Качество поверхности и свойства деталей машин

А. А. Алиев, В. П. Булгаков, Б. С. Приходько

КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ И СВОЙСТВА ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Известно, что проблема работоспособности машин и механизмов может быть решена технологическим обеспечением качества поверхностного слоя. Это обусловлено тем, что сопряжение деталей машин происходит по рабочим поверхностям. По этой причине и их разрушение, как правило, начинается с поверхности.

Качество поверхностного слоя деталей машин включает в себя как геометрические характеристики, так и физико-механические свойства.

Вопросы обеспечения качества поверхностного слоя деталей машин на стадиях проектирования, изготовления, эксплуатации, ремонта и восстановления формируют учение об инженерии поверхности. Его сущность заключается в разработке теории научно обоснованного определения формы рабочих поверхностей, их геометрических параметров и физикомеханических свойств, обеспечивающих экономически целесообразную долговечность и безопасность деталей машин и их соединений, а также технологического создания таких поверхностей, их контроля, наследования и изменения в процессе эксплуатации [1].

Эксплуатационные свойства деталей машин и их соединений зависят от системы параметров качества рабочих поверхностей: геометрических параметров (отклонения формы, волнистость и шероховатость поверхности); физико-механических свойств (поверхностные остаточные напряжения, эпюра их распределения, толщина упрочненного поверхностного слоя, его строение и фазовый состав, размер зерен, плотность дефектов кристаллического строения).

Из трех указанных выше геометрических параметров поверхности наиболее полно изучена шероховатость. Это объясняется тем, что параметры шероховатости рассматривают на небольшом участке поверхности - базовой длине, на котором проявления отклонения формы и волнистости практически исключаются.

К настоящему времени накоплен достаточно большой объем экспериментальных данных по функциональным связям шероховатости с важнейшими эксплуатационными свойствами деталей и узлов машин, такими как контактная жесткость, коэффициент трения, износостойкость соединений, прочность посадок и др.

Исследования влияния шероховатости рабочих поверхностей на их износостойкость позволили установить, что минимальная шероховатость поверхности не всегда обеспечивает ее высокую износостойкость [2]. Это объясняется очень тесным сближением твердых тел, которое приводит к молекулярному взаимодействию их поверхностей, к увеличению сцепления и, как следствие, к возрастанию износа. В отличие от грубых поверх-

ностей, когда в процессе трения происходит механическое зацепление неровностей и их срез, при минимальной шероховатости контактирующих поверхностей происходит их схватывание.

Во многих случаях изнашивание носит усталостный характер, при котором под действием остаточных и термических напряжений происходит растрескивание поверхностного слоя, соединение на некоторой глубине образовавшихся трещин и отделение материала от изнашиваемого тела. При этом интенсивность изнашивания трущихся поверхностей зависит от величины фактического контакта и их напряженного состояния. В свою очередь, эти факторы в значительной мере определяются размерами и формой неровностей, в частности радиусами закруглений выступов и впадин микронеровностей. Установлено, что тонкие и многочисленные неровности обеспечивают более высокую износостойкость, чем крупные неровности большого шага.

Долговечность пар трения качения определяется главным образом усталостным разрушением, выкрашиванием. Выкрашивание вызывают повторно-переменные контактные напряжения, способствующие образованию трещин, расклиниваемых попадающей в них смазкой. Выкрашивание также зависит от шероховатости поверхности. При испытаниях стальных шлифованных цилиндрических образцов на контактную усталость было установлено, что с увеличением высоты волн от 0,1...0,4 мкм до 1.. .2,5 мкм стойкость снизилась в 3 раза [3].

В зубчатых передачах рабочие поверхности зубьев тем лучше, чем меньше их неровности. Это обусловливает и снижение износа в период приработки.

Влияние шероховатости поверхности на коррозию металлов и особенно на коррозионное растрескивание, а также на качество защитных покрытий близко по характеру к ее влиянию на усталостное разрушение. Микронеровности, в частности глубокие впадины с малыми радиусами закругления дна, увеличивают неоднородность поверхности и приближают момент первых коррозионных разрушений. Проведенные авторами работы [3] эксперименты показывают, что коррозионные потери уменьшаются и щелевая коррозия становится менее интенсивной по мере повышения степени плавности и упорядоченности неровностей поверхности при прочих равных условиях.

Шероховатость поверхностей оказывает существенное влияние и на герметичность соединений. Герметичность стыков в подвижных и неподвижных соединениях, характеризующаяся статической и динамической непроницаемостью, имеет важное значение во многих технических устройствах. Величина утечки жидкости и газа зависит от зоны утечки, образующейся при контактировании поверхностей. В свою очередь, эта зона определяется величиной, формой и взаимным расположением неровностей, а также их податливостью.

Процесс изготовления деталей машин из заготовок, полученных литьем, обработкой давлением или сваркой, заключается в технологической обработке заготовок резанием, чаще всего на металлорежущих станках. Такая обработка изменяет свойства деталей, и в первую очередь качество поверх-

ностного слоя (табл. 1) [4]. Не менее глубокие изменения происходят в поверхностном слое и в процессе фрикционного нагружения деталей.

