Износ полимерных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Украины

Запорожский национальный технический университет

Кафедра Металлорежущие станки и инструменты

Контрольная работа

по дисциплине «Трибология»

Выполнил ст. гр. Мз-217 Строна В. С.

Проверил д.т.н, проф. Ивщенко Л.И.

Запорожье, 2011 г.

План

трение обработка поверхность полимер

Введение

1. Трение и износ полимерных материалов

1.1 Физические состояния полимеров

1.2 Трение полимеров в стеклообразном и кристаллическом состоянии

1.3 Выбор пар трения

1.4 Трение полимеров в высокоэластическом состоянии

1.5 Износ полимеров

1.6 Усталостный износ

1.7 Влияние поверхности трения. Абразивный износ

2. Качество поверхностей при контактном взаимодействии

2.1 Качество обработанной поверхности

2.2 Методы обработки плоских поверхностей и пути повышения качества поверхностного слоя деталей

Вывод

Литература

Введение

В условиях рыночной экономики основополагающим фактором развития той или иной отрасли является конкурентоспособность выпускаемых механизмов и машин. Важным при этом ставится вопрос о надежности и долговечности машин и механизмов, что во многом определяется работоспособностью узлов трения, входящих в их конструкцию. В решении этой проблемы одна из основных задач заключается в исследовании факторов, определяющих трение и износ деталей, выявление закономерностей, характеризующих процесс трения и построения на этой основе физических моделей фрикционного взаимодействия. Особенно важно прогнозировать свойства контакта реальных поверхностей для перспективных узлов трения работающих в экстремальных условиях.

Так как полимерные материалы часто используются в узлах трения и в качестве покрытий, большое практическое значение имеет изучение механизмов трения и износа. Процессы трения низкомолекулярных твердых тел и полимеров при разных температурах имеют общие черты и существенные отличия. Наиболее специфично проявляется трение у полимеров, находящихся в высокоэластическом состоянии. Трение полимеров всегда связано с их износом. При этом износ может рассматриваться как процесс, характеризующий усталость поверхностных слоев полимеров. Механизмы износа твердых полимеров и эластомеров, как и характер их внешнего проявления, существенно отличаются и будут рассматриваться в данной работе.

1. Трение и износ полимерных материалов

Современная техника не может обойтись без узлов трения, в которых необходимы низкая сила трения и высокая устойчивость к истиранию. К таким узлам относятся всевозможные подшипники, вкладыши, втулки, шарнирные соединения, шестеренчатые передачи, направляющие и многие другие. Для изготовления таких узлов используют специальные материалы, в качестве которых больше всего подходят специальные антифрикционные сплавы на основе свинца или олова, такие как бронза, баббит. Но эти материалы дороги и не всегда отвечают всем необходимым эксплуатационным и технологическим требованиям. Поэтому имеется необходимость в более широком выборе антифрикционных материалов.

Для этих целей полимеры привлекательны по нескольким причинам:

- это легкость переработки,

- низкий удельный вес,

- высокая коррозионная стойкость.

Последнее свойство наиболее важно в узлах, работающих в агрессивных средах и в контакте с пищевыми, фармацевтическими и косметическими продуктами.

Требования к материалам узлов трения

- низкий коэффициент трения (скольжения) м не более 0,2;

- высокая износостойкость (износ не более 0,02 см2/Н);

- высокий предел текучести при сдвиге ут;

- высокая твердость (модуль упругости);

- высокая теплопроводность;

- высокая температура размягчения.

Основной характеристикой трения является коэффициент трения м, который определяется материалами, из которых изготовлены поверхности взаимодействующих тел.

В простейших случаях сила трения F и нормальная нагрузка (или сила нормальной реакции) Nnormal связаны неравенством

обращающимся в равенство только при наличии относительного движения. Это соотношение называется законом Амонтона -- Кулона.

Для большинства пар материалов значение коэффициента трения м не превышает 1 и находится в диапазоне 0,1 -- 0,5. Если коэффициент трения превышает 1 (м > 1), это означает, что между контактирующими телами имеется сила адгезии Nadhesion и формула расчета коэффициента трения меняется на

1.1 Физические состояния полимеров

Полимеры могут существовать в четырех физических состояниях -кристаллическом и трех аморфных (стеклообразном, высокоэластическом, вялотекучем). Полимеры, находящиеся в стеклообразном или кристаллическом состояниях, называются иногда твердыми полимерами. С каждым из физических состояний связан определенный комплекс механических свойств и каждому состоянию соответствует своя область технического применения. Физическое состояние полимера чаще всего определяют изучая деформируемость. По деформируемости полимеров в широком интервале температур судят об основных технологических свойствах полимеров (рис.1).



Величину деформируемости определяют методом термомеханических кривых, предложенным Александровым и Лазуркиным для периодических и Каргиным и Соголовой для статических деформаций.

При температурах ниже температуры стеклования Т_с полимеры деформируются так же, как и низкомолекулярные стекла. Выше нее происходит значительное увеличение обратимой деформации. Это свидетельствует о том, что полимер находится в высокоэластическом состоянии. В этой области величина высокоэластического модуля изменяется с температурой мало, вплоть до температуры текуческти Т_т. При температурах выше нее полимер течет подобно высоковязкой жидкости.

Для аморфных полимеров характерно практически одинаковое деформационное поведение при нагревании и охлаждении, если только при повышенных температурах не изменилась химическая структура полимера.

