Влияние качества поверхности на эксплуатационные свойства деталей машин (зависимости износа от времени, шероховатости поверхности, микротвердости, остаточных напряжений).

Обеспечение заданного качества машин и длительное сохранение его первоначального уровня во многом зависит от качества поверхностей их деталей. Основная причина (80%) выхода из строя машин это износ рабочих поверхностей сопряженных деталей. Значительно реже наблюдается поломки деталей из-за некачественного изготовления или их конструктивного несовершенства или заниженной усталостной прочности. Трущиеся поверхности изнашиваются по времени, кривая 1.

Участок 1 характеризует первичный износ (приработку) сопряженной пары. Контакт происходит по вершинам. Первоначальная фактическая поверхность соприкосновения деталей составляет небольшой процент от расчетной, в местах контакта возникают большие давления. При взаимном перемещении трущихся поверхностей микронеровности вызывают местный разрыв масляной пленки и наиболее выступающие неровности разрушаются путем среза, обламывания или пластического сдвига. В результате этого несущая поверхность увеличивается, и зазор в сопряженной паре возрастает, т.е. происходит интенсивный износ.

Участок 2 – нормальный эксплуатационный износ, который при правильном режиме работы и надежной смазке протекает длительное время.

Участок 3 – аварийный износ пары.

Кривая 2 характеризует износ поверхности с меньшей шероховатостью. В этом случае величина и время первичного износа уменьшается, а интенсивность эксплуатационного износа остается той же.

Продолжительность работы трущихся пар до границы допустимого износа А будет различной, следовательно время работы деталей с меньшей шероховатостью будет больше.

В период нормальной эксплуатации износ определяется физико-механическими свойствами поверхностного слоя и режимами работы трущейся пары (скорость скольжения, нагрузка, характер смазки).

Особенно большие износы происходят при частых пусках машин, когда нарушается режим смазки сопрягаемых поверхностей. Нередко это связано с их задирами и схватыванием.

На первичный износ сопрягаемых деталей влияет форма и высота микронеровностей, направление рисок (штрихов) обработки относительно направления скольжения поверхностей, волнистость и макрогеометрические отклонения поверхностей трения.

Влияние этих факторов по-разному проявляется при сухом, граничном и жидкостном трении. Островершинные микронеровности изнашиваются быстрее плосковершинных. Влияние высоты микронеровностей на износ показано на рисунке.

Кривая 1 соответствует более легким, а кривая 2 более тяжелым условиям. Из рисунка видно, что уменьшение шероховатости целесообразно проводить до определенного предела. На очень чистых поверхностях смазка удерживается плохо, в результате возможно увеличение износа и схватывание сопряженных деталей из-за сухого трения.

В этом смысле пришабренные поверхности лучше притертых, т.к. в них имеются своеобразные углубления (карманы), удерживающие смазку. Хорошее удержание смазки обеспечивается слоем пористого хрома, пористой структурой металлокерамических деталей, а также системой мелких маслоудерживающих каналов, получаемых виброобкатыванием.

Наименее выгодное направление штрихов обработки у обеих трущихся деталей перпендикулярной к направлению скольжения (кривая1). При совмещении направления штрихов обработки с направлением скольжения износ уменьшается (кривая 2). Промежуточный случай имеет место, когда направление скольжения совпадает с направлением штрихов одной детали и перпендикулярной к направлению другой (кривая 3). В ответственных спряжениях направление штрихов обработки может быть оговорено в технических условиях. Влияние направления штрихов обработки на износ более заметно при сухом и граничном трении (кривая А); при жидкостном трении это влияние заметно только при большей высоте микронеровностей, т.к. слой смазки разделяет сопрягаемые детали (кривая Б).

Кривая 1 соответствует более легким, а кривая 2 более тяжелым условиям работы. Из рисунка видно, что уменьшение шероховатости целесообразно производить до определенного предела.

Большое влияние на износ и сокращение продолжительности работы трущейся пары оказывает волнистость и макрогеометрические погрешности сопряженных поверхностей. Эти дефекты уменьшают поверхности контакта и увеличивают удельные нагрузки против расчетных. Уменьшая волнистость и макрогеометрические погрешности можно увеличить срок службы соединения в 1,5 – 2 раза.

