Том 24 № 3 2022 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Герасенко А.Н., директор ООО НПКФ «Машсервисприбор», г. Новосибирск, Кирсанов С.В., доктор техн. наук, профессор, ТПУ, г. Томск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Кудряшов Е.А., доктор техн. наук, профессор, Засл. деятель науки РФ, ЮЗГУ, г. Курск, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары В 2017 году журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» вошел в индекс цитирования Emerging Sources Citation Index (ESCI) базы Web of Science. Журналы, представленные в индексе цитирования ESCI, отвечают большинству базовых критериев Core Collection и расцениваются компанией Clarivate Analytics как наиболее влиятельные и востребованные издания, имеющие большую вероятность высокого научного интереса. Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing) на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 3 2022 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Пермяков Г.Л., Давлятшин Р.П., Беленький В.Я., Трушников Д.Н., Варушкин С.В., Шеньон П. Численный анализ процесса электронно-лучевой аддитивной наплавки с вертикальной подачей проволочного материала.......................................................................................................................................... 6 Ильиных А.С., Банул В.В., Воронцов Д.С. Теоретический анализ способов пассивного шлифования рельсов................................................................................................................................................................ 22 Чинчаникар С. Моделирование характеристик износа при скольжении композиционного материала на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), армированного углеродным волокном, в паре трения с SS304 (12Х18Н10Т)......................................................................................................................................... 40 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Аббасов В.А., Баширов Р.Дж. Особенности применения ультразвука при плазменно-механической обработке деталей из труднообрабатываемых материалов........................................................................... 53 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Столяров В.В., Андреев В.А., Карелин Р.Д., Угурчиев У.Х., Черкасов В.В., Комаров В.С., Юсупов В.С. Деформационная способность сплава с памятью формы TiNiHf при прокатке с импульсным током........................................................................................................................................................... 66 Воронцов А.В., Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Москвичев Е.Н., Новицкая О.С., Княжев Е.О., Денисова Ю.А., Леонов А.А., Денисов В.В. Микроструктура и остаточные напряжения многослойных покрытий ZrN/CrN, полученных плазменно-ассистированным вакуумно-дуговым методом............................................................................................................................................................... 76 Иванов И.В., Сафарова Д.Э., Батаева З.Б., Батаев И.А. Сравнение подходов, основанных на методе Вильямсона-Холла, для анализа структуры высокоэнтропийного сплава Al0,3CoCrFeNi после холодной пластической деформациий.............................................................................................................................. 90 Крюков Д.Б. Структурные особенности и технология получения легких броневых композиционных материалов с механизмом локализации хрупких трещин.............................................................................. 103 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 112 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 123 Корректор Л.Н. Ветчакова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 05.09.2022. Выход в свет 15.09.2022. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 15,5. Уч.-изд. л. 28,83. Изд. № 137. Заказ 233. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 24 No. 3 2022 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. We sincerely happy to announce that Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”), ISSN 1994-6309 / E-ISSN 2541-819X is selected for coverage in Clarivate Analytics (formerly Thomson Reuters) products and services started from July 10, 2017. Beginning with No. 1 (74) 2017, this publication will be indexed and abstracted in: Emerging Sources Citation Index. