10.2. Методы повышения срока службы деталей

10.2.1. Повышение срока службы деталей путем оптимизации режимов механической обработки

Износостойкость деталей машин (как показывают материалы раз­личных исследований) во многих случаях можно повысить путем простого изменения вида обработки или даже режима резания или геометрии режущего инструмента. Усталостная прочность деталей машин в значительной степени зависит от видов и режимов механической обработки деталей. Например, при фрезеровании нержавеющей стали 2X13 цилиндрическими фрезами изменение режимов фрезерования приводит к увеличению предела усталости с 314 до 378 МПа (с 32 до 38 кгс/мм²), т. е. на 18 % . При этом переход от метода попутного фрезерования к встречному с неизменным режимом фрезерования повышает предел усталостной прочности на 8—10%.

Механическая обработка является единственным методом, обеспечивающим наиболее высокую точность изготовления деталей и повышение тем самым их срока службы. Несмотря на развитие других методов получения изделий (обработка давлением, литейное производство, лазерная обработка), ее доля в изготовлении машин и механизмов постоянно увеличивается. Это связано с повышением требований к точности изготовления деталей и их сопряжений, которую можно достичь только при механической обработке.

С повышением точности изготовления деталей уменьшаются начальные зазоры в подвижных соединениях и, как следствие, время приработки трущихся сопряжений, жестче регламентируются натяжения в неподвижных соединениях и т.п. Обеспечение необходимой точности изготовления деталей зависит также от уровня используемого оборудования, точности средств контроля, квалификации рабочих и пооперационногоконтроля качества технологических операций

Помимо точности изготовления деталей СТС, их срок службы в значительной степени зависит от качества поверхностного слоя: шероховатости, физико-механического состояния, микроструктуры и остаточных напряжений, формируемых также при механической обработке.

Влияние шероховатостинатрение и износ деталей в значительной степени связаны с высотой и формой неровностей поверхности и направлением штрихов обработки.

В начальный период работы трущихся поверхностей их контакт происходит по вершинам неровностей. В результате этого факти­ческая поверхность соприкосновения составляет лишь небольшой процент от расчетной, поэтому в местах фактического контакта по вершинам неровностей возникают большие давления, часто превы­шающие предел текучести и даже предел прочности трущихся ме­таллов.

Под действием этих давлений при неподвижных поверхностях в точках контакта происходят упругое сжатие и пластическая де­формация смятия неровностей, а при взаимном перемещении по­верхностей — срез, отламывание и пластический сдвиг вершин не­ровностей, приводящие к интенсивному начальному износу трущихся деталей и увеличению зазоров трущейся пары. Повышен­ному начальному износу в некоторых случаях способствуют воз­никновение в точках контакта высоких мгновенных температур и срыв окисной пленки, покрывающей металлы, что сопровождается молекулярным сцеплением трущихся металлов и образованием узлов схватывания.

При работе деталей в легких и средних условиях высота не­ровностей в период начального износа трущихся поверхностей по данным А.А.Маталина уменьшается на 65—75 %, что приводит к увеличению фактической поверхности их контакта, а следовательно, к снижению фактиче­ского давления.

Во время начального износа, протекающего в период приработки, происходит изменение раз­меров и формы неровностей, а также направления обработочных рисок. При этом высота неров­ностей уменьшается или увели­чивается до некоторого оптималь­ного значения, которое различно для разных условий трения. Если оптимальную для данных условий трения высоту неровностей удается создать в процессе механической обработки, то в процессе износа она не изменяется, а время при­работки и износ оказываются наи­меньшими.

Исследования А.А.Маталина показывают, что при оптимальной высоте неровностей начальный износ металла яв­ляется наименьшим. Увеличение высоты неровностей по сравнению с оптимальным значением повышает износ за счет возрастания механического за­цепления, скалывания и среза неровностей поверхности. Умень­шение высоты неровностей против оптимального значения приводит к резкому возрастанию износа в связи с возникновением молекуляр­ного сцепления и заедания плотно соприкасающихся поверхностей повышенной гладкости, этому способствуют выдавливание смазки и плохая смачиваемость смазкой зеркально-чистых поверхностей. Это положение является особенно важным при восстановлении сопряжений деталей СТС. Поэтому необходимо строго следить за обеспечением требуемой шероховатости трущихся поверхностей, т.е. ее оптимального значения, при котором износ и коэффициент тре­ния при данных условиях изнашивания являются наименьшими.

Шероховатость поверхности в значительной степени влияет на точность сопряжения. Ранее указывалось, что в период начального износа высота неровностей может уменьшиться на 65—75 %. При малых размерах деталей и шероховатости поверхностей с Rz = 3-10 мкм двойная высота неровностей 2R_Z (на диаметр) соизмерима с полем допуска на изготовле­ние детали. Это означает, что в период начального износа поверх­ностей дополнительный зазор в соединении может достигнуть зна­чения допуска на изготовление детали и точность соединения будет полностью нарушена. Поэтому для повышения срока службы деталей их обработку следует вести при достижении минимальной шероховатости трущихся поверх­ностей.

