Тема 9 Качество поверхности деталей машин и заготовок

 

План лекции:

1 Общие понятия и определения

2 Методы измерений и оценки качества поверхности

3 Тестовое диагностирование;

4 Организация диагностирования сложных объектов.

 

9.1 Общие понятия и определения (4 часа)

Под качеством поверхности понимают состояние поверхностного

слоя как результат воздействия на него одного или последовательного комплекса технологических методов.

Оно характеризуется совокупностью характеристик шероховатости и волнистости, физико-механическими свойствами поверхностного слоя и микроструктуры его.

При производстве детали на ее поверхности появляются неровности: в слое металла, прилегающем к ней изменяется структура, фазовый и химический состав, возникают остаточные напряжения.

Слой металла с изменениями по сравнению с основным металлом, из которого изготавливается деталь, структурой, фазовым и химическим составом называется поверхностным слоем.

Внешняя поверхность этого слоя граничит с окружающей средой или сопрягаемой деталью. В условиях эксплуатации поверхностный слой детали подвергается сильному физико-химическому воздействию: механическому, тепловому, химическому и др. Потеря деталью своего служебного назначения происходит в большинстве случаев с поверхности: износ, кавитация, эрозия, коррозия, усталостные трещины и т.д.

К характеристикам качества поверхностного слоя относятся:

Шероховатость – микрогеометрическое отклонение (оценивается на малых участках) называется совокупность неровностей с относительно малыми шагами на базовой длине, образующих рельеф поверхности.

Шероховатость после механической обработки – прежде всего геометрический след режущего инструмента, искаженный в результате пластической и упругой деформации технологической системы.

Волнистость поверхности – совокупность чередующихся неровностей с относительно большим шагом, превышающим принимаемую при измерении шероховатости базовую длину.

Волнистость занимает промежуточное положение между шероховатостью и погрешностями формы (макрогеометрией) поверхности. Критерием для разграничения шероховатости и волнистости служит величина отношения шага к высоте неровностей. Для шероховатости S_w / W≤ 50; для волнистости S_w / W = 50 …1000; для макрогеометрии S_w / W > 1000.

Волнистость, как и шероховатость, является одной из основных характеристик качества поверхности, оказывающая влияние на многие эксплуатационные свойства деталей машин. Прежде всего, это связано с тем, что наличие волн приводит к уменьшению опорной длины профиля в 5-10 раз по сравнению с ровной шероховатой поверхностью. Физически обоснованной, а тем более естественной границы между волнистостью и шероховатостью поверхности нет. Стандарта на волнистость нет и выделить шероховатость и волнистость из общей совокупности неровностей поверхности при выбранной базовой длине не представляется возможным.

9.2 Методы измерения и оценки качества поверхности (4 часа)

Оценку шероховатости производят при контроле и приемке деталей, а также при выполнении исследований в лабораторных условиях. Применяемые методы оценки можно разделить на прямые и косвенные. Для прямой оценки шероховатости применяют щуповые (профилометры и профилографы) и оптические (двойной и интерференционный микроскопы) приборы для косвенной оценки используют эталоны шероховатости.

Бесконтактый метод с использованием оптических приборов: двойной микроскоп МИС-11 (световое сечение). Сменными объективами достигают увеличение до 517 раз. Определяют шероховатость по параметру R_z. Недостаток метода – необходимость измерений и подсчетов результатов измерений. Метод применяют при лабораторных исследованиях и выборочном контроле.

Микроинтерферометры используют для измерения шероховатости в пределах R_z = 0,1…0,003 мкм. В поле зрения прибора наблюдается искривленные интерференционные полосы соответственно профилю микронеровностей. Высота этих искривлений измеряется окулярным микрометром при увеличении в 490 раз. Фотографирование производят при увеличении в 290 раз. Незначительная величина поля зрения прибора при фотографировании ограничивает его применение очень точных поверхностей по базовой длине. Применяют при лабораторных исследованиях. При рассмотрении поверхности оптическая система прибора образует интерференционные полосы. Из-за неровностей они искривляются в полном соответствии с их профилем. Изображение поверхности вместе с интерференционными полосами рассматриваются в окуляр. Модель МИИ-40; МИИ-5; МИИ-12.

Для измерения шероховатости труднодоступных и внутренних поверхностей, а также поверхностей деталей без снятия их со станка применяют иммерсионно-репликовый интерферометр МИИ-10.

На приборе рассматривается не сама поверхность, а ее отпечаток (реплика).

