ностей (шероховатости) от волнистости можно установить по шагу неровности и отношению шага к высоте неровностей. Появление волнистости связано с неравномерностью подач и вибрацией станка, изделия и инструмента. Процесс образования микронеровностей обусловлен взаимодействием режущего инструмента с обрабатываемым изделием – снятием стружки. Различают продольную (в направлении движения резца) и поперечную (перпендикулярную к движению резца) шероховатости.
Величина микронеровностей при обработке режущим инструментом зависит от режима резания (подачи и скорости), механических свойств обрабатываемых материалов, геометрической формы режущего инструмента, жесткости системы «станок – изделие – инструмент». На основании исследований геометрических характеристик поверхности после технологической обработки создана классификация качества поверхности по классам чистоты (ГОСТ 2789-59, ГОСТ
2940-63).
Субмикрогеометрия характеризует вид неровностей, механизм возникновения которых связан с внутренним строением металла и несовершенствами его тонкой структуры. Субмикроскопический рельеф рассматривается на участках поверхности от одного до нескольких микрометров.
Объективная оценка геометрических параметров поверхностей деталей машин должна включать характеристики макро-, микро- и субмикрогеометрии с учетом природы и механизмов образования геометрических несовершенств, т. е. с разделением на составляющие, связанные с механической обработкой, внутренним строением и нагружением при эксплуатации. От качества поверхности, обусловленного технологией обработки, зависят условия последующей эксплуатации поверхностей деталей машин, работающих при воздействии знакопеременных нагрузок, коррозионных сред, переменных температурных полей и других факторов, а также сохранение между сопряженными деталями заданных посадок в процессе эксплуатации.
Для деталей, работающих в узлах трения, технологический рельеф имеет значение только для начальной работы трущихся сопряжений (периода приработки). Попытки использования характеристик технологического рельефа для изучения общих закономерностей трения, смазки и износа не дали удовлетворительных результатов, так как роль технологического рельефа в процессах трения и изнашивания существенно ограничивается тем обстоятельством, что в эксплуатации технологический рельеф быстро исчезает. Геометрические
50
параметры поверхности под воздействием пластической деформации в результате возникновения вторичных структур и разрушения поверхностей при трении коренным образом изменяются. Образуется новая топография поверхности, не имеющая ничего общего с исходной. Кроме того, характеристики технологического рельефа отражают только макроскопическую сторону явлений.
При нормальных условиях эксплуатации и установившемся процессе динамического равновесия возникновения и разрушения тонких пленок вторичных структур топография поверхности трения характеризуется микроскопическим и тонким субмикроскопическим рельефом. Характеристики субмикроскопического рельефа, образующегося при трении, являлись теми не учитывающимися факторами, без которых невозможно достаточно объективное и полное понимание процессов трения, смазки и изнашивания. Идея о физическом или рабочем рельефе, главной характеристикой которого является субмикрорельеф, положена в основу оценки качества поверхностей при эксплуатации. Кроме геометрических характеристик, качество поверхности деталей машин определяется механическими, физическими и химическими свойствами тонких поверхностных слоев и их напряженным состоянием. Эти слои характеризуются, как правило, структурой, отличной от основного материала изделия, что обусловлено тремя основными причинами:
а) особым состоянием атомов поверхности, следствием чего является наличие свободной поверхностной энергии и большая адсорбционная активность;
б) суммой механических, тепловых и физико-химических воздействий на поверхность металла при окончательных и предварительных операциях технологической обработки;
в) повторными (циклическими) механическими, тепловыми и физико-химическими воздействиями на поверхность при нагружении трением и другими видами воздействий при эксплуатации. В процессе технологической обработки деталей резанием, шлифованием и другими методами происходит весьма интенсивная пластическая деформация металла. В его локальных объемах возникают высокие температуры, поверхность металла испытывает физико-химическое воздействие рабочих сред, СОЖ, кислорода воздуха. В таких условиях поверхностные слои обрабатываемого металла на глубине от долей до десятков микрометров резко изменяют свои свойства. Применение различных специальных методов окончательной обработки поверхно-
51
стей деталей позволяет изменять их физико-химические и механические свойства в нужном направлении.
Условия физико-химико-механического взаимодействия при технологической обработке и при эксплуатации, особенно при трении, принципиально различны. Отличаются они, главным образом, спецификой механического контакта. Механические условия формирования поверхности характеризуются, в первую очередь, эпюрой напряжений в поверхностном слое. Важным следствием механического нагружения является нагрев. В зависимости от механики контакта проявление роли структуры и адсорбции при формировании поверхности глубоко специфично. В общем случае формирование рельефа и качества поверхности определяется суммой механических, тепловых и физико-химических воздействий на поверхность металла. Из-за существенного различия этих воздействий при технологической обработке и при нагружения трением возникают принципиально различные вторичные структуры и типы рельефов – технологический и эксплуатационный.
