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

Подождите немного. Документ загружается.

Рисунок 2.4 – Шероховатость поверхности

Шероховатость поверхности – совокупность неровностей поверхно-

сти с относительно малыми шагами на базовой длине.

Базовая длина – линия, от которой производится отсчет ординат про-

филя. Базовая длина  – длина базовой линии, в пределах которой произ-

водится оценка параметров шероховатости.

Средняя длина профиля m – базовая линия, которая имеет форму но-

минального профиля и делит измеряемый профиль так, что пределах ба-

зовой длины сумма квадратов расстояний точек из меряемого профиля до

этой линии минимальна.

Линия выступов – линия, эквидистантная средней линии, про ходящая

через наивысшую точку выступа измеряемого профиля в пределах базо-

вой длины.

Среднее арифметическое отклонение профиля R

– среднее арифмети-

ческое абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой

длины:

dxhR



или

где

– отклонение профиля от средней линии.

Высота неровностей профиля по десяти точкам R

– среднее расстоя-

ние между пятью высшими и пятью низшими точками измеряемого про-

филя в пределах базовой длины:

)...()...(

1042931

HHHHHH

где

, H

…H

– ординаты высших точек;

, H

…H

– ординаты низших точек, измеренные от линии,

эквидистантной средней линии и не пересекающей

профиль.

Средний шаг неровностей профиля по вершинам S – среднее арифме-

тическое значение шага неровностей профиля по вершинам в пределах

базовой длины.

Средний шаг неровностей профиля S

– среднее арифметическое зна-

чение шага неровностей профиля в пределах базовой длины.

Наибольшая высота профиля R

max

– расстояние между линией высту-

пов профиля и линией впадин профиля в пределах базовой длины.

Опорная длина профиля – сумма длин отрезков, отсекаемых на вы-

ступах измеряемого профиля линией, эквидистантной средней линии, в

пределах базовой длины:

где

– длина отрезка, отсекаемого на выступах измеряемого профиля

линией, эквидистантной средней линии, в пределах базовой

длины;

– число отрезков, отсекаемых на выступах измеряемого профи-

ля линией, эквидистантной средней линии, в пределах базо-

вой длины.

На практике чаще задают относительную опорную длину профиля t

–

отношение опорной длины профиля к базовой длине: t

= (η/) 100%.

Характер изменения относительной опорной длины профиля будет

различным в зависимости от вида обработки детали. На рисунке 2.5 кри-

вая 1 соответствует шероховатости поверхности после отделочно-

упрочняющих методов обработки (обкатка роликом); кривая 2 – точению

с минимальным радиусом заточки резца и 3 – после обработки абразив-

ным инструментом.

Рисунок 2.5 – Влияние способа обработки

на относительную опорную длину профиля

1 – обкатка роликом;

2 – точение; 3 – шлифование

Номинальные значения параметров деются в таблицах ГОСТ 2789-73

в следующих пределах: R

от 100 до 0,008 мкм; R

и R

max

от 1600 до 0,025

мкм; S и S

от 12,5 до 0,002 мм, t

от 10 до 90%. Значение уровня сечения

профиля выбирают в интервале (5…90)% от R

max

Реальные поверхности, получаемые в результате механической обра-

ботки, будут иметь различный профиль. Но при точении, строгании, фре-

зеровании и других видах обработки встречаются в какой-то мере одно-

родные профили с постоянными параметрами на всей поверхности. Ше-

роховатость их по ГОСТ 2789-73 (Приложение А) соответствует 1-6 клас-

сам и определяется параметром R

Однако поверхности большинства точных изделий получаются шли-

фованием с последующими доводочными операциями. Здесь (классы 2-

12-й) распределение высоты неровностей носит случайный характер и

наиболее полным критерием, характеризующим шероховатость, является

параметр R

. Из тех же соображений шероховатости выше 12 класса ре-

комендуется характеризовать параметром R

. Числовые значений-

диапазонов R

и R

в 14 классах шероховатости по ГОСТ 2789-73 приво-

дятся в таблице 2.2.

