автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Взаимодействие шероховатых поверхностей, контактирующих при переменных условиях механической обработки

1 Ц

иа лраиах рукописи

ГОРЯЧЕВА ЛЮДМИЛА ВАСИЛЬЕВНА

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ШЕРОХОВАТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ, КОНТАКТИРУЮЩИХ ПРИ ПЕРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Специальность 05,03.01 - пропеесы мсланнческоп и фшикомсхипчсск1"!

иПраоо! сганкп я инструмент

А В Т О Р Е Ф Е РА Т

лисссргацин на соискаине ученой степени

канлилптя Iехппчсскнх паук-

Красноярск, 1998

Работа выполнена в Красноярском государственном университете на кафедре «Технология машиностроения»

техническом

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Летуиовский B.D.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Стацура В.В.

кандидат технических наук, доцент Щелканов С.И.

Ведущее предприятие - научно-исследовательский институт технологии машиностроения при ГП «Красмашзавод» (г. Красноярск)

Защита состоится « » ' 1998 г. в' 15.00 часов в аудитории

на заседании диссертационного совета (( 064.54.02 при Красноярском государственном техническом университете по адресу: 660074, г. Красноярск, ул. Киренского, 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Красноярского государственного технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим высылать по выше указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «

Л » И 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, /

к.т.н., доцент Л.М. Кондратов '

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность рзботь;. Решение задачи повышения работоспособности и надежности режущего инструмента при высокой вероятности его безоткп-.ноп работы является важнейшим резервом повышения качества продукции и эффективности автоматизированного механообрабатываюшего прсч^одсчьа. Разработка эффективных, дающих малую погрешность, технологий контроля за процессами механической обрабоиси, созпянич оггп'малышх условий реагин:.? является одной из наиболее актуальна проблем манэтпостросния, поскольку в рыночной экономике решающую роль играют методы обеспечения высокого качества

Успешному решению этих проблем препятствует отсутствие полной информации о механизмах контактного взаимодействия шероховатых поверхностей, разрушения режущего' инструмента в процессе эксплуатации, сложность контроля технологических условий изготовления деталей и влияния эксплуатационных факторов на качество и работоспособность изделий.

Исследование механизмов изнашивания режущего инструмента связано не только с необходимостью сокращен,'!:! от износа потерь, но ¡1 с ратрлбо'кой эффективных методов повышения его работоспособно«;!. Применение высокоэффективных емззочно-охллждпющих технологических средств (СОТС) и нанесения износостойких покрытий различных составов на рабочие новерхнос!и инструмент,.". - один из важнейших резервов улучшения технологических процессии обработки металлов резанием.

Этим проблемам уделяется достаточно большое внимание а плане реализации федеральных я региональных программ в области стандартизации и сертификации качества. Однако, целый ряд вопросов технологии и методологии контроля, технической диагностики, оптимизации условий резания и надежности инструмента остаются недостаточно изученными.

Повышение работоспособности и надежности режущего инструмента требует разработки новых моделей контактного взаимодействия шероховатых поверхностей, методов создания оптимальных условий трения и резания.

Исследования выполнены в соответствии с планами НИР Госкомвуза "Надежность режущего инструмента", "Ультразвуковые методы контроля", межвузовской НТО «Материаловедческое, аналитико-технодогичеекое, робототехническое и информационное обеспечение работ па борту и за бортом орбитальной космической станции, спутника связи, ракеты носителя» или «Космическое материаловедение» по 'т^ме: 02.0013.98 - «Разработка сиаемм технологического обеспечения качества изделии машиностроения», Госстандарта РФ, по федеральной программе «Сертификация», Восточно-Сибирского огдел.чпя академии проблем качества "Проблемы сертификации и управление качеством".

Цель н задачи работы. Повышение работоспособности и надежности режущего инструмента на основе разработки новой модели контактного взаимодействия шероховатых поверхностей, создания оптимальных условий

резания.

Для достижения названной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. На основании анализа известных моделей контактного взаимодействия шероховатых поверхностей в условиях трения я резания разработать энергетическую модель контактного взаимодействия шероховатых поверхностей при механической обработке, дать обоснование выбору энергетических критериев.

2. Провести экспериментальную проверку работоспособности слоистой технической системы на модельных образцах молибдена с алмазоподобным покрытием.

3. Исследовать эксплуатационные свойства твердосплавных резцовых пластин и механизмы их разрушения при переменных условиях резания.

4. Разработать рекомендации по назначению оптимальных условий резания и технической диагностики состояния режущего инструмента.

Методы исследования. Теоретические* методы триботехники, математического анализа, теории надежности и математической статистики. Экспериментальные методы стойкостных испытаний режущего инструмента, физики металлов (методов внутреннего трения и акустической эмиссии), металлографического анализа и растровой электронной микроскопии, а также производственные испытания.

Научная иовизна:

- разработана энергетическая модель контактного взаимодействия шероховатых поверхностей при переменных условиях механической обработки, учитывающая изменения структурного состояния основных узлов -техническЬй системы, позволяющая прогнозировать работоспособность и надежность технических систем и узлов трения. Обоснованы и предложены энергетические критерии оценки этих показателей.

- определены (идентифицированы) по значениям энергии активации виды и процессы изменения структурного состояния инструментального материала в зоне контактного взаимодействия со стружкой;

- получены данные о температурных зависимостях фона и пиков внутреннего трения, динамического модуля сдвига на образцах молибдена с тонкими алмазоподобными покрытиями;

- получены расчетные зависимости для определения Допустимых скоростей резания и характеристик надежности режущего чнструмента;

- исследованы механизмы взаимодействия прослойки СОТС и алмазоподобиых покрытий с инструментальным материалом.

3. Практическая значимость:

- разработаны рекомендации по применению смазочно-охлаждающей жидкости БУР-2;

s

- создана инженерная методика расчета характеристик надежности режущего________

инструмента на стадии проектирования технолотчсскихпроцессов;

- предложены рекомендации по определению оптимальных режимов резани.ч и безотказной работы инструмента ВК8 и Т15К6 при обработке сталей 20, XI2M, 40Х, 09Х17Н7Ю и 03X11Н10М2Т-ВД, методика эксплуатации и облает применения алмазоподобных покрытий в производстве режущих инструментов.

Реализация результатов работы. Рекомендации по оптимизации условии н применению апробированы на ГП «Красмашзавод».

