Качество поверхностей деталей машин

1) Общие понятия и определения

2) Методы измерения и оценки поверхности

3) Влияние качества поверхности на эксплуатационные свойства деталей машин

4) Технологические методы, формирующие поверхностный слой

Общие понятия и определения

Под качеством поверхности детали понимают состояние её поверхностного слоя.

Характеризуется состояние поверхностного слоя

• Шероховатостью. К шероховатости относят неровности с относительно малым шагом на базовой длине: l/H<50.
• Волнистостью. Это периодически повторяющиеся неровности с относительно большим шагом, длина которого превышает принятую при измерении шероховатости базовую длину. l/H=50-1000. При отношении l/H=>1000 погрешность формы.

ФОТО 5

• физико-механическими свойствами. Изменение физико-механических свойств происходит от действия давления при резании, трения инструмента о поверхность резания, пластических деформаций в материале детали. Это приводит к

- разрушению структуры поверхностного слоя детали

- к поворотам и смещению кристаллов в материале заготовки

- к появлению остаточных напряжений

- к наклепу

Все это создает дефектный слой на поверхности детали.

Дефектный слой делят на три зоны:

1 зона – зона резко выраженных деформаций. Она имеет мелкозернистую структуру и резкое повышение твердости металла.

2 зона – зона с вытянутыми зернами, с наплыванием зерен на другие. Твердость металла заметно снижается по сравнению с другими.

3 зона – переходная зона к строению основного металла.

Дефетный слой должен быть удален при дальнейшей обработке деталей. Глубина дефектного слоя зависит от метода обработки, материала заготовик, режимов резания.

Метод обработки	Материал заготовки	Редим резания	Глубина дефектного слоя, мкм
Точение	Сталь	Черновое	До 300
		Чистовое	До50
Шлифование	Сталь	Черное	До30
		Чистовое	До5

У хрупких деталей (чугун, алюминий) глубина дефектного слоя не превышает 15 мкм.

Параметры шероховатости. ГОСТ предусмотрел 6 параметров. Всего 14 классов шероховатости (чем больше число, тем меньше шероховатость)

	Наименование параметра	примечание
Ф-ла1	Среднее арифметическое отклонение профиля	Y – абсолютные значения отклонений профиля, l – базовая длина, принятая при измерении шероховатости.
	Высота неровностей профиля по десяти точкам	Сумма средних арифметических абсолютных отклонений пяти наименьших минимумов и пяти наибольших максимумов профиля в пределах базовой длины
Rmax	Наибольшая высота неровностей профиля	Расстояние между линией выступов профиля и линией впадин профиля в пределах базовой длины
Sm	Средний шаг неровностей профиля по средней линии в пределах базовой длины
S	Средний шаг неровностей профиля по вершинам в пределах базовой длины
	Относительная опорная длина профиля	Отношение опорной длины профиля к базовой длине. Числовые значения уровня сечений профиля р выбираются из ряда 5,10,15,20,25,30,40,50,60,70,80,90%

На чертежах наиболее часто указывают Ra и Rz (последнее больше в 4 раза).

Существует два способа:

- Качественный. Сравнивают с образцом-эталоном визуально; Сопоставляют обработанную поверхность с эталоном под микроскопом; путем ощупывания.

- количественный. Непосредственным измерением на

а) профилографак (дя записи микронеровностей -10 кл. шероховатости)

б) профилометрах (для измерения шероховатости 5-12 классов);

в) двойных микроскопов (для замера шероховатости3-8 классы);

г) микроинтерферометры (для замера шероховатости 10-14 классов)

Методы оценки общей характеристики поверхностного слоя:

- Микротвердость: используют метод вдавливания алмазной пирамиды ан примере ПМТ-3

- Остаточные напряжения: используют рентгеноструктурный анализ. С поверхности образца стравливают слои в 5-10 мкм. После каждого травления снимают рентгенограмму.

Влияние качества поверхностей на эксплуатационные свойства деталей.

Эксплуатационные свойства деталей:

- Износостойкость – При скольжении одной детали относительно другой происходит разрушение выступающих частей гребешков и отрыв частиц металла в результате сваривания их из-за нарушения масляного слоя. Должны быть назначены параметры Ra, Rz, tp и направление неровностей, которые имеют место.