1.2 Трение полимеров в стеклообразном и кристаллическом состоянии

При обычных температурах твердые полимеры (пластмассы) находятся в стеклообразном и частично в кристаллическом состоянии и имеют по сравнению с полимерами в высокоэластическом состоянии модуль упругости на 2-3 порядка выше. С другой стороны, по сравнению с металлами модуль упругости твердых полимеров мал и весьма чувствителен к изменению температуры.

Все основные механические характеристики твердых полимеров имеют выраженный релаксационный характер, что обуславливает релаксационный характер природы и механизма трения этих материалов. При обычных условиях молекулы стеклообразных полимеров обладают малой подвижностью, однако деформационные свойства в сильной мере зависят от напряжения. Эта особенность предопределяет ряд специфических свойств внешнего трения твердых полимеров.

В общем случае сила трения пропорциональна площади фактического контакта:

F= cS,

с - константа, зависящая от нагрузки.

Однако в области больших нагрузок нагрузка влияет на величину с непосредственно.

Релаксационные свойства полимеров четко проявляются в зависимости силы трения от времени неподвижного контакта. Эта зависимость может быть обусловлена временным характером формирования площади контакта. Временная зависимость силы трения сказывается на изменении этой величины от скорости приложения силы. С точки зрения физики полимеров, скоростная зависимость силы трения, как и временная, является наиболее важной характеристикой фрикционных свойств полимеров.

Температура, возникающая при трении имеет большое значение и влияет на физико-механические свойства и структуру полимера в поверхностном слое и влияет на его фрикционные свойства. Например при исследовании внешнего трения полиэтилена-2, полиметилметакрилата-1, фторопласта-4-4 и политрифторхлор-этилена-3 по стеклу (рис.2) в диапазоне температур от -100 до +80°С видно, что с увеличением температуры коэффициент трения возрастает у всех полимеров, кроме фторопласта-4. Коэффициент трения полиэтилена в области -60°С изменяется по кривой с максимумом.

Рис. 2 Температурная зависимость коэффициента трения полимеров по стеклу

Рис. 3 Температурная зависимость коэффициента трения полимеров по стали N=1кг 1-капрон, 2-полиамид П-68, 3-полиамил АК-7, 4-полиэтилен, 5-фторопласт-4

На рис.4 приведены зависимости силы трения от температуры некоторых полимеров.

Рис. 4 Зависимость силы трения полимеров по стали от температуры при р=10 кг/см² 1-полистирол, 2-поливинилхлорид, 3-полиамид

Иначе выглядит температурная зависимость силы трения таких твердых полимеров, как эбонит (рис.5), у которого с ростом температуры удельная сила трения падает, что объясняется увеличением подвижности молекул сетчатого полимера.

Рис. 5 Зависимость силы трения эбонита по стали от температуры

Давление: 1- 3,4кг/см², 2- 20,6 кг/см²

Также на тепловой проводимости контакта сказывается толщина полимера или полимерного покрытия. Например, в качестве антифрикционного материала фторопласт-4 лучше работает при нанесении его тонкой пленкой на твердые материалы, чем в виде массивного образца.

Внешнее трение является процессом, зависящим также и от условий испытания, состояния поверхностей трущихся пар, влажности, смазки, среды, структуры и свойств пары трения, наполнителей полимеров, электрических зарядов, от методов получения полимерных изделий.

Данные табл.1, подтверждает вывод о том, что более мягкий элемент фрикционной пары определяет его коэффициент трения по твердым поверхностям.

Табл. 1

Влияние типа полимера на коэффициент трения

Полимер	Полимер по полимеру	Полимер по стали	Полимер	Полимер по полимеру	Полимер по стали
Полиэтилен	0,25	0,25	Полиметилметакрилат	0,4-0,6	0,5
Поливинилхлорид	0,4-0,45	0,35-0,4	Фторопласт-4	0,04	0,04

На трение полимеров состояние поверхности не оказывает такого большого влияния на коэффициент трения, как при трении металлов. Это связано с низкой адгезионной способностью поверхности полимеров и значительной деформируемостью.

Влага двояким образом влияет на трение, образуя пленку на поверхности и поглощаясь самим полимером.

Особенностью полимеров является способность их к самосмазке. Это сильно затрудняет анализ экспериментальных данных в этой области. Эффективность действия смазки полимеров значительно ниже, чем у металлов, благодаря малому числу активных центров на поверхности полимеров, способных удерживать слой смазки. В ряде случаев смазка проникает в полимер, чем снижает прочность поверхностного слоя. Часто используют твердые смазочные материалы при трении полимеров (графит, дисульфид молибдена), которые вводятся в полимер как наполнители. Наполнители играют двоякую роль: они улучшают механические свойства полимера и выполняют роль смазки. В настоящее время широко применяются наполненные полимеры для подшипников скольжения, опор и др. подобных изделий.

1.3 Выбор пар трения

Необходимо отметить, что сила трения зависит не только от режима и природы полимера, но также и от конструкционных особенностей элементов фрикционной пары. Конструкция узла трения тоже определяет режим и условия трения.

Машиностроение стимулирует развитие двух групп полимерных материалов и композиций на их основе. К первой группе относятся полимеры, обладающие наименьшим коэффициентом трения - антифрикционные, ко второй- с наибольшим- фрикционные. Использование того или иного материала определяется не только значением коэффициента трения, но и его физико-химическими свойствами.

