Пособие надежность. Ч1

ния формы и расположения не должны быть больше 60 %, для второго

– 40 %, а для третьего – 25 % допуска на размер.

Для цилиндрочности, круглости и профиля продольного сечения поверхностей вращения уровни относительной геометрической точности составляют соответственно 30 %, 20 % и 12 % от допуска на размер. Это вызвано тем, что допуск отклонений формы ограничивает отклонение радиуса, а допуск размера относится к диаметру поверхности. Могут быть установлены и другие соотношения. В особых случаях допуски формы и расположения оговаривают дополнительно в технических условиях на изготовление детали.

На практике каждому методу обработки соответствует определенная допустимая точность, указанная в справочниках, и наоборот, можно определить метод обработки по заданному на чертежах допуску. Данные в справочной литературе постоянно обновляют, числовые значения уточняют, а также конкретизируют условия обработки, учитывая различные факторы (обработка заготовок из различных материалов, выбор оптимальных схем базирования, учет жесткости звеньев технологических систем и др.).

2. Характеристика параметров качества поверхностных слоев заготовок и деталей машин

Общие сведения. Машины теряют работоспособность из-за причин связанных с функционированием поверхностных слоев деталей машин и с несовершенством этих слоев. Технологические методы обработки заготовок самым решающим образом влияют на качество поверхностных слоев и, следовательно, формируют надежность всеймашины.

Под термином «качество поверхностного слоя» понимается единство трех свойств: шероховатости поверхности, ее волнистости и физико-механических характеристик слоя. Хотя эти показатели рассматривают раздельно, их взаимное влияние очевидно. В зависимости от служебного назначения детали определяющим становится тоодин, то другой показатель.

50

При оценке качества поверхностного слоя необходимо обратиться к его строению. Можно выделить условно отдельные части граничного слоя, который в собранной машине контактируя с сопрягаемой деталью. Собственно граничный слой состоит из нескольких условно представленных слоев атомов. Их положение существенно отличается от положения атомов, находящихся в глубинных слоях. Атомы глубинных слоев со всех сторон окружены другими атомами и, следовательно, уравновешены силовыми полями. Такие атомы находятся в состоянии устойчивого равновесия. Атомы же, лежащие на поверхности, испытывают воздействие только соседних и нижележащих атомов. Поэтому они находятся в неустойчивом, неуравновешенном состоянии, а граничный слой обладает запасом свободной поверхностной энергии. Часть поверхностной энергии (потенциальная энергия) затрачивается на деформирование кристаллической решетки, вторая часть (кинетическая энергия) – на колебательный процесс атомов граничного слоя.

Повышенная энергетическая активность поверхностного слоя непосредственно связана с его служебными свойствами, поскольку из-за такой активности поверхность адсорбирует элементы окружающей среды и прежде всего пары воды, газы, жиры и др. Это обстоятельство влияет на контакт детали с другими поверхностями. Толщины адсорбированных слоев составляют от нескольких микрометров до их тысячных долей.

Адсорбированные пары (жидкость) проникают в тонкие микротрещины (рис. 2.4, а), которые всегда имеются на поверхности. Жидкость создает в капиллярах высокое давление, в результате чего нарушается прочность поверхностного слоя, так как отдельные кристаллиты испытывают микросдвиги. Из-за несовершенства граничного слоя в связи с точечными дефектами (рис. 2.4, б) его отдельные участки обладают различной химической активностью. На поверхности детали имеются миллионы участков типа показанных на схеме. Поверхность гетерогенна в геометрическом и химическом отношениях, что непосредственно связывается с характером явлений в ходе контактирования деталей со средой. На

51

поверхности возникают различные химические соединения. В своем большинстве они представляют собой оксиды.

Рис. 2.4. Схема а – поверхностного слоя и б – модель строения поверхности: 1 – терраса; 2 – адсорбированный атом; 3 – то же, на ступеньке; 4 – вакансия на террасе; 5 – одноатомная ступенька; 6 – петля

Ниже граничного располагается слой, свойства которого определяются его спецификой, связанной с сильно деформированными частицами материала. Такое деформирование произошло из-за технологического воздействия инструмента на поверхность в ходе предшествующих операций. Между измельченными кристаллитами поверхностного слоя находится прослойка, которая состоит из основного металла с большим количеством дислокаций, а также из различных примесей, концентрирующихся по границамзерен.

