ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ДРЕВЕСНО-МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПОР СКОЛЬЖЕНИЯ

 

BASES of FORMATION of composite WOOD-metal materials FOR MANUFACTURING SUPPORT of SLIDING

 

Шевелева Е.В. (БГИТА, г.Брянск, РФ)

Sheveleva E.V. (БГИТА, Bryansk, the Russian Federation)

 

Рассмотрены принципы формирования композиционных древесно- металлических материалов для изготовления опор скольжения

Principles of formation of composite wood-metal materials for manufacturing support of sliding are considered

 

Ключевые слова:  композиционные материалы, опоры скольжения

Key words:  composite materials, support of sliding

 

Особенности строения древесины, разработанные технологии её модификации в сочетании со сравнительно низкой стоимостью делают этот материал перспективным для применения в качестве основы для создания композиционных материалов трибологического назначения.

Исследования показывают, что повышение работоспособности деталей из древесно-металлических материалов может быть достигнуто как за счет формирования благоприятной совокупности объемных характеристик, определяемых строением и свойствами отдельных структурных составляющих древесной матрицы и металлической фазы, так и путем управления свойствами функциональных поверхностных слоев, обеспечиваемых в основном условиями их обработки.

Объемная структура рассматриваемых материалов создается в процессе их проектирования и изготовления заготовок. При проектировании обосновываются основные триботехнические и физико-химические свойства подшипниковых материалов.

Структура поверхностных слоев и микрогеометрия контактирующих поверхностей определяют величину коэффициента трения и способность интенсивного отвода тепла с пятен фактического контакта в глубину материала.

В основу оптимизации факторов, определяющих работоспособность подшипниковых древесно-металлических материалов, положены следующие основные принципы.

Поскольку в подшипниковых узлах рекомендуется использовать разнородные материалы, то в качестве неметаллической составляющей целесообразно применять модифицированную древесину, обладающую совокупностью свойств, позволяющих сохранять необходимые эксплуатационные характеристики в условиях недостаточного смазывания, при проникновении абразива в зону фрикционного контакта, воздействии динамических нагрузок.

Однако уровень механических характеристик прессованной древесины и сравнительно невысокие допускаемые значения рабочих температур существенно ограничивают скорости и давления, реализуемые в подшипниках скольжения.

Для повышения долговечности модифицированого древесного антифрикционного материала за счет снижения температурного режима эксплуатации предлагается располагать в нем металлические теплопроводящие элементы различной формы, изготовленные из материалов, обладающих повышенной теплопроводностью и антифрикционностью. Наиболее перспективно использование металлических элементов, размещаемых в объеме материала вкладыша, поскольку в иных случаях получается материал с резко выраженной анизотропией свойств.

При выборе металлической фазы сферической формы возможно достижение ее более равномерного распределения в древесной матрице и обеспечение регулируемой ее концентрации по толщине вкладыша в зависимости от задаваемых условий эксплуатации.

Для повышения износостойкости необходимо обеспечить целесообразный выбор металлической и древесной составляющих композитов, способа модификации древесины, соотношение древесной и металлической фазы, провести оптимизацию состояния функционального поверхностного слоя (шероховатость, волнистость, погрешность формы и др.), а также предусмотреть функциональные элементы для концентрации и удаления из зоны трения загрязнений и продуктов износа.

Благоприятный уровень теплофизических характеристик обеспечивается за счет назначения оптимального химического состава металлической составляющей, породы древесины, направления ее волокон и характера модификации, а также рационального соотношения в древесно-металлическом материале древесной и металлической фазы.

На температурный режим работы узла существенное влияние оказывает коэффициент трения, определяемый помимо прочих факторов шероховатостью и волнистостью контактирующих поверхностей, а также соотношением на них древесной и металлической составляющих материала. Величина коэффициента трения при этом определяется режимом смазывания, в том числе и созданием условий для обеспечения протекания избирательного переноса.

Необходимый уровень диссипативных характеристик древесно-металлического подшипникового материала достигается выбором породы древесины, степенью ее уплотнения и насыщения металлической составляющей.

Таким образом, при создании новых древесно-металлических композиционных материалов необходим обязательный учет указанных факторов и их взаимосвязей для достижения необходимых эксплуатационных требований.

Одним из наиболее важных факторов при проектировании древесно-металлических композиционных материалов является выявление благоприятного уровня концентрации металлической фазы в объеме подшипникового материала и ее дисперсности.

При изготовлении подшипников скольжения с вкладышами из композиционного древесно-металлического материала теплоотводящие элементы целесообразно выполнять в виде металлических включений сферической формы различного диаметра в материале и распределять их по толщине вкладыша радиальными слоями с переменной концентрацией в каждом слое.

Исследования показали целесообразность выделения трех слоёв вкладыша, толщина которых составляет для наружного- 40 %, среднего- 20 %, внутреннего- 40 % толщины вкладыша. Диаметры металлических включений выбирается в интервале 0,5–4 мм. Это связано с тем, что частицы диаметром меньше 0,5 мм сложно имплантировать, а при диаметре больше 4 мм возможно разрушение древесной основы подшипника.

Металлические включения максимальных диаметров должны быть расположены в слое, прилегающем к внутренней поверхности подшипника и находиться в непосредственном контакте с валом. По мере приближения слоя к внешнему диаметру вкладыша диаметр и объёмная концентрация металлических элементов должна уменьшаться. Так как максимальная рабочая температура находится в зоне контакта подшипника с валом, а распределение включений зависит от распределения температуры, то, по мере удаления от зоны контакта рабочих поверхностей, количество металла и диаметр теплоотводящих элементов уменьшается.

Концентрация металлических частиц должна быть больше или равна концентрации, обеспечивающей максимальный теплоотвод, и меньше или равна концентрации, после достижения которой демпфирующие свойства остаются стабильными.

Значение максимальной теплопроводности древесно-металлического вкладыша обеспечивается, если металлическая фаза образует сплошной каркас, т.е. межцентровое расстояние должно быть меньше или равно диаметру частиц включений. Однако создание таких материалов весьма затруднительно, поэтому целесообразно задать условия, когда межцентровое расстояние будет больше диаметра частиц включений, а значение коэффициента межцентрового расстояния частиц включений равным 1,5–3,0.

Особые требования к заданию благоприятных угловых характеристик режущих инструментов предопределяются необходимостью обеспечения условий перерезания структурных составляющих, в значительной степени отличающихся по своим свойствам. После обработки материала на поверхности формируются выступы металлической фазы, которые являются основными несущими элементами подшипника скольжения. Таким образом, появляется дополнительная возможность управления фрикционными характеристиками поверхности композиционного подшипникового материала. Характер протекания процесса  резания определяется степенью закрепления металлической фазы в матрице, сопротивлением имплантированного металла срезанию, величиной касательной силы резания, определяемой прочностными характеристиками материала, уровнем срезания частицы и угловыми характеристиками используемых инструментов.

Площадь металлической составляющей на поверхностях фрикционного контакта древесно-металлических вкладышей в значительной степени определяется размерами металлической фазы, глубиной ее расположения от обрабатываемой поверхности заготовки и величиной снимаемого припуска.

Выполненные исследования показали целесообразность использования древесно-металлических композиционных материалов для вкладышей подшипников скольжения деревообрабатывающего оборудования. Предлагаемые материалы с повышенными триботехническими свойствами рекомендуется использовать в узлах трения, подверженных воздействию динамических нагрузок, действию абразива в зоне контакта, воспринимающих вибрации и.т.д.