Апробация работы. Отдельные результаты исследований докладывались "а международной иаучно-технической конференции 'Проблемы обеспечения качества изделий машиностроения" (Красноярск, 1995 г.), международном конгрессе молодых ученых и аспирантов «Молодежь и наука - третье тысячелетие» (Москва, 1996 г.), межрегиональной конференции «Материалы, технологии, конструкции», Красноярск, 1996, 1998 г. г.), всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Проблемы сертификации и управления качеством" (Красноярск, 1997 г.), на научно-практической конференции "Достижения науки и техники - развитию города Красноярска" (Красноярск, 1997 г.), 35-ом международном симпозиуме по ¡«разрушающему контролю (Прага, Чехословакия, 1998 г.), на международной конференции по неразрушаюшему контролю (Огайо, США, 1998 г.), на международной конференции «Диамант-98» (Греция, 1998 г.), на научно-техническом семинаре КП'У.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав с выводами, заключения, списка литературы и приложений.

Работа изложена на 108 стр. машинописного текста, содержит 46 рисунков, 12 таблиц, список литературы из 109 наименований, приложение на 14 стр., всего 124 стр. .

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, дана обшая характеристика проблемы, определена цель и основные направления исследовании. Показана связь темы исследования с потребителями общего машиностроения.

В первой главе на основании работ И.В. Крагельского, Б.И. Костешгого, П.А. Ребиндера, В.Н. Кащеева, A.B. Чич!;надзе, Б.В. Дерягина, Г.В. Виноградова, Ю.Г. Кабалдина, И.А. Буяновского, и др. выполнен обзор теоретических представлений и моделей контактного взаимодействия поверхностей в усл<г !ях трения и резания металлов, методов и средств контроля качества изделий. Проанализирована роль СОТС, износостойких покрытий, наносимых на рабочие поверхности инструмента, показана значимость акустических методов к

диагностике структурного состояния материалов, поверхностей контакта шероховатых поверхностей и возможности их применения для контроля и т ехнической диагностики.

Показано, что известные энергетические модели контактного взаимодействия не в полной мере соответствуют реальным процессам, а требуют выявления и обоснования новых более информативных энергетических критериев. Ограничены данные и нормативные рекомендации по контролю и технической диагностики состояния режущих инструментов при эксплуатации в различных условиях производства. На основании анализа состояния проблем сформулированы основные задачи диссертационного исследования.

Во второй главе изложены основы энергетического подхода к рассмотрению процессов контактного взаимодействия, на основе распределения потоков энергии в трущихся материалах и прослойки (СОТС или износостойкое покрытие). Показано, что работоспособность трибосистемы при заДкнных условиях внешнего нагружения зависит от способности контактирующих материалов к поглощению и рассеянию энергии.

Разработанная модель (рис. 1) учитывает йзаимодействие стружки с инструментом через промежуточный слой жидкости или материалов, образующихся на поверхности контакта инструмента в процессе резания.

Энергетическая модель контактного взаимодействия шероховатых поверхностей при механической обработке

__!_ф_ .

н,

н _ ~~ Фу=- <Pi-M>! f _ — Промежуточное /тело _ Н:

у\Обра1]атываА.к)ый Д /материал//- Нз

Рис. 1

Предложенная система состоит из трех разнородных слоев - материалов сгружки, промежуточного тела (например, газа, жидкости, твердой смазки или пленки окислов, образующихся на поверхности контакта) и инструмента.

На основании анализа распределения потока энергии получено уравнение /пи определения потока энергии и потерь энергии в результате контактного

взаимодействия, учитывающее значения всех, входящих в него переменных коэффициентов поглощения: ________________________________

Р"

4 2рс1

1+

Оойщ

хКр,х

Кз а ^

0>бщ

Ообщ

хК

.Л

■га'

(1)

где Г'д - начальная амплитуда волны напряжения; Q¡' - уровень фона внутреннего трения (ВТ) в обрабатываемом материале; р - плотность материала; С; - скорость распространения волны напряжения; СГ' - уровень фона ВТ в инструменте; -коэффициент, характеризующий фактическую площадь контактного взаимодействия между двумя твердыми поверхностями; Кр], Крг, КРз коэффициенты рассеяния энергии в материале, жидкости и инструменте; а -коэффициент поглощения.

Коэффициент К,= 0-1 учитывает фактические условия контакта и позволяет сделать анализ механизмов трения. Если К, = 0, то фактического контакта нет -реализуется режим жидкостного трения. При К, = 1 - режим сухого трения, что допускает использование моделей Герца для идеально гладких и шероховатых поверхностей.

Таким образом, полученное уравнение позволяет идентифицировать процессы, происходящие в зоне механической обработки материалов по уровню потерь потока энергии.

На основании данных о величинах коэффициента затухания в материалах прослойки при постоянных значения уровнях фона ВТ для твердого сплава и обрабатываемого материала, установлена зависимость изменения потерь потока энергии для различных жидкостей.

Изменение состава и свойств прослойки на 2-3 порядка изменяет величину л Ф. Изменения величины и направления общего потока энергии дФ зависят от способшхгга каждого из материалов системы к поглощению и рассеянию энергии при заданных условиях внешнего нагружения.

Данная модель применима для определения работоспособности инструмента уа стадии проектирования технологических процессов при различных вариантах внешнего нагружения: изменения Структурного состояния поверхностного слоя инструмента 'за счет покрытия, условий охлаждения и позволяет рассчитать скорость резания допустимую по свойствам инструментального материала или оценить износостойкость инструмента по формуле:

°д «

0-1Уари)2ДххКп

(2)

где к - постоянная Больцмана; в - абсолютная температура; Дх - толщина элемента сдвига; У„ - активный объем; V, - скорость распространения сдвиговых волн напряжений; (У1- уровень фона внутреннего трения инструментального материала.

Коэффициент К„ учитывает влияние прослойки и позволяет более точно определить величину допустимой скорости.

Разработана математическое обеспечение, программы; выполнен анализ возможностей применения моделей Герца для гладких и шероховатых поверхностей для различных сочетаний материалов, в результате которого установлены зависимости величин сближения и пятна контакта от упругих свойств и величин действующих нагрузок.

Установлено, что расчет по моделям Герца дает точную зависимость изменения диаметра пятиа контакта В(Р) от величины сближения ё(Р) на прямолинейном участке зависимости, а при отклонении от линейности ошибка расчета возрастает, что ограничивает область их применения.

Эффективность применения энергетических критериев и моделей, более точно отражающих специфику контактных взаимодействий при точении и в процессах механической обработки, определяется не только тем, чТЬ они отражают, состояние реальной поверхности, но и динамику ее изменений под действием температур.

