6_Diha.doc Схеми і результати трибологічних випробувань дискретно модифікованих циліндричних зразків Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 2 38 Диха О.В., Вельбой В.П., Диха М.О. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна E-mail: tribosenator@gmail.com СХЕМИ І РЕЗУЛЬТАТИ ТРИБОЛОГІЧНИХ ВИПРОБУВАНЬ ДИСКРЕТНО МОДИФІКОВАНИХ ЦИЛІНДРИЧНИХ ЗРАЗКІВ УДК 621.891 Представлені результати експериментальних випробувань зносостійкості зміцнених дискретною електро- механічною обробкою циліндричних зразків. Дискретність обробки досягалась шляхом створення на поверхні треків обробки, розташованих із заданим кроком під кутом до циліндричної твірної зразки. В результаті випробувань вста- новлений вплив геометрії обробки на зносостійкість зразків та вплив дискретного зміцнення на знос спряжених конструкційних антифрикційних матеріалів. Ключові слова: випробування, знос, електромеханічне зміцнення, геометрія обробки, антифрикційні матеріали. Вступ На сьогодні в трибології на відміну від міцності фактично відсутні довідники чи бази даних на зношування пар тертя. Їх просто не може бути до тих пір, доки не створена єдина основа експеримента- льної трибології. Створення бази трибологічних даних ускладнюється також наявністю великого числа факторів, що впливають на зношування.Інтенсивність зносу різних пар тертя може відрізнятися в сотні раз. Також може відрізнятися знос однієї пари тертя в залежності від мастильного матеріалу, умов наван- таження, температури, швидкості тощо. Головною ознакою зміни умов є зміна виду зношування. Вид – це зовнішня картина результату процесу зношування: топографія і структура матеріалу поверхні і підпо- верхневого шару. Вид зношування визначається його механізмом, тобто тими складовими, що спостері- гаються, з яких складається процес: деформування, руйнування, хімічні і фізичні процеси і т.д. Випробу- вання на зношування можуть виконуватися з різною метою, зокрема: якісне порівняння матеріалів на зношування; вивчення механізму і виду зношування; визначення параметрів моделей, що описують кіль- кісні закономірності процесу. Мета досліджень В даній роботі застосовується комплексних підхід порівняльних випробувань зносостійкості зміцнених циліндричних зразків за допомогою контрольного зразка та експериментальні дослідження впливу зміцнення цих зразків на зношування конструкційних антифрикційних матеріалів. Відомі методи трибологічних випробувань і способи підвищення зносостійкості деталей пар тер- тя ґрунтуються на оптимізації експлуатаційних властивостей контактних поверхонь і умов їх мащення з урахуванням умов роботи рухомого спряження. Одним з перспективних і технологічно реалізованих способів зменшення зносу деталей є дискретне зміцнення поверхні деталі електромеханічною обробкою. Метою даної роботи є дослідження впливу однобічного і двобічного електромеханічного обка- тування циліндричної поверхні деталі типу вала твердосплавним роликом, технологія і режими якого представлені в роботі [1], на зносостійкість зміцненої поверхні і зношування спареного з валом вкладиша. Основний матеріал Для дослідження представлені три зразки зі сталі 40Х (рис. 1), які відрізнялися тим, що перший зразок не піддавався зміцненню і використовувався для порівняння зносостійкості його поверхні твердіс- тю 23 НRC з іншими зразками за однакових інших умов тертя. Другий зразок піддавався електромехані- чному обкатуванню твердосплавним роликом на токарно-гвинторізному верстаті з кроком правої подачі 1,75 мм. Третій зразок також піддавався електромеханічному обкатуванню за тих же умов спочатку в на- прямі правої, а потім в напрямі лівої подачі з однаковим кроком. Таким чином на поверхнях другого і третього зразків формувалась різна топографія і щільність дискретно зміцнених зон, а відповідно і напруженого стану поверхні. На рис. 2 показана топографія тре- ків обробки, ширина яких знаходилась в межах 1,4 ... 