Акустические свойства фрикционного контакта

Акустические свойства фрикционного контакта

1. Особенности потерь механической энергии в трибомеханических системах Шум и вибрации при трении относятся к потерям механической энергии, влияющим… Рассеяние энергии при трении состоит из следующих компонентов:

В) преобразование механической энергии в тепловую.

Говоря об излучении энергии при трении, следует отметить, что процесс трения сопровождается ударным взаимодействием в отдельных микроконтактах, которые распределены во времени и пространстве внутри геометрической площади контакта. Эти ударные взаимодействия сопровождаются возмущениями кристаллической решетки, приводящими к излучению энергии в различных формах.

Триболюминисценция возникает при трении некоторых твердых тел. В этом случае в процессе разрыва адгезионных связей активируются фотоны, излучаемые как видимый свет. Одним из возможных объяснений этого явления служит допущение о том, что в поверхностных трещинах кристаллов существуют электростатические двойные слои, вызывающие искровой разряд, если поверхностные трещины раскрываются в процессе трения. Т.о., часть механической энергии расходуется на активацию фотонов и превращается в световое излучение, однако эта энергия очень незначительна.

Очень малая доля энергии расходуется и на излучение электронов (экзоэлектронная эмиссия, эффект Крамера). Считается, что процесс трения действует как активационный для излучения экзоэлектронов.

Доля энергии, переходящей в колебательную при соударении двух неровностей очень мала. На самом деле доля колебательной энергии будет во многом зависеть от условий соударения и динамических характеристик упругой системы, но она тоже невелика в общем энергетическом балансе.

Анализ процессов накопления и излучения энергии в нетепловой форме при трении показывает, что большая часть энергии, рассеиваемой трением, переходит в тепло. Тепловая энергия связывается с процессами передвижения дислокаций, которые приводят к увеличению кинетической энергии атомов в решетке. Эта энергия и представляет собой внутреннюю кинетическую энергию, проявляющуюся в форме тепла.

Модель ВА свойств фрикционного контакта

Предположение, на котором основывается широко используемая в трибологии модель, состоит в том, что контактирующие поверхности представляют собой совокупность отдельных выступов различной высоты и формы (рис 1). Эта модель используется в трибологии для моделирования адгезионного взаимодействия. При трении в процессе взаимодействия выступов индентора и контртела друг с другом они вминаются и изгибаются, увлекая за собой прилежащие области материала. Далее они восстанавливаются под влиянием сил упругости и, совершая колебания, сталкиваются вновь с другими выступами.

Рис. 1 Модель контакта шероховатых поверхностей

В результате возникают упругие волны, распространяющиеся по упругой системе и постепенно затухающие по мере удаления от зоны фрикционного контакта. И интенсивность импульсов, и частота их следования меняются случайным образом. При сближении контактирующих поверхностей, т.е. с увеличением нормальной силы, увеличиваются контактные деформации, соответственно часть выступов, которые ранее в контакт не вступали, теперь будут контактировать. Средняя интенсивность импульсов может увеличиваться, поскольку ранее контактировавшие выступы будут вступать во взаимодействие не вершинами, а областями, приближающимися к основанию. Т.о., по мере сближения поверхностей средний интервал времени между отдельными импульсами сокращается в зависимости от законов распределения вершин неровностей на контактирующих поверхностях (рис 1). Если для примера рассмотреть последовательность равноотстоящих импульсов определенной формы, имеющих одинаковую длительность τ и случайную амплитуду со средним значением а и дисперсией σ² (рис. 2а), то ее спектральная плотность мощности S(ω) (при модуляции последовательности белым шумом) будет определяться выражением:

, (1)

S(ω) ~ 1/T = f (частота следования импульсов) (1а)

где - спектр одиночного импульса, δ(ω - 2πr/Т) – дельта-функция, принимающая единичное значение в точках ω=2πr/T и равная нулю в остальных точках, ω-круговая частота, Т-период следования импульсов, соответственно, 1/Т – частота следования импульсов. Из (1а) следует, что с ростом частоты следования импульсов пропорционально растет плотность мощности по всему частотному диапазону.

Спектр такой амплитудно-модулированной последовательности импульсов состоит из дискретных линий с огибающей и непрерывной части, имеющей ту же форму огибающей (рис. 2б).

Энергия дискретных составляющих растет пропорционально средней частоте возникающих импульсов. Эта частота пропорциональна среднему количеству контактов (n_ср) в единицу времени, которая определяется по формуле:

, (2)

где dS/dt – площадь, участвующая в трении в единицу времени, δ – глубина взаимного внедрения поверхностей, f₁(x) и f₂(х) – плотности вероятностей законов распределения вершин неровностей первого и второго тел (см. рис.1).

 

Рис. 2. Последовательность равноотстоящих импульсов со случайной амплитудой (а) и ее спектр (б):1 – непрерывная часть спектра, 2 – дискретные составляющие

 

Качественная форма графика зависимости n_ср(δ) определяется тем, что после сближения поверхностей на величину, превышающую наибольшее поле разброса, дальнейшего увеличения n_ср наблюдаться не должно в соответствии с законами распределения f₁(x) и f₂(x), т.е. возникает «насыщение». Такое же насыщение должно наблюдаться и на зависимости энергии ВА сигнала от сближения δ, которое по формуле 2 определяет n_ср.

Противоречия во взглядах на природу ВА излучения при
трении и резании

Изучение сил трения показало, что суммарная сила сопротивления в первом приближении равна сумме сил сопротивления , возникающих в единичных фрикционных связях, т.е.:

Эта формула отображает принцип аддитивности силы трения, который подтверждается экспериментальными и теоретическими исследованиями.

Опираясь на аддитивность силы трения и линейность канала наблюдения ВА сигнала, в большинстве работ, исследующих ВА процессы, было принято как очевидное без какой-либо проверки положение о пропорциональности мощности ВА сигнала количеству актов взаимодействия отдельных неровностей, участвующих в контактном процессе.

При трении двух поверхностей с постоянной скоростью увеличение количества взаимодействующих в единицу времени неровностей можно получить за счет увеличения силы нормального давления или за счет увеличения номинальной площади контакта. ФПК (), фактическая площадь контакта (рис. 4)), и действующая нормальная нагрузка (N) связаны соотношением:

,

где при пластическом контакте, а при упругом .

Поскольку, по данным той же работы, при увеличении нагрузки ФПК растет в основном за счет роста количества пятен контакта, то получается, что количество пятен контакта увеличивается почти пропорционально нормальной нагрузке. При постоянстве нормального давления на контактирующие поверхности увеличение номинальной площади контакта вызывает такое же увеличение ФПК и количества пятен контакта.

Если бы ВА сигнал подчинялся бы, как и сила трения, аддитивному закону, то при увеличении ФПК за счет роста давления в контакте или увеличения номинальной площади контакта наблюдалось бы пропорциональное увеличение мощности ВА сигнала (мощность сигнала пропорциональна квадрату его амплитуды).

Рис. 3.

На рис. 3 показаны примеры результатов экспериментальных проверок изменения уровня амплитуды виброускорения в различных частотных диапазонах при трении и резании в условиях изменения ФПК при контакте пластины из сплава Т15К6 со сталью 45. Видно, что при трении уровень ВА сигнала с какого-то момента достигает насыщения, и рост его прекращается. При резании эти зависимости носят более сложный характер, но хорошо видно, что быстрое нарастание амплитуды ВА сигнала происходит только при самых малых глубинах, а дальше это нарастание либо прекращается, либо происходит значительно медленнее.

Т.о., говорить о пропорциональности мощности ВА сигнала количеству пятен фактического контакта поверхности в общем случае нельзя. О линейном нарастании мощности ВА сигнала можно говорить только в диапазоне малых значений ФПК.

Практика применения методов ВА диагностики тоже говорит за то, что закономерности излучения акустических сигналов не столь просты как это допускается в теоретических предположениях.

