книги из ГПНТБ / Стандартизация и качество машин учеб. пособие

щая оптимизировать ряд весьма важных параметров, например, площадь контакта соприкасающихся деталей, маслоемкость тру­ щихся поверхностей.

Для практического использования было предложено несколько видов микрорельефа: с некасающимися (рис. 33, а), касающимися (рис. 33, б) и пересекающимися (рис. 33, в) канавками. Для по­ вышения износостойкости, например гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания, рекомендуется первый вид рельефа, для обеспечения плавности хода направляющих — второй, а для созда­ ния большей герметичности резино-металлических уплотнений — третий.

6

Рис. 33. Различные виды микрорельефа, получаемого методом вибрацион­ ного обкатывания

Вибрационному обкатыванию обычно подвергаются поверхно­ сти, предварительно обработанные точением. Форма и размеры об­ рабатываемых изделий, так же как и их твердость, практически не ограничены.

Вибрационное обкатывание осуществляется на токарных, фре­

100

зерных или других металлообрабатывающих станках, оснащенных вибрационными головками.

Применение вибрационного обкатывания позволяет резко сокра­ тить время приработки трущихся пар, существенно повысить гер­ метичность и износостойкость уплотнений, дает возможность повы­ сить показатели надежности машин.

Теперь рассмотрим физико-химические свойства поверхностного слоя, которые оказывают решающее влияние на показатели надеж­

ности деталей машин.

На физико-химические свойства поверхностного слоя еще не разработаны стандарты. Они, как правило, не находят отражения в чертежах и крайне редко определяются в условиях производства.

Не все физико-химические свойства поверхностного слоя оказы­ вают равноценное влияние на эксплуатационные характеристики деталей машин, определяющими являются его химический состав и строение (структура).

Обработка резанием, шлифование, полировка и ряд других тех­ нологических операций деформируют поверхностный слой, загряз­ няют его примесями (частицы абразива, кислород) и другими ино­ родными включениями.

1

Рис. 34. Схема строения поверх­ ностного слоя после механиче­ ской обработки:

1 — адсорбированный слой; 2 — слой с текстурой; 3 — пластически дефор­ мированный слой; 4 — исходный ме­ талл

Под действием нагрузок и температур в поверхностном слое об­ рабатываемых деталей образуются пластически деформированные кристаллы, создается наклеп и возникают остаточные напряжения. Схематически строение поверхностного слоя детали после механи­ ческой обработки представлено на рис. 34.

Наклепанный слой, состоящий из слоя с текстурой, в котором зерна имеют преимущественную ориентацию, и пластически дефор­ мированного слоя, имеет уменьшенную по сравнению с сердцевиной

101

плотность; в нем существенно увеличено количество дислокаций и других дефектов строения кристаллической решетки.

Этот слой имеет увеличенную по сравнению с сердцевиной дета­ ли твердость. Измерением микротвердости поверхностного слоя, которое обычно проводится на косых шлифах прибором ПМТ-3 (ПМТ-2), можно установить глубину наклепанного слоя и опреде­ лить степень наклепа, которая оценивается отношением микротвер­ дости поверхности #цгаах к исходной микротвердости материала

Н I4nin •

Глубина наклепанного слоя после механической обработки до­ стигает нескольких десятых долей миллиметра. Например, при чер­ новом точении глубина наклепанного слоя колеблется от 0,2 до

напряжения, возникающие при изменении удельных объемов сосед­ них зон металла поверхностного слоя в связи с различной степенью их пластической деформации. Остаточные напряжения также воз­ никают при температурных воздействиях, структурных и химиче­ ских превращениях в поверхностном слое.

Различают три рода остаточных напряжений:

первого рода — уравновешиваются в макрообъемах, т. е. охва­ тывают весь объем изделия или значительную его часть;

второго рода (микронапряжения) — уравновешиваются в объ­ еме одного или нескольких зерен;

третьего рода (ультрамикроскопические напряжения)— урав­ новешиваются в объеме нескольких кристаллических ячеек одного зерна.

Остаточные напряжения третьего рода измеряются методами рентгеноструктурного анализа.

