Сорокин В.М., Курников А.С. Основы триботехники и упрочнения поверхностей деталей машин: курс лекций

Подождите немного. Документ загружается.

ремонт тракторов затрачивается почти в 4 раза больше производственных

мощностей, чем на их изготовление.

Трудоемкость ремонта и технического обслуживания многих, строи-

тельных и дорожных машин за срок их службы примерно в 15 раз превы-

шает трудоемкость изготовления новых. Создание машин, не требующих

капитальных ремонтов за весь срок их службы, и значительное сокраще-

ние текущих ремонтов по своей технико-экономической эффективности

равноценны удвоению мощности машиностроительных заводов и увели-

чению выпуска металлов на многие миллионы тонн в год. Одна треть ста-

ночного парка находится в ремонтных предприятиях. На запасные части

расходуется более одной пятой выплавляемого металла. Простои автомо-

билей из-за технических неисправностей в некоторых автомобильных

хозяйствах достигают (30-40)% календарного времени. На каждые 1000

простаивающих грузовых автомобилей омертвляется почти 3 тыс. т ме-

талла и 417 т резины [1].

В настоящее время дизели Д-240 имеют ресурс 10000 моточасов и

выше. Такой показатель достигнут благодаря тому, что на заводах по из-

готовлению двигателей была проведена огромная работа по повышению

срока службы основных деталей двигателя: введена закалка гильз цилин-

дров и шеек коленчатых валов, хромирование верхнего компрессионного

кольца, применена центробежная очистка масла в шатунных шейках ко-

ленчатых валов, введены реактивные масляные центрифуги и т.д. Однако

не все дизели, изготовленные на заводах серийной продукции работают

по 10000 моточасов. Многие из них имеют ресурс (7-8) тыс. моточасов.

После ремонта двигатели работают очень мало, всего (3-4) тыс. моточа-

сов. Причиной является недостаточная культура эксплуатации и низкое

качество ремонта.

Касаясь двигателя автомобилей, тракторов и комбайнов, следует от-

метить, что за весь срок службы их ремонтируют до 5 раз. Ремонт, как

правило, производится на мелких универсальных предприятиях и мастер-

ских с преобладанием ручного труда. Это приводит к тому, что ресурс

двигателя после ремонта по сравнению с ресурсом нового двигателя со-

ставляет (40-50)%,причѐм он на (20-30)% вырабатывается уже за первые

часы работы. Число рабочих, занятых ремонтом двигателей в несколько

раз превышает число рабочих, изготовляющих двигатели на заводах се-

рийной продукции. Материальные затраты на ремонт также во много раз

превосходят затраты на изготовление нового двигателя. В среднем по

стране на автомобилях, тракторах и комбайнах отремонтированных дви-

гателей в 2 раза больше чем новых.

Практика и анализ еѐ результатов показывают, что причинами низкого

ресурса отремонтированных двигателей, а также другой техники являются:

– низкое качество обработки трущихся поверхностей деталей: станки

ремонтных предприятий не обеспечивают точности обработки, которую

имеют новые детали;

– отсутствие очистки деталей перед сборкой, запыленность сбороч-

ных цехов, невысокая культура производства;

– плохая приработка деталей после ремонта, отсутствие современных

испытательных стендов, приборов, контролирующих процесс приработки,

загрязненность абразивами смазочных и гидравлических систем;

– недостаточная специализация производства на ремонтных предпри-

ятиях по сравнению с ее уровнем на заводах по выпуску серийной про-

дукции, что не позволяет разрабатывать и реализовывать наиболее рацио-

нальные технологические процессы.

1.8 Конструктивно-технологические и эксплуатационные

мероприятия в решении проблемы трения и изнашивания

Конструктивное решение проблемы.