Примеси в металлах – это распределенные по всему объему поверхностного слоя инородные атомы. Их присутствие вызывает искажение кристаллической решетки, они оказывают очень сильное влияние на механические, физические, магнитные и другие свойства поверхностей деталей.

Поскольку на поверхностные слои заготовок воздействуют различные инструменты, то напряжения здесь будут отличаться от напряжений в сердцевине материала. Возникновению напряжений способствуют также фазовые превращения, местный нагрев. Такие напряжения уравновешиваются только в пределах определенных областей, когда степень деформирования или иные воздействия

52

не являются однородными. Напряжения весьма существенно влияют на служебные свойства деталей.

Велико влияние качества поверхностных слоев деталей на эксплуатационные показатели машин. Если транспортная машина массой 3...5 т теряет в ходе эксплуатации 3...4 кг, а подшипник качения массой 10... 14 кг – 20...30 г, то такие объекты полностью утрачивают свою работоспособность. Шпиндели прецизионных станков массой 10...12 кг уже не могут эксплуатироваться на подшипниках скольжения после изнашивания их поверхности на доли граммов. Износ деталей машин приводит к понижению их точности, увеличению динамических нагрузок, уменьшению коэффициента полезного действия, снижению прочности.

Износ деталей машин в значительной степени зависит от шероховатости поверхностей сопряжения. В период приработки деталей, изготовленных практически из любых материалов, износ определяется особенностями принятого метода окончательной обработки поверхностей. Поэтому технология машиностроения в наибольшей степени связана с обеспечением износостойкости. Назначение и обеспечение на практике оптимальных параметров шероховатости поверхностей позволяет уменьшить период приработки в 2…2,5 раза и тем самым увеличить межремонтный ресурс машины.

53

На первичный износ сопряженных деталей влияет форма и высота микронеровностей, направление рисок (штрихов) обработки относительно направления скольжения поверхностей, волнистость и макрогеометрические отклонения поверхностей трения. Влияние этих факторов по-разному проявляется при сухом, граничном и жидкостном трении. Островершинные микронеровности изнашиваются быстрее плосковершинных. Влияние высоты микронеровностей на износ показано на рис. 2.5. Кривая 1 соответствует более легким, а кривая 2 более тяжелым условиям работы. Из рисунка видно, что уменьшение шероховатости целесообразно производить до определенного предела. На очень чистых поверхностях смазка удерживается плохо; в результате возможно увеличение износа и схватывание сопряженных деталей из-за возникновения сухого трения. В этом смысле пришабренные поверхности лучше притертых, так как в них имеются своеобразные углубления («карманы»), удерживающие смазку. Хорошее удержание смазки обеспечивается слоем пористого хрома, пористой структурой металлокерамических деталей, а также системой мелких маслоудерживающих каналов, получаемых вибронакатыванием и перекрещивающимся типом направлений микронеровностей (ГОСТ 2789-73).

Многочисленными исследованиями установлено, что усталостные разрушения также начинают зарождаться на поверхности. Явления усталости тесным образом связаны с шероховатостью поверхности и физикомеханическими характеристиками поверхностного слоя. Чем меньше шероховатость, тем выше при прочих равных условиях усталостная прочность, поскольку каждая микронеровность поверхности является концентратором напряжений и очагом разрушения. Концентрация напряжений зависит не только от глубины микроследов (рисок) от воздействия инструмента, но и от формы этих микронеровностей.

Характеристики поверхностных слоев непосредственно связаны с контактной жесткостью, виброустойчивостью, коррозионной стойкостью, прочностью сопряжений, плотностью соединений, теплоотражением, прочно-

54

Следует иметь в виду, что здесь микронеровности даны в искаженном виде, с сильным увеличением по оси ОУ. Это делается для удобства анализа. Если бы масштаб изображения микронеровностей по осям ОХ и ОУ был бы одинаковым, микронеровности представлялись бы схемой, приведенной на рис. 2.7, б. При значении Н, изменяемом в зависимости от метода обработки и составляющем от долей до десятков и сотен микрометров, значения угла β составляют от 15…20° (грубое точение) до 1...3° (притирка). Однако при одинаковых масштабах по координатным осям профилограммы имели бы очень большую длину, что вызывало бы трудности их практического использования.