Рис. 3. Примеры изменения уровня ВА сигнала от сближения (δ) контактирующих поверхностей, глубины резания (t), нормальной силы (N), ширины контакта (b).

 

Акустическая модель фрикционного контакта

Рис. 4. Структурные компоненты реального контакта шероховатых поверхностей: Аа…

Построение моделей, описывающих поведение ВА сигнала во фрикционном контакте, основывается на предположении, что участки ФПК распределены равномерно по поверхности контакта, что при постоянстве давления в контакте среднее количество адгезионных мостиков и неровностей, генерирующих ВА энергию, постоянно.

Поскольку количественные изменения ФПК приводят к качественному изменению акустических свойств фрикционного контакта, то вполне естественно предположение, что количество акустической энергии, излучаемой при соударении отдельных неровностей, зависит от количества адгезионных мостиков окружающих точку соударения.

Явление насыщения энергии (также мощности и амплитуды) ВА излучения при росте ФПК за счет увеличения номинальной площади контакта или давления было названо «акустическим равновесием».

 

Рис. 6. Типичные кривые изменения мощности ВА излучения при росте ФПК

 

На рис. 6 показаны кривые, которые схематичным образом приближают наиболее часто встречающиеся переходные процессы изменения мощности (Е) акустического сигнала при росте ФПК от 0 до значений, при которых реализуется состояние акустического равновесия. Кривые 1 и 2 показывают наиболее типичные случаи изменения мощности ВА излучения, кривая 3 характеризует гипотетические изменения в соответствии с экспоненциальным законом. Кривая 1 характеризует сравнительно плавные переходные процессы, кривая 2 показывает переходные процессы, характеризующиеся всплеском мощности ВА излучения перед выходом на уровень насыщения. Гладкий вид кривых, описывающих переходные процессы, экспериментально может быть получен только при использовании соответствующего механизма сглаживания огибающих ВА сигнала, нивелирующего отдельные выбросы, обусловленные дискретностью контакта. В сглаженном виде переходные процессы характеризуются монотонным нарастанием ВА мощности при начальных приращениях ФПК, которое затем сменяется насыщением.

Явление насыщения или «акустического равновесия», как показали эксперименты, возникает в очень широком частотном диапазоне при трении самых разнообразных материалов, включая и металлы и полимеры, поэтому может считаться объективной закономерностью процесса фрикционного взаимодействия.

При этом нельзя считать, что состояние равновесия будет присутствовать при неограниченном росте ФПК. Рост сил трения создает дополнительные деформации в упругой системе, меняет направление и характер относительного движения в контакте. Вызывает рост потенциальной энергии в системе, делая ее менее устойчивой. Однако при стабильной кинематике движения контактирующих поверхностей эффект быстрого роста мощности ВА сигнала в начальный момент контакта, с последующим переходом в состояние насыщения обычно всегда присутствует.

Это позволило рассмотреть гипотезу о том, что наряду с процессами возбуждения ВА излучения присутствуют процессы поглощения этого излучения по всей номинальной площади контакта, проявляясь, естественно, только на ФПК. Приращение акустической мощности (DЕ) от увеличения ФПК на величину DS может быть описано уравнением:

DЕ = f_B(E) DS – f_n(E) DS, (2.3.1)

где f_B(E) и f_n(E) – функции от излучаемой мощности Е, определяющие количество дополнительно возбуждаемой или поглощаемой мощности соответственно на единицу дополнительной площади контакта.

Для определения конкретного вида этих функций можно акустическую мощность, изменяющуюся, например, в соответствии с кривой 1 на рис 2.3.3 аппроксимировать экспонентой 3, описываемой уравнением:

, (2.3.2)

где Е₀ и К – константы. Из выражения 2.3.2 можно выразить первую производную dE(S)/dS в следующем виде:

. (2.3.3)

Преобразуя выражение 2.3.3 к виду аналогичному 2.3.1, можно записать:

. (2.3.4)

Сопоставляя уравнение 2.3.1 и 2.3.4 можно сделать вывод, что, если возбуждаемая акустическая мощность пропорциональна площади контакта, то поглощаемая – пропорциональна произведению площади на величину выделяющейся акустической энергии.

Хотя описанная модель соответствует по выходным результатам экспериментальным данным, она содержит противоречие с физической сущностью изучаемого волнового процесса. Для существования такого механизма необходимо, чтобы имело место доминирование хотя бы в начальной фазе тангенциальных смещений при взаимодействии неровностей. Такой механизм должен работать непосредственно на фрикционном контакте. Это могло быть реальным, если бы ВА излучение не распространялось от места возникновения во все стороны по объему окружающего материала. В этих условиях объяснить полное поглощение приращений акустической энергии, начиная с какого-то момента, не представляется возможным и требует уточнения акустической модели фрикционного контакта.

Чтобы показать отличие независимых контактных взаимодействий от тех результатов, которые фиксировались во фрикционном контакте, был поставлен специальный эксперимент, где независимый контакт моделировался падающими песчинками (см. рис. 7). Емкость с сухим кварцевым песком, имеющая в своем днище длинную прямоугольную щель с постоянной скоростью перемещалась над металлической пластиной с закрепленным на ней акселерометром. Пластина имела наклон, чтобы упавшие песчинки на ней не задерживались. Струя песка, сыпавшаяся из емкости с постоянной скоростью, надвигалась на пластину, увеличивая площадь проекции прямоугольной щели на пластину. Соответственно количество падающих в единицу времени песчинок увеличивалась пропорционально площади проекции. Мощность ВА сигнала, как показано на графике в верхнем углу рисунка, в этом случае увеличивалась пропорционально ширине l струи песка, т е. времени движения емкости с песком в данном эксперименте. Поскольку мощность ВА сигнала пропорциональна квадрату амплитуды, то рост амплитуды в высокочастотных диапазонах приближался к параболической зависимости от ширины l. Удар каждой песчинки о пластину можно рассматривать как имитацию соударения двух неровностей. Независимость ударов отдельных песчинок была обеспечена самими условиями эксперимента. Результат эксперимента доказывает, что при независимости входного воздействия со стороны отдельных импульсов мощность результирующего ВА сигнала практически соответствует аддитивному закону.

Из этого следует, что искажение аддитивного закона в экспериментах с реальным контактом поверхностей вызвано образованием и последующим разрушением адгезионных мостиков. Получается, что предположение о независимости друг от друга процессов, происходящих при взаимодействии отдельных неровностей, неправильное.

Пока ФПК мала соударения неровностей происходят без влияния адгезионных мостиков, мощность ВА сигнала возрастает по линейному закону. С увеличением плотности контакта растет частота взаимодействия неровностей, но начинают формироваться адгезионные мостики, нарушающие линейный закон увеличения мощности, приводя в дальнейшем всю систему в состояние насыщения (см. кривую 1 на рис. 6).

 

Рис. 7. Схема эксперимента, имитирующего независимые контакты неровностей: 1 – емкость с кварцевым песком; 2 – поток песка из прямоугольной щели; 3 – упругая пластина; 4 – акселерометр

 

Показанный на кривой 2 (рис.6) выброс амплитуды огибающей ВА сигнала объясняется дискретностью фрикционного контакта. При высокой чистоте поверхностей адгезионные контакты возникают раньше по отношению к грубым поверхностям, приближая переходный процесс к экспоненциальному виду. Наоборот, грубые поверхности не образуют адгезионных мостиков при бόльших значениях S. Это объясняется тем, что удары относительно крупных неровностей легко разрушают появляющиеся немногочисленные адгезионные мостики на поверхности контакта. Поэтому линейное нарастание мощности ВА сигнала происходит до тех пор, пока количество образующихся адгезионных мостиков не станет достаточным для противостояния ударам отдельных крупных неровностей. С этого момента ВА мощность падает, опускаясь до уровня акустического равновесия.

