15_Aulin.doc Забезпечення самоорганізації форми деталей з різальними елементами при їх виготовленні Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 3 104 Аулін В.В., Бобрицький В.М., Тихий А.А. Кіровоградський національний технічний університет, м. Кіровоград, Україна E-mail: aulin52@mail.ru ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ САМООРГАНІЗАЦІЇ ФОРМИ ДЕТАЛЕЙ З РІЗАЛЬНИМИ ЕЛЕМЕНТАМИ ПРИ ЇХ ВИГОТОВЛЕННІ УДК 621.891:631.31 Для забезпечення самоорганізації форми різальних елементів в процесі експлуатації запропоновано техно- логію виготовлення робочих органів із застосуванням концентрованих потоків енергії лазерного випромінювання. Показано, що при застосуванні запропонованої технології відбувається скорочення операцій виготовлення і підви- щення зносостійкості та довговічності деталей, а також реалізація ефекту самозагострювання різальних елементів робочих органів ґрунтообробних машин. Досліджено зміну форми та величини зносу деталей виготовлених за різ- ними технологіями. Ключові слова: різальний елемент, самоорганізація форми, вибіркове зношування, лазерне різання. Вступ Різальні елементи (РЕ) робочих органів ґрунтообробних машин (РОГМ) при експлуатації втра- чають свою гостроту і первинну форму внаслідок інтенсивного абразивного зношування. РОГМ з РЕ та- кі, як лапи культиваторів, диски борін, лемеші плугів, сошники сівалок і їм подібні, виконані у формі клину, зі збільшенням напрацювання спрацьовуються і затуплюються. Отже найменш надійними і най- більш швидкозношуваними елементами ґрунтообробних машин є РЕ, затуплення яких обумовлює погі- ршення експлуатаційних та функціональних властивостей РОГМ. При цьому їх формоутворення відбу- вається внаслідок різної інтенсивності зношування локальних ділянок робочих поверхонь клину під дією неоднакових локальних питомих навантажень на цих ділянках Трибосистему "РОГМ – грунт" можна назвати специфічною, оскільки взаємодіють лише робоче середовище і РЕ РОГМ, а умови їх взаємодії постійно змінюються. До факторів, що впливають на зміну триботехнічних характеристик трибосистеми, можна віднести гранулометричний склад ґрунту, його во- логість, грудкуватість, твердість, хімічний склад, швидкість руху ґрунтообробного агрегату, глибину об- робітку ґрунту і т.п. На сьогодні існує багато робіт вітчизняних і зарубіжних вчених присвячених проблемі підви- щення зносостійкості і надійності РЕ РОГМ [1]. Запропоновано способи термічної обробки РОГМ, нане- сення покриттів на їх робочі поверхні для забезпечення гостроти РЕ при експлуатації, тобто для реаліза- ції так званого процесу самозагострювання РЕ [2], що полягає у вибірковому зношуванні менш міцних локальних ділянок поверхонь клину. Спрямоване вибіркове зношування приводить до збереження гостроти РЕ впродовж певного пе- ріоду експлуатації. Передусім необхідно виявити такий стан, а також умови його реалізації, проаналізу- вавши їх на результатах лабораторних, стендових та експлуатаційних випробувань. Перш за все це пов’язано з вибором способу зміцнення однієї з поверхонь клину. Існуючі технології нанесення зносо- стійких покриттів вимагають додаткових енергетичних витрат часу і енергії на формування покриття пі- сля виготовлення деталі, коштовних порошкових композиційних матеріалів, захисту працівників від ви- паровувань шкідливих речовин при нанесенні покриття. При застосуванні газотермічного, індукційного, електродугового методів можливі знеміцнення ділянок, що межують з покриттям внаслідок наявності об’ємного термічного впливу. Слід також зауважити, що одним з визначальних параметрів такого по- криття повинна бути висока міцність його зчеплення з основою. Мета і постановка задачі Метою даної роботи є забезпечення самоорганізації форми РЕ в результаті створення умов для вибіркового зношування при виготовленні РОГМ. Виклад матеріалів досліджень Процес виготовлення РОГМ розглянемо на прикладі стрілчастої лапи культиватора. Для її виго- товлення переважно застосовується сталь 65Г, що відноситься до класу пружинних складнозварюваних сталей. Послідовність