- Усталостная прочность – при знакопеременной нагрузке или циклической нагрузке. Риски от режущего инструмента на поверхности детали являются концентратором напряжений и могут привести к разрушению деталей. Особенно вредно влияние рисок от режущего инструмента в местах концентрации напряжения деталей: галтели и канавки. Эти эффекты часто приводят к поломке многих ответственных деталей машин (коленные валы, и пр). Для устранения влияние шероховатости, полученной при предварительной обработке, необходимо вводить отделочную обработку этих поверхностей. + доп. Операции этих процессов. В этом случае задают Rmax, Sm, S, направление неровностей

- Коррозийная стойкость – Во впадинах между гребешками гребешками сосредоточивается влага, что приводит к распространению коррозии в теле детали. Нужно устанавливать Ra, Rz.

- Плотность (надежность) прессовых посадок – при запрессвке разрушаютс выступы гребешков, по которым определялся размер детали, что приведет к уменьшению расчетного натяга. Должны быть оговорены Ra, Rz. Устанавливают опытным путем.

- Герметичность

- Виброустойчивость

Технологические методы, формирующие поверхностный слой детали.

Свойство поверхностного слоя = f (последовательности)

На качестве поверхностного слоя наиболее вредно отображаются его структурные неоднородности и наличие остаточных напряжений и растяжений. Наоборот: наличие остаточных напряжений сжатия повышают усталостную прочность металла. А повышенная микротвердость поверхностного слоя повышают износостойкость. Решающие влияния на формирование свойств поверхностного слоя оказывают условие выполнения окончательно обработки, влияние на их формирование оказывают и предшествующие операции, в т.ч. заготовительные процессы. Поэтому важно нужным образом установить последовательность механической обработки, режимы резания, припуски на чистовую и отделочную обработку, с тем чтобы сохранить максимальные степени полученные ею положительные качества поверхностного слоя, Такие как наклеп, высокая твердость, отбеленная корка у отлива и другие. Из способов обработки со снятием стружки наиболее часто используется чистовой точение (или тонкое) и шлифование. Физико-механические свойства поверхностного слоя формируются по совместным действиям силовых и температурным факторов. При обработке лезвийным инструментом влияние оказывают силовые дейтсвия. При шлифовании – температурные, а потом силовые. Поэтому отделочные операции должны выполняться на больших скоростях и обильным охлаждением.

Из режимов резания глубина резания практически не оказывает влияние на шероховатость. Наибольшее влияние оказывает скорость резания. С возрастанием скорости шероховатость уменьшается, исключение: при обработке мягких сталей.

Подача. При точении стандартными резцами увеличение подачи приводит к увеличению шероховатости. При точении резцами широкой режущей кромкой При фрезеровании, сверлении, зенкеровании подача незначительно влияет на шероховатость. Из геометрии режущего инструмента наибольшее влияние на шероховатость оказывает задний угол альфа и радиус округления вершины резца. С уменьшением угла альфа задняя поверхность резца приближается к поверхности резания. Т.к. увеличивается трение задней поверхности инструмента об обрабатываемую поверхность.

Форма режущей кромки также влияет на шероховатость, т.к. режущая кромка оставляет следы на поверхности.

Чем тщательнее обработана режущая кромка, тем выше качество обработанной поверхности.

На величину шероховатости влияет и жесткость технологической системы. Непостоянство жесткости в разных сечениях технологической системы. Вызывает неоднородность шероховатости по длине поверхности. Это явление объясняется вибрацией элементов технологической системы, периодически изменяющей положение режущей кромки инструмента относительно обрабатываемой поверхности.

Применение СОЖ на тех же режимах уменьшают шероховатость на 25-40 процентов.

Большую роль в формировании положительных качеств поверхностного слоя, играет упрочняющая обработка без снятия стружки (накатывание, раскатывание) – они обеспечивают появление поверхностного слоя наклепа, повышение его твердости и остаточные напряжение сжатия. Полезно для повышения качетсва деталей подвергать такой обработке в местах концентрации движения (галтели, канавки и др.) Наклепывание дробью, байками, шариками стальных деталей, деталей из цветных деталей и сварных швов. Повышает усталостную прочность в 2-12 раз. Откатываение роликами, шариками, раскатывание, корнование поверхностей позволяет уменьшить шероховатость и увеличивает износостойкость. Но при использование этих методов обработки требуется осторожно назначать режимы резания. В противном случае могут появиться напряжение растяжения и перенаклеп. Вследствии чего появляется на поверхности шелушение и структурные неоднородности.