Реферат: Якість поверхонь деталей машин

Тема 1.4. Якість поверхонь деталей машин


1.4.1. Поняття про якість поверхонь

Якість обробленої поверхні деталей машин характеризується шорсткістю та хвилястістю поверхні, а також фізико-механічними властивостями поверхонь шару.

Шорсткістю називається сукупність нерівностей з відносно малими кроками, що утворюють рельєф поверхонь і розглядаються на певній (базовій) довжині. Під хвилястістю поверхні розуміють сукупність періодично повторюваних висот і западин, що утворюють нерівності поверхні, в яких відстань між суміжними висотами або западинами значно більша, ніж у шорсткостей. За формулою хвиля наближається до синусоїди. Висота хвилі Hхв. змінюється у межах 0,5...500 мкм, а крок Lхв. – 1...15 мм. Відношення Hхв./Lхв. знаходиться у межах 1/1000…1/50. Зростання висоти хвиль спричиняє підвищений знос, ослаблення пресових з’єднань, порушення геометричності за рахунок зменшення фактичної площі контакту спряжених поверхонь.

Хвилястість поверхні викликається нерівномірністю процесу різання внаслідок коливань верстата, інструменту та деталі. Крім того, отримана хвилястість поверхні на попередній операції може бути джерелом виникнення коливань на послідовних переходах.

У цілому, дві розглядувані характеристики якості взаємозв’язані з точністю розмірів. Високій точності завжди відповідає мала шорсткість і хвилястість поверхні. Це визначається не тільки експлуатацією виробу, але й необхідністю отримання стійких і надійних результатів вимірювання.

Фізико-механічні властивості поверхневого шару характеризуються його твердістю, структурними перетвореннями, величиною залишкових напружень, глибиною поширення деформації кришталевих ґраток металу. Вказані характеристики залежать від оброблюваного матеріалу, методу обробки та режиму різання.

У готової деталі якість оброблених поверхонь залежить від операцій остаточної обробки, а необробні – зберігають характеристики якості, отримані у процесі виробництва заготовок.

Досягнення потрібних характеристик якості поверхонь елементів виробів і підтримання їх на певному рівні є завданням побудови всього технологічного процесу.


1.4.2. Оцінка якості поверхні елементів технічних систем

До геометричних характеристик обробленої поверхні відносяться її шорсткість, форма, хвилястість і напрямок поверхонь після обробки різанням.

Шорсткість поверхні утворюється при обробці металів різанням у напрямках прямування подачі та головного робочого прямування різання. При цьому вимірювану шорсткість у напрямку прямування подачі називають поперечною, а в іншому випадку – поздовжньою. Оцінка її проводиться в напрямку її найбільшої висоти нерівностей, яка у поперечному напрямку у 2-3 рази більша, ніж у поздовжньому.

На шорсткість поверхні впливають пружна й пластична деформації у поверхневому шарі, режими різання, жорсткість системи ВПІД, форма та стан різальної частини інструменту, тертя між обробленою поверхнею і інструментом, а також вид оброблюваного матеріалу.

Із режимів різання суттєвий вплив на шорсткість поверхні має подача та швидкість різання заготовки. На рис. 1.21 наведена залежність зміни висоти нерівностей профілю від швидкості V головного прямування різання матеріалу з різних конструкційних сталей. Неадекватність наведеної кривої 3 пояснюються тим, що при деякій швидкості різання V температура підвищується до такої величини, при якій оброблюваний матеріал сильно розм’якшується і навіть оплавляється. Тому з підвищенням швидкості різання шорсткість обробленої поверхні зростає.

На шорсткість поверхні впливають пластичні явища захоплювання та відриву шарів матеріалу, що знаходяться під різальною кромкою під час обробки сталевих заготовок, а також явища виламування часток матеріалу (наприклад, сірого чавуну і міцних кольорових сплавів), тобто наростоутворення на передній поверхні інструменту. У певному інтервалі швидкості різання (для конструкційних сталей ) при обробці сталевих заготовок наріст, що утворюється, сприяє збільшенню шорсткості. При великих швидкостях різання () внаслідок припинення наростоутворення шорсткість зменшується (крива 4 на рис.1.21). Із збільшенням величини подачі явища захоплювання та відриву шарів металу зростають, при цьому зростає шорсткість поверхні за рахунок пружних відтиснень інструменту.

При малих значеннях на зростання шорсткості чинить вплив загальний шар, що утворюється на передньої поверхні інструменту (рис.1.22). Аналогічна картина спостерігається при зменшенні подачі до в основному за рахунок дії пружних відтиснень інструменту.