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 3 2022 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Affairs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Gerasenko, Director, Scientifi c and Production company “Mashservispribor”, Novosibirsk; Sergey V. Kirsanov, D.Sc. (Engineering), Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Evgeniy A. Kudryashov, D.Sc. (Engineering), Professor, Southwest State University, Kursk; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 24 No. 3 2022 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Permyakov G.L., Davlyatshin R.P., Belenkiy V.Y., Trushnikov D.N., Varushkin S.V., Pang S. Numerical analysis of the process of electron beam additive deposition with vertical feed of wire material...................... 6 Ilinykh A.S., Banul V.V., Vorontsov D.S. Theoretical analysis of passive rail grinding.................................. 22 Chinchanikar S. Modeling of sliding wear characteristics of Polytetrafl uoroethylene (PTFE) composite reinforced with carbon fi ber against SS304........................................................................................................ 40 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Abbasov V.A., Bashirov R.J. Features of ultrasound application in plasma-mechanical processing of parts made of hard-to-process materials...................................................................................................................... 53 MATERIAL SCIENCE Stolyarov V.V., Andreev V.A., Karelin R.D., Ugurchiev U.Kh., Cherkasov V.V., Komarov V.S., Yusupov V.S. Deformability of TiNiHf shape memory alloy under rolling with pulsed current....................... 66 Vorontsov A.V., Filippov A.V., Shamarin N.N., Moskvichev E.N., Novitskaya O.S., Knyazhev E.O., Denisova Yu.A., Leonov A.A., Denisov V.V. Microstructure and residual stresses of ZrN/CrN multilayer coatings formed by the plasma-assisted vacuum-arc method........................................................................... 76 Ivanov I.V., Safarova D.E., Bataeva Z.B., Bataev I.A. Comparison of approaches based on the WilliamsonHall method for analyzing the structure of an Al0.3CoCrFeNi high-entropy alloy after cold deformation....... 90 Kryukov D.B. Structural features and technology of light armor composite materials with mechanism of brittle cracks localization.......................................................................................................................... 103 EDITORIALMATERIALS 112 FOUNDERS MATERIALS 123 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 3 2022 40 ТЕХНОЛОГИЯ Моделирование характеристик износа при скольжении композиционного материала на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), армированного углеродным волокном, в паре трения с SS304 (12Х18Н10Т) Сатиш Чинчаникар * Институт информационных технологий Вишвакармы, Кондва (Бадрек), Пуне - 411039, Махараштра, Индия https://orcid.org/0000-0002-4175-3098, satish.chinchanikar@viit.ac.in Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022 Том 24 № 3 с. 40–52 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.3-40-52 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Трибологическое поведение скользящих контактных поверхностей оказывает заметное влияние на потери мощности, тепловыделение и общую производительность системы. ИсслеИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.9:531.3 История статьи: Поступила: 14 июля 2022 Рецензирование: 26 июля 2022 Принята к печати: 27 июля 2021 Доступно онлайн: 15 сентября 2021 Ключевые слова: ПТФЭ Износ Искусственная нейронная сеть Стержень-диск SS304 АННОТАЦИЯ Введение. В последнее десятилетие композиционные материалы на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) все чаще используются в качестве альтернативных материалов в автомобилестроении. ПТФЭ характеризуется низким коэффициентом трения, более высокой твердостью и коррозионной стойкостью. Однако этот материал имеет высокую скорость износа. Группа исследователей попыталась повысить износостойкость ПТФЭ, армировав его различными наполнителями. Цель работы. В данной работе экспериментально исследованы характеристики износа при сухом скольжении композиционного материала на основе ПТФЭ, армированного углеродным волокном (35 мас.