Наклеп, возникает в результате механической обработки уменьшает износ поверхности в 1,5 – 2 раза. В случае перенаклепа (при высокой Н)износ возрастает в результате возникновения шелушения частиц металла.

Износ уменьшается после термической и химико-термической обработки деталей (поверхностная закалка, борирование, цементация, ционирование, диффузионное хромирование, сульфидирование и др.), наплавкой твердых сплавов, а также гальваническим нанесением твердых покрытий (хромирование). Износостойкость чугунных деталей повышают созданием на поверхностях трения отбеленной корки.

На уменьшение износа влияет твердость структуры и химический состав поверхностного слоя. Наличие в нем остаточных напряжений на износ от трения скольжения сказывается слабо. Однако износ может изменять остаточные напряжения в поверхностном слое детали.

Остаточные напряжения сжатия – уменьшают износ, растяжения – увеличивают. Для подшипников качения важно, чтобы направление волокон материала колец было параллельно (концентрично) поверхности колец.

Шероховатость поверхности влияет на прочность деталей, работающих в условиях циклической и знакопеременных нагрузок. Впадины микропрофиля являются своеобразными надрезами на поверхности и в значительной степени влияют на концентрацию напряжений и образование усталостных трещин. Для устранения этих дефектов для ответственных деталей выполняют отдельную дополнительную обработку (шатуны, коленчатые валы, диски и роторные турбины). Влияние шероховатости поверхности на точность очень заметна у заготовок из высокоуглеродистых сталей, работающих при ударной нагрузке.

Наличие наклепа и остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое повышает предел выносливости материала ответственных деталей (пружины, торсионные валы).

От качеств поверхности зависит контактная жесткость стыков сопрягаемых деталей. Шероховатость и волнистость поверхностей уменьшает фактическую площадь контакта, который происходит по отдельным участкам. Несущая поверхность детали зависит от шероховатости и метода обработки (микрорельефа). R_z=2,5-8 мкм (разверт и шлифов) – 10%; R_z=0,8-2,5 мкм – 40%.

При алмазном точении и обычной притирке – 63%, а в результате тонкого шлифования, смазочного выглаживания, тонкой притирке и суперфиниша – 80-90%.

Для повышения контактной жесткости необходимо:

применять методы отделочной обработки;

обеспечивать совпадение направления неровностей;

повышать твердость поверхностного слоя созданием в нем наклепа.

Прочность сопряжений с натягом во многом зависит от шероховатости поверхностей. При заприсовке происходит смятие микронеровностей и фактический натяг уменьшается против расчетного. При посадке с натягом осуществляемой с тепловым воздействием, смятие микронеровностей не происходит. Прочность таких посадок выше, чем при обычной запрессовке стой же величиной натяга.

На коррозионную стойкость влияют:

шероховатость;

остаточные напряжения;

наклеп, т.е. влияет метод обработки.

Чем выше R_a, R_z тем коррозионная стойкость ниже.

Режим ППД может повысить коррозионную стойкость (залечивание микротрещин, благоприятная шероховатость, остаточные напряжения сжатия и т.д.).

Сопротивление коррозии и эрозии при высоких температурах достигается плазменным напылением, гальвано и др. покрытий.

Шероховатость поверхности оказывает влияние на условия смазки, трение, теплопроводность и герметичность стыков, сопротивление протеканию газов и жидкостей в трубопроводах, сопротивление кавитационному разрушению в гидравлических машинах.

Это 74

76. Факторы, влияющие на качество поверхности (R_z от V, R_z от S, глубина резания, форма режущей кромки, механические свойства химический состав и структура материала заготовки, СОЖ, жесткость, вибрации, остаточные напряжения).

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ

Шероховатость поверхностей заготовок возникает от воздействия ряда факторов в процессе их получения. Заготовки из проката имеют следы шероховатостей прокатных валков. Высота неровностей горячекатаного проката не превышает 150 мкм, а холоднотянутого 50 мкм. Заготовки, полученные свободной ковкой, в зависимости от размера имеют неровности поверхности 1,54 мкм. У горяче-штампованных заготовок на поверхности остаются следы окалины и воспроизводятся поверхностные погрешности штампов. В зависимости от размера заготовок и состояния штампов высота неровностей 150-500мм.

