Глава 3 технологическое качество поверхностного слоя деталей машин

Знание материала, изложенного в этой главе, позволит студентам понять физиче­скую сущность формирования параметров качества поверхностного слоя деталей при их изготовлении.

1. Понятие о качестве поверхностного слоя деталей

Наружный слой детали, имеющий макро- и микроотклонения от идеальной геомет­рической формы и измененные физико-химические свойства по сравнению со свойства­ми основного материала, называется поверхностным слоем. Он формируется при изго­товлении деталей, изменяется при эксплуатации машины и по глубине может составлять от десятых долей микрометра до нескольких миллиметров. Поверхностный слой опре­деляется геометрическими характеристиками и физико-химическими свойствами (рис.3.1).

Под геометрическими характеристиками понимают макроотклонение, волнистость, шероховатость и субшероховатость,

Микроотклонение I поверхности - это неровность высотой 10^-2 ... 10³ мкм на всей ее длине или ширине.

Волнистость 2 поверхности - совокупность неровностей высотой примерно 10^-2 ... 10³ мкм с шагом большим, чем базовая длина /, используемая для измерения параметров шероховатости.

Под шероховатостью 3 поверхности понимают совокупность неровностей высотой около 10^-2 ... 10³ мкм с шагом меньшим, чем базовая длина /, используемая для ее изме­рения.

Субшероховатость 4 — это субмикронеровности высотой примерно 10^-3 ... 10^-2 мкм, накладываемые на шероховатость поверхности.

Верхняя зона 5 толщиной около 10 ... 100 мкм - это адсорбированный из окру­жающей среды слой молекул и атомов органических и неорганических веществ (напри­мер, воды, СОЖ, растворителей, промывочных жидкостей).

Промежуточная зона 6 толщиной примерно 10^-3 ... 1 мкм представляет собой про­дукты химического взаимодействия металла с окружающей средой (обычно оксиды).

Граничная зона 7 имеет толщину, равную нескольким межатомным расстояниям со значительно измененными кристаллической и электронной структурой и химическим составом.

5

6

7

8

1 2 3 4

Рис. 3.1. Схема поверхностного слоя детали:

1 - макроотклонение; 2 - волнистость; 3 - шероховатость; 4 - субшероховатость; 3 - адсорбированнав зона; 6 - зона оксидов; 7 - граничная зона материала; 8 - зона материала с измененными физико-химическими свойствами

Зона 8 имеет толщину примерно 10^-4 ... 10 мм с измененными физико-хими­ческими свойствами по сравнению со свойствами основного материала. Под физико­химическими свойствами поверхностного слоя понимают остаточные напряжения, на­клеп и структуру. Оценка геометрических характеристик и физико-химических свойств может быть непараметрической и параметрической.

Непараметрическая оценка заключается в графическом изображении макрооткло­нения, волнистости, шероховатости, субшероховатости, структуры, распределения оста­точных напряжений и наклепа поверхностного слоя для визуального сравнения. В част­ности, для не параметрической оценки шероховатости используют профилограммы, кри­вые опорных длин профиля, кривые распределения ординат или вершин профиля, спек­трограммы профиля, топограммы и т.п.

При параметрической оценке характеристик поверхностного слоя деталей машин используются приведенные ниже параметры.

Макроотклонение (отклонение формы) (рис. 3.2) характеризуется:

Нmах - максимальным микроотклонением, мкм;

Н_р - высотой сглаживания макроотклонения (расстояние от средней линии профиля до огибаюшей), мкм.

Отклонение формы нормируется значением допуска фермы поверхности, и реко­мендована ее взаимосвязь с допуском на размер.

