книги из ГПНТБ / Елизаветин М.А. Повышение надежности машин. Технологические основы повышения надежности машин

поверхностного слоя, связанная с вытягиванием верхних волокон и развитием в них остаточных напряжений сжатия, ориентиро­ ванных в направлении резания; локализованный нагрев тонких поверхностных слоев с возникновением в них остаточных напря­ жений растяжения; фазовые превращения различных слоев ме­ талла, приводящие к образованию в них различных структур, обладающих различной плотностью и создающих в этих услови­ ях остаточные напряжения различного знака и величины. Эпюра распределения остаточных напряжений по глубине поверхност-

ного слоя имеет сложный характер, особенно у металлов. Изме­

структуры материала деталей, режимов резания, геометрии ре­ жущего инструмента на разной глубине поверхностного слоя возникают различные фазовые превращения и изменение физико­ механических свойств поверхностного слоя, что приводит к воз­ никновению в поверхностном слое значительных по величине остаточных напряжений различного знака. На величину и рас­ пределение остаточных напряжений наибольшее влияние ока­ зывают скорость резания, подача и величина переднего угла режущего инструмента. При увеличении подачи возрастает тол­ щина снимаемого слоя, увеличивается степень пластической деформации поверхностного слоя, возрастают силы трения и ко­ личество тепла, выделяющегося в зоне резания, а следовательно, растут величина и глубина распространения остаточных напря­ жений.

Наиболее существенно на величину и знак остаточных напря­ жений влияет передний угол резца. При точении образца из ста­ ли 45 со скоростью 150 м/мин переход от положительных к от­

рицательным передним углам и увеличение отрицательных пе­ редних углов резца приводит к снижению величины остаточных напряжений растяжения. При точении образца из стали 45 со скоростью 750 м/мин при переходе к передним углам у = —30° и у = —50° в поверхностном слое возникают остаточные напря­ жения сжатия, что объясняется интенсивным нагреванием по­ верхностного слоя и его закалкой. При точении образца из леги­ рованной, легко закаливающейся стали 18Х2Н4ВА даже при скорости резания 150 м/мин отрицательные углы у — —30° спо­ собствуют возникновению остаточных напряжений сжатия, а при скорости резания 750 м/мин при всех значениях отрицательных передних углов в поверхностном слое возникают сжимающие остаточные напряжения, и только при больших положительных передних углах — растягивающие. Изменение переднего угла влияет также на глубину залегания остаточных напряжений.

Увеличение радиуса закругления режущей кромки резца, а также затупление резца, влекущее за собой появление на зад­ ней поверхности площадки износа, увеличение трения в зоне резания и нагрев поверхностного слоя усиливают тепловые на­ пряжения растяжения и ослабляют напряжения сжатия. При точении образцов из высоколегированных сталей, хорошо вос­ принимающих закалку, затупление резца и появление площадки износа могут вызвать закалку тонкого поверхностного слоя и возникновение в нем остаточных напряжений сжатия. Ниже при­ ведены данные о глубине наклепа при обработке среднеуглеро­ дистых сталей различными способами.

Установлено, что при шлифовании в поверхностном слое так­ же возникают высокие остаточные напряжения, а величина и знак их изменяются в зависимости от режимов шлифования. При шлифовании высокоуглеродистой стали в случае обычных условий шлифования возникают остаточные напряжения растя­ жений, а при скоростном шлифовании — напряжения растяже­ ния или сжатия. Знак остаточных напряжений в основном зави­

сит от степени влияния теплового фактора. На изменение теп­ лового режима в зоне резания существенное влияние оказывают качество абразивного инструмента, а также изменение условий охлаждения. Под действием охлаждающей жидкости внешний тонкий слой металла претерпевает вторичную закалку, что при­ водит к возникновению остаточных напряжений сжатия в тонком поверхностном слое.

Изменение величины остаточных напряжений в зависимости от глубины шлифования отожженной или закаленной углеродис­ той стали подчиняется общей закономерности, установленной для различных углеродистых сталей: с увеличением глубины шлифования до 0,025—0,03 мм остаточные напряжения растут, а при дальнейшем росте глубины шлифования снижаются.

Увеличение скорости продольной подачи вызывает при обыч­ ном шлифовании рост растягивающих напряжений, а при ско­ ростном шлифовании при высокой скорости вращения изделия увеличение скорости продольной подачи ведет к уменьшению растягивающих и к увеличению сжимающих напряжений.

