4-2011 T R I B O L O G I A 69 Henryk CZARNECKI * ANALIZA PROCESU ZUŻYWANIA PARY KINEMATYCZNEJ BRĄZ ŻELIWO STOPOWE PRZY TARCIU MIESZANYM ANALYSIS OF THE PROCESS OF WEAR OF A BRONZE ALLOY CAST IRON KINEMATIC PAIR UNDER MIXED FRICTION CONDITIONS Słowa kluczowe: tarcie mieszane, brąz żeliwo Key words: mixed friction, bronze-cast iron Streszczenie W opracowaniu zostały przedstawione wyniki badań modelowych zużycia w warunkach tarcia mieszanego pary kinematycznej ślimak zębatka * Politechnika Częstochowska, Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji, ul. Akademicka 5, 42-201 Częstochowa, tel. (34) 325-05-09, e-mail:czarnecki@itm.pcz.pl
70 T R I B O L O G I A 4-2011 ślimakowa, w której ślimak jest wykonany z brązu CUA19Fe3, a zębatka z żeliwa stopowego. Taka para ma zastosowanie w mechanizmach posuwowych obrabiarek ciężkich. Eksperyment prowadzono przy zmiennych twardościach żeliwa i prędkości procesu tarcia. Określono rozkład zużycia na drodze tarcia obu elementów pary tribologicznej. Wyniki przedstawiono na wykresach oraz w postaci zależności intensywności zużycia w funkcji parametrów analizowanych w eksperymencie. WPROWADZENIE W mechanizmach posuwowych obrabiarek ciężkich, z uwagi na przenoszone moce, do zamiany ruchu obrotowego na posuwowy stosuje się często mechanizm ślimak zębatka ślimakowa. Specyfika tych obrabiarek powoduje, że obciążenia mechanizmów posuwowych mogą dochodzić do 300 000 N. Zakładając pełne pokrycia uzębienia zębatki i ślimaka, przy stosowanych średnicach ślimaka i jego skoku oraz wymiary zębatek naciski jednostkowe mogą osiągać wartość maksymalną p max ~45 MPa. W przypadku niepełnego zazębienia, spowodowanego niedokładnościami obróbki i montażu oraz zużycia, naciski jednostkowe mogą wzrosnąć nawet trzykrotnie. Maksymalne prędkości ślizgania ślimaka względem zębatki często przekraczają wartość 4 m/s i występują przy posuwach szybkich, kiedy są najmniejsze obciążenia. Natomiast przy posuwach roboczych, tj. najmniejszych prędkościach występują maksymalne naciski wynikające z oporów procesu obróbki. Przy czym należy mieć na uwadze również to, że w chwili uruchomienia stołu napędzanego układem ślimak zębatka, na skutek sił masowych i niedostatecznego smarowania naciski mogą również osiągać wartości bliskie maksymalnym. W tym przypadku również warunki tarcia są bardzo niekorzystne ze względu na brak wytwarzanego filmu olejowego i są zbliżone do tarcia granicznego lub mieszanego. CHARAKTERYSTYKA BADAŃ STANOWISKOWYCH I WYNIKI Badania stanowiskowe wykonano na specjalnym urządzeniu, zaprojektowanym i wykonanym w Instytucie TMiAP, które przystosowano do tokarki TR-55 z napędem bezstopniowym. Urządzenie zapewniało wywołanie niezbędnego obciążenia pary tribologicznej i dobre przyleganie
4-2011 T R I B O L O G I A 71 współpracujących powierzchni oraz powtarzalność położenia próbki wyjmowanej do pomiaru, jak również eliminowało możliwość powstawania drgań. Próbka wykonywana była z żeliwa stopowego o zawartości 0,3 0,4 Cr i 0,5-1,0 Ni i miała kształt prostopadłościanu o powierzchni styku 50 mm 2. W celu określenia wpływu twardości żeliwa na jego zużycie przeprowadzono pomiary twardości losowo wybranych zębatek pobranych z bieżącej produkcji, a następnie wykonano próbki z żeliwa o twardościach skrajnych i twardości najczęściej stosowanej. Twardości próbek wynosiły 220 ±5; 240 ±5 i 280 ±5 HB. Przed badaniami każda próbka była dodatkowo obrabiana w celu jej dopasowania do współpracującej powierzchni przeciwpróbki. Przeciwpróbkę stanowiła tuleja cylindryczna wykonana z brązu CuAl9Fe3 o średnicy zbliżonej do rzeczywistej średnicy ślimaka osadzona na specjalnym, sztywnym trzpieniu, zamocowanym we wrzecionie i podparta konikiem Widok układu kinematycznego próbka i przeciwpróbki zastosowanego w badaniach stanowiskowych przedstawia Rys. 1. Przeciwpróbka Próbka Rys. 1. Schemat analizowanego węzła tarcia [L. 2] Fig. 1. Schematic of the friction pair [L. 2] Wartości dopuszczalnych prędkości i nacisków dla badań określono na podstawie analizy rozwiązań konstrukcyjnych takich obrabiarek oraz zaleceń literaturowych dla pary brąz BA 93 żeliwo stopowe [L. 2, 5]. Do badań przyjęto prędkości ślizgania v = 2; 3 i 4 m/s oraz naciski jednostkowe p = 50; 75 i 100 MPa.
