Общие сведения о поверхности деталей и ее геометрии

КОНТАКТИРОВАНИЕ ДЕТАЛЕЙ

Взаимное контактирование деталей происходит на вершинах волн и выступах поверхностей, образованных макронеровностями.

Процесс контактирования поверхностей при статическом нагружении протекает следующим образом. Поверхность воспри­нимает нагрузку вершинами выступов неровностей на высотах, образуемых макрогеометрическими отклонениями. Здесь располагаются зоны, из которых складывается фактическая пло­щадь касания. В контакт первыми вступают противостоящие друг другу на сопряженных поверхностях выступы, сумма высот которых наибольшая. Деформация неровностей и их основ вызывает сближение поверхностей. По мере увеличения нагруз­ки поверхности все более сближаются и в контакт вступают пары выступов с меньшей суммой высот. Разновременность вхождения в контакт выступов, различающихся по высоте, дифференцирует их напряженное состояние и деформацию.

Возможны следующие деформации выступов: упругая; упругопластическая без упрочнения; упругопластическая с упрочнением. При первичном нагружении чисто упругая деформация неровностей возможна только у эластичных тел, например резины; упругая деформация превалирует при контактировании весьма гладких твердых металлических поверхностей. В большинстве случаев первичного нагружения пластической деформации принадлежит ведущая роль в формировании фактической площади контакта. Входящие в касание выступы пластически сплющива­ются, чаще всего с внедрением: внедряется более твердый выступ или тот, которому геометрическая форма придает большее сопро­тивление деформации.

Пластическая деформация выступов микронеровностей и их взаимное внедрение начинаются при среднем давлении на контакте, равном примерно утроенному пределу текучести мате­риала. Предельное среднее давление на площадях фактического контакта с учетом упрочнения материала в процессах пластической деформации достигает двух-трехкратного значения его твердости при вдавливании. При этом давлении материал под контурной площадкой, деформировавшийся упруго, начинает деформироваться пластически, в результате либо увеличиваются размеры площадки за счет частичного погружения находящихся в контакте выступов и поднятия других с вступлением их в контакт, либо возникают новые площади контакта. Полное погружение выступов в пластически деформированную основу не наблюдается. После деформации, даже сильной, шероховатость поверхностей лишь несколько видоизменяется.

Площадь фактического контакта поверхностей состоит из множества дискретных малых площадок, расположенных на раз­личных высотах пятен касания в местах наиболее полного сбли­жения поверхностей. Между площадками касания тел имеются соединенные между собой или закрытые микрополости, заполненные воздухом или другой газовой средой, смазочным материалом, продуктами изнашивания и т. п. Площадь фактического контакта зависит от микро- и макрогеометрии поверхностей, волнистости, физико-механических свойств поверхностного слоя и от нагрузки. При небольшой нагрузке рост площади фактиче­ского контакта сопровождается увеличением размеров площадок контакта.

Площадь фактического контакта составляет от одной десятитысячной до одной десятой номинальной площади касания. Даже при высоких нагрузках площадь фактического контакта не превышает 40% номинальной площади. Так, в случае контактирования стали по стали при нагрузке 15 МПа отношение площадей составило 0,2 при обработке поверхности до Ra = 2,5...1,25 мкм и 0,35 при Rа = 0,63...0,32 мкм.

Площадь фактического контакта возрастает при увеличении нагрузки, уменьшении шероховатости поверхности и росте радиуса закругления вершин ее неровностей; кроме того, она не­сколько увеличивается при большей длительности действия нагрузки. Эта площадь убывает с увеличением упругих характе­ристик, предела текучести материала и высоты неровностей поверхностей.

При сопряжении поверхностей из двух различных материалов площадь фактического контакта определяется физико-меха­ническими свойствами более мягкого материала и геометрией поверхности более твердого материала. При наличии между поверхностями трения тонкой квазиожиженной медной пленки, образуемой при трении в условиях режима избирательного переноса, площадь фактического контакта может увеличиться в 10—100 раз. Это является одной из причин резкого снижения интенсив­ности изнашивания поверхности трения.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ И ЕЕ ГЕОМЕТРИИ

В технике под поверхностью детали понимают наружный слой, который по строению и другим физическим свойствам отличается от внутренних слоев. Комплекс свойств, приобретаемых поверхностью детали в результате ее обработки, характеризуется обобщенным понятием «качество поверхности».

Качество поверхности определяется геометрией поверхности как границей тела и физико-химическими свойствами, обусловленными процессом ее образования при обработке детали. Качество поверхности деталей машин влияет на сопротивление усталости, износостойкость, коррозионную и эрозионную стойкость и связано с такими свойствами сопряжении, как прочность посадок с натягом и плотность подвижных и неподвижных соединений.

Всякое реальное тело имеет отклонения от идеальной геоме­трической формы, именуемые погрешностями. Погрешности обработанной поверхности с точки зрения причин их образования и методов измерения, применяемых для их оценки, можно подразделить на три категории: макрогеометрические отклонения, волнистость поверхности, шероховатость поверхности.