При исследовании методом электронной дифракции на спе­ циальной установке поверхностного слоя после шлифования, притирки и сверхдоводки обнаружено, что в каждом из них имеется три зоны. Первая зона характеризует пленку адсорбиро­ ванных газов из атмосферы. Такая пленка прочно удерживается на металле даже при очистке и обезжиривании. Толщина этого

о

слоя 2—3 А. Вторая зона имеет неодинаковое строение при раз­ личных видах обработки. В шлифованных деталях этот слой со-

о

ставляет толщину от 2 до 30 А и состоит из частиц окислов, нит­ ридов и обезуглероженных действием высоких температур час­ тиц металла, относительно слабо соединенных между собой. При

о

полировании этот слой толщиной около 30 А состоит из частиц абразивов, окислов, пыли и пр. Сверхдоводка уменьшает вели-

о

чину второй зоны до 10—15 А. Эта зона также состоит из окис­ лов и пыли, но без частиц абразивов. Третья зона при всех видах обработки состоит из деформированных зерен металла. Величи-

о

на этого слоя при шлифовании около 50 000 А, или 5 мкм, при

о

притирке и сверхдоводке — 15 000 А, или 1,5 мкм.

Особым видом шлифования является хонингование. Хонин­ гование обеспечивает получение деталей с чистотой поверхности 8—12-го классов по ГОСТу 2789—59 и применяется для обработ­ ки как наружных, так и внутренних поверхностей. Шерохова­ тость поверхности после хонингования зависит от зернистости абразивных брусков. Припуск под хонингование в основном за­ висит от характера операции, предшествующей хонингованию, диаметра отверстия, материала детали и др. Если хонингованию предшествует растачивание отверстия, следует оставлять при­

пуск 0,05—0,08 мм; при предварительном развертывании 0,02— 0,04 мм и при предварительном шлифовании 0,01 мм. Для повы­ шения эффективности процесса операция хонингования выпол­ няется в два перехода: предварительная — более грубым абразивом и окончательная — более мелким абразивом. Точность отверстия после хонингования 0,005—0,02 мм, а овальность и конусность могут быть доведены до 0,005 мм.

Сравнительно с внутренним шлифованием хонингование дает более чистую поверхность с меньшей шероховатостью при боль­ шей производительности, позволяет обрабатывать отверстия от 5 до 1500 мм, создает меньшую глубину деформированного слоя.

к уменьшению деформации поверхностного слоя, но и к пониже­ нию его температуры. Температура обрабатываемой поверхности при шлифовании достигает 320—430° С, а при хонинговании 40— 150° С. К недостаткам процесса хонингования относится главным образом получение поверхности недостаточно износостойкой и обработанные отверстия часто получаются с раструбами или бочкообразные.

В качестве доводочной операции для получения высокого класса чистоты цилиндрических, фасонных и плоских поверхнос­ тей широко используется притирка. Притирка обеспечивает из­ готовление деталей с точностью до 1 мкм. При работе мягкими притирами в качестве абразивных материалов употребляют наждак, корунд, карборунд, карбид бора зернистостью 100—200. Для смазки применяют керосин, бензин, машинное масло. При работе твердыми притирами (закаленная сталь, хромированная сталь и особые сорта стекла) в качестве абразива применяют крокус, венскую известь, окись хрома. Сталь и чугун притирают керосином, машинным маслом, газолином, легкие сплавы — деревянным маслом. Притирка представляет собой не только механический процесс резания, но и химический процесс. В ре­ зультате введения в притирочные пасты химически активных веществ (олеиновой кислоты, стеариновой кислоты и др.) на при­ тираемой поверхности образуется пленка окислов металла, менее прочная, чем основной металл. Эта пленка легко удаляет­ ся абразивом с меньшей твердостью, чем основной металл. Про­ цесс притирки производится как вручную, так и на специальных станках.

Обрабатываемые притиркой поверхности должны быть хоро­ шо подготовлены, преимущественно шлифованием. Припуск для притирки составляет 0,005—0,017 мм. Глубина деформированного слоя в процессе притирки получается незначительная, так как процесс протекает при давлении 2—4 кгс/см2. Процесс притирки широко применяется для притирки зубьев шестерен, различного контрольно-измерительного инструмента и, особенно, деталей точных приборов.

Кроме притирки в качестве доводочного процесса очень часто используется особый вид тонкого шлифования — сверхдоводка. При сверхдоводке используют абразивные бруски зернистостью 320—600. Сравнение сверхдоводки с другими видами обработки приведено в табл. 26. Значения средних высот гребешков на по­ верхностях деталей при различной предварительной обработке даны в табл. 27.