Основные требования, предъявляемые к антифрикционным полимерным материалам:

-низкое значение коэффициента трения;

- слабая адгезионная способность к контртелу и малые механические потери;

- хорошая теплопроводность;

-необходимые механические свойства;

- положительный градиент механических свойств по глубине;

- способность прочно удерживать граничные слои смазки.

Некоторые условия противоречивы. Например, малому коэф. трения способствуют низкие адгезионные свойства, которые обусловливают низкую прочность сцепления граничного слоя (фторопласт-4, полиэтилен). Также они обладают плохой теплопроводностью и малой прочностью.

Все это приводит к необходимости специально разрабатывать и создавать антифрикционные полимерные композиции.

Пути улучшения антифрикционных полимерных композиций характеризуются разработкой новых полимеров и полимерных композиций, обладающих низкой адгезионной способностью в сочетании с высокой механической прочностью и хорошей теплопроводностью.

К фрикционным материалам предъявляются следующие требования:

- высокий коэффициент трения (общие треб.);

- высокая теплопроводность и теплостойкость;

- достаточная прочность.

Важным качеством фрикционных материалов является их хорошая перерабатываемость, постоянство коэффициента трения и определенная износостойкость. Создание фрикционных материалов идет также по пути разработки полимерных композиций.

В промышленности фрикционные полимерные материалы применяются главным образом в тормозных системах, а антифрикционные - в подшипниках скольжения и уплотнителях.

Широко используется фторопласт-4 благодаря низкому коэффициенту трения. Он применяется в виде тонкого слоя, в качестве наполнителя и как самостоятельный конструкционный материал.

Перспективны композиции, содержащие фторопласт-4 с графитом и двуокисью молибдена. Введенные в качестве наполнителей, они снижают коэффициент трения. Такие материалы имеют лучшие механические свойства чем чистый фторопласт-4.

1.4 Трение полимеров в высокоэластическом состоянии

У высокоэластических полимеров наблюдается особый характер трения, преобладающим видом деформации в этом случае являются высокоэластические деформации. Наиболее высокая эластичность проявляется у сшитых каучуков (резин). Каучуки, резины, некоторые каучукоподобные полимеры, а также набухшие жесткоцепные полимеры являются типичными высокоэластичными материалами. Полимеры, находящиеся в высокоэластическом состоянии, широко используются в технике, главным образом, в виде различных резинотехнических изделий (уплотнителей, клапанов, амортизаторов и др.), авто и авиа шин, где фрикционные свойства резин являются для эксплуатации изделий важнейшими. Основные технические свойства высокоэластичных материалов: низкие модули упругости, большие коэффициенты трения, хорошие амортизирующие способности.

В высокоэластичном состоянии подвижность полимерных цепей велика, и это определяет общие закономерности и природу трения высокоэластичных полимеров. Здесь ярко выражена зависимость силы трения от скорости скольжения, температуры и давления. Теоретической основой и интерпретацией этих закономерностей являются молекулярно-кинетические представления о подвижности молекул полимера на границе контакта с твердым телом.

На рис.6 показано влияние полярности каучука (увеличение содержания полярных стирольных групп в цепи каучука) на зависимость F(Т). Как видно при возрастании температуры до определенного момента сила трения сначала возрастает, затем снижается.



Рис. 6 Зависимость силы трения резин по стали от температуры

Резины на основе: 1-СКС-10, 2- СКС-30, 3-СКС-50

Аналогичное влияние оказывает температура на скоростные зависимости силы трения (рис.7).

Рис. 7 Зависимость коэффициента трения резины на основе бутилкаучука от скорости скольжения

Из рис.8 видно что увеличение скорости скольжения приводит к более слабой зависимости силы трения от температуры.

Рис. 8 Зависимости коэффициента трения резины по стали о температуры

1.5 Износ полимеров

Исследования механизма и основных закономерностей износа подчинены решению основной задачи - максимальному повышению срока службы полимерных изделий. Износ - явление значительно более сложное, чем внешнее трение; оно представляет собой результат совокупности физико-химических процессов, протекающих на поверхности трения и в граничных слоях полимеров.

По характеру основного процесса износ полимеров может быть условно разделен на усталостный и абразивный (микрорезание). Высокоэластические полимеры изнашиваются также в результате процесса «наволакивания» с образованием так называемых «скаток». При трении по твердым поверхностям в условиях малого тепловыделения в основном наблюдается усталостный износ. Усталостный износ полимеров является наиболее распространенным видом износа.

Количественно износ материалов определяется объемом изношенного материала V (в см³), весом изношенного материала q (в г), толщиной изношенного слоя h (в см) и характеризуется следующими величинами:

- весовой интенсивностью износа J_q=q/S_H L

- линейной интенсивностью износа J_h=h/ L

- энергетической интенсивностью износа J_w=V/A

- удельным весовым износом i_q=q/S l

- удельным линейным износом i_h=V_l/S d

Здесь L -путь трения, A= FL-работа трения, S - площадь фактического контакта, S_H площадь разрушения, l-путь трения, равный диаметру пятна касания, d- диаметр единичнго пятна касания, h- толщина слоя, снятого с площади фактического контакта при ее однократном воспроизведении, F- сила трения, V_l - объем отделившегося вещества при перемещении на длину, равную диаметру пятна касания.

Между явлениями трения и износа существует непосредственная связь.

