методика испытаний плоских поверхностей деталей машин на сопротивление действию контактных усталостных нагрузок

 

Соловьев Д.Л. (Муромский институт ВлГУ, г. Муром, РФ), Киричек А.В. (ОрелГТУ, г. Орел, РФ), Баринов С.В. (Муромский институт ВлГУ, г. Муром, РФ), Силантьев С.А. (Муромский институт ВлГУ, г. Муром, РФ), Сидоренко В.В. (Муромский институт ВлГУ, г. Муром, РФ)

 

The presented methods of the test the flat surfaces of the machines parts on resistance action contact periodic of the loads. Designed methods helps to define efficiency of the using different type hardening processing in condition greatly drawn near to working.

 

Выход из строя большого числа деталей машин, работающих в условиях контактно-усталостного нагружения, происходит вследствие появления локальных выкрашиваний на их рабочих поверхностях. К таким деталям относятся зубчатые колеса, элементы подшипников качения, червячных, гипоидных, винтовых, цепных и глобоидальных передач, направляющих и шлицевых соединений, кулачковых механизмов и т.д. Резервы повышения их долговечности заключаются в технологическом обеспечении необходимых механических характеристик поверхностного слоя, воспринимающего циклические контактные нагрузки. Для этого широко используют упрочняющую обработку, которой создают поверхностный слой с высокой твердостью и большой толщиной. Достаточно хорошо зарекомендовал себя упрочненный поверхностный слой, в котором чередуются участки высокой и низкой твердости – гетерогенной структурой [1, 2]. Возможность применения той или иной упрочненной структуры определяется условиями эксплуатации. Чтобы определить необходимость применения определенной упрочняющей обработки необходимо проведение соответствующих испытаний, условия которых должны максимально соответствовать реальным условиям работы упрочняемой детали.

Анализ существующих испытательных машин, воспроизводящих действие контактных циклических нагрузок [3, 4], показал, что кинематика имитации работы цилиндрической поверхности обычно основывается на ее вращательном движении. При испытаниях плоской поверхности часто необходимо создавать как вращательное (например, кольца упорных подшипников), так и поступательное (например, рельсы и направляющие) движение поверхности, что позволяет исследовать влияние большего количества эксплуатационных параметров. Однако существующие экспериментальные комплексы для исследований контактно-усталостного изнашивания плоских поверхностей обычно имеют достаточно узкую специализацию.

Авторами разработан экспериментальный стенд для испытаний контактно-усталостного изнашивания плоских поверхностей (рис. 1), который может быть установлен на сверлильных и вертикально-фрезерных станках. Рабочими элементами стенда являются шары 6, устанавливаемые в текстолитовом сепараторе 5. Конструкцией стенда предусмотрено несколько рядов шаров, что позволяет формировать на поверхности образцов одновременно несколько дорожек качения. За счет размещения восьми шаров на одной дорожке качения можно значительно сократить длительность испытаний.

Рисунок 1 – Стенд для испытаний материала на действие локальных циклических контактных нагрузок:
1 – конус; 2 – оправка; 3 – верхний образец с упрочненными областями; 4 – нижний образец с упрочненными областями; 5 – сепаратор; 6 – шары; 7 – шайба; 8 – болт центральный; 9 – гайка; 10 – болты;  11 – шпиндель станка

 

Испытания проводятся следующим образом. Через конус 1 стенда верхний образец 3 с упрочненными областями за счет вертикального перемещения шпинделя станка поджимается к нижнему 4, через шары 6, установленные в сепараторе 5. Сила поджатия пропорциональна силе нажатия на рукоятку ручного перемещения шпинделя станка, которая регулируется подвешиваемыми к ней грузами. Включается вращение шпинделя с заданной частотой, при этом шары совершают круговое обкатывающее движение по поверхности верхнего и нижнего образца. В зону контакта шаров с испытуемой поверхностью может осуществляться регулярный подвод индустриального масла. При достижении заданного числа циклов контактного нагружения, испытания завершаются, образцы 3 и 4 извлекаются из стенда и подвергаются лабораторным исследованиям.

