книги из ГПНТБ / Каледин Б.А. Повышение долговечности деталей поверхностным деформированием

ветствовала максимально возможной деконцептрацни внешнего нагружения, обеспечивающей равномерность образования текстур и минимальное разрушение пленок окислов; среда удовлетворяла требованию поверхност­ ной локализации пластических деформаций.

Получение оптимального рабочего рельефа во всех случаях связано с исходным технологическим рельефом.

Из сказанного следует вся важность качества по­ верхностного слоя детали в обеспечении ее долговечно­ сти. Но как получить такое качество поверхности детали, чтобы ее долговечность отвечала заданным требованиям? Для ответа на этот вопрос следует вкратце рассмотреть

влияние различных методов обработки деталей па их долговечность.

2. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ НА КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ

Задача повышения долговечности в производственных условиях обычно решается путем улучшения конструк­ ции и совершенствования технологии изготовления дета­ лей (повышение точности, установление жестких допу­ сков и т. д.), изыскания новых материалов. В то же время совершенно недостаточно уделяется внимания во­ просам формирования поверхностных слоев, установле­ нию зависимости их физико-химического состояния от методов, режимов и последовательности обработки, осо­ бенно на окончательных и отделочных операциях. А меж­ ду-тем многочисленными исследованиями показано [50, 117], что существенное влияние на качество поверхности оказывает технологический процесс. Например, в табл. 1 показано влияние технологического процесса на устало­ стную прочность пера лопатки газотурбинного двигате­ ля. Из таблицы видно, что усталостная прочность а_і существенно зависит от последовательности операций технологического процесса. В данном случае наиболее оптимальным оказался четвертый процесс.

Большое значение для формирования поверхностных слоев деталей машин с заданными свойствами имеет макро- и микрогеометрня профиля. Макрогеометрия, под которой понимают точность геометрической формы де­ тали, в основном зависит от жесткости системы станок — приспособление — инструмент — деталь (СПИД), их 'конструкции и режима работы. Обычно при назначении

Ю

сматривает использование лишь части поля допуска. Для всех ответственных деталей машин установлены

нормы предельно допустимых отклонений от геометриче­ ской формы.

Шероховатость поверхности детали, обработанной резанием, зависит от большого количества причин, свя­ занных с условиями ее изготовления: от принятых мето­ дов и режимов обработки, условий охлаждения и смазки инструмента, химического состава и микроструктуры обрабатываемого материала, конструкции, геометрии и стойкости режущего инструмента, типа и состояния ис­ пользуемого оборудования, вспомогательного инструмен­ та и приспособлений.

Все многообразие причин, определяющих шерохова­ тость обработанной поверхности, можно объединить в три основные группы, связанные с геометрией процесса резания, пластической и упругой деформацией обраба­ тываемого материала, возникновением вибраций режу­ щего инструмента относительно обрабатываемой поверх­ ности.

Характер микрорельефа (размеры, форма, взаимо­ расположение микронеровностей) определяется способом и условиями обработки поверхности.

В табл. 2 приведены значения стандартных (Ra и Rz) и нестандартных характеристик качества поверхности

11

Т а б л и ц а 2

Нестандартные характеристики и их значения при различных видах обработки резанием и давлением

12

при различных видах обработки резанием и поверхност­ ным пластическим деформированием. Из таблицы видно, что при одном и том же классе шероховатости, опреде­ ляемом по значениям Ra и Rz, нестандартные характери­ стики: радиус закругления вершин микровыступов г и впадин, угол наклона образующих выступов ß; отноше­ ние радиуса г закругления выступов к их максимальной высоте r/Rzmax! коэффициент неоднородности ÖR2 сущест­ венно различаются друг от друга в зависимости от спо­ соба обработки. Это различие при прочих равных усло­ виях определяет разницу эксплуатационных свойств по­ верхности, обработанной различными способами.

Следует отметить, что величина радиуса закругления выступов зависит не только от способа, условий обра­ ботки и высоты неровностей, но и от механических свойств материала.

В табл. 3 приведены значения радиусов закругления для стали и чугуна при различных способах обработки резанием.

Из табл. 2 и 3 можно сделать следующие выводы.

1. Для различных методов обработки резанием ра­ диус закругления г для одного и того же материала и одинаковой шероховатости колеблется в широких преде­ лах. Например, для 9-го класса он колеблется от 20 мкм (при шлифовании) до 500 мкм (при развертывании).

