Вплив якості поверхні на експлуатаційні властивості деталей машин
Взаємозв'язок параметрів якості поверхні деталей і їхніх експлуатаційних властивостей є одним з основних напрямків досліджень в області машино - і приладобудування.
В даний час достатньо вивчені питання зв'язків якості обробленої поверхні з важливими експлуатаційними показниками деталей і вузлів машин і приладів (тертя і знос при ковзанні і коченні, рідинне тертя, контактна твердість, міцність пресових з'єднань, відбивна здатність, зносостійкість при змінних навантаженнях, корозійна стійкість і якість лакофарбових покрить, точність вимірів, співвідношення між допусками розміру і шорсткістю поверхні і т. ін.). Не усі фізико-хімічні властивості поверхневого шару впливають на експлуатаційні характеристики деталей машин; визначальними є його хімічний склад і будівля (мікроструктура).
Тертя і знос деталей у значній мірі пов'язані з макронерівностями, хвилястістю, мікронерівностями, а також з напрямком штрихів (слідів) обробки.
Характеристики макронерівності і хвилястості позначаються на розмірах тих ділянок, у яких є зони фактичного контакту, тобто визначають контурну площу торкання. Наявність хвиль приводить до зменшення опорної площі в 5-10 разів у порівнянні з рівною шорсткуватою поверхнею. Висота хвилястості Wz важливіше, ніж її крок Sw,, у зв'язку з тим, що перший параметр сильніше позначається на розмірі опорної площі і, як наслідок, на зносі (рисунок 3.17). Процес контактування поверхонь, що мають макронерівності, у значній мірі визначається формою і розмірами останніх. Для оцінки цього впливу варто враховувати не тільки граничні значення відхилень від правильної геометричної форми, але і взаємне розміщення і форму макронерівностей поверхонь деталей, що сполучаються між собою.
Рисунок 3.17- Вплив висоти Wz і кроку Sw хвилястості на знос
Рисунок 3.18- Вплив шорсткості поверхні на зносостійкість деталей машин:
а, б — схеми контакту сполучених деталей по утворюючій (уздовж осі) і по колу;
в — ідеалізований і фізичний контакт поверхонь;
г, д — типові графіки зносу в часі
При взаємному переміщенні площин, що контактують, (рисунок 3.18а) чи циліндричних (рисунок 3.18б) поверхонь, що мають макронерівності (шорсткість), на початку роботи відбуваються зріз, відламування і пластичне зрушення вершин нерівностей, тому що їх контакт відбувається по вершинах нерівностей. Залежність зносу від часу роботи тертьових поверхонь показана на графіках (рисунки 3.18 г, д). Спочатку порівняно швидко (ділянка I) за період часу T1 відбувається початкове зношування (припрацювання). При правильному режимі змащення (рисунок 3.18 в) зношування проходить повільно (ділянка II), що обумовлено утворенням рівноважної шорсткості. Цей період часу визначає термін служби деталі. Катастрофічне зношування пари характеризується ділянкою III.
На рисунку 3.18д крива 2 характеризує знос поверхонь з меншими початковими шорсткостями, ніж крива 1. У цьому випадку величина і час припрацювання зменшуються, а інтенсивність експлуатаційного зношування
залишається тією ж. Тривалість роботи тертьових пар у межах розміру А припустимого зношування буде різною. При меншій шорсткості сполучених поверхонь час роботи деталей буде більшим (Т2 >T1).
Під час початкового зношування (припрацювання) технологічний рельєф переходить в експлуатаційний (рисунок 3.19а). В результаті цього відбувається зміна розмірів і форми нерівностей, а також напрямків рисок від обробки.
Рисунок 3.19 - Перехід технологічного рельєфу в експлуатаційний
Фактична площа контактування поверхонь при цьому збільшується, тому що збільшується відносна опорна довжина профілю tр (крива опорної поверхні подана на рисунку 3.19б).
У процесі припрацювання висота нерівностей зменшується чи збільшується до деякого оптимального значення, різного для різних умов. Експериментально встановлено, що найменший знос має місце не при мінімальній шорсткості тертьових поверхонь, а при шорсткості, що має оптимальне значення Rопт, відхилення від якого ліворуч або праворуч призводить до збільшення зношування (рисунок 3.20, крива 1). У більш важких умовах роботи крива зносу 2 зміщується вправо і вгору, а точки оптимальної шорсткості - вправо у бік збільшення висоти нерівностей.
Рисунок 3.20- Залежність зносу від висоти нерівностей поверхні і
умов роботи
Збільшення висоти нерівностей у порівнянні з оптимальним значенням підвищує зношування за рахунок зростання механічного зчеплення,
сколювання і зрізу нерівностей. Зменшення висоти нерівностей у порівнянні з оптимальним значенням різко збільшує зношування за рахунок молекулярного зчеплення і заїдання поверхонь, чому сприяє видавлювання мастильного матеріалу і погане змащення ним дзеркально-чистих поверхонь. Тому поверхні, що підлягали шабруванню, краще притертих, оскільки вони мають поглиблення («кишені»), що утримують мастильний матеріал. Гарне утримання мастильного матеріалу забезпечується шаром пористого хрому, пористою структурою металокерамічних деталей, а також системою дрібних мастильноутримуючих каналів, одержуваних віброобкатуванням.
Оптимальна шорсткість характеризується висотою, кроком і формою нерівностей (радіусом западин, кутом нахилу нерівностей у напрямку руху й ін.). Параметри оптимальної шорсткості залежать від якості мастильного матеріалу й інших умов роботи тертьових поверхонь, їх конструкції і матеріалу. Діапазон Rопт,, як правило, дуже малий. Гостровершинні мікронерівності зношуються швидше плосковершинних (рисунок 3.21), тому що площа контакту у них менша.