Таблица 2.2 – Числовые значений-диапазонов R

и R

Классы

шероховатости

Базовая длина , мм

мкм

–

от 320 до 160

от 160 до 80

от 80 до 40

–

от 40 до 20

2,5

от 20 до 10

от 2,5 до 1,25

–

0,8

от 1,25 до 0,63

от 0,63 до 0,32

от 0,32 до 0,16

–

0,25

от 0,16 до 0,08

от 0,08 до 0,04

от 0,04 до 0,02

от 0,100 до 0,050

0,08

от 0,050 до 0,025

2.4 Поверхности с регулярным микрорельефом

Поверхности с регулярным микрорельефом (РМР) известны давно, на-

пример имеется французский патент, в котором предлагается трущиеся по-

верхности деталей уменьшить на 30% за счет образования различного рода

углублений. Однако они не нашли широкого применения в конструкциях

машин и приборов. И только когда в 1981 г специалистами и учеными на-

шей страны впервые в мире был выпущен ГОСТ 24773-81 «Поверхности с

регулярным микрорельефом. Параметры и характеристики», установивший

научно-обоснованную систему поверхностей с РМР, данное направление

триботехники получило широкое развитие. Стандартом регламентированы

два вида поверхностей: с частично регулярным микрорельефом (ЧРМР), и с

полностью регулярным микрорельефом (ПРМ).

Частично регулярный микрорельеф.

Данный вид микрорельефа поверхности характеризуется наличием на

рабочих поверхностях деталей исходной шероховатости в сочетании с

различного рода дискретно расположенных элементов РМР. В качестве

элементов регуляризации чаше всего используются лунки, канавки (коль-

цевые, спиральные, синусоидальные, рельефные) и другие углубления,

выполняющие роль смазочных карманов

Классификация ЧРМР представлена в ГОСТ 24773-81 и в работах [15,

18]. Он разделяется на классы, различающиеся формой регулярного эле-

мента (вогнутая и выпуклая); группы, куда входят поверхности с дискрет-

но и непрерывно расположенными регулярными неровностями (системы

канавок); виды, определяемые взаиморасположением неровностей: коль-

цевым или шахматным для дискретных неровностей, отсутствием пересе-

чения, неполным пересечение (касание) и полным пересечением (напри-

мер, канавки) для непрерывных поверхностей.

Под микрорельефом с элементами выпуклой (вогнутой) формы следу-

ет понимать микрорельеф, созданный как негативный (позитивный) отпе-

чаток микрорельефа инструмента с элементами вогнутой (выпуклой)

формы (прокатные валки, плашки и др.).

Для нормирования и оценки поверхностей с ЧРМР ГОСТ 24773-81 установ-

лены следующие параметры и их численные значения (рисунок 2.6):

h – глубина (высота) регулярной неровности – расстояние между по-

верхностью выступов (впадин) исходной поверхности и поверхностью

впадины (выступа) регулярной неровности; h от 100 до 0,025 мкм.

– относительная площадь, занимаемая регулярными неровностя-

ми – отношение площади, занимаемой регулярными неровностями, к об-

рабатываемой поверхности детали;

от 10 до 90%;

– осевой шаг неровностей – расстояние между двумя смежными регуляр-

ными неровностями, измеренное в осевом направлении S

от 20 до 0,05 мм;

– круговой шаг неровностей – расстояние между двумя смежными

неровностями, измеренное в направлении угла ; S

от 20 до 0,05 мм

– угол направления неровностей – острый угол, составленный развер-

нутой пространственной спиральной кривой, по которой регулярно располо-

жены неровности и направлением главного движения от 50 до 90 ;

– угол сетки – наибольший острый угол между осью абсцисс плос-

кости развертки данной поверхности и осевой линией непрерывной регу-

лярно расположенной неровности (синусоидальной); от 90 до 5 ;

А – амплитуда непрерывной регулярно расположенной неровности

(синусоидальной) – расстояние между экстремальными точками профиля

непрерывной регулярно, расположенной неровности; А от 0,5 до 5 мм.