Шероховатость отливок зависит от шероховатости стенок литейных форм, величины зерен формовочной смеси, плотности ее набивки и др. факторов. При литье в песчаные формы ручной формовки мелких заготовок неровности достигают 500 мкм, при литье крупных заготовок 1500 мкм. При машинной формовке – 300 мкм; при кокильном и центробежном литье – 200 мкм; при литье под давлением 10 мкм; при литье по выплавляемым моделям и в корковые формы 1040 мкм.

Поверхностный слой заготовок, полученных ковкой, горячей штамповкой и прокаткой, горячей штамповкой и прокаткой, состоит из обезуглероженной зоны и переходит в зону, в которой наблюдается частичное обезуглероживание. Глубина обезуглероженного слоя у заготовок, полученных свободной ковкой, 500-1000 мкм; у проката до 150 мкм и у калиброванного проката до 50 мкм. Отливки из серого чугуна имеют перлитную корку (перлитная зона) на глубину 300 мкм и за ней зону со значительным содержанием феррита, переходящего постепенно в основную зону.

Поверхностный слой стальных отливок имеет зону обезуглероживания до 200 мкм и далее переходную зону с частичным обезуглероживанием.

При обработке заготовок резанием шероховатость измеренная в направлении движения подачи (поперечная шероховатость), обычно больше шероховатости, измеренной в направлении главного движения режущего инструмента (продольная шероховатость). На шероховатость влияет ряд факторов.

Режимы резания оказывают заметное влияние на шероховатость обрабатываемой поверхности. Наибольшее влияние оказывает скорость резания, с увеличением которой до значения 20-25 м/мин высота микронеровностей достигает наибольшего значения.

При дальнейшем увеличении, при прочих неизменных условиях, шероховатость постепенно уменьшается. Зона увеличенной шероховатости связана с образованием нароста на режущей кромке инструмента. С увеличением скорости наростообразование прекращается и шероховатость уменьшается, что очень хорошо заметно при обработке стали.

Влияние подачи на шероховатость поверхности при разных методах обработки сказывается по разному. При точении стандартными проходными резцами с углом в плане 45 и малым радиусом закругления вершины (2 мм) влияние подачи весьма заметно.

При точении резцами с широкой режущей кромкой влияние подачи практически отсутствует, что позволяет повысить производительность обработки отделочных операций. Умеренное влияние подачи на шероховатость поверхности отверстий, торцовом и цилиндрическом фрезеровании и других методах обработки.

Глубина резания не оказывает заметного влияния на шероховатость, если жесткость технологической системы достаточно велика. В некоторых случаях (снятие литейной корки или удаление наклепанного слоя) увеличение глубины резания уменьшает шероховатость поверхности, т.к. инструмент работает по основному металлу.

Форма режущей кромки инструмента также влияет на шероховатость поверхности.

При шлифовании шероховатость снижается с увеличением окружной скорости шлифовального круга, уменьшением скорости вращения заготовки, размеров зерна круга и глубины шлифования. Шлифование с выхаживанием повышает чистоту обработки.

На шероховатость поверхности влияют механические свойства, химический состав и структура материала заготовок. При обработке заготовок из мягкой низкоуглеродистой стали получается более шероховатая поверхность, чем при обработке заготовок из твердой стали с большим содержанием углерода. Заготовки из стали с повышенным содержанием серы (автоматные стали) и из стали с присадкой свинца имеют более чистую поверхность среза, чем заготовки из обычных сталей. Заготовки из сталей с мелкозернистой структурой обрабатываются лучше заготовок с крупнозернистой структурой.

На полученную при обработке шероховатость поверхности оказывает существенное влияние жесткость технологической системы. Непостоянство жесткости в разных сечениях заготовки, обусловленное условиями ее закрепления вызывает неоднородность шероховатости обработанной поверхности. Вибрации элементов технологической системы периодически изменяют положение режущей кромки инструмента относительно обрабатываемой поверхности, создавая на ней выступы и впадины. На процесс вибрации влияют жесткость системы, зазоры в ее звеньях, неуравновешенность вращающихся частей, дефекты приводов и др. При относительно невысокой частоте и большой амплитуды колебаний на обрабатываемой поверхности образуется волнистость.