Вплив глибини різання на дану характеристику незначний і його практично можна не враховувати, а задаватися, виходячи з припуску на обробку.

На шорсткість поверхні впливають геометричні параметри різального інструменту. Зміна переднього кута (від 0о до 20о) в невеликій мірі впливає на якість поверхні, бо його величина на допоміжній різальній кромці при цьому змінюється мало. У свою чергу, задній кут значно виявляється на шорсткості, бо в міру зношування інструменту посилюється тертя задньої поверхні леза інструменту по обробленій поверхні. Так, висота нерівностей при обточуванні збільшується на 50%, а розсвердлювання отворів – на 20%. Зростає шорсткість поверхні із збільшенням головного кута в плані , особливо в діапазоні великих подач. Відносно впливу радіусу вершини різця слід визначити, що її збільшення сприяє зменшенню висоти .

При шліфуванні параметри шорсткості залежать від аналогічних факторів, які властиві обробці різанням. Якщо створення нерівностей відбувається без значних відхиленнях теплоти та пластичних деформацій, то в поверхневому шарі основним фактором у формуванні профілю поверхні може бути зернистість абразивного круга. Крім того, важливим фактором є подача та глибина шліфування. При глибині 0,005…0,02 мм помітний інтенсивний ріст висоти , а при середній та великій величини її (більше 0,02 мм) відбувається порівняно повільне підвищення .

Суттєвий вплив на шорсткість і хвилястість поверхні має жорсткість технологічної системи ВПІД. У процесі різання під дією радіальної складової сил різання і сил тертя виникає періодична зміна положення різальної кромки інструменту відносно оброблюваної поверхні. Ці переміщення породжуються щілинами у стиках і деформацією елементів системи. При встановленні рівноваги між силами різання і їх моментами, з одного боку, і силами опору та створюваними моментами, з другого, вказані переміщення припиняються. При плавній їх зміні спостерігається стійкість процесу, а параметри шорсткості й хвилястості знаходяться у межах допуску.

При обробці заготовок із м’якої маловуглецевої сталі виходить більш шорстка поверхня, ніж із сталі з великим процентним вмістом вуглецю. Підвищення вмісту сірки та присадки свинцю у сталі дає змогу отримати більш чисту поверхню зрізу, ніж заготовки із звичайних сталей. Аналогічні достоїнства спостерігаються при обробці заготовок із сталей з дрібнозернистою структурою у порівнянні з крупнозернистою. Наведені приклади є підтвердженням впливу механічних властивостей, хімічного складу сталі та структури матеріалу на шорсткість поверхні.

У результаті вібрації елементів технологічної системи на оброблюваній поверхні утворюються виступи та западини. Залежно від частоти й амплітуди коливань змінюються форма і розміри поверхневих нерівностей. При відносно невисокій частоті та великій амплітуді коливань на поверхні виникає хвилястість. Остання та мікронерівності можуть змінюватися на окремих ділянках поверхні залежно від зміни жорсткості системи в різних перерізах заготовки.

^ Форма поверхні на відміну від шорсткості, що являє собою відхилення малих ділянок поверхні, характеризується одиночними відхиленнями. Великі відхилення можуть звести нанівець всі переваги заключної операції, у зв’язку з чим на кресленнях вказують величину граничних відхилень. При відсутності на кресленнях таких вказівок відхилення форми поверхні не повинно перевищувати 0,5 допуску на розмір.

Причинами, що викликають відхилення форми від заданої, є похибка верстата, пружні деформації системи ВПІД, копіювання похибок попередньої обробки, розмір і форма різального інструменту. Деформації пружної системи можуть призвести до значних відхилень форми, що складають до 90% загального відхилення форми поверхонь оброблюваних деталей. У результаті можуть виникнути бочкоподібність, сідлоподібність, овальність та інші похибки форми деталі. Слід відзначити, що відхилення форми, викликані деформаціями системи ВПІД, можна розрахувати.

Звичайний спосіб вимірювання відхилень у двох взаємно перпендикулярних перерізах не дає повного уявлення про форму деталі. Тому для контролю форми поверхні застосовують спеціальні прилади (наприклад, моделі ВЕ-20А), які проводять безперервну запис форми поверхні в прямокутниках або полярних координатах. У прямокутних координатах записується форма поверхні в діаметральному перерізі та по твірній, а в поперечному перерізі дозволяє встановити похибку циліндричної поверхні деталі (рис.1.23).




Рис.1.23 – Круглограма циліндричної поверхні в поперечному перерізі


Принцип роботи універсального приладу моделі ВЕ-20А заснований на радіальному методі контролю і призначений для перевірки відхилень від округлості будь-якого перпендикулярного до осі перерізу зовнішніх (до 250 мм) і внутрішніх (3…200 мм) поверхонь деталей тіл обертання з високою точністю.