а)

б)

в)

Рисунок 2.6 – Схемы частично регулярных микрорельефов:

а – система непересекающихся и касающихся лунок; б – система пересекающихся

лунок (рельефные канавки); в – система кольцевых и синусоидальных канавок

(непересекающихся, касающихся, пересекающихся).

Полностью регулярный микрорельеф. Полностью регулярный

микрорельеф поверхности представляет собой микрорельеф, с о-

стоящий из одинаковых неровностей (элементов), форма, размер и

регулярное расположение которых обусловлены определенной з а-

кономерностью (рисунок 2.7.).

Полностью регулярные микрорельефы с учетом особенностей их об-

разования подразделяются на: классы, отличающиеся формой регулярно-

го элемента (вогнутая и выпуклая); группы, объединяющие микрорелье-

фы, образующиеся при пересечении дискретно наносимых регулярных

элементов (лунки) и при пересечении непрерывных регулярных элемен-

тов (канавки); виды, определяемые способом технологического обеспече-

ния образования микрорельефов (ячеистый, сетчатый, синусоидальный);

типы (треугольный, четырѐхугольный, шестиугольный) в зависимости от

способа и режимов обработки.

а)

б)

в)

Рисунок 2.7 – Схемы полностью регулярных микрорельефов:

а – сетчатые (4-х, 6-ти угольного типа); б – ячеистые (3-х, 4-х, 6-и угольного типа);

в – Элементы поверхности с РМР шестиугольного типа

Согласно ГОСТ 24773-81 ПРМР характеризуется следующими пара-

метрами и численным значениями их величин:

R – высота элемента – расстояние между поверхностью выступов и

поверхностью впадин; Rот 100 до 0,025 мкм;

N – число элементов на 1 мм

площади; N от 1 до 100;

– относительная опорная площадь элемента поверхности с регулярным

микрорельефом – отношение опорной площади поверхности элемента РМР к

базовой площади элемента поверхности с РМР; T

от 5 до 90 ;

и – углы направления расположения элемента – углы, отсчиты-

ваемые от линий, проходящих через середины противоположных сторон

элементов, до линии абсцисс, проведенной перпендикулярно к оси детали

и составляют от 5 до 180 .

2.5 Влияние условий обработки на микрорельеф поверхности

Обрабатываемый материал и его структура оказывают существенное

влияние на характер и высоту неровностей обрабатываемой поверхности.

Более вязкие и пластичные материалы (например, малоуглеродистая

сталь), склонные к пластическим деформациям, дают при их обработке

резанием грубые и шероховатые поверхности.

Величина R

обрабатываемой поверхности уменьшается при переходе

от структуры феррито-перлита к троститу и тростито-мартенситу. Феррит,

являющийся мягкой, вязкой и легко деформирующейся составляющей

структуры стали, при обработке резанием имеет склонность к образова-

нию неровностей на поверхностях. С точки зрения получения поверхно-

сти с минимальной R

оказываются чрезвычайно неблагоприятными

структуры с неоднородной величиной зерен, в частности структура «гло-

булярного перлита», состоящая из круглых зерен цементита, рассеянных

по основной массе металла.

Значительно меньшая шероховатость образуется при обработке стали по-

сле нормализации и отпуска, имеющей однородную и мелкозернистую

структуру. Таким образом для получения при механической обработке воз-

можно меньшей R

рекомендуется предварительная нормализация углероди-

стой стали при t = (850-870) С или отжиг при t = 900 С в течение 5 ч.

Известно, что с увеличением твердости обрабатываемого материала

высота R

снижается. При этом одновременно уменьшается влияние изме-

нения V на высоту шероховатости и при твердости НВ 500 влияние V поч-

ти отсутствует. Отсюда перед обработкой необходима предварительная

термообработка конструкционных сталей, повышающая их твердость.

При V = 140 м/мин и выше температура обрабатываемого материала

достигает значения (780…840) С. При такой температуре механические

свойства сталей различной начальной твердости выравниваются, в ре-

зультате чего высота шероховатости стабилизируется и практически не

зависит от изменения V.