Согласно рекомендациям А.А. Маталина необходимую высоту шероховатости деталей восстанавливае­мого сопряжения, в зависимости от допуска размера d и диаметра сопряжения D, можно определять по следующим формулам: при D › 50 мм, R_z = (0,10-0,15) d; D › 18, но ‹ 50 мм, R_z = (0,15-0,20) d и D ‹ 18 мм, R_z = (0,20—0,25) d. В этих формулах d и R_z выражены в мкм.

С увеличением высоты неровностей поверхностей деталей снижается прочность прессовых со­единений,

Высота, форма и шаг неровностей, направление штрихов обработки, размеры опорной поверхности и другие геоме­трические характеристики микрорельефа поверхности оказывают влияние и на другие важные эксплуатационные свойства деталей СТС: прочность при ударной нагрузке, контактную жесткость, коррозионную стойкость, коэффициент теплоотдачи, газовую эрозию и др.

Деформационное упрочнение (наклеп) металла поверхностного слоя в результате механической обработке в большинстве случаев способствует повышению износостойкости деталей, поскольку уменьшается смятие и исти­рание поверхностей при наличии их непосредственного контакта. Упрочнение увели­чивает диффузию кислорода воздуха в металл поверхностного слоя, создавая в нем твердые химические соединения FeO, Fe₂O₃ и Fe₃O₄, характерные для окислительного износа, протекающего с наимень­шей интенсивностью.

Положительное влияние наклепа на износостойкость трущихся поверхностей проявляется только до определенной степени перво­начального наклепа. Если при предварительной обработке трущейся поверхности степень пластической деформации поверхностного слоя превосходит определенное для данного металла значение, то в ме­талле начинается процесс его разрыхления (разрывы междуатомных связей по плоскостям скольжения и суб­микроскопические нарушения сплош­ности металла), происходящий одно­временно с продолжающимся процес­сом упрочнения. Это явление называется перенаклепом.

При дальнейшем увеличении на-гружения металла переупрочненные и охрупченные зоны металла отслаи­ваются от его основной массы; начина­ются шелушение и ускоренный износ ^; металла. Таким образом, перенаклеп металла вызывает резкое падание изно­состойкости, а также снижает устало­стную прочность деталей и некоторые другие эксплуатационные свойства.

В связи с этим упрочнение металла поверхностного слоя в про­цессе механической обработки деталей или при специальных упроч­няющих операциях (обкатке роликами и шариками, дробеструйном наклепе и др.) следует производить при строго регламентирован­ном достигаемом наклепе, чтобы предотвратить возникновение пе­ренаклепа.

Усталостная прочность деталей машин в значительной степени зависит от упрочнения (наклепа) металла поверхностного слоя. Упрочнение металла до определенных пределов уменьшает ампли­туду циклической пластической деформации и предотвратить воз­никновение субмикроскопических нарушений сплошности (разрых­ления), порождающих развитие усталостных трещин.

Кроме того, создание упрочненного наклепанного поверхност­ного слоя препятствует росту существующих и возникновению новых усталостных трещин. Такой слой может значительно нейтра­лизовать вредное влияние наружных дефектов и шероховатости поверхности.

Исследование деталей с твердым упрочненным слоем после циклических нагружений, из-за которых в металле возникают на­пряжения, превышающие предел усталости, показывает, что уста­лостные трещины зарождаются не в упрочненном слое детали, а в глубине ее.

Результаты многочисленных исследований показывают, что при наклепе металла поверхностного слоя повышение циклической прочности деталей машин, работающих в условиях нормальной комнатной температуры, может достигнуть 25—30 %. При наклепе металла точением и полированием предел выносливости повышается на 20—25 % за счет наклепа и на 12—15 % возрастает благодаря снижению высоты шероховатости при переходе от точения к поли­рованию.

Влияние наклепа на коррозионную стойкость. Пластическая де­формация и наклеп поверхностного слоя металла протекают в раз­лично ориентированных зернах неодинакового состава с разной интенсивностью; ферритные зерна деформируются интенсивнее пер­литных. Это вызывает неравномерное повышение энергии и различ­ное изменение электродного потенциала. Более наклепанные фер­ритные зерна становятся анодами, а менее наклепанные перлитные зерна — катодами. По тем же причинам оказывается различным и искажение атомной решетки в разных кристаллических зернах.

В результате пластической деформации поликристаллического металла в нем создаются микронеоднородности, способствующие возникновению большого количества коррозионных микроэлемен­тов. Наиболее активными участками металла во взаимодействии с внешними средами являются зоны плоскостей сдвигов и места выходов дислокаций на поверхность. В этих зонах убыстряется адсорбция и развиваются коррозионные и диффузионные процессы. В результате этого холоднодеформированная мягкая сталь может поглотить в 100 раз больше водорода, чем отожженная.

