ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ МИКРОРЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТЕЙ В ПРОЦЕССЕ ИХ ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ
ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
УДК381.53.08.519
Ю. С. АНДРЕЕВ, В. В. МЕДУНЕЦКИЙ
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ МИКРОРЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТЕЙ В ПРОЦЕССЕ ИХ ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ
Представлен анализ результатов исследований по изменению микрорельефа поверхностей в процессе их трения скольжения.
Ключевые слова: трение скольжения, микрогеометрия поверхности, параметрический критерий оценки, непараметрический критерий оценки.
Введение. Одной из актуальных проблем, связанных с трением, является износ изделий. Расходы на восстановление изделий в результате износа огромны, причем ежегодно они увеличиваются. Даже незначительное увеличение срока службы изделий и оборудования практически равноценно вводу новых производственных мощностей. Несмотря на обширный и разнообразный теоретический и экспериментальный материал наука о трении остается до сих пор недостаточно изученной. Следует отметить, что во многих случаях использование результатов экспериментальных исследований не представляется возможным, так как конкретные реальные условия не всегда согласуются с условиями эксперимента. Все это в полной мере относится к оценке влияния микрогеометрии поверхностей на процесс их трения. Достоверно известно лишь то, что трение и износ деталей в значительной степени зависят от микрогеометрии поверхностей.
В настоящей статье приведены результаты исследований, задачами которых являлись:
— подтверждение или опровержение наличия так называемой „равновесной“ шероховатости на этапе установившегося износа трущихся поверхностей с помощью современных средств измерения;
— сравнение по результатам эксперимента информативности параметрических и непараметрических критериев оценки микрогеометрии поверхностей.
„Равновесная“ шероховатость. В середине ХХ в. проф. И. В. Крагельским было обнаружено явление, которое он назвал установившейся или „равновесной“ шероховатостью [1]. Суть этого явления заключается в том, что независимо от исходной шероховатости трущихся поверхностей их микрорельеф приобретает установившееся состояние. Шероховатость получила название „равновесной“ вследствие того, что в конце периода приработки поверхности параметры Ra и Rz остаются неизменными в процессе трения. Нужно признать, что в то время использовались стандартные критерии шероховатости, которые были доступны для измерения, так как не было реальной возможности провести более „тонкий“ эксперимент.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 9
Исследование изменения микрорельефа поверхностей
31
Методы описания микрогеометрии. В настоящее время известны два метода описа-
ния микрогеометрии поверхности: параметрический и непараметрический.
Первый метод сводится к использованию различных параметров профиля поверхно-
сти, чаще всего Ra, Rz. При этом на практике технологическое обеспечение функционального свойства поверхности заключается в достижении заданного значения параметра шерохо-
ватости. Практическая значимость параметрического метода наглядно демонстрируется
простым примером: см. рис. 1, где показаны два зеркально противоположных профиля
поверхностей (здесь Rmax — максимальная высота профиля — отклонение от нулевой линии т). Различие функциональных свойств данных поверхностей очевидно, а стандарт-
ные параметры одинаковы.
т т Rmax
тт Rmax
Рис. 1
Шероховатость каждой отдельной поверхности, как правило, нормируется только одним параметром (Ra или Rz), что не позволяет определить структуру рельефа поверхности, а следовательно, ее функциональные свойства.
К преимуществам данного метода относится простота описания, однако такое упрощение приводит к потере информации о микрорельефе. Таким образом, применение параметрического метода оценивания и контроля микрогеометрии практически исключает возможность ее оптимизации для конкретного функционального свойства поверхностей.
В 1980-х гг. проф. В. А. Валетовым была выдвинута идея непараметрического подхода [2], суть которого состоит в следующем:
— в качестве критериев оценки и контроля микрогеометрии поверхностей используются графические изображения различных функций: для точного оценивания предпочтительными являются графики функций плотности распределения ординат и тангенсов углов наклона профилей, а в пределе — графических изображений профиля или микротопографии поверхностей; при менее жестких требованиях достаточно использовать графические изображения опорных кривых профилей (кривых Аббота) или графиков функций распределения ординат или тангенсов углов наклона профилей;
— нормируются конкретные функциональные свойства поверхностей с присвоением им постоянных номеров и указанием этих номеров на знаках шероховатости;
— экспериментально определяются наилучший из возможных микрорельефов для конкретного функционального свойства поверхности и технология его получения;
— контроль микрогеометрии при серийном производстве осуществляется путем наложения графического изображения функции контролируемой поверхности на эталонное изображение этой функции.
