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

Подождите немного. Документ загружается.

ми, чем при обработке резанием, и соответственно большей величиной

опорной поверхности как исходной после создания ПРМР, так и после

приработки. Причем приработочный период значительно сокращается.

6 Строгая кинематическая связь между параметрами режима процес-

сов образования ПРМР и параметрами регулярного микрорельефа опре-

деляет возможность расчетного нормирования, технологического обеспе-

чения и безприборного контроля поверхностей с полностью регулярным

микрорельефом.

7 Указанные особенности образования РМР обеспечили возможность

стандартизации (ГОСТ 24773-81) регулярных микрорельефов с включе-

нием в число стандартизуемых параметров абсолютной высоты неровно-

стей, относительной опорной площади элемента поверхности и их число

на единицу площади. Если учесть, что контакт поверхностей всегда про-

исходит по площадкам, а площадь фактического контакта – важнейший

параметр, определяющий его служебные свойства, то становится очевид-

ным прогрессивность и перспективность данного стандарта и всего на-

правления регуляризации микрогеометрии реальных поверхностей и де-

талей машин. В стандарт впервые включены не усредненные (по сравне-

нию с ГОСТ 2789-73 ) значения параметров микрогеометрии, а их абсо-

лютные параметры практически одинаковые для всей поверхности.

8 Универсальность, простота, надежность обеспечения и возможность

управления фактически всеми параметрами и характеристиками поверх-

ностей с регулярным микрорельефом характеризует способы (вибронака-

тывание, центробежно-ударное накатывание и др.) образования их как

инструмент для исследования и выявления взаимосвязей огромного мно-

гообразия эксплуатационных свойств поверхностей и их микрогеометри-

ей – важнейшей научно-технической и народнохозяйственной задачей, от

решения которой зависит совершенствование машин и приборов, их каче-

ство и надежность.

9 Поскольку в основе большинства способов образований (накатыва-

ние, центробежно-ударное, виброударное накатывание и др.) в отношении

воздействия на обрабатываемый материал лежит холодная пластическая

деформация со свойственными ей особенностями и достоинствами, то все

они могут быть распространены и на эти процессы, на физико-химико-

механические свойства формируемого или поверхностного слоя материа-

ла. Действительно, отсутствие перерезания волокон металла, незначи-

тельный нагрев (по сравнению с обработкой резания) его поверхностного

слоя, упрочнение за счет наклепа и остаточных напряжений сжатия, от-

сутствие шаржирования в поверхностный слой абразивных частиц и, на-

оборот, возможность легирования его элементами другого металла (при

обработке по покрытию) – все эти позитивные свойства характерны для

поверхностей с регулярными микрорельефами, созданными указанными

способами.

10 Целенаправленное усложнение кинематики процессов обработки

определяет и их интенсификацию в отношении упрочнения, степени регу-

ляризации физико-химико-механических параметров поверхностного

слоя. Эти параметры качества у деталей, обработанных данными спосо-

бами, при прочих, равных условиях значительно выше, чем у деталей,

обработанных другими способами при статическом воздействии дефор-

мирующего инструмента в неподвижную или вращающуюся заготовку,

что весьма важно, как при обработке мало- и неравножестких деталей,

когда нельзя прикладывать высокие, давления к инструменту, так и при

создании высококачественных деталей на основе комплексной регуляри-

зации параметров качества поверхностного слоя.

Анализ сущности и особенностей полностью регулярных микрорель-

ефов свидетельствует о том, что практически все недостатки, свойствен-

ные шероховатым поверхностям деталей, в этом случае отсутствуют. При

создании полностью регулярных микрорельефов возможна оптимизация

качества обрабатываемых поверхностей деталей как за счет геометриче-

ских, так и при определенных условиях обработки физико-химико-

механических параметров, то есть возможна комплексная регуляризация

параметров качества поверхностного слоя. Именно эти особенности и

достоинства дают возможность решать актуальнейшие задачи машино-

строения – повышение качества деталей, долговечности и надежности

машин.