2.Величина г зависит от обрабатываемого материала

испособа обработки. Так, например, при круглом шли­ фовании по 8-му классу шероховатости радиус закругле­ ния на стали равен 20, на чугуне— 150 мкм, а при рас­

тачивании по тому же классу — соответственно 60 и

20мкм.

3.С уменьшением высоты микронеровностей во всех случаях радиус закругления их вершин увеличивается; наиболее острые микронеровности образуются при шли­ фовании, наиболее тупые — при развертывании, обкаты­

вании и виброобкатывании.

Иэ-таблиц также видно, что абразивная обработка не позволяет варьировать в широких пределах радиус за­ кругления (при изменении шероховатости с 7 до 10-го класса значения г изменяются всего лишь от 8 до 30 мкм).

Изменение радиуса закругления впадин, от которого существенно зависит усталостная и коррозионная проч­ ность, возможно за счет варьирования радиуса закру,гле-

13

ния режущих кромок инструмента. Однако следует иметь в виду, что диапазон варьирования радиусов кромок резцов, зубьев фрез, разверток и зенкеров относительно невелик. Абразивные методы обработки обладают еще меньшими возможностями для регулирования радиуса закругления впадин из-за необходимости увеличения

■ч Т а б л и ц а З

Значения радиусов закругления выступов неровностей в зависимости от материала, вида обработки и класса шероховатости

14

размеров зерен шлифовального круга, что ведет к уве­ личению шероховатости.

Угол наклона в зависимости от способа обработки ко­ леблется в сравнительно широких пределах (от 1 до 36°)

иуменьшается с понижением высоты микронеровностей. При любом способе обработки резанием возможности варьирования углом наклона путем изменения геометрии

ирежимов обработки сравнительно невелики. Наиболь­ шими возможностями располагает точение за счет изме­ нения величины углов в плане резцов.

Из табл. 3 видно, что различные способы обработки, обеспечивая одинаковую шероховатость, образуют ми­ крорельеф, значительно отличающийся по форме, микро­ неровностей и величине отношения r/Rzmax, которая

определяет износостойкость, темп и характер приработ­ ки, сопротивление схватыванию.

Значения r/Rzmах для таких способов обработки, как точение, развертывание, шлифование, хонингование, при 6, 7 и 8-м классах шероховатости весьма невелики. Более пологие неровности возникают при развертывании рез­ цами и при доводке. На порядок больше значения откло­ нений r/Rzmax обкатанных поверхностей и на два поряд­ ка — при виброобкатывании.

Шаг микронеровиостей S ' (расстояние между двумя смежными выступами в выбранном направлении) также определяется способом и режимами обработки и зависит от высоты микронеровностей. Чем больше эта высота, тем больше и шаг микронеровностей.

Шаг микронеровностей, образующихся при обкатыва­ нии роликами и шариками, намного превышает шаг при обработке резанием, так как подача, например, при об­ катывании роликами может достигать 1—2 мм/об. Это создает благоприятные возможности для образования поверхностей с микронеровностями средней и малой вы­ соты (V 6—V 8), но с большим шагом. Эти поверхности обеспечивают большую гидроплотность за счет затекания материала уплотнений во впадины микрорельефа [204].

Размеры и форма микронеровностей поверхности не­ одинаковы, неоднородны. В то же время неоднородность микронеровиостей определяет такие ее характеристики, как несущая способность, распределение смазки, время

гКЗЕД'о ; /

Для оценки критерия неоднородности пользуются или средним квадратическим отклонением (aRa) от Ra, или средшш квадратическим отклонением от Rz.

Как видно из табл. 2, с уменьшением шероховатости поверхностей уменьшается и ее неоднородность, причем эта неоднородность значительно больше при обработке резанием, чем при поверхностном пластическом дефор­ мировании.