Макрогеометрическими называют отклонения формы поверхности от заданной. Так, детали с боковой поверхностью кругового цилиндра могут иметь следующие погрешности: отклонения контура от окружности (овальность, огранка); отклонения от прямолинейности образующих при прямолинейности оси цилиндра (бочкообразность); отклонения от прямолинейности образующих (конусность); криволинейности оси. Величина и характер этих отклонений могут быть определены путем измерения диаметра детали в различных поперечных сечениях по длине, а в данном поперечном сечении—в различных направлениях.

Возникновение макрогеометрических погрешностей поверхности происходит в основном из-за низкой точности станка, на котором происходит обработка, погрешностей установки заготовок, силовых и температурных деформаций системы станок— заготовка—инструмент и износа инструмента в процессе обработки детали.

Рис. 2.1. Схема волнистости по­верхности (l — шаг волны в продольном направлении; l0 — длина волны в поперечном направлении; Hв, Hо—высота волны соответственно в продольном и в поперечном направлениях).

Под волнистостью поверхности понимают совокупность более или менее регулярно чередующихся возвышений и впадин с шагом волны, значительно превышающим ее высоту (рис. 2.1). Волнистость в направлении главного движения при резании называют продольной, а в перпендикулярном направлении—поперечной.

Волнистость поверхности образуется в результате неравномерности подачи при точении и шлифовании, неплоскостности направляющих и вынужденных колебаний системы станок—изделие—инструмент, возникающих из-за неравномерности силы резания, наличия неуравновешенных масс и т. д. Другими причинами могут быть копирование волнистости режущего инструмента, искажение формы шлифовального круга и неравномерный износ его, а также погрешности движения инструмента или изделия. При шлифовании сильно сказывается дисбаланс шлифовального круга. При зубофрезеровании погрешности изготов­ления червяка делительной передачи станка проявляются в виде волнистости боковой поверхности зуба. От шероховатости волнистость поверхности отличается значительно большим ша­гом: при чистовой обработке он не менее 0,25мм, при грубой — превышает 8 мм. Нередко высота волны при чистовом точении и цилиндрическом шлифовании доходит до 15 мкм при шаге до 14 мм.

Реальная поверхность не является гладкой, она имеет неровности: выступы и впадины с относительно малым расстоянием между ними. Эти неровности, образующие в совокупности рельеф поверхности, называют шероховатостью поверхности. Иногда их именуют микронеровностямй. Контур сечения реальной поверхности плоскостью, перпендикулярной соответствующей идеальной геометрической поверхности, образует профиль, характеризующий микрогеометрию поверхности изделия. Графическое изображение реального профиля по данным измерений шероховатости называют профилограммой шероховатости. Так как через данную точку геометрической поверхности можно провести бесчисленное множество нормальных сечений, то шероховатость поверхности следует связывать с тем или иным направлением.

 

Рис. 2.2. Схема к определению параметров шероховатости поверхности

Шероховатость обработанной поверхности в направлении главного движения при резании называют продольной, а в направлении подачи—поперечной шероховатостью. Преобладающее направление следов механической обработки поверхности или следов трения называют направлением неровностей.

 ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ

Шероховатость поверхности — совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами на базовой длине.

Количественно шероховатость можно оценить по тем или иным показателям. ГОСТ 2789—73 предусматривает шесть параметров, характеризующих шероховатость поверхности: три высотных — Ra, Rz и Rmax, два шаговых — S и Sm и относительная опорная длина профиля t р.

Средним арифметическим отклонением профиля Ra называют среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины l (рис. 2.2):

На профилограмме положение средней линии профиля определяют так, чтобы площади F по обе стороны от нее до контура профиля были равны, т. е. чтобы

Относительная однородность микронеровностей поверхности детали позволяет судить о шероховатости в данном направлении по результатам обследования участка сравнительно небольшой длины. Длину базовой линии, используемую для выделения неровностей, характеризующих шероховатость поверхности, называют базовой длиной l.

Высота неровностей профиля по десяти точкам Rz представляет собой сумму средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины (см. рис. 2.2):

 

где у pi — высота i-го наибольшего выступа профиля; y vi — глубина i-й наибольшей впадины профиля.

Наибольшая высота неровностей профиля Rmax является полной высотой профиля, т. е. расстоянием между линией выступов профиля и линией впадин профиля в пределах базовой длины. Главными показателями шероховатости поверхности являются Ra и Rz. В ГОСТ 2789—73 можно найти другие показатели: S, Sm и t p.

Профилограммы обработанной поверхности, как правило, имеют пилообразную форму; это является результатом того, что вертикальное увеличение во много раз больше горизонтального (например, 40000 и 400 соответственно). Иногда создается представление, что при трении обработанные поверхности зацепляются своими зубцами. В действительности профиль поверхности выглядит иначе (рис. 2.3). Отдельные неровности имеют пологую форму. Угол между плоскостью основания выступа профиля и касательной к его боковой поверхности составляет при доводке 1—3°, при шлифовании 10° и при точении 20°. Самые гладкие металлические поверхности имеют неровности высотой порядка 100 межатомных расстояний.