Пособие надежность. Ч1

в)переходная зона, представляющая собой зону влияния деформации и постепенного перехода к нормальному строению основного металла.

При обработке заготовок из серого чугуна иногда обнаруживается слабо выраженная деформация на глубину не более 15 мкм. При чистовой и черновой обработке стали деформация распространяется на глубину от 50 до 100…300 мкм, а при обдирке – до 500…1000 мкм.

Остаточные напряжения в поверхностном слое зависят от многих факторов. На рис. 2.45 показана типичная схема распределения остаточных напряжений, а после шлифования в зависимости от глубины h поверхностного слоя.

s

+

h

-

Рис. 2.45. Схема распределения остаточных напряжений после шлифования

При шлифовании состояние поверхностного слоя в значительной мере определяется тепловыми явлениями, а также силовыми воздействиями. В поверхностном слое происходят структурные преобразования и на границах зерен появляются карбиды, образуются зоны закалки или отпуска, возникают положительные или отрицательные остаточные напряжения. Их уровень может достигать и даже превышать напряжения предела текучести материала заготовки. Глубина поверхностных слоев с резко выраженными изменениями при черновом шлифовании составляет 10…30 мкм, а при чистовом и тонком шлифовании до 5 мкм; остаточные напряжения распространяются на глубину 50…150 мкм.

130

Для процесса шлифования характерна высокая температура, возникающая в тонком поверхностном слое, и распространение тепла в условиях нестационарного температурного поля. При этом возможно возникновение структурных неоднородностей и появление вследствие этого мелких трещин. У закаленных деталей возможно образование в самом верхнем слоем зоны вторичной закалки, а под ней – зоны вторичного отпуска с относительно низкой твердостью.

В поверхностном слое при шлифовании возникают остаточные напряжения растяжения, их величина нередко достигает и даже превышает предел текучести материала обрабатываемой детали. В образовании этих напряжений главную роль играют тепловые процессы. Механизм образования напряжений заключается в следующем. В момент контакта шлифовального круга с данной точкой детали поверхностный слой сильно нагревается и стремится расшириться. Расширению препятствуют лежащие ниже более холодные слои материала. В результате поверхностный слой оказывается пластически сжатым. После охлаждения детали в поверхностном слое из-за его стремления сжаться возникают напряжения растяжения. Основной фактор, влияющий на величину этих напряжений – глубина шлифования. Уменьшение величины остаточных напряжений в поверхностном слое достигается снижением интенсивности теплообразования, т. е. путем увеличения скорости детали, уменьшения глубины резания, применения более мягких кругов и обильного охлаждения.

Остаточные напряжения растяжения в поверхностном слое шлифованной закаленной детали могут быть уменьшены в 2…3 раза в результате выдержки детали в течение 90 сек в растворе солей с температурой 260…315°С и последующим охлаждением в воде или масле. При повышении температуры нагрева до 340°С, что ведет к снижению твердости стали на 2…3 единицы HRC (с первоначальной твердости 60 HRC), остаточные напряжения уменьшаются в 5 раз.

Снять остаточные напряжения после предварительного шлифования можно отжигом детали, а после ее окончательной обработки – виброконтактным полированием. Последнему методу свойственно образование на поверхности сжи-

131

мающих напряжений. Величину остаточных напряжений можно уменьшить также, применяя рациональную схему закрепления детали в приспособлении, при которой возможна деформация детали в главных направлениях. Регулирование остаточных напряжений в поверхностном слое представляет собой большой резерв повышения эксплуатационных свойств деталей машин. При электроимпульсной обработке происходит изменение структуры основного металла; измененная структура отличается большей или меньшей неоднородностью. С увеличением силы тока толщина слоя возрастает. С увеличением частоты импульсов толщина уменьшается.

У закаленных деталей в поверхностном слое наблюдается слой вторичной закалки, отпущенный слой и слой исходного мартенсита. У не закаленных деталей наблюдается слой закалки и слой исходной микроструктуры. При большой силе тока и малой частоте импульсов в поверхностном слое возникают трещины.