1.6 Усталостный износ

Большей частью износ полимерных материалов происходит в результате усталостного механизма разрушения. В первую очередь такой механизм обусловлен дискретным характером фрикционного контакта. Это означает, что в процессе внешнего трения происходит многократное деформирование полимера в отдельных пятнах фактического контакта, которое приводит к разрушению и последующему отделению материала. Степень и частота деформирования зависят от геометрии и свойств поверхности, а также о скорости скольжения, давления и температуры.

Рассмотрим влияние основных факторов на износ полимеров. Наибольшее влияние на износ оказывает показатель усталости t, прочность у, модуль упругости Е, коэффициент трения µ. В меньшей степени на износ влияет геометрия поверхности и давление р.

Износостойкость можно выразить следующим образом:

где с^ґ - константа.

Если определить износостойкость выражением

J= J₁р^б

(J₁- износостойкость при р=1), то показатель степени б характеризует только природу полимера и геометрию поверхности. В обычных условиях для усталостного износа б>1, а для абразивного износа б=1. Т.о., б характеризует тип износа и зависит только от свойств полимера и геометрии поверхности. Для резин б=1-5 и t = 3-56. при прочих равных условиях б и t связаны линейной зависимостью, которая, согласно рис.9, справедлива для ряда резин, полученных на основе различных каучуков и ингредиентов. Введение противоутомителей повышает одновременно б и t.

Рис. 9 Сопоставление значений б и t для резин: 1-ненаполенная СКБ, наполненная СКБ, наполненная СКБ с противоутомителем, 4- ненаполненный наирит с ДБФ

При усталостном износе износостойкость полимеров достаточно велика и определение коэффициента износостойкости занимает много времени. Для оценки усталостной износостойкости применяют металлические сетки, считая, что трение по сетке может моделировать процесс усталостного износа при трении по гладким поверхностям. Как следует из рис.10, скорость износа предварительно утомленного образца в первый момент времени в два раза выше скорости износа неутомленного образца. С течением времени вследствие износа предварительно утомленного слоя скорости становятся практически равными.

Рис. 10 Зависимость скорости износа резины на сетке от продолжительности износа 1-предварительно утомленный образец, 2-образец, не подвергавшийся утомлению

Увеличение давления при постоянной скорости скольжения косвенно (через повышение температуры) влияет на износостойкость и усталостные свойства полимеров. Все же наиболее важным фактором является площадь фактического контакта, значительно, в отличие от металлов, зависящая от давления.

Для пластмасс зависимость износа от давления проявляется более резко чем для резин.

Рис. 11 Зависимость удельного износа резины на основе СКН-18 и СКН-26 от коэффициента трения по гладкой поверхности

Как следует из рис.11 в области значений µ?1 износ резко увеличивается. С возрастанием коэффициента трения при прочих равных условиях меняется контактная температура, что приводит к изменению режима трения.

Температура является одним из основных факторов, определяющих износ. Факторы, на которые влияет температура условно разделяют на фрикционные и объемные. Фрикционные факторы обусловлены влиянием температуры на силу трения и площадь фактического контакта, а объемные - на физико-химические процессы, протекающие под действием температуры в объеме полимера. В высокоэластичном состоянии площадь фактического контакта мало менятеся с увеличением температуры, а константа трения с достаточно сильно уменьшается с ростом температуры. В стеклообразном состоянии как сила трения, так и площадь контакта S слабо зависят от температуры. Значительное изменение претерпевает в переходной области между высокоэластичным и стеклообразным состояниями.



Рис. 12 Влияние температуры на коэффициент трения резины µ (1), прочность у₀ (2), показатель усталости t (3), модуль упругости Е (4), Е и у в кг/см²

Температура при износе, в отличие от трения, влияет на структуру полимера. В области сильного износа наблюдаются термоокислительные процессы, приводящие в ряде случаев к деструкции полимера. Деструкция как термический активационный процесс резко возрастает в некоторой достаточно узкой области температур, которую определяют как критичскую. Выше этой области температур (для резин от 150 до 250°С) характер и механизм износа изменяются. Износ приобретает катастрофический характер. Рыбалов показал, что температура является определяющим фактором износа. Все другие факторы (скорость, давление, коэф.трения) в основном влияют на катастрофический износ через изменение температуры. При это не существенно за счет чего повысилась температура - в критической области температур наблюдается интенсивный износ. Регулирование температуры трения позволяет снижать износ при повышении скоростей скольжения или давления.

Скорость скольжения влияет на износ косвенно - через изменение упруго-прочностный свойств полимера, коэффициент трения, температуры.

Износ достаточно сильно зависит от физико-механических свойств и состава полимера (рис.13).

Рис. 13 Зависимость износостойкости протекторной резины от модуля упругости

На износ резин влияет природа каучука и наполнителя. Основным наполнителем резин, повышающих износостойкость, является сажа.

Износ по средством «скатывания»

Износ резин по гладким твердым поверхностям протекает в основном по усталостному механизму. Однако в ряде случаев, особенно при увеличении силы трения, скорости скольжения и температуры, износ связан с иным механизмом - так называемым механизмом износа посредством «скатывания». Твердая поверхность силой трения увлекает по ходу своего движения контактирующий участок полимера, деформируя его и отдельные выступы в результате многократных деформаций и надрывов могут свернутся в «скатку». При определенных условиях количество «скаток» значительно возрастает, дефектность поверхности увеличивается и износ приобретает катастрофический характер.

