книги из ГПНТБ / Елизаветин М.А. Повышение надежности машин. Технологические основы повышения надежности машин
.pdfделий, при котором применение порошков целесообразно, со ставляет 5—10 тыс. шт. в год.
Путем спекания порошков можно получать детали с доволь но сложной формой только при соблюдении следующих условий: отношение высоты изделий к поперечным размерам не должно быть очень большим (желательно меньше 2,5) ; деталь не долж на иметь глубоких узких впадин; должны отсутствовать отвер стия и впадины, перпендикулярные к направлению прессова ния; необходимо наличие плавных переходов от одного сечения к другому; должны быть довольно большие радиусы закругления, толщина стенок желательна не меньше 1,2—1,8 мм.
Детали из порошков могут иметь преимущества по сравнению с деталями, полученными литьем под давлением и по выплавляе мым моделям; в первом случае при массовом производстве не больших изделий, во втором случае — когда требуются изделия со специальными свойствами. Литье имеет большие преимущест ва перед прессованием и спеканием порошков для деталей сложной формы. Мелкие детали из прессованных порошков час то бывают не дороже деталей, получаемых другими способами, если принять во внимание низкий расход материала (по весу) и высокую производительность оборудования для изготовления таких деталей.
Область применения кокильных отливок обычно определяет ся качеством отливок (механические свойства, шероховатость поверхности и т. п.), затратами на изготовление и условиями производства.
Охлаждение отливок в металлических формах происходит значительно быстрее, чем в песчаных. В результате этого струк тура кокильных отливок более плотная и мелкозернистая, а их прочность выше, чем у отливок того же химического состава, полученных в песчаных формах.
Зависимость предела прочности при растяжении и предела текучести алюминиевого сплава от способа заливки (в песчаную или в металлическую форму) и от температуры испытания пока зана на рис. 117.
Примерное сравнение относительной себестоимости одной от ливки из алюминиевого сплава, полученной в металлических и песчаных формах, в зависимости от количества производимых отливок приведено на рис. 118.
На рис. 119 дано сравнение отдельных слагаемых в общей себестоимости отливки С0 в %• Большие затраты на изготовле ние металлической формы делают этот способ нерентабельным для производства мелких отливок меньше 300—500 шт. и круп ных 30—50 шт. Для сложных отливок литье в металлические формы становится экономически оправданным только для се рийного производства порядка нескольких тысяч штук. При оп ределении себестоимости необходимо учитывать, что вследст вие меньших припусков вес кокильных отливок меньше, а их об
Так, например, процессы, вызывающие в поверхностном слое детали сжимающие напряжения, увеличивают ее предел вынос ливости.
При обработке отливок следует обратить внимание на сле дующие способы, дающие при соответствующих условиях повы шение надежности и наибольший технико-экономический эффект: дробеструйная обработка стальных деталей, работающих с пе ременными нагрузками; покрытие алюминием стальных и чу гунных отливок для повышения стойкости против окисления при высоких температурах; диффузионное хромирование стальных отливок с целью увеличения коррозионной стойкости; поверхно стная закалка (газовая или индукционная) стальных или чу гунных отливок, подвергающихся истиранию или ударам; пори стое хромирование рабочих поверхностей отливок из алюминие вых сплавов, подвергающихся износу; электролизное антикорро зионное оксидирование отливок из сплавов алюминия; металли зация распылением (цинком, алюминием, латунью, медью, сталью и т. д.), увеличивающая коррозионную стойкость и изно состойкость.
Влияние способов формообразования деталей на качество их рабочих поверхностей
При выборе способов обеспечения, заданных условиями экс плуатации, точности изготовления деталей и качества их рабочих поверхностей, следует иметь в виду, что качество обработанной поверхности и точность деталей машин в основном характери зуются: геометрическими параметрами (макрогеометрией, вол нистостью, шероховатостью, направлением штрихов обработки, точностью взаимного расположения элементарных поверхностей и др.) ; физико-механическими свойствами поверхностного слоя деталей (наклепом, остаточными напряжениями) и физико-хи мическими свойствами поверхностного слоя, которые определя ются взаимодействием ненасыщенных силовых полей поверхно стных атомов твердого тела с силовыми полями молекул внеш ней среды, находящихся в контакте с поверхностью твердого тела.
Эксплуатационные свойства деталей, обработанных резани ем и другими методами, зависят от взаимодействия обрабаты ваемого материала и режущего элемента инструмента, материа ла резца, физико-механических и физико-химических свойств обрабатываемых материалов, вибраций режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности [44, 93].