Вид одиночного осциллятора и основное динамическое уравнение

Для объяснения явления насыщения ВА сигнала при увеличении ФПК упругая система контактирующих пар была представлена в виде совокупности осцилляторов… а б

ВА энергия, возбуждаемая во фрикционном контакте, распространяется по упругой системе механизма, возбуждая колебания всех его элементов, включая и установленный акселерометр или другой датчик колебаний. Т.о., упругая система механизма является акустическим каналом, по которому информация из зоны трения или резания поступает к первичному преобразователю. В качестве модели акустического канала механизма можно взять набор гармонических осцилляторов, собственные частоты которых равны собственным частотам механизма. Их совместное колебание под действием отдельных ударов и определяет форму ВА сигнала. Для понимания работы акустического канала достаточно исследовать колебания одного из осцилляторов.

Рис. 9. Модель фрикционного контакта в условиях отсутствия адгезионных связей (а) и при их возникновении (б)

На рис 9 буквами k, c и m обозначены жесткость, демпфирование и масса соответственно, F(t) -возмущающая сила со стороны взаимодействующих неровностей, y(t)- перемещение, формирующее упругие волны, контролируемые первичным преобразователем.

Частотное представление динамической системы

, (2.3.5) где , . Поскольку основной вклад в энергию сигнала осциллятор вносит на собственной частоте fn, то выражение 2.3.5…

Из 2.3.7 видно, что квадрат АЧХ обратно пропорционален жесткости осциллятора на резонансной частоте. Совокупность осцилляторов с разным набором динамических характеристик определяет АЧХ упругой системы, являющейся акустическим каналом.

 

Возникновение адгезионных мостиков на площади контакта меняет динамическую характеристику осциллятора. К изначально существующей жесткости упругой системы добавляется жесткость kа, определяемая адгезионными связями. Т.о., квадрат АЧХ акустического канала в окрестности какой-либо собственной частоты можно представить в виде:

, (2.3.8)

где константа определяет все остальные параметры, а k_Σ является суммарной жесткостью упругой системы рассматриваемого осциллятора и адгезионных мостиков, реализующих дополнительные связи осциллятора, появляющиеся на контактной площадке. Т.о., жесткость осциллятора в модели канала наблюдения может в первом приближении представляться так:

k_S= k + k_а (2.3.9)

В выражении 2.3.9 величина k не меняется от условий контактирования, а k_а может меняться от 0 до больших значений в зависимости от прироста ФПК.

Если допустить, что адгезионные мостики распределены по площади контакта равномерно и их характеристики одинаковы, то становится очевидным предположение о пропорциональности kа площади и давлению в контакте. Появление kа на рис 9б отмечено появлением дополнительной жесткости. Из выражения 2.3.9 вытекает, что возможны две крайние ситуации: когда kа мало по сравнению с k и ее можно не учитывать, и наоборот, когда k мало по сравнению с kа и ее влияние становится малозначительным.

При увеличении площади или давления в подвижном контакте растет число ударных импульсов, пропорционально им растет число адгезионных мостиков, увеличивающих значение kа. Из выражения 2.3.1 следует, что мощность составляющих спектра входного воздействия увеличивается пропорционально частоте возмущающих импульсов. Тогда с учетом выражения 2.3.8 в упрощенном виде зависимость мощности ВА сигнала от частоты контактных взаимодействий может быть представлена выражением:

E = const f_возм / (k + k¹_а∙f_а) (***)

где f_возм – средняя частота соударений контактов отдельных неровностей, f_а – средняя частота возникновения адгезионных связей; ka¹ - средняя жесткость единичной адгезионной связи (допускается, что k_a(f)≈k¹_a∙f_а).

В условиях стационарного пересопряжения неровностей соотношение между f_возм и f_а приблизительно постоянно, а те и другие частоты пропорциональны частоте контактных взаимодействий f. При этом можно принять, что частота возмущающих воздействий f_возм = f.

Но в зависимости от разных условий (скорость трения, чистота поверхности, интенсивность возмущающих воздействий) частота образования адгезионных связей f_а может быть меньше f.

Таким образом, можно ввести коэффициент виброактивности контакта К_ВА:

f_возм/ f_a = К_ВА или f/f_a = К_ВА

С учетом сказанного (***) можно записать в таком виде:

E = const f / (k + k¹_а∙f/К_ВА) (****)

Из (****) следует, что при больших значениях f мощность ВА сигнала стремится к постоянному значению, поскольку первым слагаемым в знаменателе можно пренебречь, т. е. проявляется эффект насыщения.

При малых значениях f вторым слагаемым в знаменателе можно пренебречь, поскольку адгезионные мостики еще не формируются. Но при этом числитель меняется пропорционально росту частоты возмущающих импульсов. В результате получается линейное возрастание мощности ВА сигнала в начальные моменты роста ФПК. Длительность этого линейного участка зависит от конкретных условий реализации процесса трения, от величины К_ВА.

Чем больше К_ВА, тем дольше (при равномерном приращении площади контакта) сохраняется рост мощности ВА сигнала при увеличении ФПК.

При малых К_ВА устойчивые адгезионные мостики формируются раньше при нарастании площади, соответственно, и акустическое равновесие наступает раньше.

Рис. 10. Схема изменения мощности ВА сигнала с ростом ФПК при двух типах процессов: пропорциональное нарастание мощности (линия 1); акустическое равновесие с мощностью Ео (линия 2)

 

На рис. 10 схематично представлены графики изменения мощности ВА сигнала с ростом ФПК при двух типах процессов: при пропорциональном нарастании мощности (линия 1) и при возникновении явления акустического равновесия с уровнем мощности ВА сигнала Е₀ (линия 2). Зоны «А» и «В» показывают области существования двух типов переходных процессов: с превышением значений акустического равновесия (зона «А») и с плавным переходом (зона «В»). Точка пересечения линий 1 и 2 называется точкой бифуркаций (раздвоений). Она характеризуется значением ФПК, равным S_б. Начиная с этой точки, система как бы делает выбор между той или другой ветвью своего развития. Линия 3 показывает линейное нарастание потенциальной энергии в упругой системе за счет роста силы трения и увеличения упругих деформаций в макросистеме. Т.о., линия 1 характеризует акустическую модель фрикционного контакта как линейную: акустический канал, связывающий точки контактного взаимодействия с местом установки датчика на упругой системе, является линейным, допускающий рассмотрение отдельных контактных взаимодействий в виде независимых слагаемых. Линия 2 характеризует акустический канал как существенно нелинейную систему.

При S < S_б потенциальная энергия в упругой системе фактически не накапливается, поскольку возникающие адгезионные мостики, если и возникают, то на короткое время и не перекрывают друг друга. Потенциальная энергия переходит в колебательную, не успевая накопиться. При S > S_б адгезионные мостики существуют в процессе их рекомбинации. Одни мостики разрываются, другие возникают, но нет промежутков времени, когда они исчезают совсем. В результате потенциальная энергия растет с увеличением площади или глубины контакта. Если же при S > S_б по какой-то причине возникает одновременный (кооперативный) разрыв мостиков на площади контакта (нарушается соотношение частот возмущения и адгезионного взаимодействия в пользу частоты возмущения, соответственно, растет К_ВА), то потенциальная энергия релаксирует и частично переходит в колебательную энергию. В первом приближении можно считать, что при этом ВА энергия будет тем больше, чем больше было накоплено потенциальной энергии к моменту разрыва. При тотальном разрыве адгезионных мостиков (К_ВА=∞) происходит скачкообразный рост амплитуды ВА сигнала в широком диапазоне частот.

Естественно, что вероятность таких явлений при небольших превышениях S_б больше чем при значительных площадях контакта, где ситуация стабилизируется, но если уже такое случается, то выход потенциальной энергии сопровождается большим повышением мощности ВА сигнала и свидетельствует о каком-то нарушении в работе механизма или о поломке.

Необходимо учитывать, что на практике мгновенного разрыва всех мостиков не бывает. Всегда есть время переходного процесса, в течение которого происходит разрушение адгезионных связей. Это время определяется условиями конкретной ситуации, и оно в значительной степени определяет мощность и состав возникающего ВА сигнала.