Зная влияние технологических факторов на шероховатость поверхности, можно создавать условия обработки, обеспечивающие достижение заданной шероховатости поверхности.

При чистовой и черновой обработке стали, деформация распространяется на глубину от 50 до 100-300 мкм, а при обдирке до 5001000.

Снять остаточные напряжения после предварительного шлифования можно отжигом детали, а после ее окончательной обработки – виброконтактным полированием. При обработке этим методом на поверхности образуются сжимающие напряжения. Вообще, управление остаточными напряжениями – важный резерв повышения эксплуатационных свойств деталей машин.

Увеличение S увеличивает остаточные напряжения растяжения и вызывает рост пластической деформации поверхностного слоя.

Износ и затупление инструмента приводит к повышению трения по его задней поверхности об обрабатываемую поверхность, это способствует формированию остаточных напряжений растяжения при относительно большой глубине их распространения.

При обработке в электролите (электрохимическая обработка) поверхностный слой насыщается водородом, что может привести к хрупкой поломке деталей. Для устранения этого недостатка, а также для уменьшения остаточных напряжений, образующихся в поверхностном слое при изготовлении ответственных деталей (турбинные лопатки), нередко применяется дополнительное механическое полирование. Водород можно удалить отпуском детали при температуре 120-140С.

77. Метод определения припусков на механическую обработку. Основные понятия и определения факторов, определяющих величину промежуточного припуска.

Чертеж исходной заготовки отличается от чертежа готовой детали тем, что на всех обрабатываемых поверхностях предусматриваются припуски, соответственно изменяющие размеры, а иногда и форму заготовки. форма отдельных поверхностей исходных заготовок определяется с учетом технологии получения заготовок, требующей в ряде случаев определение уклонов, радиусов закруглений и т.д..

Общим припуском на обработку называется слой материала, удаляемый с поверхности исходной заготовки в процессе механической обработки в целях достижения заданных точности и качества обрабатываемой поверхности.

Операционный припуск – это слой металла, удаляемый с заготовки при выполнении одной технологической операции (гост 3.1109- 82).

Различают припуски промежуточные и общие.

Промежуточным припуском называется слой снимаемый при выполнении данного технологического перехода механической обработки.

промежуточный припуск определяется как разность размеров заготовки, на сложном предшествующем и выполняемом технологических переходах.

Общим припуском называется сумма промежуточных припусков по всему технологическому маршруту механической обработки данной поверхности.

Общий припуск определяется как разность размеров заготовки и готовой детали.

Установление оптимальных припусков на обработку и технологических допусков на размеры заготовок по всем переходам имеют технико-экономическое значение при разработке технологических процессов изготовления деталей машин.

Преувеличение припуска ведут к перерасходу материала на изготовление деталей, вызывают необходимость введения дополнительных технологических переходов, увеличивают трудоемкость процессов обработки, затраты энергии и рабочего инструмента, повышают себестоимость детали. при увеличенных припусках в некоторых случаях удаляется наиболее износостойкий поверхностный слой обрабатываемой детали.

уменьшенные припуски не обеспечивают удаления дефектных поверхностных слоев металла и получения требуемой точности и шероховатости обработанных поверхностей, а в ряде случаев создают неприемлемые технологические условия для работы режущего инструмента в зоне твердой литейной корки или окалины. в результате недостаточных припусков возрастает брак, что повышает себестоимость выпускаемой продукции.

задача определения оптимальных припусков на обработку тесно связана с установлением предельных промежуточных и исходных размеров заготовки. эти размеры необходимы для конструирования штампов, прессформ, моделей, стержневых ящиков, приспособлений, специальных режущих и измерительных инструментов,а также для настройки металлорежущих станков др. технологического оборудования. в машиностроении широко применяют опытно-статистический метод установления припусков на обработку. при этом методе общие и промежуточные припуски берут по таблицам, которые составляют на основе обобщения и систематизации производственных данных передовых заводов.