1,6 мм. Перед випробуванням на зносостійкість обкатані зразки обточували до стану гладкої поверхні Ø24 мм, оскільки після обкатування були чітко виявлені канавки втискання ролика глибиною до 0,5 мм і відповідні напливи витісненого з них металу. Твердість обточеної поверхні другого зразка становила 25 НRC, а третього зразка – 28 НRC. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com mailto:tribosenator@gmail.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Схеми і результати трибологічних випробувань дискретно модифікованих циліндричних зразків Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 2 39 Рис. 1 – Геометрія треків поверхні випробувальних зразків Рис. 2 – Топографія треків поверхні випробувальних зразків Випробування зносостійкості зразків проводили на лабораторній установці для дослідження трибологічних властивостей конструкційних і мастильних матеріалів [2] за схемою пари тертя «циліндр - кулька» [3] з використанням пристрою для мащення, показанного на рис. 3. Мащення здійснювалось ма- слом Castrol 10W-40 (67 %) з камери 1, прикріпленої на кронштейні 4, фетровою щіткою 2, яка дотикала- ся до поверхні досліджуваного зразка 3, що обертався з частотою 340 об/хв. Кулька 5 діаметром 12,7 мм зі сталі ШХ15 нерухомо закріплена в повзуні 6, встановленому між напрямними 7 з можливістю притис- кання кульки до зразка силою 50 Н. Випробування на зносостійкість кожного зразка проводили протягом 3-х годин з періодичним вимірюванням ширини сліду стирання поверхні зразка мікроскопом МБС-10 через кожні 30 хв. Результа- ти проведених випробувань представлені на рис. 4 і в табл. 1. Рис. 3 – Пристрій випробування за семою тертя «циліндр-кулька» Рис. 4 – Залежність ширини сліду стирання зразків від тривалості випробування Аналіз фрактографії слідів стирання показав, що поверхня стирання не зміцненого зразка має чі- тко видимі безперервні лінії в напрямі шляху тертя, а на поверхні слідів стирання дискретно зміцнених зразків проявляються локальні кратери, зумовлені очевидно вириванням окремих зон, що відрізняються механічними властивостями і напруженим станом. Щільність і розміри кратерів поверхні стирання зраз- ка, що піддавався двобічному обкатуванню значно більші, ніж на поверхні зразка, який піддавався одно- бічному обкатуванню. Таблиця 1 Показники зношування незміненої і дискретно зміцнених поверхонь зразків зі сталі 40Х Ширина сліду зносу b, мм Тривалість випробувань t, хв Шлях тертя S, м зразок 1 зразок 2 зразок 3 30 766,7 0,75 0,55 0,25 60 1533,4 1,08 0,78 0,32 90 2300,1 1,25 1,00 0,36 120 3066,8 1,36 1,10 0,38 150 3833,5 1,45 1,15 0,4 180 4600,2 1,45 1,15 0,4 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Схеми і результати трибологічних випробувань дискретно модифікованих циліндричних зразків Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 2 40 Вплив топографії дискретно зміцненої поверхні вала на зношування спареного вкладиша випро- бували за схемою тертя «циліндр - плоский вкладиш» (рис. 5) з використанням пристрою для мащення (рис. 2), у якому випробувальний вкладиш 5, нерухомо закріплений до повзуна 6, притискався силою р = 75 Н до дискретно зміцненої поверхні зразка 3, що обертався з частотою n = 340 об/хв. за умови ма- щення оливою ол Castrol 10W-40 (67 %). Випробували вкладиші у формі прямокутних пластин шириною 14 мм і товщиною 2 … 4 мм з технічно чистого алюмінію А85, латуні Л63, антифрикційного матеріалу корінних вкладишів двигуна ав- томобіля і вуглецевої сталі 20. Оскільки за вказаних умов спостерігалось інтенсивне зношування вкла- дишів з кольорових металів, то слід стирання кожного вкладиша вимірювали тричі через 10 хв тертя. Шлях тертя за 10 хв випробувань складав 25,5 м, за 20 хв – 51 м, за 30 хв – 76,5 м. Ширину b сліду сти- рання сталевого вкладиша вимірювали мікроскопом МБС-10, а інших вкладишів – штангенциркулем Digtal caliper з електронним дисплеєм.. Встановлено, що зношування вкладишів практично не залежить