Full Text

Прогресс в области машиностроения и в смежных отраслях, таких как детали машин и материаловедение, не стоит на месте. Но изделия все также выходят из строя и перед учеными по-прежнему стоит задача получить высокое качество с минимальными затратами. Качество поверхностного слоя деталей оказывает значительное влияние на надежность и долговечность изделий и определяется совокупностью характеристик шероховатости, волнистости, физико-механических свойств, микротвердости, микроструктуры металла и остаточных напряжений. Одним из способов повышения качества является упрочнение поверхностного слоя. Так, на износостойкость обработанной поверхности детали большое влияние оказывают степень и глубина распространения упрочнения, а также величина остаточных напряжений в поверхностном слое. Известно большое количество методов упрочнения. Все они разделены на три группы: поверхностная закалка, химико-термическая обработка и поверхностное пластическое деформирование. К последней группе относится термофрикционное упрочнение (ТФУ), которое позволяет повысить качество поверхностного слоя без использования дорогостоящего оборудования и инструментов. ТФУ представляет собой комбинированный метод, сочетающий тепловое и механическое воздействие на обрабатываемый металл, осуществляемое путем непосредственного контакта заготовки и вращающегося с большой окружной скоростью диска трения. Под действием температуры и приложенного давления поверхности трения деформируются и материал в контактной зоне подвергается термообработке. Слои, упрочненные трением, характеризуются высокой твердостью, микротвердостью, пластичностью. Износостойкость, усталостная и коррозионная стойкость их значительно выше, чем у слоев, закаленных токами высокой частоты [1]. Метод ТФУ недостаточно изучен, что ограничивает его применение в промышленности. Температура резания является важнейшей характеристикой ТФУ. Она оказывает существенное влияние не только на износ и стойкость диска трения, но и на качество и точность изделий. При исследовании закономерностей процесса ТФУ и решении практических задач, связанных с выбором технологического режима, следует учитывать закономерности, присущие процессам трения при высоких скоростях скольжения. В зависимости от условий обработки температура в контактной зоне может колебаться в пределах 900-1200 °С, что выше температуры рекристаллизации большинства обрабатываемых материалов и характерно для горячей деформации, способствующей росту пластичности и уменьшению сопротивления деформации в зоне резания. Установлено, что на величину температуры в зоне трения влияют окружная скорость вращающегося диска, подача, материалы, смазка и площадь контакта. Количественная связь между теплопроводностью металла, градиентом температуры и тепловым потоком в твердых телах определяется законом Фурье где l - коэффициент теплопроводности; dF - величина элементарной площадки; ¶Q/¶n - температурный градиент. Знак «минус» указывает на то, что теплота направлена в сторону, противоположную возрастанию температуры. Быстровращающийся диск представляет собой полосовой источник теплоты шириной 2h, равной длине контакта диска с поверхностью образца, который перемещается в положительном направлении горизонтальной оси Z. Для плоских образцов где D - диаметр диска, мм; t - припуск на обработку, мм; R - радиус диска, мм (рис. 1). Рис. 1. Схема сил резания при термофрикционном упрочнении Для полосового источника теплоты, представленного в виде бесконечно длинной полосы шириной 2h, расположенной в горизонтальной плоскости YOZ вдоль оси Y, движущегося в положительном направлении оси Z, выведено уравнение, описывающее температурное поле [2]: (1) где q - плотность теплового потока, Вт/м2; a - коэффициент температуропроводности, м2/с; V3 - скорость подачи, м/с; l - коэффициент теплопроводности, Вт/(м×К). Безразмерные критерии Функция Бесселя второго рода нулевого порядка . Определив значения интеграла, входящего в выражение (1), вычисленные для определенных значений безразмерной координаты Х при условии, что нижние пределы вычисленных интегралов приняты равными нулю, и зная температуру на поверхности контакта, можно определить плотность теплового потока q, идущего в заготовку, подставив для этого в выражение (1) значение температуры Q: , где Q* - безразмерная температура [2]. Здесь Q* = = k[I(z + H) - I(z - H)]. После обработки экспериментальных данных установлено, что максимальная температура в зоне трения составляет 1360 °С и изменяется по глубине упрочненного слоя. Теплота распределяется неравномерно и изменяется в зависимости от теплопроводности материала диска и заготовки. В исследованиях, проведенных ранее [1, 3], отмечалось, что 4-8 % затраченной механической энергии, преобразованной в тепловую, в зоне контакта переходит в заготовку и участвует в создании особого структурно-напряженного состояния поверхностного слоя; около 20-40 % теплоты теряется с отделившейся стружкой, а остальная теплота переходит в диск и рассеивается в окружающую среду [4-8]. Скорости нагрева и охлаждения оказывают большое влияние на структуру и свойства упрочненного трением слоя. Среднеинтегральные скорости нагрева и охлаждения слоя металла могут быть определены