Состояние акустического равновесия не может существовать при любом увеличении площади контакта, поскольку увеличивающаяся с ростом площади нагрузка может вызвать дополнительные деформации упругой системы, нарушение положения контактирующих тел в пространстве, привести к пластическому течению материалов или к возникновению автоколебаний.

Т.о., можно отметить двоякую роль фрикционного контакта, которую он играет в процессе генерации ВА энергии.

С одной стороны, удары микронеровностей, образующих контакт, являются возмущающим фактором, порождающим волновые процессы в упругой системе, формирующим ВА энергию и соответ ствующий сигнал. С другой стороны, взаимодействующие микронеровности за счет адгезионных связей стремятся стабилизировать контактирующие поверхности друг относительно друга в процессе рекомбинации ее адгезионных мостиков - постоянной смены контактирующих микронеровностей за счет процессов разрушения одних связей и образования новых.

В стадии акустического равновесия процесс соударения микронеровностей происходит в условиях, обеспечивающих их более высокую жесткость закрепления, что способствует увеличению возможностей пластической деформации неровностей с выделением повышенного количества тепла и уменьшению доли упругих деформаций, которые определяют количество ВА энергии, поступающей в упругую систему.

Сказанное можно пояснить на примере, хорошо знакомом каждому, кто пытался обработать напильником края тонкой металлической пластины, зажав ее в тиски. При большом вылете из тисков, т.е. при низкой жесткости, обработка пластины становится невозможной: напильник почти не снимает металл, при этом раздается визг и скрежет (выделяется большое количество ВА энергии), температура заготовки почти не повышается. При минимальном вылете процесс обработки идет совсем в другом режиме: шума почти нет металл снимается при каждом проходе напильника, а заготовка быстро нагревается, что свидетельствует о наличии пластических деформаций. На качественном уровне процессы, идущие во фрикционном контакте, очень похожи на описанный пример.

 

Акустические свойства фрикционного контакта в условиях автоколебаний

Такая идеальная модель на практике реализуется редко. Обычно приходится сталкиваться с тем, что сухое трение сопровождается процессами, формирующими…

К регулярным дефектам поверхностей надо отнести следы механической или другой обработки поверхностей. Вынужденные колебания могут быть связаны с работой приводов, обеспечивающих кинематику работы фрикционной пары, или с работой других рядом расположенных механизмов, создающих периодическое возмущение, влияющее на работу пары трения.

Автоколебания являются наиболее сложным механизмом воздействия на фрикционный контакт, но в приложении к процессу резания наиболее распространенным. Результаты воздействия всех перечисленных механизмов на ВА сигнал при трении похожи между собой. Во всех случаях генерируемый при трении ВА сигнал модулируется по амплитуде с частотой, свойственной возмущающему воздействию. Подобная модуляция может сопровождаться значительным ростом мощности ВА сигнала в широком диапазоне частот за счет возникновения интенсивных ударных процессов.

Для примера, на рис. 11 показаны записи контура ВА сигнала, зафиксированного при вынужденном воздействии на пару трения.

В качестве пары трения выступала упругая стальная пластина, прижатая к вращающейся оправке, закрепленной в шпинделе фрезерного станка. На оправку накладывались вынужденные колебания с помощью электромагнитного вибратора, позволявшего менять частоту и амплитуду колебаний оправки в направлении нормали к поверхности пластины. В качестве ВА сигнала фиксировался сигнал виброускорения в октавной полосе 16 кГц. Собственная частота пластины была в районе 465 Гц, амплитуда колебаний оправки составляла 5 мкм. На рис. 11а показан вид ВА сигнала при частоте возмущающего воздействия 420 Гц, а на рис. 11б – на частоте 465 Гц (при резонансе). При возмущениях на резонансной частоте сигнал вырос в несколько раз. Это связано с тем, что при резонансном режиме резко увеличилась интенсивность соударений оправки и пластины. Аналогичная картина возникает и при других видах возмущений, накладываемых на фрикционный контакт по нормали к поверхности трения.

На основании сказанного можно заключить, что в пространстве условий работы фрикционной пары существуют области, где эта система плохо обусловлена. В этих областях достаточно малых изменений условий работы пары для больших изменений амплитуды ВА сигналов, сопровождающих трение.

Рис. 11. Изменения ВА сигнала в октавной полосе с СГЧ 16 кГц при трении с относительными колебаниями по нормали к контактной поверхности. Частота относительных колебаний 420 Гц (а) и 465 Гц (б)

Фрикционные автоколебания при сухом трении чаще объясняются разностью между силами трения покоя и скольжения и падающей зависимостью силы трения от скорости. Поскольку в этой работе трение рассматривается в приложении к резанию, то в качестве основной причины автоколебаний при трении, например, задней поверхности резца по поверхности резания можно указать координатную связь. В рамках этой концепции движение ползуна по поверхности надо рассматривать по двум или более координатным осям. Деформация упругой системы под действием сил трения происходит не только по направлению скорости трения, но и в перпендикулярном направлении. Т. о., возникает реакция, направленная по нормали к поверхности трения и стремящаяся оторвать ползун от поверхности трения. Когда это происходит, разрываются все мостики адгезионных связей почти единовременно, и происходит выброс запасенной потенциальной энергии в виде колебаний.

 

Появление составляющей силы, отрывающей ползун от поверхности трения

На рис. 12 показана схема колебательных движений ползуна при автоколебаниях и пример автоколебаний режущего инструмента при переходе от резания к трению за счет выключения подачи.

Рис. 12. Схема автоколебаний при трении и пример автоколебаний при переходе от резания к трению

На рис. 12 можно наблюдать, что при переходе от резания к трению исчезло силовое замыкание со стороны стружки, удерживавшее заднюю поверхность резца у поверхности резания, появилась возможность отрываться от поверхности трения, создавая ударные импульсы, вызывающие рост ВА сигналов. Ударные импульсы создают вибрационный след на поверхности, что ведет к постепенному росту амплитуды колебаний при повторном прохождении следа.

Все виды возмущений, способствующие кооперативному разрыву адгезионных мостиков и ударному взаимодействию поверхностей трения при вступлении в контакт, создают похожий эффект относительно значительного роста мощности ВА излучения. Заранее оценить размер этого увеличения не представляется возможным, поскольку он зависит от множества параметров, включающих динамические, реологические (Реология – раздел физики, изучающий деформации и текучесть вещества.), адгезионные и т.п. характеристики, которые не отличаются постоянством.

Большое влияние на рост мощности ВА излучения и его частотный спектр оказывает время соударения.

Наибольший прирост мощности ВА излучения вызывают кратковременные соударения. Кратковременность означает, что процесс нагружения заканчивается значительно раньше, чем выполняется полный цикл свободных колебаний системы на собственной частоте. Поскольку собственных частот в упругой системе много, то колебания на собственных частотах, для которых выполняется условие кратковременности имеют относительно большее приращение мощности. Для более высокочастотных колебаний это приращение может быть значительно меньшим за счет поглощения упругой энергии в зоне контакта при соударении.

На рис. 13 показаны примеры 1/3 октавных спектров ВА сигналов при ударах стальным лезвием острым и затупленным по деревянной заготовке. Кинетическая энергия лезвия перед ударом была одинаковой, но при использовании острого лезвия длительность ударов была значительно дольше из-за врезания лезвия в материал заготовки. Контакт острого лезвия с материалом заготовки формировал адгезионные связи, которые и обеспечивали падение мощности сигнала. Существенное отличие в спектрах ВА сигнала наблюдается на частотах выше 1 кГц. Это объясняется тем, что при врезании в материал часть энергии удара и последующих колебаний расходуется на трение лезвия о материал заготовки.

Этот пример подчеркивает сложность формализации зависимостей параметров ВА излучения от различных сочетаний множества факторов. При реализации диагностических процедур интерес представляет не только общая мощность ВА сигнала, но и дифференциация этой мощности по различным частотным диапазонам.

