Технические науки/8. Обработка материалов в машиностроении

К.т.н. Зелинский В.В., аспирант Борисова Е.А.

Муромский институт (филиал) ФГБОУ ВПО "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и

Николая Григорьевича Столетовых", Россия

Механизм влияния магнитного поля на износ

режущих инструментов

Одним из перспективных физических методов модифицирования режущей части инструментов является их обработка магнитным полем (ОМП). Несмотря на имеющийся эффект ОМП, механизм и факторы его влияния на величину износа до сих пор недостаточно изучены. Поэтому применяемые на практике технологии ОМП не дают надежного результата. Это сдерживает широкое применение данного метода.

Авторами проводилось разностороннее изучение опыта эксплуатации и экспериментальных исследований по изнашиванию большой номенклатуры инструментов с учетом конструктивных и технологических факторов. В результате установлены [1] преобладающий вид и причины изнашивания режущих инструментов, выявлены причинно-следственные связи и соотношение общего износа инструмента с причинами его возникновения. Выявлено, что доля причин изнашивания адгезионной природы может составлять до 85%. Поэтому, с учетом уже установленного на практике существенного (до 3,5 раз) снижения износа инструментов после ОМП, выдвигается гипотеза о противоадгезионной природе этого метода.

Целью данной работы является экспериментальные исследования влияния импульсного режима ОМП на величину износа в трибосистеме инструментальный материал-обрабатываемый материал при адгезионном изнашивании в условиях однофакторного эксперимента с разработкой подходов к моделированию влияния ОМП.

В экспериментах использовалась модернизированная машина трения типа МИ, предусматривающая испытания по схеме трения «ролик-образец». Образцы, в форме прямоугольной призмы изготавливались из сталей ХВГ и Р6М5, с соответствующей термообработкой. Контртелом для каждого образца служил отдельный ролик из закаленной стали 40Х. Величина износа образцов оценивалась по убыли веса, устанавливаемой взвешиванием на аналитических весах. Уровень опытной нагрузки для всех образцов составлял 300 Н. Для намагничивания применялась установка, излучающая магнитное поле напряженностью 400 кА/м. На образцы воздействовали внешним магнитным полем с количеством импульсов от 1 до 7, с длительностью импульса 2 секунды. По одному образцу каждой стали намагничиванию не подвергались и являлись контрольными. По результатам экспериментов построены графики зависимости величины износа образцов от количества импульсов воздействия магнитным полем (рис.1), на которых четко прослеживается устойчивое снижение величины износа с увеличение числа импульсов магнитного воздействия, с постепенным ослаблением его влияния, предположительно, связанное с магнитным насыщением материала образцов.

а б

Рис.1. Зависимость величины износа

от количества импульсов магнитного воздействия n и длительности трения t;

а – сталь ХВГ (1 – t = 30 мин, 2 – t = 60 мин, 3– t = 90 мин, 4 – t = 120 мин, 5 – t = 150 мин),

б – сталь Р6М5 (1 – t = 60 мин, 2 – t = 120 мин, 3– t = 180 мин).

Одним из подходов к анализу результатов по изнашиванию является подход, основанный на уравнении Арчарда, полученном в результате математического моделирования процесса адгезионного изнашивания. Для принятых условий экспериментов уравнение изнашивания принимает вид [2].

, (1)

где - безразмерный коэффициент адгезии, γ – плотность материала частиц износа, А – площадь трущегося контакта, V – скорость скольжения, q – контактное давление, Н - твердость материала образца, t – длительность трения.

Анализ уравнения показывает, что при постоянных значениях γ, А, V, q, и Н (реализованных в опытах с одинаковой длительностью трения t) величина весового износа m определяется только значением коэффициента адгезии K_a. Такой вывод приводит к предположению о том, что намагничивание придает образцам некоторые новые свойства, которые и оказывают влияние на адгезионное взаимодействие модифицированных образцов с контртелом. Следовательно, коэффициент адгезии K_a в уравнении изнашивания является наиболее сильным внутренним фактором процесса изнашивания.

