой эквивалентной конусности при изнашива-
нии для получения хорошей устойчивости движения экипажей, защита гребня от изно-
са. Для удовлетворения этих требований профиль имеет коническую часть с малой ко-
нусностью на середине поверхности катания и наружной ее части, переход к гребню
выполнен так, что при поперечном перемещении колесной пары точка начального кон-
такта смещается вдоль профиля к гребню.
Новый профиль построен на основе профиля рельса UIC60, уложенного с поду-
клонкой 1:20. Он состоит из конической поверхности катания с конусностью 1:20, кото-
рая соединена с профилем гребня тремя дугами окружностей, концентричных с окруж-
ностями, которыми очерчен профиль головки рельса (рис. 11.1, а). Построены четыре
профиля: DR1, DR2, DR3 и DR4, полученные увеличением радиусов дуг окружностей,
описывающих головку рельса, на 1, 2, 3 и 4 мм.
Профиль поверхности катания колеса строится следующим образом. Концентрично
дугам окружностей АВ, ВС и CD строятся дуги А'В', В'С' и CD’ с увеличением всех ра-
диусов на одну и ту же величину. На любом радиусе располагаются точки Р и Р’ профи-
лей рельса и колеса, касательные к которым имеют одинаковый угол наклона. Если
опустить профиль колеса вниз так, чтобы совместились точки А и А', а затем перемещать
его вправо, точки начального контакта Р и Р’ профилей будут перемещаться от А к D,
обеспечивая одноточечный контакт (рис. 11.1, б). Снаружи от точки А’ профиль колеса
имеет конусность 1:20, затем конусность 1:10.
Рис. 11.1. Схема построения профилей типа DR (а), центральное положение
колесной пары с профилем колеса типа DR на рельсе UIC60 (б)
288 Глава 11. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ Ж/Д РЕЛЬСОВ И КОЛЕС
Наиболее эффективным, хотя и дорогостоящим методом поиска оптимальных про-
филей колес являются сравнительные испытания их в эксплуатационных условиях. В
работе [109] приведены результаты наблюдений за изнашиванием колес с различными
профилями поверхностей катания. В связи с необходимостью увеличения осевой нагруз-
ки грузовых вагонов для перевозки угля, щебня и оборудования до 350 кН компания Rhein-
braun AG (Германия) использовала колесные пары с профилем Хейманна-Лоттера (HL).
Профиль HL в средней части имеет цилиндрический участок шириной 30 мм. Та-
кая форма предполагала разнесение нагрузки по участку колеса как можно большей ши-
рины для снижения нагруженности материала колеса, однако оказалась склонной к
экстремально большому износу, требующему восстановления профиля через 100 тыс.км.
Было принято решение испытать колеса с профилем Р8 Британских железных дорог и
KKVMZ Чехословацких железных дорог.
Вагон для перевозки угля выполнен на двух двухосных тележках с самоустанавли-
вающимися при вписывании колесными парами в кривые участки железной дороги.
Проведены испытания трех порожних и груженых вагонов, оборудованных колесами с
тремя профилями, представленными выше, на прямых и кривых участках пути. Пробег
вагонов составил 87 тыс. км. На прямых участках пути колесная пара с профилем HL
двигалась абсолютно прямолинейно, на кривом же участке набегала на рельс под мак-
симальным углом. Это объясняется тем, что колесо перекатывается по рельсу своей ци-
линдрической частью и при вписывании в кривой участок пути не создается нужная раз-
ность диаметров окружностей качения колес. В результате получен наибольший износ
такого колеса.
Колеса с альтернативными профилями показали хорошую возможность радиальной
установки на кривых участках железной дороги и способность самоцентрироваться при
движении на прямых участках. Для вагонов с профилями Р8 получены большие попе-
речные откосы, чем для вагонов с профилями KKVMZ, следствием чего явился боль-
ший износ их гребней. Использование альтернативных профилей колес позволило зна-
чительно снизить износ их гребней и поверхностей катания (табл. 11.1).
11.1. Износ колес
Тип профиля Износ гребня Износ поверхности катания
мм Снижение, % мм Снижение, %
HL 4...7 - 1,3...2,0 -
Р8 0,8...4,7 65 0,8...2,0 6
KKVMZ 1,1...3,8 67 0,6...1,2 50
Профили Р8 и KKVMZ характеризовались стабильностью формы в результате из-
носа и способностью радиальной установки в кривых с увеличением износа.
С 1990 г. для всех новых вагонов Северной Америки стало обязательным примене-
ние колесных пар с новым профилем типа AAR-1B поверхности катания (рис. 11.2). До
этого был в силе стандарт, принятый в 1928 г. [111]. Колесо этого стандарта недостаточ-
но хорошо взаимодействовало с рельсом. При движении на кривых участках пути силь-
но изнашивались гребни колес. Периоду приработки соответствовал двухточечный кон-
такт, который имел место до образования совместимого приработанного профиля.
ОПТИМАЛЬНЫЕ ПОПЕРЕЧНЫЕ ПРОФИЛИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС И РЕЛЬСОВ 289
Рис. 11.2. Профиль
AAR-1B поверхности
катания колеса
Североамериканских
железных дорог
При разработке нового профиля исходили из того, что он должен обеспечивать
снижение износа колес и рельсов, повышение безопасности от схода с рельсов, устойчи-
вое движение на прямых участках в нормальном диапазоне скоростей, приемлемый уро-
вень контактных напряжений.
Применялись два подхода для определения геометрии профиля. Первый базировал-
ся на форме, которую приобретает колесо в результате естественного износа в эксплуа-
тации. По нескольким сотням обмеренных профилей определяли усредненный. При вто-
ром подходе профиль катания колеса получали путем развертки профилей головок рель-
сов из условия обеспечения одноточечного контакта при поперечном смещении колеса
относительно рельса. При первом подходе профиль был построен по результатам обме-
ров 356 колес. В качестве использованных профилей во втором подходе взяты профили
двух стандартных рельсов и один усредненный профиль наружного рельса в кривой,
который синтезировали из 87 измерений от почти новых до очень изношенных рельсов.
Из четырех вариантов профилей наименьшие напряжения в контакте гребня с рель-
сом имел профиль AAR-1, он и был выбран в качестве оптимального. Одно из главных
требований, которое предъявлялось к нему, - профиль должен быть геометрически ста-
бильным в эксплуатации. У доработанного профиля AAR-1B был увеличен угол наклона
гребня до 75°, на 40 % уменьшена эффективная конусность. Предварительные результа-
ты наблюдений за колесными парами с новым профилем, находящимися в эксплуата-
ции, показали, что износ гребня снизился на 30 %.
Технико-экономический анализ, учитывающий перевод всего парка вагонов на ко-
леса с профилем AAR-1B, показал, что ежегодная экономия, млн дол., должна была со-
ставить 67 на колесах, 15 на износе рельсов, 48 на расходе топлива и 700 на сходе ваго-
нов с рельсов [8]. В некоторых случаях межремонтный пробег колес новой конструкции
превышал 800 тыс. км. Предполагают, что срок службы новых колес увеличится в 5 раз
при внедрении термообработки.
В результате поиска способов снижения интенсивности изнашивания колеса и
рельса в СССР был предложен ряд профилей катания колес [117]. Профиль катания ко-
леса ДМетИ разработан специалистами Днепропетровского металлургического институ-
та совместно с работниками Института черной металлургии и Приднепровской желез-
ной дороги [109]. Он получен на основе исследования колесных пар, поступивших в об-
точку из-под вагонов, эксплуатировавшихся в поездах пяти направлений, подвижного
состава внутризаводского транспорта и горно-обогатительных комбинатов, с прокатом
0,6...9 мм. Обследовано 2400 колесных пар, а с 200 колес сняты отпечатки, характери-
зующие изношенные поверхности катания. По нанесенным точкам кривой профиля про-
ката получено уравнение кривой поверхности катания.
290 Глава И. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ Ж/Д РЕЛЬСОВ И КОЛЕС
Для обеспечения необходимого запаса устойчивости при современных нагрузках на
колесо и скоростях движения угол наклона гребня принят равным 70°. Определены на-
пряжения, возникающие в контакте колеса с криволинейным профилем и рельса, прове-
дена оценка напряжений в рельсе по теориям предельных напряженных состояний. Рас-
четы показали, что максимальные контактные напряжения для колес с конической по-
верхностью катания составили 1350... 1400 МПа, а для колеса с криволинейным профи-
лем катания 700.. .740 МПа.
Очевидно, что оптимальный поперечный профиль поверхности катания колеса оп-
ределяется как характеристиками железнодорожного пути, так и параметрами экипажа.
Поэтому целесообразной представляется такая постановка, когда разрабатывается метод
его синтеза, а не рекомендуется оптимальный профиль для разных экипажей, эксплуати-
рующихся в различных условиях.
В работе [119] предложена методика выбора рациональных профилей колес желез-
нодорожных экипажей. Ее реализация рассмотрена на примере колесной пары грузовых
вагонов, выполненных на базе тележки 18-100. В числе сканируемых параметров рас-
сматривались различные типы вагонов (полувагон, вагон-хоппер), степень их загружен-
ности (порожний, груженый), степень износа рельсов на кривых участках пути. Рас-
смотрен новый рельс Р65, а также с боковыми износами 4 и 8 мм.
Оценка оптимальности профиля велась на основе комплексного критерия, включающе-
го в себя максимальную силу отжатия рельса, показатели устойчивости движения на прямых
и кривых участках пути, безопасности движения и максимальные контактные давления.
Устойчивость движения на прямых участках железной дороги оценивалась по зна-
чению критической скорости, полученной путем моделирования процесса движения
экипажа. Для моделирования использован программный комплекс «Универсальный ме-
ханизм». Моделировалось движение экипажа на идеально ровном в горизонтальной
плоскости пути с вертикальными неровностями. Рассматривался наезд экипажа с раз-
личными скоростями на единичную неровность с амплитудой 20 мм и длиной 10 м в
горизонтальной плоскости. Оценка устойчивости велась по характеру возмущенных ко-
лебаний вагона после наезда на неровность.
В качестве количественного критерия бралось среднее квадратическое отклонение
поперечных колебаний колесных пар относительно головки рельса сг(ДУ). На рис. 11.3
показана зависимость этого критерия от скорости движения для первой колесной пары
порожнего вагона-хоппера. На графике наблюдается резкий рост критерия в диапазоне
скоростей 16...20 м/с. Скорость, на которой происходит такой скачок, считалась равной
критической. При превышении ее наблюдается потеря устойчивости экипажа.