Наблюдают два принципиально различных вида профилей микронеровностей. Профиль может быть регулярным, когда микронеровности расположены как совокупность следов определенного, одинакового направления с явно выраженным чередованием (точение, сверление, фрезерование, шлифование и др.). При нерегулярном профиле четкого чередования следов не наблюдают (электроискровая обработка, дробеструйная и др.).

y H

b

Рис. 2.7. Схемы изображения микронеровностей Шероховатость поверхности оценивают по ряду характеристик. Каждая страна

(группа стран) имеет свои стандарты. Так, во Франции и Дании шероховатость оценивают по десяти характеристикам (параметрам), в Испании – по семи, в Германии – по шести, в Чехии – по трем, в Японии – по одному. В ряде стран принят стандарт, предложенный в России. Он оценивает шероховатость по шести параметрам (рис. 2.8). Изображение шероховатости разделяет средняя линия профиля т, которая проведена по определенным правилам. На средней линии вы-

56

деляют базовую длину l, значение которой выбирают по стандарту в зависимости от метода обработки поверхности. Линия выступов и линия впадин проходят через наивысшую и наинизшую точки профиля и параллельны средней линии. Расстояние между линиями выступов и впадин называют наибольшей высотой неровностей профиляRmax.

Шероховатость оценивают по трем высотным параметрам Ra, Rz и Rmax,

двум шаговым параметрам S и Sm и по относительной опорной длине микропрофиляtp. ПараметрRa называютсреднимарифметическимотклоненияпрофиляи

определяюткак

Рис. 2.8. Профиль шероховатости и его характеристики Расстояния у берут без учета знака, т. е. как ординаты над и под лини-

ей т (показаны в виде вертикальных линий в левой и правой частях рис. 2.8).

57

Параметр Rz – высота неровностей по десяти точкам – представляет собой сумму средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины

где Нimах – отклонения пяти наибольших максимумов профиля; Нi min – отклонения пяти наибольших минимумов профиля.

Средним шагом S местных выступов профиля называют среднее значение шага местных выступов в пределах базовой длины.

Средним шагом Sm неровностей профиля называют среднее значение шага неровностей профиля по средней линии в пределах базовой длины.

Опорная длина ηр профиля определяется суммой длин отрезков в пределах базовой длины, отсекаемых на заданном уровне на микронеровностях линией, параллельной средней линии. Относительная опорная длина tp профиля определяется отношением опорной длины профиля к базовой длине

где р – уровень сечения профиля, определяемый расстоянием между линией выступов профиля и линией, пересекающей профиль эквидистантно линии выступов (р устанавливают в процентах от Rmах), bi — длина отрезка, отсекаемого на микровыступе.

Параметр tp достаточно полно характеризует поверхность фактического соприкосновения (контакта) двух деталей, образующих сопряжение.

Существует корреляционная связь высотных параметров шероховатости

Ra, Rz и Rmax:

- для плосковершинной и отделочно-упрочняющей обработки в среднем

58

Основной смысл введения шести параметров для оценки шероховатости поверхности состоит в том, что с их помощью можно регламентировать шероховатость в зависимости от служебного назначения и условий эксплуатации деталей (изнашивание, контактная жесткость, выносливость и др.).

Шероховатость поверхности на чертежах указывают с помощью условных обозначений (рис. 2.9, а) На месте рамки 1 в определенной последовательности указывают параметры шероховатости (пример с цифровыми обозначениями показан на рис. 2.9, б), на месте рамки 2 в случае необходимости – вид обработки и другие дополнительные данные, на месте рамки 3 – базовую длину, взятую из стандарта, а на месте рамки 4 – условные обозначения направления штрихов обработки. Обозначение t5080 (см. рис. 2.9, б) расшифровывается как относительная опорная длина 80 % при уровне сечения профиля р=50 %.

Напряжения в поверхностных слоях возникают из-за воздействия на поверхность инструмента, фазовых превращений и температурных факторов. Их определяют по специальным методикам с использованием аппаратуры, позволяющей сделать анализ поверхностного слоя на образцах, вырезанных из деталей или непосредственно на деталях. Весьма полезны графики, выдаваемые аппаратурой в автоматическом режиме и показывающие распределение напряжений по глубине поверхностного слоя. Каждый метод обработки характеризуется своим, специфическим графиком.

Качество поверхностного слоя оценивают также по числу дислокаций – различных дефектов и несовершенств кристаллической решетки. Наличие дислокаций особенно сильно снижает прочность металлов. В одном кубическом сантиметре отожженного металла плотность дислокаций составляет 107...108 см -3.

59