від топографії зміцненої поверхні спареного зразка, а відхилення розмірів слідів стирання знаходиться в межах похибки вимірювання. Усереднені результати випробувань вкладишів представлені на рис. 6, де крива 1 відповідає зношуванню вкладиша з технічно чистого алюмінію А85, крива 2 – антифрикційному матеріалу корінних вкладишів двигуна автомобіля, крива 3 – латуні Л63, крива 4 – сталевого вкладиша (сталь 20). Рис. 5 – Пристрій випробування за семою тертя «циліндр-плоский вкладиш» Рис. 6 – Залежність ширини сліду стирання вкладиша від тривалості випробування Величина зносу вкладишів розрахована за формулою: 2245,0 bRRu −−= , (1) де R – радіус зміцненої поверхні зразка, мм; b – ширина сліду стирання вкладиша, мм. Експериментальні значення ширини слідів стирання і розраховані за формулою (1) загальноприй- няті величини зносу вкладишів випробуваних матеріалів наведено в табл. 2. Таблиця 2 Показники зношування вкладишів з випробуваних матеріалів Ширина сліду стирання b, мм Величина зносу u, мм Матеріал вкладиша Твердість, МПа 10 хв 20 хв 30 хв 10 хв 20 хв 30 хв Алюміній А85 230 5,10 6,25 6,47 0,27 0,42 0,44 Антифрикційний* 950 2,85 3,37 3,74 0,08 0,12 0,14 Латунь Л63 1100 1,83 3,0 3,50 0,03 0,09 0,13 Сталь 20 2230 0,8 1,08 1,12 0,004 0,010 0,011 Примітка: * матеріал корінних вкладишів колінчастого вала двигуна автомобіля. Встановлена прямо пропорційна залежність зносу від твердості матеріалу вкладиша: чим більша твердість, тим менша величина зносу. За даних умов випробування знос вкладиша з алюмінію А85 після 30 хв тертя більше, ніж у 4 рази перевищує знос вкладишів з латуні Л63 і матеріалу корінних вкладишів колінчастого вала двигуна автомобіля. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Схеми і результати трибологічних випробувань дискретно модифікованих циліндричних зразків Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 2 41 Висновки 1. Електромеханічна обробка циліндричної поверхні твердосплавним роликом призводить до рі- зного ступеню дискретного зміцнення поверхні зразка залежно від способу обкатування, що проявляєть- ся в процесі випробувань поверхні на її зносостійкість. 2. При однобічному і двобічному обкатуванні за умови інших однакових умов зносостійкість дискретно зміцненої поверхні зразків зі сталі 40Х відповідно в 1,26 і 3,62 рази збільшується у порівнянні із зносостійкістю поверхні не зміцненого зразка. 3. Підвищення зносостійкості зумовлено як утворенням дискретних зон більш високої твердості ніж твердість основного металу, так і величиною та характером внутрішніх напружень у поверхневому шарі, які виникають під час утворення таких зон. Теоретичний аналіз напруженого стану дискретно змі- цненої поверхні [4] показав, що при однобічному обкатуванні в поверхневому шарі виникають значні до- тичні неврівноважені залишкові напруження розтягу матеріалу, які практично відсутні при двобічному обкатуванні.4. Оскільки наявність дотичних розтягувальних напружень в поверхневому шарі негативно впливає на його зносостійкість, то підвищення зносостійкості на 26% при однобічному обкатуванні оче- видно зумовлено більшим ефектом позитивного впливу зміцнення дискретних зон і меншим впливом не- сприятливого напруженого стану обробленої таким чином поверхні. 5. Суттєве підвищення зносостійкості у 3,62 рази при двобічному обкатуванні можна обґрунту- вати тим, що перехресне формування дискретних зон призводить до більш вагомого ефекту їх зміцнення за умови врівноваженого напруженого стану поверхні у порівнянні з однобічним обкатуванням. 6. Геометричні параметри дискретно зміцнених зон поверхні вала практично не впливає на зно- шування спареного з ним вкладиша, ступінь зносу якого пропорційно залежить від твердості матеріалу вкладиша. Література 1. Вельбой В.П. Технологія і пристрої електромеханічного формування топографії зон дискрет- ного зміцнення циліндричної поверхні / В.П. Вельбой, М.О. Диха, О.