В третьей главе описаны использованные в работе методы экспериментальных исследований, включающие общую характеристику инструментальных, обрабатываемых материалов и СОТС, исследования энергетических параметров структурного состояния модельных образцов, проведения стойкостных испытаний и контроля металлорежущего инструмента в процессе резания, исследование топографии разрушения поверхностей контактного взаимодействия, оценки достоверности и надежности обработки полученных результатов, характеристики оборудования и аппаратуры для экспериментальных исследований, направленных на подтверждение работоспособности предложенной модели и определение области ее эффективного применения.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований, выполненных на модельных образцах молибдена с алмазоподобными покрытиями и резцовых неперетачиваемых пластинах из твердых сплавов.

Выбор молибдена в качестве подложки для изготовления модельных образцов обоснован тем, что молибден является карбидообразующим и используется в инструментальном производстве как и карбид вольфрама, а также имеет сходство с ним по типу и строению кристаллической решетки.

Установлено, что температурные зависимости , внутреннего трения молибдена с покрытиями (рис. 2.) характеризуются наличием фоновых кривых и пиков внутреннего трения. Изменение температуры от 20° С до 280° С приводит к незначительному повышению уровня фона; начиная от 280° С до 470° С скорость роста фона увеличивается в два раза, однако во всем диапазоне от 20° С до 470° С различия между образцами с покрытием и без него менее существенны, по ердинению с высокотемпературным участком. Отсюда следует, что до 280° С

покрытие не оказывает влияния на процессы, происходящие в микроструктуре^ — исследуемых образцов. ______________________________

Теьтервтуркзя .чависимость аутре««го тремия

Т«МмрАИ*С

-*-Бвапяфым»-*-10сл<ма......24 т»-50 аыя

а) концентрация 0,025%

Теиперапурет зззиеимосп, еиутраннвго тремич

_ Пммрпуря.С

-»-Еагарлю—Юоюм(«£ш)-~15«*»(.о»4)

б) концентрация 0,075%

Рис.2

.Температурные зависимости внутреннего трения исследуемого материала характеризуются не только наличием фона внутреннего трения молибдена, но и пиков сложной формы и изменяющихся по размерам и по положению, на температурной оси. Сложность формы пиков указывает на наличие нескольких, одновременно идущих процессов изменения структурного состояния приграничных областей.

На образцах молибдена без покрытия первый сложный пик внутреннего трения начинает проявляться при 320 С, второй и последующие максимумы соответствуют более высоким температурам. Пик в образце молибдена, температура максимума которого 390° С, при наличии покрытия подавляется. Эта зависимость прослеживается на покрытиях с концентрацией наночастиц алмаза в покрытии -0,025%, но зато' появляются высокотемпературные пики, соответствующие температурам диссоциации и интенсификации взаимодействия, разложившегося алмазного покрытия с материалом молибденовой подложки.

Расчеты энергии активации, проведенные по формулам (3,4):

днф=2,31*012 о"1/о;1, 2,63Т,Т2

ДН

т2-т,

(3)

(4)

где И - универсальная газовая постоянная, &- температура, Т) и'Г2 - температуры, при которых (Г1 =1/20. показывают, что с увеличением толщины покрытия уровень ЛНф существенно возрастает (рис. 3.).

Зависимость энергии активации фона внутреннего трения от толщины покрытия

а

2 Л«"

0,03 0,06 0,09 0,11 0,15 мкм Толщина покрытия 1 - концентрация 0,025%; 2 - концентрация 0,075% Рис.3.

Установлено, что эиергия активации с ростом толщины покрытия возрастает »3-5 раз. Увеличение концентрации наночастиц алмаза не нарушает общей тенденции, но приводит к некоторому увеличению ДН^ в исследованном диапазоне толщин покрытия.

Рост толщины покрытия н концентрации частиц наноалмача ирльидп ¡к повышению энергии активации процессов,-изменяющих структурное состояние ----поверхностных слоев7 в среднем на 15-20 %.

Нанесение покрытия с частицами наноалмаза подавдяег процессы, происходящие в зоне низких температур (до 400° С), а в зоне высоких гемпепапр (500-600° С) интенсифицирует их.

На температурных зависимостях динамического модуля сдвига обнаруживаются перегибы и экстремальные точки, характерные лля процеди*» рекристаллизации, полиморфных превращений, изменения ннугренних напряжении в материале за счет релаксации внутренних напряжений.

При сравнении температурных зависимостей динамического модуля едсь'га температурными ■здвкснмостл.мн ВТ установлена их тссиая корреляционная ст. Экстре:,ялыше точки на зависимости модуля сдвига от температуры смещены п зону более высоких температур.

Полученные данные подтверждают, что изменения характеристик покры тия существенно влияют на степень релаксации модулей сдвига и Юнга .

В результате выполненных исследований установлено, что изменение высокотемпературного фона ВТ обусловлены двумя процессами:

1. Взаимодействием частиц диссоциированного алмаза с поверхностью подложки.

2. Окислительными и диффузионными процессами на границе молибдена е покрытием.

Возможность первого процесса подтверждается наличием пленки на обрате после высокотемпературных измерений. Учитывая высокою реакционны способность найоалмлзных частиц, можно предположить, что при высоких температурах происходит образование оксикарбндон молибдена нестехиометрического состава, процессы самоднффузии углерода в решетку молибдена, рекомбинации вакансий, переползание вакансий.

В композиции молибдена с алмазоподобными покрытиями ранни не дислокационнных процессов при наличии прослойки требует большей энернш активации, чем для чистых металлов.

Влияние составов СОТС и специально нанесенных на рабочие поверхност твердосплавных резцовых пластин алмазоподобных покрытий исследовалось при точении с применением обычных методов ускоренных стойкостных испытаний.

Исследования влияния алмазоподобного покрытия на износостойкость твердосплавного режущего , инструмента (рис. 4.) показали, что минимальной скоростью износа характеризуются инструменты с повышенной концентрацией наночастиц алмаза на рабочих поверхностях.

Увеличение работоспособности инструмента объясняется тем, что чаеншы покрытия, обладающие высокой поверхностной энергией, активно взаимодействуют с инструментальным материалом, повышая критическое напряжение сдвига дислокаций и их выхода на поверхность.

Наноалмазные покрытия успешно работают при температурах превышающих температуру их диссоциации. Это можно объяснить действием лнух факторов:

Зависимость износа инструмента от скорости резания 1 15

£ ю

I 5

О 20 40 60 80 100 120 140

Скорость резания V, м/мин

1 - без покрытия; 2 - покрытие с концентрацией наночастиц алмаза - 0,025 %; 3 - покрытие с концентрацией наночастиц алмаза - 0,075 %.

