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

ми. В этом случае незначительное удлинение периода прира­ ботки и возрастание начального износа по сравнению с опти­ мальной шероховатостью должно компенсироваться увеличени­ ем периода установившегося износа и сокращением производ­ ственных затрат.

На износостойкость оказывает влияние не только шерохова­ тость поверхности, полученная при окончательной обработке, но и характер предварительной обработки, определяющей физиче­ ское состояние поверхностного слоя. С увеличением шерохова­ тости поверхности при предварительной обработке (например, до закалки) и одинаковой шероховатости поверхности после ■окончательной обработки износостойкость будет снижаться. Для повышения износостойкости и других эксплуатационных свойств окончательная обработка должна по возможности уменьшать структурную неоднородность поверхностного слоя и создавать равномерные напряжения по всей поверхности. В качестве при­ мера такой обработки рассмотрим влияние на эксплуатацион­ ные свойства чистовой обработки деталей способом гидрополи­ рования.

Сущность гидрополирования заключается в том, что струя рабочей жидкости с находящимися в ней абразивами определен­ ной зернистости с большой скоростью направляется на обраба­ тываемую поверхность. Качество поверхности, обрабатываемой гидрополированием, зависит от скорости и величины абразив­ ных частиц, угла встречи их с обрабатываемой поверхностью и расстояния форсунки от нее. Ударное действие абразивных ча­ стиц вызывает разрушение обрабатываемой поверхности, изме­ няет ее микрогеометрию и создает равномерный наклеп поверх­ ностного слоя металла. Съем тонких поверхностных слоев ме­ талла в процессе гидрополирования облегчается действием хи­ мически активных веществ, находящихся в рабочей жидкости. ІИеханическое разрушение поверхности происходит в результате действия нормальных сил, возникающих в процессе удара абра­ зивных зерен об обрабатываемую поверхность, и тангенциаль­ ных, возникающих в процессе качения абразивных частиц по поверхности. Микрогеометрия поверхности, обработанной гид­ рополированием, представляет собой поверхность без направ­ ленных следов обработки, с мелкими равномерно распределен­ ными по поверхности углублениями, без микротрещин (рис. 130).

Матовый вид поверхности, обработанной гидрополированием, объясняется отсутствием растянутости поверхностных слоев ме­ талла в одном направлении, что является результатом сосредо­ точенного (нормального) действия абразивных частиц. Следова­ тельно, качество получаемых тонких поверхностных слоев долж­ но быть более высоким по сравнению с поверхностью, обрабо­ танной механическим полированием, притиркой и доводкой брусками. Износостойкость стали ОХНЗМ и стали 45 после об­ работки поверхности трения методом гидрополирования по­

вышается на 25—30% по сравнению с механическим поли­ рованием.

На поверхности, обработанной гидрополированием, продук­ ты коррозии распределяются более равномерно, чем на поверх­ ности, механически полированной. Такое распределение продук­ тов коррозии оказывает благоприятное влияние на прочность деталей, работающих при вибрациях, так как в этом случае уменьшается возможность разрушения деталей от «коррозион­ ных трещин», являющихся концентраторами напряжений.

Рис. 130. Внешний вид поверхности 10-го класса чистоты, полученной различными мето­ дами обработки (Х90):

а — полирование; б — шлифование; в — гидрополирование; г — притирочное шлифо­ вание

Учитывая влияние процесса гидрополирования на эксплуата­ ционные свойства стали и технологические особенности его, ре­ комендуется обработку гидрополированием применять после шлифования, чтобы удалить дефектный слой и получить высо­

кое качество поверхности деталей. При этом следует иметь в ви­

деталей от нагара, окалины и др., а также для удаления мелких заусенцев. Подготовку поверхности под гальванопокрытие и лакокрасочные покрытия желательно осуществлять гидрополи­ рованием. При этом увеличивается механическая прочность сцепления покрытия с основным металлом.