Мікротвердість поверхневого шару впливає на зносостійкість. Попереднє деформаційне зміцнення (наклеп) металу цього шару зменшує зминання і стирання поверхонь за наявності їх поверхневого контакту. Наприклад, деформаційне зміцнення, що виникає в результаті обробки різанням, зменшує знос поверхонь у 1,5-2 рази. Позитивний вплив попереднього деформаційного зміцнення на зносостійкість деталей виявляється не тільки в умовах тертя з мастильним матеріалом, але й у такій же мірі виявляється і при сухому терті: зносостійкість збільшується в 1,5-2 рази і більше. Особливо сильний вплив деформаційного зміцнення на зносостійкість спостерігається для більш пластичних і порівняно м'яких сталей, для яких навіть незначне підвищення мікротвердості викликає істотне зниження зносу.
У період припрацювання тертьові поверхні не тільки здобувають оптимальну шорсткість, але і формують оптимальну мікротвердість металу поверхневого шару. Позитивний вплив деформаційного зміцнення на зносостійкість тертьових поверхонь виявляється тільки до визначеної величини. При високій мікротвердості в результаті «перенаклепу» знос зростає через відшаровування частинок металу. Тому зміцнення металу поверхневого шару в процесі обробки деталей при використанні спеціальних зміцнюючих операцій повинно проводитися при строго регламентованому значенні деформаційного зміцнення, щоб запобігти виникнення «перенаклепу».
Зношування значно зменшується при термічній і хіміко-термічній обробці деталей (поверхневому загартуванні, цементації, ціануванні, азотуванні, дифузійному хромуванні, боруванні, алітуванні, сіліціюванні й ін.), наплавленню і плазмовому напилюванні деталей твердими сплавами, а також при гальванічному нанесенні твердих покрить (хромуванні).
|
а) б)
Рисунок 3.21- Площа контакту в залежності від форми нерівностей:
а — гостровершинних; б — плосковершинних;
r, r' — радіуси вершин нерівностей, S — крок нерівностей
На зменшення зношування впливають твердість, структура і хімічний склад поверхневого шару. Наявність у шарі залишкових напруг стиску трохи зменшує зношування, а залишкових напруг розтягання - збільшує. Цей вплив більше виявляється при пружному контакті і менше при пружно-пластичному. Зношування змінює залишкові напруги в поверхневому шарі деталі. Міцність деталей також залежить від шорсткості поверхні. Руйнування деталі, особливо при змінних навантаженнях, більшою мірою викликається концентрацією напруг внаслідок наявності нерівностей. Чим менше шорсткість, тим менше можливість виникнення поверхневих тріщин від утомлюваності металу. Оздоблювальна обробка деталей (доведення, полірування і ін.) забезпечує значне підвищення межі їх міцності від утомленості.
Зменшення шорсткості поверхні значно підвищує антикорозійну стійкість деталей. Це має особливо важливе значення в тому випадку, коли для поверхонь не можуть бути використані захисні покриття (поверхні циліндрів двигунів та ін.).
Важливою геометричною характеристикою якості поверхні є спрямованість штрихів - слідів механічного й іншого видів обробки. Вона впливає на зносостійкість поверхні, визначеність посадок, міцність пресових з'єднань. У відповідальних випадках конструктор повинен обмовляти спрямованість слідів обробки на поверхні деталі. Це може виявитися необхідним, наприклад, у зв'язку з напрямком відносного ковзання сполучених деталей чи з напрямком руху по деталі струменя рідини чи газу.
Зношування зменшується і досягає мінімуму при збігу напрямку ковзання з напрямком нерівностей обох деталей.
Шорсткість і хвилястість поверхні взаємозалежні з точністю розмірів, тому що точність сполучення, встановлена й обумовлена розміром зазору в
з'єднанні, у значній мірі залежить від співвідношення висоти нерівностей і поля допуску (точності обробки) кожної з деталей, що сполучаються. Якщо врахувати, що в період початкового зношування висота нерівностей може зменшитися на 65-75 % (при більшій висоті, ніж при оптимальній шорсткості), то в з'єднанні з'явиться збільшений зазор, що може досягти значення допуску на виготовлення деталі, і точність з'єднання буде цілком порушена (наприклад, замість необхідного за кресленням з'єднання 6-го квалітета точності фактично виникає з'єднання 7-го чи 8-го квалітетів, замість посадки з натягом з'являться перехідні посадки і ін.). Для запобігання цьому у всіх відповідальних випадках сполучень, від яких потрібно тривале збереження встановленої конструктором точності, необхідно обробку деталей вести до досягнення оптимальної шорсткості тертьових поверхонь.
Високій точності завжди відповідають малі шорсткості і хвилястості поверхні. Це визначається не тільки умовами роботи сполучених деталей, але і необхідністю одержання надійних результатів виміру у виробництві. Зменшення шорсткості поверхні вносить додаткову визначеність у характер сполучення, тому що розмір зазору (чи натягу), отриманий у результаті контролю деталей, відрізняється від розміру ефективного зазору чи натягу, що має місце при складанні, а потім при експлуатації. Ефективний натяг при складанні зменшується, а зазор у процесі роботи механізму збільшується, причому тим більше і швидше, ніж більш грубо оброблені поверхні, що сполучаються.
Малу шорсткість поверхні часом необхідно використовувати і для додання гарного зовнішнього вигляду деталі чи для зручності підтримування поверхонь у чистоті при експлуатації.