Остаточные поверхностные напряжения первого рода можно оп­ ределять и механическими методами на образцах по их деформа­ ции (прогибу), возникающей при постепенном послойном удалении материала с обратной, по отношению к наклепанной, стороны об­ разца. Существуют методики, позволяющие одновременно записы­ вать величину остаточных напряжений первого рода и степень де­ формации в зависимости от расстояния от поверхности. Однако все предложенные методы определения остаточных напряжений весьма трудоемки, требуют специальной аппаратуры и в заводских лабо­ раториях применяются редко.

Величина и направление (растяжение, сжатие) остаточных на­ пряжений, возникающих в поверхностном слое, зависят от многих причин.

При механической обработке поверхность детали подвергается действию не только высокого удельного давления, но и нагреву. В зависимости от температуры нагрева и свойств обрабатываемого

102

материала в поверхностном слое могут происходить фазовые пре­ вращения, рекристаллизация, отпуск, явления ползучести.

В результате совместного действия пластической деформации и процессов, протекающих при нагреве, в поверхностном слое фор­ мируются растягивающие или сжимающие остаточные напряжения различной величины. Стабильность остаточных напряжений при обычных температурах очень высокая. Считается, что для стали снижение остаточных напряжений, созданных поверхностным на­ клепом, не более чем на 5—8%, может осуществиться только через весьма длительное время.

На рис. 35 схематически показаны характерные кривые распре­ деления остаточных напряжений в поверхностном слое.

Рис. 35. Распределение остаточных напряжений в поверхностном слое

При обработке деталей резанием, в зависимости от их материа­ ла и параметров технологического процесса, в поверхностном слое мюгут возникать как сжимающие (рис. 35, а), так и растягивающие (рис. 35, б) остаточные напряжения, а их величина может превы­ шать значения предела прочности материала детали.

При эксплуатации остаточные напряжения в поверхностном слое суммируются с рабочими напряжениями, усиливая или ослабляя их. Многими исследованиями установлено, что остаточные напря­ жения сжатия повышают выносливость деталей, а растягивающие остаточные напряжения снижают ее.

Естественно встает вопрос об управлении в процессе производ­ ства величиной и степенью наклепа, величиной и направлением остаточных напряжений в поверхностном слое детали.

Практически создание в поверхностном слое детали необходи­ мого наклепа и сжимающих остаточных напряжений осуществляет­ ся применением различных методов упрочняющей обработки поверх­ ности. Эти методы в первую очередь связаны с пластической де­ формацией поверхностного слоя, приводящей к резкому увеличению в нем плотности дефектов кристаллической решетки. Аналогичный эффект может быть получен при использовании методов химико­ термической обработки или поверхностной закалки. Это наиболее

103

распространенные пути повышения надежности и долговечности де­ талей, работающих при повторно переменном нагружении.

Если поверхность детали подвергается действию повышенных температур, агрессивных сред, то большое значение приобретают и другие физико-химические характеристики поверхностного слоя, например, его химический состав и электродный потенциал. В этом случае надо воздействовать и на эти характеристики поверхност­ ного слоя, изменяя их в благоприятном направлении, для чего сле­ дует изменить химический состав поверхности или создать на по­ верхности защитные металлические или неметаллические слои.

Сложные условия, в которых работают современные машины, привели к созданию большого количества различных методов об­ работки поверхностей деталей и требуют комбинированного приме­ нения этих методов. Ниже приводится классификация методов об­ работки поверхности по технологическому признаку (способу обра­ ботки), предложенная М. А. Елизаветиным и Э. А. Сателем:

пластическое деформирование рабочих поверхностей; поверхностная закалка; химико-термическая обработка; наплавка металла; напыление металла;

нанесение металлических и неметаллических покрытий гальвани­ ческими методами;

нанесение металлических и неметаллических покрытий химиче­ скими методами;

нанесение неметаллических покрытий.

Рассмотрим основные методы придания поверхностям деталей специальных свойств с целью повышения показателей их надеж­ ности, выделив из них методы защиты от коррозии, как имеющие ряд специфических особенностей.

Упрочнение поверхностного слоя деталей пластическим дефор­ мированием. Упрочнение пластическим деформированием осу­ ществляется различными методами: дробеструйным наклепом, об­ каткой и раскаткой, дорнированием, чеканкой, гидроабразивной обработкой, алмазным выглаживанием, а в последнее время — при­ менением взрыва.