Рис. 4.

1. Переход алмаза в графит снижает коэффициент трения поверхностей контакта.

2. Вследствие аномально высокой поверхностной энергии наночастиц алмаза и графита при повышенных температурах интенсифицируются процессы диффузии углерода в кристаллическую решетку карбида вольфрама, что способствует повышению поверхностной прочности инструментального материала.

Выполненные эксперименты определенно подтверждают возможность расширения области' применения сверхтонких алмазоподобных покрытий в производстве изделий из твердых сплавов, в том числе для изготовления инструментов сложной формы и крупных размеров.

Фрактографическим анализом, выполненным на РЭМ-ЮОу, установлено, что покрытие по поверхности инструмента распределяется неравномерно. Во впЗдинах микрорельефа оно имеет большую толщину, чем на выступав что не позволяет говорить о возможности получения мономолекулярных слоев.

Высота ./чикронеровностей на поверхности инструмента после нанесения покрытия становится меньше, что приводит к изменению характеристик периода приработки инструмента, падению уровня контактных напряжений и увеличение времени наработки на отказ, которое наблюдалось в экспериментах.

Материал покрытия, сохраняющий исходную структуру или изменивший структурное состояние под действием сил резания и температур принимает на себя роль режущего лезвия и в любом случае снижает коэффициент трения.

На основании морфологического анализа, выполненного в соответствии с ¡¡орг.'.йтиЕным:: и спразоч;:ы:.::( данными установлено, что строение частиц.

1 /

/ 2 3

образующихся на рабочих поверхностях инструмента представляет собой

лестехнометрические соединения сложных окислов___________________________________________

------------ИселедовашлГ "влияния СОТС УКРИНОЛ-1 на работоспособное п.

твердосплавных инструментов выполнено для сравнения с новыми составами CO'IC гина БУР-2 и оценки возможности их применения в производстве.

Результаты этих исследовании показали, что при гочочии стили 03Xi 1Н10М2Т-ВД твердосплавным инструментом Т15К6 без СОТС при скорости резания 150 м/мин износ инструмента минимален. С применением {,'014' минимум скорости износа проявляется при скорости ретания 175 м/ мин.

Установлено, что применение СОТС УКРИНОЛ-1 С повышает стойкость инструмента в 1,5-2 раза.

Шакшмэа»'«!?!!» обр?.ботслттиг: пс^рхиос/ей <■ применением СОТС

Полученные в работе результаты подтверждают снижение температуры и скорости износа инструмента при использовании СОТС. Обнаруженные изменения могут быть объяснены тем, что в зоне резания образуются соединения, которые резко отличаются по коэффициенту трензм от исходного материала н тем самым изменяют механизм износа инструмента.

Динамику изменения состояния микропрофиля рабочих поверхностей инструмента в процессе резания исследовали на стали 09X1711710 с применением лийгиостячгскяго стендл для измерения параметров акусгичгскои эмиссии <Л7Л.

При исследовании влияния условий обрл'оген на состояние раы—мч поверхности твердосплавного инструмента ВК8 при резаннн по параметрам Л'.) (рис. 5 - Л.) :устано;«лсно. «по пики Л') нрожмяюгея ао сеем ли.-лпионе ¡¡ссясдоьанных частот (1-78! Кгц). на каждом из участков пройденного пут:1, резлнпя !. = 50 м. Каждый из возникающих никоп соотиетстсуст услоьням резонанса •I с>1сгсме «стружка-нрослойка-иснтрумент» и по частоте образования пика можно судить о длительности переднего фронта импульса АЭ.

Зависимость спектральной плотности от частоты на длине пути Ь = 50 м

vmc:ilii:2;tc>i на »3 %.

л

I

I

а) в начале обработки

б) в конце обработки

Рис. 5..

Зависимость изменений спектральной плотности

2 60

5 50

2 40 I 30

Е5 20

О

■ М 10

03 о

В соответствии с ГОСТ 25.002-80 источниками сигналов АЭ на микроуровне являются процессы взаимодействия точечных дефектов - вакансий атомов, внедрения и замещения и их комплексов. Импульсы АЭ могут возникать и на макроуровне, в результате пластических деформаций обрабатываемого материала, скольжения, двойникования, образования и развития усталостных трещин, процессах ползучести в материале инструмента.

Обнаруженные изменения спектральной плотности сигналов АЭ обусловлены одновременным действием нескольких деформационных процессов, приводящих к разрушению инструмента.

Установлено, что для исследованной группы сталей и инструментов существует достаточно тесная корреляционная связь (К — 0,7 - 0,9) приращения характеристических амплитуд ЛА и значений До с температурой в и скоростью износа

На основании выполненных экспериментов можно считать, что оценка состояния режущих кромок инструмента может быть проведена по изменению площади между начальным и текущим положениями линии спектров или по приращению амплитуд характеристических пиков. Применение критерия 5*э является предпочтительным, поскольку позволяет учесть действие всех процессов, приводящих к Аносу инструмента.

В пятой главе представлены результаты промышленных испытаний при точении стали 20 и Х12М с применением СОТС БУР-2 и исследования влияния иокрытий на надежность и безотказность работы режущего инструмента, которые показали, что использование СОТС БУР-2 наиболее эффективно при обработке легированных сталей и повышает стойкость резцов в 3 раза и по сравнению с ремнием без СОТС (стандартная СОТС Аквол-2 увеличивает стойкость резцов в 2,5

■

т = 1?.0 кГц

к

— 4 Г., == 17(1 еП

210 кГц

60 100 150 200

Путь резания, м Рис. 6.

раза), снижает величину фаски износа, екорос1и_ износа-и - температур" 'п " _ резания при обработке стали" 20 на 39%, при ойраГкнке XJ2M на 20"«.

Шероховатость обработанных поверхностей независимо oi < 'l'jvtGaiwuivMoiо материала уменьшается на 20-30%.

Мнкрогвердость при использовании СО'1 С умешднаекя по спит 20 ну '<•''• :то"стали X12М па 13%.

11а основании полученных ге'./льпион нскьншшП раа"1-'! р jK'omci№i;hh по применению СОТС ЬУР-2 « ирлммипеннм.ч услтшчч

В ттпмоотношепня между надежностью и основными параметрами инструмента таковы: основные параметры определяют соштии«"

иялрлия я дглпшîi кЮМснî г. re«.Uu.wM н«>11»ж»»лети >:ар-мсри>у"ч

аалчномертгостт псменеаия зшх параметров инструмента в процессе эксплуатации.