Одним из первых конструкторов, обративший внимание на связь изно-

состойкости с конструкцией узлов трения был П.И. Орлов. Его труды [10]

содержат ценный материал для конструкторов по вопросам конструктив-

ных форм подшипников, конструирования высоко износостойких скользя-

щих опор, теории трения качения. Они до сего времени не утратили интере-

са как в части ярких конструкторских приемов, обеспечивающих путем

рационального использования смазочного материала в узлах машин высо-

кую надежность трущихся деталей, так и в утверждении, что в вопросах

конструирования и в особенности в технике смазывания «мелочей» вроде

течи масла из уплотнений, повышенного расхода при выбрасывании масла

из суфлеров и т.п. не должно быть. Ибо это задерживает доводку новых

машин и затрудняет работу обслуживающего персонала.

Начиная с 1966 г. М.М. Тененбаумом проводится систематизация конст-

руктивных способов обеспечения высокой износостойкости машин. Все спо-

собы подразделены на следующие группы: исключение внешнего трения;

улучшение условий трения; равностойкость изнашивающихся деталей; опти-

мизация форм деталей; компенсация износа; резервирование износостойко-

сти; индикаторы износа [11]. М.М. Тененбаум подчеркивал, что решение

прикладных задач должно основываться на закономерностях динамики из-

нашивания деталей и влияния конструктивных параметров на их износостой-

кость. Он развивал новое направление в изучении износостойкости материа-

лов, которое можно назвать конструктивной износостойкостью.

В конструктивные факторы входит и расчет деталей на износ, методи-

ка которого наиболее полно разработана А.С. Прониковым [12]. В качест-

ве исходной физической закономерности (подобно закону Гука в прочно-

сти) им принят закон изнашивания, который связывает изнашивание с

рядом параметров, включая фактор времени, и относится к материалам

двух сопряженных поверхностей. Износ сопряжения характеризуется од-

ним параметром V

1-2

– величиной относительного сближения изнашивае-

мых деталей 1 и 2 в направлении, перпендикулярном к поверхности тре-

ния. Поскольку скорость скольжения и давления деталей в разных точках

не одинаковы, поверхность детали изнашивается неравномерно. В связи с

этим будет меняться и первоначальная форма детали, что усложняет по-

следующее протекание процесса трения. Все виды сопряжений с точки

зрения условий изнашивания А.С. Проников разделяет на пять групп по

двум типам. Он разработал типовые расчеты этих групп деталей на износ.

Трудности расчетов связаны с параметром V

1-2

, который необходимо оп-

ределять экспериментальным путем. Ряд обобщений по влиянию конст-

рукции узла трения на его работоспособность и долговечность имеется в

работах [12, 13].

К основным технологическим мероприятиям, повышающим долго-

вечность машины, можно отнести: применение современных методов соз-

дания прочных материалов для различных условий эксплуатации машин и

получение из них заготовок высокого качества, близким по формам и раз-

мерам к готовым деталям; применение современных технологических

приемов, обеспечивающих изготовление деталей заданной точности и

стабильности как по размерам, так и по физико-механическим свойствам;

применение современных методов контроля качества материалов, загото-

вок и готовых изделий по соответствующим показателям надежности;

применения процессов упрочняющей обработки для получения требуемо-

го качества рабочих поверхностей деталей машин с высоким сопротивле-

нием изнашиванию и поломках в различных условиях эксплуатации [1].

Технологические методы повышения износостойкости деталей машин

накапливались в течение десятилетий развития машиностроения. Наибо-

лее полно они обобщены в монографиях [13, 14], и их можно сгруппиро-

вать следующим образом:

1) химико-термическая обработка: цементация, азотирование, хроми-

рование, цианирование, силицирование, алитирование, сульфоцианирова-

ние и сульфидирование и др.;

2) термическая обработка: пламенная поверхностная закалка, высоко-

частотная закалка, поверхностная закалка с нагревом в электролите, ла-

зерное упрочнение;

3) химическая обработка: глубокое анодирование, оксидирование,

фосфатирование;

4) поверхностное пластическое деформирование: обкатка шариками и

твердосплавными роликами, дробеструйная обработка, алмазное выгла-

живание, упрочнение чеканкой, гидрополирование, обработка поверхно-

сти взрывным нагружением.