Ю. Биков // “Вісник Хмельницького національного університету”, 2012. – №2 (187). – С. 7-10. 2. Вельбой В.П. Багатофункціональна лабораторна установка для дослідження трибологічних властивостей конструкційних і мастильних матеріалів / В.П. Вельбой, А.Г.Кузьменко, О.В. Диха, М.О. Диха // Проблеми трибології. – 2008. – №1. – С. 94-98. 3. Диха О.В. Теорія та експеримент методу трибологічних випробувань за схемою «циліндр - ку- ля» / О.В.Диха, В.П.Вельбой, М.В.Диха // Проблеми трибології. – 2012. – №2. – С. 135-138. 4. Сорокатий Р.В. Геометричні параметри дискретної електромеханічної обробки і напружений поверхневий стан / Р.В. Сорокатий, М.О. Диха // Проблеми трибології (Problems of Tribology). – 2012. – № 4. – С. 123-126. 5. Вельбой В.П. Дослідження впливу попереднього напруження контактної поверхні тертя на її зношування / В.П. Вельбой // Проблеми трибології. – 2012. – №2. – С. 78-83. Поступила в редакцію 25.03.2013 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Схеми і результати трибологічних випробувань дискретно модифікованих циліндричних зразків Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 2 42 Dykha O.V., Velboj V. P., Dykha M.O. Types and results of tribologcal tests of the discretely modified cylinder standards. Presented results of experimental tests of wearproofness of fixed discrete electric tooling of cylinder standards. The discreteness of treatment was arrived at by creation on-the-spot of tracks of treatment, located with the set step under a corner to cylinder formative standards. As a result of tests the set influence of geometry of treatment on wearproofness of standards and influence of the discrete strengthening is on the wear of conjugating construction antifriction materials. Electromechanics treatment of cylinder surface results a hard-alloy roller in the different degree of the discrete strengthening of surface of standard depending on the method of rolling-off which shows up in the process of tests of surface on its wearproofness. The increase of wearproofness is predefined both formation of discrete areas of higher hardness than hardness of parent metal and size and character of internal tensions in a superficial layer, which arise up during formation of such areas. Substantial increase of wearproofness in 3,62 times at a bilateral rolling-off it is possible to ground that the cross forming of discrete areas results in more ponderable effect of their strengthening on condition of the balanced tense consisting of surface of comparing to the one-sided rolling-off. Geometrical parameters of the discretely fixed areas of surface practically does not influence on the wear of bearing coupled with it, the degree of wear of which proportionally depends on hardness of material of standard. Keywords: test, wear, electromechanics strengthening, geometry of treatment, antifriction materials. References 1. Velboj V.P., Dykha M.O., Bykov O.Yu. Tehnologіja і pristroї elektromehanіchnogo formuvannja topografії zon diskretnogo zmіcnennja cilіndrichnoї poverhnі. Vіsnik Hmelnickogo nacіonalnogo unіversitetu. 2012. No 2 (187). pp. 7 –10. 2. Velboj V.P., Kuzmenko A.G., Dykha O.V., Dykha M.O. Bagatofunkcіonalna laboratorna ustanovka dlja doslіdzhennja tribologіchnih vlastivostej konstrukcіjnih і mastilnih materіalіv. Problemi tribologіi. 2008. No 1. pp. 94-98. 3. Diha O.V. Teorіja ta eksperiment metodu tribologіchnih viprobuvan' za shemoju «cilіndr - ku-lja» / O.V.Diha, V.P.Vel'boj, M.V.Diha // Problemi tribologії. – 2012, - №2. – S. 135-138. 4. Sorokatij R.V., Dykha M.O. Geometrichnі parametri diskretnoї elektromehanіchnoi obrobki і napruzhenij poverhnevij stan. Problemi tribologії (Problems of Tribology). 2012. No 4. pp. 123-126. 5. Velboj V.P. Doslіdzhennja vplivu poperedn'ogo napruzhennja kontaktnoї poverhnі tertja na ii znoshuvannja. Problemi tribologіs. 2012. No 2. pp. 78-83. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com