недостаток этого метода заключается в том, что припуски назначают без учета конкретных условий построения технологических процессов. так, общие припуска назначают без учета маршрута обработки данной поверхности, а промежуточные – без учета схемы установки и погрешностей предшествующей обработки. опытно-статистические величины припусков во многих случаях завышены, т.к. они ориентированы на условие обработки, при которых припуск должен быть наибольшим во избежания брака. гост 1855-55.

78. Расчетно-аналитический метод определения припуска и допусков.

Расчетно-аналитический метод определения припусков.

Данный метод определения припусков основан на учете конкретных условий выполнения технологического процесса обработки. он выявляет возможности экономии материала и снижения технологической обработки при проектировании новых и анализе существующих технологических процессов.

Величины минимального промежуточного припуска определяют следующие факторы:

высота неровностей r_zi-1, полученная на смежном предшествующем переходе обработки данной поверхности. при выполнении первой операции эта величина берется по исходной заготовке. при выполнении второй операции нужно снять неровности, полученные не первой операции и т.д.. величина r_zi-1 зависит от метода, режимов и условий выполнения предшествующей обработки;

состояние и глубина т_i-1 поверхностного слоя, полученные на смежном предшествующем технологическом переходе. этот слой отличен от основного металла. он подлежит полному или частичному удалению на выполняемом переходе. у отливок из серого чугуна поверхностный слой состоит из перлитной корки, наружная зона которого нередко имеет следы формовочного песка.

Для создания благополучных условий работы режущему инструменту этот слой полностью снимается на первом переходе обработки данной поверхности. у стальных паковок и штампованных заготовок поверхностный слой характеризуется обезуглероженной зоной. этот слой подлежит полному удалению, т.к. он снижает предел выносливости детали.

В результате обработки резанием в поверхностном слое возникает зона наклепа. при последующей обработке эту зону целесообразно сохранить, т.к. она повышает износостойкость детали и способствует получению более качественной поверхности.

После поверхностной закалки поверхностный слой детали также в максимальной степени надо сохранить, т.к. его ценные свойства быстро снижаются с увеличением припуска.

Рис. Поперерчное сечение поверхностного слоя детали

пространственные отклонения _-1 в расположении обрабатываемой поверхности относительно базовых поверхностей заготовки. к пространственным отклонениям относятся: несоосность наружной (базовой) поверхности и растачиваемого отверстия у заготовок втулок, дисков, гильз; несоосность обтачиваемых ступеней базовым шейкам или линии центровочных гнезд у заготовок ступенчатых валов; неперпендикулярность торцовой плоскости оси базовой цилиндрической поверхности заготовки; непараллельность обрабатываемой и базовой плоскостей у заготовок корпусных деталей и др. погрешности взаимного расположения обрабатываемых и базовых элементов.

Своей наружной поверхностью втулка закрепляется в 3-х кулачковом самоцентрирующемся патроне. штриховая линия характеризует заданное обработкой отверстие диаметром d.

Из схемы видно, что составляющая промежуточного припуска (на диметр), компенсирующая несоосность поверхности втулки, равна 2_i-1. диметр отверстия заготовки с учетом влияния только одной этой составляющей d=d-2_i-1.

Пространственные отклонения возникают в результате неточного выполнения заготовок и операции механической обработки. при механической обработке может иметь место также копирование в уменьшенном виде первичных погрешностей заготовки.

Влияние пространственных отклонений на количество снятого в виде припуска материала зависит от принятой схемы базирования заготовки. при обработке механической обработке деталей типа дисков целесообразно, например, сначала расточить отверстие на базе наружной цилиндрической поверхности (для устранения соосности), а затем на базе отверстия обточить наружную поверхность. при обратной последовательности обработки с наружной поверхности снимается значительно большее количество металла;

погрешность установки _i, возникающая на выполняемом переходе. в результате погрешности установки обрабатываемая поверхность занимает различное положение при обработке партии заготовок на предварительно настроенном станке. нестабильность положения обрабатываемой поверхности должна быть компенсирована дополнительной составляющей промежуточного припуска.