Рис. 14 Образование «скатки» при трении резины по гладкой поверхности

1.7 Влияние поверхности трения. Абразивный износ

Величина износа и износостойкость полимеров определяются не только физико-мехническими свойствами, но и в достаточно большой степени условиями испытания, природой поверхности и средой. Изменение природы твердой поверхности, по которой скользит полимер, определяет механизм износа. Пластики же, обладающие достаточной адгезией к твердой поверхности, могут при трении переносится на нее, резко меняя характер износа. При фрикционном усталостном механизме износ повышается с увеличением адгезии полимера к твердой поверхности.Так, например, износ резины повышается при переходе от стальной поверхности к полимерной, так как повышается температура из-за плохой теплоопроводности полимера.

Изменение шероховатости поверхностей сказывается также на величине механизме износа. Увеличение шероховатости твердой поверхности при износе жестких полимеров приводит к появлению продольных борозд пропахивания и к абразивному износу. В ряде случаев наблюдается смешанный характер износа.

Мягкие эластичные полимеры обладают известной долей усталостного износа даже при истирании по абразивной шкурке. Жеские и хрупкие полимеры даже при трении по гладким поверхностям истираются абразивно.

Характер износа может быть оценен по рисунку истирания: усталостный и фрикционный износы дают поперечные полосы, абразивный износ - продольные полосы истирания.

Абразивный износ полимеров заключается в процессе резания системой острых выступов (например - шлифовальной шкуркой), царапания поверхности этими выступами. Понятие «острый выступ» относительное, так как процесс абразивного износа зависит также от жесткости полимера.

Износостойкость любых материалов при абразивном изнашивании пропорциональна давлению.

Как правило, износостойкость резин повышается с введением в каучук активного наполнителя, который до определенного количества повышает жесткость и прочность резины. Более сложным образом наполнитель влияет на износ пластмасс. С увеличением количества наполнителя не происходит монотонного изменения износа и механических свойств пластмасс. Как правило в больших дозах наполнитель повышает износостойкость пластмасс. С увеличением содержания может происходить как дальнейшее увеличение износостойкости, так и ее падение. Все обусловлено свойствами наполнителя и природой полимера.

Износостойкость полимеров зависит и от конструктивных факторов изделий. Иногда для повышения износа той или иной детали из полимера достаточно изменить условия ее работы или конструкцию.

Состав полимерной композиции должен удовлетворять конструкционным требованиям и необходимой износостойкости.

2. Качество поверхностей при контактном взаимодействии

2.1 Качество обработанной поверхности

Эксплуатационные свойства деталей машин и долговечность их работы в значительной степени зависят от состояния их поверхности. В отличие от теоретической поверхности деталей, изображаемых на чертеже, реальная поверхность всегда имеет неровности различной формы и высоты, образующиеся в процессе обработки.

Высота, форма, характер расположения и направление неровностей поверхностей обрабатываемых заготовок зависят от ряда причин: режима обработки, условий охлаждения и смазки режущего инструмента, химического состава и микроструктуры обрабатываемого материала, конструкции, геометрии и режущей способности инструмента, типа и состояния оборудования, вспомогательного инструмента и приспособлений.

Различают следующие отклонения от теоретической поверхности: макрогеометрические, волнистость и микрогеометрические. Макрогеометрические отклонения -- единичные, не повторяющиеся регулярно отклонения от теоретической формы поверхности, характеризующиеся большим отношением протяженности поверхности L к величине отклонения h, которое больше 1000.

Макрогеометрические отклонения характеризуют овальность, конусообразность и другие отклонения от правильной геометрической формы.

Волнистость поверхности представляет собой совокупность периодически чередующихся возвышений и впадин с отношением шага волны L/h =50…1000.

Волнистость является следствием вибрации системы СПИД, а также неравномерности процесса резания.

Микрогеометрические отклонения, или микронеровности, образуются при обработке заготовок в результате воздействия режущей кромки инструмента на обрабатываемую поверхность, а также вследствие пластической деформации обрабатываемого материала в процессе резания.

Микронеровности определяют шероховатость (негладкость) обработанной поверхности.

Микрогеометрические отклонения характеризуются небольшим значением отношения шага микронеровностей S к их высоте h

S/ h < 50

ГОСТ 2789--59 установлены следующие определения, относящиеся к шероховатости поверхностей

- реальная поверхность -- поверхность, ограничивающая тело и отделяющая его от окружающей среды;

- неровности -- выступы и впадины реальной поверхности;

- геометрическая поверхность 1 -- поверхность заданной геометрической формы, не имеющая неровностей и отклонений формы;

- измеренная поверхность 2 -- поверхность, воспроизведенная в результате измерения реальной поверхности;

- реальный профиль -- сечение реальной поверхности плоскостью, ориентированной в заданном направлении по отношению к геометрической поверхности;

- геометрический профиль 3 -- сечение геометрической поверхности плоскостью, ориентированной в заданном направлении по отношению к этой поверхности;

- измеренный профиль 4 -- сечение измеренной поверхности плоскостью, ориентированной в заданном направлении по отношению к геометрической поверхности.

По ГОСТ 2789--59 шероховатость поверхности -- это совокупность неровностей с относительно малыми шагами (расстоянием между вершинами характерных неровностей измеренного профиля), образующих рельеф поверхности и рассматриваемых в пределах участка, длина которого выбирается в зависимости от характера поверхности и равна базовой длине.

Для оценки шероховатости поверхности ГОСТ 2789--59 установлены следующие два параметра: среднее арифметическое отклонение профиля -Ra и высота неровностей -Rz.