При проведении исследований, кроме определения влияния различных способов и режимов упрочняющей обработки на действие контактных усталостных нагрузок, также может быть установлено влияние давления в пятне контакта, соотношения качения проскальзыванию, скорости качения, количества и типа смазки подаваемой в зону контакта. Кроме того, при использовании данной конструкции стенда может быть снижена длительность испытаний за счет возможности осуществлять за один оборот обкатника восемь циклов нагружения и испытания при одинаковых условиях могут проводиться одновременно на нескольких упрочненных участках (от 8 до 16).

Для исследований влияния контактных усталостных нагрузок на поведение упрочненного и неупрочненного материала разработана специальная методика, которая из следующих этапов:

- механическая обработка упрочненной поверхности для достижения одинаковой шероховатости, чтобы исключить ее влияние на результаты испытаний;

- установка образцов на экспериментальный стенд;

- проведение испытаний, после прохода каждых 1·10⁵ циклов нагружения испытания останавливаются и производится осмотр дорожек катания с целью выявления износа, критерием остановки испытаний будет появление выкрашиваний, размер которых не менее половины малой полуоси расчетного пятна контакта испытуемой поверхности и контртела [5];

- очистка от масла образцов после испытаний;

- нанесение на образцах контуров границ участков с упрочненным слоем;

- разбиение дорожек катания шаров на сектора, размеры которых не превышают поле захвата линзы большого инструментального микроскопа БМИ-1;

- фотографирование образцов по выделенным секторам через объектив микроскопа БИМ-1 при увеличении 1×50 с разрешением 7 Мпк, с помощью микроскопа также проводится измерение линейных размеров разбитых секторов образцов с помощью встроенных микрометров с точностью 0,001 мм;

- получение изображения секторов, используя их цифровые фотографии (рис. 2) и значения их линейных размеров, в масштабе 1:1 в программе Компас V8;

- обведение границы секторов и выкрашиваний поверхности на полученных изображениях (рис. 3), по обведенным контурам определяются их размеры, количество и площади;

- оценка для каждой упрочненной области: площади выкрашиваний, площади дорожки качения, количества выкрашиваний, максимальных и минимальных площадей выкрашиваний.

Разработанная методика была апробирована при проведения испытаний плоских образцов из стали 45, упрочненных статико-импульсной обработкой (СИО) поверхностным пластическим деформированием (ППД) [6]. Испытания проводились при частоте вращения 250 об/мин. Создаваемое контактное давление на поверхности испытуемых образцов было равно 340 Н/мм², при условии, что предел текучести стали 45 равен 360 Н/мм², т.е. испытания носили форсированный характер. Количество циклов до остановки испытаний одного образца составило 1∙10⁶, время испытаний одного образца – 16,6 часов. В ходе эксперимента было испытано 150 упрочненных дорожек, полученных при различных режимах упрочнения СИО. Окружная скорость обкатывания образцов изменялась в диапазоне от 1,03 м/с до 1,49 м/с. Испытания проводились при различной  площади  контакта 0,088 мм² и 0,191 мм², создаваемой шарами соответственно Ø8,9 и Ø19 мм при одинаковом давлении [2].

В результате проведения испытаний установлены режимы СИО создающие упрочненный поверхностный слой, повышающий долговечность до 6 раз.

 

 

Рисунок 2 – Исследуемая поверхность образца при увеличении 1×50

 

Рисунок 3 – Контуры выкрашиваний для оценки их площади

 

Литература

1.     Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Создание гетерогенной структуры материала статико-импульсной обработкой // СТИН. -2007.- №12.-С.28-31.

2.     Соловьев Д.Л., Киричек А.В., Баринов С.В. Повышение долговечности деталей машин созданием гетерогенно наклепанной структуры// Тяжелое машиностроение. -2010.- №7.- C.3-7.

3.     Влияние внешних факторов на контактную прочность при качении // С.В. Пинегин, И.А. Шевелев, В.М. Гудченко и др. / Наука, 1972. -102 с.

4.     Орлов А.В., Черменский О.Н., Нестеров В.М. Испытания конструкционных материалов на контактную усталость. –М.: Машиностроение, 1980. -110 с.

5.     Р 50-64-30-87. Расчеты и испытания на контактную прочность. Методы испытаний на контактную усталость. -М.: 1988. -122 с.

6.     Киричек А.В., Соловьев Д.Л. Технология и режимы упрочнения статико-импульсной обработкой. // Справочник. Инженерный журнал. -2003.- № 2.- С.17-19.

 

Исследования выполнены при поддержке гранта МД-5864.2010.8