СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛА НА АБРАЗИВНОЕ ИЗНАШИВАНИЕ Российский патент 2016 года по МПК G01N3/56 

Изобретение относится к испытаниям материалов на износ и может быть использовано при оценке износостойкости образца из любого материала при действии на них абразивных частиц.

Известно большое количество схем, способов и устройств, позволяющих проводить испытания материалов на износостойкость. Например, способ с применением радиоактивных индикаторов износа [Скорынин Ю.В. Ускоренные испытания деталей машин и оборудования на износостойкость. - Минск: Наука и техника, 1972. - 160 с.), заключающийся в том, что одна из трущихся поверхностей трибосопряжения предварительно активируется радиоактивным изотопом, а затем регистрируется активность смазочного материала или оценивается перенос вещества с активированной поверхности на неактивированную. Однако реализация этого способа требует специальной радиометрической аппаратуры, повышенной квалификации исполнителей и соответствующих организационных мероприятий, существенно осложняющих его широкое применение [1].

Известны и другие способы оценки износостойкости, в частности метод искусственных баз, заключающийся в вычислении расстояния от поверхности трения до дна углубления, искусственно сделанного на этой поверхности и закономерно суживающегося ко дну. Ось углубления расположена перпендикулярно к поверхности трения, и линейный износ поверхности определяют в направлении этой оси.

Однако для его использования требуется предварительное нанесение углублений (как правило, вдавливанием алмазного конуса, шарика, высверливанием, вырезанием лунок) (см. http://stroy-technics.ru/article/metody-opredeleniya-iznosa-detalei-mashin), которые нарушают геометрию контактирующих поверхностей и могут влиять на характер и изнашивания [2].

Наиболее близким к предлагаемому способу по совокупности признаков является способ испытания материалов на абразивное изнашивание (см. ГОСТ 17367-71. Металлы. Метод испытания на абразивное изнашивание при трении о закрепленные абразивные частицы), заключающийся в том, что осуществляют трение скольжения сравниваемых образцов при заданных нагрузке и скорости об абразивную шкурку, определяют их линейные износы и рассчитывают относительную износостойкость [3].

Недостатком вышеуказанных способов является малая производительность при исследовании материалов с высокой твердостью (например: твердые сплавы). Так, при низких нагрузках (до 3 Н) во время испытаний для получения заметных величин износа требуется значительное время. В то же время увеличение нагрузки может привести к разрушению (соскабливанию) абразивного слоя, либо разрыву основы абразивной шкурки (бумага, полотно и т.п.), что затрудняет проведение испытания материалов с высокой твердостью.

Целью изобретения является повышение производительности испытаний и обеспечение равномерности изнашивания образцов.

Задача повышения производительности и обеспечения равномерности изнашивания образцов решается за счет того, что в способе испытания материала на абразивное изнашивание, который включает изнашивание образца по закрепленному абразиву и измерение его износа, образцу сообщают дополнительное вращение вокруг собственной оси с числом оборотов n, устанавливаемым из условия:

где D - диаметр образца, мм;

S - поступательное перемещение образца, мм/с;

К≥1 - кинематический фактор.

Это приводит к увеличению производительности испытаний - т.е. к снижению времени испытаний. Кроме того, дополнительное вращение может служить фактором управления интенсивностью изнашивания за счет изменения (выбора) соотношения скоростей поступательного и вращательного движения образца.

Предлагаемый способ позволяет повысить максимальную нагрузку на образец без разрушения основы шкурки (бумага, полотно), что также способствует ускорению процесса испытаний.

Опытным путем определено, что при такой схеме изнашивания на торцах испытуемых образцов практически полностью исчезает «натягивание или наплыв» материала, имеющий место при известной схеме испытаний, особенно заметной на пластичных материалах. Вместе с тем это обеспечивает более равномерный износ трущейся поверхности образца, а значит, позволяет добиться более высокой повторяемости результатов. Равномерность изнашивания особенно важна для образцов самой технологичной - цилиндрической формы, т.к. при линейном поступательном движении абразивные зерна проходят различные пути по поверхности круга. Так максимальный путь трения (микрорезания) проходят зерна, пересекающие образец по линии диаметра, а минимальный - на крайних участках образца. Вращение нивелирует эти различия, позволяя более равномерно и полно использовать режущие свойства абразивного материала.

Способ реализуется следующим образом:

1. изготавливают опытный образец из тестируемого материала;

2. рабочую поверхность образца подвергают приработке для достижения ее плотного прилегания к абразивной поверхности;

3. измеряют исходный размер L₀ испытуемого образца;

4. образец с держателем устанавливают на машину трения и производят изнашивание при заданных режимах испытаний: скорости поступательного и вращательного движения, длине пути трения и нагрузке на образец;

5. измеряют размер изношенного образца - L₁;

6. определяют величину размерного износа (L₀-L₁).

