Исследование коэффициента трения титановых и инструментальных сплавов. Сухое и граничное трение

В настоящее время в современном производстве наблюдается устойчивая тенденция, направленная на усложнение промышленных изделий и использование материалов, вызывающих определенные сложности при механической обработке. Также возрастают скорости обработки деталей, из-за которых наблюдается повышенный износ инструмента, высокие температуры в зоне резания.

Высокие температуры в зоне резания могут привести к структурнофазовому превращению материала заготовки, что повлияет на прочностное характеристики изделия. Силы резания, в совокупности с температурой являются управляющим фактором, от которого зависят не только остаточные напряжения, возникающие в поверхностном слое изделия. В свою очередь качество поверхностного слоя изделия зависят не только от остаточных напряжений, но и от геометрических параметров, которые склонны к ухудшению в результате износа режущего инструмента [1].

В авиационной и космической отраслях широко используются титановые сплавы, которые, как известно, являются труднообрабатываемыми [1]. А это значит, что процесс механической обработки титановых сплавов требует углубленного исследования.

Тепло, которое образуется в зоне резания, частично вызвано трением инструмента о заготовку и о стружку [1, 2]. Коэффициент трения пары инструмент-заготовка и входит в перечень важных данных, необходимых для вычисления

Евдокимов Дмитрий Викторович, аспирант.

Олейник Максим Андреевич, магистр.

температурных полей, сил в зоне резания, остаточных напряжений или износа режущего инструмента по разработанным методикам (например, методики [3, 4, 5, 6]).

В статье предложены результаты обработки проведенного натурного эксперимента по определению коэффициента трения между титановыми сплавами и твердым сплавом в условиях подачи СОЖ и без нее.

ПЛАНИРОВАНИЕ И ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

Эксперимент был проведен на автоматическом трибометрическом комплексе CSM Instruments TRB . Установка позволяет варьировать относительной скоростью движения тел пары трения, а также усилием их прижатия друг к другу. Трибометр проводит испытания по стандарту ASTM G99 “Standard Test Method for wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus” . Схема измерений приведена на рис. 1, где образец

Рис. 1. Схема проведения измерений

1 – шар, выполненный из материала ВК8, прижатый с усилием F (Н) к образцу 2, изготовленному в виде диска, выполненного из титанового сплава ВТ6/ВТ9/ОТ4 вращающемуся с частотой n (мин^-1). В случае граничного трения, в систему подается СОЖ Blasocut 4000 CF (концентрация 10 %, которая часто используется в случаях фрезерования титановых сплавов). Скорость V (м/ мин) рассчитывалась следующим образом:

V = л-D-n, где D – диаметр трения.

Диаметр твердосплавного шара составлял 12 мм, а образцов, выполненных из титанового сплава – 30 мм, что было обусловлено местом крепления дисков в испытательной установке. Значения фактической шероховатости продемонстрированы в таблице 1.

Таблица 1. Шероховатость образцов

Материал образца	Образец	Шероховатость
		Ra, мкм	Rz, мкм
ВТ6	1	1,15	8,73
	2	1,02	7,92
	3	1,11	8,38
ВТ9	1	0,82	6,22
	2	0,85	7,81
	3	0,81	6,18
0Т4	1	1,00	7,45
	2	1,08	9,10
	3	1,03	7,07

Так, как экспериментальная установка позволяет варьировать две величины в ходе эксперимента, была использована матрица планирования полнофакторного эксперимента с двумя переменными и отражена в таблице 2.

Таблица 2. Матрица планирования двухфакторного эксперимента

№ опыта	Факторы
	x 0	x 1	x 2
1	+	+	+
2	+	-	+
3	+	+	-
4	+	-	-
5	+	0	0

Ниже представлены таблицы (табл. 3, 4), где указаны величины силы прижатия P и скорости относительного движения υ , которые были применены в опытах.

Также стоит отметить, что эти величины были выбраны исходя из рабочих диапазонов управляющих параметров экспериментальной установки.

Таблица 3. План эксперимента с числовыми значениями варьируемых параметров

Условия планирования
	v , м/мин	P , н
Основной уровень	32	14
Интервал варьирования	20	12
Верхний уровень	52	26
Нижний уровень	12	2

Таблица 4. Матрица плана с числовыми значениями варьируемых параметров

Матрица плана эксперимента
№ опыта	v , м/мин	P , Н
1	52	26
2	12	26
3	52	2
4	12	2
5	32	14

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ВЫВОДЫ

В ходе проведения эксперимента было отмечено, что за счет высокой адгезии СОЖ с образ- цами происходило налипание микростружки на беговых дорожках образца, что способствовало росту коэффициента трения. Образцы после испытаний представлены на рисунке 2.

Рис. 2. Образец после испытаний и с использованием СОЖ. Общий вид (слева) и вид сверху (справа)

Полученные результаты опытов были обработаны. Данные были подвержены проверке точности проведения опытов, проверке нуль-гипотезы, проверке адекватности модели и т.д. В итоге были получены эмпирические зависимости, позволяющие получать величины коэффициента трения в зависимости от скорости движения, усилия прижатия и наличия СОЖ в зоне трения. Ознакомиться с ними возможно в таблице 5.

Полученные зависимости получены чётко по результатам эксперимента. Их рекомендуется использовать при расчетах по компьютерным математическим моделям величин остаточных напряжений, получаемых в поверхностном слое изделия при механической обработке, температурных полей и сил, возникающих в зоне резания.

Таблица 5. Эмпирические зависимости

Мате р иал

При подаче С О Ж р = 1,357 v -0' ³¹⁵ Р -0' ¹⁶⁶

В Т 9

Без. подачи СО Ж р = 0 ,007 v 0' ⁷³⁴ Р ⁰ - ¹⁷⁴

В Т 6

р = 0,167 v ⁰ - ⁰⁶³ Р ⁰ - ⁰³¹

р = 0 ,170 v ⁰ ,2 ⁶⁵ Р -0, ¹²⁴

ОТ4

р = 1,027 v "°, ¹⁹⁷ Р -°,2 ⁵⁶

р = 0 ,335 v 0, ¹²⁶ Р -0, ¹¹²