Волнистость (рис. 3.3) характеризуется:

- Wa - средним арифметическим отклонением профиля волн, мкм,

, или , (3.1)

где l_w - базовая длина; у, - текущее значение ординаты профиля волн (расстояние от точки профиля до средней линии); dx - приращение абсциссы; N - число ординат про­филя;

Рис. 3.3. Волнограмма поверхности

- Wz- средней высотой волн, мкм,

, (3.2)

где Hi - текущее расстояние от средней линии до вершины волны; Н_i^’ - текущее рас­стояние от средней линии до впадины волны;

- Wmax - наибольшей высотой профиля волн, мкм;

- Wp — высотой сглаживания волнистости;

- tpw - относительной опорной длиной профиля волн, %,

, (3.3)

где - опорная длина профиля волн на уровне сечения профиля р;

- Smw - средним шагом волн, мм,

, (3.4)

где - текущее значение шага волн; n - число шагов; - средний радиус вы­ступов волн, мм,

,(3.5)

где - текущее значение радиуса выступа; n - число выступов волн.

Волнистость поверхности до настоящего времени в России не стандартизована, поэтому на практике используют различные отраслевые нормали и рекомендации. Так, в подшипниковой промышленности при шлифовании колец (диаметр 18 ... 120 мм) класса Н (класса 0) волнистость по высоте составляет 40 - 110 % шероховатости, а по классу С (4 - 5-й классы) - 15 - 60 %.

В соответствии с рекомендациями Института машиноведения РАН волнистость в зависимости от ее высоты подразделяют на девять классов:

- высота неровностей профиля по десяти точкам, мкм,

+ )/5 , (3.7)

где hj — высота i-го наибольшего выступа профиля; — глубина i-й наибольшей впади­ны профиля;

• наибольшая высота профиля Rmах, мкм;

• средний шаг неровностей профиля, мм,

, (3.8)

где Smi - значение i-ro шага неровностей по средней линии в пределах базовой длины;

• средний шаг местных выступов профиля, мм,

/N , (3.9)

где Si - значение i-го шага по вершинам местных выступов;

- относительная опорная длина профиля,

/l= /l , (3.10)

, где - опорная длина профиля на уровне р.

Нестандартизованные параметры шероховатости:

Rq— среднее квадратическое отклонение профиля,

(3.11)

или (3.12)

Rp - высота сглаживания профиля шероховатости, мкм;

Rw - глубина сглаживания профиля шероховатости, мкм;

Кр — коэффициент заполнения профиля;

v и b - параметры начального участка кривой относительных опорных длин профиля;

tp=b(p/100)^n , (3.13)

- средний радиус выступов профиля, мкм, (рис. 3.5),

/n , (3.14)

где —радиус i-го выступа профиля шероховатости;

р — средний радиус местного выступа профиля шероховатости, мкм, (см. рис. 3.5),

/n , (3.15)

где р, - радиус i-го местного выступа профиля;

- средний угол профиля шероховатости (см. рис. 3.5),

/n , (3.16)

где , —угол наклона i-го выступа профиля.

Для оценки наклепа используют значения:

—поверхностная микротвердостъ;

Ɛ- степень деформирования, %;

- глубина наклепа, мкм;

— степень наклепа, %,

, (3.17)

где - исходная микротвердость материала.

Для оценки поверхностных остаточных напряжений рекомендуются следующие параметры:

— макронапряжения (напряжения 1-го рода), МПа;

— макронапряжения (напряжения 2-го рода), МПа;

- статические искажения решетки (напряжения 3-го рода), МПа.

Для оценки структуры применяют:

- размер зерен, мм;

- плотность дислокаций, ;

- концентрация вакансий;

— размер блоков, нм;

- угол разориентации блоков;

<D> - размер областей когерентного рассеяния, нм;

< > — среднеквадратическое смещение атомов, вызванное статическими искаже­ниями решетки, нм2;

< > - среднеквадратическое смещение атомов, вызванное их тепловыми колеба-

ниями, нм .

Для оценки фазового состава используют:

, - тип кристаллической структуры;

а, Ь, с (мм) и а, Р, у (°) — параметры решетки фаз.

Для оценки химического состава применяются;

c(x) - профиль концентрации элементов в поверхностном слое, %;

- концентрация элементов в фазах, %.