Микрорельеф в процессе трения скольжения. Для изучения „поведения“ микрорельефа поверхностей в процессе их трения скольжения была разработана схема планируемого
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 9
32 Ю. С. Андреев, В. В. Медунецкий эксперимента (рис. 2). Суть эксперимента заключалась в испытаниях на машине трения образцов с различной исходной микрогеометрией поверхности [3].
Изготовление опытных образцов с различной исходной
микрогеометрией поверхности
Оценка исходной микрогеометрии поверхности
Испытания на машине трения
Оценка текущей микрогеометрии поверхности
Цикл заканчивается
при катастрофическом
износе
образцов
Анализ результатов
Рис. 2
В качестве образцов использовались пластины, изготовленные из стали 45 ГОСТ 1577-93,
и стержневые инденторы из стали 45-Н-Б ГОСТ 1051-73. Габаритные размеры пластин:
170×105×13 мм; стержней: D=11 мм, l=60 мм. Данные о способах получения образцов приве-
дены в табл. 1.
Таблица 1
Вид обработки
Образцы-стержни
Инструмент
Режим резания
Образцы-пластины
Инструмент
Режим резания
Концевая фреза, n=1600 об/мин, Концевая фреза, n=315 об/мин,
Ø40 t=0,1 мм, Ø40 t =0,1 мм,
Фрезерование Торцевая фреза,
S=25 мм/мин n=400 об/мин,
Торцевая фреза,
S=25 мм/мин n=400 об/мин,
Ø120
t =0,1 мм,
Ø120
t =0,1 мм,
S=80
S=80
Шлифовальный n=2800 об/мин, Шлифовальный n=2800 об/мин,
Шлифование
круг, Ø250
t =0,01 мм,
круг, Ø250
t =0,01 мм,
S=3,5 мм/проход
S=3,5 мм/проход
Подрезной резец n=800 об/мин,
t =0,1 мм,
Точение
Отрезной резец
S=0,015 мм/об
n=800 об/мин, t =0,1 мм,
—
S=0,015 мм/об
Дисковая пила,
n=40 об/мин,
Резка
Ø160
t =0,01 мм,
S=40 мм/мин
П р и м е ч а н и е : n — частота вращения, t — глубина резания, S — подача.
После изготовления образцов были проведены измерения на профилометре, в результа-
те которых были получены стандартные параметрические критерии оценки шероховатости Ra и Rz исходных рабочих поверхностей образцов, а также построены графики функций плотности распределения ординат и тангенсов углов наклона профилей.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 9
Исследование изменения микрорельефа поверхностей
33
Далее образцы испытывались на машине трения. В процессе ее работы совершается
возвратно-поступательное движение стержневых инденторов, установленных в подвижных
каретках, по плоским образцам-пластинам.
Согласно схеме эксперимента после каждого испытания на машине трения образцы
вновь подвергались измерениям на профилометре в целях оценивания изменений параметри-
ческих и непараметрических критериев.
В итоге был получен результат, аналогичный полученному проф. И. В. Крагельским: т.е.
по окончании периода приработки поверхностей настал период так называемой „установив-
шейся шероховатости“, характеризуемой постоянством параметров Ra и Rz. Действительно, данные параметры изменялись лишь в пределах погрешности измерения (см. табл. 2, где при-
ведены результаты испытаний для одного образца).
Таблица 2
Период
Длительность испытания, с, Количество
при нагрузке в 100 Н
циклов
Параметр Ra
Параметр Rz
Приработка
55
30
4,570
26,196
320
180
4,421
24,418
Установившаяся шероховатость
585 850 1390
330
3,962
21,803
480
3,920
21,812
780
3,941
21,765
Однако, как подсказывает здравый смысл, при контакте трущихся поверхностей микрорельеф неизменным быть не может. Это убедительно доказывают представленные на рис. 3, а, б соответственно графики плотности распределения ординат (Y) и тангенсов углов наклона
(tg ϕ) профиля по окончании каждого цикла испытаний для одной поверхности одного об-
разца, здесь W — параметр, характеризующий, насколько часто значения tg ϕ и Y фиксируются на исследуемой поверхности. Очевидно, что в этом случае значения плотностей распределения различны: это доказывает факт изменения микрорельефа поверхности в период установившейся шероховатости, причем данное изменение было зафиксировано на всех исследуемых поверхностях.