Снижение вязкости обрабатываемого материала за счет наклепа по-

верхностного слоя также способствует уменьшению R

. На практике это

явление часто наблюдается при развертывании отверстий после зенкеро-

вания, создающего заметный наклеп обработанной поверхности. Бели

припуск, оставленный на развертывание, оказывается меньше глубины

наклепанного слоя, то в результате развертывания получается поверх-

ность с минимальной R

Изменение химического состава обрабатываемого материала, отра-

жающееся на его вязкости, в свою очередь влияет на R

как деталей из

цветных металлов, так и из сталей.

Влияние подачи на шероховатость поверхности при разных методах

обработки сказывается по-разному. При точении стандартными проход-

ными резцами с углом плане 45 и малым радиусом закругления (до 2 мм)

влияние подачи весьма заметно (рисунок 2.8, кривая 1). При точении рез-

цами с широкой режущей кромкой (кривая 2) влияние подачи практиче-

ски отсутствует, что позволяет повысить производительность отделочных

операций. Умеренное влияние подачи на шероховатость поверхности на-

блюдается при сверлении и зенкеровании отверстий, торцевом и цилинд-

рическом фрезеровании (кривая 3).

Рисунок 2.8 – Влияние подачи и условий обработки на

шероховатость обработанной поверхности

Глубина резания (t) влияет на величину шероховатости незначитель-

но. При обычном точении это влияние совершенно ничтожно и практиче-

ски может не приниматься во внимание. При уменьшении t до

(0,02…0,03) мм, вследствие наличия на режущей кромке скругления нор-

мальное резание прекращается и резец, отжимаясь от детали, начинает

скользить по обрабатываемой поверхности, периодически врезаясь в нее

вырывая отдельные участки. Поэтому t при работе обычными резцами не

следует брать слишком малой.

При глубине резания меньшей, чем величина S, она (t) будет оказывать

геометрическое влияние на R

. В этом случае уменьшение t снижает R

Анализ особенностей и механизма образования шероховатых поверхно-

стей при обработке резанием позволяет отметить следующие их недостатки.

Большая неоднородность даже хаотичность образующихся неровно-

стей в отношении их формы, размеров и взаиморасположения, являющих-

ся следствием неравномерности пластического деформирования и неод-

нородности отделения частиц материала от общей массы в процессе обра-

ботки заготовки.

Неблагоприятная форма неровностей шероховатых поверхностей, об-

разующихся в большинстве случаев при обработке резанием: заостренные

выступы и впадины неровностей; малые значения радиусов закругления

их; относительно большая величина углов наклона образующих.

Относительно малая несущая способность шероховатых поверхно-

стей, обусловленная заостренной формой неровностей, и, следовательно,

малая опорная поверхность, контактирующих поверхностных деталей в

начальный период работы (период приработки) с одной стороны, и чрез-

мерно большая фактическая площадь высокоточных высокогладких по-

верхностей (R

0,10 мкм), а отсюда малая их маслоемкость – с другой

стороны.

Ограниченная возможность управления образованием неровностей с

различным соотношением высоты, формы и взаиморасположением.

Шаржирование в поверхностный слой абразивных частиц и возмож-

ность появления прижогов при абразивной обработке.

Такой характер микрорельефа усложняет расчетное технологическое

обеспечение заданной конструктором микрогеометрии, так как неодно-

кратное пластическое деформирование нарушает основные геометриче-

ские зависимости между параметрами микрорельефа (формой, размерами,

взаиморасположением неровностей) и технологическими параметрами

режима обработки. Неоднородность микрорельефа усложняет также кон-

троль геометрических параметров качества поверхности и их стандарти-

зацию, снижает точность измерений как стандартизованных ГОСТ 2789-

73, так и нестандартизованных параметров шероховатости поверхности.