Среднее арифметическое отклонение профиля Ra есть среднее значение расстояний (у1, у2,..., уn ) точек измеренного профиля до его средней линии

Ra =( У уi)/n

где уi - абсолютные (без учета алгебраического знака) расстояния до средней линии;

n -- число измеренных отклонений.

Высота неровностей R z характеризует среднее расстояние между находящимися в пределах базовой длины пятью высшими точками выступов и пятью низшими точками впадин, измеренное от линии, параллельной средней линии

R z =((h1+h3+…+h9) - (h2+h4+…+h10))/5

где h1, h3, …, h9--расстояние от высших точек выступов до линии, параллельной средней линии;

h2,h4,…,h10-- расстояние от низших точек впадин до линии, параллельной средней линии.

Шероховатость поверхности появляется в результате обработки независимо от метода и представляет собой сочетание наложенных друг на друга неровностей с различными шагами.

На эксплуатационные свойства деталей машин существенно влияет шероховатость обработанной поверхности, но не во всех случаях чисто обработанная поверхность является наиболее износоустойчивой, так как удержание смазки на поверхности деталей при различных условиях трения (в зависимости от нагрузки, скорости, материала сопрягаемых деталей и др.) зависит от микронеровностей поверхностей. Поэтому в зависимости от конкретных условий трения устанавливают оптимальную шероховатость поверхности.

На износоустойчивость поверхности влияют сопротивляемость поверхностного слоя разрушению и макрогеометрические отклонения, т. е. отклонения от геометрической формы, которые приводят к неравномерному износу отдельных участков.

Волнистость приводит к увеличению удельного давления, так как трущиеся поверхности соприкасаются с выступами волн; то же происходит и при микронеровностях поверхностей, причем выступы микронеровностей могут деформироваться -- сминаться или даже срезаться при движении одной трущейся поверхности относительно другой. Вершины микронеровностей могут вызывать разрывы масляной пленки, вследствие чего в местах разрывов создается сухое трение.

Во многих случаях прочность деталей машин зависит также от чистоты обработки. Установлено, что наличие рисок, глубоких и острых царапин создает очаги концентрации внутренних напряжений, которые в дальнейшем приводят к разрушению детали. Такими очагами могут являться также впадины между гребешками микронеровностей. Это не относится к деталям, изготовляемым из чугунов и цветных сплавов, в которых концентрация напряжений возможна в меньшей степени.

Прочность прессовых соединений также зависит от шероховатости и особенно от высоты микронеровностей; при запрессовке одной детали в другую фактическая величина натяга зависит от шероховатости поверхности и отличается от величины натяга при запрессовке деталей с гладкими поверхностями для тех же диаметров.

От шероховатости поверхности зависит также устойчивость поверхности против коррозии. Чем выше класс чистоты поверхности, тем меньше площадь соприкосновения с коррелирующей средой, тем меньше влияние среды. Чем глубже впадины микронеровностей и чем резче они очерчены, тем больше разрушающее действие коррозии, направленное в глубь металла.

Влияние качества поверхности на эксплуатационные свойства деталей машин.

Многие эксплуатационные свойства соединений деталей машин и аппаратов: износостойкость, контактная жесткость, коррозионная стойкость, усталостная прочность, герметичность, электро- и термоконтактное сопротивление и другие - зависят от топографических параметров микрогеометрии, свойств материалов и приложенной нагрузки.

Обеспечение надежности соединений деталей машин и аппаратов закладывается еще на стадии проектирования. Исследования показывают, что более 80% случаев выхода из строя машин и механизмов обусловлено процессами, происходящими в зоне контакта деталей. Из общего числа отказов, связанных с нарушением функционирования соединений деталей, 2/3 обусловлено конструкторско-технологическими дефектами, остальные - производственными дефектами и нарушением режимов эксплуатации.

Основными контактными характеристиками, обеспечивающими эксплуатационные свойства соединений деталей машин, являются сближение шероховатых поверхностей, относительная площадь контакта и объем зазоров в стыке, которые находятся в определенной взаимозависимости и определяются параметрами микрогеометрии и величиной сжимающих напряжений.

Одним из важнейших факторов, влияющим на скорость изнашивания, является качество сопряженных поверхностей. Чем больше удельная нагрузка и больше скорость скольжения, тем быстрее изнашиваются трущиеся поверхности.

Неточность изготовления, искажение формы, шероховатость и волнистость контактирующих поверхностей деталей приводят к тому, что площадь касания уменьшается и поэтому в точках касания возникают большие контактные натяжения, вызывающие пластические деформации. В целях устранения и уменьшения влияния неточности контактных поверхностей после сборки машины на заводе и в начальной стадии ее эксплуатации производят обкатку, т. е. заставляют машину работать сначала вхолостую, а затем с небольшими, постепенно увеличивающимися, нагрузками. В процессе обкатки площадь контакта увеличивается (происходит приработка) и качество контактных поверхностей улучшается.

2.2 Методы обработки плоских поверхностей и пути повышения качества поверхностного слоя деталей

Обработку плоских поверхностей можно производить различными методами на различных станках - строгальных, долбежных, фрезерных, протяжных, токарных, расточных, многоцелевых, шабровочных (лезвийным инструментом); шлифовальных, полировальных, доводочных (абразивным инструментом ).

