4.5. Рельеф поверхности твердых тел
Поверхностям твердых тел всегда присущи отклонения от идеальной геометрической формы. Причиной тому являются дефекты поверхности, появляющиеся в процессе формирования самих твердых тел, в результате их взаимодействия с окружающей средой, в процессе обработки этих материалов на специальном оборудовании и при эксплуатации машин.
Качество поверхности деталей машин во многом влияет на многие свойства твердых тел таких, например, как сопротивление усталостному разрушению, износостойкость, коррозионную стойкость и ряд других свойств трущихся тел и машин в целом.
Макро- и микрогеометрия поверхности твердых тел формируется как в процессе изготовления, так и при эксплуатации узлов трения. В процессе изготовления деталей по ряду причин, чаще всего связанных с техническим состоянием оборудования, они приобретают форму поверхности, отличную от заданной по чертежу (рис. 4.10). Среди дефектов поверхности наиболее характерными являются микроотклонения (в виде выпуклостей, вогнутостей, конусности образующей деталей и т.п.), волнистость и шероховатость.
Рис. 4.10. Схема шероховатости твердых тел: 1 – форма по чертежу;
2 – макроотклонения; 3 – волнистость; 4 – шероховатость
Волнистость представляет собой совокупность периодических, регулярно повторяющихся микровыступов и макровпадин, когда шаг, образуемой ими волны SВ , более чем в 40 раз превышает ее высоту НВ.
Под шероховатостью подразумевается совокупность неровностей с относительно малым шагом 2...800 мкм и высотой 0,03...400 мкм.
Шероховатость и волнистость твердых тел можно оценить, с помощью измерительного прибора профилограф-профилометр. Этот прибор с помощью специальной иглы (с радиусом закругления 2...10 мкм), перемещающейся по исследуемой поверхности, воспроизводит ее рельеф в увеличенном масштабе. Пример такой профилограммы представлен на рис 4.11.
Рис. 4.11. Профилограмма поверхности: 1 – линия выступов;
2 – средняя линия; 3 – линия впадин
Пользуясь профилограммой, можно определить среднее арифметическое отклонение профиля от средней линии
,
где yi - расстояние некоторой точки профиля от средней линии;
n - число точек профиля.
Для этого на профилограмме обычно берут базовую длину L, на которой находится пять наибольших максимумов и пять минимумов. При разделении базовой длины на n участков повышается точность расчетов.
Используя профилограмму поверхности, определяют также и среднее арифметическое отклонение неровностей по десяти точкам
,
где Нi - расстояние расчетных точек от средней линии.
Для большинства обрабатываемых твердых тел Ra меняется в интервале от 100 до 0,008 мкм, a Rz - от 1600 до 0,025 мкм. Несколько большую величину, чем Rz, имеет наибольшая высота профиля Rmax, определяющая расстояние между самой высокой точкой выступов и самой низкой точкой впадин.
Аналогичные характеристики шероховатости поверхности можно получить и для поверхностей деталей узлов трения.
Используя профилограмму поверхности твердого тела, можно построить кривую опорной поверхности. Она характеризует степень возрастания площади сечения микровыступов поверхности твердого тела по мере перехода от линии (плоскости) выступов к линии (плоскости) впадин. Строится она посредством суммирования площади выступов R = li на определенном удалении R от линии выступов (рис. 4.12).
Рис. 4.12. Профилограмма и опорная поверхность твердого тела
Достаточно часто при проведении расчетов сил трения и износа пользуются комплексной характеристикой шероховатости поверхности, имеющей вид
,
где r - средний радиус кривизны вершин выступов; Rmax - расстояние между линиями выступов и впадин; B, v - параметры опорной кривой, характеризующей распределение материала по высоте шероховатого слоя.
Для наиболее распространенных в машиностроении шероховатых поверхностей B=2, v=2. На таких поверхностях также имеются наношероховатости, обусловленные уже отдельными кристаллитами, из которых и формируется твердое тело (рис. 4.3 и 4.15).