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

в автомобиле- и тракторостроении разработаны нормы шероховатости и д л я'различных деталей (табл. 5).

Также очень важно и структурное состояние поверх­ ностного слоя, которое формируется на*всех этапах тех­ нологии обработки деталей машин. Например, анализ физического состояния поверхностного слоя и структуры коленчатых валов тракторов С-80 показал, что наиболее интенсивный износ начинается в зоне перехода от зака­ ленного к незакаленному металлу. При исследовании зубчатых колес было установлено, что при одинаковой микрогеометрии рабочих поверхностей зубчатые колеса со структурными концентраторами напряжений оказа­ лись в десятки раз менее долговечными, чем колеса из металла с более однородной структурой. Структурные концентраторы возникают в основном из-за различия удельных объемов метастабильных структур (аустенита, мартенсита, троостита), а также из-за различных меха­ нических свойств этих структур.

Большое значение для формирования поверхностных слоев деталей машин с оптимальными свойствами имеет микрогеометрия поверхности перед закалкой [41, 216]. Установлено, что износ образцов, у которых до закалки высота микронеровностей составляла ПО мкм,. был в семь раз больше, чем у образцов, имевших перед закал-

30

коп высоту мшфоиеровиостей 10 мкм. Аналогичные ре­ зультаты получены при исследовании стойкости шеек коленчатых валов двигателей, колец подшипников каче­ ния и т. д. Это объясняется тем, что шлифование зака­ ленной стали с грубой микрогеометрией приводит к зна­ чительной структурной неоднородности поверхностного слоя. Из-за нагрева и неравномерного распределения давления круга на выступах и впадинах очень часто происходит вторичная закалка на выступах и отпуск во впадинах.

Даже минимальные режимы резания при шлифовании обычными абразивными кругами деталей после их за­ калки приводят к прижогам, вызывающим образование неоднородной структуры, напряженного состояния и кон­ центрации напряжений. Износостойкость деталей с прижогами ниже в 1,5 и более раз износостойкости деталей, обработанных без прижогов [160].

Наличие структурных концентраторов напряжений вызывает снижение предела усталости и долговечности деталей машин при повторно-переменных нагрузках. Специальными опытами [214] выявлено резкое снижениепредела усталости металла при наличии ожогов отпуска.

Так, шлифованные образцы показали при испытании предел усталости 45 кге/мм2, а образцы с ожогами отпу­ ска — 33 кге/мм2, т. е. предел усталости снизился на

3 3 %.

Знак и величина остаточных напряжений также ока­ зывают большое влияние на эксплуатационные свойства деталей, особенно на усталостную прочность. Остаточ­ ные сжимающие напряжения резко повышают усталост­ ную прочность деталей, поэтому способы и режимы обра­ ботки, обеспечивающие наведение остаточных напряже­ ний сжатия, широко применяются на практике. Известна отрицательная роль растягивающих остаточных напря­ жений в усталостных процессах. Так, например, предел усталости полированных образцов из стали без покрытий был равен 31,5 кге/мм2; у покрытых образцов, с растяги­ вающими остаточными напряжениями предел усталости снизился до 20,3 кге/мм2, т. е. на 35%.

Трение и износ деталей зависят от качества поверх­ ности. Большую роль при трении и износе играют высота и форма микроперовпостей поверхности и направление штрихов обработки.

31

В начальный период работы трущихся деталей (в пе­ риод приработки) их контакт происходит по вершинам неровностей, поэтому там возникают большие давления, которые деформируют неровности.

При взаимном перемещении поверхностей происходят срез, отламывание и пластический сдвиг вершин неров­ ностей," приводящие к интенсивному начальному износу трущихся деталей и увеличению зазоров трущейся пары.

В период приработ­ ки происходит измене­ ние размеров и фопмы неровностей, а также направление обрабо­ точных рисок. При этом высота неровностей уменьшается или уве­ личивается до некото-

Рис. 6. Зависимость величи­ ны износа от высоты неров­ ностей поверхности

Кг

рого «оптимального» (предельного) значения, различного для разных условий трения. Если оптимальную для дан­ ных условий трения высоту неровностей удается создать в процессе механической обработки, то при износе она не изменяется, а время приработки и износ оказываются наименьшими.

По данным П. Е. Дьяченко [49], на рис. 6 приведены графики, показывающие, что при оптимальной высоте неровностей (точки Оі и 0 2) начальный износ металла является наименьшим. В более тяжелых условиях рабо­ ты кривая износа смещается вправо и вверх, а точки оптимальной шероховатости — вправо, в сторону увели­ чения высоты неровностей.

Увеличение высоты неровностей по сравнению с опти­ мальным значением повышает износ за счет возрастания механического зацепления, скалывания и среза неровно­ стей поверхности. Уменьшение высоты микронеровностей по сравнению с оптимальной приводит к резкому возра­ станию износа в связи с возникновением молекулярного

32

сцепления и заедания плотно соприкасающихся гладких поверхностей.

При уменьшении высоты неровностей и увеличении опорной поверхности до некоторых оптимальных значе­ ний их изменение прекращается и износ переходит в стадию нормального эксплуатационного износа (см. рис. 50).

Значение шероховатости и волнистости поверхности для износа не ограничивается влиянием высоты неров­ ностей и размеров фактической поверхности контакта, по связано также с шагом и формой неровностей. Тонкие и многочисленные неровности обеспечивают большую из­ носоустойчивость, чем крупные неровности большого шага. В работе [49J указано па то, что через 160 000 двойных ходов износ поверхности с неровностями малого шага (44 гребешка на 1 см) составил 40 мкм, в то время как износ поверхности с неровностями большого шага (4 гребешка на 1 см) достиг 60 мкм.