Рис. 13. Треть октавные спектры при ударах острого (1) и затупленного (2) лезвия по деревянной заготовке

Похожая картина возникает и при ударах долбяка на гравировальном станке. Долбяк изготовлен из сапфира в виде многогранной пирамиды, вершина которой и является рабочим инструментом. На рис. 14 показаны фотографии вершин острого и тупого долбяков.

а б

Рис. 14. Фотографии вершин острого (а) и тупого (б) долбяков.

На рис. 15 показан спектр (непрерывный и октавный) ВА сигнала, зафиксированного на заготовке при работе острым инструментом. Велась обработка мрамора, острый инструмент при каждом ударе оставлял на заготовке глубокий след. Изношенный долбяк при ударе следов на заготовке почти не оставлял. Его спектры показаны на рис. 16. Сравнивая эти спектры, можно отметить, что на высоких частотах амплитуда ВА сигналов в десятки раз превышает амплитуду при работе острым инструментом. Например, в октаве 4 кГц амплитуда ВА сигнала выросла более чем в 20 раз.

Рис. 15. Спектр ВА сигнала при работе острым долбяком (вверху показан октавный спектр)

Рис. 16. Спектр ВА сигнала при работе тупым долбяком (вверху показан октавный спектр)

Здесь можно отметить, что колебания (вынужденные и автоколебания) в паре трения по направлению скорости трения влияют на мощность ВА излучения значительно меньше, поскольку в определенных пределах не создают кооперативного разрыва связей. Они модулируют скорость трения, но это мало сказывается на мощности излучения относительно рассмотренных выше колебаний по нормали к поверхности трения.

 

Влияние скорости трения и других факторов на акустические свойства фрикционного контакта

Рассмотренная выше модель фрикционного контакта очень схематична и не учитывает влияния целого ряда факторов, к важнейшим из которых относится скорость трения.

На рис. 17 показаны примеры изменения уровней СКЗ амплитуды ВА сигнала при росте скорости трения различных материалов по стальной поверхности. Несмотря на то, что эксперименты проводились с разными материалами, средний угол наклона у представленных зависимостей приблизительно одинаков. В первом приближении можно полагать, что амплитуда высокочастотного ВА сигнала приблизительно линейно зависит от скорости трения. Это допущение делается с оговоркой, что на процесс трения не действуют возмущения в виде автоколебания и т. п. воздействия. Но главное условие для такого утверждения состояло в том, что температура в контакте не должна существенно влиять на модуль упругости наименее прочного элемента в паре трения.

 

Рис. 17. Примеры изменения уровней ВА сигнала в октавной полосе с СГЧ 31,5 кГц с ростом скорости при трении различных материалов по стали 45:1 – бронза АЖ9; 2 – ВОК-60; 3 – алюминиевый сплав Д16; 4 – фторопласт

 

Механизм влияния скорости трения на мощность ВА излучения определяется возмущающим фактором со стороны соударяющихся неровностей и стабилизирующим фактором со стороны процесса адгезионного взаимодействия.

При увеличении скорости трения могут меняться характеристики силовых импульсов, возникающих при взаимодействии микронеровностей, и условия образования адгезионных связей, определяющие их прочность.

Простое увеличение частоты взаимодействия микронеровностей за счет изменения какого-либо параметра трения во фрикционном контакте при достаточно больших ФПК не могут влиять на увеличение мощности ВА излучения, если не меняется К_ВА.

При увеличении скорости трения остается причину роста мощности ВА излучения искать в росте влияния отдельных взаимодействий и изменении прочности единичных адгезионных связей на генерируемую ВА мощность. В этой ситуации упрощенную зависимость мощности ВА излучения от скорости трения можно представить в виде:

, (2.5.1)

где V – скорость трения, F(V) – фактор, определяемый средним силовым возмущением, создаваемым при соударении двух микронеровностей, - жесткость единичного адгезионного контакта.

Входящая в 2.5.1 константа обобщает все прочие факторы, которые считаются условно независящими от V.

Если амплитуда ВА сигнала приблизительно пропорциональна V, то мощность ВА сигнала должна быть пропорциональна V². В работе [47] на основании экспериментальных исследовании делается заключение, что с изменением V фактор F(V) увеличивается приблизительно пропорционально . Для того, чтобы E(V) увеличивалась пропорционально V², как это показывают эксперименты, необходимо в выражении 2.5.1 иметь знаменатель (V), меняющийся с ростом V пропорционально V^-3/2.

Следовательно, с ростом скорости прочность связей, образующихся в результате их рекомбинации, убывает быстрее, чем растет возмущающее воздействие от ударов микронеровностей.

В связи с тем, что изменение характера адгезионного взаимодействия оказывает доминирующее влияние на изменение мощности ВА сигнала при трении, то необходимо более подробно рассмотреть связь скорости трения с прочностью адгезионных мостиков.

Адгезия, являясь процессом электронного обмена, состоит из двух этапов: сближения на расстояние, соизмеримое с параметрами кристаллической решетки, необходимое для межатомного взаимодействия, и самого электронного взаимодействия. Факторы, которые способствуют увеличению давления и площади контактной зоны, повышают вероятность возникновения адгезионных связей. С уменьшением скорости трения увеличивается время взаимодействия отдельных неровностей. Если взять за основу положение о том, что пластические деформации запаздывают по отношению к моменту возникновения напряжения, вызывающего эти деформации, то становится очевидным, что с ростом времени взаимодействия отдельных неровностей увеличиваются пластические деформации, сопровождающие это взаимодействие, и неровности глубже проникают друг в друга, позволяя вступить в контакт новым неровностям. При больших пластических деформациях вокруг каждой контактирующей неровности создается большее пятно из новых контактов, что и увеличивает локальную жесткость в контакте, ускоряя переходный процесс изменения мощности ВА сигнала при росте ФПК.

Относительно запаздывания пластических деформаций можно сказать, что этот механизм объясняется действием структурных причин, связанных со временем, необходимым для освобождения заблокированного источника дислокаций или для его зарождения. Т.е. речь идет о задержке пластических деформаций. Теория этого явления основана на том, что вероятность освобождения блокированного источника дислокаций, т.е. вероятность пластической деформации, будет расти с увеличением времени воздействия упругого поля. В работах, посвященных изучению зависимости силы трения от скорости, авторы предлагают зависимость коэффициента трения (μ) от скорости трения выражать зависимостями, подобными следующей:

. (2.5.2)

Для входящих в это выражение параметров даются дополнительные комментарии. Параметр а существенно зависит от физических свойств материалов пары трения. Он увеличивается с возрастанием модуля упругости, скорости релаксации напряжений и шероховатости поверхности трения. Параметр b зависит от вязкопластических свойств материалов, а параметр с является произведением декремента затухания колебаний на коэффициент вязкости контактных слоев. Параметры b и с зависят от давления, т.к. с его увеличением вязкость контакта возрастает. Параметр d характеризует влияние конструкции пары трения и режима трения.

Существенным недостатком последней формулы, впрочем, как и всех подобных ей, является невозможность предварительного учета влияния давления, размера поверхности, сложность численного определения параметров a, b, c, и d, существенно зависящих от температуры и от всего комплекса физико-химической механики при трении. Эти параметры предполагается определять из экспериментов, при которых оценивается зависимость μ от V при различных давлениях p_a. Составляется система из четырех уравнений, решение которых позволяет вычислить параметры a, b, c, и d при данном номинальном давлении р_а.

В общем виде зависимость μ от V носит экстремальный характер, но при больших V коэффициент трения падает с ростом V. При пластическом контакте скорость трения влияет на величину μ через скорость распространения пластической деформации. При увеличении V пластическая деформация локализуется в тонком поверхностном слое и μ снижается.