Рис. 11.3. Зависимость среднего квадратического отклонения поперечных колебаний
первой колесной пары вагона-хоппера от скорости
ОПТИМАЛЬНЫЕ ПОПЕРЕЧНЫЕ ПРОФИЛИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС И РЕЛЬСОВ 291
С целью решения нормальной контактной задачи для колеса и рельса использовано
решение Герца. Если поверхности катания колеса и рельса хорошо прилегают друг к
другу, реализуются условия тесного контакта. В этих случаях решение Герца дает за-
метную погрешность. Тем не менее авторы прибегают к нему в расчете на максималь-
ное снижение затрат машинного времени, так как расчеты проводились путем сканиро-
вания большого числа параметров и число расчетов велико.
Для решения тангенциальной контактной задачи использован известный алгоритм
FASTSIM. Износ колеса и рельса оценивался на основе модели, предполагающей про-
порциональную зависимость между изнашиваемым объемом и работой трения.
В качестве критерия износа принята работа трения сил, действующих в контакте колеса
и рельса.
Для оценки безопасности движения на прямых и кривых участках пути использован
коэффициент запаса устойчивости по всползанию на рельс одного из колес первой ко-
лесной пары, для определения которого прибегли к следующим зависимостям:
- при одноточечном контакте
Х = Гг/|^|,
где Fz, Fy - вертикальная и поперечная проекции силы, действующей на колесо;
- при двухточечном контакте
х = ^tgp2 -ц
|^|ц tg₽2 +1 ’
где ц - коэффициент трения; 02 - угол между направлением нормальной реакции на
гребне и вертикалью.
Для определения его наиболее опасного значения на интервале пути брали среднее
значение по трем минимумам.
В качестве базового профиля, используемого для сопоставления с искомым опти-
мальным, взят профиль ДМетИ. При вычислении целевой функции значения критериев
приводили к безразмерному виду путем деления на значения критериев, полученных для
профиля ДМетИ.
Еще один прием снижения затрат машинного времени базировался на использова-
нии упрощенной модели тележки вагона. На этапе предварительного исследования на
упрощенной модели при сниженном числе внешних условий проводили сканирование в
пространстве параметров профиля колеса, на основе которого отбирали профили с лучшими
показателями. На втором этапе для отобранных профилей выполняли расчеты с использова-
нием неупрощенной базовой модели тележки на полном множестве внешних условий.
На этапе быстрого поиска целевую функцию определяли путем взвешенного сум-
мирования критериев с весовыми коэффициентами, приведенными ниже.
Максимальная сила отжатия рельса.........................................0,13
Фактор износа.............................................................0,31
Запас устойчивости при движении на прямых участках пути................. 0,22
То же, на кривых участках пути...........................................0,12
Максимальное контактное давление.........................................0,22
Качество профиля оценивали по значению целевой функции. Для лучшего профиля
получали меньшее значение целевой функции.
Для описания профиля поверхности колеса использовали параметризацию. В каче-
стве начального приближения к оптимальному профилю принимали профиль ДМетИ.
На исходном профиле выбирали шесть ключевых точек и через них проводили интерпо-
ляционную кривую (рис. 11.4).
292 Глава 11. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ Ж/Д РЕЛЬСОВ И КОЛЕС
Рис. 11.4. Графики первой производной уравнения профиля рельса:
I - исходного; II - интерполяционного; 1-6 - ключевые точки
Интерполяцию профиля на участках между ключевыми точками выполняли с ис-
пользованием функций радиального вида с базисом Ф(г) = г2In г , где г - радиус окруж-
ности, на которой расположена точка профиля. Методом конечных разностей вычисляли
значения производных в точках интерполяционной кривой (кривая 1 на рис. 11.4).
На следующем шаге ключевые точки брали на графике производной. Их выбирали
так, чтобы получить гладкий график производной и наилучшим образом приблизиться к
исходной кривой. Отклонения этих точек по оси ординат от их первоначального поло-
жения принимали в качестве варьируемых параметров задачи.
Профиль поверхности колеса по заданным параметрам строили путем численного
интегрирования интерполированного графика производной методом Эйлера. Интегри-
рование начиналось от точки 1 и велось последовательно по участкам профиля. Полу-
ченный в результате синтеза профиль смещался по осям абсцисс и ординат так, чтобы
получить нормированный зазор в рельсовой колее и нужное расположение профиля от-
носительно выбранной системы координат. Использованный способ интерполяции
обеспечил монотонность профиля на рабочем участке.
Благодаря принятым в работе допущениям и подключению в параллельную работу
восьми компьютеров авторам удавалось рассчитывать до 1500 профилей в сутки, скани-
руя внешние условия и параметры оптимизации профиля.
На этапе предварительного анализа профилей с крупным шагом по варьируемым
параметрам было установлено, что лучшие результаты по сравнению с профилем
ДМетИ дают профили с меньшей конусностью на круге катания. Дальнейшая оптимиза-
ция велась с варьированием в пространстве трех критериев по ключевым точкам 4-6.
Получены рациональные профили для двух значений конусности на круге катания 1/66 и
1/140. Лучшим из первой группы оказался профиль № 18, а из второй № 37. Профиль
№18 имеет меньшую по сравнению с профилем ДМетИ конусность на круге катания
(рис. 11.5).
Для оценки критической скорости экипажа с профилями колес № 18 рассмотрено
движение полувагона на прямом участке пути. Из графиков зависимости средних квад-
ратических отклонений поперечных колебаний первой колесной пары от скорости
(рис. 11.6) следует, что с рекомендуемыми профилями критическая скорость находится в
интервале 16.. .20 м/с, тогда как для экипажа с профилями ДМетИ - в интервале 12... 16 м/с.
Полученные профили обеспечивают по сравнению с профилем ДМетИ снижение
боковых сил, %, до 6; фактора износа до 10, улучшение коэффициента запаса устойчиво-
сти на прямых участках до 40 %, ухудшение до 30 % коэффициента запаса устойчивости
ОПТИМАЛЬНЫЕ ПОПЕРЕЧНЫЕ ПРОФИЛИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС И РЕЛЬСОВ 293
Рис. 11.5. Поперечные профили колес:
/-ДМетИ; 2-№ 18
Рис. 11.6. Зависимость среднего квадратического отклонения поперечных колебаний
первой колесной пары полувагона от скорости с профилями:
1 - ДМетИ; 2-№ 37; 3-№ 18
на кривых, незначительное снижение контактных давлений. Для профиля № 18 мини-
мальный коэффициент запаса устойчивости на прямых участках пути составляет 1,81.
Коэффициент запаса устойчивости на кривых ниже, чем для профиля ДМетИ, но он не
опускается ниже 2,5, что значительно превосходит минимально допускаемое значение (1,2).
В работе не исследован процесс изнашивания профиля колеса, что не позволяет
оценить, насколько он адаптирован к износу. Очевидно, такое исследование потребовало
бы на порядок большего объема расчетов. При выборе рационального профиля колеса
сканировалось большое число параметров, представляющих внешние факторы, которые
влияют на условия контактирования его с рельсом, а также сам профиль колеса. Инди-
видуальный характер внешних факторов определяет тип экипажной части. Параметры,
определяющие профиль поверхности рельса, носят более общий характер. Достовер-
ность результатов поиска оптимальной формы профиля колеса существенно зависит от
полноты информации о профилях поверхностей рельсов на прямых участках пути и на
кривых различных радиусов.
Поперечный профиль поверхности рельса описывается коробовой кривой, образуе-
мой дугами окружностей нескольких радиусов. В ходе реформы железных дорог СССР,
начатой в 70-х годах прошлого столетия, был внедрен рельс Р65, профиль головки кото-
рого показан на рис. 11.7, а.
294 Глава 11. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ Ж/Д РЕЛЬСОВ И КОЛЕС
Рис. 11.7. Профили рельсов:
а - Р65 и штриховая линия на рис. 11.7, б; б - Р65К
Аналогичные профили имеют рельсы железных дорог других стран. Они очерчи-
ваются, как правило, по коробовой кривой трех различных радиусов. Выкружка головки
рельса радиусом 9,5... 15 мм, переходная зона радиусом 31,8...80 мм, для средней части
головки используются радиусы 101,6...600 мм. Рельс Р65 в средней части имел радиус
300 мм. С целью уменьшения контактных напряжений и предотвращения образования
волнообразных неровностей на поверхности катания рельса в 1975 г. ее радиус был уве-
личен до 500 мм [131].
С учетом опыта Канадских железных дорог был разработан профиль типа Р65К,
предназначенный для наружных нитей кривых участков пути (рис. 11.7,6). Профиль
рельса описан коробовой кривой с радиусами 200; 60; 11; 10 мм. На участке профиля
между радиусами скруглений 11 и 10 мм увеличен наклон боковой грани до 3,5:10 вме-
сто 1:10. Предполагалось, что при таком профиле улучшатся условия контактного взаи-
модействия колеса с зоной бокового скругления рельса радиусом 11 мм, а приближение
профиля рельса по углу наклона грани головки к углу наклона гребня колеса приведет к
существенному уменьшению контактных давлений и лучшему распределению смазки по
поверхности трения.
В начале 1990 г. была выпущена первая опытно-промышленная партия термоуп-
рочненных рельсов с профилем типа Р65К. Опытные партии рельса были уложены в
наружные нити кривых радиусов 270. ..811 м на Забайкальской железной дороге и в кри-
вых радиуса 290...304 м на однопутном перевальном участке Куйбышевской железной
дороги.
Сравнительный анализ результатов испытаний показал, что интенсивность боково-
го износа рельсов Р65 в 1,6-1,7 раза выше, чем опытных рельсов Р65К. Опытный уча-
сток на Забайкальской железной дороге характеризовался особо сложными условиями
по плану и профилю пути. На участке длиной 10 км под наблюдение было взято 25 кри-
вых. Процесс изнашивания опытных рельсов характеризовался практически отсутствием
периода приработки. Фактическая наработка тоннажа до образования нормативного боково-
го износа для опытных рельсов оказалась на 25.. .40 % больше, чем для стандартных.