Для развития данного предположения были проведены опыты по определению зависимости остаточной намагниченности от количества импульсов воздействия внешним полем. С этой целью подвергали намагничиванию по 3 образца исследуемых сталей по режимам с количеством импульсов 3, 6, 9 и 15 с одинаковой длительностью 2 сек. При помощи магнитометра измеряли напряженность остаточного магнитного поля Н торцевых поверхностей намагниченных образцов, которые в последующих опытах являлись поверхностями трения.

Из результатов измерения, представленных на рисунке 2 следует, что с увеличением количества импульсов воздействия внешним магнитным полем уровень остаточной магнитной индукции В (и, следовательно, напряженности остаточного магнитного поля) на поверхности трения образцов устойчиво возрастает с некоторым ослаблением при больших количествах импульсов. Сопоставляя зависимости износа т и остаточной магнитной индукции В от количества импульсов воздействия внешнем магнитным полем очевидно, что по мере накачки материала образцов энергией магнитного поля одновременно происходят два процесса: повышение остаточной магнитной индукции и снижение величины износа.

Рис.2. Зависимость остаточной магнитной индукции торцевых поверхностей о

бразцов-призм от количества импульсов воздействия внешним магнитным полем

(1 – образец из стали ХВГ; 2 – образец из стали Р6М5; n = 0 – без ОМП)

Преобразование графических зависимостей в аналитические функции при помощи компьютерной программы MathCAD, а также анализ полученных функций позволил сделать вывод о том, что процесс накопления магнитной индукции заметно отстает от процесса снижения износа. Значит, по мере накачки материала энергией одновременно на процесс изнашивания оказывает влияние другой противоизносный фактор, по нашему мнению, противоадгезионной природы и на его проявление также расходуется часть накачиваемой энергии. При этом накопление магнитной индукции в материале является способствующим и необходимым процессом. Следовательно, остаточную намагниченность можно рассматривать как новое приобретенное свойство материала, способствующее снижению износа, например, по механизму противоадгезионной природы, и ответственного за коэффициент K_a в формуле 1.

Обобщая вышесказанное в свете энергетического взаимодействия при трении структурных составляющих сопряженных кристаллических решеток [3], можно предположить, что остаточное магнитное поле образца вместе с частью энергии фрикционных явлений поддерживает сохранность на поверхности трения некоторой электронной системы с измененным энергетическим уровнем. Изменение энергии электронной системы вызвано воздействиями внешним магнитным полем. Такая система более устойчива к образованию химических связей, обусловливающих адгезию, чем система с исходным уровнем энергии. Она возникает и осуществляет защитные функции благодаря нормируемому распределению поставляемой энергии внешнего магнитного поля в соответствии с квантовомеханической теорией строения атомов.

По результатам работы можно сделать следующие выводы.

1. Изучаемые стали предрасположены к повышению износостойкости применением ОМП, кратность снижения износа составила для стали ХВГ от 2,9 до 3,6, для стали Р6М5 – от 2,42 до 2,66.

2. Впервые установлена взаимосвязь износа намагниченных сталей и уровня их остаточной намагниченности.

3. Предложены новые принципы эффекта снижения износа в результате ОМП и установлен один из режимных факторов влияния - количество импульсов воздействия магнитным полем с оптимальным значением 6…7.

Литература:

1. Зелинский В.В. Борисова Е.А. Установление преобладающих видов и причин изнашивания режущих инструментов // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности, № 2(12), 2012, с. 55-60.

2. Зелинский В.В., Борисова Е.А. Исследование износостойкости инструментальных сталей / Под общей редакцией Е.А. Памфилова. Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции. Выпуск 18. – Брянск: БГИТА, 2013, с.37-41

3. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника) / А.В. Чичинадзе, Э.М. Берлинер, Э.Д. Браун и др.; Под общ. ред. А.В. Чичинадзе.- М.: Машиностроение, 2003.- 576 с.