Рис. 131. Внешний вид поверхности (Х90):

а — перед гидрополированием; 6 — после гидрополирования; в — неметаллическиевключения; г — карбидные включения, выявленные на гидрополированной поверхности

Поверхность после механического полирования и поверхность, после гидрополирования показана на рис. 131. После гидропо­ лирования удалось выявить дефекты, которые после механиче­ ского полирования обнаружить не удавалось. Поэтому рекомен­ дуется применять гидрополирование для изготовления шлифов при макро- и микроанализе металла. В этом случае можно об­

наружить неметаллические и карбидные включения в металле (рис. 131, в, г) и пороки термической обработки металла, на­ пример, карбидную полосчатость (рис. 132).

Остаточные напряжения могут возникать на изнашиваемой поверхности в процессе эксплуатации или могут быть получены при изготовлении деталей и сохраняться во время эксплуатации. В результате действия внешней нагрузки в процессе износа ме­ няются характер остаточных напряжений и величины наклепа в поверхностном слое. Как показывают опыты, в процессе изно-

ЗРис. 132. Карбидная полосчатость, выявленная на гидрополированной поверхности (Х90)

са происходит суммирование остаточных напряжений, возникающих в процессе деформации поверхностного слоя при износе, и напряжений, возникающих в процессе изготовления. Поэтому при больших эксплуатационных нагрузках износостойкость дета­ лей, имеющих в поверхностном слое остаточные напряжения растяжения, будет выше. С увеличением абсолютной величины и глубины залегания растягивающих напряжений износ умень­ шается.

Наклеп поверхности повышает износостойкость при условии, если величина и степень наклепа подобраны с учетом внешних и внутренних условий изнашивания. Так, например, повышение механических свойств слоя путем наклепа может привести к уве­ личению износостойкости (увеличится сопротивление скалыва­ нию) деталей машин. В случае же абразивного износа, без боль­

иметь в виду, что в условиях нормальной работы трущейся пары должно соблюдаться равенство внешней нагрузки Р и произве­ дения предела текучести сгт трущегося металла на величину фактической опорной поверхности Р = oTF$.

В связи с этим для конкретных условий эксплуатации при изменении шероховатости поверхности или предела текучести путем изменения режимов обработки будет существовать опти­ мальная величина шероховатости поверхности и наклепа. Таким образом, нельзя судить об износостойкости по данным какихлибо частных характеристик качества поверхности. При оценке качества поверхности деталей машин необходимо учитывать комплекс свойств, обеспечивающих их износостойкость при опре­ деленных условиях эксплуатации.

Качество поверхности влияет на коррозионную стойкость, когда изнашивание происходит без контактирования рабочих поверхностей. Различают два основных вида коррозии — хими­ ческую и электрохимическую. Химическая коррозия возникает при действии на металл сухих газов или неэлектролитов (бензи­ на, смолы и др.). При химической коррозии детали машин по­ крываются слоем окислов — окалиной. Электрохимическая кор­ розия происходит при действии на металл растворов электроли­ тов (солей, кислот, щелочей и т. д.). К этому виду коррозии следует отнести коррозию в атмосферной среде (атмосферную коррозию).

Многочисленные лабораторные исследования, а также на­ блюдения за эксплуатацией деталей машин показывают, что с уменьшением шероховатости поверхности коррозионная стой­ кость повышается. Это объясняется тем, что при химической коррозии вещества, вызывающие коррозию, собираются на дне впадин и образуют очаги коррозии. Чем меньше глубина впадин, тем меньше условий для образования очагов коррозии и разру­ шения поверхности металла. При электромеханической корро­ зии в первую очередь разрушаются гребешки. Поэтому с умень­ шением шероховатости поверхности разрушение поверхности также уменьшается. Кроме того, пассивирующие пленки, более устойчивые на гладкой поверхности, также защищают металл от коррозии.

С увеличением наклепа и остаточных напряжений в поверх­ ностном слое уменьшается коррозионная стойкость деталей ма­ шин. Это объясняется тем, что первичная защитная пленка на деформированном металле менее прочна и легче разрушается под влиянием внутренних напряжений в металле. Следователь­ но, для повышения коррозионной стойкости деталей машин не­ обходимо уменьшать шероховатость поверхности деталей ма­ шин, наклеп и остаточные напряжения в поверхностном слое. При этом следует иметь в виду, что наиболее коррозионностой­ кими будут (при прочих равных условиях) детали машин с бо­ лее равномерной шероховатостью поверхности и более равно­ мерным распределением остаточных напряжений и наклепа по поверхности.