5) электроискровое упрочнение;

6) гальванические покрытия: хромирование, никелирование, железне-

ние, борирование, родирование, серебрение, лужение, свинцевание и по-

крытие сплавами;

7) химические покрытия: никелирование, хромирование, покрытие

кобальтом и сплавами никель-кобальт;

8) способы придания поверхности антифрикционных свойств: графи-

тирования, микропрофилирования (углубления канавки), нанесение по-

крытий в вакууме, нанесение дисульфида молибдена, фрикционное лату-

нирование и бронзирование, ФАБО (финишная антифрикционная безаб-

разивная обработка), КАУО (комбинированная антифрикционно-

упрочняющая обработка), металлизация напылением;

9) наплавка: электродуговая, электрошлаковая, вибродуговая;

10) нанесение износостойких покрытий методом конденсации в ва-

кууме с ионной бомбардировкой (метод КИБ);

11) нанесение твердосмазочных покрытий на основе молибдена мето-

дом магнетронного напыления для узлов сухого трения.

Эксплуатационные мероприятия.

Конструктивное совершенство и высокое качество изготовления ма-

шин еще не гарантируют их длительную и безаварийную работу. Важны-

ми условиями такой работы являются грамотная техническая эксплуата-

ция и целесообразная система ремонтов. Задачами технической эксплуа-

тации являются: обеспечение исправного технического состояния маши-

ны во время ее эксплуатации и консервации; обеспечение безаварийной

работы машины при надлежащей ее экономичности. Уровень технической

эксплуатации машин, в общем, определяется установкой их в надлежащем

месте, рациональным использованием в соответствии с назначением, ква-

лификацией обслуживающего персонала, постановкой ухода за машинами

и технического надзора за ними, организацией смазочного хозяйства.

2 ПОВЕРХНОСТНЫЙ СЛОЙ И ЕГО СВОЙСТВА

2.1 Понятие о поверхности, еѐ качестве и

структуре поверхностного слоя

В технике под поверхностью детали понимают наружный слой по-

следней, который по строению и другим физическим свойствам отличает-

ся от внутренней части. Комплекс свойств, приобретаемых поверхностью

детали в результате ее обработки, характеризуется обобщенным понятием

«качество поверхности».

Качество поверхности определяется шероховатостью, волнистостью,

геометрией и физико-химическими свойствами и обусловлено процессом

ее обработки. Обработанную поверхность деталей можно условно разбить

на внешнюю и внутреннюю. Внешняя поверхность определяется макро-

геометрическими параметрами; она доступна для прямых оптических и

механических исследований. Внутренняя поверхность недоступна для

прямых исследований, поскольку находится внутри объема образца. Она

образована многочисленными дислокациями, вакансиями микротрещина-

ми и микрощелями, сообщающимися между собой и являющимися раз-

личными дефектами микроструктуры металла.

Между внешней и внутренней фазовыми поверхностями металла не

существует никакой физической границы – одна непосредственно перехо-

дят в другую.

Сложная система соединяющихся между собой микротрещин и мик-

рощелей, пронизывая весь объем металла детали, имеет многочисленные

выходы на внешнюю поверхность в виде устьев микрощелей и микротре-

щин, являющихся областью перехода.

Внешнюю и внутреннюю поверхности металла детали можно схема-

тично представить в разрезе следующим образом (рисунок 2.1). Внешняя

поверхность металла может быть названа ювенильной или физически

чистой, так как на ней отсутствуют молекулы или атомы чуждых ей эле-

ментов. Поверхность, близкую к ювенильной, можно получить путем про-

грева или излома в глубоком вакууме, а также некоторыми другими мето-

дами. В обычной атмосфере, во многих газовых и жидких средах поверх-

ность металла теряет ювенильные свойства вследствие действия кислоро-

да воздуха, различных газов, влаги и других факторов. Взаимодействие

ювенильной поверхности металла с окружающей средой характеризуется

различными процессами, начиная от чисто химических (окисление) и

кончая физическими (ван-дер-ваальсовая адсорбция). Таким образом, вся

внешняя поверхность металла, включая микротрещины и щели, выходя-

щие на поверхность, покрыта окисными пленками, молекулами адсорби-

рованных газов и других веществ различной природы (рисунок 2.2).