Наиболее перспективным путем внедрения математической теории надежности в практику является алгоритмизация расчетов обеспечения надежное m или разработка таких математических методов, которые позволили бы единообразно решать в соответствии с заданным алгоритмом широкие классы задач теории надежности.

Известно несколько теоретических распределений (экспоненциальное, Вейбулла-Гнеденко, Эрланга), которые не противоречат результатам •»кснерим.-пн.! пpîj проверке по любому критерию согласия.

Задача оценки надежности по результатам исш.'ланпй сколии-» к определению параметров распределения по этим данным.

Анализ известных заиисимослен покатывает, что расчеты нрчмы> и косвенных вероятностных характеристик надежности не учитываю! температурных и силовых характеристик нагруження, изменения (рост) которых приводят к разрушению инструмента и определяет величину времени его безотказной работы и каждом конкретном случае. Случайное разрушение инструмента » тот или тын момент времени вовсе не случайно, а предопределено динамикой структурных изменений и деформационных процессов, которые происходят в инструментальном Материале во время работы режущего инструмента под дейстнем сил решнии и температурных нолей.

Для оценки характеристик надежности режущего инструмента получены выражения (5,6 ) для расчета времени наработки на отказ:

1

Т =

т-

с,с

13 sxl~*4tyl~y4

v

m

Р>

Г.

1 ) 1

CjC, х- - х, у, - у, lm

-^-¿S 1 " 4 , (ii)

где P¡ - технологические составляющие усилий резания; 0 - температура н «си. контакта; Г- стойкость инструмента.

Выражение (5) может быть рекомендовано для определения времени наработки на отказ в зоне невысоких скоростей резания (10-30 м/мин).

Выражение (6) приемлемо для определения времени наработки на отказ при высоких скоростях резания, когда процессы разупрочнения преобладают над механическим упрочнением (30-350 м/мин).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие основные выводы:

1. Одним из наиболее перспективных направлений в области повышения производительности механической обработки, работоспособности режущего инструмента, является использование СОТС и новых износостойких покрытий с особыми свойствами. Однако механизмы взаимодействия контактных поверхностей изучены не достаточно.

Анализом известных моделей контактного взаимодействия установлено, то наиболее информативными и точными являются модели, основанные на использовании уравнения энергетического баланса и энергетических критериев.

2. Разработана энергетическая модель контактного взаимодействия шероховатых поверхностей, учитывающая изменения структурного состояний основных узлов технической системы, позволяющая прогнозировать работоспособность и надежность технических систем и узлов трения по энергетическим критериям. Определены границы применимости модели Герца.

Получено уравнение для определения потока энергии и потерь потока энергии в результате контактного взаимодействия, позволяющее идентифицировать процессы, происходящие в зоне механической обработки материалов. Уровень потерь энергии, при известных условиях механической обработки рекомендован для использования в качестве критерия работоспособности инструмента. При этом измеряемыми величинами будут, характеристики диссипации энергии, относительные изменения коэффициента поглощения и амплитуда импульсов АЭ.

3. Впервые изучены температурные зависимости ВТ и динамического модуля сдвига С на слоистых композициях (образцах Мо с тонкими алмазоподобными покрытиям^ Установлены закономерности изменений фона ВТ. Определены энергии активации, тип и характеристики процессов, происходящих на границе контакта шероховатых поверхностей под действием температуры.

Устанощхено, что изменение характеристик приграничных слоев обусловлено процессами самодиффузии, рекомбинации вакансий, переползания дислокаций в решетке Мо. Варьирование толщины и концентрации покрытия в наноалмазами приводит к изменению условий прохождения релаксационных процессов в приграничных слоях.

4. Стойкостными испытаниями твердосплавных резцовых пластин подтверждена возможность повышения эксплуатационных свойств инструментов за счет нанесения алмазоподобных покрытий и доказана возможность расширения

области их применения при температурах, превышающих iCMiiepaiypy_____

диссоциации-----------------------------------------

Увеличение работоспособности инструмента, обусловлены 1ем, тю 'мстим покрытия, обладающие высокой поверхностной энергией, активно взаимодействуют с инструментальным материалом, повышая критическое напряжение сдвига дислокаций и изменяя энергию их выхода ни noisepxnoc 11,.

S. Характеристики микропрофиля поверхностей тверлих сплавов n uuuoi на равномерность слоя покрытия и наночастиц по кои i a i;т нон поверхности

Подтверждаются структурирующее и ориентирующее влияние подложки па характеристики слоев и равномерность распределения частиц по контактной поверхности

Применение стандартных п специально ратраоотаниых СОТС позволяет увеличить допустимые скорости резания при обработке сложнолегированных и труднообрабатываемых материалов, применяемых в производстве космической техники и общем машиностроении, улучшить качество обработанных поверхностей и уменьшить шероховатость на 10-15%. Эффект действия СОТС обусловлен образованием различных нестехеометрических соединений тина сложных оксидов и улучшением условий трения.

7. Изучены особенности спектров АЭ, возникающие в процессе контактного взаимодействия инструментального и обрабатываемого материалов и закономерности их изменений в зависимости от условий охлаждения и износ л инструмента.

8. Выполнен анализ моделей, используемых для оценки надежности и безотказности работы режущего инструмента и получены расчетные зависимости для определения времени безотказной работы инструмента при .небольших н высоких скоростях резания, учитывающие условия нагружения инструмента и свойства контактирующих материалов, что обеспечивает повышение точности прогнозов работоспособности инструмента.

Предложенные зависимости могут быть использованы на стадиях проектирования технологических процессов и позволяют резко сократить объем промышленных испытаний надежности при наличии известных нормативных данных о режимах механической обработки.

Результаты исследований рекомендованы на государственном предприятии «Красмашзавод» для изготовления деталей нефтеперерабатывающей аппаратуры из легированных сталей.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Чепцов C.B., Горячева Л.В., Рытиков АЛО. О влиянии смаючио-охлаждающего технологического средства БУР-2 на характеристики процессии механической обработки. В сб. "Проблемы обеспечения качества изделий машиностроения". / Под ред. проф. В.В. Летуновского. Красноярск, 1995, е. 211216.

