Влияние качества поверхности на эксплуатационные свойства деталей

Лекция 8. КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН И ЗАГОТОВОК

8.1. Влияние качества поверхности на эксплуатационные свойства деталей.

8.2 Факторы, влияющие на качество поверхности.

Основные понятия и определения.

Качество поверхности характеризуется шероховатостью, волнистостью и физико-механическими свойствами поверхностного слоя. Шероховатостью поверхности (микро геометрией) называют совокупность неровностей с относительно малыми шагами на базовой длине, образующих рельеф поверхности детали.

Рис. 6.1. Волнистость и шероховатость

Волнистостью поверхности называют совокупность периодически повторяющихся неровностей с относительно большим шагом, превышающим базовую длину, принимаемую при измерении шероховатости. Выше, на рис. 6.1., приведено схематическое изображение шероховатости и волнистости поверхности. Разграничением понятий шероховатости и волнистости является отношение шага к высоте неровностей: для шероховатости l/H < 50; для волнистости l/H - от 50 до 1000.

Шероховатость поверхности бывает продольная, измеряемая в. направлении вектора скорости резания, и поперечная, измеряемая в направлении подачи.

Рис. 6.2. Продольная и поперечная шероховатости: а) продольная; б) поперечная

Для оценки шероховатости поверхности приняты следующие параметры:

а) высота неровностей профиля Rz , представляющая собой среднее расстояние между пятью высотами выступов и впадин на кривой неровностей поверхности:

б) наибольшая высота неровностей Rmax, т. е. расстояние между линии выступов профиля и линией впадин в пределах базовой длины;

Рис. 6.3. Кривая неровностей поверхности

в) среднее арифметическое отклонение профиля Ra, определяемое из абсолютных значений отклонений профиля h от средней линии:

по вершинам :

д.) относительная опорная длина профиля - отношение опорной длины профиля к базовой длине, % :

где: - опорная длина профиля, равная

Диапазон колебаний параметров: базовая длина - от 0,01 до 25 мм; - от 0,25 до 1600 мкм, - от 0,008 до 100 мкм, Sт и S от 0,002 до 12,5 мкм; t_p - от 10 до 90%.

Величиныихарактеризуют форму микро неровностей и определяют износостойкость и контактную деформацию сопряженных деталей.

В отдельных случаях шероховатость регламентируют направлением микро неровностей. Направление неровностей влияет на совместный контакт сопряженных поверхностей. Например, для поверхностей скольжения совпадение направления штрихов обработки с направлением скольжения уменьшает износ.

Шероховатость поверхности чаще всего оценивают параметром Rz или Ra

В процессе обработки резанием наблюдается пластическая деформация и нагревание поверхностного слоя, которые изменяют состояние металла в этом слое. Физико-механические свойства поверхностного слоя характеризуются его структурой, твердостью, значением и знаком остаточных напряжений. При химико-термической обработке происходит изменение химического состава поверхностного слоя заготовки.

Влияние качества поверхности на эксплуатационные свойства деталей

Шероховатость обработанной поверхности, наклеп и остаточные напряжения в поверхностном слое детали значительно влияют на ее эксплуатационные свойства: износостойкость, коррозионную стойкость, усталостную прочность, стабильность посадок, герметичность соединений .

Шероховатость поверхности уменьшает площадь фактического касания двух сопрягаемых поверхностей, поэтому в начальный период работы соединения возникают значительные удельные давления, которые ухудшают условия смазки и, как следствие, вызывают более интенсивное изнашивание поверхности.

Микро неровности поверхности являются местом концентрации напряжений, поэтому более шероховатые поверхности имеют меньшую усталостную прочность в условиях циклической нагрузки. Особенно сильно шероховатость поверхности влияет на предел выносливости детали в местах концентрации напряжений. Коэффициент концентрации напряжений для поверхностей, обработанных резанием, составляет 1,5- 2,5 .

Установлено, что прочность стальных деталей, обработанных резанием, по сравнению с полированными деталями в условиях знакопеременной нагрузки составляет 40 – 50%.

Грубо обработанные поверхности более подвержены коррозии, особенно в атмосферных условиях, так как коррозия наиболее интенсивно протекает на дне микро неровностей и мелких надрезов.

Влияние шероховатости Rz на скорость g изнашивания детали показано на рис. 6.4. Из рисунка видно, что снижать шероховатость поверхности в каждом конкретном случае следует до определенного предела. Слишком большое снижение шероховатости приводит к ухудшению условий смазки, так как на очень чистых поверхностях плохо удерживается смазочный сдой. Поэтому поверхность, покрытая пористым хромом, лучше удерживает смазку, чем поверхность с гладким хромовым покрытием.

Рис. 6.4. Зависимость g=f(Rz)

От шероховатости поверхности зависит и стабильность неподвижных посадок. При запрессовке детали наблюдается сглаживание микро неровностей, приводящее к уменьшению фактического натяга. В связи с этим уменьшение прочности соединения деталей обнаруживается при более шероховатых поверхностях.

Шероховатость и волнистость поверхности сильно влияют на контактную жесткость стыков сопрягаемых деталей. Уменьшая шероховатость и волнистость путем тонкого шлифования, шабрения или тонкой притирки, удается повысить несущую способность соединения за счет увеличения фактической контактной поверхности до 80 – 90% и тем самым повысить контактную жесткость.

Состояние поверхностного слоя детали отражается на ее эксплуатационных свойствах. Установлено, что создание в поверхностном слое наклепа и остаточных напряжений сжатия в большинстве случаев повышает усталостную прочность и износостойкость, но одновременно в 1,5-2 раза уменьшает коррозионную стойкость деталей. Последнее обстоятельство объясняется тем, что первичная защитная пленка на сильно деформированном металле легче разрушается под влиянием внутренних напряжений, что ускоряет процесс коррозии.

В зависимости от характера наклепа и шероховатости поверхности детали предел усталости у наклепанных образцов благодаря действий снимающих напряжений повышается на 30 – 80%, а износостойкость металла в 2 - 3 раза. Под действием растягивающих напряжений, предел усталости для сталей повышенной твердости снижается на 30%, и одновременно уменьшается износостойкость детали.

На снижение качества поверхностного слоя значительное влияние оказывает его структурная неоднородность. Обезуглероженный поверхностный слой, образовавшийся в процессе ковки или штамповки, снижает предел выносливости детали. При изготовлении ответственных деталей этот стой следует удалить.