3. Влияние параметров состояния поверхностного слоя деталей машин на эксплуатационные свойства

Исследование износостойкости

Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин неразрывно связано с параметрами состояния поверхностного слоя деталей, определяющих их эксплуатационные свойства. Важнейшие эксплуатационные характеристики деталей машин – износостойкость, прочность, герметичность в значительной мере зависит от состояния их поверхностного слоя, определяемого параметрами механической обработки при изготовлении.

Износостойкость является важнейшей эксплуатационной характеристикой деталей машин. Для большинства машин основной причиной отказов является достижение предельно допустимого уровня износа их наиболее ответственных деталей, в связи с чем, повышение износостойкости деталей машин является весьма актуальной задачей.

Износостойкость деталей машин в значительной мере зависит от состояния их поверхностного слоя, определяемого параметрами механической обработки при изготовлении. Известное уравнение для расчета интенсивности изнашивания в период нормального износа при постоянных условиях работы и физико-механических свойствах материала в зависимости от параметров поверхностного слоя может быть представлено:

где tm - относительная опорная длина профиля на уровне средней линии;

Ra - среднее арифметическое отклонение профиля;

Sm - средний шаг неровностей;

Wz - параметр волнистости;

Hmax – максимальное макроотклонение.

К – постоянный коэффициент, зависящий от свойств материала детали и условий ее нагружения.

4. Исследование усталостной прочности

Усталостная прочность деталей машин - это их способность сопротивляться разрушению при действии знакопеременных нагрузок.

Предел выносливости деталей машин в основном зависит от наклепа и остаточных напряжений поверхностного слоя.

Неровности, образующиеся на поверхности детали при их обработке, являются концентраторами напряжений и служат одной из причин снижения предела выносливости.

Влияние параметров шероховатости поверхности детали учитываются с помощью теоретического коэффициента концентрации напряжений, который может быть представлен в виде:

где tm - относительная опорная длина профиля на уровне средней линии, %,

Sm - cредний шаг неровностей,

Rmax - максимальная высота профиля,

Rр - высота сглаживания (расстояние от средней линии до линии выступов).

Из приведенного уравнения видно, что сопротивление усталости деталей машин в основном зависит от величины и знака поверхностных остаточных напряжений и степени наклёпа, глубины их залегания и закона распределения, максимальной высоты неровностей шероховатости и глубины их сглаживания, среднего шага неровностей профиля шероховатости и относительной опорной длины профиля на уровне средней линии.

Экспериментальные исследования сопротивления усталости, проведенные на образцах из стали 30ХГСА (НRС 35-37), показали, что предел выносливости образцов при уменьшении их шероховатости с Rа =0,74мкм до Rа =0,22мкм в среднем увеличивается на 14%, а срок службы более чем в 3 раза.

Повышение предела выносливости и увеличение долговечности деталей при комбинированной лезвийной и отделочно-упрочняющей обработке можно объяснить совместным действием следующих факторов.

В результате поверхностного пластического деформирования увеличиваются радиусы впадин и гребешков поверхности, поэтому концентрация напряжений, пропорциональная кривизне элементов микрорельефа, снижается, что замедляет развитие усталостных трещин.

Таким образом, исследование влияния параметров состояния поверхностного слоя на усталостную прочность свидетельствует о том, что одним из резервов повышения усталостной прочности деталей является применение в качестве окончательной обработки совместное точение и ППД, обеспечивающие наименьшие значений параметров шероховатости и наличие сжимающих остаточных напряжений.

Возможности метода лезвийной и отделочно-упрочняющей обработки наружных и внутренних поверхностей вращения в обеспечении указанных параметров состояния поверхностного слоя представлены в табл. 1.

Для сравнения приведены возможности алмазно-абразивной обработки. Анализ указанных в таблице значений параметров обработки поверхностей вращения свидетельствует о том, что методы поверхностно-пластического деформирования обладают достаточно хорошими возможностями в обеспечении наименьших значений параметров шероховатости Rа, волнистости Wz и макроотклонения Hmax.

Таблица 1 - Возможности методов обработки поверхностей вращения в обеспечении качества обработанной поверхности

ВЫВОДЫ

Применение поверхностного пластического деформирования с предшествующей лезвийной обработкой позволяет обеспечить повышение износостойкости исходной поверхности как наружных, так и внутренних поверхностей вращения в 2-5 раз.

Исследование влияния параметров состояния поверхностного слоя на усталостную прочность свидетельствует о том, что одним из резервов повышения усталостной прочности деталей является применение в качестве окончательной обработки совместное точение и ППД, обеспечивающие наименьшие значений параметров шероховатости и наличие сжимающих остаточных напряжений.

В результате проведенных исследований на основании разработанной методики анализа возможностей методов обработки точением и обкатыванием по обеспечению износостойкости, прочности и герметичности деталей типа «тела вращения» количественно обоснована возможность существенного повышения эксплуатационных свойств деталей машин за счет применения методов комбинированной лезвийной и отделочно-упрочняющей обработки.