2.6 Способы и средства оценки и измерения микронеровностей

Оценка качества поверхностей, в частности, еѐ шероховатости произ-

водится при контроле и приемке деталей, а также при выполнении иссле-

дований в лабораторных условиях. Применяемые способы оценки можно

разделить на прямые и косвенные.

При прямой оценке микрорельефа применяют приборы, основанные

на контактном и бесконтактном методах измерения микронеровностей.

Для косвенной оценки применяются методы сравнения и интеграль-

ные.

Для контактных способов измерения в соответствии с ГОСТ 9504-60

«Приборы щуповые для определения шероховатости поверхности» про-

мышленностью освоен выпуск профилометров, дающих показания пара-

метра шероховатости R

, и профилографы, записывающие профиль шеро-

ховатости.

Принцип работы профилометров основан на измерении микронеров-

ностей поверхности путем ощупывания ее движущейся алмазной иглой с

малым радиусом закругления. (ГОСТ 9017-69 предусматривались иглы с

радиусами 2 и 10 мкм) Возникающие при этом механические колебания

иглы вызывают в электрической системе приборов соответствующую

ЭДС, которая регистрирующим устройством прибора преображается в

величину среднего квадратического отклонения от средней линии профи-

ля. В промышленности наибольшее распространение получили индукци-

онные профилометры КВ-4, КВ-6, КВ-7, КВ-7М, ПЧ-3, приборы Филлипе,

Тейлор, Гобсон и др. Оценка шероховатости дается по показаниям шкалы

по параметру R

или Н

ск

(среднее квадратичное отклонение) в пределах не

более 12 мкм и не менее 0,03 мкм.

На принципе ощупывания поверхности алмазной иглой работают

также профилографы. Эти приборы являются оптико-механическими. При

помощи оптического устройства профиль поверхности записывается в

увеличенном виде на фотографической ленте.

В оптико-механических профилографах Аммона, Киселева алмазная

игла связана с зеркальцем, которое колеблется от еѐ движения. Если на

зеркало направить луч, то появившийся «зайчик» будет отклоняться. Та-

ким образом и производится запись профилограммы на фотопленку или

же с помощью самопишущего устройства на бумажную ленту.

В соответствии с ГОСТ 9504-60 отечественной промышленностью ос-

воен выпуск 3-х типов профилометров-профилографов с электромехани-

ческими преобразователями.

1) Профилометр-профилограф модели 201 предназначен для, измерения

шероховатости поверхности в пределах от 20 до 0,025 мкм 15-14 классы). Для

5-12-го классов измерение производится по параметру R

(отсчет показаний

ведется по шкале прибора). Для классов 5-14 производится также запись по-

казаний в виде профилограммы, по которой можно определить числовые

значения R

, R

max

, S, S

, t

согласно ГОСТ 2789-73.

2) Профилометр-профилограф модели 202 по сравнению с моделью

201 более универсальный. Он позволяет расширять диапазон вертикаль-

ных увеличений и измерять микронеровности криволинейных поверхно-

стей. Прибор укомплектован специальными устройствами:

а) для определения шероховатости криволинейных поверхностей с

радиусом от 50 мм до ;

б) для определения шероховатости шариков и роликов диаметром 1-25 мм;

в) преобразователем для определения шероховатости от R

= 80 мкм и

более (3-й класс);

г) приспособлением для крепления зубчатых колес;

д) приспособлением для измерения волнистости;

е) приспособлением для измерения шероховатости малых отверстий

диаметром от 3 мм на глубину 5 мм.

3) Профилометр модели 240 – переносной прибор, предназначенный

для измерения шероховатости поверхностей по параметру R

в интервале

от 2,5 до 0,02 мкм (6-12 классы) в цеховых условиях.

Кроме указанных промышленность выпускает и другие типы прибо-

ров «Калибр» мод. 221, 253, 283, приборы специального назначения для

(измерения шероховатости колец подшипников и т.д.)

