10.4. Влияние качества поверхности на эксплуатационные свойства деталей

Основные эксплуатационные характеристики деталей. Важнейшими эксплуатационными характеристиками деталей машин являются износостойкость и сопротивление усталости.

Износостойкость определяет сопротивление поверхности детали изнашиванию в процессе эксплуатации. При изнашивании изменяются размеры и геометрическая форма поверхностей, что приводит к изменению характера сопряжении деталей, потере точности относительного расположения деталей и узлов и нарушениям в работе машины.

Сопротивление усталости характеризует способность детали противостоять многократно повторяющимся зна­копеременным нагрузкам в процессе эксплуатации. Не­достаточное сопротивление усталости приводит к быстрой поломке деталей, вызывая отказ в работе машины.

Условия эксплуатации деталей разнообразны, в связи с чем в некоторых случаях к деталям предъявляют допол­нительные требования, такие как коррозионная стойкость, отражательная способность, электрические, магнитные, эстетические свойства и т. д.

При конструировании и в процессе изготовления деталей важно знать, как влияют характеристики поверх­ностей деталей на их эксплуатационные свойства. Это дает возможность правильно регламентировать требова­ния к поверхностям деталей, избежать необоснованных затрат на их изготовление и уменьшить потери от брака.

Влияние шероховатости поверхности на эксплуатационные свойства деталей. Исследованиями установлено, что шероховатость поверхностей оказывает большое влияние на изнашивание деталей в процессе эксплуа­тации.

В процессе трения рабочих поверхностей в машинах и механизмах наблюдается начальный, более интенсив­ный период изнашивания, когда поверхности прираба­тываются. Трущиеся поверхности вначале контактируют по вершинам микронеровностей, в результате чего про­исходит их срезание и пластическое деформирование. К концу приработки высота исходной шероховатости уменьшается на 65 ... 75 %, а площадь фактического кон­такта возрастает, что приводит к уменьшению контакт­ных давлений. Поэтому интенсивность изнашивания резко падает, и в дальнейшем происходит равномерное изнашивание, определяющее срок службы детали.

Установлено, что в результате приработки на тру­щихся поверхностях образуется оптимальная шерохова­тость, характерная для конкретных условий работы соединения (давление, скорость скольжения, наличие смазочного материала, физико-механические свойства материалов деталей и т.д.). Поэтому, если в процессе обработки деталей на их поверхностях обеспечить шеро­ховатость, близкую к оптимальной, длительность прира­ботки и изнашивание будут наименьшими. Это положение подтверждается зависимостью интенсивности изнаши­вания от исходной шероховатости трущихся поверх­ностей (рис. 10.14).

Рис. 10.14. Характерная зависимость износа I поверхности

детали от шероховатости R_а:

1, 2 - соответственно при легких и тяжелых условиях работы

Существование оптимальной шероховатости объясняется следующими обстоятельствами. При наличии на трущихся поверхностях неровностей, высота которых превышает оптимальные значения, возрастают механическое зацепление, их скалывание и срезание, в результате чего происходит повышенное изнашивание деталей. При высоте неровностей, меньше оптимального значения, изнашивание возрастает вследствие более плотного соприкосновения трущихся поверхностей, приводящего к выдавливанию смазочного вещества, молекулярному сцеплению и схватыванию.

Как отмечалось, оптимальная по износостойкости шероховатость поверхности деталей зависит от вида соединения и конкретных условий их эксплуатации. Эта зависимость определяется путем специальных исследова­ний. Так, для рабочих поверхностей беговых дорожек подшипников качения оптимальна R_а = 0,04 ... 0,08 мкм, для зеркала цилиндров двигателей R_а = 0,08 ... 0,32 мкм, для пальца в соединении его с поршнем R_а=0,16...0,63 мкм, для отверстия в бобышке поршня R_а = 0,63 ... 1,25 мкм.

На интенсивность изнашивания деталей оказывает влияние не только высота, но и направление неровностей исходной шероховатости трущихся поверхностей. По данным исследований следует, что при легких условиях работы и жидкост­ном трении лучшие результаты получаются при совпаде­нии направления следов неровностей с направлением перемещения трущихся деталей. В этих условиях имеет место большая площадь контакта поверхностей, разде­ленных слоем смазочного вещества.

При тяжелых условиях работы, когда давления зна­чительны и смазка недостаточна, рекомендуется созда­вать на поверхностях пересекающиеся следы неров­ностей, при которых не происходит полного выдавлива­ния смазочного материала, уменьшается вероятность схватывания и появления задиров.