Следует признать, что к настоящему моменту отсутствует удовлетворительная теория кинетического трения (трения движения) [15]. Однако приведенные примеры показывают, что экспериментальные и теоретические поиски многих исследователей подтверждают изменение характера контактного взаимодействия в трущейся паре с изменением скорости относительного движения. В связи с тем, что трибология имеет за плечами долгую историю и большой накопленный материал, то и в трибоакустике, естественно, стремятся выражать параметры, влияющие на мощность ВА сигнала, через уже широко использующиеся и имеющие экспериментальную проверку параметры, такие как, например, коэффициент трения, номинальное и фактическое давление и т.п.

Используя закон аддитивности трения можно утверждать, что суммарная мощность Е_Т, расходуемая на преодоление сопротивления на отдельных пятнах контакта, равна произведению среднего значения энергии, расходуемой на преодоление сопротивления на одном пятне на количество пятен, разрушающихся в единицу времени (n). Если каждый адгезионный мостик смоделировать в виде пружины с жесткостью , а средний путь, на котором она сопротивляется движению, обозначить через «l», то можно представить Е_Т такими выражениями:

. (2.5.3)

В первом приближении количество мостиков, разрушающихся в единицу времени, пропорционально площади (S) и давлению (р) в контакте и скорости трения V. Следовательно:

, (2.5.4)

где n₀ – количество мостиков при единичных площади, давлении и скорости.

Если правую и левую части выражения 2.5.5 разделить на V, то получится выражение для силы трения F_TР:

. (2.5.5)

С учетом того, что F_TP = N·μ, а N/S = p, где μ – коэффициент трения, а N – сила нормального давления, выражение 2.5.5 можно упро стить и записать так:

. (2.5.6)

Это говорит о том, что при преобладании адгезионного трения, а именно так происходит при трении металлов, коэффициент трения в первом приближении пропорционален прочности образующихся на пятнах контакта адгезионных связей. Это позволяет выражение 2.5.1 записать в виде:

. (2.5.7)

Все сказанное в этом разделе предполагает, что температура контакта испытываемых материалов не оказывает существенного влияния на процессы в контакте. На самом деле влияние температуры на молекулярное трение пока изучено недостаточно. Температура контактирующих поверхностей оказывает влияние не только на физические характеристики взаимодействующих материалов, но и на скорости протекания тех процессов, которые определяют время создания адгезионного соединения. Выделяются две стадии в процессе схватывания одноименных металлов под нагрузкой: пластическое смятие неровностей и структурную подстройку атомов. При низкой температуре схватывание лимитируется скоростью пластической деформации, при высокой - скоростью подстройки атомов. Феноменологически это поясняется графиком, показанным на рис. 18.

 

Рис. 18. Зависимость скорости пластических деформаций и скорости подстройки атомов от температуры

 

В некоторых работах, связанных, например, со шлифованием доказывается, что время, необходимое для активации атомов для образования адгезионных мостиков, растет с увеличением скорости шлифования. Время взаимодействия зерен шлифовального круга с материалом заготовки с ростом скорости наоборот уменьшается. На основании этого делается вывод, что при достижении некоторого критического значения скорости резания адгезионные явления исчезнут совсем. Это подтверждается всей практикой резания металлов, рост скорости резания ведет к уменьшению процессов наростообразования.

Остается вопрос о роли скорости трения. Является ли она непосредственным фактором, определяющим время активации атомов, или это влияние происходит через изменение температуры контакта.

Влияние других факторов на акустические свойства фрикционного контакта.

Твердость менее твердого материала в паре трения оказывает заметное влияние на энергию ВА сигнала. На рис. 2.6.1 показан типичный пример изменения… , (2.6.1) где τ0 – напряжение среза адгезионных мостиков при отсутствии нормальных напряжений, β – коэффициент…

Т.о., можно предположить, что основным фактором, определяющим рост мощности ВА сигнала с увеличением твердости материала, является силовой.

Рост твердости микронеровностей снижает долю пластических деформаций и увеличивает количество энергии упругих деформаций, поступающей в элементы механизма в виде колебаний. Этот фактор и ведет к линейной зависимости СКЗ амплитуды ВА сигнала от твердости.

Рис. 2.6.1. Пример увеличения амплитуды ВА сигнала при росте твердости обрабатываемого материала(сталь 45 – Т15К6; А/А₂₂₀ – отношение амплитуды при текущей твердости к амплитуде при твердости 220 HB)

При резании и трении твердость материала в области контакта не является постоянной величиной. С изменением температуры может меняться и твердость.

НТ = Н0 ехр(- ε∙∆Т), (2.6.2) где НТ – твердость тела при температуре Т; Н0 – твердость тела при номинальной… Непосредственное измерение температуры в контакте при трении или резании задача, пока трудно разрешимая. Еще труднее…

Рис. 2.6.2. Изменение временного сопротивления металлов от температуры

Рис. 2.6.3. Октавные спектры при точении заготовки из стали ХН77ТЮР с разными скоростями: 1 – 50 м/мин; 2 – 25 м/мин; 3 – 12 м/мин.Вверху показаны примеры записей ВА сигналов в октаве 4 кГц при точении по торцу с убывающей скоростью.

На рис. 2.6.3 видно, что в октавных полосах 4 и 8 кГц наблюдается почти пропорциональное убывание амплитуды ВА сигнала с падением скорости резания. На примерах записей тоже видна линейная связь амплитуды и скорости. Однако в октаве 2 кГц линейная связь уже нарушается, а в октаве 1 кГц нарушается даже монотонность. В более низких октавных полосах, которые при контроле ВА сигнала в виде виброускорения имеют сравнительно малые амплитуды, наблюдается даже рост амплитуд с падением скорости резания.

Рис. 2.6.4. Октавные спектры при точении заготовки из стали 40Х с разными скоростями: 1 – 220 м/мин; 2 – 440 м/мин; 3 – 660 м/мин.Вверху показан пример записи ВА сигнала при точении по торцу с растущей скоростью.

На рис. 2.6.4 показан аналогичный пример с торцевым точением, но со значительно большими скоростями резания. Проводилось торцевое точение заготовки из стали 40Х с подачей по направлению к периферии заготовки, т.е. с растущей скоростью. В верхней части рис. 2.6.4 показана запись ВА сигнала,, где видно, что амплитуда ВА сигнала растет в течение первых 3-х секунд, далее рост прекращается и начинает медленно убывать. Рассмотрение октавных спектров показывает, что в октаве 8 кГц наблюдается монотонное падение амплитуды с ростом скорости резания, а в других октавах прослеживается экстремальная зависимость. При больших скоростях наблюдается выделение такого количества тепла, которое значительно меняет твердость обрабатываемого материала. Можно предполагать, что и при режиме сухого трении с высокими скоростями линейная зависимость амплитуды ВА сигнала от скорости соблюдаться не будет.

Увеличение шероховатости контактирующих поверхностей ведет к росту ВА излучения.

Ограничиваясь качественной оценкой факторов, определяющих влияние шероховатости на излучаемую ВА энергию, можно сослаться на эксперименты, где при… На рис. 2.6.5 показаны октавные спектры амплитуды ускорения ВА сигнала,…

Фрикционный контакт поверхностей с высокой чистотой обработки может вызывать скачки при движении, возникающие из-за схватывания поверхностей и отображающиеся в росте мощности ВА излучения. В связи с этим бессмысленно говорить о влиянии шероховатости на ВА сигнал без учета условий трения. Но можно сказать, что все условия, способствующие росту относительных колебаний в поперечном направлении, приводят к увеличению мощности ВА излучения.

Влияние температуры контакта на излучаемую мощность ВА сигнала может быть решающим. Например, если контртело под влиянием температуры приобретает повышенную пластичность, то мощность ВА сигнала может существенно снизиться. При этом пластичный материал контртела может просто выдавливаться индентором, формируя соответствующие неровности поверхности.

 

Влияние смазывающих сред на свойства фрикционного контакта

При всех трех взаимодействиях возникают упругие волны широкого частотного диапазона, распространяющиеся по деталям станка и воспринимаемые датчиками…

Исследования ВА сигналов при трении показывают, что в целом ряде ситуаций их параметры могут нести информацию, полезную для ведения мониторинга за процессом шлифования и состоянием шлифовального круга.

