Влияние шероховатости на эксплуатационные свойства деталей машин

Увеличение высоты, шага и заостренности неровностей ухудшает эксплуатационные свойства деталей:

1. Увеличивается величина приработочного износа. На износ влияет форма микронеровностей и их направление. Островершинные неровности изнашиваются быстрее плосковершинных;

2. Снижается усталостная прочность деталей, особенно работающих при знакопеременных и ударных нагрузках, т.к. впадины микропрофиля влияют на концентрацию напряжений и образование усталостных трещин;

3. Уменьшается контактная жесткость и герметичность соединения из-за уменьшения фактической площади контакта;

4. При запрессовке деталей микронеровности сминаются и сдвигаются, ослабляя натяг в соединении и надежность его работы. Это значительно менее заметно при сборке соединения с тепловым воздействием;

5. Коррозия деталей в атмосферных условиях возникает легче и идет быстрее на грубо обработанных поверхностях. Коррозионная стойкость несколько выше при закругленных впадинах микронеровностей;

6. При работе в условиях жидкой среды способствует кавитационному разрушению;

7. Уменьшается электропроводность и теплопроводность стыков;

8. Ухудшаются условия измерения деталей и заготовок;

9. Увеличивается погрешность установки при обработке;

10. Уменьшается прочность клееных соединений;

11. Ухудшается товарный вид.

Шероховатость также влияет на отражательную и поглощающую способность поверхностей, их загрязняемость, сопротивление протеканию жидкостей и газов, величину к.п.д. передачи и др.

Шероховатость целесообразно снижать до определенного предела, т.к. должно обеспечиваться удержание слоя смазки между трущимися поверхностями.

Точность и шероховатость поверхностей связаны между собой: обычно высота неровностей составляет 0,05…0,2 допуска на размер. При более точных размерах и посадках движения берутся меньшие соотношения, при более грубых и при прессовых посадках – большие.

 

Волнистость поверхности

Волнистостью называется совокупность периодически чередующихся неровностей с относительно большим шагом, превышающим принимаемую при измерении базовую длину.

Параметрами волнистости являются (рис. 3.4):

1. Высота волнистости - среднее арифметическое из пяти ее значений, определенных на длине участка измерения , равной не менее пяти действительным наибольшим шагам волнистости

, (3.8)

= 0,1…200 мкм.

2. Наибольшая высота волнистости - расстояние между наивысшей и наинизшей точками измеренного профиля в пределах длины , измеренное на одной полной волне.

3. Средний шаг волнистости - среднее арифметическое значение длин отрезков средней линии , ограниченных точками их пересечения с соседними участкамипрофиля волнистости

 

	Рис. 3.4. Волнистость поверхности

. (3.9)

Положение средней линии определяется так же, как и положение средней линии профиля шероховатости.

Форма волны зависит от причин, которые вызывают волнистость поверхности:

- вибрации технологической системы с относительно малой частотой колебаний и большой амплитудой;

- неточность установки режущего инструмента (биение шлифовальных кругов и фрез);

- погрешности в передачах станков (зубчатых колес);

- обработка с применением систем автоматического регулирования;

- обработка широкими резцами;

- копирование неровностей заготовки;

- действие остаточных напряжений в нежестких заготовках.

Уменьшение волнистости связано с устранением причин ее вызывающих.

Волнистость поверхности отрицательно влияет на эксплуатационные свойства деталей:

- увеличивается скорость изнашивания и снижается долговечность трущихся поверхностей;

- уменьшается площадь контакта сопряженных поверхностей и контактная жесткость;

- снижается герметичность соединения;

- снижается к.п.д. передачи из-за увеличения силы трения;

- ослабляется натяг в соединениях и, следовательно, их прочность;

- ухудшается внешний вид.

 

Физико-механические свойства

Поверхностного слоя

Физико-механические свойства характеризуются:

- твердостью;

- структурой;

- величиной, знаком и глубиной распространения остаточных напряжений;

- глубиной деформации слоя;

- наличием или отсутствием внешних дефектов (микротрещин, ликваций и т.п.).

Физико-механические свойства поверхностного слоя отличаются от исходного материала. Это связано с воздействием силовых и тепловых факторов при изготовлении и обработке заготовок.

После механической обработки стальной заготовки в поверхностном слое выделяют три зоны (рис. 3.5):

I – зона резко выраженной деформации; характеризуется большими искажениями кристаллической решетки металла, раздроблением зерен, высокой твердостью;

II – зона деформации; в этой зоне наблюдается вытягивание зерен, наволакивание одних зерен на другие, понижение твердости;

 

Рис. 3.5. Поверхностный слой стальной детали: а – структура; б – напряжения при абразивной обработке; в – напряжения при лезвийной обработке.

 

III – переходная зона; в этой зоне состояние слоя постепенно приближается к состоянию исходного материала.

Глубина поверхностного слоя зависит от метода и режимов обработки и составляет от 5 мкм при тонкой обработке до сотен мкм – при черновой.

При обработке лезвийным инструментом имеет место взаимодействие в основном силовых факторов. Вследствие этого поверхностный слой имеет, как правило, сжимающие (отрицательные) напряжения (рис. 3.5,в). Однако при высоких скоростях резания остаточные напряжения могут быть растягивающими.

При шлифовании большее влияние оказывают тепловые факторы, меньшее – силовые. Характерные для шлифования высокие температуры в поверхностном слое вызывают структурную неоднородность и, вследствие этого, поверхностные прижоги, микротрещины, цвета побежалости. В поверхностном слое при шлифовании возникают остаточные напряжения растяжения (положительные) (рис. 3.5,б).

Остаточные напряжения распространяются на глубину 0,05…0,15 мм.

Уменьшение остаточных напряжений в поверхностном слое достигается снижением интенсивности теплообразования:

- уменьшением скорости резания;

- уменьшением глубины резания;

- применением более «мягких» кругов и выхаживания при шлифовании;

- применением обильного охлаждения.

В поверхностном слое обрабатываемой детали также образуется наклеп. Он возникает в результате больших перепадов температур и больших деформаций, приводящих поверхностные слои к упрочнению. Интенсивность и глубина распространения наклепа возрастают с увеличением сил и продолжительности их воздействия и с повышением степени пластической деформации металла поверхностного слоя. Однако чрезмерный наклеп приводит к разрушению («шелушению») поверхностного слоя.

Наклеп поверхностного слоя оценивают по глубине и степени наклепа градиентом наклепа :

, (3.10)

, (3.11)

где - максимальная микротвердость поверхностного слоя металла;

- исходная микротвердость металла.

Одновременно с упрочнением из-за нагрева зоны резания в металле поверхностного слоя протекает разупрочнение, возвращающее металл в его первоначальное ненаклепанное состояние. Конечное состояние поверхностного слоя металла определяется соотношением скоростей протекания процессов упрочнения и разупрочнения, зависящим от преобладания действий в зоне резания силового или теплового фактора.

Состояние поверхностного слоя существенно влияет на работоспособность поверхности. Наклеп поверхности в несколько раз уменьшает ее износ, способствует созданию сжимающих напряжений, повышающих предел выносливости, прочность деталей. Растягивающие напряжения увеличивают износ, снижают прочность и приводят к появлению микротрещин на рабочих поверхностях. От остаточных напряжений зависит первоначальная и последующая эксплуатационная точность деталей и машин.