а) б) WW
2000
10000
1500 1000 500
8000 6000 4000 2000
0 –20 –10 0 10 20 30 40 50 60 Y, мкм
0 –4 –3,5 –3 –2,5 –2 –1,5 –1 –0,5 0 0,5 tg ϕ, рад
Рис. 3
Заключение. В ходе эксперимента было достигнуто постоянство параметрических кри-
териев Ra и Rz, т.е. наступление периода установившейся шероховатости, тогда как непараметрические критерии непрерывно изменялись. Построенные графики плотности распреде-
ления ординат и тангенсов углов наклона профиля подтверждают мнение о постоянном
изменении микрогеометрии поверхности в процессе трения скольжения.
В дальнейшем планируется существенно увеличить объем экспериментальных исследо-
ваний, в процессе которых может быть подтверждена или опровергнута гипотеза о цикличе-
ском характере изменения микрогеометрии трущихся поверхностей. В перспективе это по-
зволит коренным образом пересмотреть существующую систему нормативной документации
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 9
34 М. А. Голубчиков, Ю. П. Кузьмин
в области описания, технологического обеспечения и контроля микрогеометрии. Установив оптимальную микрогеометрию поверхностей трения, процесс их приработки можно будет свести к минимуму, что позволит существенно увеличить время работы изделий в целом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Крагельский И. В., Добычин М. Н., Комбалов В. С. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 344 с.
2. Валетов В. А., Мурашко В. А. Основы технологии приборостроения: Учеб. пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. 180 с.
3. Мусалимов В. М., Валетов В. А. Динамика фрикционного взаимодействия. СПб: ПИМаш, 2006. 168 с.
Сведения об авторах
Юрий Сергеевич Андреев
— аспирант; Санкт-Петербургский национальный исследовательский
университет информационных технологий, механики и оптики, ка-
федра технологии приборостроения; E-mail: luser3@yandex.ru
Виталий Викторович Медунецкий — аспирант; Санкт-Петербургский национальный исследовательский
университет информационных технологий, механики и оптики, ка-
федра технологии приборостроения; E-mail: medunezkij@yandex.ru
Рекомендована кафедрой технологии приборостроения
Поступила в редакцию 11.11.11 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 9
УДК381.53.08.519
Ю. С. АНДРЕЕВ, В. В. МЕДУНЕЦКИЙ
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ МИКРОРЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТЕЙ В ПРОЦЕССЕ ИХ ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ
Представлен анализ результатов исследований по изменению микрорельефа поверхностей в процессе их трения скольжения.
Ключевые слова: трение скольжения, микрогеометрия поверхности, параметрический критерий оценки, непараметрический критерий оценки.
Введение. Одной из актуальных проблем, связанных с трением, является износ изделий. Расходы на восстановление изделий в результате износа огромны, причем ежегодно они увеличиваются. Даже незначительное увеличение срока службы изделий и оборудования практически равноценно вводу новых производственных мощностей. Несмотря на обширный и разнообразный теоретический и экспериментальный материал наука о трении остается до сих пор недостаточно изученной. Следует отметить, что во многих случаях использование результатов экспериментальных исследований не представляется возможным, так как конкретные реальные условия не всегда согласуются с условиями эксперимента. Все это в полной мере относится к оценке влияния микрогеометрии поверхностей на процесс их трения. Достоверно известно лишь то, что трение и износ деталей в значительной степени зависят от микрогеометрии поверхностей.
В настоящей статье приведены результаты исследований, задачами которых являлись:
— подтверждение или опровержение наличия так называемой „равновесной“ шероховатости на этапе установившегося износа трущихся поверхностей с помощью современных средств измерения;
— сравнение по результатам эксперимента информативности параметрических и непараметрических критериев оценки микрогеометрии поверхностей.
„Равновесная“ шероховатость. В середине ХХ в. проф. И. В. Крагельским было обнаружено явление, которое он назвал установившейся или „равновесной“ шероховатостью [1]. Суть этого явления заключается в том, что независимо от исходной шероховатости трущихся поверхностей их микрорельеф приобретает установившееся состояние. Шероховатость получила название „равновесной“ вследствие того, что в конце периода приработки поверхности параметры Ra и Rz остаются неизменными в процессе трения. Нужно признать, что в то время использовались стандартные критерии шероховатости, которые были доступны для измерения, так как не было реальной возможности провести более „тонкий“ эксперимент.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 9
Исследование изменения микрорельефа поверхностей
31
Методы описания микрогеометрии. В настоящее время известны два метода описа-
ния микрогеометрии поверхности: параметрический и непараметрический.