Износостойкость определяет способность поверхностных слоев деталей сопротивляться разрушению при трении-скольжении, трении-качении, а также при микроперемещениях, обусловленных воздействием вибраций. Износостойкость во многих случаях можно повысить путём простого изменения вида обработки или даже режима резания или геометрии режущего инструмента. Повышению данного свойства деталей машин способствует предварительное упрочнение металла поверхностного слоя, которое уменьшает смятие и истирание поверхностей при наличии их непосредственного контакта, и взаимное внедрение поверхностных слоёв, возникающее при их механическом и молекулярном взаимодействии.

Усталостная прочность -- способность деталей машин сопротивляться разрушению в течение определенного промежутка времени при действии на них знакопеременных нагрузок. Данное свойство сильно зависит от шероховатости поверхностей деталей машин. Наличие на поверхности детали, работающей в условиях циклической и знакопеременной нагрузок, отдельных дефектов и неровностей способствует концентрации напряжений, которые могут превысить предел прочности металла. В этом случае поверхностные дефекты и обработочные риски играют роль очагов возникновения субмикроскопических нарушений сплошности металла поверхностного слоя и его разрыхления, являющихся первопричиной образования усталостных трещин. Данное свойство очень сильно зависит от величины, знака и глубины распространения остаточных напряжений поверхностного слоя. Многочисленными исследованиями установлено, что при наличии в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия предел выносливости детали повышается, а при наличии остаточных напряжений растяжения - снижается. Для сталей повышенной твёрдости повышение предела усталости благодаря действию сжимающих напряжений достигает 50%, а снижение его под действием растягивающих - 30%

Контактная жесткость определяет способность поверхностных слоев деталей, находящихся в контакте, сопротивляться действию сил, стремящихся их деформировать. Контактные перемещения составляют значительную часть в балансе перемещений машин и их узлов. Контактная жесткость оказывает влияние на точность работы приборов, на точность установки деталей на станках, в приспособлениях, на точность обработки и сборки деталей, то есть на качество машиностроительных изделий. Контактная жесткость в значительной степени зависит от качества поверхности сопрягаемых деталей

Весьма актуальной задачей является исследование технологических возможностей методов механообработки в повышении износостойкости деталей машин.

Качество поверхности деталей машин определяется методами и режимами механической обработки. Его показатели могут быть улучшены путем применения как обычных методов, осуществляемых на оптимальных режимах, так и отделочно-упрочняющих методов обработки.

На финишных операциях механической обработки окончательно формируется поверхностный слой деталей машин. Однако на результат этого формирования оказывают влияние предшествующие операции, включая заготовительные. Это свидетельствует о существовании технологической наследственности.

Технологической наследственностью называют перенесение на готовое изделие в процессе его обработки погрешностей механических и физико-химических свойств исходной заготовки или свойств и погрешностей, сформированных у заготовки на отдельных операциях изготовления детали.

Целенаправленное формирование поверхностного слоя с заданными свойствами является одной из важнейших задач технологического процесса механической обработки заготовок. Припуски на обработку, а также последовательность выполнения операций устанавливают с учетом технологической наследственности так, чтобы сохранить детали положительное качество (наклёп поверхностного слоя, высокую поверхностную твёрдость, остаточное напряжение сжатия и др.) или, наоборот, устранить отрицательные качества - дефектный слой, различные виды отклонения формы и расположения поверхностей, и др.

Управляя финишной операцией, можно получить поверхностный слой, отвечающий требованиям, заданным чертежом и техническими условиями.

Заданные требования достигаются также применением специальных отделочно-упрочняющих методов обработки деталей машин. Эти методы основаны на пластическом деформировании поверхностного слоя; благодаря их применению создаётся наклёп, обеспечивается повышение твёрдости поверхностного слоя, формируется остаточные напряжения сжатия, которые повышают усталостную прочность деталей.

Применение отделочно-упрочняющих методов обработки деталей машин способствует повышению их эксплуатационных свойств, что приводит к сокращению потребности в материалах, запасных частях и, в конечном счёте - к снижению расходов на изготовление и эксплуатацию машин.

В настоящее время применяют ряд методов для придания поверхностным слоям деталей машин соответствующих свойств: химико-термических, поверхностное легирование, поверхностную термическую обработку, покрытие поверхностей твёрдыми сплавами и металлами, металлизацию поверхностей и некоторые другие.

Существует достаточно большое количество различных технологических методов повышения качества поверхностей деталей. Наиболее распространенными из них являются гальванические и химические методы нанесения покрытий, такие как: хромирование, цинкование, кадмирование, меднение, свинцевание, никелирование, лужение, латунирование, оксидирование. Обеспечивая повышение эксплуатационных свойств, а так же, улучшая декоративный вид изделий, эти методы в то же время являются экологически небезопасными.

Технологический процесс изготовления деталей с покрытиями обычно включает следующие операции: механическую обработку для получения поверхностей необходимой точности и чистоты, обезжиривание и травление, промывку, осаждение на рабочую поверхность покрытия, термическую обработку. Неблагоприятным с экологической точки зрения является использование в составе электролитов для травления и нанесения покрытий сильных кислот. Например, в качестве электролита для хромирования обычно применяют хромовый ангидрид с добавками серной кислоты. Нерастворимые аноды изготовляют из свинца или сплава с сурьмой. При никелировании используется электролит из серно-кислого никеля и щавелево-кислого аммония. Травление ведут в электролите, состоящем из серной и фосфорной кислот. В состав электролита для оксидирования также входит серная кислота. Использование и последующая утилизация таких электролитов представляет собой сложную экологическую задачу.