К недостаткам контактных (шуповых) приборов относится: царапан-

ные поверхности деталей из мягких материалов, несмотря на малое уси-

лие на алмазную иглу, радиус закругления иглы не позволяет проникать в

узкие и глубокие впадины микронеровностей и отражать их на профило-

грамме или на шкале прибора.

К бесконтактным методам измерения шероховатости относятся: методы

светового сечения профиля, теневого сечения (проекции), методы с примене-

нием растров (растровые микроскопы), двухлучевой интерференции (микро-

интерферометры, микропрофилометры), рефлектометрический метод. При-

боры светового сечения (МИС-11, ПСС-2) представляют собой систему из 2-

х микроскопов: микроскопа, проектирующего изображение светящейся щели

на шероховатую поверхность и микроскопа наблюдения, поэтому первые

образцы прибора названы двойными микроскопами. В настоящее время эти

приборы усовершенствованы и используются для измерения параметров ше-

роховатости R

, R

max

, S, в пределах R

от 0,5 до 50 мкм.

Приборы теневого сечения профиля (ПТС-1, ПТС-4, ТСП-4М) пред-

назначены для оценки шероховатости грубо обработанных поверхностей с

высотой неровностей от 320 до 80 мкм (1-3 класс). Это слабо отражающие

поверхности грубого литья, поверхности дерева (ГОСТ 7016-75) и др.

Оценка высоты неровностей производится сравнением величины изобра-

жения неровностей с делениями сетки окуляра.

Растровый (муаровый) метод исследования шероховатости получил

развитие в 1964 г., когда было предложено использовать высокую чувст-

вительность муаровых полос к местному изменению шага используемых

растров для измерения высот неровностей, вызывающих это изменение

шага. Растровый метод исследования шероховатости реализован в микро-

скопе ОРИМ-1, который обеспечивает измерение шероховатости по пара-

метрам R

и R

в пределах (40…0,08) мкм наружных поверхностей пре-

имущественно с направленными следами обработки.

Приборы типа МИИ (микроинтерферометры) обеспечивают измере-

ние шероховатости по параметрам R

, R

max

, в пределах

(40…0,025) мкм. Промышленностью выпускаются следующие типы мик-

роинтерферометров: МИИ-4; МИИ-9; МИИ-10; МИИ-12; МИИ-15, микро-

профилометр МИИ-12-1.

Рефлектометры типа ПКШ-1 предназначены для измерения шерохо-

ватости по параметру – среднее квадратическое отклонение (R

= /1,25)

полированных или доведенных поверхностей в пределах

(0,001…0,02) мкм.

Метод сравнивания. На рабочем месте не всегда удобно пользоваться

существующими приборами для измерения шероховатости. Поэтому ши-

роко распространен такой способ контроля шероховатости, при котором

деталь сравнивается с аттестованным стандартным образцом шероховато-

сти поверхности. Этот способ не дает числовой оценки, но позволяет ка-

чественно оценить шероховатость поверхности в пределах одного класса.

В качестве стандартного образца используют детали или специально

изготовленные по ГОСТ 9378-60 эталоны из тех же материалов что и де-

тали, подлежащие контролю. Их поверхности должны быть обработаны

тем же методом (точением, фрезерованием, шлифованием и т.д.), что и

сравниваемые поверхности.

Визуальная оценка по эталонам субъективна, особенно для тонкооб-

работанных поверхностей. Для поверхностей с шероховатостью

> 0,63 мкм рекомендуется пользоваться сравнительным микроскопом, в

котором изображения контролируемой поверхности и эталона совмещены

в поле одного и того же окуляра, разделенном на две равные части и уве-

личены в (10…50) раз.

Интегральные методы также дают косвенную оценку шероховатости

по площади выбранного участка поверхности детали. Данный метод ис-

пользуется в пневматических приборах для оценки шероховатости в пре-

делах (3…9 классов). Шероховатость поверхности оценивают косвенно по

расходу воздуха, проходящего через щели, образуемые впадинами микро-

профиля и торцовой поверхностью сопла пневматической измерительной

головки, опирающейся на исследуемую поверхность. Удобен этот метод

для контроля шероховатости поверхностей отдельных деталей в массовом

производстве. Настройку прибора производят до эталонным деталям.

