Шероховатость поверхности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Качество поверхности

Качество поверхности является одним из важнейших факторов, обеспечивающих высокие эксплуатационные свойства деталей машин и приборов и обусловливается свойствами металла и методами обработки: механической, электрофизической, электрохимической, термической и т. д. В процессе механической обработки (резание лезвийным инструментом, шлифование, полирование и др.) поверхностный слой деформируется под действием нагрузок и температуры, а также загрязняется примесями (частицы абразива, кислород) и другими инородными включениями.

Геометрические характеристики качества поверхности в порядке уменьшения их абсолютных величин: отклонения формы (макрогеометрия); волнистость; шероховатость (микрогеометрия); субмикрошероховатость. В отдельных случаях волнистость может быть больше погрешности формы, а шероховатость больше волнистости. Волнистость занимает промежуточное положение между шероховатостью и погрешностями формы поверхности. Критерием для их разграничения служит отношение шага S к высоте неровностей R. Взаимосвязь параметров качества поверхности деталей и их эксплуатационных свойств является одним из основных направлений исследований в области машино- и приборостроения.

В настоящее время достаточно изучены вопросы связей качества обработанной поверхности с эксплуатационными показателями деталей и узлов машин и приборов (трение и износ при скольжении и качении, жидкостное трение контактная жесткость, прочность прессовых соединений, отражательная способность, износостойкость при переменных нагрузках, коррозионная стойкость и качество лакокрасочных покрытий, точность измерений, соотношение между допусками размера и шероховатостью поверхности и т. д. ) Трение и износ деталей в значительной степени связаны с макронеровностями, волнистостью, микронеровностями, а также с направлением штрихов (следов) обработки.

Шероховатость и волнистость поверхности взаимосвязаны между собой. Волнистость является элементарным отклонением поверхности любой формы. Высота неровностей волнистости и высота шероховатости примерно одинаковы, отношение же шагов к высоте различны. Волнистость -- совокупность периодически повторяющихся неровностей на поверхности, которые образуются прежде всего в связи с колебаниями или относи-тельными колебательными движениями в системе станок--инструмент--изделие. Волнистость определяется на нормальном сечении поверхности, причем шеро-ховатость и другие отклонения формы исключаются. К волнистости, как правило. относятся периодические неровности, у которых отношение шага к высоте больше 40. У изделий с круглым сечением к волнистости относятся отклонения в радиальном сечении, у которых шаг меньше 1/15 окружности. поверхность эксплуатационный металл

Шероховатость, как геометрическое состояние поверхности

Прочность деталей также зависит от шероховатости поверхности. Разрушение детали, особенно при переменных нагрузках, в большей степени объясняется концентрацией напряжений, вследствие наличия неровностей. Чем меньше шероховатость, тем меньше возможность возникновения поверхностных трещин от усталости металла. Отделочная обработка деталей (доводка, полирование и т. п.) обеспечивает значительное повышение предела их усталостной прочности. Уменьшение шероховатости поверхности значительно улучшает антикоррозионную стойкость деталей. Это имеет особенно важное значение в том случае, когда для поверхностей не могут быть использованы защитные покрытия (поверхности цилиндров двигателей и др.). Надлежащее качество поверхности играет немаловажную роль и в сопряжениях, отвечающих условиям плотности, герметичности, теплопроводности. С понижением шероховатости поверхностей улучшайся их способность к отражению электромагнитных, ультразвуковых и световых волн; уменьшаются потери электромагнитной энергии в волноводных трактах, резонирующих системах, уменьшается емкость электродов; в электровакуумных приборах уменьшается газопоглощеиие и газовыделение, облегчается очистка деталей от адсорбированных газов, паров и пыли. Важной геометрической характеристикой качества поверхности является направленность штрихов -- следов механической и других видов обработки (Рис.5). Она влияет на износостойкость поверхности, определенность посадок, прочность прессовых соединений. В ответственных случаях конструктор должен оговаривать направленность следов обработки на поверхности детали. Это может оказаться необходимым, например, в связи с направлением относительного скольжения сопряженных деталей или с направлением движения по детали струи жидкости или газа. Изнашивание уменьшается и достигает минимума при совпадении направления скольжения с направлением неровностей обеих деталей. Высокой точности всегда отвечают малые шероховатости и волнистость поверх-