В последнее время проблема поиска оптимального профиля рельса стала особенно
актуальной в связи с внедрением шлифования рельсов. Шлифование поверхности ката-
ния рельсов позволяет устранить дефекты заводского происхождения, термомеханиче-
ОПТИМАЛЬНЫЕ ПОПЕРЕЧНЫЕ ПРОФИЛИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС И РЕЛЬСОВ 295
ские повреждения, волнообразный износ,
сократить выход рельсов из строя по бо-
ковому износу, по дефектам контактно-
усталостного характера. Одним из важ-
нейших параметров технологического
процесса шлифования является очертание
головки рельса. В работе [125] рекомендо-
ваны ремонтные профили для рельсов с
различной наработкой по пропущенному
объему грузов, для рельсов, уложенных в
наружные и внутренние нити кривых раз-
личных радиусов. ~ рис Рекомендуемый ремонтный
На рис. 11.8 показан рекомендуемый профиль поверхности наружного рельса
профиль наружного рельса с боковым с боковым износом головки 5 мм
износом 5 мм. При разработке ремонтных
профилей ставилась цель обеспечить двухточечный контакт колеса и рельса с образова-
нием зазора между их галтельными частями 0,5.. .0,8 мм.
Для построения оптимального профиля рельса необходимы статистические данные о
профилях колес экипажей, эксплуатирующихся на расчетном участке пути. Измерены 284
колеса полувагонов и вагонов-цистерн. В качестве основных характеристик профиля при-
нимались прокат по кругу катания и толщина гребня. Для измерений использовался шаблон
мод. УТ-1.
Очертания профилей исследованы путем снятия гипсовых слепков. Полученный
гипсовый слепок поверхности колеса укладывался на лист бумаги и очерчивался остро
заточенным карандашом. Вычерченный профиль колеса сканировался и затем оцифро-
вывался с использованием программных средств вычислительного комплекса «Универ-
сальный механизм». Отобраны характерные профили колес с прокатами 1; 2; 3; 4 и 5 мм.
При отборе профилей в качестве функции цели бралась сумма квадратов разностей ординат
точек профиля и каждого из группы слепков с колес с одинаковым прокатом.
В качестве характерного принимался профиль с наименьшим значением функции
цели. Характерные профили приведены на рис. 11.9. При их анализе было установлено,
что наибольшую вероятность имеет профиль колеса с прокатом 1 мм, участки галтелей и
прилегающие к ним участки поверхностей катания и гребней для всех профилей близки
по форме.
Выполнена оценка профиля изношенного рельса и рельса с ремонтным профилем
по динамико-прочностным и износным показателям. Моделировалось движение двух-
секционного тепловоза 2ТЭ116 и полувагона на кривом участке пути радиуса 510 м со
скоростью 50 км/ч. Для локомотива брался профиль колеса с прокатом 1,3 мм, а для по-
лувагона - характерные профили, полученные для колес с различными прокатами. Боко-
вой износ наружного рельса составил 4,4 мм. В сопоставляемом варианте взяты реко-
мендуемые ремонтные профили для наружного рельса с боковым износом 5 мм и внут-
реннего с прокатом 2,5 мм.
Для оценки по динамическим показателям - нормальным и боковым силам, возни-
кающим в контактах колес и рельсов, использовались программные средства комплекса
«Универсальный механизм». В качестве прочностного показателя были приняты макси-
мальные контактные давления. Разработанная вычислительная процедура позволяла по-
лучать точечную диаграмму максимальных контактных давлений, отнесенных к точке
профиля рельса, возникающих при перекатывании через его расчетное сечение всех ко-
лес экипажей с характерными профилями.
296 Глава 11. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ Ж/Д РЕЛЬСОВ И КОЛЕС
в)
Рис. 11.9. Характерные профили поверхностей катания колес с прокатами:
а - 1 мм; 6-2 мм; в - 3 мм; г - 4 мм; д - 5 мм
ОПТИМАЛЬНЫЕ ПОПЕРЕЧНЫЕ ПРОФИЛИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС И РЕЛЬСОВ 297
Для моделирования процесса изнашивания рельса разработана специальная итера-
ционная процедура, включающая в себя: решение нормальной и тангенциальной кон-
тактных задач для колеса и рельса; определение работы трения, отнесенной к единице
длины контура профиля, прилегающего к расчетной точке; снятие изношенного мате-
риала; сглаживание изношенного профиля.
Для каждого варианта выполнено 15 итераций, на каждой из которых моделировал-
ся пропуск через расчетную кривую определенного объема груза. Восьмой итерации
соответствовал пропуск 5 млн т груза, а 15-й - 10 млн т.
Анализ результатов моделирования позволил установить следующее. Вагонное ко-
лесо с любым значением проката всегда движется на кривом участке пути в условиях
одноточечного контакта. Значения нормальной силы в контактах практически одинако-
вы для двух сопоставляемых вариантов рельсов. Локомотивное колесо, как правило,
движется в условиях двухточечного контакта, причем нормальные силы, возникающие в
гребневом контакте, по своим значениям мало уступают силам, действующим в основ-
ном контакте. Если в последнем нормальная сила, вычисленная по трем максимумам,
равнялась 138 кН, то в гребневом она достигала 95 кН.
Это обстоятельство имеет важное значение, так как именно гребневой контакт дает
наибольший вклад в работу трения. Работа трения оценивалась с учетом весовых коэффици-
ентов для колес с различными прокатами, значения которых приведены в табл. 11.2.
11.2. Весовые коэффициенты для локомотивного и вагонных колес
с различными прокатами
Прокат колеса, мм Колеса
локомотивные вагонные
1,3 0 1 2 3 4
Весовой коэффициент 0,073 0,25 0,278 0,195 0,154 0,05
Наибольшие вклады в работу трения вносят колеса локомотива и новое вагонное
колесо, которое движется на кривом участке дороги также в условиях двухточечного
контакта. Работы трения для двух сопоставляемых вариантов рельсов существенно не
различаются по величине. Распределение же суммарной удельной работы трения в рас-
четных точках профилей рельсов очень зависит от их формы. Наибольшая работа полу-
чается для точек, прилегающих к галтельной части рельсов. Для вычисления массы из-
ношенного материала использовалась модель, базирующаяся на прямо пропорциональ-
ной зависимости ее от работы трения. Поэтому по массам изношенного материала вари-
анты различаются незначительно, однако они разнятся по характеру износа профилей.
На участке профиля изношенного рельса -14 < х < 20 мм характер распределения
давлений сохраняется в процессе его изнашивания. Наибольшие давления возникают в
области 8 < х < 20 мм. На первой итерации они достигают 3700 МПа, затем снижаются
до 3400 МПа на восьмой итерации и до 3200 МПа на 15-й. Давления в предгалтельной
зоне поверхности катания на участке 20 < х < 25 мм возрастают с увеличением износа от
3500 до 4800 МПа. С галтельной частью рельса контактирует неизношенное колесо ва-
гона в точках с координатой х = 30 мм и локомотивное в точках с координатой 35,5 мм.
На первой итерации давления в них достигают 3200 и 4150 МПа соответственно, а затем
снижаются по мере изнашивания галтельной части до 2600 и 3400 МПа. В целом по мере
изнашивания рельса максимальные контактные давления уменьшаются, за исключением
предгалтельной части поверхности катания с координатами 20 < х < 25 мм.
298 Глава 11. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ Ж/Д РЕЛЬСОВ И КОЛЕС
Велики также давления в контактах галтели рельса с неизношенным вагонным и
локомотивным колесами. Они достигают 3450 МПа. С изнашиванием ремонтного про-
филя выравниваются давления на участке 12 < х < 23 мм. Наибольшие давления снижа-
ются до 3900 МПа, но на участке 12 < х < 19 мм они возрастают до 3500 МПа. Контакт
все чаще попадает на шлифованную галтель рельса на участке 24 < х < 30 мм. Особого
улучшения картины распределения давлений для ремонтного профиля к концу процесса
моделирования не наблюдается. На галтельной части 21< х < 24 мм они вновь возраста-
ют до 5000 МПа. По уровню контактных давлений ремонтный профиль дает худшие
Рис. 11.10. Профили изношенных рель-
сов, снятые в кривой радиуса 600 м, со
значениями бокового износа и прока-
та, соответственно:
1 - 5 и 2 мм; 2 - 8,8 и 2,5 мм;
3 - 12 и 5,1 мм; 4 - 14 и 4,2 мм
показатели по сравнению с изношенным.
Снижения максимальных контактных давлений нельзя достичь путем назначения
постоянного радиуса галтельной части рельса. Это снижение может быть достигнуто
путем задания очертания рельса, обеспечивающего тесное прилегание профилей при
любом поперечном смещении колеса относительно рельса.
В результате исследования профилей наружных рельсов в кривой радиуса 600 м
методом снятия слепков установлено, что профили изношенной части рельса практиче-
ски совпадают независимо от величины бокового износа (рис. 11.10). Сопоставление их
с характерными профилями колес, приведенными на рис. 11.9, показало, что профили
галтельных участков колес и рельсов близки по очертанию. Это открывает возможность
построения оптимального по критерию контактной прочности профиля рельса опреде-
ленной степени универсальности, базируясь на вероятностном профиле колеса.
Для построения профиля рельса, удовлетворяющего этим условиям, может быть
использован метод свертки профиля колеса на
профиль рельса. Метод позволяет обеспечить
одноточечный контакт при любом поперечном
смещении колеса. Профиль колеса делится на
участки, для каждого из которых назначается
коэффициент свертки. Посредством выбора ко-
эффициентов могут быть построены различные
профили, дающие возможность снизить кон-
тактные напряжения, уменьшить частоту повто-
рения контакта на взятом участке профиля.
На рис. 11.11 показаны профили рельсов,
полученные сверткой характерного профиля ко-
леса с прокатом 1 мм с назначением различных
коэффициентов свертки по трем участкам:
участку поверхности катания, предгалтельному
Рис. 11.11. Профили
рельса, полученные
сверткой профиля
колеса с прокатом 1мм
с использованием коэф-
фициентов свертки на
трех участках:
1 - 0,82; 0,82; 0,82;
2 - 0,78; 0,85; 0,85
у, мм
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ПОПЕРЕЧНОГО ПРОФИЛЯ 299
и галтельному. При построении профиля 1 для всех участков приняты одинаковые ко-
эффициенты свертки, равные 0,82. С целью увеличить частоту контакта на участке по-
верхности катания и уменьшить на двух других при построении профиля 2 назначены
коэффициенты 0,78; 0,85; 0,85. Чем ближе коэффициент свертки к единице, тем ближе
значения радиусов кривизны профилей колеса и рельса в начальных точках контакта,
тем больше размеры контактного пятна и ниже максимальные контактные давления.
Задаваясь различными значениями коэффициентов свертки, можно построить ряд
профилей рельса рационального очертания при оценке по критерию контактной прочно-
сти. Их оценка с использованием других критериев, рассмотренных выше, позволяет вы-
брать из них оптимальный.