по формуле где Z1 и Z2 - координаты точек, имеющих разную температуру Q1 и Q2; DQ, DZ - соответственно температурный интервал и интервал изменений координат точек, между которыми измеряется разность значений температуры, DQ = Q1 - Q2, DZ = Z1 - Z2. Используя данные по измерению температуры на поверхности заготовки и окружного усилия, или мощности, можно определить тепловой поток, выделившийся в зоне контакта и идущий в заготовку. Мощность и плотность теплового потока при упрочнении являются функциями множества факторов, которые зависят от режимов обработки (скорости подачи, площади контакта, материала диска и образца). Разделив значение мощности, затраченной на упрочнение, на значение площади контакта диска с заготовкой, получим полный тепловой поток: , где N - мощность, Вт; S - площадь контакта диска и заготовки, м2. где V3 - скорость подачи, мм/с; В - ширина обработки, мм; Е - хорда, стягивающая дугу контакта, мм; g - удельный вес, кг/мм3; с - удельная теплоемкость, Дж/(кг×К); Q - температура плавления, К; Q0 - начальная температура, К; а0 - скрытая теплота плавления, Дж/кг; lМ, lД - коэффициенты теплопроводности обрабатываемого материала и материала диска, Вт/(м×К); y - угол соприкосновения металла с диском, град. Площадь контакта принята равной геометрической площади при условии, что диск является абсолютно жестким, а заготовка - эластичной: где b - ширина диска, м; D - диаметр диска, м. Если учесть, что в заготовку идет часть всей теплоты, образующейся в зоне контакта, то тепловой поток, идущий в заготовку, может быть определен где h - коэффициент, показывающий долю теплоты, идущей в заготовку. ТФУ сочетает тепловое и механическое воздействие на обрабатываемый металл. В зоне контакта под действием сил трения интенсивно выделяется теплота, что приводит к повышению температуры поверхности трения [9-12]. Температура трения оказывает влияние на величину усилий, затраченных на упрочнение, наряду с величиной подачи, глубины врезания, материала диска и заготовки и других параметров процесса. Схема сил, действующих на диск, представлена на рис. 1. Суммарную равнодействующую силу сопротивления срезаемого слоя можно разложить на следующие силы: касательную PZ (сила трения) и радиальную PC или горизонтальную PH и вертикальную PV [4]. Отношение значений касательной и радиальной сил определяет значение коэффициента трения m = PZ / PC. Величина коэффициента трения определяется условиями, в которых работает диск. Сила трения PZ определяет крутящий момент на диске и величину мощности, затрачиваемой на процесс резания. Радиальная сила PC оказывает давление на подшипники шпинделя и его изгиб. По горизонтальной силе PH (силе подачи) производится расчет механизма подачи станка, силы закрепления заготовки и деталей приспособления [13-16]. Сила PV прижимает диск к заготовке. Сила реакции PV', действующая на заготовку, направлена вверх. В этом случае она является силой отрыва заготовки от стола. Окружное усилие, H (см. рис. 1), где Vд - окружная скорость вращения диска, м/с. Радиальная сила, Н, . Усилие подачи, Н, где m - коэффициент трения. На базе выполненных исследований были разработаны математические модели по определению составляющих силы резания при ТФУ: Результаты исследований усилий резания при упрочнении заготовок из стали 45 представлены на рис. 2, 3. Представленный способ ТФУ обеспечивает повышение показателей качества обработанных поверхностей при минимальных затратах. Приведенные сведения о влиянии окружной скорости вращающегося диска, подачи, материалов, смазки и площади контакта на величину температуры резания в зоне трения позволяют определить количественную связь между теплопроводностью металла, градиентом температуры и тепловым потоком в инструменте и заготовке. Рис. 2. Влияние скорости диска на окружное усилие резания PZ. Диск - сталь 50: - заготовка - сталь 45, S = 130 мм2; - заготовка 40Х13, S = 130 мм2; - заготовка - сталь 45, S = 40 мм2; - заготовка 40Х13, S = 40 мм2 Рис. 3. Влияние скорости диска на нормальное усилие резания PX. Диск - сталь 50: - заготовка - сталь 45, S = 130 мм2; - заготовка 40Х13, S = 130 мм2; - заготовка - сталь 45, S = 40 мм2; - заготовка 40Х13, S = 40 мм2 Установлено, что теплота в зоне обработки распределяется неравномерно и изменяется в зависимости от теплопроводности материала инструмента и заготовки. Представленные зависимости определения среднеинтегральных скоростей нагрева и охлаждения слоя металла позволяют установить степень их влияния на структуру и свойства упрочненного трением слоя. При этом показано, что мощность и плотность теплового потока при упрочнении являются функциями множества факторов, зависящих от режимов обработки [17, 18]. Приведенные математические модели определения энергосиловых параметров ТФУ указывают на то, что повышение температуры резания вызывает увеличение составляющих силы резания, приводящее к необходимости стабилизации температуры в контактной зоне с целью контроля и прогнозирования процесса обработки.

About the authors

N. I Pokintelitsa

Sevastopol State University

E. A Levchenko

Sevastopol State University

References

Statistics

Views

Abstract - 56

PDF (Russian) - 21

Refbacks

• There are currently no refbacks.