Шероховатость поверхности может быть косвенно оценена на опреде-

ленной площади методом измерения электрической емкости между дета-

лью и металлической пластинкой, разделенными диэлектриком; по износу

графитовой палочки, прижимаемой к контролируемой поверхности с оп-

ределенной силой; по количеству отраженного света, падающего на де-

таль и другими способами.

В случае, когда по конструктивным условиям изделия нет возможно-

сти замерить микронеровности (шероховатость) нужной поверхности с

помощью приборов, применяют метод слепков. Сущность его состоит в

том, что специально приготовленную массу прижимают к поверхности

измеряемой детали. После застывания массы слепок легко отделяется и на

нем отпечатывается микрорельеф поверхности. Из мерив шероховатость

слепка, делают заключение по параметрам шероховатости исследуемой

детали.

Измерение волнистости поверхностей возможно на профилографах на

большой трассе исследования и применении ощупывающих игл с боль-

шим радиусом округления острия.

Измерение погрешностей формы и волнистости по окружности про-

изводят на приборах завода «Калибр» и фирмы Тейлор-Гобсон «Тели-

ронд». Запись производится в полярных координатах при увеличении в

(50…10000) раз.

2.7 Деформационное упрочнение (наклеп) поверхностного

слоя и оценка его характеристик

Все современные конструкционные стали и сплавы имеют поликри-

сталлическое строение. Их прочностные характеристики значительно из-

меняются в зависимости от правильности строения кристаллической ре-

шетки металла. В отличие от идеальной решетки, которая до последнего

времени была положена в основу теоретических расчетов механических

свойств металла, реальная решетка всегда имеет различного рода дефекты

(дислокации, вакансии и т.д.). Наличием их и объясняется большое рас-

хождение (в сотни раз) между значениями теоретического и реального

сопротивления сдвигу ( ) у различных металлов. Это наглядно показано в

таблице 2.3.

Таблица 2.3

Металл

Модуль сдвига

G, МПа

Теоретическая величина

кр

, МПа

Реальная вели-

чина

кр

, МПа

кр

= G/2

кр

= G/30

Алюминий

27000

4300

900

1,2…2,4

Медь

46200

7350

1540

1,0

Серебро

29100

4550

970

0,6

Золото

26200

4500

940

0,9

Железо

69000

11000

2300

При обработке металлов под действием внешних сил и температур в

поверхностном слое возникает пластическая деформация, сопровождаю-

щаяся дальнейшим развитием (образованием) и движением (скольжени-

ем) дефектов кристаллической решетки. Этот процесс происходит по

плоскостям наибольшей упаковки атомов под действием скалывающих

напряжений, когда последние превышают критическое значение. С уве-

личением степени деформации величина критического скалывающего

напряжения возрастает, что и представляет собой непосредственное уп-

рочнение. Критическое значение усилия, под действием которого возни-

кает пластическая деформация можно оценить по формуле

где

– предел текучести обрабатываемого материала;

– радиус инструмента;

– коэффициент Пуассона;

– модуль упругости первого рода.

Для объяснения процесса деформационного упрочнения академик

А.Ф. Иоффе выдвинул следующие гипотезы

1) при пластическом деформировании плоскости скольжения кри-

сталлов отклоняются от своей первоначальной формы (плоскость = ) и

получают какой-то радиус кривизны . В этом случае скольжение

будет затруднено и таким образом увеличится напряжение сдвига, т.е.

произойдет упрочнение.

2) скольжение вдоль какой-либо поверхности нарушает правильность

ее атомного строения. Поверхность становится в атомном масштабе ше-

роховатостей, и чем сильнее искажается данная часть кристалла, тем

больше должна быть сила, способная вызвать скольжение.

3) пластическая деформация рассматривается как разрядка упругой

энергии, накопленной в единичном пласте. Сдвиг приводит к появлению

двух новых поверхностей с разрушенной решеткой. Такие поверхности

будут обладать более высокой потенциальной энергией, чем первоначаль-

ный кристалл.