Износ деталей машин происходит вследствие механического зацепления неровностей, взаимно перемещающихся поверхно­

стей, усталостного разрушения от повторных нагрузок, измене­ ния свойств при деформации и сопровождающем ее наклепе, окисления (коррозии) поверхности, молекулярных сил сцепле­ ния и сваривания металла под действием высокой температуры в местах контакта. Для различных условий изнашивания необ­ ходимо находить оптимальные качества поверхности и свойства материала изнашиваемых элементов деталей с учетом ведущего процесса изнашивания. При этом нужно выбирать режимы об­ работки и физико-механические свойства рабочих поверхностей

Рис. 133. Влияние метода оконча­ тельной обработки поверхности на предел выносливости стали раз­ личной прочности:

/ •— полирование; 2 — шлифова­ ние; 3 — тонкое точение; 4 — гру­ бое точение; 5 — наличие окалины

деталей, которые обеспечивают характеристики качества поверх­ ности, близкие к оптимальным для данных условий эксплуа­ тации.

Влияние способов формообразования на прочность деталей.

Прочность деталей машин, работающих при большом числе пе­ ремен нагрузок, в значительной степени зависит от состояния поверхностных слоев. Усталостная трещина возникает на по­ верхности детали, где действуют наибольшие напряжения при изгибе, кручении. Дефекты поверхности в виде рисок от прохож­ дения режущей кромки при обработке, неравномерности струк­ туры, остаточных напряжений и неравномерности физико-меха­ нических свойств подповерхностного слоя способствуют возник­ новению очагов концентрации напряжений, что приводит при некоторых методах обработки к резкому снижению предела вы­ носливости (рис. 133). На рис. 133 по оси ординат отложены значения коэффициента ß, характеризующего влияние метода обработки (качества поверхности) на предел выносливости в за­ висимости от предела прочности:

где о - i — предел выносливости образцов, обработанных дан­ ным методом;

о_і — предел выносливости тщательно полированных образ­ цов.

При использовании более прочных материалов для повыше­ ния предела выносливости должны применяться методы обра­

ботки, обеспечивающие минимальную шероховатость поверхно­ сти и отсутствие дефектов, создающих концентраторы напря­ жений.

Особенно большое влияние метод обработки, режимы реза­ ния и геометрия режущего инструмента оказывают на выносли­ вость титановых сплавов (табл. 29).

Образцы, обработанные шлифованием, имели при температу­ ре 20° С предел выносливости 43,4 кгс/мм2 и при температуре 400° С 39,8 кгс/мм2. Изменение предела выносливости при обра­ ботке резанием происходит в результате действия наклепа, ос­ таточных напряжений, изменения микрогеометрии, структурных изменений и дефектов поверхностного слоя, характер и величи­ на которых также зависят от метода и режимов обработки. Так, например, основным видом повреждения при грубых режимах шлифования и работе без охлаждения является прижог, кото­ рый получается в виде характерных строчек. При этом снижа­ ются твердость и микротвердость поверхности, а в поверхност­ ном слое возникают значительные растягивающие остаточные напряжения. Дефекты, возникающие в результате шлифования цементованных образцов из стали 12Х2Н4А, снижают предел выносливости до 50%.

При оценке влияния метода окончательной обработки рабо­ чих поверхностей деталей машин на предел выносливости сле­

дует иметь в виду, что предел выносливости часто зависит от предшествующей обработки. Как и в случае износостойкости, при этом наблюдается технологическая наследственность. Шли­ фование после различных видов токарной обработки незначи­ тельно повышает предел выносливости стали, причем это повы­ шение зависит от режимов, предшествующих шлифованию обработки. Окончательная обработка поверхностей механиче­ ским полированием, обдувкой дробью и обкаткой роликами пол­ ностью ликвидирует влияние на предел выносливости предшест­ вующих видов обработки при одинаковой микрогеометрии фи­ нишной обработки.