11.2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО
ПОПЕРЕЧНОГО ПРОФИЛЯ И КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ И РЕМОНТЕ
Производство железнодорожных колес для локомотивов, вагонов и другой желез-
нодорожной техники немного отличается. Разная технология изготовления обуславлива-
ется конструктивными особенностями колеса, разным технологическим оснащением
предприятия, программой выпуска. При изготовлении предусматриваются сначала обра-
ботка одной стороны колеса и предварительная обработка посадочного отверстия, затем
обработка другой стороны и окончательная обработка посадочного отверстия. Для этого
применяются, например, токарно-карусельные станки типа 1516Ф1.
При наличии технологических канавок в посадочном отверстии, а также для окон-
чательной обработки посадочного отверстия может использоваться отделочно-расточная
операция на отделочно-расточном станке мод. ОС-6349. При наличии других конструк-
тивных элементов, например нецентрового технологического отверстия под углом к оси
вращения, может применяться радиально-сверлильная операция (станок мод. 2М55).
Поперечный профиль и качество поверхности катания железнодорожных колес
формируются при обработке колесной пары. До этого необходимо провести сборку же-
лезнодорожного колеса, если оно не цельнокатаное, и сборку колесной пары. Попереч-
ный профиль обрабатывается на колесотокарных станках при установке колесной пары в
центрах. Также на колесотокарных операциях обрабатывают внутренние грани колес.
Применяемое оборудование - колесотокарные станки мод. КЖ1836 и RAF АМЕТ UBC 150.
Обработка проводится со скоростями резания ~70 м/мин. Шероховатость поверхностей
получается равной 6,3 мкм.
Перед механической обработкой для выработки иммунитета против образования
флокенов и повышения износостойкости обода до 20 % колёса подвергают термической
обработке. Твердость колес после прерывистой закалки и отпуска составляет 269. ..317 НВ.
Для получения точности геометрии и качества поверхностей профиля обода цель-
ного колеса или профиля бандажа для сборного колеса применяют механическую обра-
ботку колесной пары в сборе (рис. 11.12). Контроль профиля осуществляется шаблоном.
Размер L контролируется штрихмассом.
Разность диаметра D по кругу катания
колес, насаженных на одну ось, <1 мм.
В технологических процессах изго-
товления колес в ряде случаев механиче-
ская обработка предшествует термиче-
ской. Это искажает геометрические раз-
меры формы. Рис. 11.12. Колесная пара
300 Глава И. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ Ж/Д РЕЛЬСОВ И КОЛЕС
Для обработки колес применяют специальные токарно-карусельные полуавтоматы:
старотипные модели 1502 и типовые 1Б502 до термической обработки и 1Д502 после
нее. Также применяют колесотокарные станки мод. 1836А. Колеса, требующие ремонта,
подают на колесообрабатывающие станки, например типа КС274, предназначенные для
ремонтной обработки.
Для обработки колес также применяют немецкие обрабатывающие комплексы, со-
стоящие из двух модулей RQQS и RQQ и манипулятора, польские токарно-карусельные
станки ККВ125 и др., для ремонта колес, например, немецкие станки RQ.
На отечественных заводах для обточки поверхности катания и гребня, как правило,
используют чашечные резцы из твердого сплава, например резец РЧТ-3 028 Т14К8.
Сложная геометрия профиля поверхности катания и гребня достигается путем ме-
ханической обработки по копиру: для левого колеса по левому, для правого по правому.
Размеры профиля приведены на рис. 11.13-1.15. Размер L равен (1440±3) мм. Допуск на
изготовление этого размера может ужесточаться, например 14401з или 1440^ • Номи-
нальный диаметр колеса по кругу катания D (рис. 11.14; 11.15) в соответствии с типом
колесных пар, применяемых в странах СНГ, представлены в табл. 11.3.
Обточки наружных поверхностей бандажей и профиля обода цельнокатаных колес
осуществляется за один проход на каждом колесе колесной пары. Примерные режимы
резания указаны в табл. 11.4.
11.3. Номинальный диаметр D колеса по кругу катания
Тип колесной пары D, мм Использование для вагонов
РУ1-950 950 Грузовых и пассажирских
РУ1-Ш-950 Грузовых
РУ-950 Грузовых и пассажирских
РУ-1050 1050 Пассажирских на тележках цельноме- таллических вагонов
Ш-950 950 Грузовых
Рис. 11.13. Профиль поверхности обода колеса
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ПОПЕРЕЧНОГО ПРОФИЛЯ 301
Рис. 11.14. Объединенный профиль поверхности обода колеса:
Координаты точек, мм
№ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
X -0,2 -3,7 -15,8 -28,5 -32,8 -33,1 -42,5 -60,7 -70 -80 -100
Y -8,6 -21 -28,0 -19,9 -10,65 -10,0 -2,5 -0,1 0 +0,1 +1,1
Координаты центров радиусов, мм
Радиус R15 Д70 Д26 Д14
X -46,4 -60,7 -26,6 -15,8
Y -17,0 -70,1 -8,0 -14,0
Рис. 11.15. Криволинейный профиль поверхности обода колеса для вагонов
промышленного транспорта
Координаты точек, мм
№ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
X +32,5 +30,0 +27,5 +20,5 +17,5 +12,5 -10,0 -25 -47 -54
Y -6,6 -5,01 -4,07 -2,79 -1,92 -1,25 +0,76 +1,62 +2,73 +3,02
302 Глава 11. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ Ж/Д РЕЛЬСОВ И КОЛЕС
11.4. Режимы обработки поверхности катания и гребня
Расчетные размеры, мм /, мм i Режимы обработки
Диаметр Длина S, мм/об п, мин 1 V, м/мин
1125 170 4 2 0,6 20 66
Такие режимы позволяют получить качество поверхности с параметром шерохова-
тости Rz 50, что меньше допустимого значения Rz 80 [126].
Для ударных испытаний при изготовлении колес и заготовок шестерен электропо-
ездов применяют копровые установки. Копровый груз достигает массы 1.. .3 т при высо-
те падения 11 м. Для определения прочности колес в условиях низких температур уста-
новки снабжаются устройствами для охлаждения колес до -20, -40 и -60 °C.
Во многих странах (Россия, Германия, Япония и др.) ведутся работы по испытанию
колес на специальных стендах. Стенды эмитируют работу пары трения «колесо-рельс»,
где испытуемым образцом является натурное колесо или колесная пара. В качестве
контртела используют обычно диски или катки, диаметр которых больше диаметра ис-
пытуемого колеса.
Учитывая вышесказанное, а также работы [111-114, 118, 121, 124], можно сделать
вывод, что для повышения износостойкости железнодорожных колес научные разработ-
ки велись в первую очередь в направлении создания определенной геометрии профиля,
затем частичного изменения химического состава материала, т.е. подбора определенной
стали. И только на последнем месте была разработка соответствующей технологии.
При проточке профиля обода во время восстановления колеса микротвердость по-
верхности снижается [111, 114], что ведет к увеличению интенсивности износа. Если в
технологию восстановления ввести операцию по повышению микротвердости, то такого
увеличения интенсивности износа наблюдаться не будет.
Подобной операцией может быть отделочно-упрочняющая обработка. Например,
применение электромеханической обработки позволит увеличить микротвердость до
определенного значения, уменьшив шероховатость, приблизить последнюю к эксплуа-
тационной. Этот метод можно применять и в технологии изготовления.
Повышение долговечности изделий с криволинейными поверхностями трения воз-
можно обеспечением определенного закона изменения износостойкости отдельных их
участков [126, 127]. Для железнодорожных колес долговечность часто зависит от ста-
бильности изнашивания профиля колеса вдоль образующей поверхности трения. Нерав-
номерный прокат допускается до 1(2) мм. Неравномерность распределения рабочих
давлений и скоростей на поверхности трения приводит к неравномерному износу. Для
достижения равномерного и минимального износа необходимо технологически обеспе-
чить закономерно-изменяющееся состояние поверхностного слоя поперечного профиля,
при котором скорость изнашивания вдоль профиля будет постоянной. Управлять со-
стоянием поверхностного слоя в процессе обработки детали можно путем автоматиза-
ции электромеханической обработки [128, 130] как наиболее дешевом, пока еще мало
изученном и перспективном методе упрочнения.
Для решения поставленной задачи (рис. 11.16):
а) рассчитана математическая модель профиля железнодорожного колеса;
б) установлен закон изменения качества поверхности катания и гребня железнодо-
рожного колеса, обеспечивающий одинаковую скорость изнашивания различных участ-
ков профиля в соответствии с упомянутой математической моделью;
в) так как названный закон справедлив для постоянно трущихся поверхностей, бы-
ла принята зависимость контактирования участков профиля колеса по времени;
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ПОПЕРЕЧНОГО ПРОФИЛЯ 303
г) пересчитан коэффициент упрочнения в соответствии с (п. в), и в целях избежания
резких перепадов применена сплайн-интерполяция;
д) рассчитана требуемая поверхностная микротвердость профиля колеса;
е) получена зависимость плотности тока при ЭМО для технологии изготовления и
ремонта железнодорожных колес.
Рис. 11.16. Расчетные графики:
а - профиль железнодорожного колеса; б - расчетный коэффициент упрочнения (НУИСХ 260);
в - контактирование профиля по времени; г - сплайн-интерполяция к с учетом контактирования по
времени; д - микротвердость железнодорожного колеса по профилю; е - зависимость плотности
тока при электромеханической обработке (ЭМО) вдоль профиля железнодорожного колеса
304 Глава 11. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ Ж/Д РЕЛЬСОВ И КОЛЕС
Рис. 11.17. Схема обработки железнодорожных колес
Для технологического обеспечения требуемого состояния поверхностного слоя на
промышленных предприятиях целесообразно использовать одну из разработанных в
Брянском государственном техническом университете автоматизированных установок
ЭМО (рис. 11.17).
Технология ЭМО основана на сочетании термического и силового воздействий, что
приводит к изменению физико-механических и микрогеометрических показателей по-
верхностного слоя (повышению твердости и прочности, снижению высотных парамет-
ров шероховатости и т.д.), позволяет повысить (в 1,5-3 раза) эксплуатационные показа-
тели обрабатываемых деталей (износостойкость, контактную жесткость и прочность,
предел выносливости, теплостойкость, фреттингостойкость).
Установка с управляемым источником питания на переменном токе промышленной
частоты предназначена для реализации процесса ЭМО рабочих поверхностей деталей ма-
шин с целью обеспечения и повышения их эксплуатационных показателей (рис. 11.18).