Одним из способов ее решения является использование для повышения качества поверхностей деталей отделочно-упрочняющей обработки поверхностным пластическим деформированием, не оказывающей вредного экологического воздействия на окружающую среду. Это накатывание, обкатывание, раскатывание, выглаживание, виброобработка, динамическое упрочнение различных поверхностей деталей машин.

Накатывание, обкатывание и раскатывание осуществляют специальным инструментом, рабочими элементами которого являются шарики или ролики от подшипников или специально изготовленные. При давлении рабочего элемента на обрабатываемую поверхность детали происходит ее локальное пластическое деформирование в месте контакта. Наличие различных вращательных и поступательных движений позволяет обрабатывать различные поверхности (плоские, цилиндрические, фасонные). Обработку ведут на универсальных и специальных станках, станках с ЧПУ, полуавтоматах и автоматах.

Выглаживание производят инструментом, рабочим элементом которого является твердосплавный или алмазный индентор, скользящий по обрабатываемой поверхности. Этим методом можно обрабатывать все виды поверхностей от плоской до фасонной.

Виброобработка - это процесс накатывания, обкатывания, раскатывания шариками или алмазное выглаживание при наличии дополнительного осциллирующего движения рабочего элемента параллельно обрабатываемой поверхности. Варьирование амплитуды и частоты осцилляций рабочего элемента, наряду с изменением других режимов обработки, позволяет создавать на поверхности различные регулярные микрорельефы или системы канавок.

Динамическое упрочнение производят рабочими элементами в свободном состоянии или при их фиксированном положении. В качестве рабочих элементов при свободной обработке применяют дробь и шарики, стальные или стеклянные, при фиксированном положении шарики и ролики подшипников или специальные, в зависимости от обрабатываемой поверхности. При свободной динамической обработке рабочие элементы направляются на обрабатываемую поверхность воздушной струёй с помощью специальных устройств под действием центробежных сил или в вибробункерах.

В зависимости от функционального назначения изделия за счет изменения рабочего давления обработку можно производить на отделочных, упрочняющих и промежуточных отделочно-упрочняющих режимах.

Отделочная обработка осуществляется при небольших рабочих давлениях р > 1,5 sт и позволяет повысить несущую способность исходной шероховатости поверхности с 1--2% до 15--20%. Упрочняющую обработку производят при р > 3sт, при этом значительно повышается степень (до 180%) и глубина упрочнения. Обработка на промежуточных отделочно-упрочняющих режимах (1,5sт < р <3sт ) позволяет улучшить несущую способность параметров шероховатости и волнистости и повысить исходную поверхностную микротвердость на небольшую глубину.

Все методы обработки заготовок пластическим деформированием имеют широкие возможности в управлении параметрами состояния поверхностного слоя деталей машин, а, следовательно, и их эксплуатационными свойствами. На основании исследования закономерностей формирования поверхностного слоя при отделочно-упрочняющей обработке установлены основные взаимосвязи параметров состояния поверхностного слоя с параметрами обработки. И в зависимости от них разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров отделочно-упрочняющей обработки, обеспечивающих требуемый уровень параметров шероховатости поверхности с учетом основных эксплуатационных свойств -износостойкости и прочности. Рассмотренные методы являются экологически чистыми, безопасны для рабочих и не оказывают вредного воздействия на окружающую среду.

Вывод

При выборе износостойких материалов полезно пользоваться двумя правилами: наличием положительного градиента механических свойств и минимального внедрения контактируемого тела в сопряженную поверхность. Понижению интенсивности изнашивания способствует уменьшение коэффициента трения. Коэффициент трения определяет не только общую износостойкость материала, но и тип изнашивания. От величины коэффициента трения зависит температурный режим, играющий большую роль в процессе износа.

Наиболее выгодным типом износа является усталостный. При этом обеспечивается наибольшая износостойкость полимерных изделий.

Износ как по абразивному, так и по усталостному механизму зависит от физико-механических характеристик полимера, основными из которых являются модуль упругости Е, твердость, прочность, состав.

Весьма актуальной задачей является исследование технологических возможностей методов механообработки в повышении износостойкости деталей машин.

Качество поверхности деталей машин определяется методами и режимами механической обработки. Его показатели могут быть улучшены путем применения как обычных методов, осуществляемых на оптимальных режимах, так и отделочно-упрочняющих методов обработки.

Литература

1. Бартенев Г.М., Лаврентьев В.В. Трение и износ полимеров. М.: Химия, 1972. 240 с.

2. Горячева И.Г., Добычин М.Н. Контактные задачи в трибологии. М.: Машиностроение 1988. 256 с.

3. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. М.: Машиностроение, 1981. С. 244.

4. Основы трибологии. / Под ред. А.В. Чичинадзе. М.: Машиностроение. 2001. 664 с.

5. Демкин Н.Б., Удалов С.В., Алексеев В.А., Измайлов В.В., Болотов А.Н. Контакт шероховатых волнистых поверхностей с учетом взаимного влияния неровностей //Трение и износ. 2008. № 3. С. 231-238.

6. Суслов А. Г. Качество поверхностного слоя деталей машин. М.: Машиностроение, 2000. 320 с.

7. Технология машиностроения: В 2 т. Т. 1. Основы технологии машиностроения: Учебник для вузов /В.М. Бурцев, А.С. Васильев, А.М. Дальский и др.; Под редакцией А.М. Дальского. 2-е изд., стереотип. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001; 564 с, ил

Размещено на Allbest.ru

...