Отметим, что число оборотов образца вокруг своей оси - n (частота вращения) назначается из условия, когда путь, проходимый образцом при поступательном перемещении (S), не должен превышать длину его окружности (πD). Это позволяет обеспечить как минимум полный поворот образца при перемещении на длину, равную его диаметру, и обеспечить более рациональное использование режущих свойств абразивных зерен по всей истираемой площади. Экспериментально установлено, что лучший эффект достигается в случае значительного (многократного) превышения периода вращения образца (одного полного оборота) над его поступательным перемещением S на длину, равную диаметру образца D (по сути - «диаметральной» подачей). Отразить этот факт в расчетной зависимости при выборе числа оборотов образца можно с помощью введения некого кинематического фактора К (по смыслу - коэффициента интенсивности испытаний). Учитывая сказанное ранее, этот фактор должен назначаться исходя из условия К≥1. В каждом конкретном случае значение К подбирается из априорной информации или опытным путем. Причем значения близкие к единице могут быть использованы для образцов с тонкими покрытиями, где важно обеспечить не столько производительность испытаний, сколько равномерность изнашивания по площади. В иных случаях величина К может достигать значений в диапазоне 100-5000 и более в зависимости от диаметра образца.

Таким образом, выбор численного значения числа оборотов образца следует производить по предлагаемой зависимости (1).

Технический эффект изобретения достигается за счет введения управляющего воздействия в виде дополнительного вращения образца при условии превышения периода вращения над осевым перемещением образца в единицу времени.

Пример конкретного выполнения способа

Цель: сравнить производительности схем испытаний на износостойкость с дополнительным вращением и без вращения.

Материал образца - сталь 45, диаметр ⌀ 5 мм. Шероховатость поверхности не выше 16 мкм по Ra. Торец испытуемого образца прирабатывался для лучшего прилегания к поверхности шкурки. После приработки производилось измерение начального, а после изнашивания - конечного размера образца L₀ и L₁ соответственно.

В качестве машины трения использовался вертикально-фрезерный станок с ЧПУ модели КХЗА фирмы Profi (Германия) со специальным приспособлением. Испытания производились по схеме плоскость (абразивный материал) - торец пальца (образец).

Скорость поступательного перемещения образца составляла 250 мм/мин; статическая нагрузка - 10 Н; зернистость абразивного материала - 4; частота вращения образца 500 мин^-1 (это относится только к эксперименту с дополнительным вращением), при К=7960. Путь трения за цикл испытания - 310 мм. Траектория трения - задавалась по предварительно подготовленной программе в виде совокупности чередующихся прямолинейных участков с циклическими боковыми смещениями и последовательным реверсивным движением.

Измерялся линейный износ (разность исходного и конечного размеров образца), который составил: для испытания без вращения образца - 0,03 мм и с вращением образца - 0,07 мм. Это показывает, что введение дополнительного вращения позволило повысить износ в 2,34 раза при прочих равных условиях.

Таким образом, введение дополнительного вращения существенно увеличивает съем материала за цикл испытаний, а значит, позволяет снизить время эксперимента, что особенно важно для материалов с высокой износостойкостью.

При этом удается поднять и максимальную нагрузку на абразивную шкурку почти в 2 раза, что также может быть использовано для повышения скорости испытаний.

Кроме того, режущая способность абразивного материала используется более эффективно.

Список использованных источников

1. Скорынин Ю.В. Ускоренные испытания деталей машин и оборудования на износостойкость. - Минск: Наука и техника, 1972. - 160 с.

2. http://stroy-technics.ru/article/metody-opredeleniya-iznosa-detalei-mashin

3. ГОСТ 17367-71. Металлы. Метод испытания на абразивное изнашивание при трении о закрепленные абразивные частицы.

Изобретение относится к испытаниям материалов на износ и может быть использовано при оценке износостойкости образца из любого материала при действии на них абразивных частиц. Сущность: осуществляют изнашивание торца образца при поступательном движении с вращением вокруг собственной оси относительно нормально расположенной абразивной поверхности. Обеспечивают условие, при котором путь, проходимый образцом при поступательном движении, не превышает длину его окружности, а частоту вращения образца задают равной 500 мин^-1. Технический результат: возможность повысить максимальную нагрузку на образец без разрушения основы шкурки (бумага, полотно), что также способствует ускорению процесса испытаний.

Способ испытания материала на абразивное изнашивание, включающий изнашивание торца образца при поступательном движении с вращением вокруг собственной оси относительно нормально расположенной абразивной поверхности, отличающийся тем, что обеспечивают условие, при котором путь, проходимый образцом при поступательном движении, не превышает длину его окружности, а частоту вращения образца задают равной 500 мин^-1.