С помощью данного источника питания можно осуществлять поверхностное уп-
рочнение и отделочную обработку цилиндрических поверхностей деталей машин, изго-
товленных из средне- и высокоуглеродистых, а также легированных сталей и высоко-
прочного чугуна, а также восстанавливать изношенные поверхности. Применение пере-
менного тока промышленной частоты (от управляемого источника питания) обеспечива-
ет большую глубину упрочнения (до 2 мм), высокую микротвердость упрочненного слоя
(до 1000 HV), шероховатость поверхности (без отделочной обработки) в пределах
Ла 0,8...3,2. Отделочная обработка цилиндрических поверхностей проводится, когда не
требуется большой глубины упрочнения (до 0,3 мм), а необходимо значительное умень-
шение значений параметров исходной шероховатости (для Ra в 4-10 раз).
Восстановление изношенных поверхностей позволяет получить надежное соедине-
ние дополнительного и основного металлов, а также износостойкий поверхностный слой
с мелкозернистой однородной структурой. Таким способом можно успешно восстанав-
ливать детали из конструкционных сталей с износом до 1 мм при глубине упрочнения
поверхностного слоя до 1,5 мм.
Применение данной технологии ЭМО целесообразно для упрочнения и отделочной
обработки рабочих поверхностей широкой номенклатуры деталей, работающих в раз-
личных условиях трения и изнашивания, в частности для: осей, валов и штоков; шеек и
галтелей ступенчатых валов; поверхностей деталей, образованных металлизацией,
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ПОПЕРЕЧНОГО ПРОФИЛЯ 305
Рис. 11.18. Установка для электромеханической обработки
напылением, нанесением покрытий, наплавкой; сопряжений «вал - подшипник каче-
ния», работающих в условиях фреттинг-коррозии; прокатных валков; деталей, изготов-
ленных из труднообрабатываемых металлов и сплавов и др. Эффективно восстановление
нормально изношенных поверхностей деталей, например посадочных поверхностей;
неподвижных и подвижных соединений и сопряжений.
Применение переменного тока обеспечивает плавный переход твердости от по-
верхности к сердцевине, большую глубину упрочнения и высокую микротвердость уп-
рочненного слоя. Восстановление без добавочного материала (методом пластического
вытеснения материала поверхностного слоя) позволяет после сглаживания снизить вы-
сотные параметры шероховатости и получить твердость восстановленной поверхности в
2-3 раза выше по сравнению с твердостью сердцевины (данный метод особенно эффек-
тивен для восстановления неподвижных соединений с натягом).
Восстановление с добавочным материалом (порошковым) обеспечивает надежное
соединение дополнительного и основного металлов (четкая граница раздела в зоне сва-
ривания отсутствует), а также получение поверхностного слоя с мелкозернистой одно-
родной структурой без неметаллических включений и пор, так как процесс приварива-
ния протекает без оплавления в пластическом состоянии.
Применяется технологическая оснастка, состоящая из двухроликовой головки, за-
крепляемой в резцедержателе, и средств коммутации, что позволяет использовать тех-
нологию ЭМО мобильно в совокупности с любым токарным станком (рис. 11.19).
Таким образом, достигается равномерный и минимальный износ профиля колеса
путем электромеханического упрочнения с изменяющейся силой тока в процессе обра-
ботки, от которой, в свою очередь, зависят степень и глубина упрочнения. Это позволяет
дольше сохранять профиль колеса в процессе эксплуатации, что ведет к увеличению
срока службы в 1,3 - 1,5 раза.
306 Глава 11. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ Ж/Д РЕЛЬСОВ И КОЛЕС
Рис. 11.19. Технологическая оснастка для ЭМО
11.3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО
ПОПЕРЕЧНОГО ПРОФИЛЯ И КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ
ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ И РЕМОНТЕ
Проблема износа рельсов в настоящее время - одна из основных на железнодорож-
ном транспорте. Она решается, в частности, методом ремонта изношенных рельсов. Для
восстановления рельсов в пути применяют рельсообрабатывающие поезда (рис. 11.20).
Рис. 11.20. Рельсошлифовальный поезд РШП-48
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ПОПЕРЕЧНОГО ПРОФИЛЯ 307
Разработкой рельсошлифовальных поездов занимались ОАО «Брянский машино-
строительный завод», Калужский завод «Ремпутьмаш», Speno (Испания) и др. Сущест-
вующие поезда перешлифовывают сформировавшийся (приработанный) профиль рельса
до первоначального (не приработанного) и не обеспечивают сохранения оптимального
профиля, сформировавшегося в процессе приработки. Это приводит к повторным при-
работкам и износу. Неравномерность износа рельса в поперечном сечении ведет к сни-
жению производительности обработки, требуя нескольких рабочих ходов рельсообраба-
тывающего комплекса. Формируемый при этом прямолинейно-изогнутый поперечный
профиль вызывает большие напряжения и контактные разрушения в вершинах изогну-
тости при эксплуатации после ремонта.
В процессе эксплуатации железнодорожных рельсов в пути их поверхность катания
подвергается постоянно изменяющемуся воздействию колес железнодорожного состава.
Возникающие напряжения достигают предела прочности материала рельса. Как следст-
вие этого на поверхности катания образуется слой перенаклепанного металла, изменя-
ются структура и микротвердость поверхностного слоя, в глубине материала возникают
растягивающие напряжения. Благодаря большим контактным напряжениям происходит
пластическое оттеснение металла и формируется поперечный профиль головки рельса,
отличный от стандартного и характерный для каждого участка пути.
Наличие дефектного слоя существенно снижает прочность рельсов [122] и по мере
наработки тоннажа 150...200 млн т брутто, в поверхностном слое начинают интенсивно
развиваться микротрещины, которые, распространяясь в глубь головки рельса, могут
приводить к образованию внутренних усталостных трещин.
Кроме того, появляются и развиваются различные дефекты нарушения прямоли-
нейности поверхности катания железнодорожных рельсов: волнообразный износ с раз-
личными шагами волн, изолированные неровности, которые повышают динамическое
воздействие колес на рельсы, что также снижает срок службы рельсов.
Анализ литературы показал, что наиболее распространенной формой волнообраз-
ного износа рельсов, особенно скоростных дорог, является коротковолновой вид износа,
у которого наибольшее число дефектов имеют средний шаг волны в пределах 30...
100 мм. Предельная высота волнообразных неровностей регламентируется нормативны-
ми требованиями: для скоростных дорог России <1 мм, Германии и Японии <0,05 мм.
Изношенные рельсы вызывают значительное увеличение динамических нагрузок как со
стороны рельса на колесо, так и наоборот, что ведет к увеличению дефектов контактно-
усталостного происхождения.
Выполненные во ВНИИЖТ РФ (Москва) комплексные исследования показали, что
предотвращение развития микротрещин и образования волнообразных неровностей на
ранней стадии возможно при своевременном периодическом их удалении - текущем
ремонте. Так, механическая обработка поверхности катания головки рельса на глубину
по оси симметрии до 0,5... 1 мм по мере пропуска 150...200 млн т брутто позволяет повы-
сить усталостную прочность рельсов на 15...25 % , существенно продлевая срок службы
рельсов и сокращая их расход при эксплуатации пути. Более строгие требования, предъ-
являемые к скоростным дорогам Японии и стран Западной Европы, влекут за собой их
более частые ремонты - с периодичностью продвижения по рельсам грузов массой
50 млн т брутто.
Текущие ремонты рельсов в пути выполняют рельсошлифовальные комплексы
(РШК), работающие на основе разных методов шлифования. Существующие технологии
обработки рельсов в пути РШК имеют ряд недостатков. Одни не имеют возможности
формирования полного профиля головки рельса, другие, формирующие полный рабочий
профиль, придают рельсу ремонтный (симметричный) профиль (рис. 11.21, кривая 3),
который не является оптимальным для каждого участка пути.
308 Глава И. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ Ж/Д РЕЛЬСОВ И КОЛЕС
Рис. 11.21. Формирование поперечного профиля
рельса при эксплуатации и ремонте:
1 - исходный профиль рельса; 2 - сформировав-
шийся профиль рельса при эксплуатации; 3 - вос-
становленный профиль рельса при старом подходе к
рельсовой проблеме; 4 - то же, при новом подходе к
рельсовой проблеме; Zi - снимаемый припуск при
ремонте по-новому; Z2 -при ремонте по-старому
Такая обработка ведет к излишнему съему металла, а также к повторному процессу
приработки. Кроме того, получаемый профиль очерчивается не плавной кривой, а лома-
ной с характерными выступами (высотой до нескольких десятых миллиметра), являю-
щимися дополнительными концентраторами напряжений, что также негативно сказыва-
ется на работоспособности рельсов. Рабочая скорость существующих рельсошлифо-
вальных поездов невысокая - до 5...8 км/ч, что значительно снижает пропускную спо-
собность железных дорог и делает данный метод практически неприемлемым для скоро-
стных дорог.
Интенсивный износ любых поверхностей трения, в том числе и железнодорожных
рельсов, происходит в начальный период приработки. После этого формируются опре-
деленный профиль и качество поверхностного слоя, которые снижают интенсивность
износа. На каждом участке пути образуется свой оптимальный профиль. Необходимо
поддерживать такой профиль, пока не наступил катастрофический износ.
Предлагаемые новые упругие технологии текущего ремонта железнодорожных
рельсов в пути учитывают отмеченные недостатки и включают в себя комплекс методов
обработки поверхностей катания рельсов: иглофрезерование, шлифование брусками,
лепестковое шлифование. Это позволит удалять дефектный поверхностный слой, про-
дольную волнистость и ломаный характер поперечного профиля поверхности катания с
сохранением естественно сформировавшегося поперечного профиля рельса (рис. 11.21,
кривая 4).
Для удаления перенаклепанного слоя с поверхности катания предлагается исполь-
зовать иглофрезерование. Иглофрезерная обработка отличается от процесса резания
традиционными лезвийными инструментами воздействием на обрабатываемую поверх-
ность большого числа режущих кромок. Режущими элементами иглофрезы являются
стальные проволочки малого диаметра с высокой плотностью упаковки. Каждая иголка
представляет собой полужесткий микрорезец.
При вращении иглофрезы иголки инструмента соприкасаются с обрабатываемой
поверхностью и упруго отгибаются в тангенциальном направлении. При повороте конца
каждой иголки ее боковая поверхность и торец образуют полукруглую режущую кромку
с отрицательным передним и соответствующим задним углами. В результате врезания
микрорезцов в поверхность обрабатываемой заготовки и перемещения относительно ее
происходит снятие с заготовки поверхностного слоя металла. Срезание металла иголка-
ми обеспечивается вследствие создания предварительного натяга иглофрезы относи-
тельно обрабатываемой поверхности.