Первый метод сводится к использованию различных параметров профиля поверхно-
сти, чаще всего Ra, Rz. При этом на практике технологическое обеспечение функционального свойства поверхности заключается в достижении заданного значения параметра шерохо-
ватости. Практическая значимость параметрического метода наглядно демонстрируется
простым примером: см. рис. 1, где показаны два зеркально противоположных профиля
поверхностей (здесь Rmax — максимальная высота профиля — отклонение от нулевой линии т). Различие функциональных свойств данных поверхностей очевидно, а стандарт-
ные параметры одинаковы.
т т Rmax
тт Rmax
Рис. 1
Шероховатость каждой отдельной поверхности, как правило, нормируется только одним параметром (Ra или Rz), что не позволяет определить структуру рельефа поверхности, а следовательно, ее функциональные свойства.
К преимуществам данного метода относится простота описания, однако такое упрощение приводит к потере информации о микрорельефе. Таким образом, применение параметрического метода оценивания и контроля микрогеометрии практически исключает возможность ее оптимизации для конкретного функционального свойства поверхностей.
В 1980-х гг. проф. В. А. Валетовым была выдвинута идея непараметрического подхода [2], суть которого состоит в следующем:
— в качестве критериев оценки и контроля микрогеометрии поверхностей используются графические изображения различных функций: для точного оценивания предпочтительными являются графики функций плотности распределения ординат и тангенсов углов наклона профилей, а в пределе — графических изображений профиля или микротопографии поверхностей; при менее жестких требованиях достаточно использовать графические изображения опорных кривых профилей (кривых Аббота) или графиков функций распределения ординат или тангенсов углов наклона профилей;
— нормируются конкретные функциональные свойства поверхностей с присвоением им постоянных номеров и указанием этих номеров на знаках шероховатости;
— экспериментально определяются наилучший из возможных микрорельефов для конкретного функционального свойства поверхности и технология его получения;
— контроль микрогеометрии при серийном производстве осуществляется путем наложения графического изображения функции контролируемой поверхности на эталонное изображение этой функции.
Микрорельеф в процессе трения скольжения. Для изучения „поведения“ микрорельефа поверхностей в процессе их трения скольжения была разработана схема планируемого
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 9
32 Ю. С. Андреев, В. В. Медунецкий эксперимента (рис. 2). Суть эксперимента заключалась в испытаниях на машине трения образцов с различной исходной микрогеометрией поверхности [3].
Изготовление опытных образцов с различной исходной
микрогеометрией поверхности
Оценка исходной микрогеометрии поверхности
Испытания на машине трения
Оценка текущей микрогеометрии поверхности
Цикл заканчивается
при катастрофическом
износе
образцов
Анализ результатов
Рис. 2
В качестве образцов использовались пластины, изготовленные из стали 45 ГОСТ 1577-93,
и стержневые инденторы из стали 45-Н-Б ГОСТ 1051-73. Габаритные размеры пластин:
170×105×13 мм; стержней: D=11 мм, l=60 мм. Данные о способах получения образцов приве-
дены в табл. 1.
Таблица 1
Вид обработки
Образцы-стержни
Инструмент
Режим резания
Образцы-пластины
Инструмент
Режим резания
Концевая фреза, n=1600 об/мин, Концевая фреза, n=315 об/мин,
Ø40 t=0,1 мм, Ø40 t =0,1 мм,
Фрезерование Торцевая фреза,
S=25 мм/мин n=400 об/мин,
Торцевая фреза,
S=25 мм/мин n=400 об/мин,
Ø120
t =0,1 мм,
Ø120
t =0,1 мм,
S=80
S=80
Шлифовальный n=2800 об/мин, Шлифовальный n=2800 об/мин,
Шлифование
круг, Ø250
t =0,01 мм,
круг, Ø250
t =0,01 мм,
S=3,5 мм/проход
S=3,5 мм/проход
Подрезной резец n=800 об/мин,
t =0,1 мм,
Точение
Отрезной резец
S=0,015 мм/об
n=800 об/мин, t =0,1 мм,
—
S=0,015 мм/об
Дисковая пила,
n=40 об/мин,
Резка
Ø160
t =0,01 мм,
S=40 мм/мин
П р и м е ч а н и е : n — частота вращения, t — глубина резания, S — подача.
