2. Качество деталей машин

В отличие от качества изделий качество отдельной детали квалифицируют по степени её соответствия чертежу, техническим требованиям и условиям на её приемку. При этом в самом общем случае указывают следующие показатели качества:

• точность изготовления;

• рельеф поверхностей (микрогеометрию);

• физико-химическое и физико-механическое состояние материала;

• действительное состояние поверхностных слоев всех функциональных (в первую очередь) и прочих поверхностей.

Рассмотрим каждый показатель качества деталей подробнее.

Под точностью изготовления понимают степень приближения действительных (фактических) параметров детали к их теоретическим (расчётным) значениям. Точность изготовления детали по геометрическим параметрам оценивают величиной расхождения её действительных размеров, форм и взаимного расположения поверхностей с их заданными значениями, указанными на рабочем чертеже и в технических требованиях или установленными эталоном (эталонной деталью). Отступление геометрических параметров реальных деталей от проектных (теоретически необходимых) значений называют погрешностями. Погрешности могут возникать на всех стадиях изготовления, хранения и эксплуатации деталей в результате структурных превращений материала, его старения, износа и других причин.

Пример. Чертеж конца ступенчатого вала с размерами диаметров d₁ и d₂ и длин l₁ и l₂ изображён на рис. 34,а. Символам: ЕСКД обозначены технические требования к точности форм и расположению поверхностей (указаны допуски круглости шеек и предельные значения биений поверхностей относительно базы [А]). В результате исполнения неудачно спроектированного технологического процесса механической обработки исходной заготовки на шейках вала (1) и (2) образовались погрешности формы в виде вогнутостей (седловидности) и соответственно (см. рис. 34,б); поверхности (1) и (2) оказались на величину е несоосными (эксцентричными) друг к другу, а их торцы (3) и (4) непараллельны между собой и неперпендикулярны к оси вала. От величин эксцентриситета е и углов перекоса торцов ₁ и ₂ будут зависеть действительные значения радиальных и торцовых биений этих поверхностей относительно базы [А] .

Достичь абсолютной точности в производстве не удаётся, поэтому в целях ограничения предельных значений погрешностей конструкторы устанавливают соответствующие допуски: на размеры – выбранным квалитетам точности; на отклонения форм и расположение поверхностей – соответствующие требуемым степеням точности.

Идеально ровные поверхности и поверхности с макро геометрическими отклонениями изображены на рис. 34,а и б. К макрогеометрическим отклонениям в машиностроении относят, в первую очередь, все погрешности форм: некруглость, нецилиндричность, выпуклость, вогнутость, непрямолинейность и прочие, в также погрешности в расположении поверхностей.

Реальным поверхностям деталей машин, кроме рассмотренных макрогеометрических отклонений, всегда присуще наличие на них так называемых микрогеометрических отклонений теоретического профиля.

Микрогеометрия определяет рельеф поверхностей детали в целом и на отдельных участках. Основными показателями рельефа поверхности служат шероховатость и волнистость. Шероховатость поверхностей согласно ГОСТ 2789-73 характеризуется высотой профиля R_i (R_a, R_z, R_max), шагом неровностей S_i (см. рис. 1,в) и другими параметрами.

Волнистостью называют совокупность периодически повторяющихся неровностей поверхности, которые образуются главным образом из-за вибраций или относительных колебательных движений в системе станок - приспособление - инструмент - деталь. Измеряют её в сечениях, перпендикулярных к поверхности. Согласно рекомендациям по стандартизации PC 3951-73 волнистость характеризуют величиной среднего шага S_w и высотой волнистости W_i (W_z или W_max). Считают, что у волнистости величина среднего шага и высота волнистости (волн) значительно больше аналогичных показателей шероховатости, а их отношение находится в пределах 40…1000.

Рельеф поверхностей часто оказывает решающее влияние на долговечность, износостойкость и несущую способность поверхностей деталей машин. В ответственных случаях наряду с нормированием шероховатости ограничивают допусками волнистость поверхностей, а также указывают требуемые типы направления неровностей. В других случаях волнистость рассматривают как часть отклонения формы поверхностей, а рельеф поверхности в целом – как элемент геометрической точности детали.

Физико-химические свойства материала, например состав сплава, т.е. количество и процентное содержание входящих в него компонентов и их взаимосвязь в кристаллической решётке, жидкотекучесть, красноломкость и прочие, зависят от наименования материала и отвечают техническим требованиям, установленным государственным стандартом на соответствующую марку используемого материала.

Физико-механическое состояние: прочность, твердость, упругость или хрупкость и другие характеристики во многом зависят от вида термообработки, применяемого к данной марке материала, и определяются главным образом назначением и условиями роботы детали. Например, корпусы редукторов, отлитые из серого чугуна или алюминия, термообработке, как правило, не подвергают; оси, валы, зубчатые колёса из конструкционных сталей 45 или 40Х обязательно термообрабатывают, добиваясь нужного физико-механического состояния сплава (  = 2…13 МПа, HRC 40…45 единиц и более и т.д.).

Особое значение для длительной и надёжной работы детали в изделии имеет состояние её поверхностей. Механические свойства поверхностного слоя любой детали чаще всего отличаются от свойств основного материала. В результате выполнения различных заготовительных технологических процессов, таких как литьё, горячая и холодная штамповка, ковка, волочение и других, на поверхностях заготовок могут оставаться следы формовочной земли, отбел, перлитная корка, окалина, обезуглероженные зоны и др. После механической обработки на поверхностях детали наблюдается слой изменённой структуры, с повышенной или пониженной твёрдостью, остаются растягивающие или сжимающие напряжения, возникают наклёп (уплотнённый слой) и прижоги, существенно изменяющие свойства металла.

Возможные изменения свойств металла в поверхностных слоях по-разному сказываются на работоспособности детали: одни приводят к повышению долговечности и циклической прочности, увеличивают износостойкость; другие снижают придел усталости и несущую способность, способствуют увеличению потерь на трение и т.д.

Обоснование комплекса технических требований к состоянию функциональных и других поверхностей деталей при проектировании и строгое их выполнение при изготовлении, позволяют существенно повысить показатели качества многих деталей.

Таким образом, для получения детали с заданными показателями качества нужно правильно подобрать материал, научиться управлять точностью обработки и нормированием рельефа поверхности с необходимыми физико-механическими свойствами. Конструкторы и технологи должны уметь успешно решать эти задачи.