При обработке иглофрезами не возникает огранки профиля в отличие от обработки
шлифовальными кругами. Применение иглофрез при обработке поверхности катания
железнодорожных рельсов позволит уменьшить число обрабатывающих головок путем
увеличения зоны контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ПОПЕРЕЧНОГО ПРОФИЛЯ 309
Иглофрезы благодаря большому числу режущих элементов дают возможность об-
рабатывать поверхности с высокими скоростями резания и подачами, что позволяет по-
высить производительность обработки. Наряду с удалением дефектного слоя, возникше-
го в процессе эксплуатации, иглофрезерование сохраняет естественно сформировавший-
ся рабочий профиль поверхности.
Для устранения продольных волнообразных неровностей на поверхности катания
железнодорожных рельсов предлагается применять шлифовальные бруски, важной осо-
бенностью обработки которыми является интенсивное удаление микронеровностей
вследствие их поверхностного контакта с обрабатываемой деталью. В отличие от суще-
ствующих методов обработки рельсов предлагаемый метод имеет свои характерные
особенности. Кинематика такова, что шлифовальный брусок, прижимаясь к рельсу, со-
вершает главное движение резания, образуемое как результат совместного действия по-
ступательного движения вдоль продольной оси рельса в ходе движения поезда и попе-
речного осциллирующего движения, по направлению перпендикулярного к первому
(рис. 11.22).
Осцилляцией бруска достигается сложное движение каждого абразивного зерна по
обрабатываемой поверхности, приводящее к микрорезанию металла разными гранями
зерна. При изменении направления движения поверхность бруска очищается от струж-
ки, т.е. движение осцилляции позволяет повысить эффективность обработки, а также
созданием условий для самозатачивания инструмента увеличить его стойкость. Для эф-
фективного удаления продольной волнистости длина брусков выбирается из условия
перекрытия не менее трех длин волн. Расположением брусков по контуру рабочего уча-
стка профиля рельса под разными углами к вертикали обеспечивается формирование
полного профиля поверхности катания.
В отличие от существующих методов абразивной обработки предлагаемый может
работать с более высокими скоростями движения рельсообрабатывающего комплекса
(до 30 км/ч), так как имеется большой запас по повышению скорости резания (до 20...30 м/с).
Увеличение шероховатости поверхности рельса улучшает сцепляемость колес, а
уменьшение снижает интенсивность износа только на начальном периоде эксплуатации.
Многими исследователями было установлено, что наилучший контакт колеса и
рельса обеспечивается при шероховатости поверхности Rz = 40.. .60 мкм.
Для уменьшения шероховатости поверхности катания железнодорожных рельсов, а
также формирования плавного характера обработанного участка поперечного профиля
предлагается использовать обработку лепестковыми кругами. Лепестковый круг состоит
из радиально расположенных и жестко закрепленных с одной из торцовых сторон лис-
тов шлифовальной шкурки. При движении лепестков в зоне обработки они изгибаются,
прижимаются к обрабатываемой поверхности и проскальзывают по ней. Зерна шлифовальной
Рис. 11.22. Схема движений при обработке
шлифовальными брусками:
v0 - скорость осцилляции инструмента;
vn - скорость поезда; vp - результирующая ско-
рость резания; Smw - средний шаг волнистости;
£бр - длина бруска, причем £бр > Smw; Р - сила
прижатия инструмента
310 Глава 11. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ Ж/Д РЕЛЬСОВ И КОЛЕС
шкурки благодаря силе прижатия и центробежным силам внедряются в обрабатываемую
поверхность и выполняют микрорезание. Благодаря эластичности лепестков лепестко-
вые круги позволяют обрабатывать фасонные поверхности, которой и является поверх-
ность катания железнодорожного рельса.
Обработка этим способом поверхности катания железнодорожных рельсов из-за
большой зоны контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью обеспечивается
шестью лепестковыми кругами. Схема установки иглофрез и лепестковых кругов на по-
верхности катания железнодорожного рельса представлена на рис. 11.23.
Лепестковые круги позволяют обрабатывать поверхности с большими скоростями
резания и подачами, что дает возможность повысить производительность обработки.
Предлагаемые технологии текущего ремонта железнодорожных рельсов обеспечи-
вают существенное повышение как производительности, так и качества обработки, сни-
жение себестоимости обработки и продление срока эксплуатации рельсов.
Для исследования процессов иглофрезерования и разработки моделей, описываю-
щих эти процессы, была предложена и изготовлена иглофреза, позволяющая изменять
параметры иглофрезерования.
После анализа литературы [123, 129] и определения основных параметров была
принята схема с механическим креплением игл в секторе. Иглы U-образной формы на-
бираются в сектор и прижимаются планкой к корпусу. Применение механического креп-
ления игл в секторе позволяет исследовать иглофрезерование проволочками разных
диаметров и материалов.
С двух сторон сектор с набранными иглами обжимается прижимными крышками.
Внутри них сектор имеет возможность радиального перемещения, что позволяет регули-
ровать длину свободного вылета иглы в указанных пределах, а также затачивать игло-
фрезу по мере износа, не разбирая ее. В тангенциальном направлении проволочки закре-
пляются между неподвижным сухарем и подвижным, который, перемещаясь по окруж-
ности, поджимает иглы и регулирует плотность их набивки.
Для изучения рассматриваемого метода шлифования брусками предлагается ис-
пользовать установку, моделирующую процесс обработки. Установка для лабораторных
исследований реализуется на базе горизонтально-фрезерного станка. Исследуемый обра-
зец-«рельс» в виде кольца крепится на планшайбе большого диаметра и приводится во
вращение приводом главного движения станка. Этим моделируется скорость движения
поезда. Движение осцилляции моделируется с помощью осциллирующей головки с бру-
ском, установленной на рабочем столе станка. Подбором соответствующих скоростей
движений, силы прижатия, характеристик инструмента можно управлять процессом об-
работки: величиной съема обрабатываемого материала, величиной износа материала
инструмента, формируемыми показателями волнистости и шероховатости.
Рис. 11.23. Схема установки иглофрез и ле-
пестковых кругов на поверхности катания
железнодорожного рельса:
1 - инструмент; 2 - поверхность
катания головки рельса
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ПОПЕРЕЧНОГО ПРОФИЛЯ 311
Применение указанных технологий позволит повысить производительность и ка-
чество обработки, продлить срок эксплуатации рельсов.
Предлагаемый подход представляет собой новые технологические решения по об-
работке поверхностей катания железнодорожных рельсов в пути, реализуемых в виде
рельсообрабатывающего комплекса. Новые технологии дают возможность удалить де-
фектный слой и продольную волнистость с сохранением сформировавшегося в процессе
эксплуатации поперечного профиля рабочих поверхностей железнодорожных рельсов.
Рельсообрабатывающий комплекс, базирующийся на новых технологиях, позволит
обрабатывать рельсы со скоростью >30 км/ч, что особенно эффективно для скоростных
железных дорог.
Таким образом, научный подход к качеству поверхностей катания железнодорож-
ных рельсов и колес с позиций учения об инженерии поверхности деталей обеспечивает
значительное повышение их долговечности и снижение суммарной себестоимости изго-
товления, эксплуатации, ремонта и восстановления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Суслов А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машинострое-
ние, 2000. 320 с.
2. Пронников А.С. Надежность машин. М.: Машиностроение, 1978. 590 с.
3. Шульц В.В. Форма естественного износа деталей машин и инструмента. Л.: Ма-
шиностроение; Ленингр. отд., 1990. 208 с.
4. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979. 568 с.
5. Электронные, ионные и плазменные технологии / приложение № 1 // Справоч-
ник. Инженерный журнал. 2000. № 1. 24 с.
6. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. М.:
Машиностроение, 1981. 244 с.
7. Рыжов Э.В., Колесников Ю.В., Суслов А.Г. Контактирование твердых тел при
статических и динамических нагрузках. Киев: Наукова думка, 1982. 170 с.
8. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение контактной жесткости соединений.
М.: Наука, 1977. 101 с.
9. Рыжов Э.В., Суслов А.Г., Улашкин А.П. Комплексный параметр для оценки
свойств поверхностей трения деталей машин / Трение и износ. 1980. Т. 1. № 3. С. 436-439.
10. Рудзит Я.А. Микрогеометрия и контактное взаимодействие поверхностей. Рига:
Изд-во РПИ, 1975.216 с.
11. Дунин-Барковский И.В., Карташова А.И. Измерение и анализ шероховатости,
волнистости и некруглости поверхности. М.: Машиностроение, 1978. 231 с.
12. Рыжов Э.В., Суслов А.Г., Федоров В.П. Технологическое обеспечение экс-
плуатационных свойств деталей машин. М.: Машиностроение, 1979. 176 с.
13. Сулима А.М., Шулов В.А., Ягодкин Ю.Д. Поверхностный слой и эксплуата-
ционные свойства деталей машин. М.: Машиностроение, 1988. 240 с.
14. Крагельский И.В., Добычин М.К., Комбалов В.С. Основы расчета на трение и
износ. М.: Машиностроение, 1977. 540 с.
15. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах. Киев: Наукова думка, 1970.396 с.
16. Суслов А.Г., Дальский А.М. Научные основы технологии машиностроения.
М.: Машиностроение, 2002. 425 с.
17. Качество машин: справочник. В 2-х т. Т. 2 /А.Г. Суслов, Ю.В. Гуляев,
А.М. Дальский и др. / под ред. А.Г. Суслова. М.: Машиностроение, 1995. 430 с.
18. Машиностроение: энциклопедия. Т. IV-3 «Надежность машин» / В.В. Клюев,
В.В. Болотин, Ф.Р. Соснин и др.; под общ. ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1998. 592 с.
19. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхност-
ного слоя деталей. М.: Машиностроение, 1987. 207 с.
20. Безъязычный В.Ф. Расчет режимов обработки, обеспечивающих комплекс па-
раметров поверхностного слоя и точность обработки // Справочник. Инженерный жур-
нал. 1998. №9 (18). С. 13-19.
21. Суслов А.Г., Агафонов В.В., Демиденко А.И., Петрешин Д.И. Влияние со-
стояния металлорежущих станков на качество обрабатываемых поверхностей и система
адаптивного управления // Обработка металлов. 2001. № 1 (12). С. 26-31.
22. Справочник технолога-машиностроителя. В 2 т. Т. 1 / под ред. А.Г. Косиловой,
Р.К. Мещерякова, А.М. Дальского, А.Г. Суслова. М.: Машиностроение, 2001. 856 с.
23. Ящерицын П.И., Рыжов Э.В., Аверченков В.И. Технологическая наследст-
венность в машиностроении. Минск: Наука и техника, 1977. 221 с.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
313
24. Дальский А.М. Технологическое обеспечение надежности высокоточных дета-
лей машин. М.: Машиностроение, 1975. 222 с.