Т а б л и ц а 26

Сравнение сверхдоводки с другими видами обработки

Продолжение табл. 26

Процесс сверхдоводки характеризуется небольшими давле­ ниями абразива, малыми скоростями и глубиной резания, быст­ рыми колебательными движениями (с амплитудой 3—6 мм) брус­ ков по обрабатываемой поверхности. В качестве смазывающей жидкости часто применяют керосин с индустриальным или тур­ бинным маслом в отношении 10: 1. Основное значение сверхдо­ водки заключается в получении требуемой шероховатости по­ верхности. Припуск на обработку сверхдоводкой составляет не более 5 мкм. Процесс сверхдоводки нашел широкое применение во всех отраслях машиностроения.

Другим процессом чистовой обработки, предназначенным для получения высокого класса чистоты почти без изменения разме­ ров детали, является процесс механического полирования. Поли­ рование представляет собой комплекс физико-химических про­ цессов. Механический процесс удаления неровностей с поверхно­ сти металла осуществляется путем перемещения мельчайших выступов (гребешков) от предшествующей обработки в углуб­ ленные места. Этому способствует тепло, которое возникает при взаимодействии быстровращающегося (окружная скорость 20— 45 м/с) полировального круга с полируемым изделием и вслед­ ствие применения соответствующих паст.

Химический процесс происходит в результате воздействия по­ лирующих паст, окружающей среды и ряда других факторов, под влиянием которых ускоряется растворение окислов на поверх­ ности металлов и удаление металла. Вследствие взаимо­ действия трущихся поверхностей металла и быстровращающего­ ся круга происходит электризация, ускоряющая процесс поли­ рования.

Инструментом при полировании являются всевозможные мягкие (текстиль, войлок и т. и.) круги, которые во время про­ цесса смазываются специальными пастами. Очень часто в про­ изводстве полированием называют процесс обработки деталей тонким абразивом, нанесенным на полотно. Этот процесс по принципу действия отличается от полирования пастами, но поз­ воляет получить низкую шероховатость поверхности и блестящий вид поверхности, что дает основание отождествлять эти два вида обработки. Полирование как окончательная чистовая обработка применяется во всех тех случаях, что и сверхдоводка, а также для подготовки поверхностей деталей машин к гальванопокры­ тиям и после гальванопокрытий.

Несмотря на незначительную величину припуска под полиро­ вание, процесс полирования обычно протекает с местным повы­ шением температуры поверхностного слоя и размягчением его. Глубина такого дефектного слоя может быть в пределах 0,006— 0,009 мм. Наличие этого слоя в деталях, работающих на износ, резко понижает служебные свойства деталей машин и приборов, а при изготовлении изделий высокой точности даже в процессе приработки нарушается точность работы машин и приборов.

При шлифовании, доводке абразивными брусками, притирке

иполировании трудно получить поверхности без прижогов, по­ ниженной твердости тонкого поверхностного слоя, микротрещин

идругих дефектов. Поэтому в последние годы получают приме­ нение новые процессы обработки металлов, а также видоизменен­ ные действующие процессы, такие как гидрополирование, элек­ трополирование, химическое полирование, ультразвуковые, электроэрозионные, резание металлов с предварительным подо­ гревом, обработка термической плазмой, электронным лучом и

ной детали; 4 — продукты реакции (анодная пленка); 5 — электролит

лазером и др. Кроме того, для повышения качества поверхности и возможности обработки твердых и вязких материалов суще­ ствующие технологические процессы изменяются путем совмеще­ ния с другими процессами. Так, для повышения эффективности шлифования абразивному кругу сообщают осциллирующее дви­ жение. При снижении амплитуды и повышении частоты осциллирования совершается переход к ультразвуковой обработке. Начинает внедряться электролитическое шлифование, хонинго­ вание, зенкование и фрезерование. Внедрение перечисленных и других совмещенных методов обработки повышает производи­ тельность и качество поверхности.

На рис. 128 показано влияние ультразвуковых колебаний на шероховатость поверхности. Для достижения одной и той же шероховатости поверхности в случае наложения ультразвуковых колебаний время обработки сокращается на 30—35%.

При электролитическом шлифовании съем металла происхо­ дит в результате механического и частично вследствие электро­ литического процесса. При этом абразивный круг является като­

дом, а электрический ток проходит через электролит (рис. 129). На съем металла существенное влияние оказывает плотность электрического тока, поэтому при электролитическом шлифова­ нии применяют круги на металлической связке, а абразивные зерна должны обеспечить зазор между обрабатываемой поверх­ ностью и шлифовальным кругом. Производительность такого процесса очень высока. На шлифовальном станке с мощностью главного привода 7,5 кВт и подводом электрического тока 3000 А производительность при обработке твердого сплава со­ ставляет 1000 мм2/мин.