Многие детали современных машин работают в различных коррозионных средах при большом числе перемен напряжений. Влияние методов и режимов обработки на коррозионно-устало­ стную прочность значительно сильнее, чем это же влияние на выносливость стали на воздухе. Предел выносливости образцов диаметром 20 мм определяли на базе 5- ІО6 циклов. Сравнитель­ ному испытанию были подвергнуты образцы, изготовленные то­ карной обработкой (шероховатость поверхности образцов соот­ ветствовала 5-му классу чистоты поверхности по ГОСТу 2789— 59) и шлифованные (9-й класс чистоты поверхности). Выносли­ вость стальных образцов, изготовленных точением, меньше вы­ носливости шлифованных образцов.

В коррозионных средах выносливость шлифованных образ­ цов и обработанных точением либо уравнивается, либо у образ­ цов, обработанных точением, становится несколько выше. Таким образом, в случае обработки деталей, работающих в коррозион­ ных средах, не всегда нужно выбирать метод окончательной обработки, создающий низкую шероховатость поверхности.

Специфика влияния механической обработки на коррозион­ ную усталость стали заключается в изменении под влиянием обработки электрохимической неоднородности. Влияние концен­ траторов напряжений на предел выносливости в коррозионных средах сказывается в меньшей степени, чем на воздухе.

Современные способы изготовления деталей высокой точности и стабильности по геометрическим и физико-механическим свойствам

Надежность изделий зависит от точности и стабильности по­ казателей качества изделий. Стабильность качества изготовления зависит от свойства технологического процесса сохранять пока­ затели качества изготовляемых изделий в заданных пределах в течение некоторого времени. Точность изготовления зависит от свойства технологического процесса обеспечивать соответствие поля рассеяния значений показателей качества изготовления из­ делий заданному полю допуска и его расположению.

В связи с этим качество выпускаемых изделий может быть обеспечено путем контроля технологической надежности процес­ сов производства. В практике машиностроения оценка надежно­ сти процессов производства и качества выпускаемых изделий может контролироваться методом балльных оценок качества вы­ полнения технологических операций методом групп качества, методом контроля качества с учетом процента принятых партий с первого предъявления (ГОСТ 16490-—70) и другими методами.

Для обеспечения эксплуатационных свойств и надежности работы машин необходимо изготовлять детали, обладающие стабильными эксплуатационными свойствами, а их размеры, точность формы и физико-механические свойства не должны су­ щественно изменяться в процессе длительного хранения под влиянием перераспределения остаточных напряжений и струк­ турных изменений. Ниже рассматриваются причины нестабиль­ ности геометрических и физико-механических свойств деталей, основные закономерности изменения структуры и внутренних напряжений в деталях и технологические способы стабилизиру­ ющей обработки [20, 50].

Причины нестабильности геометрической формы, размеров и физико-механических свойств металлических деталей. Причина­ ми нестабильности геометрических свойств металлических дета­

(специальных осей, подпятников и т. п.), имеющих простую фор­ му и высокую твердость, определяется преимущественно струк­ турным фактором. На стабильность размеров деталей типа кор­ пусов, каркасов, тонкостенных обечаек и т. п., имеющих слож­ ную форму, часто недостаточную жесткость, основное влияние оказывают остаточные внутренние напряжения. Остаточные внутренние напряжения подразделяются (в порядке убывающей значимости) на фазовые или структурные, тепловые (термиче­ ские), первичные усадочные (в отливках), возникающие в ре­ зультате механического наклепа и вследствие химического воз­ действия на поверхность детали. Существенное влияние на стабильность размеров могут оказывать микроскопические на­ пряжения первого рода. Дополнительное влияние на размеры могут оказывать напряжения второго рода, уравновешивающие­ ся в масштабе отдельных зерен в тех случаях, когда микрона­ пряжения обладают общей ориентировкой (т. е. не погашаются взаимно вследствие противоположной направленности).

Релаксация остаточных внутренних напряжений происходит в результате самопроизвольного перехода некоторой части упру­ гой деформации в пластическую. Так как напряженное состояние реальных деталей машин является сложным и уровень действу­ ющих напряжений в различных сечениях неодинаков, процессы релаксации протекают в разных участках деталей с неодинако­