Шероховатость поверхности оценивают двумя основными методами: качественным и количественным.
Качественный метод оценки основан на сравнении обработанной поверхности с эталоном (образцом) поверхности посредством визуального сопоставления, сопоставления ощущений при ощупывании рукой (пальцем, ладонью, ногтем) и сопоставления результатов наблюдений под микроскопом.
Качественную оценку весьма тонко обработанных поверхностей следует производить с помощью микроскопа; можно пользоваться лупой с пятикратным и большим увеличением.
Количественный метод оценки заключается в измерении микронеровностей поверхности с помощью приборов: профилографа, двойного микроскопа и микроинтерферометра, профилометра и др.
эксплуатационные свойства деталей машин
Как указывалось выше, 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.
Во многих случаях прочность деталей машин зависит также от шероховатости 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 шероховатости 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.
1.3.4. Нормирование качественно-точностных параметров
на типовые поверхности деталей машин
Долговечность и надежность машин и их экономичность предопределяются правильным выбором качественно-точностных характеристик.
В зависимости от условий эксплуатации следует назначать оптимальную для данной рабочей поверхности шероховатость. В табл. 1.2 приведены рекомендуемые значения шероховатости для наиболее распространенных типовых поверхностей.
Практикой и исследованиями определены взаимосвязи между видами обработки и шероховатостью поверхности. Так, например, установлено, что средняя высота неровностей не должна превышать 10 -25 % от допуска на обработку. Это позволило установить оптимальную шероховатость поверхности для различных видов обработки.
Таблица 1.2
Требования к качественно-точностным параметрам
типовых поверхностей деталей машин
Типовые поверхности и детали |
Параметры шероховатости, Ra, мкм |
Квалитет |
1 |
2 |
3 |
Нерабочие контуры деталей |
80 40 |
>12 |
Отверстия на проход крепежных деталей Выточки, проточки Отверстия масляных каналов на силовых валах Разделка кромок под сварку |
20 |
10-12 |
Внутренний диаметр шлицевых соединений (не шлифованных) Свободные несопрягаемые торцовые поверхности валов, муфт, втулок
|
10 |
9 |
Торцовые поверхности под подшипники качения Поверхности втулок, колец, ступиц, прилегающие к другим поверхностям, но не являющиеся посадочными |
5 |
9 |
Шаровые поверхности ниппельных соединений Канавки под уплотненные резиновые кольца для подвижных и неподвижных торцовых соединений Радиусы скруглений на силовых валах Поверхности осей эксцентриков Опорные плоскости реек
|
2,5 |
7-8 |
Поверхности разъема герметичных соединений без прокладок или со шлифованными металлическими прокладками Наружные диаметры шлицевого соединения Отверстия прогоняемых и регулируемых соединений (вкладыши подшипников и др.) с допуском зазора - натяга 25 - 40 мкм Цилиндры, работающие с резиновыми манжетами Отверстия подшипников скольжения Трущиеся поверхности малонагруженных деталей
|
1,25 |
7 |
Продолжение табл. 1.2
1 |
2 |
3 |
Притираемые поверхности в геометрических соединениях Поверхности зеркала цилиндров, работающих с резиновыми манжетами Торцовые поверхности поршневых колец при диаметре менее 240 мм Валы в пригоняемых и регулируемых соединениях с допуском зазора - натяга 7 - 25 мкм Трущиеся поверхности нагруженных деталей. Посадочные поверхности 2-го класса точности с длительным сохранением заданной посадки: оси эксцентриков, точные червяки, зубчатые колеса |
0,63 |
6-7 |
Шейки валов: 1-го класса точности диаметром свыше 1 до 30 мм, 2-го класса - свыше 1 до 10 мм Валы в пригоняемых и регулируемых соединениях (шейки шпинделей, золотники) с допуском зазора - натяга 16 - 25 мкм Отверстия пригоняемых и регулируемых соединений (вкладыши подшипников) с допуском зазора - натяга 4 - 7 мкм Трущиеся элементы сильнонагруженных деталей Цилиндры, работающие с поршневыми кольцами |
0,32 |
6 |
Поверхности, работающие на трение, от износа которых зависит точность работы механизмов |
0,16 |
6 |
Валы в пригоняемых и регулируемых соединениях с допуском зазора - натяга до 2,5 - 6,5 мкм Отверстия пригоняемых и регулируемых соединений с допуском зазора - натяга до 2,5 мкм Рабочие шейки валов прецизионных быстроходных станков и механизмов |
0,080 |
5 |
Выбор материалов для деталей машин является ответственным этапом проектирования. Правильно выбранный материал в значительной мере определяет качество детали и машины в целом.
