Вплив шорсткості та стану поверхневого шару на експлуатаційні властивості деталей машин

Вплив шорсткості та стану поверхневого шару на експлуатаційні властивості деталей машин

1. Вплив шорсткості поверхні

Тертя та зношування деталей значно пов’язані з висотою та формою нерівностей і напрямком штрихів обробки. У початковий період роботи поверхонь, що труться, їх контакт відбувається по вершинах нерівностей. В результаті цього фактична поверхня зіткнення складає лише невеликий відсоток від розрахункової. Тому в місцях фактичного контакту по вершинах нерівностей виникають великі тиски, які часто перевищують межу текучості і навіть межу міцності металів, що труться.

Під дією тисків при нерухомих поверхнях в точках контакту відбувається пружне стикання і пластична деформація зминання нерівностей, а при взаємному переміщенні поверхонь – зрізання, відламування і пластичний зсув вершин нерівностей, що призводить до інтенсивного початкового зношування деталей, що труться, і до збільшення зазорів пари тертя.

Підвищеному початковому зношуванню в деяких випадках сприяють виникнення в точках контакту високих миттєвих температур і зрив окисної плівки, що покриває метали. Це супроводжується молекулярним зчепленням металів, що труться, і створенням вузлів схоплювання.

При роботі деталей в легких і середніх умовах висота нерівностей в період початкового зношування поверхонь, що труться, зменшується на 65–75%, що призводить до збільшення фактичної поверхні їх контакту, а отже, до зниження фактичного тиску.

Під час початкового зношування, що відбувається в період припрацювання, відбувається зміна розмірів і форми нерівностей, а також напрямку слідів обробки. При цьому висота нерівностей зменшується, чи збільшується до деякого оптимального значення, яке різне для різних умов тертя. Якщо для даних умов тертя вдається досягти оптимальної висоти нерівностей в процесі механічної обробки, то в процесі експлуатації вона не змінюється, а час припрацювання і зношування виявляється найменшим.

Графіки зношування (рис. 1) показують, що при оптимальній висоті нерівностей (точки О₁ і О₂ ) початкове зношування металу є найменшим. В більш важких умовах роботи крива 2 зношування зміщується вправо і вгору, а точки оптимальної шорсткості – вправо і вбік збільшення висоти нерівностей.

Рис. 1. Залежні сть зношування від висоти нерівностей поверхні

Збільшення висоти нерівностей проти оптимальної збільшує початкове зношування, а зменшення нерівностей проти оптимальної може призвести до молекулярного зчеплення пар тертя. Тому задачею конструктора, що проектує нові машини, є призначення оптимальної шорсткості, при якій зношування та коефіцієнт тертя за даних умов зношування був би мінімальним.

На рис. 2 показано, що через 160000 подвійних ходів зношування поверхні з нерівностями великого кроку досягає 60 мкм, а зношування поверхні з тонкими нерівностями малого кроку було менше 40 мкм.

Вплив напрямку нерівностей на зносостійкість різний у різних умовах тертя і при різних розмірах нерівностей. При рідинному терті і малій висоті нерівностей напрямок штрихів значення немає, проте при збільшенні шорсткості більш вигідним виявляється паралельний напрямок штрихів і швидкості руху.

Рис. 2. Криві зношування (а) поверхонь з різною формою нерівностей (б) при однаковій висоті нерівностей R_z

При граничному терті поверхонь з малими значеннями R_a з паралельним напрямком нерівностей і вектором швидкості руху зношування та схоплювання, що виникають, виявляються більшими, ніж при поперечному напрямку нерівностей і руху подачі. Для поверхонь з великою шорсткістю, коли схоплювання не відбувається, паралельний напрямок штрихів дає найменше зношування.

Коефіцієнт тертя також пов’язаний з напрямком нерівностей та їх висотою. При сполученні поверхонь, що мають однаковий напрямок нерівностей, і при їх перпендикулярному напрямку до руху коефіцієнт тертя досягає найбільшого значення. При перпендикулярному напрямку нерівностей поверхонь, що труться, або при їх безладному розташуванні, що спостерігається при суперфінішуванні, коефіцієнт тертя мінімальний.

Точність сполучення , що встановлена кресленням і визначається зазором у з’єднанні, суттєво залежить від шорсткості сполучуваних поверхонь.

Раніше вказувалось, що в період початкового зношування висота нерівностей може зменшуватись на 65–75 %. При малих розмірах деталей і шорсткості поверхонь з R_z = 3÷10 мкм подвійна висота нерівностей 2R_z може бути співставленою з полем допуску на виготовлення деталі. Це означає, що в період початкового зношування поверхонь додатковий зазор в з’єднанні може досягнути значення допуску на виготовлення деталі, і точність з’єднання буде повністю порушена. Замість необхідного за кресленням з’єднання сьомого квалітету точності фактично виникає з’єднання восьмого або дев’ятого квалітету, порушується характер посадок тощо.

Для запобігання цього необхідно у всіх випадках відповідальних сполучень, від яких потрібне довготривале збереження встановленої конструктором точності, проводити обробку деталей при досягненні мінімальної шорсткості поверхонь, що труться.

При цьому рекомендується встановлювати необхідну висоту шорсткості в залежності від необхідної точності сполучення, що проектується, шляхом розрахунку за формулами:

· при діаметрі сполучення понад 50 мм: R_z