72 T R I B O L O G I A 4-2011 Dla zapewnienia smarowania mieszanego w strefę tarcia dostarczono swobodnym laminarnym strumieniem olej maszynowy AN 10 [L. 3, 6]. Pomiar wartości zużycia próbki był realizowany na pionowym długościomierzu poprzez określenie zmian długości próbki ustawianej na stoliku pomiarowym w specjalnej oprawce gwarantującej powtarzalność miejsca pomiaru. Do określenia zużycia przeciwpróbki zastosowano czujnik zegarowy o działce elementarnej 0,001 mm. Bazą odniesienia była niezużyta powierzchnia próbki. Pomiaru dokonywano z pięciokrotnym ich powtórzeniem, a jako wynik przyjmowano wartość średnią. Określenie wartości zużycia dokonywano zarówno dla próbki, jak i przeciwpróbki równocześnie. Badania procesu realizowano dla zmiennych parametrów tarcia, tj. obciążenia jednostkowego oraz prędkości dla każdej z trzech twardości próbek. Realizowano je jako jednoczynnikowe z trzykrotnym powtórzeniem dla każdej próby. Wyniki opracowano statystycznie. Na wykresach ze względu na ich czytelność podano wartości średnie bez nanoszenia przedziałów ufności. Przykładowe wyniki zużycia na drodze tarcia uzyskane w ramach przeprowadzonego eksperymentu przedstawiono na Rys. 2 dla próbek i dla przeciwpróbek na Rys. 3. zużycie [ mm] 40 35 30 25 20 15 10 5 p=50[mpa],v=2[m/s] p=50[mpa], v=3[m/s] p=50[mpa], v=4[m/s] p=75[mpa], v=2[m/s] p=75[mpa], v=3[m/s] p=75[mpa], v=4[m/s] p=100[mpa], v=2[m/s] p=100[mpa], v=3[m/s] p=100[mpa],v=4[m/s] 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 czas [h] Rys. 2. Przebieg zmian wartości zużycia żeliwa o twardości 240 HB w funkcji czasu dla zmiennych nacisków jednostkowych p i prędkości v Fig. 2. Variation of the magnitude of wear of the cast iron of a hardness of 240 HP with friction time for variable unit pressures, p, and velocities, v
4-2011 T R I B O L O G I A 73 Obserwujemy, że wraz ze wzrostem obciążenia i szybkości względnej procesu tarcia następuje wzrost zużycia próbki żeliwnej. Przeciwpróbka w tym czasie również wykazuje zwiększoną wartość zużycia w czasie realizacji procesu, co obrazuje Rys 3. p=50[mpa], v=2[m/s] p=50[mpa],v=3[m/s] p=50[mpa], v=4[m/s] p=75[mpa], v=2[m/s] p=75[mpa], v=3[m/s] p=75[mpa], v=4[m/s] p=100[mpa],v=2[m/s] 250 p=100[mpa], v=3[m/s] p=100[mpa], v=4[m/s] zużycie [ mm] 200 150 100 50 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 czas [h] Rys. 3. Przebieg zmian wartości zużycia brązu po czasie tarcia dla zmiennych nacisków jednostkowych p i prędkości v Fig. 3. Variation of the magnitude of wear of the bronze with friction time for variable unit pressures, p, and velocities, v Zużycie żeliwa w obecności smaru jest zdecydowanie mniejsze niż dla tarcia suchego, co przedstawiono w opracowaniu [L. 2]. Natomiast zużycie brązu, co do wartości, jest na podobnym poziomie jak przy tarciu suchym. Przebiegi zużycia przeciwpróbki i próbek dla pozostałych ich twardości i szybkości względnej procesu są podobne do tych zaprezentowanych, zmienia się tylko wartość. Na histogramach Rys. 4 i 5 przedstawiono wpływ twardości żeliwa i obciążenia jednostkowego na proces zużywania do osiągnięcia zużycia żeliwa o wartości 10 µm (Rys. 4) oraz zużycie brązu 80 µm. Na przedstawionych rysunkach możemy zaobserwować, że we wszystkich rozpatrywanych przypadkach wzrostowi twardości żeliwa stopowego towarzyszy zwiększenie jego odporności na zużywanie. Podobnie przebiega zużywanie przeciwpróbki.