Профессор А.А. Маталин объясняет процесс наклепа примерно с тех

же позиций и добавляет, что упрочнение возникает путем измельчения

зерен поликристаллов и создания текстуры деформации снижающей пла-

стичность металла. Вместе с тем вторую гипотезу А.Ф. Иоффе он объяс-

няет увеличением коэффициента трения по плоскостям скольжения за

счет мелких осколков зерен и изменения формы кристаллических зерен,

способствующих механическому зацеплению.

На начальной стадии (в период внедрения инструмента) особенно при

малых усилиях (скоростях), пластическая деформация происходит в не-

больших объемах металла за счет дробления зерен на более мелкие блоки

без нарушения сплошности металла и кристаллической решетки внутри

блоков. При этом блоки могут умещаться и поворачиваться. При дальней-

шем развития пластической деформации образуются новые значительно

измельченные зерна размером менее (0,1…0,2) мкм, кристаллы теряют гло-

бальную форму, сплющиваются в направлении деформации, возможно об-

разование упорядоченной структуры волокнистого характера.

С размельчением блоков на более мелкие начинается сдвиговая де-

формация, сущность которой заключается в сдвиге одних частей кристал-

лов относительно других по определенным плоскостям кристаллической

решетки с наименьшей плотностью атомов. В металлах с кубической кри-

сталлической решеткой такими плоскостями являются грани куба или

плоскости октаэдра. В начале сдвиг происходит в кристаллах, плоскости

которых находятся – под углом 45 к направлению наибольшего главного

напряжения, а при дальнейшем увеличении сил деформации пластическая

деформация начинается в других плоскостях и кристаллах. Направление

сдвига не является постоянным в процессе деформации, так как в резуль-

тате изгиба плоскостей сдвига изменяется и их направление.

Кроме скольжения внутри кристаллов, при динамических нагрузках

наблюдаются скольжение по системе атомных: плоскостей на расстояни-

ях, не кратных межатомному, и поворот деформированной части кристал-

ла зеркально относительно недеформированной (процесс двойникования).

Происходящие явления в поверхностном слое в значительной степени

зависят от режима и характера деформации, состояния и свойств материа-

ла обрабатываемой детали, формы и размеров обрабатывающего (дефор-

мирующего) инструмента, степени нагрева в процессе деформации и др.

При этом упрочнение зависит от удельных напряжений и размеров кон-

тактной площади между инструментом и обрабатываемой поверхностью.

С увеличением давления деформирующие напряжения возрастают, уси-

ливается скорость .размножения дислокаций и других дефектов кристал-

лической решетки, что в конечном счете приводит к более интенсивному

упрочнению.

Повышение скорости деформации сокращает время действия дефор-

мирующих напряжений. Следовательно, пластическая деформация из-за

недостатка времени протекает в меньшем объеме металла. Вследствие

этого при неизменном давлении повышается величина деформирующих

напряжений. Последнее увеличивает интенсивность размножения дисло-

каций, вакансий и ускоряет процесс образования тонкой структуры, что

вызывает более сильное упрочнение. Толщина упрочненного слоя в этом

случае снижается.

Возникающие в процессе пластической деформации искажения и дру-

гие дефекты кристаллической решетки, затрудняют дальнейшее скольже-

ние (сдвиг), в противовес этому, тепловое движение атомов способствует

уменьшению искажений и создает более благоприятные условия для

сдвиговой деформации. Эффект теплового движения зависит от темпера-

туры деформации. По мере ее снижения уменьшается роль теплового

движения атомов и увеличивается получаемое упрочнение. При большой

степени пластической деформации практически вся энергия переходит в

теплоту. Снижение деформационных искажений при повышенной темпе-

ратуре может уменьшить упрочнение.