операцій наступна. З листа метала пресуванням отримують контур лапи, а фрезе- руванням з одного боку формується різальний елемент (лезо). За бажанням виробника наноситься зносо- mailto:aulin52@mail.ru Забезпечення самоорганізації форми деталей з різальними елементами при їх виготовленні Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 3 105 стійке покриття (переважно на нижню поверхню), пробиваються та зенкеруються отвори і, згином в по- здовжній площині, формується кінцева форма лапи. Аналіз базового процесу показує, що для його реалі- зації необхідно мати декілька видів технологічного обладнання і інструменту. З метою забезпечення самоорганізації форми РЕ в експлуатації при виготовленні, зменшення кі- лькості операцій і кількості технологічного обладнання запропоновано спосіб отримання самозагострю- ваних РЕ деталей машин [3] з використанням енергії лазерного променя. Сутність способу полягає в тому, що в процесі виготовлення за одну операцію отримується кон- тур лапи та РЕ, одна грань якого одночасно зміцнюється. На рис. 1 представлена схема технологічного комплексу виготовлення деталей з РЕ з ефектом самоорганізації форми при експлуатації. Рис. 1 – Схема технологічного комплексу виготовлення деталей з різальними елементами з подальшою реалізацією ефекту самоорганізації їх форми при експлуатації: 1 – лазерний модуль; 2 – позиціонувальна головка; 3 – деталь; 4 – лазерний промінь; 5 – зміцнена поверхня різального елемента; 6 – робочий стіл; 7 – блок керування процесом лазерного різання; 8 – пристрій програмування руху лазерного променя Процес виготовлення деталей з різальними елементами розглянемо на прикладі використання обладнання для лазерного різання. На робочому столі 6 встановлюється заготовка деталі 3 на якій необ- хідно сформувати різальний елемент. Лазерний модуль 1 має можливість переміщуватися в горизонталь- ній площині, а позиціонувальна головка 2 може обертатися навколо своєї осі та змінювати кут падіння лазерного променя (α) відносно поверхні робочого стола 6. За допомогою пристрою програмування руху лазерного променя 8 задаються параметри його переміщення, кут нахилу до поверхні стола, а потужність випромінювання та інші параметри роботи лазерного обладнання задаються блоком керування процесом різання 7. В результаті дії лазерного променя 4 відбувається формування поверхні РЕ із заданим кутом за- гострювання. При цьому на поверхнях, які підлягають різанню, внаслідок специфічної дії лазерного про- меня [4, 5], утворюється зміцнений шар 5. Таким чином, за одну операцію лазерного різання відбувається одночасно формоутворення РЕ при виготовленні та зміцнення однієї з його поверхонь. При експлуатації такі РЕ будуть володіти ефектом самозагострювання і зберігати гостроту, необхідну для якісного вико- нання операцій різання ґрунту, оскільки реалізуються всі умови виникнення ефекту[2]. Для визначення характеру, інтенсивності зношування та порівняльного аналізу деталей, які ви- готовлені за базовою та запропонованою технологіями були проведені експериментальні дослідження на круговому стенді [6], що імітує умови роботи РОГМ. В якості дослідних зразків були використані лапи культиватора зі зміцненою нижньою частиною в процесі лазерного термозміцнення при різанні та з об’ємним гартуванням; робоче середовище – суміш чорнозему з піском у співвідношенні 90:10; вологість ґрунту підтримували в межах 8 ... 12 %. Деталі рухались по колу і періодично, через кожні 30 км напра- цювання, досліджувалися зміни форми їх профілю та величини зносу. На рис. 2 представлено зовнішній вигляд перерізів РЕ стрілчастих лап культиватора, а в табл. 1 – відбитки їх профілів в залежності від напрацювання. Аналіз рис. 2 та таблиці 1 показує, що РЕ лап культиваторів виготовлених за різними технологі- ями зношуються по-різному зі збільшенням шляху тертя. Так, РЕ лапи культиватора, що виготовлена за базовою технологією (рис. 2, а), зі збільшенням напрацювання поступово затуплюється, тобто збільшу- ється радіус заокруглення його різальної кромки і при напрацюванні 