2. Летуновский В.В., Горячева JI.B. Исследование влияния структурного состояния пластин из спеченных твердых сплавов на их эксплуатационные свойства при переменных условиях резания. В межвуз сб. научно-технических статей "Материалы, технологии, конструкции"./ Под ред. проф. В.В. Стацуры. САА. • Красноярск, САА, 1996.

3. Горячева Л.В. Анализ исследований влияния тепловых процессов при ipemm на изнашивание материалов в СОТС. В сб. научн. статей "Вестник КГТУ". Вып.7. Сер. "Машиностроение. Транспорт". Красноярск, КГТУ, 1997, с. 90-94.

4. Горячева J1.B., Лопатин А.В., Новиков С.В. Контактное взаимодействие шероховатых поверхностей и качество обработанной поверхности. В сб. материалов ВНПК "Проблемы сертификации и управления качеством". Красноярск, КГТА,

1997, с. 139-140.

5. Горячева Л.В., Лопатин А?В., Терсков-Ю.Ю. Повышение качества изделий машиностроения на основе оптимизации условий резания. В 96. тезисов НПК "Достижения науки и техники - развитию города Красноярска". Красноярск, КГТУ, 1997 , с.55.

6. Терсков Ю.Ю., Горячева Л.В. Исследование методов неразрушающего контроля для оценки состояния металлорежущего инструмента в процессе обработки. Инф. листок ЦНТИ, Красноярск, 1997.

7. Летуновский В.В., Шильдин В.В., Горячева Л.В. Моделирование контактного взаимодействия шероховатых поверхностей. В сб. тезисов 35-го межд. симпоз. по акустическому контролю. Прага. Чехословакия, 1998.

8. Летуновский В.В., Шильдин В.В., Горячева Л.В. Моделирование контактного взаимодействия шероховатых поверхностей. В сб. докл 35-ого международного симпозиума по акустической эмиссии, г. Прага, Чехословакия,

1998.

9. Летуновский В.В., Шильдин В.В., Горячева Л.В. Acoustic Emission Metod Aplication for Contact Interactions Analisis at Machining Monitoring. Сб. тезисов международной конференции по неразрушающему контролю, Огайо, США, 1998.

10. Летуновский В.В., Терсков Ю.Ю., Горячева Л.В. Возможности применения метода АЭ в механической системе. В сб. материалов ВНТК «Перспективные материалы, технологии, конструкции». / Под ред. проф. В.В. Стацуры. САА, Красноярск, 1998.

11. Терсков Ю.Ю., Григорьева О.А., Горячева Л.В. Диагностика состояния режущего инструмента по параметрам акустической эмиссии. В сб. материалов ВНТК «Перспективные материалы, технологии, конструкции». / Под ред. проф. В.В. Стацуры. САА, Красноярск, 1998.

12. Андрианова Т.Н., Захаров А,А., Летуновский В.В., Демченко А.Н., Горшков А-.А., Горячева Л.В. Защитные покрытия наноалмазом. Материаль! международной конференции «Диамонт-98», Греция, 1998.

13. Летуновский В.В., Горячева • Л.В. Моделирование контактного взаимодейстзия изнашивающихся поверхностей с применением энергетических критериев. В сб. материалов международной конференции «Синергетика.

Самоорганизующиеся процесс».! и сискмрч н .»чгчо.кыи.ч». Комсомот.ск- на

Амуре, 1998. ' ... _____________ ___________ ~ "

14. Ье1шмтку -V..- $'нМ1п" V;."""СогуясЬе\'я I.. АсоиНк* Ьг.Ь-ъич Мс«*.! ЛрНсаГюп Го г Со«!йс1 1||Ч.':-к1!от: Лпа!";:1. .« " .Чл,^«.».!^ П'.с тн1епа1з

ЛЯК'Т СепСекчс-. Тсчщррсес, Ь'БА, Ь'>о.

Соискатель: (О^1^

Отпечатано на ротапринте КГТУ. Тираж 100 экз.

Заказ 2443.

/

КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ШЕРОХОВАТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ, КОНТАКТИРУЮЩИХ ПРИ ПЕРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Специальность 05.03.01 - процессы механической и физико-

технической обработки: станки и инструмент

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

ГОРЯЧЕВА ЛЮДМИЛА ВАСИЛЬЕВНА

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Летуновский В. В.

Красноярск, 1998

СОДЕРЖАНИЕ Стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

1.1. Анализ теоретических исследований моделей контакта при трении и резании............................................................................... 7

1.2. Роль тепловых процессов в формировании поверхностей износа и разрушения при трении и резании....................................................... 17

1.3. Влияние условий обработки на работоспособность режущего инструмента........................................................................................ 23

1.4. Износостойкие покрытия, как фактор повышения работоспособности режущего инструмента...................................... 28

1.5. Методы и средства неразрушающего контроля при оценке работоспособности и надежности технологических систем............. 31

1.6. Выводы, цель и основные задачи исследования................................. 35

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИЗНОСА И РАЗРУШЕНИЯ КОНТАКТНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ СТРУЖКИ И ИНСТРУМЕНТА ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

2.1. Энергетическая модель контактного взаимодействия шероховатых поверхностей при механической обработке...................................... 36

2.2. Исследование возможности применения энергетических моделей контактного взаимодействия в прогнозе работоспособности режущего инструмента................................. 44

2.3. Выводы.................................................................................................. 49

3. МЕТОДЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И АППАРАТУРА ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Методика изготовления модельных образцов................................... 51

3.2. Методика исследования энергетических параметров структурного состояния модельных материалов......................................................

3.3. Методика проведения стойкостных испытаний и контроля металлорежущего инструмента в процессе резания........................... 57

3.4. Методика исследования топографии разрушения поверхностей контактного взаимодействия......................................52

3.5. Методика оценки достоверности и обработки полученных результатов............................................................................................ ^

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Влияние характеристик покрытия на рассеяние энергии в модельных образцах...........................................................................

4.2. Исследование влияния смазочно-охлаждающей жидкости на работоспособность твердосплавных инструментов...................................72

4.3. Исследование влияния алмазоподобных покрытий на износостойкость твердосплавного инструмента................................ 76

4.4. Влияние условий резания на состояние рабочих поверхностей инструмента при резании................................................................................79

4.5. Анализ топографии разрушения поверхностей при контактном

взаимодействии................................................................................... 85

4.6. Выводы................................................................................................. 90

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ПЮИЗВОДСТВЕННЬЖ ИСПЫТАНИЙ И РЕКОМЕНДАЦИИ...............................................................................................................