74 T R I B O L O G I A 4-2011 czas zużywania [h] 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 25 50 75 100 HB=220 HB=240 HB=280 naciski jednostkowe p [MPa] Rys. 4. Czas osiągnięcia zużycia 10 µm dla zmiennej twardości żeliwa HB przy zmiennym nacisku jednostkowym i stałej prędkości zużywania v = 4 m/s Fig. 4. The time of attaining a wear level of 10 µm for variable cast iron HB hardness, t variable unit pressure and at a constant wear rate of v = 4 m/s czas zużywania [h] 30 25 20 15 10 5 HB=220 HB=240 HB=280 0 25 50 75 100 naciski jednostkowe [MPa] Rys. 5. Czas osiągnięcia zużycia 50 µm przez brąz dla zmiennej twardości żeliwa HB przy zmiennym nacisku jednostkowym i stałej prędkości zużywania v = 4 m/s Fig. 5. The time of attaining by the bronze a wear level of 50 µm for variable cast iron HB hardness, at variable unit pressure and at a constant wear rate of v = 4 m/s
4-2011 T R I B O L O G I A 75 Na podstawie przeprowadzonych badań dokonano również określenia wpływu prędkości, obciążenia jednostkowego oraz twardości próbki żeliwnej na intensywność zużywania się elementów pary trącej przez wyznaczenie zależności doświadczalnej określającej ten wpływ. Najwygodniejszą postacią takiego wzoru jest równanie potęgowe, które przyjmie postaci: V a b c I = = C v p HB t gdzie: I średnia intensywność zużycia, V objętość zużytego materiału próbki lub przeciwpróbki do chwili uzyskania założonego łącznego zużycia liniowego, t czas, w którym nastąpił ubytek objętości, C współczynnik proporcjonalności/różny dla różnych materiałów, rodzaju tarcia i stosunku pól powierzchni trących, ν prędkość ślizgania, p obciążenia jednostkowe, HB twardość próbki żeliwnej, a, b, c wykładniki potęgowe, określające wpływ poszczególnych czynników (ν, p, HB). W celu wyznaczenia takich zależności charakteryzujących intensywność procesu zużywania, z wykresów przebiegów zużycia odczytano czasy i obliczono odpowiadające im ubytki objętości. Następnie, stosując metodę najmniejszych kwadratów, określono wartości wykładników potęgowych, charakteryzujących wpływ poszczególnych czynników na proces zużywania w warunkach tarcia mieszanego. Wyniki obliczeń przedstawiono poniżej w postaci równań: dla zużycia żeliwa 0,7 1,2 0,3 I Z = C1 v p HB dla zużycia brązu 0,4 0,5 1,4 = C v p HB I B 2 W przypadku gdy chcemy wyznaczyć intensywność zużycia w odniesieniu do drogi tarcia, a nie jak wyżej do czasu, wówczas wykładniki potęgowe przy szybkości należałoby zmniejszać o wartość 1.