^ Хвилястість поверхні. Причиною хвилястості є вібрація, що виникає у певних умовах обробки різанням. Хвилястість характеризується висотою і кроком хвилі. Суттєвий вплив на експлуатаційні властивості деталі має висота хвилі, тому вона оцінюється при великому збільшенні (більше 1000-3000 разів) за допомогою профілографів, а також інтерференційних приладів.

^ Напрямок нерівностей після обробки різанням. Висота, форма і кут нахилу нерівностей не дають повного уявлення про геометрію поверхні. Важливою геометричною характеристикою є напрямок нерівностей після обробки, який по-різному впливає на зношування деталі при одних параметрах шорсткості поверхні.

Дослідження показали, що для певних умов експлуатації необхідно здійснювати вибір оптимальній спрямованості нерівностей поверхні. Так, при доброму змазуванні та легких умовах експлуатації доцільно вибирати напрямок нерівностей на робочих поверхнях, що збігається з напрямком робочого руху. При цьому, незважаючи на велику фактичну площу зіткнення поверхонь, добре змазування зберігає їх від схоплювання. При великому тиску та важких умовах роботи, а також відсутності змазки напрямки нерівностей повинні перехрещуватися, тому що паралельний напрямок сприяє заїданню робочих поверхонь.

При розміщенні нерівностей під кутом або перпендикулярно до напрямку робочого руху знос поверхонь збільшується. Характерно, що чим неоднорідний за висотою нерівності на більш твердій тертьовий поверхні, тим дужче відбувається знос м’якої складової пари тертя.


1.4.3. Вплив якості поверхні на експлуатаційні властивості деталей

Експлуатаційні властивості деталі знаходяться у прямому зв’язку з геометричними характеристиками поверхні та механічними властивостями поверхневого шару. Знос деталей залежить від параметра шорсткості поверхні, а зносостійкість деталі визначається головним чином верхньою частиною профілю нерівностей.

У початковий період роботи відбувається прироблення деталей і в процесі її шорсткість, отримана під час обробки, деформується і руйнується, при цьому утворюється нова (робоча) шорсткість з параметрами, відмінними від технологічної та напрямком нерівностей, що збігаються з напрямком ковзання. Закінчення прироблення характеризується постійністю швидкості зношування, а встановлена шорсткість є отриманою для подальшого періоду роботи. Зміна умов експлуатації за рахунок збільшення тиску, швидкості та інших факторів призводить до додаткового прироблення, а робота в полегшених умовах не супроводжується таким приробленням.

Умови тертя і зношування визначають характер руйнування нерівностей поверхні. Дослідження показали, що при великих тисках і без змащення знос мало залежить від шорсткості й спостерігається його збільшення для більш гладких поверхонь. При полегшенні умов роботи процес зношування поверхні у більшій мірі починає залежати від шорсткості, що збільшується для грубо оброблених поверхонь.

У різних умовах роботи деталей шорсткість їх поверхонь змінюється по-різному. На наведеній залежності (рис.1.24) технологічна шорсткість, що отримана після обробки, позначається точкою. Крива 1 свідчить про досить інтенсивне згладжування нерівностей під час прироблення, а крива 2 характеризує прироблення при абразивному зносі. Підвищення тиску сприяє видавлюванню мастильного матеріалу і в процесі прироблення шорсткість збільшується (крива 3). Створення більш важких умов роботи спряжених з’єднань спричиняє різке збільшення шорсткості поверхні (крива 4). У разі заїдання та задирів відбувається деформація нерівностей і пластичне зношування поверхні (крива 5).

Відхилення форми й хвилястості по­верхні також збільшує знос деталей. При цьому даний процес на окремих її ділянках протікає нерівномірно: при бочкоподібності спочатку зношуються середні ділянки, вгнутості – крайні.

Розглянемо залежність величини зносу від висоти і кроку хвилі (рис.1.25). Аналіз дозволив відмітити наступне. Із збільшенням Hхв. прямо пропорційно зростає Q (тертя без мастильного матеріалу і граничне). У той же час крок хвилі Lхв. мало впливає на величину зносу. Це свідчить про те, що найбільш строго треба регламентувати висоту хвилі Hхв..