25. Бутенко В.И. Структурная самоорганизация материала поверхностного слоя
обрабатываемой детали. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000. 168 с.
26. Михайлов А.Н., Калафатова Л.П. Технологические основы обеспечения каче-
ства изделий из материалов на основе стекла / Сб. тр. 4-й Междунар. науч.-техн. конф.
«Качество машин». Брянск: БГТУ, 2001. С. 61—63.
27. Харченков В.С. Технологическое обеспечение износостойкости деталей машин
нанесением многослойных покрытий // Трение и износ. 1997. Т. 18. № 3. С. 331-338.
28. Горленко О.А. Технологическое обеспечение и повышение эксплуатационных
показателей деталей машин // Трение и износ. 1997. Т. 18. № 3. С. 361-368.
29. Федоров В.П. Проблемы исследования и повышения надежности технологиче-
ского обеспечения качества деталей машин // Трение и износ. 1997. Т. 18. № 3. С. 349-360.
30. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим
деформированием. М.: Машиностроение, 2002. 300 с.
31. Хейфец М.А. Формирование свойств материалов при послойном синтезе дета-
лей. Полоцк: ПГУ, 2001. 156 с.
32. Исаев А.И. Микрогеометрия поверхности при токарной обработке. М.: Маши-
ностроение, 1950. 106 с.
33. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968. 480 с.
34. Шлезингер Г. Качество поверхности. М.: Машиностроение, 1947. 284 с.
35. Рыжов Э.В. Контактная жесткость деталей машин. М.: Машиностроение, 1966.
193 с.
36. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. М.: Машинострое-
ние, 1970. 270 с.
37. Качество поверхности деталей машин / Тр. семинара по качеству поверхности.
М.: Изд-во АН СССР, 1961. 417 с.
38. Сулима А.М., Евстигнеев М.И. Качество поверхностного слоя и усталостная
прочность деталей машин из жаропрочных и титановых сплавов. М.: Машиностроение,
1974. 255 с.
39. Безъязычный В.Ф. Назначение режимов резания по заданным параметрам ка-
чества поверхностного слоя: учебн. пособие. Ярославль: РГАТА. 1978. 86 с.
40. Технические средства диагностирования: справочник / под общ. ред. чл.-кор.
АН СССР В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1989. 672 с.
41. Адаптивное управление технологическими процессами / Ю.М. Соломенцев,
В.Г. Митрофанов, С.П. Протопопов и др. М.: Машиностроение, 1980. 536 с.
42. Машиностроение: энциклопедия. В 40 т. Т.Ш-7 «Измерения, контроль, испы-
тания и диагностика» / В.В. Клюев, Ф.Р. Соснин, В.И. Филиппов и др. / ред.-составитель
В.В. Клюев, отв. ред. П.Н. Белянин. М.: Машиностроение, 2001,462 с.
43. САПР технологических процессов, приспособлений и режущих инструментов/
учебное пособие для вузов / В.И. Аверченков, И.А. Каштаньян, А.П. Пархутик. М.:
Высш, шк., 1993. 288 с.
44. Рыжов Э.В., Аверченков В.И. Оптимизация технологических процессов меха-
нической обработки. Киев: Наукова думка, 1989. 222 с.
45. Дьяченко Л.Е., Вайнштейн В.Э., Розенбаум Б.С. Количественная оценка не-
ровностей поверхности. М.: Изд-во АН СССР, 1952. 131 с.
46. Пинегин С.В. Контактная прочность и сопротивление качению. М.: Машино-
строение, 1969. 242 с.
314
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
47. Левина З.М., Решетов Д.Н. Контактная жесткость машин. М.: Машинострое-
ние, 1971.264 с.
48. Максак В.И. Предварительное смещение и жесткость механического контакта.
М.: Наука, 1975. 59 с.
49. Михин Н.М. Внешнее трение твердых тел. М.: Наука, 1977. 220 с.
50. Технологическое обеспечение и повышение эксплуатационных свойств дета-
лей и их соединений: под ред. А.Г. Суслова. М.: Машиностроение, 2005. 444 с.
51. Качество машин: справочник. В 2-х т. Т.1 / А.Г. Суслов, Э.Д. Браун, Н.А. Вит-
кевич и др. / под ред. А.Г. Суслова. М.: Машиностроение, 1995. 256 с.
52. Дроздов Ю.Н., Артамонов В.И. Основы расчета сферических шарнирных под-
шипников по критерию износа // Трение и износ. 1987. Т.8. № 4. С. 597-604.
53. Суслов А.Г., Горленко А.О. Технологическое обеспечение закономерного из-
нашивания криволинейных поверхностей трения // Трение и износ. 2000. Т.21. № 6.
С. 606-611.
54. Гибкая цифровая мехатронная система управления электромеханическим уп-
рочнением деталей с криволинейными поверхностями/ А.Г. Суслов, А.О. Горленко,
И.И. Кочуев и др. // Мехатроника. 2000. № 4. С. 19-23.
55. Бишутин С.Г. Обеспечение требуемой совокупности параметров качества по-
верхностных слоев деталей при шлифовании. М.: Машиностроение-1, 2004. 144 с.
56. Евсеев Д.Е. Формирование свойств поверхностных слоев при абразивной обра-
ботке. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1975. 128 с.
57. Королев А.В., Новоселов Ю.К. Теоретико-вероятностные основы абразивной
обработки. 4.1. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1987. 160 с.
58. Королев А.В., Новоселов Ю.К. Теоретико-вероятностные основы абразивной
обработки. 4.2. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1989. 160 с.
59. Абразивная и алмазная обработка материалов: справочник / под. ред. А.Н. Рез-
никова. М.: Машиностроение, 1977. 391 с.
60. Кремень З.И., Юрьев В.Г., Бабошкин А.Ф. Выбор характеристик абразивных
кругов для основных видов шлифования: учеб, пособие / под ред. проф. Ю.М. Зубарева.
СПб.: ПИМаш, 2003. 60 с.
61. Романов В.Ф., Авакян В.В. Технология алмазной правки шлифовальных кру-
гов. М.: Машиностроение, 1980. 118 с.
62. Степанов Ю.С., Афанасьев Б.И. Абразивная обработка отверстий / под ред.
Ю.С. Степанова. М.: Машиностроение-1, 2003. 120 с.
63. Анализ и оптимизация операции шлифования / Ю.Н. Полянчиков, А.Н. Во-
ронцова, Н.А. 4ернышев и др. М.: Машиностроение, 2003. 270 с.
64. Лурье Г.Б. Прогрессивные методы круглого шлифования. Л.: Машиностроение,
1981. 103 с.
65. Ефимов В.В. Модель процесса шлифования с применением СОЖ. Саратов:
Изд-во Сарат. ун-та, 1992. 132 с.
66. Филимонов Л.Н. Стойкость шлифовальных кругов. Л.: Машиностроение, 1973.
136 с.
67. Якимов А.В. Алмазно-абразивная обработка фасонных поверхностей. М.: Ма-
шиностроение, 1984. 312 с.
68. Журавлев В.Н., Николаева О.И. Машиностроительные стали: справочник. М.:
Машиностроение, 1992. 480 с.
69. Подзей А.В., Сулима А.М., Евстингнеев М.И., Серебренников Г.З. Техноло-
гические остаточные напряжения / под ред. А.В. Подзея. М.: Машиностроение, 1973.
216 с.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
315
70. Сипайлов В.А. Тепловые процессы при шлифовании и управление качеством
поверхности. М.: Машиностроение, 1978. 167 с.
71. Степанов Ю.С., Гусев В.Г., Афанасьев Б.И. Дискретное внутреннее шлифо-
вание / под ред. проф. Ю.С. Степанова. М.:Машиностроение-!, 2004. 190 с.
72. Худобин Л.В., Веткасов Н.И. Шлифование композиционными кругами. Улья-
новск: УлГТУ, 2004. 256 с.
73. Овсеенко А.Н., Гажек М., Серебряков В.И. Формирование состояния поверх-
ностного слоя деталей машин технологическими методами. Opole: Politechnika Opolska,
2001.228 с.
74. Авраменко В.Е. Фазовый анализ поверхностного слоя инструментальных ста-
лей, образованного электроискровой обработкой непрофилированным электродом // Фи-
зико-механические и эксплуатационные свойства инструментальных и конструкцион-
ных материалов. 1974. Вып. 3. 165 с.
75. Артамонов Б.А., Волков Ю.С., Дрожалова В.И. и др. Электрофизические и
электрохимические методы обработки материалов: учебн. пособие. В 2-х т. Т.1.
М.: Высш, шк., 1983. 247 с.
76. Артамонов Б.А., Волков Ю.С., Дрожалова В.И. и др. Электрофизические и
электрохимические методы обработки материалов: учеб, пособие. В 2-х т. Т.2. М.:
Высш, шк., 1983. 247 с.
77. Артамонов Б.А., Волков Ю.С., Вишницкий Ю.С. и др. Размерная электриче-
ская обработка металлов: учеб, пособие. М.: Высш, шк., 1978. 336 с.
78. Бишутин С.Г., Съянов С.Ю. Теоретический расчет параметров шероховатости
поверхности при шлифовании и электроэрозионной обработке // Обработка металлов.
2001. № 1 (12). С. 12-15.
79. Гулый Г.А. Научные основы разрядно-импульсных технологий. М.: Машино-
строение, 1978. 168 с.
80. Исаев А.И., Морозов Н.А., Максимов А.И. Влияние электроэрозионной обра-
ботки на состояние поверхности и усталостную прочность жаропрочных сплавов //
Вестник машиностроения. 1972. № 8. С. 50.
81. Каваленко В.С. Технология и оборудование электрофизических и электрохи-
мических методов обработки материалов. Киев: Вищ. шк., 1983. 176 с.
82. Кравец А.Т. Оптимизация процесса многопроходного электроэрозионного вы-
резания // СТИМ. 1995. № 5. С. 20-22.
83. Лазаренко Б.Р. Электрические способы обработки материалов и их применение
в машиностроении. М.: Машиностроение, 1978. 40 с.
84. Левинсон Е.М., Лев В.С. Справочное пособие по электротехнологии: электро-
эрозионная обработка металлов. Л.: Лениздат, 1972. 328 с.
85. Попилов Л.А. Электрофизическая и электрохимическая обработка материалов:
справочник. М.: Машиностроение, 1984. 265 с.
86. Справочник по электрофизическим и электрохимическим методам обработки /
под ред. В.А. Волосатова. Л.: Машиностроение, 1988. 719 с.