Так, из представленных в стандарте на шероховатость поверхности шести

параметров четыре (R

, R

, S, S

) характеризуют средние значения величин

высоты и шага неровностей, что безусловно снижает точность нормиро-

вания и опенки шероховатости поверхности, затрудняет контроль. Нали-

чие трех высотных (R

, R

max

) и двух шаговых параметров (S, S

) шеро-

ховатости поверхности усложняет не только нормирование качества по-

верхности, но и использование стандарта в промышленности. Иррегуляр-

ность неровностей не позволяет оценивать и нормировать шероховатость

на площади поверхности (шероховатость оценивается в сечении профи-

ля), в то же время площадные параметры наиболее полно определяет

связь шероховатости поверхности с важнейшими эксплуатационными

свойствами.

Частично регулярный микрорельеф образуется в результате нанесения

технологическими методами на предварительно обработанную резанием

рабочую поверхность детали различного рода дискретно расположенных

элементов (лунки, канавки) регулярного микрорельефа. Поэтому выше

отмеченные недостатки иррегулярного микрорельефа в некоторой степе-

ни присущи ЧРМР.

В основу образования полностью регулярного микрорельефа положе-

но пластическое деформирование и целенаправленное изменение (напри-

мер, усложнение) кинематики процесса обработки. Первый принцип ба-

зируется на многочисленных исследованиях, свидетельствующих о значи-

тельно большей однородности микрорельефа поверхностей, образованных

пластическим деформированием по сравнению с поверхностями, образо-

ванными при резании. Второй принцип основан на том, что при целена-

правленном изменении кинематики любого способа происходит интенси-

фикация процесса, в результате появляется возможность варьировать та-

кие параметры микрорельефа, как форма, высота и взаиморасположение

неровностей.

Формирование ПРМР происходит при последовательном наложении вы-

давливаемых канавок друг на друга, образующихся при вращении (перемеще-

нии, в случае плоской детали) и продольном перемещении (подаче) деформи-

рующего элемента. Механизм этого процесса показан на рисунке 2.7.

ПРМР, создаваемые на поверхностях различными способами ППД

(вибронакатывание, центробежно-ударное, вибрационно-ударное накаты-

вание, вибровыглаживание и др.), в основу которых положены указанные

принципы, позволяют полностью избежать недостатков, присущих мик-

рогеометрии шероховатых поверхностей. Это связано со следующими

особенностями.

1 Во всех случаях ПРМР образуется как след контакта, внедрения

(вдавливания) и перемещения деформирующего инструмента по обраба-

тываемой поверхности. Так как этот след фактически полностью опреде-

ляется кинематикой процесса обработки, властности, движением дефор-

мирующего элемента, пластически деформирующего хаотично располо-

женные неровности исходной поверхности заготовки, то формируется

новый регулярный микрорельеф со строго закономерно расположенными

относительно друг друга неровностями (элементами) одинаковой формы

и размеров.

2 Целенаправленное изменение (усложнение) кинематики процесса

обработки, большое число регулируемых параметров, режима, обеспечи-

вает весьма тонкое и в широких пределах, варьирование значениями па-

раметров создаваемого регулярного микрорельефа, в том числе таких ин-

формативных, как число выступов и впадин на единице площади, радиусы

закругления выступов и впадин и др.

3 Возможность независимого регулирования параметров режима про-

цесса обработки и отсутствие жесткой их связи с параметрами регулярно-

го микрорельефа позволяют управлять формой и взаиморасположением

его элементов. Отсутствие характерной для обработки резанием связи

между подачей S, высотой R образующихся неровностей (

rSR 8/

, где

r – радиус вершины резца), обеспечивает получение поверхности с одина-

ковой высотой неровностей с различным их шагом и направлением.

4 Формирование регулярных микрорельефов дает возможность управ-

лять такими параметрами поверхности, а следовательно, и контакта поверх-

ностей, как фактическая ее площадь контакта, а также создавать высокочис-

тые (не шаржированные) поверхности достаточной маслоемкости, исключать

явления молекулярного сцепления, фреттинг – коррозии и т.п.

5 Во всех случаях образования ПРМР формируется практически для

всех условий эксплуатации благоприятный микрорельеф, отличающийся

пологой формой выступов и впадин с радиусами на 1-2 порядка больши-