После изготовления образцов были проведены измерения на профилометре, в результа-
те которых были получены стандартные параметрические критерии оценки шероховатости Ra и Rz исходных рабочих поверхностей образцов, а также построены графики функций плотности распределения ординат и тангенсов углов наклона профилей.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 9
Исследование изменения микрорельефа поверхностей
33
Далее образцы испытывались на машине трения. В процессе ее работы совершается
возвратно-поступательное движение стержневых инденторов, установленных в подвижных
каретках, по плоским образцам-пластинам.
Согласно схеме эксперимента после каждого испытания на машине трения образцы
вновь подвергались измерениям на профилометре в целях оценивания изменений параметри-
ческих и непараметрических критериев.
В итоге был получен результат, аналогичный полученному проф. И. В. Крагельским: т.е.
по окончании периода приработки поверхностей настал период так называемой „установив-
шейся шероховатости“, характеризуемой постоянством параметров Ra и Rz. Действительно, данные параметры изменялись лишь в пределах погрешности измерения (см. табл. 2, где при-
ведены результаты испытаний для одного образца).
Таблица 2
Период
Длительность испытания, с, Количество
при нагрузке в 100 Н
циклов
Параметр Ra
Параметр Rz
Приработка
55
30
4,570
26,196
320
180
4,421
24,418
Установившаяся шероховатость
585 850 1390
330
3,962
21,803
480
3,920
21,812
780
3,941
21,765
Однако, как подсказывает здравый смысл, при контакте трущихся поверхностей микрорельеф неизменным быть не может. Это убедительно доказывают представленные на рис. 3, а, б соответственно графики плотности распределения ординат (Y) и тангенсов углов наклона
(tg ϕ) профиля по окончании каждого цикла испытаний для одной поверхности одного об-
разца, здесь W — параметр, характеризующий, насколько часто значения tg ϕ и Y фиксируются на исследуемой поверхности. Очевидно, что в этом случае значения плотностей распределения различны: это доказывает факт изменения микрорельефа поверхности в период установившейся шероховатости, причем данное изменение было зафиксировано на всех исследуемых поверхностях.
а) б) WW
2000
10000
1500 1000 500
8000 6000 4000 2000
0 –20 –10 0 10 20 30 40 50 60 Y, мкм
0 –4 –3,5 –3 –2,5 –2 –1,5 –1 –0,5 0 0,5 tg ϕ, рад
Рис. 3
Заключение. В ходе эксперимента было достигнуто постоянство параметрических кри-
териев Ra и Rz, т.е. наступление периода установившейся шероховатости, тогда как непараметрические критерии непрерывно изменялись. Построенные графики плотности распреде-
ления ординат и тангенсов углов наклона профиля подтверждают мнение о постоянном
изменении микрогеометрии поверхности в процессе трения скольжения.
В дальнейшем планируется существенно увеличить объем экспериментальных исследо-
ваний, в процессе которых может быть подтверждена или опровергнута гипотеза о цикличе-
ском характере изменения микрогеометрии трущихся поверхностей. В перспективе это по-
зволит коренным образом пересмотреть существующую систему нормативной документации
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 9
34 М. А. Голубчиков, Ю. П. Кузьмин
в области описания, технологического обеспечения и контроля микрогеометрии. Установив оптимальную микрогеометрию поверхностей трения, процесс их приработки можно будет свести к минимуму, что позволит существенно увеличить время работы изделий в целом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Крагельский И. В., Добычин М. Н., Комбалов В. С. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 344 с.
2. Валетов В. А., Мурашко В. А. Основы технологии приборостроения: Учеб. пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. 180 с.
3. Мусалимов В. М., Валетов В. А. Динамика фрикционного взаимодействия. СПб: ПИМаш, 2006. 168 с.
Сведения об авторах
Юрий Сергеевич Андреев
— аспирант; Санкт-Петербургский национальный исследовательский
университет информационных технологий, механики и оптики, ка-
федра технологии приборостроения; E-mail: luser3@yandex.ru
Виталий Викторович Медунецкий — аспирант; Санкт-Петербургский национальный исследовательский
университет информационных технологий, механики и оптики, ка-
федра технологии приборостроения; E-mail: medunezkij@yandex.ru
Рекомендована кафедрой технологии приборостроения
Поступила в редакцию 11.11.11 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 9