Формирование геометрических характеристик рабочих по верхностей деталей. Сечение обработанной поверхности перпен дикулярной плоскостью дает профиль микро- и макронеровно
стей в определенном направлении. Для каждого вида обработки микропрофиль имеет соответствующие высоту гребешков, глу бину впадин, углы (радиус закругления) вершин гребешков и впадин, а также расстояние между гребешками. В зависимости от способа обработки получается определенная направленность в распределении и форме выступов (точение, фрезерование, стро
гание, шлифование и др.) |
или однородная |
структура |
поверхно |
||||
сти по всем |
направлениям |
(электрополирование, |
гидрополиро |
||||
вание и др.). |
|
|
|
|
|
|
|
Влияние на эксплуатационные свойства технологических фак |
|||||||
торов формирования |
геометрических |
характеристик |
поверхно |
||||
сти и данных о характере распределения |
единичных неровнос |
||||||
тей еще недостаточно |
учитывается, |
что |
затрудняет |
решение |
|||
ряда задач, |
связанных с совершенствованием |
методов обра |
|||||
ботки поверхностей и повышением эксплуатационных свойств деталей.
ГОСТ 2789—59 предусматривает два параметра для оценки шероховатости поверхности: среднеарифметическое отклонение профиля Ra и высоту неровностей Rz, но он не регламентирует и не налагает каких-либо ограничений на форму неровностей, их шаг и регулярность микропрофиля. Такая оценка шерохова тости не полностью характеризует геометрические и эксплуата ционные свойства рабочих поверхностей деталей.
Одной из задач является определение опорной площади микронеровностей при различных методах формообразования поверхностей деталей. Решение этой задачи связано с контакт ной жесткостью соединений, их износостойкостью, теплопровод ностью, электропроводностью, точностью перемещения рабочих органов механизмов и др. При контактировании поверхностей вследствие шероховатости и волнистости необходимо различать три площади касания: номинальную, обусловленную геометри ческими размерами соприкасающихся тел; контурную, равную площади смятия упруго-деформированных волн, и фактическую, равную площади смятия микронеровностей.
Жесткость стыковых соединений существенно зависит от гео метрии контактирующих поверхностей и от их механических свойств.
По данным И. В. Крагельского, Н. Б. Демкина, Э. В. Рыжо ва [56, 90], при обычно применяемых нагрузках деформация вы ступов поверхности невелика, поэтому, когда рассматриваемая шероховатая поверхность контактирует с твердой гладкой по верхностью, можно пренебречь увеличением поперечного сече ния выступа и считать, что опорная кривая, построенная с уче том продольной и поперечной шероховатости, выражает зависи мость между площадью фактического контакта и сближением поверхностей (равным деформации наиболее высоких высту пов). В случае упругого контакта площадь сечения выступов при данном сближении приблизительно в 2 раза больше факти
неровностей, контурной площади и параметра Ь, характеризую щего опорную кривую. Фактическая площадь контакта убыва ет с увеличением твердости материала, модуля упругости, ко эффициента Пуассона, максимальной высоты неровностей и параметра, характеризующего упрочнение материала. Влияние отдельных факторов на величину сближения в основном анало гично влиянию их на площадь касания. Отличие состоит в том, что сближение увеличивается с возрастанием высоты неровно стей и убывает с увеличением параметра Ь.
Краткий анализ влияния технологических факторов на фор мирование геометрических свойств поверхности показывает, что для оценки этих свойств ГОСТ 2789.—59 не дает достаточно полных характеристик геометрических свойств поверхности.
Разделение геометрических свойств обработанных поверх ностей на макро- и микронеровности в ряде случаев весьма ус ловно, а оценка шероховатости по средней высоте неровностей не позволяет правильно оценить эксплуатационные свойства деталей машин. Одной из важнейших задач научных исследова ний в области разработки и совершенствования методов формо образования рабочих поверхностей деталей машин является соз
дание методов обработки, обеспечивающих |
высокую контакт |
ную жесткость соединений и других |
эксплуатационных |
свойств вследствие оптимальной геометрии |
поверхности и про |
филя отдельных неровностей. |
|
Сущность процесса формирования поверхности может быть раскрыта в результате всестороннего микроскопического и профилографического исследования в сочетании с методами изме рения шероховатости поверхности, микротвердости, остаточных напряжений и металлографического анализа. Ограничение ис следований измерения высоты неровностей, образующихся при различных условиях обработки, с построением соответствующих графиков и составлением эмпирических соотношений между размерами неровностей и отдельными технологическими факто рами дает частные зависимости только в пределах проведенных экспериментов. Такие исследования не определяют общих зако номерностей процесса формирования поверхности. В связи с этим совершенствование методов формообразования поверхно стных слоев и отработку оптимальных режимов изготовления деталей следует проводить с учетом эксплуатационных свойств поверхности.
