ВПЛИВ ЯКОСТІ ПОВЕРХНЕВОГО ШАРУ НА ЕКСПЛУАТАЦІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ ВИРОБІВ

Улаштування та експлуатація продукції машинобудування самого різного призначення переконливо довели пріоритетний вплив параметрів стану поверхневого шару (ПСПС) на надійність і довговічність деталей машин і, отже, виробів в цілому. Постійне збільшення навантажень, швидкостей, температур, агресивності середовищ та інших факторів експлуатації зобов'язує конструкторів і технологів, які займаються підготовкою виробництва машин, нести безперервну відповідальність.

На сьогоднішній день можна назвати десятки експлуатаційних умов, в яких працюють різні деталі і їх з'єднання. Це стосується продукції таких традиційних обробних галузей, як автомобілебудування, сільгоспмашинобудування, авіа- і суднобудування, нафтогазова галузь і т.д., а також виробництва приладів, медичного обладнання, космічної техніки і виробів оборонного призначення.

Аналіз працездатності багатьох машин, механізмів, приладів, їх реального ресурсу, свідчить про те, що в значній кількості ситуацій навіть чітке виконання технологом і виробничим персоналом вимог по точності і шорсткості, заданої на кресленнях, а також твердості поверхні не гарантує надійної і довговічною роботи деталі або з'єднання.

В даний час від технолога потрібне глибоке розуміння фізичних явищ, що відбуваються в процесі обробки, і вміння шляхом проектування оптимальних маршрутних і операційних технологічних процесів забезпечувати необхідні експлуатаційні показники вироби.

Ці завдання були б зведені до мінімуму, якщо б всі відповідальні поверхні деталей машин покривалися захисними покриттями на основі гальванічних, вакуумних, напилюються і інших технологій. Але переважна кількість деталей не піддається подібним обробок по функціональними, економічними та екологічними причинами.

Подібне становище і визначає підвищені вимоги до сучасних методів обробки деталей машин.

історичний екскурс

Відомо, що до 85% машин виходить з ладу через знос деталей. Витрати на ремонт техніки і обладнання в нашій країні складають гігантські суми, часом можна порівняти із затратами на виготовлення нових виробів і навіть перевищують їх.

Трудомісткість ремонту і технічного обслуговування багатьох будівельних і дорожніх машин за термін їх служби в 10-15 разів перевищує трудомісткість їх виготовлення. Ремонтом техніки і її обслуговуванням в країні зайнято кілька мільйонів чоловік.

Унаслідок зносу транспортні засоби втрачають до 40% свого моторесурсу і не здатні забезпечити заплановані терміни експлуатації.

Триботехника (наука про тертя), як і інші науки, невпинно розвивається. Етапи її розвитку пов'язані зі створенням корабельної техніки, металообробній промисловості, залізничного транспорту, автомобільної промисловості, авіації і космонавтики.

У Росії основи науки про терті і зношуванні були закладені в період організації Російської академії наук. Великий вчений М. В. Ломоносов сконструював прилад для дослідження зчеплення між частинками тел "довгим стиранням", який став прототипом сучасних приладів для визначення зносостійкості матеріалів. М. В. Ломоносов є основоположником теорії зношування матеріалів і ес пери ментальних досліджень в цій області, він пов'язав поняття про міцності з уявленнями про силах зв'язку між частинками. Займаючись підбором матеріалів для опор годинникових механізмів, М. В. Ломоносов вказав на доцільність застосування для цієї мети скла.

Великий внесок в науку про терті вніс Л. Ейлер. Виведені їм залежності про терті гнучкою нерастяжимой нитки, перекинутої через шків, досі застосовують у всьому світі при розрахунку сил тертя в елементах з гнучкою зв'язком.

Світову популярність здобули роботи Н. П. Петрова з теорії мастила підшипників. Над проблемою мастила працювали М. К. Жуковський і С. А. Чаплигін, математично розробили питання про теорію мастильного шару.

У період розвитку індустрії в Радянському Союзі широко розгорнулися роботи в області триботехники. Перший огляд про розвиток вчення про терті і зношуванні в нашій країні був виконаний в 1947 р професором Ленінградського політехнічного інституту А. К. Зайцевим у книзі "Основи вчення про терті, знос і мастилі машин". У 1956 р І. В. Крагельський і В. С. Щедре опублікували монографію "Розвиток науки про терті", в якій зазначають, що тертя представляє собою складну сукупність багатьох фізичних явищ, і розкривають шлях розвитку наукової думки в цьому напрямку з XVI в . до 40-х рр. минулого століття. Монографія про терті без мастильного матеріалу написана зазначеними авторами з першоджерел з глибоким аналізом російських і зарубіжних робіт і отримала визнання в багатьох країнах.

У 1957 р в збірнику "Теоретичні основи конструювання машин" М. М. Хрущов представив огляд про "Розвиток вчення про зносостійкості деталей машин", в якому послідовно виклав просування робіт в області зносостійкості по окремим, найбільш розробленим питань проблеми. Розглянуто такі основні положення: розвиток уявлень про причини і процеси зношування; дослідження впливу шорсткості обробленої поверхні деталей машин на знос металів; дослідження абразивного зношування і зношування при схоплюванні; методи випробування на зношування; антифрикційні матеріали і методи розрахунку деталей машин на знос.