Однако оценка неоднородности шероховатости по Ода и ÜRZ не учитывает такие характеристики микрорельефа, как шаг микронеровностей и их профиль, что может дать, неверное представление о степени неоднородности. По­ этому, исходя из принципа распределения микрорельефа на закономерные и случайные составляющие, Ю. Р. Вит­ тенберг [35] предложил новый критерий оценки неодно­ родности — коэффициент неоднородности микрорельефа у, определяемый как отношение дисперсии составляющей микрорельефа к дисперсии, всего микрорельефа:

УRa '

где Rav— среднее арифметическое отклонение случай­ ной составляющей микрорельефа. Это отношение равно единице, если микрорельеф абсолютно неоднороден, хао­

Колебание значений у для одного и того же способа обработки объясняется различием условий проведения того или иного процесса. Например, при алмазном точе­ нии удается создать поверхность с высокооднородным микрорельефом (у = 0,12—0,2).

В этом же случае почти отсутствует влияние таких факторов, как образование наростов на кончике резца, неоднородность макрогеометрии режущей кромки инст­ румента, недостаточная жесткость системы СПИД. В то же время даже при чистовом точении высокопластич­ ных сталей, цветных металлов и чугунов пластическая

16

деформация при резании столь неоднородна, что коэф­ фициент неоднородности у приближается к значениям, характерным для поверхностей с хаотическим располо­

поверхностей по коэффициенту у и ÖRZ одинакова, одна­

ко у позволяет установить некоторые зависимости между режимом обработки и степенью однородности образую­ щихся поверхностей. Это позволяет в относительно не­ больших пределах регулировать однородность микро­ рельефа при точении.

Наименее однородными являются поверхности, обра­ ботанные шлифованием, доводкой, полированием. Хао­ тичность образующихся микрорельефов объясняется различными и случайными размерами геометрии и рас­ положением зерен в абразивном круге, притире, полиро­ вальном круге или шкурке. Лишь при таких процессах, как тонкое хонингование, суперфиниширование и лаппинговапие, удается получить поверхности с более однород­ ным микрорельефом.

Помимо рассмотренных выше геометрических харак­ теристик качества поверхности, многие исследователи предлагают учитывать и такие характеристики, как число выступов N, приходящихся на единицу длины или пло­ щади поверхностей; расположение микронеровностей (направление следов обработки); опорная площадь поверхности.

Число выступов регламентируется при шабрении по­ верочных плит, направляющих станков и приборов. Однако число пятен контакта и их размер влияют не только на площадь фактического контакта, но и на изно­ состойкость, электро- и теплопроводность [45, 80], доб­ ротность резонаторов, гидроплотность и другие эксплуа­ тационные свойства.

Возможность варьирования в пределах заданного класса шероховатости числа микровыступов при резании незначительна, даже при шабрении неоднородность об-

работапной поверхности по числу пятен на единицу пло­ щади достигает 30—40% от заданного числа.

Направление следов обработки оказывает существен­ ное влияние на различные эксплуатационные свойства поверхностей [52, 202].

По характеру расположения микронеровностей все обрабатываемые, поверхности могут быть разбиты на две группы [158]:

1)поверхности с определенно выраженной ориента­ цией микронеровностей (рис. 1);

2)поверхности с точечным расположением микроне­

ровностей с равновероятным распределением выступов

ивпадин по всем направлениям.

Вподавляющем большинстве случаев изменение на­ правления микронеровностей при обработке резанием возможно в небольших пределах.

От величины опорной площади поверхности зависят такие свойства, как контактная прочность и жесткость, износостойкость, теплопередача, контактная коррозия, прочность прессовых посадок. Правда, в практике боль­ шое значение играет величина опорной поверхности, об­ разующаяся после приработки сопрягаемых поверхно­ стей, т. е. при определенном их сближении.

Это создает трудности для ее измерения и поэтому до сих пор эта важная характеристика качества поверхно­ сти не нормирована.

Втабл. 4 приведены значения опорной поверхности при различных способах обработки, а на рис. 2 [204] - показаны кривые площадей опорных поверхностей после растачивания, внутреннего шлифования и раскатывания

шаром при различных величинах сближения. Из табл. 4 и рис. 2 следует, чт<3 при одинаковых классах шерохова­ тости опорная поверхность, обработанная различными способами, неодинакова. В начальный период работы с сопрягаемой поверхностью площадь фактического кон­ такта будет минимальной у шлифованной поверхности, а максимальной — у раскатанной.

Как указано выше, качество поверхности определяет­ ся не только геометрическими характеристиками, но и физико-химическими свойствами и напряженным состоя­ нием ее. Рассматривая влияние различных способов об­ работки на эти стороны качества поверхности, следует отметить следующее.

18