87. Фотеев Н.К. Технология электроэрозионной обработки. М.: Машиностроение,
1980. 80 с.
88. Фотеев Н.К. Качество поверхности после электроэрозионной обработки //
СТИМ. 1997. № 8. С. 43-48.
89. Фотеев Н.К. Управление качеством поверхности технологической оснастки при
электроэрозионной обработке // Электронная обработка материалов. 1994. № 2. С. 5-7.
90. Фотеев Н.К. Геометрия шероховатости поверхности, обработанной электроэро-
зионным способом // Электронная обработка материалов. 1975. № 5.
316
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
91. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов / под
ред. В.П. Смоленцева. Т.1. М.: Высш, шк., 1983. 247 с.
92. Суслов А.Г., Горленко О.А. Экспериментально-статистический метод обеспе-
чения качества поверхности деталей машин. М.: Машиностроение-1, 2003. 303 с.
93. Автоматизация технологии изготовления газотурбинных авиационных двига-
телей. 4.1 / В.Ф. Безъязычный, В.Н. Крылов, В.А. Полетаев и др; под ред. В.Ф. Безъя-
зычного, В.Н. Крылова. М.: Машиностроение, 2005. 560 с.
94. Адаптивное управление станками / под ред. Б.С. Балакшина. М.: Машино-
строение, 1973. 688 с.
95. Базров Б.М. Технологические основы проектирования самоподнастраиваю-
щихся станков. М.: Машиностроение, 1978. 216 с.
96. Болтин А.В., Горобец И.А. Теория инженерных исследований. Донецк:
ДонГТУ, 2004. 162 с.
97. Медведев Д.Д. Автоматизированное управление процессом обработки резани-
ем. М.: Машиностроение, 1980. 143 с.
98. Оптимизация технологических условий механической обработки деталей
авиационных двигателей / В.Ф. Безъязычный, Т.Д. Кожина, А.В. Константинов, В.В. Не-
помилуев. М.: Изд-во МАИ, 1993. 184 с.
99. Основы автоматизации и управления технологическими процессами в машино-
строении / В.Ц. Зориктуев, Н.С. Буткин, А.Г. Схиртладзе и др.; под общ. ред. В.Ц. Зо-
риктуева, Н.С. Буткина. Уфа: УГАТУ, 2000. 406 с.
100. Суслов А.Г., Петрешин Д.И., Финатов Д.Н. Самообучающиеся автоматизи-
рованные технологические системы, обеспечивающие требуемое качество обрабатывае-
мых поверхностей деталей // Справочник. Инженерный журнал. 2004. № 1. С. 14-17.
101. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: пер. с англ. 5-е изд., перераб.
М: Мир, 1998. 704 с.
102. Машиностроение: энциклопедия / ред. совет: К.В.Фролов (пред.) и др. Т. Ш-8.
«Технологии, оборудование и системы управления в электронном машиностроении» /
Ю.В. Панфилов, Л.К. Ковалев, В.Г. Блохин и др.; под общ. ред. Ю.В. Панфилова. М.:
Машиностроение, 2000. 744 с.
103. Шулов В.А., Панкин А.Г., Белов А.Б. и др. Применение сильноточных им-
пульсных электронных пучков для модификации свойств деталей из (а+0)-титановых
сплавов // Упрочняющие технологии и покрытия. 2005. № 11. С.9-18.
104. Григорьев С.Н., Андреев А.А., Шулаев В.М. Наноструктурные износостой-
кие покрытия, полученные методами физического осаждения вещества в вакууме // Уп-
рочняющие технологии и покрытия. 2005. № 9. С. 4-8.
105. Новые материалы / колл, авторов / под ред. Ю.С.Карабасова. М.: МИСИС,
2002. 736 с.
106. Хазов С.П. Закономерности применения наноразмерных составов для образо-
вания новых структур в парах трения на основе самоорганизующихся процессов И Тре-
ние и износ. 2006. № 4. С. 115-116.
107. Восстановление деталей машин: справочник // Ф.И. Пантелеенко, В.П. Ля-
лякин, В.П. Иванов, В.М. Константинов; под ред. В.П. Иванова. М.: Машиностроение,
2003. 672 с.
108. Алимов А.А., Пономаренко М.А., Мямлин В.В. и др. Опыт эксплуатации колес
с криволинейной поверхностью катания // Железнодорожный транспорт. 1982. № 10.
С. 45-47.
109. Беляев Н.М. Труды по теории упругости и пластичности. М.: ГИТТЛ, 1957.
632 с.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
317
ПО. Богданов А.Ф., Чурсин В.Г. Эксплуатация и ремонт колесных пар вагонов.
М.: Транспорт, 1995. 270 с.
111. Взаимодействие пути и подвижного состава / под ред. М.Ф. Вериго. М.:
Транспорт, 1986. 559 с.
112. Влияние неровностей поверхностей катания колес на работу ходовых частей
пассажирских вагонов / под ред. Н.Н. Кудрявцева. М.: Транспорт, 1981. Вып. 610. 210 с.
113. Голубятников С.М., Титаренко В.Ф., Кондриков В.А. Устройство для сни-
жения бокового износа рельсов и гребней колес локомотивов // Транспортное оборудо-
вание. 1980. № 34.
114. ГОСТ 9036-88. Колеса цельнокатаные. Конструкция и размеры.
115. Изменение конструкции колес // Железные дороги мира. 1994. № 5. С. 62-63.
116. Инструкция по формированию, ремонту и содержанию колесных пар тягового
подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм (с изменениями и дополнениями,
утвержденными указанием МПС России от 23.08.2000. № К-22734). М.: Техинформ,
2000. 136 с.
117. Исаев И.П., Лужнов Ю.М. Проблемы сцепления колес локомотива с рельса-
ми. М: Машиностроение, 1985. 240 с.
118. Ковалев Р.В. Разработка и реализация эффективных методик компьютерного
исследования динамики и оптимизации параметров ходовых частей железнодорожных
экипажей // Железнодорожный транспорт. 2003. № 4. С. 8-14.
119. Колеса с изношенным профилем для вагонов железных дорог США // Желез-
ные дороги мира. 1992. № 8. С. 25-27.
120. Колесная сталь / И.Г. Узлов, М.И. Гасик, А.Т. Есаулов и др. Киев: Техшка,
1985. 168 с.
121. Мелентьев Л.П., Порошин В.Л., Фадеев С.И. Содержание и ремонт рельсов.
М.: Транспорт, 1984. 220 с.
122. Перепичка Е.В. Очистно-упрочняющая обработка изделий щетками. М.: Ма-
шиностроение, 1989. 340 с.
123. Производство железнодорожных колес / Г.А. Бибик, А.М. Иоффе, А.В. Празд-
ников и др. М.: Металлургия, 1982. 270 с.
124. Профильное шлифование рельсов / А.Ю. Абдурашитов, Л.Г. Крысанов,
В.Б. Каменский и др. М.: Транспорт, 2001. 79 с.
125. Суслов А.Г. Новый подход к повышению долговечности и качества поверхно-
сти катания железнодорожных рельсов // междунар. сб. научн. тр. «Прогрессивные тех-
нологии и системы машиностроения»: Т. 3. Матер. V Междунар. НТК «Машинострое-
ние и техносфера на рубеже XXI века». Донецк: ДНТУ, 2000.
126. Суслов А.Г., Горленко А.О., Кочуев И.И., Финатов Д.Н. Повышение долго-
вечности железнодорожных колес // Проблемы повышения качества промышленной
продукции: сб. тр. 3-й Междунар. науч.-техн. конф, в г. Брянске 14-16 октября 1998 г. /
под общ. ред. д-ра техн, наук, проф. А.Г. Суслова. Брянск: БГТУ, 1998. 282 с.
127. Суслов А.Г., Горленко А.О., Сухарев С.О. Электромеханическая обработка
деталей машин // Справочник. Инженерный журнал. 1998. № 1(10). С. 15-18.
128. Суслов А.Г., Финатов Д.Н., Захаров Л.А., Маслюков В.А. Технологическое
обеспечение повышения долговечности поверхностей катания железнодорожных рель-
сов и колес // Инструмент и технологии. 2002. № 9-10.
129. Финатов Д.Н. Электромеханическое упрочнение пар трения с криволинейным
профилем // Тез. докл. 54-й науч. конф, проф.-препод, состава. В 2-х ч. Ч. 1. Брянск:
БГТУ, 1998. С. 68.
318 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
130. Шиладжян А.А. Совершенствование профилей рельсов для кривых и прямых
участков пути и их эксплуатационные показатели // Вестник ВНИИЖТ. 2000. № 7.
С. 8-15.
131. Dutschke W., Kiessling W.D., Ran W. Oberflachensensor zur Rauheitsmessung
beim Aussenrund // Einstechschleifen. Z. und Fertig. 1975. № 65. S. 697-703.
132. ScherfE. ACO-Pilotanlage fur den mehrstufigen SchleifprozeP // Technische
Mitteilungen. 60. Jahrgang. H. 7/8, Juli/August 1976. S. 421 -424.
133. Casini C., Tassi G. The geometrical construction of the FSDR wheel profile: Pro-
ceedings of the 2nd mini conference on Contact Mechanics and Wear of Rail // Wheel Systems.
Budapest, 29-31 July, 1996. P. 235-242.
134. Krettek O. About the influence of the wheel-profile of self-steering wheel-set on the
amount of wear: Proceedings of the 2nd mini conference on Contact Mechanics and Wear of
Rail // Wheel Systems. Budapest, 29-31 July, 1996. P. 224-234.
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАНИЕ
Суслов Анатолий Григорьевич,
Безъязычный Вячеслав Феоктистович,
Панфилов Юрий Васильевич и др.
ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ
Редактор А.П. Лебедева
Художественный редактор Т.Н. Погорелова
Корректор Н.В. Дюбкова
Инженер по компьютерному
макетированию Н.И. Смолъянина
Сдано в набор 22.01.08 г. Подписано в печать 18.11.08 г. Формат 70 х 100
Бумага офсетная. Гарнитура Times. Печать офсетная
Усл. печ. л. 26,0. Уч.-изд. л. 24,0.
Тираж 1000 экз. Заказ 2153
Ордена Трудового Красного Знамени ОАО "Издательство «Машиностроение»",
107076, Москва, Стромынский пер., 4
Оригинал-макет изготовлен в ООО "Издательство Машиностроение"
Отпечатано в полном соответствии с качеством
предоставленного оригинал-макета в ГУП ППП «Типография «Наука» РАН
121099, г. Москва, Шубинский пер., 6
ДЛЯ ЗАМЕТОК