При обработке в электролите (электрохимическая обработка и другие методы) поверхностный слой насыщается водородом, что может привести к хрупкой поломке деталей. Для устранения этого недостатка, а также для уменьшения остаточных напряжений, образующихся в поверхностном слое при изготовлении ответственных деталей (турбинные лопатки), нередко применяют дополнительное (механическое) полирование. Это повышает усталостную прочность деталей.

Особое место в обеспечении заданной точности занимают операции термической и термохимической обработки, непосредственно предшествующие окончательной обработке. Выбор среды и рациональной схемы охлаждения, применение закалки в штампах и другие методы позволяют уменьшить деформацию деталей. Эффективной в этом смысле является изотермическая закалка, однако она применяется для деталей небольших сечений (диаметром до 30 мм).

Отрицательное влияние на точность оказывает наличие в структуре закаленных деталей остаточного аустенита. Самопроизвольное превращение его в

132

мартенситную структуру, обладающую большим удельным объемом, изменяет размеры деталей. Важной предпосылкой стабилизации размеров таких точных деталей, как плунжера топливных насосов, изготовляемых из высокоуглеродистых легированных или шарикоподшипниковых сталей, является, поэтому, обработка их, после закалки, холодом. Этот процесс применяется и при изготовлении цементированных зубчатых колес из хромоникелевых сталей. Остаточный аустенит цементационного слоя может быть переведен в мартенсит также дробеструйной обработкой.

Влияние на точность обработки внутренних напряжений, возникающих в материале детали при резании, может быть снижено применением стабилизирующего отпуска или искусственного старения. Усложняя технологию и увеличивая цикл обработки, эти операции могут быть рекомендованы только для особо ответственных и точных деталей, обладающих к тому же невысокой жесткостью (например, коленчатых валов, дисков трения и т. п.). Проводятся указанные операции обычно после черновой обработки.

На стабильное обеспечение точности большое влияние оказывают точностные характеристики станочного оборудования, которые во многом зависят от культуры его использования. Промышленностью выпускается все больше высокоточных и прецизионных станков. Свою точность они могут сохранить только в условиях правильного применения, обусловленного их основным назначением. Загружать высокоточные станки малоквалифицированной работой не целесообразно и по экономическим соображениям.

Возрастает роль и приспособлений. Переход к многолепестковым цанговым, а также к гидропластмассовым патронам и оправкам позволил в значительной степени или полностью исключить граненность тонкостенных втулок, колец подшипников и других тонкостенных деталей. Уменьшению износа установочных элементов приспособлений способствует покрытие их износостойким хромом или изготовление из твердых сплавов.

Обеспечение точности взаимного положения поверхностей, требует учета многих факторов, начиная с выбора схем базирования и зажима и кончая рас-

133

четом погрешностей установки. Особое значение такой расчет имеет при применении универсально-сборных приспособлений. Погрешности установки исключаются, если обработка взаимоувязанных размерами поверхностей деталей производится в одной операции, с одной установки.

Культура использования приспособлений включает в себя и такой непременный элемент, как организация систематического контроля их состояния и точности, особенно величины износа установочных и направляющих элементов.

Обеспечение требований к точности обработки неразрывно связано с состоянием инструментального хозяйства, с усовершенствованиями измерительного инструмента и контрольных приспособлений, расширением области применения автоматизированных средств. Входит в практику изготовление некоторых калибров, вставок к ним, наконечников универсального инструмента из твердых сплавов. Износостойкость пробок может быть значительно повышена также за счет алмазного выглаживания и вибрационного обкатывания.

Точность контроля во многом зависит от условий его проведения. Контроль деталей особо высокой точности требует создания специальных термостатированных помещений. Не меньшее значение имеет правильный выбор средств контроля. Нередки случаи, когда измерительный инструмент выбирают с учетом только точности отсчета, ошибки самого измерительного средства в расчет не принимаются. Это неизбежно приводит к тому, что в число годных попадают детали, которые должны быть забракованы.

Весьма актуальна задача обобщения накопленного опыта и разработка типовых методов обеспечения высокой точности характерных деталей в производствах с различным масштабом выпуска. Для этого необходима систематизация данных о влиянии различных факторов на точность обработки, их обобщение с использованием аппарата математической статистики. Отсутствие обобщенных данных вынуждает технологов полагаться только на свой личный опыт и проводить подчас дорогостоящие эксперименты.