Рисунок 2.1 – Схема разреза металлического образца:

1 – внешняя поверхность; 2 – внутренняя поверхность;

А – волнистость; Б – шероховатость (микроскопический и ультрамикроскопический

профили поверхности); В – микротрещины и субмикротрещины

Рисунок 2.2 – Схема основных видов адсорбционных слоев

на поверхности металла:

1 – первичная объемная структура металла; 2 – зона деформированного металла;

3 – слой окислов металла; 4 – адсорбционный слой газов; 5 – адсорбционный слой

воды; 6–адсорбционный слой полярных молекул органического вещества (смазки)

Между окисными слоями, находящимися на поверхности металла, и

основным металлом существует тонкий слой толщиной до 10 мкм, со-

стоящий из очень мелких кристаллов. Состав и структура этих кристаллов

отличаются от соседних слоев металла. Поверхность же раздела между

металлом и окислом, как правило, очень извилистая. Таким образом, в

обычных условиях поверхность металлов и сплавов покрыта не только

слоем окисных или гидроокисных пленок, но и молекулами веществ раз-

личной природы, адсорбированных на ней.

2.2 Классификация и номенклатура параметров качества

поверхностного слоя

Учитывая особенности механизма образования поверхностного слоя

при различных технологических процессах изготовления детали, а также

последние достижения физики твердого тела о пластической деформации

и разрушении, состояние поверхностного слоя можно описать параметра-

ми, представленными в таблице 2.1. [15, 17].

Приведенная классификация и номенклатура параметров качества по-

верхностного слоя учитывает формирование различных видов микрорель-

ефа (микрогеометрии) поверхности и качества поверхностного слоя ме-

талла в процессе обработки отражает как геометрическое, так и физико-

химико-механическое, структурное состояние поверхностного слоя и ус-

танавливает вполне определенные параметры для оценки влияния много-

численных технологических вариантов и факторов обработки на эксплуа-

тационные свойства деталей.

Таблица 2.1 – Классификация и номенклатура параметров качества

поверхностного слоя

Классы

пара-

метров

Группы

параметров

Наименование параметров

Обо-

значе-

ние

Ед.

изме-

рения

Геометрические

Шероховатость

Высота неровностей профиля

по десяти точкам

мкм

Среднее арифметическое от-

клонение профиля

Наибольшая высота неровно-

стей профиля

max

Средний шаг неровностей

мм

Средний шаг неровностей по

вершинам

Относительная опорная длина

профиля

Радиус округления выступов и

впадин неровностей

r, r

мм

Субмикрошеро-

ховатость

Высота субмикронеровностей

нм

Волнистость

Высота волнистости

мкм

Наибольшая высота волны

max

Средний шаг волнистости

мм

Классы

пара-

метров

Группы

параметров

Наименование параметров

Обо-

значе-

ние

Ед.

изме-

рения

Геометрические

Макроотклоне-

ния формы

Неплоскостность

мм

Непрямолинейность (вогну-

тость, выпуклость)

Нецилиндричность (некруг-

лость, овальность, огранка)

Отклонение профиля продоль-

ного сечения (конуснообраз-

ность, бочкообразность, седло-

образность, непрямолинейность

образующей).

Полностью регу-

лярный микро-

рельеф (ПРМР)

Высота элемента

мкм

Число элементов на 1 мм2

площади

–

Относительная опорная площадь

Углы направления расположе-

ния элемента

град.

Частично регу-

лярный микро-

рельеф (ЧРМР)

Глубина (высота) регулярной

неровности

мкм

Относительная площадь, зани-

маемая регулярными неровно-

стями

Угол сетки

град.

Угол направления неровностей

Осевой шаг неровностей

Кругловой шаг неровностей

Амплитуда непрерывной регу-

лярной неровности

мм

Толщина по-

верхностного

слоя (поверхно-

стно-

упрочненного)

Общая толщина поверхностно-

го слоя

мкм

Эффективная толщина поверх-

ностного слоя

Толщина внешней зоны по-

верхностного слоя

вн

Механические

Поверхностная

твердость слоя

(поверхностно-

упрочненного)

Микротвердость

Па

Твердость по Бринеллю

Твердость по Виккерсу

Твердость по Роквеллу

Остаточные на-

пряжения и их

знак («+» растя-

гивающие;

«–» сжимающие)

Макронапряжения (напряжения

I-го рода)

ост

Па

Микронапряжения (напряжения

II-го рода)

ост

Напряжения III рода

III

ост

Классы

пара-

метров

Группы

параметров

Наименование параметров

Обо-

значе-

ние

Ед.