Влияние направления обработочных рисок на износо­ стойкость различно в неодинаковых условиях трения и при разных размерах неровностей. При жидкостном тре­ нии и низкой шероховатости направление рисок не играет особой роли, однако при увеличении шероховато­ сти выгодным в смысле износостойкости оказывается параллельное направление рисок и скорости движения.

При граничном .трении поверхностей с низкой шеро­ ховатостью и с параллельным направлением рисок обра­ ботки и скорости движения возникает схватывание и из­ нос оказывается большим, чем при перпендикулярном направлении. Для более грубых поверхностей, когда схватывание не происходит, параллельное направление рисок дает меньший износ.

На рис. 7 приводятся кривые износа образцов из ста­ ли Ст. 3 при различных сочетаниях направлений штрихов на поверхности образца после строгания по 5-му классу

давление равнялось 1,42 кгс/см2.

Точность сопряжения в значительной мере зависит от шероховатости соприкасающихся поверхностей. При ма­ лых размерах деталей и при шероховатости поверхностей в пределах 6—8-го классов чистоты двойная высота не­ ровностей 2Rz соизмерима с величиной поля допуска на

изготовление детали. Иногда это может привести к на­ рушению точности соединения из-за износа в период приработки, соизмеримого с величиной допуска на изго­ товление деталей.

Рекомендуется [117] устанавливать необходимую вы­ соту шероховатости в зависимости от точности проекти­ руемого сопряжения по формулам:

при диаметре сопряжения менее 18 мм, где Rz— высота неровностей, мкм; б — поле допуска, мкм.

Прочность прессовых соединений непосредст­ венно связана с шерохо­ ватостью сопряженных поверхностей. С увеличе­ нием высоты неровностей сопряженных поверхно­ стей прочность прессовых соединений снижается. Так, прочность прессово­ го соединения ступицы ва­

рисок на поверхности образцов из стали Ст. 3 после строгания на износ

36,5 мкм оказалась на 40% ниже прочности такого же соединения с высотой неровностей 18 мкм, хотя натяг во втором случае был на 15% меньше [117].

Шероховатость поверхности оказывает влияние на прочность изделий при ударной нагрузке. С изменением шероховатости с 1 до 11-го класса ударная вязкость об­

34

ленной степени первоначального наклепа. Если при предварительной. обработке трущейся поверхности сте­ пень пластической деформации поверхностного слоя пре­ восходит критическое для данного металла значение, то в металле начинается процесс его разрыхления, сопро­ вождающийся продолжающимся процессом упрочнения. При дальнейшем увеличении нагружения металла переупрочненные и охрупченные зоны металла отслаиваются, начинается шелушение и ускоренный износ металла, что

Рис. 11. Зависимость износа стали У7 от степени предва­ рительного наклепа при то­ чении

вызывает резкое падение износостойкости, усталостной прочности и некоторые другие эксплуатационные свой­ ства. Поэтому упрочнение металла поверхностного слоя в процессе механической обработки деталей должно производиться при строго регламентированной величине достигаемого наклепа. Это положение хорошо иллюстри­ руется рис. 11, из которого видно, что действительно су­ ществует определенная степень наклепа, соответствую­ щая минимальному износу.

Механическая обработка, вызывающая наклеп по­ верхностного слоя и изменение шероховатости поверхно­ сти, приводит к значительному изменению коррозионной стойкости металла. По данным работы [63], коэффи­ циент самодиффузии никеля жаропрочной стали после электрополирования, когда наклепанный слой полностью устранен, при 700 °С составляет ІО-14 см2/сек, а после шлифования—130- ІО-14 см2/сек. Скорость коррозии стали в слабом растворе серной кислоты после обработки рез­ цом в 12,5 раза меньше, чем после полировки.

Наклеп и остаточные напряжения могут стать одной из причин коррозионного растрескивания стали при ее длительном статическом нагружении в коррозионных средах.

37

Наклеп поверхностного слоя 'значительно снижает магнитные свойства магнитомягких материалов типа пермаллой, альфенол и др. Поэтому при их механиче­ ской обработке наклеп недопустим.

При высоких температурах (выше 700—800 °С) на­ клеп поверхностного слоя во многих случаях оказывает­ ся вредным, снижающим эксплуатационные качества деталей машин. В работе [63] показано, как изменяет­ ся микротвердость металла поверхностного слоя детали

из жаропрочного сплава после его эксплуатации при высоких рабочих тем­ пературах. Поверхност­ ный слой, имевший после механической обработки твердость порядка 470— 490 кгс/мм2, в результате

Рис. 12. Влияние глубины на­ клепа при различных методах обработки жаропрочного спла­ ва на число циклов до его раз­ рушения при высоких темпера­

турах

эксплуатации не только полностью разупрочнился, но даже приобрел пониженную твердость порядка 360— 380 кгс/мм2 на всей глубине наклепанной зоны. Это объ­ ясняется понижением плотности наклепанного металла, что облегчает процесс выгорания легирующих элементов жаропрочных сплавов, которое приводит к снижению прочности сплавов.

С увеличением степени и глубины наклепа жаропроч­ ных сплавов их усталостная прочность при работе в среде с высокой температурой значительно снижается (рис. 12). При глубине наклепа 190 мкм, возникающего при черновом точении, число циклов до разрушения сплава при температуре 700°С оказывается более чем в два раза ниже, чем после электрополирования, не вы­ зывающего наклепа. При чистовом точении наклеп по-

38