Относительную т] площадь касания при упругом контакте шероховатой поверхности с твердой гладкой поверхностью на основании рассмотрения сферической модели поверхности мож но определить по формуле
2 ѵ ‘ 2 ѵ + 1
где ц — коэффициент Пуассона; г — радиус закругления вершин неровностей; <7к — контурное давление;
Е— модуль Юнга;
Кг— коэффициент, зависящий от ѵ.
Этот коэффициент определяется приближенным интегрирова нием:
2 |
3 |
4 |
5 |
0 , 8 |
0 , 6 8 |
0 , 6 2 |
0 , 5 8 |
Относительное сближение в этом случае будет
е = |
Г \ 2 Ѵ + 1 |
4 , 7 ( 1 + М-2) <7к 2v+ I |
|
ЬК2Е |
|
|
|
Изменяя методы обработки, геометрические характеристики поверхности и физико-механические свойства материала, можно получить оптимальные условия для конкретных условий эксплу атации.
Упругий контакт наблюдается при сжатии поверхностей не значительной шероховатости, повторном приложении нагрузки или при контактировании поверхностей из высокоэластичных материалов.
В случае пластического контакта относительная площадь касания определяется из выражения
Чсот у
где с — коэффициент, зависящий от формы неровностей; от — предел текучести наклепанного материала.
Ориентировочно считают, что сат= НВ. В этом случае т) =
=—— , а относительное сближение
НВ
в= р 5 _ Ѵ \
I ьнв J
Контакт можно считать близким к пластическому при кон тактировании малоупрочняющихся материалов или при контак тировании грубообработанных поверхностей для невысоких на грузок (когда упрочнением можно пренебречь).
При пластическом контакте с упрочнением для расчета фак тической площади касания можно использовать эмпирический закон Мейера с учетом закона подобия. Выражение для опре деления относительной площади касания в случае пластического контакта с упрочнением записывается в следующем виде:
CÖV |
|
|
V - к о |
Як |
V |
rb v |
V +CÛ |
|
Л = |
|
|
2Rz |
Н у К з |
|
где и — эмпирический коэффициент, характеризующий упрочне ние материала;
Ну — эмпирический коэффициент, характеризующий пласти ческую деформацию материала;
Кз — коэффициент, определяемый приближенным интегриро ванием.
В случае пластического контакта с упрочнением относитель
ное сближение определяется по формуле |
|
||
|
|
to |
1 |
g — f |
r \ v + ( 0 / Q K |
\ M + V |
|
V |
2R г ) |
\ ЪКзНу) |
|
Приведенные формулы относятся к случаю контакта шеро ховатой поверхности с гладкой. При контактировании двух ше роховатых поверхностей необходимо учитывать вероятность встречи отдельных неровностей, однако это не меняет приве денные выше зависимости, в этом случае формулы вместо коэф фициентов b и V должны содержать коэффициенты Ь' и ѵ', ха рактеризующие опорные кривые соответственно двух шерохова тых поверхностей. Эти коэффициенты рассчитываются по формулам
V = - b~ M R z l + |
и ѵ' = /С(ѵ, + ѵ2), |
Rl\Rl\ |
|
где индексы 1 и 2 соответствуют первой и второй поверхностям;
К — 0,8 -ь 0,9 — коэффициент, |
учитывающий |
возрастание |
пло |
щади пятен касания с увеличением нагрузки; |
|||
К\ — коэффициент, |
определяемый |
приближенным |
|
интегрированием. |
|
по |
|
Формирование физико-механических свойств рабочих |
|||
верхностей деталей. Поверхностные слои деталей в зависимости от метода обработки деталей по своим физико-механическим и физико-химическим свойствам резко отличаются от свойств ис
ходного материала. |
исследований в |
|
На основании обобщения результатов |
||
табл. 24 дана качественная характеристика |
влияния |
технологи |
ческих факторов обработки резанием на основные |
показатели |
|
качества поверхности и эксплуатационные свойства деталей. |
||
Обработка заготовок резанием сопровождается |
развитием |
|
значительных сил и деформацией металла с выделением в зоне резания большого количества тепла. Под действием нормаль ных и касательных напряжений изменяется расстояние между атомами в пределах упругости металла, а после превышения определенного значения касательных напряжений происходит сдвиг одной части кристалла по отношению к другой. При сохра нении целостности кристалла наблюдается остаточная пластиче ская деформация, не исчезающая после снятия внешней нагруз-