Выбирая материал, учитывают в основном следующие факторы: соответствие свойств материала главному критерию работоспособности (прочность, износостойкость и др.); требования к массе и габаритам детали и машины в целом; другие требования, связанные с назначением детали и условиями ее эксплуатации (противокоррозионная стойкость, фрикционные свойства, электроизоляционные свойства и т. д.); соответствие технологических свойств материала конструктивной форме и намечаемому способу обработки детали (штампуемость, свариваемость, литейные свойства, обрабатываемость резанием и пр.); стоимость и дефицитность материала.
Черные металлы, подразделяемые на чугуны и стали, имеют наибольшее распространение. Это объясняется прежде всего их высокой прочностью и жесткостью, а также сравнительно невысокой стоимостью. Основные недостатки черных металлов - большая плотность и слабая коррозионная стойкость.
Цветные металлы — медь, цинк, свинец, олово, алюминий и некоторые другие—применяют главным образом в качестве составных частей сплавов (бронз, латуней, баббитов, дюралюминия и т. д.). Эти металлы значительно дороже черных и используются для обеспечения особых требований, таких как легкость, антифрикционные и антикоррозионные свойства и др.
Неметаллические материалы — дерево, резина, кожа, асбест, металлокерамика и пластмассы также находят широкое применение.
Порошковые материалы получают методом порошковой металлургии, сущность которой состоит в изготовлении деталей из порошков металлов путем прессования и последующего спекания в пресс-формах. Применяют порошки однородные или из смеси различных металлов, а также из смеси металлов с неметаллическими материалами, например с графитом. При этом получают материалы с различными механическими и физическими свойствами (например, высокопрочные, износостойкие, антифрикционные и др. В машиностроении наибольшее распространение получили детали на основе железного порошка. Детали, изготовленные методом порошковой металлургии, не нуждаются в последующей обработке резанием, что весьма эффективно при массовом производстве. В условиях современного массового производства развитию порошковой металлургии уделяется большое внимание.
В литературе /19/ представлены рекомендации по применению конкретных марок материалов и способов получения заготовок из них для наиболее распространенных деталей машин.
Рациональные конструкции машин, обеспечивающие необходимые эксплуатационные требования, не могут быть созданы без учета трудоемкости и материалоемкости их изготовления.
Соответствие конструкций машин требованиям минимальной трудоемкости и материалоемкости определяет технологичность конструкции.
Однако трудоемкость и материалоемкость изготовления машины зависят не только от конструкции, но и в значительной степени от выбранного технологического процесса, его оснащенности и режимов обработки. Поэтому при определении технологичности конструкции машины необходимо исключить влияние принятого технологического процесса, чтобы можно было определять степень технологичности данной конструкции машины как отношение трудоемкости ее изготовления к трудоемкости изготовления других конструктивных вариантов этой машины в аналогичных, сопоставимых производственных условиях.
Технологичность конструкции машины, деталей и узлов необходимо оценивать в процессе ее создания, при технологическом контроле чертежей в период разработки конструкции машины. Предварительно разработанный чертеж детали, узла или машины поступает на технологический контроль, а затем - на окончательную конструктивную разработку. Однако оценка технологичности конструкции при этих условиях может оказаться субъективной, если она зависит только от уровня знаний технолога, осуществляющего технологический контроль.