Б. І. Костецький та його учні в 1976 р в книзі "Поверхнева міцність матеріалів при терті" узагальнили роботи але вивчення процесів тертя і поверхневого руйнування, а також з питань освіти вторинних структур при терті в умовах граничного змащення.

В історичній ретроспективі спочатку вивчався вплив шорсткості поверхні на таку найважливішу експлуатаційну характеристику, як зносостійкість. З усіх відомих умов роботи пар деталей в умовах тертя ковзання (сухе, рідинне і граничне тертя) в переважній більшості випадків відповідальні трибосопряжений працюють в умовах граничного тертя, при якому між двома поверхнями, що труться присутній шар мастила, що зменшує коефіцієнт тертя, але і не виключає періодичний контакт матеріалів деталей.

Розглянемо типовий графік зносу таких поверхонь (рис. 5.23).

Залежність зносу поверхонь твердих тіл від шляху тертя

Мал. 5.23. Залежність зносу поверхонь твердих тіл від шляху тертя

Тут виділяються три зони: / - період підробітки, під час якого обидві поверхні як би пристосовуються до заданим режимам експлуатації (навантаження, швидкості ковзання, температури, складу і кількість мастила і т.п.). Цей період характерний інтенсивним зносом, який закінчується формуванням структурно-фазових і хімічних властивостей поверхневого шару, а також висотних і крокових параметрів шорсткості обох поверхонь, характерних тільки для даної пари тертя і перерахованих умов. Причому, гак звана оптимальна шорсткість може встановитися тільки на оптимальній структурі матеріалу (розмір зерна, орієнтація, щільність дислокацій і т.п.). Далі слід так званий період стабільного або нормального зносу (зона II), який відрізняється мінімальним його збільшенням. Цей період і визначає життєвий цикл деталі або в цілому трибосистеми, який часто називають се ресурсом. Період III роботи пари тертя називають ділянкою катастрофічного зносу, при якому різко зростають запроектовані зазори, і подальша експлуатація даної пари стає неможливою.

Крім вимірювання зносу в одиницях довжини (так званий лінійний знос), він може бути визначений і шляхом обліку втрати маси деталі або зразка, і відповідно вимірюється в г або мг.

Досить часто знос поверхні характеризують відносним зносом, який визначається відношенням величини зносу до шляху тертя. Його величина для деяких поверхонь реальних деталей знаходиться в межах .

Вплив стандартних параметрів шорсткості на величину зносу носить екстремальний характер (рис. 5.24).

Такий вигляд кривої зносу пов'язаний зі складним характером зміни коефіцієнта тертя в часі. Аналітично коефіцієнт тертя представляють у вигляді суми двох складових

(5.37)

де - коефіцієнт тертя сполучення; - деформационная складова; - молекулярна складова.

При наявності на поверхнях тертя високих мікронерівностей відбувається їх інтенсивна деформація і основну частку в величині состав-

Залежність зносу технологічного поверхні від шорсткості

Мал. 5.24. Залежність зносу технологічного поверхні від шорсткості

ляст його деформационная складова . При дуже малій шорсткості в величину найбільший внесок вносить молекулярна складова, яка визначається адгезійними зв'язками в місцях металевого контакту. Значне зростання цих зв'язків визначають і різко погіршуються умови мастила поверхонь через неможливість гарантованого присутності в системі навіть дуже тонких мастильних плівок. Так, якщо шорсткість обох контактуючих поверхонь дорівнює порядку 0,008-0,01 мкм, то частка металевого контакту в даній парі тертя може досягати 85-90%. Таким чином, в кожній конкретній парі тертя неминуче на поверхнях деталей існує зона оптимальної шорсткості, при якій коефіцієнт тертя мінімальний, і відповідно спостерігається найменший знос або найбільша зносостійкість. Але слід пам'ятати, що так звана оптимальна шорсткість формується тільки на оптимальній структурі поверхневого шару, характерного для даних умов експлуатації.

Вплив твердості поверхонь на величину зносу сполучення виражається в більш інтенсивному зносі "м'якої" поверхні. Це властивість враховується конструкторами, які призначають матеріали контактуючих деталей і їх термообробку з таким розрахунком, щоб при експлуатації швидше зношувалися легко замінна і дешевша деталь. Класичним прикладом такого підходу є деталі циліндро-поршневої групи двигунів внутрішнього згоряння - комплект поршневих кілець - втулка блоку циліндрів. У цій парі тертя до повного зносу робочої поверхні втулки, як правило, за період роботи двигуна кілька разів змінюється комплект поршневих кілець.

Вплив технологічних залишкових напруг на зносостійкість поверхонь при терті ковзання незначно. Напруги першого роду будь-якої величини і знака вже в період підробітки поверхонь тертя релаксируют під дією експлуатаційних навантажень і температур. Подальша робота пари тертя формує на контактуючих поверхнях залишкові напруги стиску, величина яких залежить від діючих навантажень, температур і напружень плинності матеріалів і не залежить від технологічних напружень.