60 км наближається до гранично допустимого. В той же час форма РЕ лапи культиватора, виготовленого за запропонованою технологією Забезпечення самоорганізації форми деталей з різальними елементами при їх виготовленні Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 3 106 лазерного різання (рис. 2, б), зберігає гостроту впродовж тривалого терміну напрацювання. Це говорить про те, що при РЕ елемента шляхом лазерного різання, зміцнений поверхневий шар однієї з поверхонь клину сприяє реалізації ефекту самоорганізації форми. Вибіркове зношування виявляється в процесі екс- плуатації відповідно до появи навантаження на РОГМ. а б Рис. 2 – Перерізи РЕ стрілчастих лап культиваторів, виготовлених: за базовою технологією з об’ємним термічним зміцненням (а), технологією лазерного різання (б) Таблиця 1 Відбитки профілів РЕ стрілчастих лап культиваторів Шлях тертя, км Спосіб виготовлення 0 30 60 90 120 Базова технологія з об’ємним термічним зміцненням Запропонована технологія лазерного різання Результати дослідження відбитків профілів різальних елементів лап культиваторів, поданих в табл. 1, показують динаміку зміни профілів з напрацюванням. У РЕ з об’ємним термічним зміцненням процес затуплення різальної кромки розвиватися з початком напрацювання (30 км) і при шляху тертя від 60 км до 120 км – зміни форми профілю не суттєві, проте радіус заокруглення різальної кромки вже при шляху тертя 60 км становить 1,2 ... 1,5 мм, що є підставою для вибракування деталі. РЕ, зміцнені при лазерному різанні, показують дещо іншу динаміку зміни форми профілю. З по- чатку напрацювання до шляху тертя 30 км відбувається процес припрацювання робочих поверхонь різа- льного елемента, тобто самоорганізація форми. Радіус заокруглення при цьому дещо збільшується, але не суттєво – до 0,5 ... 0,6 мм. Зі збільшенням шляху тертя форма профілю РЕ практично не змінюється. При цьому вибіркове зношування, сприяє самозагострюванню РЕ і дозволяє зберігати гостроту до 120 ... 150 км шляху тертя. Отже при застосуванні лазерної термічної обробки при різанні можна реалі- зувати умови виникнення процесу вибіркового зношування, який приводить до самоорганізації форми РЕ. Це дасть можливість підвищити напрацювання РЕ до вибракування в 1,8 ... 2,3 рази в порівнянні з РЕ зміцненими об’ємною термічною обробкою. Одним із важливих параметрів для стрілчастих лап культиваторів при експлуатації є інтенсив- ність зношування РЕ [7]. В табл. 2 дано результати дослідження цієї триботехнічної характеристики. Таблиця 2 Залежність інтенсивності зношування РЕ лап культиватора від шляху тертя і способу зміцнення Середні значення Інтенсивність зношування, мм/км при шляху тертя Спосіб зміцнення РЕ 30 км 60 км 90 км 120 км 150 км інтенсивності зношування I , мм/км квадр. відхил. Iσ ·10-3, мм/км Об’ємне гартування 0,073 0,074 0,072 0,073 0,073 0,073 0,4 Лазерна термообробка при різанні 0,046 0,045 0,044 0,045 0,044 0,045 0,6 Забезпечення самоорганізації форми деталей з різальними елементами при їх виготовленні Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 3 107 Можна бачити, що інтенсивність зношування РЕ, отриманих і зміцнених в результаті лазерного різання в 1,6 рази менше у порівнянні з РЕ, що виготовлені за базовою технологією і зміцнені об’ємним гартуванням. Це обумовлено подрібненням структури і підвищенням твердості матеріалу зразків при дії на них лазерного випромінювання. Крім цього на величину зношування впливає і поява ефекту вибірко- вого зношування і, як наслідок, самоорганізація форми РЕ РОГМ. Висновки Забезпечення самоорганізації форми РЕ РОГМ при експлуатації можливе на етапі їх виготовлен- ня. Запропонована технологія виготовлення деталей різанням концентрованими потоками енергії лазер- ного променя має ряд переваг перед базовими технологіями виготовлення: зниження кількості, а отже і тривалості виконання операцій виготовлення, одночасне формування і зміцнення РЕ, можливість вигото- влення деталей складної геометричної форми. При експлуатації таких деталей, внаслідок появи ефекту вибіркового зношування, буде спостерігатися ефект самоорганізації їх форми, що в свою чергу приведе до збільшення їх ресурсу, незмінної якості виконання технологічних операцій впродовж тривалого тер- міну напрацювання, зменшення витрат на експлуатацію, технічне обслуговування та ремонт техніки. Пі- дтримання гостроти РЕ в процесі експлуатації також буде стримувати зростання тягового опору ґрунто- обробних машин, що відповідно зменшить витрати на паливно-мастильні матеріали. Література 1. Костецкий Б.