%), в паре трения с нержавеющей сталью SS304. Кроме того, с помощью искусственных нейронных сетей (ИНС) разработаны экспериментальные математические модели и модели для прогнозирования удельной скорости изнашивания с учетом влияния давления, скорости скольжения и температуры поверхности. Методы исследования. Эксперименты по сухому скольжению проводились на машине для испытания на износ типа «стержень-диск» с изменением нормальной нагрузки на штифт, скорости вращения диска и температуры поверхности. Эксперименты по исследованию влияния входных параметров на удельную скорость изнашивания в широком диапазоне проектных пространств планировались системно. Всего было проведено пятнадцать экспериментов на 5-километровой дистанции без повторения эксперимента с центральным бегом. Скорости скольжения получали подбором диаметра дорожки на диске и соответствующей скорости вращения диска. Для ИНС-модели был использован алгоритм машинного обучения с обратным распространением с прямой связью. Результаты и обсуждение. Это исследование показало лучшую точность прогнозирования благодаря архитектуре ИНС, имеющей два скрытых слоя со 150 нейронами на каждом. Исследование выявило увеличение удельной скорости изнашивания при нормальной нагрузке, скорости скольжения и температуре поверхности. Однако это увеличение более заметно при более высоких параметрах процесса. Нормальная нагрузка и скорость скольжения наиболее существенно влияют на удельную скорость изнашивания. Значения удельной скорости изнашивания, полученные в результате расчета по разработанным моделям, хорошо согласуются с экспериментальными значениями со средней погрешностью, близкой к 10 %. Это показывает, что модель может быть использована для получения скорости износа композита на основе ПТФЭ, армированного углеродным волокном (35 мас.%), в паре трения с нержавеющей сталью SS304. Проведенное исследование имеет задел для дальнейших исследований, рассматривающих влияние различных архитектур ИНС, различного количества нейронов и скрытых слоев на точность прогнозирования скорости износа. Для цитирования: Чинчаникар С. Моделирование характеристик износа при скольжении композиционного материала на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), армированного углеродным волокном, в паре трения с SS304 (12Х18Н10Т) // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 3. – С. 40–52. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.3-40-52. ______ *Адрес для переписки Чинчаникар Сатиш, Ph.D. (Engineering), Professor Институт информационных технологий Вишвакармы, Кондва (Бадрек), Пуне - 411039, Махараштра, Индия Тел.: 91-2026950441, e-mail: satish.chinchanikar@viit.ac.in дователи предприняли несколько попыток заменить обычный материал композитным, более легким и экономичным, подходящим для конкретного применения. В последнее десятилетие композиционные материалы на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ) все чаще используются в качестве альтернативных материалов в автомобилестроении. ПТФЭ, более известный как Тефлон, наиболее предпочтителен в качестве альтернативного
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 3 2022 41 TECHNOLOGY материала при наличии скользящего контакта. ПТФЭ характеризуется низким коэффициентом трения, твердостью и коррозионной стойкостью. Однако этот материал имеет высокую скорость износа. Группа исследователей предприняла попытку повысить износостойкость ПТФЭ путем армирования его различными наполнителями, учитывая его широкий спектр применения в автомобилестроении, в узлах, имеющих скользящий контакт [1-5]. Sonawane и др. [1] наблюдали лучшие показатели износа при трении скольжения ПТФЭ, упрочненного 35 % углеродного волокна, по сравнению с ПТФЭ, упрочненным 25 % углеродного волокна, в паре с контртелом из сплава Al6061. Сталь AISI 304 – аустенитная нержавеющая сталь наиболее часто используемая в быту, автомобилестроении и промышленности. При рассмотрении композиционного материала на основе ПТФЭ в качестве альтернативного материала для применения в автомобилестроении Chinchanikar и др. [2] измерили характеристики сухого износа при скольжении композита на основе ПТФЭ, армированного углеродным волокном (35 мас.