134

Работоспособность деталей во многом зависит от состояния поверхностных слоев. Требования к их качеству непрерывно возрастают по мере интенсификации режимов работы деталей. Еще недавно качество поверхностных слоев характеризовалось, в основном, твердостью и шероховатостью. Теперь часто необходимо создавать в поверхностных слоях остаточные напряжения определенного знака, не допускать образование отпущенных участков. Установлено, что прижоги при шлифовании снижают предел выносливости на изгиб на 25...30%, а шлифовочные трещины – до трех раз.Обезуглероживание и и снижение твердости всего на 5 единиц HRCЭ может уменьшить долговечность зубчатых колес до выкрашивания зубьев в 2...3 раза. Для деталей, работающих в условиях контактного напряжения, большое значение имеет отсутствие

вповерхностных слоях остаточного аустенита, а также цементитной сетки.

Сростом требований к шероховатости оценка ее только по высоте неровностей и среднему арифметическому отклонению (Rz и Ra) часто оказывается недостаточной. Из рис. 2.46 видно, что высота неровностей не дает исчерпывающей характеристики шероховатости. При одной и той же высоте микронеровности могут иметь различную форму, создавать различные условия для протекания износа, особенно на его первоначальной стадии – в период приработки. Исследования последних лет показывают, что при оценке шероховатости нужно учитывать шаг и характер расположения микронеровностей, радиусы закруглений вершин и впадин, величину опорной поверхности. Чем она больше, тем меньше вероятность появления очагов контактного разрушения, образования надиров и т. д.

Площадь фактического контакта двух деталей сильно уменьшается при наличии волнистости поверхности, которая обычно характеризуется шагом, высотой и радиусом округления вершин волн. Основной причиной ее появления являются вибрации, которые в ряде случаев сопровождают процесс резания. Повышение жесткости заготовок и резцовых оправок, устранение биения шпинделей и шлифовальных кругов – вот только некоторые из путей предупреждения вибраций.

135

Рис. 2.46. Профилограммы и кривые опорных поверхностей, обработанных а –точением, б – обкатыванием и в – виброобкатыванием: В1...В9 – длина опорных площадок

Выше отмечалось, что существует определенная зависимость между погрешностями размера и формы. Не менее важно обеспечивать определенное соотношение между допуском на размер и шероховатостью поверхности. Отношение средней высоты неровностей к допуску (Rz/δ) не должно превышать: 0,10…0,12 для прессовых посадок; 0,08…0,1 для переходных посадок и 0,05…0,07 для посадок движения. Высота неровностей Rz должна быть в 1,5…2 раза меньше предельного отклонения формы. Для каждой степени точности отклонений формы рекомендуется свой, определенный класс шероховатости.

Технология располагает достаточными средствами, чтобы получать требуемую шероховатость. Кроме алмазов и кубического нитрида бора, широкое применение получили способы упрочняюще-чистовой обработки, такие как обкатывание наружных поверхностей, раскатывание (дорнование) отверстий. Эти процессы отличаются более высокой производительностью, чем шлифование, обеспечивают во многих случаях получение более рациональ-

136

ной шероховатости поверхности, обладают целым рядом других преимуществ.

По сложившейся традиции, к указанным способам прибегают, когда необходимо использовать их упрочняющее действие. Между тем, и обкатывание, и дорнование могут столь же успешно применяться вместо шлифования или в дополнении к нему при обработке поверхностей, не нуждающихся в упрочнении, особенно если точность обеспечена предыдущей обработкой, и на данную операцию возлагается задача по улучшению только микрогеометрии поверхности. При этом необходимо иметь в виду, что обкатывание уменьшает износ не только вследствие улучшения шероховатости или повышения твердости поверхностного слоя, но также и благодаря усреднению его свойств.