Существует ряд методов, позволяющих оценивать шероховатость поверхности не по профилю, а по площади (интегральные методы). Пневматический метод контроля. Через сопло измерительной головки прижатой к поверхности подается воздух под определенным давлением. По расходу воздуха оценивается значение шероховатости.

Метод сравнения поверхности контролируемой детали с аттестованными эталонами шероховатости является наиболее простым и доступным способом контроля деталей в цеховых условиях. Эталоны должны быть изготовлены из тех же материалов, что и контролируемые детали, т.к. отражательная способность материала (сталь, чугун, цветные сплавы и др.) оказывают существенное влияние на глазомерную оценку шероховатости поверхности. Механическая обработка эталонов должна производиться теми же методами, которыми образуются контролируемые детали.

Визуальная оценка по эталонам субъективна, особенно для тонко-обработанных поверхностей. В этих случаях рекомендуют пользоваться переносным или стационарным сравнительным микроскопом, в котором изображение контролируемой поверхности и эталона совмещены в поле одного и того же окуляра, разделенном на две равные части, и увеличины в 10-50 раз.

Измерение волнистости поверхностей возможно на профилографах на большой трассе исследования и применений ощупывающих игл с большим радиусом округления острия, а также специальными приборами - волнографами и волномерами.

Измерение погрешностей формы и волнистости по окружности производят на приборах завода «Калибр» и фирмы «Тейлор-Гобсон» «Телиронд». Запись производится в полярных координатах при увеличении 500-1000 раз.

Оценка физико-химического состояния поверхностного слоя после механической обработки проводят по следующим параметрам:

Пластические деформации характеризуются изменением степени пластической деформации по глубине поверхностного слоя (послойная степень деформации) и степенью деформации отдельных зерен. Деформационное упрочнение – наклеп поверхностного слоя оценивается глубиной h_σ и степенью наклепа U, интенсивность наклепа по глубине поверхностного слоя - градиентом наклепа U_гр

Наиболее распространенным методом оценки физико-химического состояния поверхностного слоя – оптическая микроскопия полированных металлических поверхностей с помощью металлографических поверхностей с помощью металлографических микроскопов. Проводится металлографический анализ поверхностей фазовый состав, формы и размеры структурных составляющих, плотность дислокаций (микроскопы МИМ-7; МИМ-8).

Электронная микроскопия – применяется для изучения кристаллографии и дефектов структуры.

Для определения глубины и общей характеристики поверхностных слоев пользуются обычным методом исследования микрошлифов. Микротвердость поверхностных слоев исследуют методом вдавливания алмазной пирамиды на приборе ПМТ-3. наиболее удобно исследовать глубину поверхностного слоя и измерение его микротвердости по мере удаления от поверхности на образцах с микрошлифом, выполненном в виде косого среза под углом 0°30'¸2°. Косой срез получают притиркой, используя пасту ГОИ; это уменьшает до min возможные изменения поверхностного слоя.

Основными методами определения остаточных напряжений - рентгеноструктурный анализ. Остаточные напряжения в поверхностном слое металла при этом определяют, стравливая с поверхности образца слои толщиной 5¸10 мкм, и после каждого стравления снимают рентгенограмму. Этот метод длителен и трудоемок; на снятие и обработку одной рентгенограммы требуется около 10 часов.

Изучение остаточных напряжений в поверхностных слоях выполняют, используя методы Н.Н. Давиденнова или Г. Закса. Эти напряжения определяют расчетом по величине деформации образца после снятия с него химическим или электро-механическим способом напряженного слоя. Для тонких слоев применим рентгеновский метод, основанный на измерении межатомных расстояний в напряженном и ненапряженном металле.

Поляризационно-оптические методы изучения остаточных напряжений – проводятся исследования на моделях из прозрачных оптических активных материалов (эпоксидные смолы, стекло целлулоид, плексиглас и др.), обеспечивающих в ней геометрическое, тепловое и механическое подобие.

Микротрещины в поверхностном слое определяют различными методами дефектоскопии (магнитной суспензии, магнитной индукции, ультразвуком, флюресценции).

Рекомендуемая литература [2], [8], [9], [10].

 

Контрольные задания для СРС. Тема 9, [2,8,9,10]

1. Понятие поверхностного слоя деталей машин и его влияние на износостойкость деталей.

2. Характеристики качества поверхностного слоя.

3. Методы оценки шероховатости.

4. Оценка физико-механического состояния поверхностного слоя.

5. Методы определения микротвердости поверхностных слоев.

6. Определение остаточных напряжений в поверхностных слоях.