76 T R I B O L O G I A 4-2011 Należy zwrócić uwagę na to, że ze względu na dość duże rozrzuty przebiegów zużycia dokładność wyznaczonych wykładników potęgowych wynosi ok. 10%. Równania powyższe są ważne dla omawianej pary trącej w zakresie parametrów prowadzonego eksperymentu, tj. prędkości ślizgania ν = = 1,5 5 m/s, nacisków p = 25 100 MPa i twardości żeliwa HB = 215 285. Pozwalają nam na bardziej jednoznaczne wnioskowanie o wpływie poszczególnych parametrów procesu na intensywność zużywania elementów pary tribologicznej. Zwiększając twardość żeliwa, zmniejsza się zużycie obu elementów, co potwierdzają wcześniej przedstawione wykresy. Natomiast większe wartości wykładników potęgowych przy szybkości procesu jednoznacznie wykazują, że ten parametr ma większy wpływ niż naciski jednostkowe. Przedstawione wyniki badań modelowych wskazują celowość wykonywania zębatek z żeliwa o wyższej twardości (najlepiej w granicach 280 HB). Ponadto obrazują, że większy wpływ na proces zużywania ma prędkość niż obciążenie jednostkowe powierzchni współpracujących. Biorąc pod uwagę, że większe prędkości występują przy posuwach szybkich, gdy obciążenia wynikają tylko z sił masowych, to nie powinny one mieć decydującego wpływu na trwałość węzła. Natomiast maksymalne obciążenia w tych mechanizmach występują przy zdecydowanie mniejszych prędkościach, co jest korzystne dla zjawisk tribologicznych występujących w tym węźle kinematycznym. Stąd w produkcji zębatek należy zwrócić szczególną uwagę na właściwości stosowanego żeliwa, w tym szczególnie na jego twardość. PODSUMOWANIE Otrzymane wyniki badań stanowiskowych zużywania dla tarcia mieszanego pary ślimak zębatka pozwalają na następujące stwierdzenia: wzrost twardości żeliwa, z którego wykonana jest zębatka, skutkuje zwiększeniem odporności układu kinematycznego na zużywanie zarówno żeliwa, jak i brązu, na intensywność odniesioną do czasu zużycia obu elementów pary trącej większy wpływ mają naciski jednostkowe niż szybkość procesu.
4-2011 T R I B O L O G I A 77 LITERATURA 1. Czarnecki H. i inni: Badanie zespołów obrabiarek i układów ślimak zębatka stosowanych w obrabiarkach ciężkich, Materiały z badań, Instytut technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji, Materiały nie publikowane. 2. Czarnecki H.: Analiza procesu zużywania pary kinematycznej brąz żeliwo stopowe. W. Tribologia R.41 nr 4, 2010, s. 57 65. 3. Tubielewicz K.: Technologia nagniatania żeliwnych części maszyn, seria monografie nr 69. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2000. 4. Czarnecki H., Tubielewicz K.: Sposoby i metodyka pomiaru wielkości zużycia w stanowiskowych badaniach tribologicznych, W materiałach 13 konferencji krajowej i 4 międzynarodowej Metrologia w Technikach Wytarzania Żerków 2009, s. 77 82. 5. Laber S.: Analiza współzależności pomiędzy stanem warstwy wierzchniej a właściwościami użytkowymi żeliwnych elementów maszyn obrabianych nagniataniem. Monografia 32. WSInż., Zielona Góra 1985. 6. Wrotny L. T.: Projektowanie obrabiarek, WNT, Warszawa 1973. 7. Tatar K., Tubielewicz K., Wieczorek A.: Tribologiczne właściwości warstwy wierzchniej żeliwa stopowego po różnych technologiach obróbki wykańczającej. Materiały konferencyjne, XIX Szkoła Tribologiczna Częstochowa Kokotek 1994. Recenzent: Andrzej POSMYK Summary The paper presents the results of model studies of wear under mixed friction conditions of the worm worm rack kinematic pair, where the worm is made of bronze CUA19Fe3, while the worm rack is of alloy cast iron. This pair is applied in the (worm worm rack) feed mechanisms of heavy-duty machine tools. The experiment was conducted at variable cast iron hardness values and friction process rates. The distribution of wear along the friction path was determined for both elements of the tribological pair. The results are presented in diagrams and in the form of the relationship of wear intensity as a function of the parameters examined in the experiment.
78 T R I B O L O G I A 4-2011