И. Управление изнашиванием машин/ Б.И. Костецкий. – К.: Знание, 1984. – 20 с. 2. Аулін В.В. Теоретичні основи самозагострювання, міцності і зношування різальних елементів РОГМ та напрямки підвищення їх довговічності/ В.В. Аулін, В.М. Бобрицький, А.А. Тихий/ Вісник ін- женерної академії України. – 2010. – № 1. – С. 149-154. 3. Пат. №48190 Україна, МПК В23К 26/00. Спосіб отримання самозагострюваних різальних еле- ментів деталей машин / В.В. Аулін, В.М. Бобрицький, А.А. Тихий – №u200909376; Заявл. 11.09.2009; Опубл. 10.03.2010, Бюл.№ 5, 2010 р. 4. Аулін В.В., Лізунов С.М., Бобрицький В.М. Залежність інтенсивності зношування деталей від технологічних факторів лазерної обробки // Вісник ХДГУСГ. – Вип.15. – Підвищення надійності віднов- люємих деталей машин. – Харків, 2003. – С.101-105. 5. Воздействие лазерного упрочнения на материалы / Арутюнян Р.В., Баранов В.Ю., Большов Л.А., Малюта Д.Д., Себрант А.Ю. – М.: Наука, 1989. – 367 с. 6. Пат. 48191 Україна, МПК G01N 3/56 Лабораторний стенд для випробування робочих органів ґрунтообробних машин / В.В. Аулін, А.А. Тихий, В.М. Бобрицький – №u200909377; Заявл. 11.09.2009; Опубл. 10.03.2010, Бюл.№ 5, 2010 р. 7. Аулін В.В., Бобрицький В.М. Характер та інтенсивність зношування робочих органів ґрунто- обробних машин // Проблеми трибології (Problems of Triboblogy). – Хмельницький, ХДУ, 2004. – № 2. – С. 107-112. Поступила в редакцію 23.09.2013 Забезпечення самоорганізації форми деталей з різальними елементами при їх виготовленні Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2013, № 3 108 Aulin V., Bobrytskyi V., Tikhii A. Providing self-form parts with cutting elements in their manufacture. To ensure self-form cutting elements in the operation of a technology manufacturing business with the use of con- centrated energy flows. It is shown that the application of technology, a reduction in manufacturing operations and improve the reliability and durability of parts. The changes shape and size of the work wear of tillage machines manufactured by dif- ferent technologies. Key words: cutting element, self-organization forms, selective demolition, laser cutting. References 1. Kostetskii B.I. Upravlenie iznashivaniem mashin, K.: Znanie, 1984, 20 p. 2. Aulin V.V.Тeorеtychnі оsnоvy samozagostryuvannya mitsnosti i znoshuvannya rizalnykh elementiv ROGM ta napryamky pidvyshchennya ikh dovgovichnosti. V.V. Aulin, V.M. Bobrytskyі, A.A. Tykhyy. Visnyk inzhenernoii akademii Ukraiiny. 2010. № 1. S.149-154. 3. Pat. №48190 Ukraina, MPK V23K 26/00. Sposib otrymannya samozahostryuvanykh rizalnykh elementiv detaley mashyn. V.V. Aulin, V.M. Bobrytskyі, A.A. Tykhyy. №u200909376; Zayavl. 11.09.2009; Opubl. 10.03.2010, Byul.№ 5, 2010 r. 4. Aulin V.V., Lizunov S.M., Bobrytskyі V.M. Zalezhnist intensyvnosti znoshuvannya detaley vid tekhnolohichnykh faktoriv lazernoyi obrobky. Visnyk KhDHUS·H. Vyp.15. Pidvyshchennya nadiynosti vidnovlyuyemykh detaley mashyn. Kharkiv, 2003. S. 101-105. 5. Vozdeystvye lazernoho uprochnenyya na materyaly. Arutyunyan R.V., Baranov V.Yu., Bolshov L.A., Malyuta D.D., Sebrant A.Yu. M.: Nauka, 1989. 367 s. 6. Pat. 48191 Ukrayina, MPK G01N 3/56 Laboratornyy stend dlya vyprobuvannya robochykh orhaniv gruntoobrobnykh mashyn. V.V. Aulin, A.A. Tykhyy, V.M. Bobrytskyi. №u200909377; Zayavl. 11.09.2009; Opubl. 10.03.2010, Byul.№ 5, 2010 r. 7. Aulin V.V., Bobrytskyі V.M. Kharakter ta intensyvnist znoshuvannya robochykh orhaniv gruntoobrobnykh mashyn. Problemy trybolohiyi (Problems of Triboblogy). Khmelnytskyі, KhDU, 2004. №2. S.107-112.