Основные трудности применения ВА сигналов в системах диагностики связаны со сложными зависимостями параметров ВА сигналов от технологических факторов и состояния круга. Выше было показано, что с ростом площади контакта при трении изменение параметров ВА сигнала может носить нелинейный характер, приближающийся к экспоненте, что при определенных условиях параметры ВА сигнала могут достигать состояния «насыщения», когда они мало меняются при вариации ФПК. Это свойство сложным образом формируется под влиянием интенсивности и частоты возмущающих импульсов в зоне контакта, с одной стороны, и прочности адгезионных мостиков, создаваемых в зоне контакта взаимодействующими неровностями, с другой стороны.

Помимо влияния износа и засаливания шлифовального круга на параметры ВА сигналов интерес представляют зависимости, связывающие вариации глубины и ширины шлифования с параметрами ВА сигнала, влияние дисбаланса шлифовального круга и перерывов в подаче СОТС на ВА сигнал. Эти изменения могут присутствовать в реальных процессах, создавая трудности в идентификации происходящих возмущений диагностических параметров и в принятии правильных решений.

Эксперименты проводились на плоскошлифовальном станке мод. 3Г71М, оснащенном шлифовальным кругом с зерном (размер 40) из белого электрокорунда. Акселерометр устанавливался на столе станка, где и крепилась заготовка из стали 35 в состоянии поставки. На рис. 2.7.1 показаны октавные спектры ВА сигналов виброускорения, полученных при вариации ФПК при шлифовании без СОТС. Вариации ФПК обеспечивались за счет изменения ширины шлифования. Во всех октавах с увеличением ширины наблюдается монотонный рост амплитуды ускорения, однако для большинства октавных полос видно, что превышение ширины в 1 мм вызывает ускоренный рост амплитуды ВА сигнала.

Рис. 2.7.1. Октавные спектры ВА сигналов, при шлифовании без СОТС с глубиной 0,02 мм и шириной: 1 – 0,5 мм; 2 – 1 мм; 3 – 2 мм

Рис. 2.7.2. Октавные спектры при шлифовании с СОТС с разной глубиной: 1 – 0,04 мм; 2 – 0,06 мм; 3 – 0,08 мм

На рис. 2.7.1 показаны результаты при шлифовании без СОТС. При этом амплитуда ВА сигналов бывает значительно выше, чем в условиях применения СОТС. На рис. 2.7.2 показаны октавные спектры при шлифовании с СОТС, где ФПК варьировалась за счет изменения глубины шлифования. Из рис. 2.7.2 можно сделать вывод, что в некотором диапазоне вариации глубины шлифования при наличии СОТС изменения амплитуды ВА сигнала сравнительно небольшие. Причиной такого положения может быть влияние пленок СОТС, разделяющих поверхности контакта, амортизирующих ударные процессы в зонах пластических и упругих контактов. Уменьшение ВА активности контакта при введении СОТС говорит о снижении К_ВА. Для сравнения на рис. 2.7.3 показаны спектры сигналов, записанных в одинаковых условиях, но без применения СОТС и с СОТС. На некоторых резонансных частотах применение СОТС снизило амплитуду сигнала до семи раз. Т. о., применение СОТС значительно снижает влияние глубины и ширины шлифования на амплитуду ВА сигнала, сопровождающего процесс обработки. Из этого можно сделать вывод о том, что в возмущениях, порождающих упругие колебания, основная доля принадлежит упругому и пластическому взаимодействию микронеровностей. Утверждение обосновывается тем, что СОТС не попадает в зоны микрорезания, где формируются ювенильные поверхности, поэтому режущая способность шлифовальных зерен от введения СОТС не меняется, что подтверждается практикой. Следовательно, изменение ВА активности контакта при введении СОТС определяется ее влиянием на зерна, работа которых сопровождается упругим и пластическим взаимодействием. Появление разделяющих пленок снижает их активность в отношении возмущающего воздействия, и в отношении формирования адгезионных связей, стабилизирующих фрикционный контакт.

Возникновение ВА равновесия в контакте на более низком уровне излучаемой мощности говорит за то, что в зоне контакта уменьшилось количество возмущающих источников по сравнению со стабилизирующими. Из этого следует, что стабилизирующие функции более свойственны активным зернам, обладающим наибольшим механическим и адгезионным сцеплением с обрабатываемым материалом. Это и обеспечивает выход фрикционного контакта на уровень насыщения при более низком значении ВА сигнала.

В этой ситуации контроль глубины шлифования должен возлагаться на контроль моментов касания инструмента и заготовки по изменению амплитуды ВА сигнала или другие средства мониторинга.

В работе [12, 13] показывается, что различимые приращения амплитуды ВА сигнала появляются еще в моменты упругого контакта сближающихся поверхностей инструмента и заготовки.

Темпы нарастания амплитуды ВА сигнала во многом зависят от скорости относительного движения неровностей контактирующих поверхностей. При шлифовании эти скорости наибольшие, что делает контроль момента контакта с помощью ВА сигнала простым и надежным инструментом.

На рис. 2.7.4 показан пример записи ВА сигнала в октаве 4 кГц, где видно, что в момент вхождения правящего алмаза в зону правки наблюдаются лишь отдельные импульсы касания алмаза и круга, что начало контакта алмаза по всей окружности происходит только через 0,3 с, т. е. через несколько оборотов от момента первого контакта. На первых оборотах касание происходит по наиболее выступающему участку круга. Однако импульсы ВА сигнала почти с самых первых контактов круга с алмазом соизмеримы и даже превышают амплитуды сигнала при начале стационарной правки. Такое поведение ВА сигнала связано с тем, что в момент вступления в контакт нет адгезионных связей между кругом и алмазом (К_ВА=∞), наличие которых повышает фактическую жесткость упругой системы в зоне резания [7, 8, 3]. Возмущающий импульс воздействует на систему, обладающую в этот момент минимальной жесткостью. Описанное свойство ВА сигнала при использовании на станках с ЧПУ позволяет не только определять координату положения шлифовального круга в момент касания заготовки, но и дает возможность определять остаточное биение круга и необходимость повторной правки. Зная координату инструмента в момент касания, можно задавать необходимый припуск на операцию, компенсируя тепловые деформации и неопределенности диаметра круга и размера заготовки.

Рис. 2.7.3. Спектры ВА сигналов при работе без СОТС (верхний график) и при работе с СОТС (нижний график): глубина шлифования 0,04 мм, ширина 1 мм.

Рис. 2.7.4. Пример записи ВА сигнала в октаве 4 кГц при вхождении правящего алмаза в зону правки.

Устранить дисбаланс шлифовального круга с помощью правки не всегда удается. На рис. 2.7.5 показан пример записи ВА сигнала в процессе резания, где проявляется модуляция, синхронная с оборотами шлифовального круга. На этом же рисунке показан спектр огибающей этого ВА сигнала, где видно, что кроме гармоники на оборотной частоте f₀ в спектре присутствует целый ряд гармоник, кратных f_0.. Это говорит о том, что биение круга не просто плавно меняет силу взаимодействия с обрабатываемой деталью, а оказывает ударное воздействие, неизбежно влияющее на качество обработки, характер и мощность ВА сигнала.

Рис. 2.7.5. Спектр огибающей ВА сигнала с гармониками оборотной частоты f₀ (вверху - пример записи сигнала)

 

В условиях автоматизированного производства при частой смене вида обрабатываемых заготовок мониторинг состояния шлифовального круга является не менее актуальной задачей, чем определение координаты касания шлифовального круга с заготовкой для задания требуемого припуска. Эксперимент по оценке характера отображения состояния шлифовального круга в параметрах ВА сигнала проводился при обработке инструментальной стали Р9 с твердостью 64 HRC. Шлифование поверхности с глубиной 0,02 мм и шириной 1,0 мм кругом из электрокорунда (2700 об/мин, Ø 200 мм) проводилось в течение 25 минут с записью ВА сигнала, сопровождавшего процесс резания. На рис. 2.7.6 представлены спектры ВА сигналов для разных периодов времени. На рис. 2.7.6а показаны спектры для низкочастотного (НЧ) диапазона, а на рис. 2.7.6б – для высокочастотного (ВЧ) диапазона.