%), в паре трения с нержавеющей сталью AISI 304. В их исследовании наблюдалось явление пленки переноса на конртело с увеличением давления на поверхностях скольжения, что способствовало снижению удельной скорости изнашивания. Однако необходимы дальнейшие исследования развития пленки переноса на поверхности скольжения с учетом влияния нормальной нагрузки, скорости скольжения и температуры. Unal и др. [3] исследовали износ ПТФЭ, ПТФЭ + 17 % стекловолокна, ПТФЭ + 25 % бронзы, ПТФЭ + 35 % углеродного волокна. Их исследование показало снижение коэффициента трения для ПТФЭ и композитов до определенной нормальной нагрузки, после которой трение и скорость износа возрастали. В их исследовании наблюдалось образование тонкой и однородной пленки переноса в случае ПТФЭ и разрыв пленки переноса в случае композита с бронзой и углеродным волокном. Sachin [4] исследовал износостойкость ПТФЭ и композитов на его основе, со стекло- и углеродным волокном в качестве наполнителя. В их исследовании наблюдалось увеличение потери объема с увеличением нагрузки и расстояния. Однако потеря объема уменьшалась с увеличением размера абразива, что сочли доминирующим фактором износостойкости материалов. Их исследование показало, что композиты с углеродным наполнителем обладают большей износостойкостью, чем PTFE-матрица, армированная стекловолокном. Venkateswarlu et al. [5] исследовали механические свойства, такие как твердость, временное сопротивление разрушению при растяжении и относительное удлинение чистого ПТФЭ и различных композитов на его основе с различной концентрацией наполнителя. В их исследовании наблюдалось увеличение твердости при оптимальном содержании наполнителя, а при увеличении концентрации наполнителя значения твердости снижались. С другой стороны, временное сопротивление разрушению при растяжении и относительное удлинение ПТФЭ-композитов уменьшались с увеличением содержания наполнителя. Их исследование показало, что бронза является многообещающим наполнителем для получения более высокого временного сопротивления разрушению и меньшего удлинения. Экспериментальное исследование Wang и др. [6] показало, что единичные включения коротких углеродных волокон и графита значительно снижают трение в случае композитов на основе PI (полиимида) и их сопротивление износу. Song и др. в работе [7] исследовали влияние добавок стекловолокна и дисульфида молибдена (MoS2) на износ и трение ПТФЭ-композита с рубленым углеродным волокном в качестве наполнителя при массовой доле углеродного волокна 20 %. Их исследование показало увеличение коэффициента трения с изменением скорости скольжения и его уменьшение от нагрузки при использовании стального кольца в качестве контртела. Добавление MoS2 в ПТФЭ-композит повысило его устойчивость к царапинам и, следовательно, помогло снизить скорость износа. В экспериментальных исследованиях Gujrathi и др. [8] также наблюдалось снижение скорости изнашивания за счет добавления наполнителей. Их исследование показало, что образование защитного слоя между стержнем и контртелом помогает уменьшить потерю объема из-за износа. Shen и др. в работе [9] исследовали трибологические характеристики ПТФЭ-композитов c частицами SiO2 и эпоксидных смол. Их исследование
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 3 2022 42 ТЕХНОЛОГИЯ показало, что при добавлении 10…15 % ПТФЭ наблюдается наименьший коэффициент трения и скорость износа в условиях сухого скольжения при использовании шариков из подшипниковой стали в качестве контртела. В другом исследовании Shen и др. [10] сравнили сопротивление истиранию ПТФЭ с частицами Al2O3 размером от 5 до 200 мкм. Их исследование показало, что размер абразива существенно влияет на трибологические характеристики трибопар. Sawyer и др. [11] наблюдали увеличение износостойкости композита из ПТФЭ, армированного частицами оксида алюминия размером 40 нм, с увеличением концентрации наполнителя. Исследование Kim и др. [12] выявило снижение коэффициентов трения при нормальной нагрузке и скорости скольжения. Наблюдается уменьшение скорости износа с увеличением нормальной нагрузки. Однако первоначально скорость износа увеличивалась со скоростью скольжения, а затем уменьшалась. Wang и др. [13] исследовали износостойкость текстурированной нержавеющей стали в паре с полимерными поверхностями. EDX-анализ, проведенный ими, показал различное поведение при износе. Desale и Pawar [14] исследовали характеристики износа и трения твердого смазочного материала PTFE, армированного углеродом, MoS2, стекловолокном, полиэфирэфиркетонными частицами в условиях сухого и мокрого терния в паре с нержавеющей сталью SS304. Они наблюдали минимальную скорость износа для ПТФЭ-композита, с 15 % стекловолокна и 5 % частиц MoS2. Модель искусственной нейронной сети (ИНС) рассматривалась как потенциальный и хороший инструмент для математического моделирования сложных и нелинейных