способ определения стойкостных характеристик упроченных поверхностей деталей и инструмента

Формула изобретения

Способ определения стойкостных характеристик упрочненных поверхностей деталей и инструмента, заключающийся в том, что контртело с упрочненной испытуемой поверхностью размещают на установочном звене, приводят его в контакт с цилиндрическим образцом заготовки, имеющим продольные пазы, с эксплуатационным усилием поджима, вращают образец и определяют стойкостную характеристику поверхности деталей и инструмента, отличающийся тем, что контактные нагрузки имеют циклический характер, при этом нагрузку меняют ступенчато, после чего стойкостную характеристику поверхности деталей и инструмента определяют исходя из зависимости

N=(a(q))L²+(b(q))L+(c(q)),

где q - контактная нагрузка на каждой ступени нагружения;

L, N - путь трения и число циклов нагружения, которые может выдержать упрочненная поверхность до разрушения;

a(q), b(q), c(q) - aппроксимационные коэффициенты для данного типа поверхности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано при стойкостных испытаниях упрочненных поверхностей деталей и инструмента, работающих в условиях циклического нагружения.

Известен способ определение стойкостных характеристик для деформирующихся поверхностей, находящихся в действии закона контактных циклических нагрузок, заключающийся в том, что контртело из материала инструмента размещают на установочном звене, приводят его в контакт с цилиндрическим образцом заготовки с эксплуатационным усилием поджима, вращают образец, перемещают контртело в направлении оси образца с эксплуатационными скоростями и определяют стойкостную характеристику инструмента, используют образец с винтовыми и продольными пазами, в качестве установочного элемента используют разнесенные опоры путем изменения расстояния, между которыми регулируют эпюру напряженного состояния контртела в цикле, а контакт контртела с образцом осуществляют по выступу последнего [АС 1795347, опубл. 15.02.93. Бюл. №6].

Недостатком указанного способа является то, что он применим для определения стойкостных характеристик деформирующихся поверхностей, находящихся в действии закона контактных циклический нагрузок, но не свойственно для упрочненных поверхностей, работающих при контактных, циклических нагрузках без пластической деформации, а также сложность обработки полученных данных и их применение в инженерной практике.

Технической задачей изобретения является увеличение точности и снижение трудоемкости определения стойкостных характеристик.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения стойкостных характеристик упрочненных поверхностей деталей и инструмента, заключающемся в том, что контртело с упрочненной испытуемой поверхностью размещают на установочном звене, приводят его в контакт с цилиндрическим образцом заготовки, имеющей продольные пазы, с эксплуатационным усилием поджима, вращают образец и определяют стойкостную характеристику упрочненной поверхности деталей и инструмента, т.е. количество циклов при заданной нагрузке, которое выдерживает поверхность до предельного износа, проявляющееся в виде появления микротрещин, выхода из поля допуска посадок, потери начальной геометрии деталей и инструмента, новым является то, что контактные нагрузки имеют циклический характер, при этом нагрузку меняют ступенчато, после чего стойкостную характеристику поверхности деталей и инструмента определяют, исходя из зависимости

N=(а(q))L²+(b(q))L+(с(q)),

где q - контактная нагрузка на каждой ступени нагружения;

L, N - путь трения и число циклов нагружения, которые может выдержать упрочненная поверхность до разрушения;

а(q), b(q), с(q) - аппроксимационные коэффициенты для данного типа поверхности.

На фиг.1 показана схема реализации заявляемого способа.

Способ реализуется следующим образом. Используется цилиндрический образец 1 с продольными пазами 2. Образец вращается со скоростью , контртело 3 с упрочненной испытуемой поверхностью размещается в установочном звене 4. Контртело 3 прижимается к образцу с усилием Р, которое приравнивается к эксплуатационному давлению на поверхность детали.

Испытания каждого образца осуществляют до тех пор, пока его упрочненная рабочая поверхность не потеряет свои эксплуатационные качества, которые зависят от рода упрочнения и от условий работы реальной детали и инструмента, может проявляться в виде недопустимо большого износа: появления микротрещин, выход из поля допуска посадок, потеря начальной геометрии деталей и инструмента.

По полученным экспериментальным данным при разных нагрузках для испытуемой поверхности строится график функции F(N,L)=0 (фиг.3). После чего данные функции аппроксимируется в виде N=aL²+bL+с, а аппроксимационные коэффициенты вводятся в виде зависимости а(q), b(q), с(q).

Цель испытаний заключается в определении стойкости испытуемой поверхности при циклическом нагружении, которая зависит от числа циклов нагружения (N), причем под одним циклом мы понимаем период нагружения контртела при его взаимодействии с поверхностью цилиндрического образца между двумя соседними продольными пазами, таким образом контртело за один цикл пройдет путь L’,

и суммарного пути трения (L), т.е. является функцией двух этих параметров F(N,L)=0. Поэтому данной функции в системе координат (N,L) соответствует некоторая предельная кривая фиг.2.

При усилии прижима q2>q1 кривая располагается ниже. При q1>q3 кривая располагается выше.

Выше этой предельной кривой эксплуатация поверхностного слоя в максимально тяжелых условиях работы невозможна. Ниже этой кривой расположена область надежной работы поверхностного слоя.

Таким образом, были получены кривые для покрытия TiN+ZrN (7.5%) толщиной 7 мкм, напыленного на заготовку из стали 45. Построены стойкостные диаграммы при различных контактных давлениях. Также варьировалась и длина пути трения один цикл деформирования L. Для этих хрупких покрытий в качестве критерия износа принималось появление микротрещины.

Результаты представлены на фиг.3. Видно, что при различных контактных давлениях кривые имеют качественно одинаковый характер. Чем больше суммарный путь трения, т.е. L - велико, тем меньше число циклов работы выдерживают испытуемая поверхность. При малом суммарном пути трения, т.е. L - мало, предельное число циклов нагружения сильно зависит от уровня контактного давления, а при отсутствии циклики путь трения также меняется при изменении контактного давления от 4000 м при q=1.6 ГПа до 9000 м при q=0.7 ГПа. Аппроксимируя кривые F(N,L)=0 (фиг.3) получим следующие уравнения:

при

q=0,7 ГПа N₁=1,5610^-4L²-1,9016L+3900;

q=1,2 ГПа N₂=2,2510^-4L²-1,902L+3300;

q=1,6 ГПа N₃=5,1210^-4L²-2,6L+2200.

Чтобы в целом определить стойкость поверхности детали и инструмента, работающего в условиях циклического нагружения при разных нагрузках, необходимо ввести зависимость аппроксимационных коэффициентов от нагрузки

а=6,4410^-4q²-1,085·10^-3q+6·10^-4;

b=-1,938q²+3,6814q-3,52896;

с=-1722,3q³+2072,3q+3293,4.

В итоге получили аналитическую зависимость стойкостной характеристики при циклическом нагружении покрытия TiN+ZrN (7.5%) толщиной 7 мкм, напыленного на заготовку из стали 45.

N=(6,44·10^-4q²-1,08510^-3q+610^-4)L²+

(-1,938q²+3,6814q-3,52896)L+

(-1722,3q²+2072,3q+3293,4).

Полученная характеристика наиболее точна и оптимальна для контактных нагрузок из диапазона q=0.5-2 ГПа. Данный способ можно использовать в инженерной практике при эксплуатации восстановленных или упрочненных поверхностей деталей и инструмента.