4.4. Влияние качества поверхности на эксплуатационные свойства деталей машин
Обеспечение заданного качества машин и длительное сохранение его первоначального уровня во многом зависит от качества поверхностей их деталей. Основная причина (80%) выхода из строя машин это износ рабочих поверхностей сопряженных деталей. Значительно реже наблюдается поломки деталей из-за некачественного изготовления или их конструктивного несовершенства или заниженной усталостной прочности.
В период нормальной эксплуатации износ определяется физико-механическими свойствами поверхностного слоя и режимами работы трущейся пары (скорость скольжения, нагрузка, характер смазки).
Особенно большие износы происходят при частых пусках машин, когда нарушается режим смазки сопрягаемых поверхностей. Нередко это связано с их задирами и схватыванием.
На первичный износ сопрягаемых деталей влияет форма и высота микронеровностей, направление рисок (штрихов) обработки относительно направления скольжения поверхностей, волнистость и макрогеометрические отклонения поверхностей трения.
Влияние этих факторов по-разному проявляется при сухом, граничном и жидкостном трении. Островершинные микронеровности изнашиваются быстрее плосковершинных.
В этом смысле пришабренные поверхности лучше притертых, т.к. в них имеются своеобразные углубления (карманы), удерживающие смазку. Хорошее удержание смазки обеспечивается слоем пористого хрома, пористой структурой металлокерамических деталей, а также системой мелких маслоудерживающих каналов, получаемых виброобкатыванием.
Большое влияние на износ и сокращение продолжительности работы трущейся пары оказывает волнистость и макрогеометрические погрешности сопряженных поверхностей. Эти дефекты уменьшают поверхности контакта и увеличивают удельные нагрузки против расчетных. Уменьшая волнистость и макрогеометрические погрешности можно увеличить срок службы соединения в 1,5 – 2 раза.
Износ уменьшается после термической и химико-термической обработки деталей (поверхностная закалка, борирование, цементация, ционирование, диффузионное хромирование, сульфидирование и др.), наплавкой твердых сплавов, а также гальваническим нанесением твердых покрытий (хромирование). Износостойкость чугунных деталей повышают созданием на поверхностях трения отбеленной корки.
На уменьшение износа влияет твердость структуры и химический состав поверхностного слоя. Наличие в нем остаточных напряжений на износ от трения скольжения сказывается слабо. Однако износ может изменять остаточные напряжения в поверхностном слое детали.
Наличие наклепа и остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое повышает предел выносливости материала ответственных деталей (пружины, торсионные валы).
Наклеп, возникает в результате механической обработки сопровождающеейся пластическим деформированием уменьшает износ поверхности в 1,5 – 2 раза.
Наклеп поверхностного слоя оценивается глубиной h и степенью наклепа U, интенсивность наклепа по глубине не поверхностного слоя – называется градиентом наклепа Uгр
;
;
где Нmax и Нисх – максимальная и исходная микронеровность слоя.
В случае перенаклепа (при высокой Н )износ возрастает в результате возникновения шелушения частиц металла.
Остаточные напряжения сжатия – уменьшают износ, растяжения – увеличивают. Для подшипников качения важно, чтобы направление волокон материала колец было параллельно (концентрично) поверхности колец.
Шероховатость поверхности влияет на прочность деталей, работающих в условиях циклической и знакопеременных нагрузок. Впадины микропрофиля являются своеобразными надрезами на поверхности и в значительной степени влияют на концентрацию напряжений и образование усталостных трещин. Для устранения этих дефектов для ответственных деталей выполняют отдельную дополнительную обработку (шатуны, коленчатые валы, диски и роторные турбины). Влияние шероховатости поверхности на точность очень заметна у заготовок из высокоуглеродистых сталей, работающих при ударной нагрузке.
От качества поверхности зависит контактная жесткость стыков сопрягаемых деталей. Шероховатость и волнистость поверхностей уменьшает фактическую площадь контакта, который происходит по отдельным участкам. Несущая поверхность детали зависит от шероховатости и метода обработки (микрорельефа). Rz=2,5-8 мкм (разверт и шлифов) – 10%; Rz=0,8-2,5 мкм – 40%.
При алмазном точении и обычной притирке – 63%, а в результате тонкого шлифования, смазочного выглаживания, тонкой притирке и суперфиниша – 80-90%.
Для повышения контактной жесткости необходимо:
применять методы отделочной обработки;
обеспечивать совпадение направления неровностей;
повышать твердость поверхностного слоя созданием в нем наклепа.
Прочность сопряжений с натягом во многом зависит от шероховатости поверхностей. При заприсовке происходит смятие микронеровностей и фактический натяг уменьшается против расчетного. При посадке с натягом осуществляемой с тепловым воздействием, смятие микронеровностей не происходит. Прочность таких посадок выше, чем при обычной запрессовке стой же величиной натяга.
На коррозионную стойкость влияют:
шероховатость;
остаточные напряжения;
наклеп, т.е. влияет метод обработки.
Чем выше Ra, Rz тем коррозионная стойкость ниже.
Режим ППД может повысить коррозионную стойкость (залечивание микротрещин, благоприятная шероховатость, остаточные напряжения сжатия и т.д.).
Сопротивление коррозии и эрозии при высоких температурах достигается плазменным напылением, гальвано и др. покрытий.