Оптимальный технологический рельеф отвечает следующим требованиям:
а) эпюра напряжения должна обеспечить образование новых поверхностей при максимальном разрушении и равномерном упрочнении поверхностного слоя;
б) условия среды должны обеспечить снижение поверхностной энергии, облегчение выхода дислокаций на поверхность, пластифицирование и локализацию деформаций в тонких поверхностных слоях;
в) структурное состояние поверхностного слоя после обработки должно характеризоваться однородностью при минимальной плотности несовершенств внутреннего строения или при их равномерном распределении.
Оптимальный эксплуатационный рельеф:
а) структурное состояние должно обеспечить образование однородного текстурированного слоя ультрадисперсного строения минимальной толщины;
б) поверхность должна быть достаточно активизирована для протекания явления структурной приспособляемости, устойчивость которого во время трения обусловливается динамическим равновесием процессов образования и разрушения вторичных структур; а также для образования эпитаксиального граничного слоя смазки;
52
в) эпюра напряжений должна соответствовать максимально возможной деконцентрации внешнего нагружения поверхности металла, обеспечивающей равномерность образования текстур и минимальное разрушение пленок окислов.
Получение оптимального эксплуатационного рельефа и формирование рабочего состояния поверхностного слоя в целом связано с исходным технологическим рельефом и состоянием поверхностного слоя.
6.3.Конструкционные методы повышения надежности
идолговечности машин
При разработке схем важнейшими, с точки зрения надежности и долговечности, являются требования простоты и рациональной компоновки основных узлов, технологичности и ремонтопригодности конструкции. Разрабатываемая конструкция должна отвечать требованиям технической эстетики и быть удобной в эксплуатации.
При разработке мероприятий по обеспечению прочности необходимо иметь в виду, что эта проблема имеет два аспекта: объемный и поверхностный.
Вопросы объемной прочности разработаны достаточно полно. Изучены физические механизмы процессов хрупкого, вязкого, усталостного разрушения и ползучести, предложены инженерные методы расчета деталей машин на прочность.
Однако обеспечение объемной прочности не гарантирует поверхностную прочность деталей. Физические механизмы процессов поверхностного разрушения деталей машин при изнашивании, эрозии и коррозии коренным образом отличаются от объемных. Это вызывает основные трудности при выборе материалов и их сочетаний в узлах машин.
6.4.Технологические средства повышения долговечности
иэксплуатационной надежности машин
Впроцессах изнашивания, усталостного, коррозионногo, эрозионного и кавитационного разрушений важную роль играют состояние
исвойства тонкого поверхностного слоя деталей машин, от которых зависит характер образующихся вторичных структур и развитие явле-
53
ния структурной приспособляемости материалов в процессе эксплуатации. Формирование этого слоя происходит при окончательной обработке деталей. В настоящее время разработано много способов изменения состояния, структуры и свойств тонкого поверхностного слоя деталей машин. Применение их с учетом конкретных условий работы позволяет формировать поверхностный слой деталей с наперед заданными свойствами, в результате чего значительно повышается надежность и долговечность машин.
Прочность, износостойкость, стойкость против усталости и коррозии и другие свойства деталей машин, обусловливающие определенный уровень долговечности и эксплуатационной надежности машин в целом, зависят не только от химического состава сплавов, применяемых для изготовления деталей, но в большей мере от технологии производства этих сплавов, изготовления заготовок и окончательной обработки деталей. Физико-механические свойства металла в первую очередь определяются факторами, связанными с процессом изготовления этого металла. Технология каждого способа плавки стали имеет свои особенности. Поэтому структура стали, наличие различных дефектов в ней, а также наличие вредных примесей, их природа и качество зависят от способа плавки.
В машиностроении применяют стали, полученные при различных способах плавок (в конвертерах, мартеновских печах, электропечах), а также стали, подверженные различным видам вторичной переплавки (электрошлаковой, вакуумно-дуговой и вакуумно-индукционной). Среди них наиболее высокими эксплуатационными свойствами обладают стали, подверженные вторичной переплавке, и, особенно, вакуумной, главным образом потому, что они содержат значительно меньшее количество растворенного кислорода, азота, водорода, продуктов взаимодействия этих газов с компонентами стали и неметаллических включений, отрицательно влияющих на физикомеханические ее свойства. Свойства сталей и сплавов зависят от процессов раскисления, разливки и условий кристаллизации металла в изложницах. От этих процессов зависят качество слитков и возможность появления дефектов в них. К дефектам слитка следует отнести: дендритную или зональную ликвацию (химическая неоднородность); усадочную рыхлость, центральную или общую пористость, газовые пузыри, межкристаллитные трещины (паучки); внутренние разрывы, трещины, равнины; неметаллические включения; шиферность и флокены в изломе; поверхностные дефекты (волосовины, завороты, плены, заливы, раковины и т. д.).
54