Напрямок нерівностей і шорсткість по-різному впливають на знос спряжених поверхонь при різних видах тертя – при наявності мастила, граничному (напіврідинному), без мастила (рис.1.26). На підставі аналізу наведеної залежності можна виділити таку тенденцію. При терті без мастильного матеріалу знос збільшується в усіх випадках із зростанням висоти нерівностей, але найбільше значення він має місце при напрямку нерівностей, перпендикулярному до спрямованості робочого руху (криві І). При граничному (напіврідинному) терті та малій висоті нерівностей поверхні найбільший знос спостерігається при паралельності напрямку робочого руху (криві ІІ).

При терті з мастильним матеріалом вплив шорсткості виявляється тільки на товщині несучого шару. Але при великій висоті нерівностей поверхні спостерігається вище відзначена тенденція зміни зносу. Отже, особливо важливо обмежити напрямок нерівностей при напіврідинному терті та без мастильного матеріалу. Таким чином, слід вибирати такий метод обробки різанням, який забезпечує найбільш сприятливий з точки зору зносу напрямок нерівностей, а заключні операції для тертьових поверхонь слід призначати не тільки з умов обробки різанням, а і з урахуванням експлуатації.

Відносний напрямок нерівностей на спряжених поверхнях впливає на коефіцієнт тертя. При цьому найбільший коефіцієнт мають поверхні, в яких напрямок нерівностей збігаються, а найменший досягається при розміщенні напрямку нерівностей під кутом або довільно (притирка, полірування).

Створення у поверхневому шару деталі наклепу сприяє підвищенню опору втомлюваності після дрібноструминної обробки, обкатування роликами та інших операцій. Наклеп знижує пластичність тертьових поверхонь і схоплювання металів, що зменшує знос. Проте великий ступінь наклепу може призвести до збільшення зносу та зниження опору втомлюваності. Вплив наклепу на знос сильніше виявляється в металах, схильних до нього.

Керуючи процесом різання, можна отримати таке сполучення у поверхневому шарі залишкових і експлуатаційних напружень, яке сприятливо позначиться на опору втомлюваності деталі. Сумування цих напружень дає змогу оцінити доцільність вибраного методу обробки різанням.

Вплив шорсткості поверхні на міцність при ударному руйнуванні найбільш помітний у заготовок з твердих сталей. Відносно контактної жорсткості спряжень, то вона знижується при зміні висоти мікронерівностей у бік збільшення.

Дослідження антикорозійній стійкості металевих поверхонь показали, що в атмосферних умовах корозія виникає в першу чергу та швидше розповсюджується на грубо оброблених поверхнях. У агресивних середовищах вплив шорсткості на антикорозійну стійкість виявляється менше.

Шорсткість поверхні впливає на умови змащення, теплопровідність і геометричність стиків, умови протікання газів і рідини в трубопроводах, а також інші характеристики поверхонь і спряжень. Це вимагає забезпечення у виробництві цілком певних характеристик шорсткості поверхонь і її контролю.

1.4.4. Технологічні фактори, що впливають на шорсткість поверхні деталей

На шорсткість поверхні впливають наступні фактори:

склад, структура та фізично-механічні властивості оброблюваного матеріалу;

матеріал, мікрогеометрія та знос різального інструменту;

умови обробки;

жорсткість системи ВПІД;

кількість, якість і спосіб підведення мастильно-охолоджуючих речовин.

Залежно від властивостей оброблюваного матеріалу змінюється висота мікронерівностей, а також характер впливу інших факторів на чистоту поверхні. У процесі обробки маловуглецевої сталі отримується шорсткість більша у порівнянні з середньо - і високовуглецевою сталями. Пояснюється це великим вмістом фериту в маловуглецевій сталі, який підвищує схильність до наростоутворення. Наявність і форма включень графіту в чавуні позначається на шорсткості. Чавун з дрібнопластинчастим перлітом має меншу шорсткість, ніж феритовий або чавун з крупнопластинчастим перлітом і великим вмістом графіту, тому що останній сприяє утворенню стружки надлому.

На шорсткість поверхні впливає матеріал інструменту. Так, інструменти із вуглецевої та легованої сталі при малих швидкостях обробки дають більш чисту поверхню, ніж із швидкорізальної. Із збільшенням швидкості різання до 15-30 м/хв шорсткість підвищується внаслідок приварювання дрібних часток стружки до леза різального інструмента, оскільки оброблюваний матеріал (сталь конструкційна) і матеріал інструменту (сталь інструментальна) хімічно спорідненні. Відносно твердосплавних інструментів, то на них стружка налипає менше і вони зношуються повільніше, що сприяє отриманню більш чистої поверхні.

Вплив режимів різання на характеристику чистоти поверхні сталевих заготовок виявляється наступним чином (рис.1.27).