Влияние способов формообразования деталей на их эксплуатационные свойства

Существенное влияние на эксплуатационные свойства дета­ лей машин оказывают методы чистовой и отделочной обработ­ ки. В процессе чистовой обработки при любых способах формо­ образования рабочих поверхностей имеет место механическое удаление металла с обрабатываемой поверхности заготовки с од­ новременными физико-механическими и химическими процесса­ ми. В настоящее время используются следующие основные ме­ тоды чистовой и отделочной обработки: чистовое точение и рас­ тачивание, фрезерование и сверление, развертывание, протяги­ вание, шлифование, хонингование, механическое полирование, притирка, сверхдоводка, анодно-механическая доводка, ультра­ звуковая обработка, светолучевая обработка, гидрополирование (обработка жидкой абразивной струей).

Каждый из указанных методов обработки обеспечивает опре­ деленные экономическую точность и качество поверхности.

В соответствии с технологическими особенностями методы обработки со снятием стружки можно разбить на три группы: 1) методы, при которых взаимное расположение элементарных поверхностей определяется предшествующей обработкой и в про­ цессе обработки размеры почти не меняются (притирка, меха­ ническое полирование, гидрополирование и др.), а изменяется только качество поверхности; 2) методы, применяемые для по­ вышения не только качества поверхности, но одновременно и точности (свободное развертывание, протягивание, хонингова­ ние, химическая обработка, ультразвуковая обработка и др.), и методы, которые позволяют улучшить качество поверхности, точ­ ность размеров и точность взаимного расположения элементар­ ных поверхностей (точение, строгание, фрезерование, шлифова­ ние и др.).

Для некоторых методов второй группы, таких как разверты­ вание и т. д., характерным является самонаправление инстру­ мента, причем базой служат обрабатываемая поверхность и на­

правляющие ленточки зубьев разверток, бруски при хонингова­ нии и пр.

В табл. 28 приведены данные о технологических и эксплуата­ ционных возможностях некоторых способов обработки. В зави­ симости от выбранного процесса чистовой и отделочной обра­ ботки получается поверхность с различными служебными свой­ ствами. Одна из задач технологии машиностроения заключается в изыскании технологических процессов, которые обеспечивают изготовление деталей машин с наилучшими эксплуатационными свойствами. В соответствии с техническими условиями на изго­ товление машин и уровнем техники производства каждая от­ расль машиностроения в специальных руководящих материалах уточняет области применения различных технологических про­ цессов для достижения определенной шероховатости поверхно­ сти по ГОСТу 2789—59.

Влияние способов формообразования на износостойкость де­ талей. Длительность периода приработки детали зависит от пер­ воначальной шероховатости поверхности, материала, давлений и других факторов. Однако это не означает, что при наименьшей шероховатости поверхности потребуется меньший период для приработки. В некоторых случаях при низкой шероховатости поверхности, так же как и при высокой, износ даже увеличивает­ ся. Для увеличения срока службы деталей машин следует со­ кратить до возможно меньших пределов износ в период прира­ ботки, максимально увеличить период установившегося износа и предупредить наступление усиленного износа и разрушение рабочей поверхности [42, 77, 98].

В ряде случаев более шероховатая поверхность лучше удер­ живает смазку и уменьшает износ. Некоторые исследователи придерживаются мнения, что наиболее гладкая поверхность по­ сле механической обработки является лучшей в отношении со­ кращения периода приработки и повышения качества поверхно­ сти после приработки. Анализ проведенных исследований пока­ зывает, что отсутствие стабильности шероховатости поверхности для одних и тех же деталей соединения позволяет понимать оп­ тимальную шероховатость поверхности как определенную об­ ласть шероховатостей, при которой детали машин получают наименьший износ при заданных условиях работы. На износо­ стойкость оказывают влияние не только величина неровностей, но и их направление, способы формирования поверхностных слоев и их физико-механические свойства. Наиболее износостой­ кой является поверхность с одинаковой микрогеометрией во всех направлениях. Такая поверхность в виде мелконаколотой сетки получается, например, после гидрополирования.

Учитывая влияние многих факторов на износостойкость де­ талей и на сокращение производственных затрат, рекомендуется придавать деталям при изготовлении несколько большую шеро­ ховатость и твердость поверхности по сравнению с оптимальны-