ности. Это определяется не только условиями работы сопряженных деталей, но и необходимостью получения надежных результатов измерения в производстве. Уменьшение шероховатости поверхности вносит большую определенность в характер сопряжения, так как размер зазора (или натяга), полученный в результате контроля деталей, отличается от размера эффективного зазора или натяга, имеющего место в эксплуатации или при сборке. Эффективный натяг при сборке уменьшается, а зазор в процессе работы механизма увеличивается, причем тем больше и быстрее, чем более грубо обработаны сопрягаемые поверхности. Малую шероховатость поверхности бывает необходимо использовать и для придания красивого внешнего вида детали или удобства содержания поверхностей в чистоте и т. п. Требования к шероховатости поверхности должны устанавливаться исходя из функционального назначения поверхности для обеспечения заданного качества изделий. Если в этом нет необходимости, то требования к шероховатости поверхности не устанавливаются и шероховатость этой поверхности контролироваться не должна . Требования к шероховатости поверхности не включают требований к дефектам поверхности (раковины и пр.), поэтому при контроле шероховатости поверхности влияние дефектов поверхности должно быть исключено. В некоторых случаях допускается устанавливать требования к шероховатости отдельных участков одной поверхности, которые могут быть различными. ГОСТ 2789--73* устанавливает требования к шероховатости поверхности независимо от способа ее получения или обработки. Это дает возможность применять требования стандарта к поверхностям, обработанным резанием и другими методами, например литьем, прессованием, электрофизическими и электрохимическими методами и т. д.

Шероховатость поверхности является одной из основных геометрических характеристик качества поверхности деталей и оказывает влияние на эксплуатационные показатели. В условиях эксплуатации машины или прибора, внешним воздействиям, в первую очередь, подвергаются поверхности их деталей. Износ трущихся поверхностей, зарождение трещин усталости, смятие, коррозионное и эрозионное разрушения, разрушение в результате кавитации и др. -- это процессы, протекающие на поверхности деталей и в некотором прилегающем к поверхности слое. Естественно, что придание поверхностям деталей специальных свойств, способствует существенному повышению показателей качества машин в целом и в первую очередь показателей надежности.

Обработка поверхностей

Если бы заранее было известно, какая шероховатость получится после приработки данных деталей, и. заранее получать ее, то можно было бы в значительной степени избежать процесса приработки, а следовательно, и связанного с ним большого износа металла, при котором увеличиваются зазоры в сопряжениях. Многочисленными исследованиями подтверждено, что наименьший износ трущихся поверхностей получается при оптимальной шероховатости.

Следует отметить, что оптимальная шероховатость, возникшая после приработки трущихся поверхностей, направлена всегда по движению трения, в то время как при механической обработке направление штрихов обработки может быть самым разнообразным.

Как утверждает проф. П. Е. Дьяченко, направление штрихов обработки трущихся деталей в значительной степени влияет на работу деталей машин. Учитывая важность этого положения, Институт машиноведения Академии наук СССР разработал проект стандарта для оценки направления штрихов на обработанной поверхности. Учитывая износ детали для разных условий эксплуатации, выбирают наиболее благоприятное направление штрихов обработки.

При благоприятных условиях трения и при небольших удельных давлениях и хорошей смазке для трущихся поверхностей рационально выбирать такие методы обработки, когда штрихи будут совпадать с направлением движения трения. В этом случае трущиеся поверхности будут иметь большую площадь соприкосновения, и задиров не произойдет, так как поверхности будут разделены слоем смазки, которая не выдавливается при небольших удельных давлениях на поверхность.

Для тяжелых условий работы трущихся поверхностей, т. е. при высоких удельных давлениях и недостаточной смазке, рациональнее выбирать штрихи, пересекающие друг друга. В этом случае трущиеся площадки соприкосновения будут значительно меньше, а следовательно, уменьшится возможность появления задиров.

В результате большого количества исследований влияния качества обработанных поверхностей на износ деталей установлено, что мокрое шлифование и полирование увеличивают износостойкость поверхности металла по сравнению с фрезерованной поверхностью на 25%.

Притирка и полирование поверхностей после шлифования значительно уменьшают износ деталей, например шлифованные порпь невые пальцы при испытании двигателя уменьшились по диаметру на 0,0075 мм, в то время как притертые сохранили свой первоначальный размер.

При исследовании цилиндров автомобильных двигателей было установлено, что для получения нормального давления сжатия при приработке расточенного цилиндра потребовалось 200 ч, а для полированного-- 45 ч. Расточенные гильзы цилиндра показали износ 0,018 мм за 24 ч и 0,038 мм за 50 ч, в то время как у таких же полированных гильз никакого износа не образовалось. Установлено также, что при высоких удельных давлениях и трении без смазки величина износа мало зависит от микрогеометрии поверхностей.

При небольших же удельных давлениях и при наличии смазки более чистые поверхности изнашиваются значительно меньше, т. е. с увеличением шероховатости износ повышается.