а

б

Рис. 2.7.6. Спектры ВА сигнала на разных этапах шлифования: а – область низких частот; б – область высоких частот

Анализ представленных спектров позволяет сделать следующие выводы.

Амплитуды сигналов в НЧ диапазоне увеличивалась в течение всего времени эксперимента, а в ВЧ диапазоне наблюдался быстрый рост амплитуд в начальный период засаливания, который резко замедлялся на последующих этапах обработки. Эти выводы подтверждаются и графиками на рис. 2.7.7, где представлены октавные спектры ВА сигнала для разных этапов шлифования.

Если при шлифовании пропускается момент правки круга, на шлифуемой поверхности появляются прижоги (рис. 2.7.8). Прижоги вызываются повышением температуры в зоне контакта, вызывающим отпуск участков поверхности.

Рис. 2.7.7. Октавные спектры ВА сигнала для разных этапов шлифования: 1 – 1-я минута; 2 – 8-я минута; 3 – 15-я минута; 4 – 25-я минута

Из октавных спектров видно, что в октавах 125, 250, 500 Гц амплитуда сигнала со временем шлифования монотонно возрастает, а в октавах ВЧ диапазона наблюдается быстрый рост в первой половине периода обработки и малозаметное изменение на завершающем этапе. Прекращение прироста ВЧ энергии сигнала говорит о том, что в контакте нет прироста коротких ударных импульсов, формируемых при упругом взаимодействии нережущих зерен, имеющих возможность контактировать с неровностями обрабатываемой поверхности. Засаленный круг меняет геометрию неровностей, делая импульсы микроударов более растянутыми во времени, что и заставляет энергию ВА колебаний смещаться в НЧ область. При этом увеличивается жесткость и демпфирование в упругой системе, примыкающей к зоне резания, поскольку из-за снижения режущей способности активных зерен растет ФПК в зоне резания. Возрастающие усилия, действующие по нормали к поверхности контакта, стремятся отжать круг от обрабатываемой поверхности. При этом в упругой системе накапливается потенциальная энергия низкочастотных форм колебаний, которая при каждом изменении натяга в скользящем контакте переходит в кинетическую энергию колебаний на соответствующих собственных частотах. При заполнении пор шлифовального круга частицами относительно мягкого материала постоянная времени подобных переходов потенциальной энергии в кинетическую возрастает с ростом величины засаливания, порождая сравнительно плавные ударные импульсы, наличие которых и определяет прирост НЧ колебаний.

Изложенный выше материал о ВА свойствах фрикционного контакта предполагал, что сама контактная площадка представляет собой достаточно компактное образование (приближенное по форме к зоне резания), в котором все адгезионные мостики оказывают одинаковое воздействие на активность точки, где происходит соударение в данный момент. В работе [7] показывается, что при разных формах контактных площадок это предположение нарушается. Отдаленные адгезионные мостики влияют меньше на жесткость упругой системы, приведенной к точке возмущающего воздействия. Значение имеет даже то, в каком направлении отдалены стабилизирующие мостики: по направлению скорости трения или в перпендикулярном направлении. Учет всех этих нюансов показывает, что закономерности генерации ВА сигналов во фрикционном контакте достаточно сложны, как и сама трибология.

 

 

Рис. 2.7.9. Следы прижогов на поверхности детали

 

 

Библиогафия:

1. Вульф А.М. Резание металлов. - Л.: Машиностроение, 1973, 496 с.

2. Гольдсмит В. Удар. – М.: Издательство лит. по строит, 1965, 447 с.

3. Григорьев С.Н., Гурин В.Д., Козочкин М.П. и др. Диагностика автоматизированного производства. Под ред. С.Н. Григорьева./ М.: Машиностроение. 2011. 600 с.

4. Зорев Н.Н. Вопросы механики процесса резания металлов. – М.: Машгиз, 1956, 368 с.

5. Зорев Н.Н. Исследование элементов механики процесса резания. - М.: Машгиз, 1952, 362 с.

6. Кащеев В.Н. Абразивное разрушение твердых тел. – М.: Наука, 1970, 248 с.

7. Козочкин М.П. Виброакустическая диагностика технологических процессов./ М.: ИКФ «Каталог». 2005. 196 с.

8. Козочкин М.П. Исследование особенностей трибоакустических явлений // СТИН, 2001, №12, с. 12 - 18.

9. Козочкин М.П. Построение систем виброакустической диагностики состояния режущих инструментов // Вестник машиностроения, 1992, № 8 - 9, с. 44 - 46.

10. Козочкин М.П., Смирнов В.В. Повышение устойчивости динамической системы станка при выстое режущего инструмента // Известия ВУЗов. Машиностроение, 1981, №10, с. 153 - 155.

11. Козочкин М.П., Смирнов В.В. Способ обнаружения поломок режущего инструмента на металлообрабатывающих станках // Патент №973245 - Бюл. изобр. №42, 1982.

12. Козочкин М. П., Смирнов В.В. Экспериментальное исследование акустических явлений при трении твердых тел./ Трение и износ. 1983, т.4, №6, стр. 991-994.

13. Kozochkin M.P, Smirnov V.V. Experimental studies in acoustic emission in friction of solids./ TRENIE & IZNOS 4 (6 , 1983), pp. 991-994э

14. Крагельский И.В. Трение и износ. - М.: Машиностроение, 1968, 480 с.

15. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. – М.: Машиностроение, 1977, 526 с.

16. Кузнецов В.Д. Физика твердого тела. Т. З. Томск: Красное Знамя, 1944, 742 с.

17. Овсяников А.Ш. Прочность поверхностного слоя обработанной поверхности / Алма-Ата: Наука. 1975. 64 с.

18. Павлов Б.В. Акустическая диагностика механизмов. – М.: Машиностроение, 1971, 224 с.

19. Розенберг А.М., Еремин А.Н. Элементы теории процесса резания металлов. – Свердловск: Машгиз, 1956, 320 с.

20. Старков В.К. Дислокационные представления о резании металлов. – М.: Машиностроение, 1979, 160 с.

21. Талантов Н.В. Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента. - М.: Машиностроение, 1992, 240 с.

22. Талантов Н.В. Физические основы процесса резания // Физические процессы при резании металлов. Сборник научных трудов. - Волгоград: Изд. ВПИ, 1984, 179 с.

23. Чихос Х. Системный анализ в трибонике. – М.; Мир, 1982, 351 с.

24. Кудинов В.А. Динамика станков. – М: Машиностроение, 1967, 359 с.

25. Шустер Л.Ш. Адгезионное взаимодействие твердых металлических тел. - Уфа: Гилем, 1999, 199 с.

26. Ван Бюрен. Дефекты в кристаллах. - ИЛ, 1962, 207 с.

27. Браун Э.Д., Буше М.А., Буяновский И.А. и др. Основы трибологии ( трение, износ, смазка). Учебник для технических ВУЗов/ Под. ред. Чичинадзе А.В. - М.:Центр "Наука и техника", 1995, 778 с.

28. Дейвис Р.М. Волны напряжений в твердых телах. – М.: 1961, 103 с.

29. Свирский Г.Э. К вопросу статистической теории трения и износа // В кн.: Теория трения и износа. - М.: Наука, 1965, с. 115 - 117.

30. Ling F.F., Saibel K. On kinetic Friction between Unlubricated Metallic Surfaces // Wear, Vol. 1, №1, 1957, p. 167 - 172.

31. Фукс И. Г., Буяновский И. А. Введение в трибологию: Учебное пособие./М.:Нефть и газ. 1995. 278 с.