Вплив шорсткості та стану поверхневого шару на експлуатаційні властивості деталей машин (стр. 1 из 3)

Вплив шорсткості та стану поверхневого шару на експлуатаційні властивості деталей машин

1. Вплив шорсткості поверхні

Тертя та зношування деталей значно пов’язані з висотою та формою нерівностей і напрямком штрихів обробки. У початковий період роботи поверхонь, що труться, їх контакт відбувається по вершинах нерівностей. В результаті цього фактична поверхня зіткнення складає лише невеликий відсоток від розрахункової. Тому в місцях фактичного контакту по вершинах нерівностей виникають великі тиски, які часто перевищують межу текучості і навіть межу міцності металів, що труться.

Під дією тисків при нерухомих поверхнях в точках контакту відбувається пружне стикання і пластична деформація зминання нерівностей, а при взаємному переміщенні поверхонь – зрізання, відламування і пластичний зсув вершин нерівностей, що призводить до інтенсивного початкового зношування деталей, що труться, і до збільшення зазорів пари тертя.

Підвищеному початковому зношуванню в деяких випадках сприяють виникнення в точках контакту високих миттєвих температур і зрив окисної плівки, що покриває метали. Це супроводжується молекулярним зчепленням металів, що труться, і створенням вузлів схоплювання.

При роботі деталей в легких і середніх умовах висота нерівностей в період початкового зношування поверхонь, що труться, зменшується на 65–75%, що призводить до збільшення фактичної поверхні їх контакту, а отже, до зниження фактичного тиску.

Під час початкового зношування, що відбувається в період припрацювання, відбувається зміна розмірів і форми нерівностей, а також напрямку слідів обробки. При цьому висота нерівностей зменшується, чи збільшується до деякого оптимального значення, яке різне для різних умов тертя. Якщо для даних умов тертя вдається досягти оптимальної висоти нерівностей в процесі механічної обробки, то в процесі експлуатації вона не змінюється, а час припрацювання і зношування виявляється найменшим.

Графіки зношування (рис. 1) показують, що при оптимальній висоті нерівностей (точки О₁ і О₂) початкове зношування металу є найменшим. В більш важких умовах роботи крива 2 зношування зміщується вправо і вгору, а точки оптимальної шорсткості – вправо і вбік збільшення висоти нерівностей.

Рис. 1. Залежність зношування від висоти нерівностей поверхні

Збільшення висоти нерівностей проти оптимальної збільшує початкове зношування, а зменшення нерівностей проти оптимальної може призвести до молекулярного зчеплення пар тертя. Тому задачею конструктора, що проектує нові машини, є призначення оптимальної шорсткості, при якій зношування та коефіцієнт тертя за даних умов зношування був би мінімальним.

На рис. 2 показано, що через 160000 подвійних ходів зношування поверхні з нерівностями великого кроку досягає 60 мкм, а зношування поверхні з тонкими нерівностями малого кроку було менше 40 мкм.

Вплив напрямку нерівностей на зносостійкість різний у різних умовах тертя і при різних розмірах нерівностей. При рідинному терті і малій висоті нерівностей напрямок штрихів значення немає, проте при збільшенні шорсткості більш вигідним виявляється паралельний напрямок штрихів і швидкості руху.

Рис. 2. Криві зношування (а) поверхонь з різною формою нерівностей (б) при однаковій висоті нерівностей R_z

При граничному терті поверхонь з малими значеннями R_aз паралельним напрямком нерівностей і вектором швидкості руху зношування та схоплювання, що виникають, виявляються більшими, ніж при поперечному напрямку нерівностей і руху подачі. Для поверхонь з великою шорсткістю, коли схоплювання не відбувається, паралельний напрямок штрихів дає найменше зношування.

Коефіцієнт тертя також пов’язаний з напрямком нерівностей та їх висотою. При сполученні поверхонь, що мають однаковий напрямок нерівностей, і при їх перпендикулярному напрямку до руху коефіцієнт тертя досягає найбільшого значення. При перпендикулярному напрямку нерівностей поверхонь, що труться, або при їх безладному розташуванні, що спостерігається при суперфінішуванні, коефіцієнт тертя мінімальний.

Точність сполучення, що встановлена кресленням і визначається зазором у з’єднанні, суттєво залежить від шорсткості сполучуваних поверхонь.

Раніше вказувалось, що в період початкового зношування висота нерівностей може зменшуватись на 65–75 %. При малих розмірах деталей і шорсткості поверхонь з R_z= 3÷10 мкм подвійна висота нерівностей 2R_z може бути співставленою з полем допуску на виготовлення деталі. Це означає, що в період початкового зношування поверхонь додатковий зазор в з’єднанні може досягнути значення допуску на виготовлення деталі, і точність з’єднання буде повністю порушена. Замість необхідного за кресленням з’єднання сьомого квалітету точності фактично виникає з’єднання восьмого або дев’ятого квалітету, порушується характер посадок тощо.

