§ 17. Влияние качества поверхности на эксплуатационные свойства деталей машин

Обеспечение заданного качества машин и длительное сохранение его первоначального уровня во многом зависит от качества поверх­ностей их деталей. Основная причина (80%) выхода из строя машин это износ рабочих поверхностей сопряженных деталей. Значительно реже наблюдаются поломки деталей из-за некачественного изготовле­ния или их конструктивного несовершенства. Уменьшение износа повышлет долговечность машин, сохраняет заданную конструктором их точность и сокращает расходы на ремонт, которые нередко за весь срок эксплуатации машин в несколько раз превышают их стоимость. Износ трущихся поверхностей протекает во времени по кривой / (рис. 48, а). Участок / характеризует первичный износ (приработку) сопряженной пары; участок // — это нормальный эксплуатационный износ, который при правильном режиме работы и надежной смаз­ке протекает длительное время; участок /// — аварийный износ пары. В процессе приработки микронеровности трущихся поверхностей вы­зывают местный разрыв масляной пленки и наиболее выступающие

неровности разрушаются путем среза, отламывания или пластиче­ского сдвига. В результате этого несущая поверхность увеличивается и зазор в сопряженной паре возрастает. По мере уменьшения дав­ления в местах контакта неровностей интенсивность первичного изно­са снижается. На рис. 48, а кривая 2 характеризует износ поверхно­стей с меньшими шероховатостями. В этом случае величина и время первичного износа уменьшаются, а интенсивность эксплуатацион­ного износа остается той же, как и на кривой 1. Из рисунка видно, что продолжительность работы трущихся пар до границы допустимого износа А будет различной. При меньшей шероховатости сопряженных поверхностей время работы сопряжения будет большим (Т₂ > Т₁ ).

Влияние шероховатости поверхностей сопряженных деталей на износ в основном проявляется в процессе их приработки. В период нормального эксплуатационного износа его влияние определяется физико-механическими свойствами поверхностного слоя и режимами Работы трущейся пары (скорость скольжения, нагрузка, характер смаз­ки). Особенно большие износы происходят при частых пусках машин, когда нарушается режим смазки сопрягаемых поверхностей. Нередко это связано с их задирами и схватыванием.

Для повышения износостойкости трущихся деталей за счет умень­шения первичного износа целесообразно создавать поверхности сколь­жения, шероховатость которых соответствует шероховатости поверх­ностей приработанных деталей.

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. 48, б. 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 металл о керамических деталей, а также системой мелких маслоудерживающих каналов, получаемых вибронакатыванием.

Наименее выгодное направление штрихов обработки у обеих тру­щихся деталей перпендикулярно к направлению скольжения (кривая ) на рис. 48, в). При совмещении направления штрихов обработки с направлением скольжения износ уменьшается (кривая 2). Промежу­точный случай имеет место, когда направление скольжения совпада­ет с направлением штрихов одной детали и перпендикулярно к направ­лению другой (кривая 3 на рис. 48, в). В ответственных сопряжениях направление штрихов обработки может быть оговорено в технических условиях. Влияние направления штрихов обработки на износ более заметно при сухом и граничном трении (кривые А на рис. 48, б); при жид­костном трении это влияние заметно при большой высоте микронеров­ностей, так как слой смазки разделяет сопрягаемые детали (кривые Б).

Большое влияние на износ и сокращение продолжительности ра­боты трущейся пары оказывают волнистость и макрогеометрические погрешности сопряженных поверхностей. Эти дефекты уменьшают поверхности контакта и увеличивают удельные нагрузки против рас­четных, что обусловливает повышенный износ поверхностей сопряже­ния. Уменьшая волнистость и макрогеометрические погрешности, мож­но увеличить срок службы соединения в 1,5—2 раза.

Наклеп, возникающий в результате механической обработки, уменьшает износ поверхностей в 1,5—2 раза и более. На рис. 48, г показано влияние микротвердости поверхностного слоя на его износ.

При высокой микротвердости (перенаклеп) износ возрастает в резуль­тате возникновения шелушения частиц металла. Значительное умень­шение износа достигается облагораживанием поверхностного слоя де­талей термической и химико-термической обработкой (поверхностная закалка, цементация, цианирование, азотирование, диффузионное хромирование, борирование, сульфидирование и др.), наплавкой твер­дых сплавов, а также гальваническим нанесением твердых покрытий (хромирование). Износостойкость чугунных деталей повышают соз­данием на поверхностях трения отбеленной корки.

На уменьшение износа влияет твердость, структура и химический состав поверхностного слоя. Наличие в нем остаточных напряжений на износ от трения скольжения сказывается слабо. Однако износ может изменять остаточные напряжения в поверхностном слое детали. Нали­чие остаточных сжимающих напряжений в поверхностном слое повы­шает долговечность деталей, работающих по принципу качения. Это обусловлено тем, что позади катящегося ролика в материале сопря­женной детали (шейка вала, кольцо подшипника) возникают напря­жения растяжения. Исследования проф. П. И. Ящерицына показы­вают, что направление волокон материала детали влияет на ее уста­лостную контактную прочность. Лучше всего, когда направление во­локон параллельно (концентрично) поверхности детали. С увеличением угла выхода волокон к поверхности усталостная контактная проч­ность снижается.