5.1. Производственные испытания СОТС БУР-2 и рекомендации по ее применению.......................................................................................................................92

5.2. Рекомендации по обеспечению безотказной работы инструмента.... 93

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ 101

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................... 103

ПРИЛОЖЕНИЕ....................................................................................... 109

ВВЕДЕНИЕ

Решение задачи повышения работоспособности и надежности режущего инструмента при высокой вероятности его безотказной работы является важнейшим резервом повышения качества продукции и эффективности автоматизированного механообрабатывающего производства. Разработка эффективных, дающих малую погрешность, технологий контроля за процессами механической обработки, создания оптимальных условий механической обработки является одной из наиболее актуальных проблем машиностроения, поскольку в рыночной экономике решающую роль играют методы обеспечения высокого качества /1/.

Успешному решению этих проблем препятствует отсутствие полной информации о механизмах контактного взаимодействия шероховатых поверхностей, разрушения режущего инструмента в процессе эксплуатации, сложность контроля технологических условий изготовления деталей и влияния эксплуатационных факторов на качество и работоспособность изделий.

Потери, связанные с износом инструмента, невосполнимы и исчисляются огромными суммами. Исследование механизмов изнашивания режущего инструмента связано не только с необходимостью сокращения связанных с износом потерь, но и с применением эффективных методов, повышающих работоспособность инструмента. Применение высокоэффективных смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС) и нанесения износостойких покрытий на рабочие поверхности инструмента различного функционального назначения и составов - один из важнейших резервов улучшения технологических процессов обработки металлов резанием.

СОТС и износостойкие покрытия применяются в процессе обработки материалов резанием для замедления трибологических процессов и повышения износостойкости режущего инструмента.

Этим проблемам уделяется достаточно большое внимание в плане реализации федеральных и региональных программ в области стандартизации и сертификации качества. Однако целый ряд вопросов технологии и методологии контроля, технической диагностики, оптимизации условий резания остаются недостаточно изученными.

Повышения работоспособности и надежности режущего инструмента требует разработки новых моделей контактного взаимодействия шероховатых поверхностей, методов создания оптимальных условий трения и резания.

В диссертационной работе приведен обзор теорий, методов и средств контроля качества изделий. Дан анализ требований к материалам, применяемым для изготовления инструментов. Проанализирована роль смазочно-охлаждающей среды (СОТС), износостойких покрытий, наносимых на рабочие поверхности инструмента, показана значимость акустических методов в диагностике структурного состояния материалов, поверхностей контакта шероховатых поверхностей и возможности их применения для контроля и технической диагностики.

Изложены основы энергетического подхода к рассмотрению процессов контактного взаимодействия, на основе распределения потоков энергии в трущихся материалах и прослойки (СОТС или износостойкое покрытие). Показано, что работоспособность трибосистемы при заданных условиях внешнего нагружения зависит от способности контактирующих материалов к поглощению и рассеянию энергии.

На модели контакта при резании, учитывающей наличие градиентов изменения структуры и свойств в материалах стружки, промежуточного тела (твердой или жидкой смазки) и инструментальном материале выполнен анализ распределения потоков энергии.

Проанализирована область применения предложенной слоистой модели при механической обработке деталей.

Произведен анализ известных моделей на чувствительность.

Описаны методы экспериментальных исследований, дана общая характеристика, оборудованию и аппаратуре для исследований.

Систематизированы результаты экспериментальных исследований, выполненных с целью подтверждения основных положений теоретической части, работоспособности предложенной модели.

Получены данные о температурных зависимостях изменений внутреннего трения на образцах молибдена с алмазоподобными покрытиями различной толщины и концентрации алмаза. Рассчитаны энергии активации процессов, динамический модуль сдвига, динамический модуль потерь, получена зависимость тангенса угла механических потерь от температуры и на основе этих данных идентифицированы процессы, происходящие в объеме материала покрытия и приграничных областях. Получены данные по температуре и износу инструментов при механической обработке сталей с различными СОТС.

Обоснована область применения полученных данных и разработаны рекомендации по назначению оптимальных условий работы режущего инструмента.

По результатам диссертационной работы имеется 14 публикаций.

Материалы диссертационной работы докладывались на международной научно-технической конференции «Проблемы обеспечения качества изделий машиностроения» (Красноярск, 1995 г.), международном конгрессе молодых ученых и аспирантов «Молодежь и наука - третье тысячелетие» (Москва, 1996 г.), всероссийской конференции «Перспективные материалы, технологии, конструкции», Красноярск, 1996, 1998 г,г.), всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Проблемы сертификации и управления качеством» (Красноярск, 1997 г.), научно-практической конференции «Достижения науки и техники - развитию города Красноярска» (Красноярск, 1997 г.), 35-ом международном симпозиуме по неразрушающему контролю (Прага, Чехословакия, 1998 г.), международной конференции по неразрушающему контролю (Огайо, США, 1998 г.), международной конференции «Диамонт-98» (Греция, 1998 г.).

Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами по каждой главе, заключения, списка использованных источников, содержащего 108 наименований и 14 стр. приложений. Основной материал изложен на 108 страницах текста, включая 12 таблиц и 48 рисунков.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планами НИР Госкомвуза "Надежность режущего инструмента", "Ультразвуковые методы контроля", межвузовской НТП «Материаловедческое, аналитико-технологическое, робототехническое и информационное обеспечение работ на борту и за бортом орбитальной космической станции, спутника связи, ракеты носителя» или «Космическое материаловедение» по теме: 02.0013.98 - «Разработка системы технологического обеспечения качества изделий машиностроения», Госстандарта РФ и Восточно-Сибирского отделения академии проблем качества по разделу "Проблемы сертификации и управление качеством".

4

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

1.1. Анализ теоретических исследований моделей контакта при трении и резании.

Результаты теоретических разработок формирования поверхности контакта при резании и трении известны по данным /2 - 8/.

В работе /3/ установлено, что вследствие волнистости и шероховатости поверхностей касание двух твердых тел всегда дискретно, т. е. происходит в отдельных точках. В точках касания развиваются высокие удельные давления, приводящие к взаимному внедрению поверхностей на разную глубину. В зависимости от глубины внедрения под влиянием сжимающей нагрузки характер нарушения фрикционных связей принято классифицировать как упругое оттеснение, пластическое оттеснение, микрорезание. Если известно распределение неровностей по высоте и величина сближения, то можно определить, какое число неровностей, на какую глубину проникнет. По данным /6/ диаметр единичного пятна касания данного вида обработки поверхностей мало изменяется от нагрузки, поэтому кривая распределения неровностей по высоте может одновременно служить и для оценки величины площади касания.

