Влияние качества поверхности на эксплуатационные свойства деталей машин

Общие понятия и определения

Качество поверхностей деталей машин

Глава 3.

Под качеством поверхности понимают геометрическую характеристику поверхности и физическое состояние поверхностного слоя материала детали.

В геометрическую характеристику включают, кроме показателей оценивающих микрогеометрию (шероховатость) поверхности, еще показатели волнистости. При этом под волнистостью понимают периодически повторяющиеся неровности поверхности, величина которых (шаг, высота) занимает промежуточное положение между шероховатостью (микрогеометрией) и погрешностью формы (макрогеометрией).

Под поверхностным слоем понимают прилежащий к поверхности слой материала, физическое состояние которого, оцениваемое структурой, твердостью и другими показателями, отличается от состояния нижележащего основного материала.

Анализ функционирования деталей машин убедительно по­казывает, что правильно сконструированные и эксплуатируемые изделия не выходят из строя из-за поломок. Если и возникают поломки, аварии, катастрофы, то их причины всегда связаны с чрезвычайными обстоятельствами, а не с нормальными условия­ми эксплуатации. Вместе с тем, очевидно, что срок службы ма­шин всегда ограничен. Машины выходят из строя из-за причин, связанных с функционированием поверхностных слоев деталей машин и с несовершенством этих слоев. Технологические мето­ды обработки заготовок, непосредственно связанные с пробле­мой точности, самым решающим образом влияют на качество поверхностных слоев и, следовательно, формируют качество всей машины.

Под термином качество поверхностного слоя понимают единство трех показателей: шероховатости поверхности, ее волнистости и физико-механических характеристик слоя. Хотя эти показатели рассматривают раздельно, они оказывают взаимное влияние друг на друга. В зависимости от служебного назначения детали оп­ределяющим становится то один, то другой показатель.

При оценке качества, поверхностного слоя необходимо рассмотреть его строение. Можно выделить условно отдельные час­ти граничного слоя, который в собранной машине контактирует с сопрягаемой деталью. Его положе­ние существенно отличается от положения атомов, находящихся в глубинных слоях. Атомы глубинных слоев со всех сторон ок­ружены другими атомами и, следовательно, уравновешены сило­выми полями. Такие атомы находятся в состоянии устойчивого равновесия. Атомы же, лежащие на поверхности, испытывают воздействие только соседних и нижележащих атомов. Поэтому они находятся в неустойчивом, неуравновешенном состоянии, а граничный слой обладает запасом свободной поверхностной энергии. Часть поверхностной энергии (потенциальная энергия) затрачивается на деформирование кристаллической решетки, а вторая часть (кинетическая энергия) — на колебательный про­цесс атомов граничного слоя.

Повышенная энергетическая активность поверхностного слоя непосредственно связана с его служебными свойствами, поскольку из-за такой активности поверхность адсорбирует эле­менты окружающей среды и прежде всего пары воды, газы, жи­ры и др. Это обстоятельство влияет на контакт детали с другими поверхностями. Толщины адсорбированных слоев составляют от нескольких микрометров до их тысячных долей.

б

а

Рис. 3.1. Схема поверхностного слоя (а) и модель строения поверхности (б)

Адсорбированные пары (жидкость) проникают в тонкие тре­щины (рис.3.1, а), которые всегда имеются на поверхности. Жидкость создает в капиллярах высокое давление, в результате чего нарушается прочность поверхностного слоя, так как от­дельные кристаллиты испытывают микросдвиги. Из-за несовер­шенства граничного слоя в связи с точечными дефектами (рис.3.1, б) его отдельные участки обладают различной хими­ческой активностью. На поверхности детали имеются миллионы участков типа показанных на схеме. Различные химические соединения, возникающие на поверхности детали, в большинстве представляют собой оксиды.

Ниже граничного располагается слой, свойства которого оп­ределяются его спецификой, связанной с сильно деформирован­ными частицами материала. Такое деформирование произошло из-за технологического воздействия инструмента на поверхность в ходе предшествующих операций. Между измельченными кри­сталлитами поверхностного слоя находится прослойка, которая состоит из основного металла с большим количеством дислока­ций, а также из различных примесей, концентрирующихся по границам зерен.

Примеси в металлах — это распределенные по всему объему поверхностного слоя инородные атомы. Их присутствие вызыва­ет искажение кристаллической решетки, они оказывают очень сильное влияние на механические, физические, магнитные и другие свойства поверхностей деталей.

Поскольку на поверхностные слои заготовок воздействуют различные инструменты, то напряжения здесь будут отличаться от напряжений в сердцевине материала. Возникновению напря­жений способствуют также фазовые превращения, местный на­грев. Такие напряжения уравновешиваются только в пределах определенных областей, когда степень деформирования или иные воздействия не являются однородными. Напряжения весь­ма существенно влияют на служебные свойства деталей.

Велико влияние износа поверхностных слоев на качество де­талей и машин. Если транспортная машина массой 3...5 т теряет в ходе эксплуатации 3...4 кг, а подшипник качения массой 10...14 кг — 20...30 г, то такие объекты полностью утрачивают свою работоспособность. Шпиндели непрецизионных станков массой 10... 12 кг уже не могут эксплуатироваться на подшипни­ках скольжения после изнашивания их поверхности на доли граммов. Износ деталей машин приводит к понижению их точ­ности, увеличению динамических нагрузок, уменьшению коэф­фициента полезного действия, снижению прочности. Вследст­вие износа выходит из строя 80 % машин. На ремонт машин за­трачивают огромные средства, значительная часть которых рас­ходуется на транспортные машины.

Износ деталей машин в значительной степени зависит от шероховатости поверхностей сопряжения. В период приработки деталей, изготовленных практически из любых материалов, из­нос определяется особенностями данного метода обработки по­верхностей. Назначение и обеспечение на практике оптимальных параметров шероховато­сти поверхностей позволяет уменьшить период приработки в 2— 2,5 раза.

Многочисленными исследованиями установлено, что усталостные разрушения также начинают зарождаться на поверхности. Явления усталости тесным образом связаны с шероховатостью поверхности и физико-механическими характеристиками по­верхностного слоя. Чем меньше шероховатость, тем выше при прочих равных условиях усталостная прочность, поскольку каж­дая неровность поверхности является концентратором напряже­ний и очагом разрушения. Концентрация напряжений зависит не только от глубины микроследов (рисок) от воздействия инст­румента, но и от формы этих следов.

Характеристики поверхностных слоев непосредственно свя­заны с контактной жесткостью, виброустойчивостью, коррози­онной стойкостью, прочностью сопряжений, плотностью соеди­нений, теплоотражением, прочностью сцепления с покрытием, сопротивлением обтеканию газами и другими эксплуатационны­ми показателями.