Шероховатость поверхности влияет на прочность деталей, работа­ющих в условиях циклической и знакопеременной нагрузки. Впадины микропрофиля являются своеобразными надрезами на поверхности и в значительной степени влияют на концентрацию напряжений и образование усталостных трещин. Коэффициент концентрации напря­жений для поверхностей, обработанных резанием, находится в преде­лах 1,5 2,5. Особенно вредно сказывается наличие рисок от ре­жущего инструмента на поверхностях в местах резкого перехода в сечениях, на галтелях валов осей и других деталей. Эти дефекты часто являлись причиной поломки многих ответственных деталей. Для полного устранения вредного влияния следов предварительной обработки нередко приходится назначать дополнительную отделоч­ную обработку поверхностей ответственных деталей (шатуны и колен­чатые валы, диски и роторы турбин). Влияние шероховатости поверх­ности на прочность при ударной нагрузке заметна у заготовок из твердых сталей. Наличие наклепа и остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое повышает усталостную прочность деталей (пру­жины, рессоры, торсионные валы) часто в несколько раз. Остаточные напряжения растяжения снижают ее. Обезуглероженный поверхност­ный слой снижает усталостную прочность деталей, заготовки которых были получены ковкой и штамповкой. При обработке ответственных деталей этот слой надлежит удалять полностью, оставляя на поверх­ности только основной металл.

От качества поверхности зависит контактная жесткость стыков сопрягаемых деталей. Шероховатость и волнистость поверхностей уменьшает фактическую площадь контакта, который происходит по отдельным участкам. Несущая поверхность детали зависит от шеро­ховатости и метода обработки. Так, при высоте микронеровностей от 2,5 до 8 мкм после развертывания и шлифования она составляет 10%; при высоте микронеровностей от 0,8 до 2,5 мкм для тех же методов обработки она повышается до 40% . При алмазном точении и обычной притирке она достигает 63%, а в результате тонкого шлифования, ал­мазного выглаживания, тонкой притирки и суперфиниша — 80 90%. Получаемая контактная деформация под рабочей нагрузкой зависит также от твердости и других физических свойств поверхностного слоя. Для повышения контактной жесткости целесообразно уменьшать ше­роховатость и волнистость сопрягаемых поверхностей, применяя ша­брение, шлифование, притирку и другие методы отделочной обработ­ки, обеспечивать совпадение направления рисок обработки, а также повышать твердость поверхностного слоя созданием в нем наклепа или другими методами. Контактную жесткость стыков можно также повысить, производя сильную предварительную затяжку крепежных деталей. При этом происходит смятие соприкасающихся неровностей и поверхность контакта увеличивается.

Прочность сопряжений с натягом во многом зависит от шерохова­тости поверхностей. При запрессовке происходит смятие микронеров­ностей и фактический натяг уменьшается против расчетного. Боль­шее снижение прочности происходит при более шероховатых поверх­ностях. Большая прочность прессовых соединений обеспечивается при шлифовании и развертывании сопряженных поверхностей, чем при их обтачивании и растачивании. При посадке с натягом, осуществляе­мой с тепловым воздействием, смятие микронеровностей не проис­ходит. Прочность таких посадок выше, чем при обычной запрессовке с той же величиной натяга.

Коррозия в атмосферных условиях возникает легче и распростра­няется быстрее на грубообработанных поверхностях. Наличие накле­па ускоряет коррозию в 1,5 2 раза. Это обусловлено тем, что при пластической деформации поликристаллического материала в нем воз­никают микроскопические неоднородности, способствующие образо­ванию часто расположенных очагов коррозии. Наиболее интенсивно коррозия распространяется в зонах плоскостей сдвигов и местах вы­хода дислокаций на поверхность. В агрессивных средах и при высоких температурах влияние шероховатости и наклепа на антикоррозионную стойкость сказывается слабо. Сопротивление коррозии и эрозии при высоких температурах достигается облагораживанием поверхно­стных слоев деталей путем алитирования, плазменного напыления и другими методами.

Шероховатость поверхности оказывает влияние на условия смаз­ки, трение, теплопроводность и герметичность стыков, отражатель­ную и поглощающую способность поверхностей, сопротивление про­теканию газов и жидкостей в трубопроводах, сопротивление кавитационному разрушению в гидравлических машинах и другие характе­ристики поверхностей и сопряжений.

Усталостная прочность деталей машин в большинстве случаев определяется величиной, знаком и глубиной распространения остаточных напряжений в поверхностном слоем; в меньшей степени она зависит от шероховатости поверхности (исключая случаи влияния острых и глубоких царапин и рисок в местах концентрации напряже­ний). Если работа протекает при высокой температуре (700 800° С и выше), то в результате неравномерной релаксации полезных напряжений сжатия могут возникнуть вредные растягивающие на­пряжения. В таких случаях целесообразно применять такие методы обработки, при которых в поверхностном слое отсутствовали бы как растягивающие, так и сжимающие напряжения. В частности это обеспечивается электрохимической обработкой, нашедшей большое применение при изготовлении турбинных лопаток.