характеристик износа [15]. Подход ИНС, связанный с биологической нервной системой, моделирует многие сложные нелинейные и другие взаимосвязи реальной жизни. Ibrahim и др. [15] разработали модель ИНС для определения износа ПТФЭ-композитов. Кроме того, производительность моделей сравнивалась с обычной моделью мультилинейной регрессии (МЛР). Их исследование показало, что модель ИНС обладает более высокой точностью прогнозирования. Сенситивный анализ показал, что объемная доля армирующего наполнителя, расстояние скольжения и плотность композитов являются важными параметрами. ИНС помогают обеспечить точность моделирования нелинейных зависимостей свойств композитных материалов, и в дальнейшем помогает оценить влияние многих входных параметров на характеристики материала. Группа исследователей обнаружила, что ИНС очень точно моделируют механическое поведение композитных материалов [16]. Исследователи приложили достаточные усилия для моделирования характеристик износа при скольжении с использованием ИНС. Группа исследователей заметила, что производительность модели ИНС зависит от количества и типа данных, предоставленных во время обучения. Кроме того, сообщается, что необходимо определить значительный набор параметров, чтобы сэкономить время и эффективно обучить модель ИНС [17]. Моделирование ИНС помогает понять физику процесса, что улучшает производительность процесса за счет лучшего управления им. Хотя исследователями было проведено достаточно работ для оценки характеристик армированных композитов, очень немногие моделировали характеристики износа при скольжении ПТФЭ-композита, армированного углеродным волокном, в паре с нержавеющей сталью SS304. С этой целью в этом исследовании разрабатываются экспериментальные математические модели и модели ИНС для прогнозирования характеристик износа при скольжении ПТФЭ-композита, армированного углеродным волокном, в паре с нержавеющей сталью SS304 с учетом воздействия нормальной нагрузки, температуры поверхности и скорости скольжения. Методика исследований Угленаполненный ПТФЭ обладает превосходными фрикционными, механическими свойствами и износостойкостью. Во время производства углерод может быть добавлен в виде порошка или волокна. Процесс горячего компрессионного формования используется для изготовления стержня из ПТФЭ, армированного углеродным волокном (35 % масс.). Используемые образцы композиционного материала имели диаметр и длину 10 и 40 мм соответственно.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 3 2022 43 TECHNOLOGY Цилиндрические стержни были дополнительно обработаны, чтобы иметь индивидуальную длину 31 мм с учетом положения нагреваемого держателя стержней, в котором устанавливаются испытуемые образцы (стержни). В качестве материала дисков, имеющих наружный диаметр 165 мм и толщину 8 мм, были использованы пластины из нержавеющей стали SS304, изготовленные в трех комплектах. Все пластины были закалены до твердости 60 HRC и обработаны для получения почти одинаковой шероховатости поверхности 1,6 мкм. Для проведения экспериментов по сухому скольжению использовалась машина типа «стержень-диск» (рис. 1). Эта машина имеет возможность варьировать скорость в диапазоне 200…2000 об/мин и нормальную нагрузку в диапазоне 20…200 Н. Машина оснащена нагревателем для изучения влияния температуры поверхности раздела на характеристики износа поверхностей скольжения. Для получения сведений о температуре стрежней используется термопара. Эта машина также имеет возможность проводить испытания на износ с учетом воздействия смазки. Цилиндрические стержни, используемые в качестве образцов для испытаний, различались по размеру и имели диаметр 3, 6, 8 и 10 мм. Для каждого размера стержня требовался отдельный тип держателя. Этот держатель устанавливался на штоке с качающимся механизмом. Вес груза, закрепленного на другом конце штока, передавался на цилиндрический стержень и, следовательно, на пластину (диск) через стальную проволоку. Сила трения и линейный износ (в микрометрах) измерялись датчиками, которыми оснащена машина. Датчик присутствия, которым оборудован станок, помогает измерять скорость диска (об/мин) с наименьшим количеством 1 об/мин с точностью 1 %. В общем в процессе сжатия давление на поршневое кольцо изменялось в диапазоне от 2 до 25 бар, а температура – в диапазоне 50…200 °С при скорости скольжения 5 м/с. Исходя из этого были выбраны диапазоны нормальной нагрузки, температуры поверхности раздела и скорости