Качество обработанных поверхностей трения определяется не только микрогеометрией, но также и микроструктурой, степенью деформации поверхностного слоя и его напряженностью.

В связи с тем что сила трения действует на поверхностные слои металла, износостойкость детали во многом зависит от физического состояния этих слоев.

Различные методы окончательной обработки трущихся поверхностей деталей вызывают в поверхностных слоях металла структурные изменения, которые могут распространяться в основную массу металла на различную глубину. Следовательно, в любом поперечном или продольном сечении обработанной детали можно выделить поверхностный слой, структура которого и все связанные с ней свойства будут отличаться от структуры и свойств основной массы металла.

По исследованию Д. В. Конвисарова, у всех деталей, обработанных резцами или шлифовальными кругами, на глубине, равной толщине снятой стружки, имеется граница между структурой основного металла и структурой поверхностного слоя, пластически деформированного под действием режущего инструмента. Металлографический анализ этого поверхностного слоя показывает, что в нем имеются явные разрушения или сдвиги кристаллов, а также строго последовательное смещение всех элементов структуры в определенных направлениях.

На основании имеющихся исследований считают, что поверхностный слой состоит из раздробленных кристаллических зерен, которые в зависимости от степени раздробления начинают терять специфические свойства кристаллических тел. В результате пластической деформации механические свойства этого слоя изменяются, металл становится более прочным, твердость его увеличивается, появляются различные остаточные внутренние напряжения значительной величины.

Такое изменение физико-механических свойств поверхностного слоя оказывает значительное и непосредственное влияние на износостойкость и динамическую прочность металла.

Наклеп поверхностного слоя, глубина и увеличение которого- зависят от пластических свойств металла, режима резания и качества режущего инструмента, увеличивает прочность металла, так же как и сжимающие напряжения, остающиеся в поверхностном слое после механической обработки. Растягивающие же напряжения, риски от обработки и надрезы снижают прочность металла.

Увеличение шероховатости приводит к понижению прочности металла, если поверхность подвержена повторно-переменным нагрузкам. В этом случае характеристикой шероховатости поверхности будет являться не средняя квадратичная отклонений, а наибольшая высота шероховатости, которая определяется на основании изучения микрогеометрии по всей длине профиля. Отмечено также, что в большинстве случаев решающей причиной является случайная наибольшая высота шероховатости, которая встречается при всех видах механической обработки.

Изучая профилограмму обработанной поверхности образца да его испытания, можно установить наибольшую величину случайной высоты шероховатости и ее расположение. При испытании образца на разрыв разрушение его происходит по впадине на микроповерхности вблизи гребня, соответствующей наибольшей случайной высоте, играющей роль надреза, который резко снижает прочность металла вследствие появления местных сосредоточенных напряжений.

Наибольшие случайные высоты шероховатости существенного влияния на износ не оказывают, так как гребешки в процессе трения очень быстро срабатываются; на динамическую же прочность величина гребешков оказывает решающее влияние и поэтому их надо принимать во внимание.

На усталостную прочность металла оказывает влияние и режим резания. Исследования, проведенные Институтом строительной механики АН УССР, при малых подачах (от 0,03 до 0,06 мм/об) и низких скоростях резания (до 3 м/мин) показали значительную - продольную и поперечную шероховатость, а также микроскопические трещины, снижающие прочность образца. При этих же скоростях резания был обнаружен наклеп и увеличение его на значительную глубину. Анализ этих явлений позволил сделать вывод, что при низких скоростях резания с малыми подачами прочность металла понижается.

С увеличением скорости резания до 10--15 м/мин при малых, подачах была обнаружена зона, при которой поверхность остается еще значительно шероховатой, но глубина наклепа и его увеличение являются наименьшими. В этом случае прочность металла считают минимальной.

При дальнейшем увеличении скорости резания шероховатость поверхности резко снижается (до 2ч-5 мк) и остается постоянной
в пределах значительных скоростей резания. При этом глубина и интенсивность наклепа возрастают. Следовательно, с увеличением скорости резания выше 15 м/мин прочность металла при повторно- переменных нагрузках увеличивается.

При увеличении подачи с 0,2 мм/об отмечалось резкое увеличение шероховатости, незначительное возрастание глубины и интенсивности наклепа. Опытами установлено, что с увеличением подачи с 0,05 до 0,13 мм/об прочность уменьшилась на 3,6%, а при подаче от 0,13 до 0,41 мм/об -- на 22,6%. Следовательно, с увеличением подачи резца при обтачивании прочность металла понижается.

Размещено на Allbest.ru