От шероховатости поверхности существенно зависят сопротивление усталости деталей. Усталостному разру­шению металла способствуют отдельные дефекты и неровности на поверхности детали, которые являются источниками концентрации напряжений. При грубой обработке, когда на поверхности имеются глубокие риски, последние выступают в роли первичных очагов концентрации напряжений. Во впадинах неровностей при циклических и знакопеременных нагрузках возни­кают субмикроскопические трещины, которые в даль­нейшем разрастаются и приводят к образованию усталостных трещин и разрушению детали. Имеется общая закономерность, показывающая, что сопротивление уста­лости выше у деталей, поверхности которых обработаны более тонкими способами и имеют меньшую высоту микронеровностей. Чем грубее шероховатость, тем больше на ней впадин и глубоких рисок, на дне которых концент­рируются и собираются корродирующие вещества, и по­этому здесь коррозия поверхности происходит интенсив­нее. С уменьшением шероховатости коррозионная стойкость деталей повышается.

Исследованиями установлено, что шероховатость и волнистость поверхностей деталей влияют на точность сопряжений, прочность соединений с натягом, контактную жесткость, гидроплотность соединений и другие эксплуа­тационные характеристики отдельных деталей и узлов. Так, например, наличие волнистости в 5…10 раз умень­шает опорную площадь трущихся поверхностей и, следо­вательно, снижает их износостойкость. Волнистость же­лобов подшипников качения увеличивает уровень вибраций.

Влияние микротвердости на эксплуатационные свойства деталей. В процессе трения происходит механиче­ское (внедрение) и молекулярное (притяжение, схватывание) взаимодействие поверхностей. Молекулярное взаимодействие сопутствует механическому, и степень их относительного проявления зависит от конкретных усло­вий изнашивания. Но для снижения изнашивания дета­лей необходимо уменьшить взаимное внедрение трущихся поверхностей, чтобы предотвратить их схватывание. По­этому повышение микротвердости при механической обработке способствует уменьшению внедрения и контакт­ного схватывания, а следовательно, увеличивает изно­состойкость трущихся поверхностей.

Установлено, что в процессе изнашивания исходная микротвердость поверхностного слоя деталей изменяется. В период приработки на трущихся поверхностях не только формируется оптимальная шероховатость, но и создается оптимальная микротвердость поверхностного слоя детали. Исследования показали, что при трении в образцах с более высокой микротвердостью в процессе приработки она снижается до определенного значения (рис. 10.15, кривая 1), а в образцах с низкой исходной микротвердостью возрастает примерно до такого же значения (кривая 2). Оптимальная микротвердость трущихся поверхностей зависит от конкретных условий изнашивания.

Наличие наклепа повышает эксплуатационные свойства трущихся деталей при небольших скоростях и нормальных давлениях. При высоких скоростях скольжения и давлениях наклеп незначительно влияет на износостойкость деталей, хотя в отдельных случаях может и снижать ее.

Рис. 10.15. Изменение микротвердости образцов из стали 20

в процессе изнашивания:

1, 2 - соответственно исходная микротвердость Н = 4,0 и 1,2 ГПа

Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено, что при наклепе деформация поверхностного слоя детали уменьшается главным образом за счет снижения ее пластической составляющей. Поэтому наклеп поверхностного слоя металла, полученный в результате механической обработки, приводит к увеличению контактной жесткости и контактной выносливости, что важно в деталях опор качения.

Упрочнение поверхностного слоя оказывает большое влияние на сопротивление усталости деталей машин. При этом наклепанный слой препятствует развитию существующих и возникновению новых усталостных тре­щин. Возникновение новых усталостных трещин в дета­лях с наклепанным поверхностным слоем происходит под этим слоем, и развитие их наблюдается при более высо­ких напряжениях и большем числе циклов нагружения по сравнению с деталями, не имеющими наклепа. Сле­довательно, наклепанный слой уменьшает интенсивность влияния всевозможных геометрических и структурных концентраторов напряжений, повышая тем самым сопро­тивление усталости.

Наклеп поверхностного слоя деталей при механической обработке снижает в большинстве случаев их коррозионную стойкость. При пластическом деформировании поликристаллического металла в нем создаются микронеоднородности, способствующие возникновению большого количества гальванических микроэлементов. В ре­зультате неоднородного деформирования зерен металла накопленная энергия повышается неравномерно и по-разному изменяется электродный потенциал. Ферритные зерна как более наклепанные становятся анодами, а ме­нее наклепанные перлитные зерна - катодами. При этом ускоряется адсорбция и более интенсивно развиваются коррозионные и диффузионные процессы.

