Влияние качества поверхности на эксплуатационные свойства деталей машин.

Качество поверхности оказывает существенное влияние на эксплуатационные свойства деталей машин: износостойкость, усталостную прочность, стабильность посадок, коррозионную стойкость и другие.

Формирование качества поверхности связано с влиянием следующих групп факторов:

1. Геометрии инструмента и особенностей процесса резания;

Увеличение подачи, главного и вспомогательного угла в плане приводит к росту микронеровностей. Поэтому при чистовом точении не рекомендуются подрезные резцы.

Увеличение радиуса закругления резцов, их доводка по передней и задней поверхности – снижают шероховатость.

2. Соотношением между упругими и пластическими деформациями поверхности;

3. Возникающими вибрациями инструмента относительно заготовки.

Рисунок 1.5 Зависимость шероховатости от скорости резания.   1-перлитно-ферритные стали; 2-коррозионно-стойкие и жаропрочные стали; 3-легкоплавкие сплавы; 4-среднеуглеродистые стали.

 

При скоростях резания для среднеуглеродистых сталей (20-40 по ГОСТ1050-94) наблюдается значительное наростообразование, которое увеличивает (за счет царапин) шероховатость поверхности; при нарост как правило отсутствует.

Кроме того, существует диапазон подач приводящий к образованию «заторможенного слоя» на передней поверхности инструмента, который также увеличивает высоту микронеровностей поверхности. Если величина подачи , возможны упругие отжатия режущего инструмента, что также ухудшает качество поверхности. Известна зависимость В.Л.Чебышева между шероховатостью и подачей (r - радиус закругления резца).

Рисунок 1.6 Зависимость шероховатости от подачи.

Трение и износ деталей в значительной степени связаны с высотой и формой неровностей поверхности.

В начальный период работы трущихся поверхностей их контакт происходит по вершинам неровностей.

Под действием этих давлений в точках контакта происходят упругое сжатие и пластическая деформация смятия неровностей, срез, отламывание и пластический сдвиг вершин неровностей, что приводит к интенсивному начальному износу трущихся деталей. В точках контакта могут возникать высокие мгновенные температуры, срыв окисной пленки, сопровождающиеся молекулярным сцеплением и образованием узлов схватывания трущихся металлов.

В период начального износа высота неровностей уменьшается, что приводит к увеличению фактической поверхности их контакта и к снижению фактического давления.

Дальнейший процесс изнашивания протекает значительно медленнее и этот период времени определяет срок службы детали.

Если оптимальную для данных условий трения высоту неровностей удается создать в процессе механической обработки, то в процессе износа она практически не изменяется, а время приработки и износ окажется наименьшим.

Увеличение высоты неровностей по сравнению с оптимальным значением повышает износ за счет возрастания механического зацепления, скалывания и среза неровностей поверхности.

Уменьшение высоты неровностей против оптимального значения приводит к резкому возрастанию износа в связи с возникновением молекулярного сцепления и заедания плотно соприкасающихся поверхностей повышенной гладкости, этому способствует выдавливание смазки и плохая смачиваемость смазкой зеркально-чистых поверхностей.

Таким образом, при проектировании машин важно назначить оптимальную шероховатость, когда износ и коэффициент трения при данных условиях изнашивания являются наименьшими.

Износ и коэффициент трения связаны и с направлением неровностей. При перпендикулярном направлении неровностей трущихся поверхностей или при их беспорядочном расположении, что наблюдается при суперфинишировании, коэффициент трения минимален.

Точность сопряжения, определяемая зазором в соединении также зависит от шероховатости поверхностей. В период начального износа высота неровностей может уменьшиться на 65-75%. Если высота неровностей соизмерима с полем допуска на изготовление детали, то в период начального износа дополнительный зазор может достигнуть значения допуска и точность соединения будет нарушена.

Значительное влияние на износ оказывают волнистость и макрогеометрия сопряженных поверхностей. Износ происходит неравномерно, так как вначале изнашиваются выступающие части. Для обеспечения необходимой точности сопряжений в техническую документацию при проектировании вводят ограничения погрешностей формы и расположения: отклонения от плоскостности, цилиндричности, круглости, параллельности, перпендикулярности и соосности.

От качества поверхности зависит контактная жесткость стыков сопрягаемых деталей в неподвижных соединениях. Волнистость и шероховатость снижают фактическую площадь контактов, а значит и жесткость стыков. В неподвижных соединениях за счет предварительной затяжки происходит смятие неровностей и увеличение поверхности контакта, что повышает жесткость стыка.

Усталостная прочность деталей также зависит от шероховатости их поверхностей. Наличие на поверхности детали, работающей в условиях циклической и знакопеременной нагрузок, отдельных дефектов и неровностей способствует концентрации напряжений, которые могут превысить предел прочности металла. В этом случае поверхностные дефекты играют роль очагов возникновения субмикроскопических нарушений, то есть способствуют образованию усталостных трещин.

Влияние шероховатости поверхности на концентрацию поверхностных напряжений характеризуют коэффициентом концентрации напряжений:

Существенно влияние концентраторов в местах резкого изменения площади сечения детали, поэтому необходимо уменьшать шероховатость в этих местах.

Повышению износостойкости деталей способствует упрочнение поверхностного слоя, наклеп. Наклеп уменьшает амплитуду циклической пластической деформации, что сдерживает развитие усталостных трещин, Но чрезмерное упрочнение поверхности приводит к разрывам межатомных связей по плоскостям скольжения, что вызвает шелушение металла и ускоренный износ трущихся поверхностей.

Таким образом, упрочнение металла поверхностного слоя в процессе механической обработки или при специальных упрочняющих операциях (обкатка роликами, шариками, дробеструйной обработке и т.д.) следует производить до определенной величины.

Износостойкость деталей машин во многих случаях можно повысить изменением методов обработки, режимов резания или геометрии режущего инструмента.

Значительное влияние шероховатость поверхности оказывает на коррозию, которая возникает и интенсивнее распространяется на более грубых поверхностях.

С уменьшением шероховатости поверхности увеличивается антикоррозийная стойкость детали. Причем, из-за пластической деформации в металле при механической обработке образуются микронеоднородности, способствующие коррозии.

Шероховатость поверхности оказывает существенное влияние на условия смазки в сопрягаемых узлах и на коэффициент трения. Кроме этого, шероховатость поверхностей деталей оказывает влияние: на теплопроводность, герметичность стыков, отражательную способность поверхностей, на сопротивление протеканию жидкостей и газов и т.д.