К настоящему времени разработаны различные методы направленного воздействия на шероховатость. К ним относятся, например, алмазное выглаживание и вибрационное обкатывание. При алмазном выглаживании микронеровности меняют свою форму и размеры, а при вибрационном обкатывании создается шероховатость принципиально новой формы. При использовании этих методов направленно может быть изменена маслоемкость поверхности, кардинально улучшены условия смазки деталей, уменьшен их износ, устранены случаи заедания и т. п. Об этом наглядно свидетельствует опыт виброобкатывания деталей цилиндропоршневой группы двигателей, калибров и других деталей, работающих в условиях граничной смазки.

Для деталей, воспринимающих переменные нагрузки, состояние поверхностных слоев оценивается не только с точки зрения трения и износа, но и по способности противостоять возникновению и развитию очагов усталостного разрушения. На технологию в этом случае возлагается дополнительная задача – формирование в поверхностных слоях остаточных внутренних напряжений сжатия. Применение способов упрочняюще-чистовой обработки оказывается в данном случае обязательным. Выбор самого способа и режимов обработки требует обычно проведения экспериментальных исследований,

137

стендовых и натурных испытаний, в ходе которых должно быть оценено влияние обработки не только на напряжения, но и на шероховатость поверхности, так как она имеет непосредственное отношение к усталостной прочности. При этом определяется также действие наклепа на структуру поверхностных слоев; отрицательное влияние перенаклепа может оказаться более значительным, чем недонаклепа.

В современной технике широко используют для изготовления деталей специальные стали и сплавы, отличающиеся по составу и свойствам. Они требуют к себе «индивидуального» подхода, проведения при отладке технологий значительного количества экспериментов. Для многих из них наиболее эффективными оказываются методы электрофизической и электрохимической обработки. Режимы такой обработки определяются также экспериментально. Наряду с этим, детали из указанных сплавов часто нуждаются в упрочнении. При выборе метода и режимов упрочнения данных материалов необходимо проявлять большую осторожность, чем при упрочнении конструкционных сталей, так как улучшая одни свойства, можно ухудшить другие.

Более заметное влияние, чем у конструкционных сталей, на механические свойства поверхностных слоев деталей из специальных сплавов оказывает сама обработка на металлорежущих станках, что также необходимо учитывать при назначении режимов обработки.

Точность соединений. Соединение представляет собой совокупность двух или нескольких деталей. Точность деталей и точность соединения или всей машины тесно связаны между собой. При сборке машин возникают погрешности взаимного положения деталей, некачественные сопряжения, а также деформации деталей. Эти обстоятельства снижают служебные характеристики машины и прежде всего – надежность.

При правильной эксплуатации машин поломки возникают сравнительно редко. Машины выходят из строя в основном из-за явлений, происходящих на поверхностях, например из-за износа, который усугубляется погрешностями собираемых деталей. Поэтому точность деталей и соединений тесно

138

связаны с экономикой эксплуатации машины. Если в определенных пределах повышается точность собираемых деталей, то уменьшаются затраты на сборку, так как сокращается объем пригоночных работ. Однако затраты на изготовление деталей при этом растут. На рис. 2.47, а кривая 1 выражает изменение затрат на изготовление деталей в зависимости от среднего допуска IT на размеры сопряженных поверхностей, кривая 2 показывает изменение затрат на сборку, а кривая 3 характеризует суммарные затраты на изготовление изделия. В каждом конкретном случае возникает минимум затрат, к которому следует стремиться.

Ñ Ñ

5

3

Рис. 2.47. График изменения затрат при формировании соединений За весь срок службы машины эксплуатационные расходы выражаются кри-

вой 4 (рис. 2.47, б). Эти расходы следует суммировать с расходами, выражаемыми кривой 3. Результирующая кривая 5 показывает, что минимум затрат сдвигается в сторону ужесточения допуска на изготовление деталей и сборку. Это обстоятельство является решающим при технологическом анализе проблем точности изготовления и сборки.

Точностные характеристики соединений и машин могут изменяться в соответствии с погрешностями, возникающими при сборке. Рассмотрим основные погрешности.

1. Изменения зазоров и натягов в соединениях приводят к изменению характера посадки. Причиной этого является отклонение размеров, формы и расположения поверхностей собираемых деталей. Эти же причины вызы-

139