Однако при некоторых видах обработки и определен­ных условиях протекания процесса резания происходит завальцовывание пластически деформируемым ферритом путей проникновения коррозионных сред внутрь металла. В этих условиях наклепанный поверхностный слой может обладать достаточно высокой коррозионной стойкостью.

Влияние остаточных напряжений на эксплуатационные свойства деталей. В настоящее время на основании ряда исследований установлено, что остаточные напряжения в поверхностном слое деталей независимо от их знака не оказывают заметного влияния на износостой­кость деталей при трении. Объясняется это тем, что в процессе трения происходит интенсивное пластическое деформирование трущихся поверхностей. Остаточные напряжения, созданные механической обработкой, сни­маются в начальном периоде изнашивания, а затем в процессе трения постепенно возникают остаточные напря­жения сжатия, которые не зависят от остаточных напря­жений в поверхностном слое металла, действовавших до начала трения.

Наиболее заметное влияние остаточные напряжения оказывают на сопротивление деталей усталости. При циклическом нагружении металлов наблюдается пластическая деформация отдельных, наиболее слабых зерен поверхностного слоя. Она сопровождается упрочнением металла и искажением кристаллической решетки. Если напряжения превышают предел выносливости, искажение атомной кристаллической решетки становится столь значительным, что наступает разрыв междуатомных связей по плоскостям скольжения. При этом наблюдаются субмикроскопические нарушения сплошности, т. е. разрыхление металла, которое приводит к возникновению усталостных трещин, а затем и к разрушению деталей.

Исследования показывают, что сжимающие напряжения повышают предел выносливости, а растягивающие – уменьшают его.

Имеются данные о том, что сжимающие остаточные напряжения в поверхностных слоях деталей повышают также надежность соединений с натягом. Нагревание деталей до сравнительно невысоких температур приводит к релаксации остаточных напряжений и тогда они уже не оказывают влияния на предел выносливости. Наши исследования [21] подтверждают сказанное. Из рис. 10.16 следует, что составы СОЖ и методы подвода их в зону резания при точении титановых сплавов оказывают заметное влияние на предел выносливости при испытаниях на изгиб вращающихся образцов.

Рис. 10.16. Влияние СОЖ и методов их подвода при точении на усталостную прочность образцов из титанового сплава ОТ4:

- распыливание СОЖ; - полив СОЖ;

1 - резание всухую, 2 – масло «Индустриальное 20»; 3 – Г3-3Х; 4 – РЗ-СОЖ8; 5 – СОЖ НИАТ

При температуре испытаний 20^о С СОЖ повышают предел выносливости, выраженный числом циклов нагружений N при _-1 = 305 Н/мм²:

- масляные СОЖ – полив в 1,7…2,3 раза, распыливание в 1,4…1,9 раза;

- эмульсия Р3-СОЖ8 – полив в 3,6 раза, распыливание в 3,1 раза;

- СОЖ НИАТ – полив в 4,3 раза, распыливание в 3,8 раза.

Как видно (рис. 10.16), водные СОЖ увеличивают N в большей степени, чем масла, а полив СОЖ – в большей степени, чем их распыливание, т.е. наблюдается хорошая корреляция расположения СОЖ по их воздействию на благоприятные сжимающие остаточные напряжения и предел выносливости титановых образцов (рис. 10.13 и 10.16).

При температуре усталостных испытаний 300^о С воздействие СОЖ, применявшихся при обработке, сказывается на повышении стойкости образцов в циклах при _-1 = 305 Н/мм² значительно слабее, чем при нормальных температурах.

Ключевые слова и понятия

Обработанная поверхность	Действительная высота
(ОП)	микронеровностей
Качество ОП	Наклеп
Шероховатость ОП	Упрочнение
Номинальное сечение среза	Разупрочнение (отдых)
Действительное сечение среза	Остаточные напряжения
Остаточное сечение среза	Износостойкость
Теоретический профиль ОП	Предел выносливости
Расчетная высота микронеровностей

Контрольные вопросы

1. Какими показателями характеризуется качество обработанной поверхности?

2. От каких факторов зависит расчетная высота микронеровностей?

3. В чем причины несоответствия расчетных и действительных значений микронеровностей обработанной поверхности?

4. Как режимы резания влияют на шероховатость обработанной поверхности?

5. Перечислите основные причины возникновения наклепа?

6. Каково воздействие силового и теплового факторов процесса резания на величину и знак остаточных напряжений?

7. На какие основные эксплуатационные характеристики детали оказывают влияние шероховатость обработанной поверхности, наклеп и остаточные напряжения?