скольжения, которые показаны в табл. 1. Были систематически спланированы эксперименты для исследования влияния входных параметров на удельную скорость изнашивания с более широким диапазоном расчетного пространства. Всего было проведено пятнадцать экспериментов на 5-километровой дистанции без повторения эксперимента с центральным пробегом. Скорости скольжения получали подбором диаметра дорожки на диске и соответствующим вращением диска. Результаты и обсуждение Характеристики износа при скольжении в условиях сухого трения ПТФЭ композита (материал стержня) по пластине из нержавеющей стали SS304 (материал диска) определяли на машине типа «стержень-диск». Эксперименты проводили в соответствии с DoE, нормальная нагрузка, температура поверхности раздела и скорость скольжения варьировали в диапазонах, указанных в табл. 1. На станке типа «стержень-диск» к стержню прикладывалась нормальная нагрузка путем перемещения (качающееся расположение) грузов, закрепленных на другом конце штока. Соответствующая температура устанавливалась включением нагревателя, а достигнутая температура измерялась термопарой. Требуемая скорость скольжения была получена за счет выбора соответствующего диаметра дорожки на диске и выбора соответствующей скорости вращения диска. Тест проводился на дистанции 5 км (около 14…17 мин). Цифровые показания износа, силы трения, соответствующие параметрам процесса, таким, как нормальная нагрузка, температура Рис. 1. Машина типа «стержень-диск», показывающая расположение диска Fig. 1. A pin-on-disk machine showing disk arrangement
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 3 2022 44 ТЕХНОЛОГИЯ Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Уровни параметров, выбранные для оценки удельной скорости изнашивания Levels of parameters selected to evaluate specifi c wear rate Параметр / Parameter Низкий уровень / Low level Средний уровень / Moderate level Высокий уровень / High level Нормальная нагрузка (FN) (Н)/ Normal load (FN) (N) 20 100 180 Температура на границе раздела (T) (oC) / Interface temperature (T) (oC) 50 100 150 Скорость скольжения (v) (м/с)/ Sliding velocity (v) (m/s) 2 5 8 Длина пути: 5 км / Track distance: 5 km и скорость вращения диска, контролировались с панели управления. Панель управления была подключена к настольному компьютеру. Изменение силы трения и износа в зависимости от времени прохождения пути в 5 км также контролировалось на настольном компьютере с помощью программного обеспечения Windcom. Матрица эксперимента с параметрами процесса, такими, как нормальная нагрузка, температура поверхности раздела и скорость скольжения, а также соответствующие результаты показаны в табл. 2. Теоретически скорость износа рассчитывается по уравнению óäåëüíàÿ ñêîðîñòü èçíàøèâàíèÿ ïîòåðÿ îáúåìà . íàãðóçêà ïóòü òðåíèÿ (1) Однако потерю объема получают путем измерения потери массы штифта до и после испытания. Потеря объема рассчитывается с помощью уравнения: ïîòåðÿ ìàññû ïîòåðÿ îáúåìà . ïëîòíîñòü (2) Основанная на экспериментальных данных математическая модель, как показано в уравнении óäåëüíàÿ ñêîðîñòü èçíàøèâàíèÿ ( ) = s W = , a b c N k F T v (3) разработана для прогнозирования скорости износа с точки зрения нормальной нагрузки (FN), температуры поверхности раздела (T) и скорости скольжения (v). Разработанная модель также полезна для понимания влияния параметров на износ. В уравнении (3): k, a, b и c – константы, полученные путем разработки модели полиномиальной регрессии на основе экспериментальных данных. Программное обеспечение DataFit использовалось для получения корреляции между износом, нормальной нагрузкой, температурой и скоростью скольжения, выраженной в уравнении óäåëüíàÿ ñêîðîñòü èçíàøèâàíèÿ ( ) = s W 8 0,6307 = 9,89 10 N F 0,333 0,403. T v (4) Полученный коэффициент корреляции (значение R2), равный 0,9791, показал, что разработанное эмпирическое выражение может быть эффективно использовано для определения скорости изнашивания композита на основе ПТФЭ, армированного углеродным волокном (35 мас.%), в паре трения с нержавеющей сталью SS304 в области выбранных в этом исследовании параметров. Из показателей нормальной нагрузки, температуры поверхности раздела и скорости видно, что на удельную скорость изнашивания существенно влияет нормальная нагрузка, а затем скорость скольжения и температура. Чтобы иметь четкое представление о влиянии входных параметров на удельную скорость изнашивания,
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1