Шорсткість обробленої поверхні зростає при швидкостях різання, що обумовлюють утворення наросту. При цьому найбільше значення висоти нерівностей досягається при V=15-20 м/хв., при подальшому зростанні шорсткість зменшується і стабілізується (V=100...150 м/хв.). Підвищення швидкості різання сприяє зростанню глибини наклепу, проте при швидкостях вище 20 м/хв. вона зменшується.

Із графіка (рис.1.27) видно, що шорсткість поверхні зростає при свердлуванні із швидкостями різання в діапазоні 15…25 м/хв., зенкеруванні – 20…30 м/хв., більш висока якість поверхні отримується у процесі виконання розгортки із швидкістю різання 4…8 м/хв.

Як відмічалося вище, на шорсткість поверхні впливає величина подачі, зокрема збільшення її сприяє зростанню показника якості. Проте зменшувати подачу необхідно до деякого граничного значення Sгран., нижче якого чистота поверхні помітно не поліпшується, а іноді навіть погіршується (рис.1.28). Це викликано тим, що при малій подачі на утворення шорсткості великий вплив мають пластичні деформації та нерівномірність подачі.

Результати експериментальних досліджень свідчать про те, що глибина різання практично не впливає на шорсткість поверхні. Ця тенденція характерна також для зміни глибини та ступеня наклепу. Разом з цим вплив глибини різання може мати місце при обробці заготовок з пластичних металів у зоні наклепу, що створюється на суміжній попередній операції. У цих випадках шорсткість поверхні знижується у порівнянні з різанням по шарах, що не отримали наклепу при попередній обробки.

Вибором мастильно-охолоджуючої рідини можна поліпшити чистоту поверхні та підвищити стійкість інструменту. Так, застосування мінеральних рослинних мастил дозволяє знизити висоту мікронерівностей на 20-40% у порівнянні з обробкою без охолодження. При шліфуванні клас чистоти поверхні можна підвищити старанною фільтрацією охолоджуючої рідини.

На якість поверхні суттєво впливає жорсткість технологічної системи. При фіксованої характеристики жорсткості верстата та інструменту шорсткість залежить від конструктивних особливостей і розмірів заготовок, а також від жорсткості їх закріплення.

При консольному кріпленні вала шорсткість поверхні знижується на його вільному кінці (рис.1.29, а). При обробці в центрах з обертальним заднім центром (рис.1.29, б) шорсткість поверхні знижується при ℓ<15d, а при великій довжині вала (ℓ>15d) цей показник погіршується від заднього центру до середини довжини, а потім поліпшується в міру наближення до попереднього центру. Аналогічна картина характерна для кріплення вала в патроні та на задньому обертальному центрі (рис.1.29,в). Але, при ℓ>15d найбільш низький клас чистоти спостерігається на 0,4 довжини вала від торця, що підтримується заднім центром. Така ж епюра зміни параметра шорсткості Rz спостерігається при кріпленні вала в патроні й люнеті (рис.1.29, г). Таким чином, під час обточування заготівок в ідентичних умовах отримується неоднорідність шорсткості поверхні. Це підкреслює труднощі досягнення у рамках виробництва шорсткості поверхонь, що обмежуються вузькими межами.

У процесі обробки деталей абразивними інструментами шорсткість знижується із зменшенням розмірів зерна, підвищенням твердості й швидкості обертання інструменту та деталі, зменшенням поздовжньої і поперечної подачі, збільшенням числа проходів. Проте слід враховувати, що кожному класу чистоти відповідає оптимальне значення зернистості кола, що відповідає максимальній продуктивності. Застосування способу подачі мастильно-охолоджуючої рідини через пори шліфувального кола зменшує висоту шорсткості на 20-30%.




l

Рис.1.29 – Схеми кріплення валів і епюри значень RZ за їх довжиною


Слід відмітити, що знання впливу технологічних факторів на якість поверхні дає змогу створити умови обробки, що забезпечують досягнення заданого класу чистоти поверхні.


Запитання для самостійного контролю


Чим характеризується якість поверхонь деталей машин?

Як впливають параметри механічної обробки заготовок та геометричні характеристики різального інструменту на величину нерівностей поверхні?

У чому сутність характеристик якості поверхні (форми, хвилястості, напрямку нерівностей), причини виникнення та їх вплив на зношування деталей?

Яка існує залежність між зносостійкістю елементів виробу і параметрами шорсткості?

Охарактеризуйте вплив напрямку нерівностей та шорсткості на знос спряжених поверхонь при різних видах тертя?

Назвіть технологічні фактори, що позначаються на якості обробки деталей

Як впливають конструктивні особливості й розміри оброблюваних заготовок, а також жорсткість технологічної системи ВПІД на шорсткість поверхні?