Фазовий і хімічний склад поверхонь визначає молекулярну складову коефіцієнта тертя, яку намагаються зменшити шляхом підбору сполучених матеріалів за принципом: фазовий і хімічний склад контактуючих поверхонь повинен мати мінімальне число співпадаючих елементів і ознак.

Вплив ПСПС на опір втоми значно відрізняється від їх впливу на зносостійкість. Так, висотні параметри шорсткості не впливають на опір втоми на відміну від такого параметра, як радіус западини мікрорельєфу. Це пояснюється тим, що при знакозмінних навантаженнях якраз западина є концентратором напружень і чим радіус западини менше, тим концентратор більше, і ймовірність зародження втомної тріщини в цій зоні вище. Це підтверджують і залежно Г. Нейбера, який запропонував формулу, яка встановлює аналітичну зв'язок між концентратором напружень і параметрами мікрорельєфу:

• при крученні і зсуві

(5.38)

• при розтягуванні і вигині

(5.39)

де - концентратор напружень; - коефіцієнт, що залежить від ставлення кроку нерівностей до висоти - радіус западини мікрорельєфу.

Для чистових і обробних методів обробки коефіцієнт можна приймати рівним 1.

Середній радіус западини мікрорельєфу можна розрахувати за формулою

(5.40)

Найбільш сприятливим для поверхні деталі, що працює в умовах циклічного навантаження, є мікрорельєф з великим (понад 10) співвідношенням кроків нерівностей до їх висоті. Подібне співвідношення надійно забезпечується більшістю методів остаточної обробки поверхонь деталей з підвищеними вимогами по опору втоми.

Втомна міцність деталей залежить від глибини і ступеня наклепу поверхневого шару. Так, межа витривалості сталевих зразків із ступенем наклепу 115-120% підвищується на 15-20%, а тих же зразків, підданих полированию, на 20-25%.

Подібна закономірність спостерігалася і при випробуваннях інших матеріалів після аналогічного технологічного впливу. Це пояснюється тією обставиною, що зародження втомної тріщини відбувається не на поверхні безпосередньо, а на деякій глибині від неї, і при наявності більш твердого поверхневого шару потрібні великі діючі напруги для переростання макротріщини в магістральну, що руйнує зразок в найбільш навантаженому перерізі. Полірування такої поверхні, практично, виключає наявність концентраторів напруги через наявність великих радіусів западин микронеровностей, характерних для полірованих поверхонь.

Однак занадто великі ступеня наклепу можуть привести до зворотного результату. Так, в поверхнях деталей, підданих накочуванням або алмазного вигладжування і мають ступінь наклепу 160-180%, межа витривалості може бути менше, ніж після токарного оброблення або шліфування.

Подібне явище можна пояснити наявністю дуже дрібного зерна в металі поверхневого шару і високої щільності дислокацій, близькою до критичних значень (див. Параграф 5.1). Такий стан металу не має резервів для пластичного деформування, і дуже скоро він переходить в режим крихкого руйнування. У реальній практиці експлуатації машин, коли фізика цих процесів була недостатньо вивчена, цей ефект називався перенаклепом. У сучасній діяльності технологи з великою відповідальністю підходять до призначення умов зміцнюючих методів обробки.

Вплив технологічних залишкових напруг на межу витривалості конструкційних матеріалів досліджено досить глибоко, і зроблені конкретні висновки, які свідчать про тривалий вплив стискають поверхневих напружень і негативний вплив розтягують.

Для сталей підвищеної твердості підвищення межі втоми зразків з поверхневими стискають напругами досягає 50%, а зниження під дією розтягуючих відбувається на 30%.

Корозійна стійкість (КС) деталей машин також залежить від якості технологічного поверхневого шару, яка може бути визначена комплексним параметром КС, що характеризує швидкість корозії поверхні деталі після механічної обробки:

• для термічно необроблених виробів

(5.41)

• термоупрочнение деталей

(5.42)

де - параметри якості поверхневого шару, R v - нестандартний параметр шорсткості (відстань від середньої лінії до лінії западин); і HB - твердість матеріалу відповідно до і після термоупрочнения; і - коефіцієнти, що залежать від марки матеріалу (для низьковуглецевих сталей ; для середньовуглецевих сталей ). У табл. 5.16 наведені діапазони значень параметра КС для деяких методів обробки.

Таблиця 5.16

Значення комплексного параметра швидкості корозії зовнішніх поверхонь обертання в залежності від методу обробки

метод обробки

КС

обточування чистове

3,2-7,3

шліфування тонке

4,9-8,9

Суперфінішування

2,0-4,9

полірування

1,0-2,7

обкатування

2,9-9,7

Алмазне вигладжування

17-4,9

Розглянуті в цьому параграфі експлуатаційні умови (зносостійкість, втомна і корозійна стійкість) переконливо свідчать про реальну можливість управління ресурсом деталей машин за допомогою технологічних методів обробки їх поверхонь.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >