8.4. Обеспечение эксплуатационных свойств поверхностей деталей при резании
Основные эксплуатационные характеристики деталей. Наиболее важными эксплуатационными показателями деталей являются износостойкость и сопротивление усталости.
Износостойкость – сопротивление поверхности детали изнашиванию в процессе эксплуатации. При изнашивании изменяются размеры и геометрическая форма поверхностей, прводящие к изменению характера сопряжении деталей, потере точности относительного расположения деталей и сборочных единиц и нарушениям в работе машины.
Сопротивление усталости характеризует способность детали противостоять многократно повторяющимся знакопеременным нагрузкам в процессе эксплуатации. Недостаточное сопротивление усталости приводит к быстрой поломке деталей, вызывая отказ в работе машины.
Влияние шероховатости поверхности на эксплуатационные свойства деталей.Исследованиями установлено, что шероховатость поверхностей оказывает большое влияние на изнашивание деталей в процессе эксплуатации.
В процессе трения рабочих поверхностей в машинах и механизмах наблюдается начальный, более интенсивный период изнашивания, когда поверхности прирабатываются. Трибосопряжения в первоначальный момент контактируют по вершинам неровностей, в результате чего происходят их срезание и пластическое деформирование.
К концу приработки рабочих поверхностей высота исходной шероховатости уменьшается на 65...75%, а площадь фактического контакта возрастает, что приводит к уменьшению контактных давлений. Поэтому интенсивность изнашивания резко падает, и в дальнейшем происходит равномерное изнашивание, которое определяет срок службы срок службы изделия.
Экспериментально установлено, что в процессе приработки на трущихся поверхностях деталей образуется оптимальная шероховатость, характерная для конкретных условий работы соединения (давление, скорость скольжения, наличие смазочного материала, физико-механические свойства материалов деталей и т.д.). трущихся поверхностей .
От шероховатости поверхности существенно зависит сопротивление усталости деталей. Усталостному разрушению металла способствуют отдельные дефекты и неровности на поверхности детали, которые являются источниками концентрации напряжений. При черновой обработке, когда на поверхности имеются глубокие риски, онивыступают в роли первичных очагов концентрации напряжений. Во впадинах неровностей при циклических и знакопеременных нагрузках возникают субмикроскопические трещины, которые в дальнейшем разрастаются и приводят к образованию усталостных трещин и разрушению детали. Имеется общая закономерность, показывающая, что сопротивление усталости выше у деталей, поверхности которых обработаны более тонкими способами и имеют меньшую высоту неровностей. Чем грубее шероховатость, тем больше на ней впадин и глубоких рисок, на дне которых концентрируются и собираются корродирующие вещества, и поэтому здесь коррозия поверхности происходит интенсивнее. С уменьшением шероховатости коррозионная стойкость деталей повышается.
Многочисленными исследованиями установлено, что шероховатость и волнистость поверхностей деталей влияют на точность сопряжений, прочность соединений с натягом, контактную жесткость, герметичность соединений и другие эксплуатационные характеристики отдельных деталей и узлов. Так, например, наличие волнистости в 5…10 раз уменьшает опорную площадь трущихся поверхностей и, следовательно, снижает их износостойкость. Волнистость желобов подшипников качения увеличивает уровень вибраций.
Влияние микротвердости на эксплуатационные свойства деталей.В процессе трения происходит механическое (внедрение) и молекулярное (притяжение, схватывание) взаимодействие поверхностей. Молекулярное взаимодействие сопутствует механическому, и степень их относительного проявления зависит от конкретных условий изнашивания. Для снижения износа деталей нужно уменьшить взаимное внедрение трибосопряжения, чтобы предотвратить их схватывание. Увеличение микротвердости при механической обработке умепньшает внедрение и контактное схватывание и увеличивает износостойкость трущихся поверхностей.
Экспериментально установлено, что в процессе изнашивания исходная микротвердость поверхностного слоя деталей претерпевает изменение. При приработке на контактирующих в процессе трения поверхностях формируется оптимальная шероховатость, н и создается оптимальная микротвердость поверхностного слоя. Исследованиями установлено, что при трении образцов с более высокой микротвердостью в процессе приработки она снижается до определенного значения (рис. 8.6, кривая 1), а в образцах с более низкой исходной микротвердостью возрастает примерно до такого же значения (кривая2). Оптимальная микротвердость трущихся поверхностей зависит от конкретных условий изнашивания.
Рис. 8.6. Изменение микротвердости образцов из стали 20 в процессе изнашивания: 1,2 – соответственно исходная микротвердость Н = 4,0 и 1,2 ГПа
Наличие упрочнения повышает эксплуатационные свойства трущихся деталей при небольших скоростях и нормальных давлениях. При высоких скоростях скольжения и давлениях наклеп незначительно влияет на износостойкость деталей. При проведении теоретических и экспериментальных исследований установлено, что в процессе наклепа доминирующим фактором, уменьшающим деформацию поверхностного слоя детали, является снижение ее пластической составляющей. При этом наклеп поверхностного слоя металла, полученный при механической обработке, увеличивает контактную жесткость и выносливость деталей, в результате чего повышаются эксплуатационные характеристики соединений.
Упрочнение поверхностного слоя оказывает большое влияние на сопротивление усталости деталей машин. При этом наклепанный слой препятствует развитию существующих и возникновению новых усталостных трещин,повышая тем самым сопротивление усталости.
Наклеп поверхностного слоя деталей при механической обработке приводит в большинстве случаев к снижению их коррозионной стойкости. При пластическом деформировании поликристаллического металла в нем развиваюся микронеоднородности, способствующие возникновению большого количества гальванических микроэлементов. При этом ускоряется адсорбция и более интенсивно развиваются коррозионные и диффузионные процессы.
Влияние остаточных напряжений на эксплуатационные свойства деталей.При проведении основании ряда исследований установлено, что остаточные напряжения в поверхностном слое деталей независимо от их знака не оказывают заметного влияния на износостойкость деталей в процессе трении. Это объясняется интенсивным пластическим деформированием трущихся поверхностей. Остаточные напряжения, полученные в результате механической обработки, снимаются в начальном периоде изнашивания, а затем в процессе трения постепенно возникают остаточные напряжения сжатия.
Наиболее заметное влияние остаточные напряжения оказывают на сопротивление деталей усталости. При циклическом нагружении металлов происходит пластическая деформация отдельных, наиболее слабых зерен поверхностного слоя. Она сопровождается упрочнением металла и искажением кристаллической решетки. Если напряжения превышают предел выносливости, искажение атомной кристаллической решетки становится столь значительным, что наступает разрыв межатомных связей по плоскостям скольжения. При этом наблюдаются субмикроскопические нарушения сплошности, т.е. разрыхление металла, которое приводит к возникновению усталостных трещин, а затем и к разрушению деталей.
Исследования показали, что сжимающие напряжения повышают предел выносливости, а растягивающие – уменьшают его.