Для оценки экзоэдсктронной эмиссии поверхности используют:

l - интенсивность эмиссии, импульс;

ϕ—работа выхода электронов, ЭВ;

λ — глубина выхода электронов, нм.

В последние годы все активнее начинают применять так называемые комплексные параметры, математически или физически объединяющие сразу несколько отдельных параметров.

Одним из первых является комплексный параметр Крагельского — Комбалова для оценки шероховатости поверхностей трения, математически объединяющий отдельные ее параметры , , Ь и v:

(3.18)

Преобразование этого уравнения позволило получить зависимость, которая хорошо объясняет ею физическую сущность как параметра, определяющего несущую способ­ность профиля шероховатости:

, (3.19)

Из формулы (3.19) хорошо видно, что чем меньше , тем выше несущая способ­ность шероховатости.

Пожалуй, первым комплексным параметром, учитывающим шероховатость и физи­ческие свойства материала, является параметр пластичности, предложенный Гринвудом для определения характера деформации микронеровностей:

Для поверхностей деталей, работающих на усталостную прочность, роль шерохова¬тости определяет коэффициент концентрации напряжений ап, который после соответст¬вующих преобразований принимает вид

(3.20)

Вторая составляющая данного уравнения может быть предложена в качестве ком­плексного параметра для оценки качества поверхностей, работающих на усталостную прочность:

(3.21)

В Брянском государственном техническом университете предложен ряд комплекс­ных параметров для оценки поверхностей деталей. Так, для оценки несущей способно­сти поверхности или ее контактной жесткости установлен комплексный параметр, объе­диняющий шероховатость, волнистость, макроотклонение и степень наклепа поверхно­стного слоя:

(3.22)

Для комплексной оценки качества поверхностей трения предложен параметр, кото­рый наряду с вышеперечисленными, характеристиками включает и поверхностные оста­точные напряжения второго рода

, (3.23)

где λ – коэффициент, учитывающий влияние поверхностных остаточных напряжений второго рода на износ,

, (3.24)

где - временное сопротивление разрушению; — действующее значение амплитуд­ного напряжения на поверхности трения; — параметр фрикционной усталости при уп­ругом контакте.

Для оценки качества поверхностного слоя кулачковых пар трения предложен ана­логичный комплексный параметр — . Этот параметр определяет, насколько удельная мощность трения реальных поверхностей кулачковых пар, имеющих макроотклонения, волнистость, шероховатость и измененные физико-химические свойства поверхностного слоя, отличается от удельной мощности трения в идеальном случае:

, (3.25)

где - коэффициент трения; и v — контурное давление и скорость скольжения; и - удельная мощность трения реальной поверхности и идеальной соответственно.

Для оценки цилиндрических поверхностей, образующих соединение, передающее осевые нагрузки или крутящие моменты, предложен комплексный параметр, характери­зующий их металлоемкость:

Cn = Rp+ Wp + Hp, (3.26)

Качество поверхностного слоя деталей, образующих герметичные соединения, мо­жет быть охарактеризовано комплексным параметром, определяющим приведенный воздушный зазор от одной поверхности под нагрузкой:

(3.27)

где и — коэффициент Пуассона и модуль упругости поверхностного слоя.

Комплексный параметр качества поверхностного слоя для оценки коррозионной стойкости деталей имеет вид:

(3.28)

где Rw - глубина сглаживания профиля шероховатости (расстояние от линии впадин до средней линии).

Аналогичные комплексные параметры качества поверхностного слоя могут быть предложены и для оценки других эксплуатационных свойств деталей машин и их соеди­нений. Однако наиболее перспективным направлением является установление такого комплексного параметра качества поверхностного слоя деталей машин, который оказы­вает влияние практически на все эксплуатационные свойства. В настоящее время в каче­стве такого параметра может быть предложен параметр С, характеризующий равновес­ное состояние поверхностей трения:

(3.29)

Анализ показывает, что этот параметр достаточно хорошо характеризует несущую способность поверхностного слоя деталей машин, определяющую ее эксплуатационные свойства.