Для запобігання цього необхідно у всіх випадках відповідальних сполучень, від яких потрібне довготривале збереження встановленої конструктором точності, проводити обробку деталей при досягненні мінімальної шорсткості поверхонь, що труться.

При цьому рекомендується встановлювати необхідну висоту шорсткості в залежності від необхідної точності сполучення, що проектується, шляхом розрахунку за формулами:

· при діаметрі сполучення понад 50 мм: R_z = (0,10÷0,15)T;

· при діаметрі сполучення від 18 до 50 мм: R_z = (0,15÷0,20)T;

· при діаметрі сполучення менше 18 мм: R_z = (0,20÷0,25)T.

В цих формулах поле Т деталі і висота нерівностей R_z виражені в мкм.

Міцність пресованих з’єднань безпосередньо пов’язана з шорсткістю сполучуваних поверхонь. Зі збільшенням висоти нерівностей сполучуваних поверхонь міцність пресових з’єднань знижується. Наприклад, міцність пресового з’єднання маточини вагонного колеса з віссю при висоті нерівностей 36,5 мкм виявилась на 40 % нижчою міцності такого ж з’єднання з висотою нерівностей 18 мкм (не дивлячись на те, що натяг у другому випадку був на 15 % меншим).

Втомлена міцність деталей суттєво залежить від шорсткості їх поверхонь. Наявність на поверхні деталі, які працюють в умовах циклічного і знакозмінного навантаження, окремих дефектів і нерівностей сприяє концентрації напружень, які можуть перевищити межу міцності металу. В цьому випадку поверхневі дефекти і штрихи від обробки відіграють роль осередка виникнення субмікроскопічних порушень суцільного металу поверхневого шару і його розпушення, що є першопричиною створення втомлених тріщин.

Експериментальні графіки (рис. 3) показують, що при збільшенні параметра шорсткості відпаленої сталі 45 з R_z= 3,2 до R_z= 75 мкм межа її витривалості знижується з 285 до 200 МПа, тобто на 30 %. Особливо різко знижується межа витривалості при збільшенні шорсткості найбільш гладких поверхонь.

Рис. 3. Залежність межі витривалості від висоти нерівностей

На рис. 4 показано вплив напрямку нерівностей на межу витривалості сталі при згинанні. Із діаграми видно, що при поздовжньому напрямку нерівностей циклічна міцність при згинанні сталі 2Х13 на 10–15 % вища, ніж при поперечному розташуванні нерівностей. Ця закономірність проявляється при різних видах обробки.

Висота шорсткості, напрямок штрихів обробки, форма і крок нерівностей, розміри опорної поверхні та інші геометричні характеристики мікрорельєфу поверхні впливають й на інші важливі експлуатаційні властивості деталей машин і приладів, тобто зокрема і на їх міцність при ударному навантажені, контактну жорсткість, відбивну спроможність, коефіцієнт тепловіддачі, газову ерозію.

Рис. 4. Вплив напрямку штрихів обробки на межі витривалості зі сталі 2Х13: 1 – напрямок штрихів поперек деталі; 2 – напрямок штрихів вздовж деталі

шорсткість напруження зносостійкість наклеп метал

2. Вплив деформаційного зміцнення (наклепу) металу поверхневого шару

Зносостійкість деталей. Підвищенню зносостійкості деталей у більшості випадків сприяє попереднє зміцнення металу поверхневого шару, яке зменшує зминання і стирання поверхонь за наявності їх безпосереднього контакту, і взаємне проникнення поверхневих шарів, що виникає при їх механічній та молекулярній взаємодії: зміцнення збільшує дифузію кисню в метал поверхневого шару, створюючи в ньому тверді хімічні з’єднання FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄ характерні для окислювального зношування, що протікають з найменшою інтенсивністю, а також перешкоджають розвитку спільної пластичної деформації металів деталей, що труться, що викликає холодне зварювання схопленням, яке є найбільш інтенсивним видом зношування.

На рис. 5 показано зміну зношування валиків зі сталі У8А при їх терті – ковзанні з чавунними колодками зі змащенням в залежності від ступеня наклепу валиків після шліфування, вираженого мікротвердістю поверхневого шару. Графік ілюструє значне зменшення зношування зі збільшенням ступеня наклепу.

Позитивний вплив наклепу на зносостійкість поверхонь, що труться, проявляється тільки до певного ступеня початкового наклепу. Якщо при попередній обробці поверхні, що треться, ступінь пластичної деформації поверхневого шару перевищує певне для даного металу значення, то в металі починається процес його розпушення (розриви міжатомних зв’язків по площинах ковзання і субмікроскопічні порушення суцільності металу), що відбувається одночасно з процесом зміцнення, який продовжується. Це явище називається перенаклепом.