Наклеп при упруго-пластическом деформировании – сложное явле-

ние, связанное не только с физико-механическими, но и с химическими

структурными факторами. Так при пластической деформации закаленных

сталей с мартенсито-аустенитной структурой происходит распад остаточ-

ного аустенита и его превращение в мартенсит. При этом в деформиро-

ванном слое наблюдается дополнительное повышение твердости, связан-

ное с распадом остаточного аустенита, его превращением в мартенсит и с

образованием в процессе деформации высокодисперсных карбидов, бло-

кирующих сдвиги по плоскостям скольжения. Оба вида упрочнения на-

кладываются одно на другое, что и приводит к существенному повыше-

нию поверхностной твердости при упрочнении закаленных сталей.

Рассматривая особенности упрочнения разных структур, получаемых

в результате термической обработки сталей, можно отметить следующее.

Ври деформации структуры сорбита практически отсутствует дисперси-

онное твердение и упрочнение происходит за счет размножения дислока-

ций. Упрочнение перлитной структуры также происходит за счет дисло-

кационного механизма. Однако деформация этой структуры связана с бо-

лее высоким ростом плотности дислокаций по сравнению с сорбитной

структурой.

Структуру тростита следует рассматривать как промежуточное со-

стояние. Она менее равновесна, чем перлит и сорбит. Поэтому при де-

формации тростита может наблюдаться дисперсионный распад, усили-

вающий эффект упрочнения, вызванный дислокационным механизмом.

При наличии остаточного аустенита некоторый эффект возможен за счет

его превращения в мартенсит.

Деформация мартенситной структуры сопровождается интенсивным

дисперсионным твердением и превращением остаточного аустенита в

мартенсит. Происходит также и увеличение плотности дислокаций. По-

этому в закаленных сталях следует ожидать наибольшего эффекта упроч-

нения при деформации мартенситной структуры, а наименьшего – при

деформации структуры сорбита, что и подтверждается эксперименталь-

ными данными, представленными в таблице 2.4.

Таблица 2.4 – Прирост поверхностной твердости упрочненных накаткой, образцов

Структурное состояние стали

Прирост твердости HV в образцах из стали

У8

ШХ15

Мартенсит закалки

188

135

Отпущенный мартенсит

120

Тростит

Сорбит

Из таблицы видно, что наибольший прирост твердости имеют струк-

туры мартенсита, а наименьшие сорбитные структур. При этом прирост

твердости у стали У8 более высок, чем у стали ШХ15. Аналогичные ре-

зультаты получены и для других углеродистых и легированных сталей.

Меньшую эффективность упрочнения легированных сталей по сравнению

с углеродистыми И.В. Кудрявцев объясняет тем, что остаточные искажения

кристаллической решетки, возникающие в результате легирования, затрудняют

дальнейшее искажение при пластическом деформировании.

Рассматривая физическую сущность упрочнения наклепом, и необхо-

димо отметить, что на практике в общем случае нельзя четко разделить и

отдать предпочтение какому-либо из приведенных выше факторов, харак-

теризующих упрочнение деталей при пластической деформации, так как

этот процесс весьма сложен и ещѐ недостаточно полно изучен. Поэтому

можно предположить, что эти факторы действуют одновременно, придавая

детали в конечном счете повышенные прочностные характеристики. На

существующую связь между количеством дефектов кристаллической ре-

шетки и прочностными характеристиками детали впервые указал академик

А.А. Бочвар. Это показано на рисунке 2.9, где точка 1 – соответствует тео-

ретической прочности металла; участок 2 – прочности монокристальных

«усов» (нитевидные усы чистого железа обладают прочностью 14000 МПа);

точка 3 – практической прочности отожженного металла (средним плот-

ность дефектов (кристаллической решетки составляет примерно 10

-10

см

); участок 4 – прочности при увеличении несовершенств структуры.

Рисунок 2.9 – Влияние плотности дефектов кристаллической решетки

(дислокаций) на прочность металлов

Подобное увеличение прочности не может продолжаться до беско-

нечности: в какой-то точке А исчерпываются пластические возможности

кристаллической решетки, она теряет прочностные свойства и разрушает-