Величина фактической площади касания определяет силу трения, так как сила трения равна произведению удельной силы трения на фактическую площадь касания.

Износ с точностью до множителя 1/п ( где п - число циклов повторных воздействий на единичную фрикционную связь, приводящее к разрушению материала) так же зависит от фактической площади касания. В связи с этим вопрос об определении сближения и фактической площади касания является весьма важным для анализа процессов трения и износа. Впервые задача о сближении двух идеально гладких тел, имеющих криволинейные очертания, была рассмотрена Герцем /3/.

Герц установил, что размеры и форма зоны контакта зависят от упругой деформации тел. Для двух сфер радиусами Я/ и Я] центрально сжатых вместе силой Ро (рис. 1.1.1.), радиус щ окружности контакта задается зависимостью:

(1-1.1) 1-V2

где К-1 и К2 упругие константы материала каждой сферы:К1 =--- я

ж-Е1

1-у2

К2 =-и V,- коэффициенты Пуассона, Е1 и Е, - модули упругости

п-Е2

материала каждой сферы.

Из формулы (1.1.1) следует, что учитывается только нагрузка Ро- Но в то же время известно, что чем больше сближение тел, тем сильнее их взаимодействие на молекулярном уровне, т. к. появляется составляющая адгезионного сцепления.

Слагаемые К{ и Кг зависят от коэффициента Пуассона и модуля упругости сближаемых тел.

Сближение двух сфер 8 под действием силы Ро описывается формулой:

5*=—тг2-{К.+КЛ2 • ^ р: (1.1.2)

1 в 1 2 Я,-К, У

Кубы ао и Зо появляются исходя из того, что Герц пришел к этим формулам через деформирование объемов. По утверждению Крагельского 131 поверхность будет соприкасаться с деформируемым материалом (рис. 1.1.1.) по поверхности 1, в то время, как при построении кривой опорной поверхности учитывалось бы только сечение 2.

Схема контакта идеально-гладких тел /3/

Рис. 1.1.1.

Модель Герца работает при различных диаметрах, коэффициентах Пуассона, модулях упругости и материалах сближаемых сфер.

Используя оптический микроскоп, Герц экспериментально подтвердил на стеклянных сферических образцах выведенные формулы III.

Но если контактируют два совершенно разнородных материала, таких как сталь и резина, то контактная поверхность не окажется линейной, т.е. одно тело углубится в другое (рис. 1.1.2.) и ао будет неопределенной величиной.

Необъективность оценки взаимодействия тел восполнили Робертсон и Канделл. Ими было установлено, что при небольших нагрузках контактная поверхность между сферами оказывается значительно больше, чем следует из

формулы Герца. Были определены силы сцепления поверхностей, когда последние были сухими или смазанными. Эти дополнительные силы увеличивали область контакта и были особенно заметны при стремлении нагрузки Ро к нулю.

Контакт двух разнородных материалов: сталь - резина

Рис. 1.1.2.

На рис. 1.1.3а. штриховыми линиями показаны контактирующие сферы радиусов К], Я2, причем радиус круга контакта, рассчитанный по Герцу для нагрузки Ро, равен а0. В действительности [6], контакт имеет радиус а сфера приобретает форму, показанную сплошными линиями. В результате адгезионного сцепления нагрузка Р] > Ро-

Контактирование сферических поверхностей.

1

а1 | а

1

а)

Рис. 1.1.3

Распределение напряжений в зоне контакта показано на рис. 1.1.36. Кривые С, А характеризуют напряжение сжатия, для сил Ро и Р}, а кривая Ь -действительное распределение напряжений. В кольцевой области между кривыми А и В действуют растягивающие напряжения, теоретически уходящие в минус бесконечность (практически определяющиеся силами сцепления сфер).

Таким образом, поверхностное напряжение может быть интерпретировано с точки зрения поверхностной энергии. Пусть силы притяжения при отсутствии сжимающей нагрузки обеспечивают контакт радиуса а между сферами. Запасенная упругая энергия из равна потерянной поверхностной энергии.

и$=-тгс?у (1.1.3)

где у - поверхностная энергия на единицу контактной области дв>х поверхностей.

Производная энергии по перемещению х дает силу то есть: ^ =

Зс

Принимая х = выражая Ро из зависимости (1.1.1) и подставляя в формулу (1.2.2) получим:

(1.1.3)

^хД, 0

Таким образом: лг = х а2, откуда а1 = х х, и

Я, х ^ 0 ^х^

^ = —-7 = -—(я-у 1 ¿х), тогда ас ас ^ +1\

Г'=*1Г1Г > (1Л 4)

К1 +К2

Формула (1.1.4) показывает, что дополнительная к Ро сила сцепления зависит от радиусов сфер и поверхностной энергии у, и не зависит от модуля упругости.

С учетом поправки на адгезию выражение принимает вид:

Р2 - (2 Р0 + бтгуК) хР1 + Р02=0, (1.1.5)

где Р1 - нагрузка с учетом сил сцепления; Ро - герцевская нагрузка (без учета сил сцеплекия).

Для устойчивого равновесия:

Рх = Р() + ЪтгуК + + ЪжуКу - Р; , (1.1.6)

т.е. необходимая герцевская нагрузка Р1 больше действительно прикладываемой на величину:

ЪжуЯ + ^(Р0 + ЪжуВ)2 - Р2

Добавка обусловлена сцеплением, и при у =0 тоже обращается в нуль.

По формуле Герца:

= IРх = + ЪжуК + л/(^о + Зя^)2-Р02]

а, при отсутствии нагрузки (при Ро==0) а\ = 6—жуЯ.

К

В формуле (1.1.6) подкоренное выражение не должно быть Отрицательным для реальных процессов:

0+3жуЯ)2 - Р02 > 0.; 6жуЯР0 + (ЗлуЯУ > О

Для разрыва связей Ро должно принимать отрицательное значение при соблюдении неравенства. Поэтому разделение сфер будет при:

6жуЯР0 + (ЗжуЯ)2 - 0 (1.1.7)

3

т.е. при Р0= -—жуЯ.

Пол>ченная формула показывает, что отрывающая сила по прежнему не зависит от модуля упругости материалов сфер и отличается от формулы (1.1.4), только коэффициентом 3/2.

Формула (1.1.7) дает возможность определения значения у, для сочетания двух однородных поверхностей твердых тел.

Физико-химические процессы, протекающие на поверхности контакта, могут быть охарактеризованы по петле упругого гистерезиса, рассеянию энер