Т аблица 1

Влияние вида обработки на качество поверхностного слоя

Вид обработки Параметры качества поверхностного слоя

Яа, мкм Яш, мм Яр, мкм

Точение:

черновое 12-40 0,32-1,23 32-120

получистовое 2-16 0,16-0,4 5-50

чистовое 0,8-2,5 0,08-0,16 2-8

В работе [4] проведены также исследования по влиянию параметров качества поверхности на эксплутационные свойства деталей машин. Их результаты приведены в табл. 2.

Таблица 2

Взаимосвязь эксплуатационных свойств деталей с параметрами качества поверхностного слоя

Эксплуатационные свойства Параметры качества поверхностного слоя

Ra, *г Лтах Я

Контактная жесткость - - + 0 +* -*

Коэффициент трения + + - - -* +*

Износостойкость - - +* + +* -*

Г ерметичность соединения - - -* - +* -*

Прочность посадок - - - 0 +* -*

Прочность и усталостная прочность деталей - -* +* 0 - +

Коррозионная стойкость -* - +* +* + -

Термостойкость - - + 0 + -

Условные обозначения:

Ка - среднее арифметическое отклонение профиля; К2 - высота неровностей профиля по десяти точкам; Лтах - наибольшая высота неровностей профиля;

Бт - средний шаг неровностей профиля;

гр - относительная опорная длина профиля;

Яр- высота наибольшего выступа профиля;

«+» и «-» - обозначают соответственно, что увеличение или уменьшение этих параметров вызывают улучшение или ухудшение данного эксплуатационного свойства;

* - параметр оказывает основное влияние на данное эксплуатационное свойство;

0 - параметр не оказывает влияния на данное эксплуатационное свойство.

Анализ данных этой таблицы позволяет оценить влияние параметров качества поверхностного слоя на эксплуатационные свойства деталей машин следующим образом:

1. Коэффициент трения возрастает с увеличением высоты неровностей (увеличением параметров Яа, Я2, Ятах). Сглаживание неровностей, увеличение гр и Бт, наоборот, приводят к снижению коэффициента трения.

2. Износостойкость поверхности повышается с увеличением параметра гр Это объясняется увеличением действительной площади контакта и соответственно уменьшением удельной нагрузки (давления) на поверхности трения.

3. Прочность посадок определяется высотными параметрами шероховатости и параметром гр. В посадках с натягом при сборке деталей происходит смятие и срезание микронеровностей. Чем меньше высота микронеровностей (меньше Яа, Я2, Ятах и Яр и больше гр), тем меньше изменяются размеры сопряженных деталей и тем прочнее соединение.

4. Усталостная прочность характеризуется главным образом параметрами Ятах и Бт. Чем больше высота микронеровностей (Ятах) и меньше шаг (5т), тем меньше радиус закругления впадин между неровностями и тем в большей степени в этих местах концентрируются напряжения.

5. Контактная жесткость определяется не номинальной, а действительной площадью контактирующих поверхностей, которая наиболее полно отражается параметрами Бт и гр. Чем выше значения этих параметров, тем больше действительная площадь контактирования взаимодействующих поверхностей и контактная жесткость.

6. Коррозионная стойкость повышается с уменьшением высотных параметров и увеличением гр, так как в этом случае увеличиваются радиусы закругления впадин между неровностями и вероятность образования очагов коррозии уменьшается.

7. Герметичность соединения обеспечивается при хорошем приближении действительной и номинальной площади контактирующих поверхностей. Это отражается высоким значением параметра гр при малых значениях уровня сечения р.

Таким образом, для повышения указанных выше свойств рабочих поверхностей деталей машин следует назначать в качестве финишных операций отделочно-упрочняющие виды обработки.

Одним из факторов, определяющих геометрические параметры качества поверхности, является химико-термическая обработка металлов. Однако сведения о его влиянии на качество поверхности в известных нам источниках крайне ограничены. В этой связи представляют большой научный и практический интерес исследования влияния процессов химико-

термической обработки на качество поверхности и ее геометрические параметры. На это будут направлены наши дальнейшие усилия.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Суслов А. Г. Инженерия поверхности деталей - резерв в повышении конкурентности машин // Инженерный журнал. - 2001. - № 4. - Приложение. - С. 3-9.

2. Безъязычный В. Ф. Влияние качества поверхностного слоя после механической обработки на эксплуатационные свойства деталей машин // Инженерный журнал. - 2001. - № 4. - С. 9-16.

3. Дунин-Барковский И. В., Карташова А. Н. Измерения и анализ шероховатости, волнистости и некруглости поверхности. - М.: Машиностроение, 1978. - 232 с.

4. Суслов А. Г. Технологическое обеспечение и повышение эксплуатационных свойств деталей машин, технологической оснастки и инструментов // Инженерный журнал. - 2000. - № 1. - С. 6-13.