Механическая обработка, вызывающая наклеп поверхностного слоя и изменение шероховатости поверхности, оказывает значи­тельное влияние на коррозионную стойкость металла.

Наклеп и остаточные напряжения поверхностного слоя могут стать одной из причин коррозионного растрескивания стали при ее длительном статическом нагружении в коррозионных средах. Снятие наклепа отжигом устраняет в этих случаях и коррозионное растрескивание.

В процессе механической обработки резанием в металле поверхностного слоя происходят значительные пластические деформации, вызывающие большие остаточные напряжения сжатия. Однако при трении деталей они в определенной степени снимаются под дей­ствием протекающих пластических деформаций, не успевая оказать какого-либо влияния на процесс изнашивания. В связи с этим величина и знак остаточных напряжений поверх­ностного слоя, созданных предшествующей обработкой, не оказы­вают влияния на скорость и величину износа при трении скольжения.

Усталостная прочность деталей очень сильно зависит от вели­чины, знака и глубины распространения остаточных напряжений поверхностного слоя. Многочисленными исследованиями установ­лено, что при наличии в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия предел выносливости детали повышается, а при наличии остаточных напряжений растяжения — снижается, причем остаточ­ные напряжения сжатия в большей мере повышают предел выносли­вости, чем снижают его такие же по величине остаточные напряже­ния растяжения. Для сталей повышенной твердости повышение пре­дела усталости благодаря действию сжимающих напряжений дости­гает 50 %, а снижение его под действием растягивающих— 30 %.

Влияние остаточных напряжений на предел выносливости стали особенно велико, когда разница в прочности стали при растяжении и сжатии большая. В связи с этим предел выносливости твердых сталей зависит от величины и знака остаточных напряжений осо­бенно сильно, в то время как у мягких и пластичных сталей эта зависимость проявляется в меньшей степени.

Значительное влияние состояния поверхностного слоя деталей машин на их основные эксплуатационные свойства, а также вида и режимов механической обработки на отдельные характеристики состояния поверхностного слоя (высоту шероховатости, форму и направление неровностей, микротвердость поверхностного слоя, глубину распространения наклепа, величину, знак и глубину рас­пространения остаточных напряжений) предопределяет зависимость эксплуатационных качеств деталей от технологии их механической обработки.

Ранее было показано, что важные эксплуатационные качества деталей (долговечность, коррозионная стойкость и др.) зависят не только от конструк­тивных форм и точности изготовления деталей, состава и структуры их материала и его механических качеств, но и от отдельных ха­рактеристик состояния поверхностного слоя, сформировавшихся в металле в процессе механической обработки.

В некоторых случаях совершенно одинаковые по своей точности и шероховатости поверхности детали машин, изготовленные по одному и тому же чертежу, принятые и оцененные техническим контролем как совершенно равноценные, могут иметь резко различные эксплуатационные качества в зависимости от технологической наследственности, приобретенной деталями в процессе их изготовления при механической обработке.

Технологической наследственностью следует называть изменение эксплуатационных свойств деталей под влиянием технологии их изготовления.

Под технологией изготовления деталей при этом подразумеваются методы и режимы обработки, примененные на отдельных операциях, вид и состояние режущего инструмента, условия охлаждения, размеры межоперационных припусков, а также последовательность и содержание операций технологического процесса в целом.

Технологическая наследственность проявляется не только во влиянии метода и режима обработки, примененных на последней чистовой операции, но также может проявиться в изменении свойств или потере точности формы готовой детали при ее эксплуатации в результате воздействия тех или иных элементов качества поверхности, созданных в поверхностном слое детали при черновой обработке.

Установлено, что при шлифовании грубообточенной и закаленной заготовки на участках выступов шероховатости поверхности создаются тепловые удары, вызывающие мгновенный нагрев и структурные изменения металла поверхностного слоя. При этом после чистового шлифования на участках обработанной поверхности, расположенных под выступами неровностей, образованных токарной обработкой, возникают зоны отпущенного металла пониженной твердости, а при напряженных режимах шлифования -зоны твердого металла, претерпевшего вторичную закалку. В обоих случаях на границах разных структур появляются значительные остаточные напряжения, снижающие долговечность деталей, а иногда вызывающие появление шлифовочных трещин.

Проявление технологической наследственности может привести как к улучшению, так и к ухудшению эксплуатационных свойств деталей машин.

Для целесообразного использования явления технологической наследственности необходимо установить непосредственные связи между эксплуатационными характеристиками деталей (усталостная прочность, износостойкость и др.) и режимами обработки деталей при основных методах их изготовления. В большинстве случаев такие связи могут быть установлены путем нахождения математических зависимостей: «качество поверхности -функция режима резания", "эксплуатационная характеристика -функция качества поверхности" с их последующим совместным решением и установлением прямой связи: "эксплуатационная характеристика -режим резания".

Последняя зависимость может быть непосредственно использована для расчетов режимов резания, обеспечивающих достижение заданных эксплуатационных характеристик.