изме-

рения

Физические

Кристаллическая

структура (от-

дельно по зонам,

по фазам)

Тип кристаллической решетки

–

Параметры кристаллической

решетки

a, b, c

, ,

нм

град.

Плотность дислокаций (отдель-

но по зонам, по фазам)

см

–2

Концентрация вакансий (от-

дельно по зонам, по фазам)

–

Субструктура

(отдельно) по

зонам, по фазам

Размер кристалличенской ре-

шетки

нм

Угол разориентировки блоков

град.

Экзоэлектрон-

ная эмиссия

Интенсивность

–

имп/с

Работа выхода

эВ

Оптические

свойства

Степень черноты тела

Хими-

ческие

Химические со-

став (отдельно по

зонам, по фазам)

Элементный состав (в объеме,

по фазам)

–

Концентрация элементов (в

объеме, по фазам)

, С

Распределение элементов

–

Структурные

Микроструктура

поверхностного

слоя (в целом,

отдельно по зо-

нам)

Размер действительного зерна

зр

мкм

Ориентировка зерен (текстура)

–

Тип структуры

–

Тип и число фаз

–

Форма и размеры фаз (дисперс-

ность)

мм

Распределение фаз по объему

–

2.3 Основные характеристики геометрических параметров

обработанной поверхности

Геометрические характеристики качества поверхности по уменьше-

нию их абсолютных значений могут быть подразделены на:

отклонения формы (макрогеометрия) – S/R > 100 (S – шаг неровно-

стей, а R – их высота);

волнистость – 1000 S/R 50;

шероховатость (микрогеометрия) – S/R < 50.

субмикрошероховатость (субмикрогеометрия).

В отдельных случаях величины (размеры), например, отклонений

формы и волнистости и шероховатости могут быть соразмерны. Слож-

ность выделения каждой характеристики обусловлена тем, что все откло-

нения от «идеальной» поверхности «накладываются» друг на друга.

2.3.1 Отклонения формы

Отклонения формы обусловлены неточностью обработки и зависят от

геометрической неточности станка, кинематической неточности, станка,

неточности мерного и профильного инструмента, неточности настройки

станка и контроля детали, от упругих и температурных деформаций стан-

ка, заготовки и инструмента, от деформации связанной с внутренними

напряжениями, размерного износа инструмента.

Отклонения геометрической формы регламентированы

ГОСТ 10356 -82 «Отклонения формы и расположения поверхностей».

2.3.2 Волнистость поверхности

Под волнистостью поверхности понимают совокупность периодиче-

ски повторяющихся неровностей с относительно большим шагом, превы-

шающим принимаемую при измерении шероховатости базовую длину.

Волнистость определяется на длине участка измерения L

(рисунок 2.3),

равного не менее пяти волн с наибольшим шагом S

волнистости.

Рисунок 2.3 – Волнистость поверхности

Средняя высота волн R

– среднее арифметическое значение, опреде-

ляемое из пяти волн на длине участка измерений L

54321

wwwwww

RRRRRR

Предельные значения волнистости R

должны выбираться из ряда

(мкм): 0,1; 0,2; 0,4; 0,8; 1,6; 3,2; 6,3; 12,5; 25; 50; 100; 200.

Средний шаг волнистости S

– среднее арифметическое значение S

между одноименными сторонами соседний волн, измеренных по средней

линии профиля:

wiw

2.3.3 Шероховатость поверхности

Основные понятия и определения

Шероховатость поверхности регламентируется ГОСТ 2789-73, кото-

рый основан на методе базирования при измерении шероховатости по-

верхности по системе М – системе средней линии профиля (рисунок 2.4).