При объективной оценке технологичности конструкции машины, ее деталей и узлов учитывают положительные факторы, определяющие технологичность конструкции. К ним относятся:
оптимальные формы деталей, обеспечивающие изготовление заготовок с наименьшими припусками и наименьшим количеством обрабатываемых поверхностей; наименьший вес машины; наименьшее количество наименований материалов, применяемых в конструкции машины; взаимозаменяемость деталей и узлов с оптимальными значениями полей допуска; стандартизация и унификация деталей и узлов, а также их отдельных конструктивных элементов (резьб, модулей зубчатых колес, радиусов, галтелей и т. д.).
Выбор оптимальных форм детали зависит от ее конструктивного и эксплуатационного назначения. Оценка технологичности данной детали может быть основана на сравнении трудоемкости изготовления различных конструктивных вариантов этой детали.
Чтобы обеспечить условия создания оптимальных форм деталей, применяют определенные технологические методы изготовления и обработки заготовок.
Так, корпусные детали изготовляют, как правило, литыми или сварнолитыми, а также штампосварными. Конструкции литых заготовок (чугунных или стальных) корпусных деталей должны отвечать требованиям машинной формовки: толщина стенок в разных сечениях не должна иметь резких отклонений и переходов. Конструкции деталей из цветных сплавов должны быть удобными для литья в постоянные металлические формы. Оптимальная конструктивная форма корпусной детали, обрабатываемая с наименьшей трудоемкостью, должна отвечать следующим основным условиям:
- деталь по возможности должна быть правильной геометрической формы, обеспечивающей возможность ее полной обработки от одной базы: от плоскости и двух установочных отверстий на ней.
- конструкция детали должна обеспечивать возможность обработки плоскостей и торцов с отверстиями на проход, поэтому плоскости и торцы не должны иметь выступов, мешающих этой обработке. Размеры обрабатываемых отверстий внутри детали не должны превышать соосных им отверстий в наружных стенках детали.
- корпусная деталь не должна иметь поверхностей, не перпендикулярных к осям отверстий как у входа, так и на выходе сверла.
- в корпусных деталях следует избегать многообразия размеров отверстий и резьб.
- корпусную деталь нужно обрабатывать по возможности без спаривания с другой корпусной деталью.
Основные требования, предъявляемые к технологичности конструкций деталей, представляющих собой тела вращения без отверстий, а также деталей сложной формы этого вида, изготовляемых в большинстве случаев из прутка или штампованной заготовки, реже - из отливок, заключаются в следующем:
- конструкция деталей должна предусматривать небольшое количество обрабатываемых поверхностей, сопрягаемых с другими деталями;
- конструктивная форма деталей должна обеспечивать возможность штамповки их в закрытых штампах, для чего следует избегать удлиненных выступов, сечений с большой разностью толщин, глубоких полостей и т. п.
При несоблюдении этих условий штампованные заготовки имеют только приближенную форму к готовой детали и обычно проходят значительное количество операций механической обработки, даже нерабочих поверхностей, с большими отходами металла в стружку.
Основные требования, предъявляемые к технологичности конструкции деталей тел вращения, имеющих сквозные отверстия, а также деталей типа дисков, изготовляемых из отливок, штамповок, листа и ленты, характеризуются следующими условиями:
- конструкция деталей должна предусматривать обработку только сопрягаемых поверхностей, а форма деталей должна обеспечивать возможность получения заготовок с минимальными припусками;
- конструкция этих деталей должна предотвращать их деформацию при термической обработке;
- допуски на размеры точных деталей при обеспечении надлежащих эксплуатационных требований не должны усложнять технологии производства.
Технологичность конструкций мелких и крепежных деталей, изготовляемых из отливок, штамповок и пруткового материала, обеспечивается небольшим количеством обрабатываемых поверхностей с минимальными припусками на обработку.