Общим для всех этих методов является формирование в поверх­ ностном слое сжимающих остаточных напряжений и, как следствие, повышение долговечности деталей, работающих при циклических нагрузках.

Величина остаточных напряжений, глубина и степень наклепа, а также получаемая чистота поверхностного слоя зависят от мате­ риала обрабатываемой детали, выбранного метода упрочнения и его технологических параметров.

В табл. 8 * приведены некоторые свойства поверхностного слоя,

104

упрочненного различными технологическими методами, сущность которых кратко рассмотрена ниже.

Дробеструйный наклеп получил наибольшее распространение для упрочнения рабочих поверхностей деталей сложной формы. В основе процесса лежит пластическое деформирование поверхност­ ного слоя под действием кинетической энергии потока дроби (рис. 36), в результате чего в слое создаются значительные сжи­ мающие напряжения. Эффективность дробеструйного наклепа за­ висит от глубины наклепанного слоя.

Рис. 36. Схема дробеструйного наклепа дробью:

а — пневматический; б — механический

Дробеструйный наклеп повышает твердость поверхностного слоя и устраняет дефекты предшествующей механической обработки в виде рисок и надрывов.

Наклеп конструкционных сталей целесообразно применять для деталей, которые не подвергаются в дальнейшем нагреву до темпе­ ратур выше 400° С, так как более высокие температуры приводят к явлениям рекристаллизации, снижающим или полностью устра­ няющим эффект упрочнения,

Недостатком дробеструйной обработки является невозможность получения при ее применении чистоты поверхности на мягких мате­ риалах выше 4—5 классов, независимо от величины шероховатости исходной поверхности. Для увеличения класса чистоты поверхности используют жидкость, подаваемую в зону обработки. В таком слу­ чае удар дроби происходит через пленку жидкости, нагрузка рас­ пределяется более равномерно и понижается величина шероховато­ сти поверхности.

105

Дробеструйная обработка выполняется на специальных механи­ ческих или пневматических установках. В пневматических дробе­ струйных установках скорость дроби сообщается струей сжатого воздуха, в механических —• быстровращающимися лопатками рото­ ра или в результате свободного падения дроби с заданной высоты.

Разнообразие деталей машиностроения по видам материалов, конструктивным и эксплуатационным признакам привело к созда­ нию ряда разновидностей метода дробеструйного наклепа: центро­ бежный наклеп, пневмодинамический метод упрочнения и др.

У п р о ч н е н и е о б к а т к о й при­ меняется чаще в тех случаях, когда од­ новременно с повышением усталостной прочности деталей нужно сохранить или повысить чистоту обработки по­ верхности.

Процесс обкатки основан на стати­ ческом вдавливании при качении роли­ ка или шарика в обрабатываемую по­ верхность, которая пластически дефор­ мируется, а микронеровности сглажи­ ваются (рис. 37).

В зависимости от режима обкатки она может быть не только упрочняю­ щей, но и упрочняюще-сглаживающей. Упрочняюще-сглаживающий режим обкатки позволяет повысить исходную чистоту поверхности на 2—3 класса.

Обкатка осуществляется шариками или роликами на токарных, револьверных, строгальных станках, оборудованных 'специальными приспособлениями, или на специализированных станках.

Создание методом обкатки в поверхностном слое значительных и легко регулируемых остаточных напряжений сжатия приводит к увеличению предела выносливости деталей. На рис. 38 приведено влияние полученных обкаткой остаточных напряжений в поверхно­ стном слое образцов и вагонных осей на их предел выносливости.

Обкатка поверхностей широко применяется в машиностроении; она позволила существенно увеличить надежность и долговечность вторичных валов коробок скоростей автомобилей ЗИЛ-150, штоков штамповочных молотов, коленчатых валов, рабочих лопаток турбин реактивных двигателей и многих других деталей.

Разновидностью обкатки является применение пружинящих ша­ риков; в этом случае усилия обкатки регулируются пружинами. Обкатывание пружинящими шариками находит применение при упрочнении деталей, имеющих беговые дорожки и галтели.

Как известно, отверстия в деталях существенно снижают их прочность. Пластическое деформирование материала деталей в рай­ оне отверстий значительно уменьшает их разупрочняющее влияние.

109