Формирование волнистости обработанной поверхности при механической обработке (стр. 3 )

Из таблицы 1 очевидно, что эксплуатационные свойства деталей в первую очередь зависят не только от шероховатости поверхности, несомненно, оказывающей значительное воздействие, но и от волнистости. Наличие волнистого профиля на обработанной детали может стать причиной нарушения режимов трения сопряженных деталей, повлиять на герметичность их соединения, приведет к зарождению очагов коррозии и прочему, что, в свою очередь, приведет к преждевременному износу деталей.

Волнистость обработанной поверхности как параметр, имеющий статус «погрешность обработки», оказывает негативное влияние на качество обработанной детали, ухудшая при этом ее эксплуатационные свойства. Данный факт подтверждается тем, что при наличии волнистого профиля на поверхности детали ее опорная площадь может уменьшаться от 5 до 10 раз по сравнению с ровной шероховатой поверхностью или составлять от 1 до 10% номинальной поверхности, изображенной на чертеже [117] (рисунок 7).

Рисунок 7 – Сопряжение мнимой идеальной поверхности с поверхностью [117]:

а – только наличие микрорельефа; б – волнистость, покрытую микрорельефом

Уменьшение опорной площади из-за наличия волнистости на поверхности детали приводит к резкому увеличению нагрузок в виде сил, стремящихся деформировать поверхностные слои детали в местах площадок контакта. Способность сопротивляться действию таких сил называют контактной жесткостью [28]. Физический смысл понятия «контактная жесткость» определяется из выражения:

j = p / y,                                                (1)

где p – удельная нагрузка, приходящая на геометрическую площадь контакта;
y – контактные перемещения.

Значимые исследования, посвященные вопросам контактной жесткости, описаны в работах [96, 97, 99]. Проведенные им исследования указывают, что при первоначальном нагружении контактирующих поверхностей контактная жесткость в большей мере определяется поверхностной микротвердостью. При повторных нагружениях на нее в большей мере влияют геометрические параметры качества поверхности – ее шероховатость и волнистость. Поэтому характеристики волнистости (Wz и Wp) оказывают большее влияние на контактные перемещения и контактную жесткость. Автором даже получены аналитические зависимости для расчета величин контактной жесткости и упруго-пластических деформаций с учетом параметров волнистости поверхности.

В соответствии с рисунком 6 и таблицей 1, среди свойств, характеризующих деталь в процессе эксплуатации, большее значение имеют показатели износостойкости и трения. Как известно, качество исходной поверхности детали машин, полученное в ходе технологической обработки на этапах ее производства, имеет характеристики, не совпадающие с характеристиками ее рабочего состояния, формирующимися в процессе эксплуатации. Поэтому на первоначальном этапе эксплуатации детали, называемом периодом приработки, или периодом начального износа, происходят коренные изменения геометрии поверхности и физико-химико-механических свойств тонких поверхностных слоев [28, 96, 99].

Выделение первоначального этапа эксплуатации деталей машин при изучении вопросов трения и износа обусловлено интенсивностью протекающих процессов именно на данном этапе, при этом период первоначальной приработки, или начального износа, оказывает влияние на весь период эксплуатации детали. К негативным явлениям периода приработки относят резкие отклонения от нормальных условий работы, нежелательные повреждения поверхности, явления схватывания и др.

Важность значения трения и износа в эксплуатационном периоде детали подкрепляется большим количеством проведенных исследований [5,11,29,49,50]. Основные гипотезы о поверхностном трении содержатся в работах [29], [11], [49, 50, 51], , [79].

На основании этих исследований можно считать доказанным, что на трение и износ поверхностей значительное влияние оказывают именно геометрические параметры качества и особенно волнистость трущихся поверхностей. Именно волнистость обусловливает практически все аспекты и характеристики явлений трения и износа. Например, трение и износ [28] деталей уплотнительных узлов в значительной степени зависят от материала, шероховатости и волнистости поверхности детали, по которой скользит уплотнительное кольцо. Увеличение высоты волнистости и шероховатости уплотняемой поверхности сопровождается ростом сил трения, причем с повышением рабочего давления эта зависимость выражается более резко.

В исследованиях [33] указывается, что «при снижении высоты волны на поверхности сопрягаемой детали с 15 до 8 мкм, износ баббитовых образцов уменьшается более чем в 2,2 раза». Экспериментальные исследования проводились на машине трения при возвратно-поступательном движении стального образца с различной волнистостью по баббитовым образцам. О значимости волнистости поверхности в вопросах трения и износа детали также указывается в работах . Автором приведен ряд формул по определению значения коэффициента трения для условий приработки (3) и нормального износа (2), в которых, наряду с параметрами шероховатости, учтены параметры волнистости, макроотклонений и физико-химико-механических свойств.

               (2)

        (3)

Приведенные зависимости (2) и (3), несмотря на свою ограниченную практическую применимость, указывают на необходимость при исследовании вопросов эксплуатационных свойств детали трения и износа учитывать и наличие волнистого профиля на поверхности детали.

       Наличие волнистости на поверхности детали приводит к снижению и других эксплуатационных свойств. Так, влияние волнистости на виброустойчивость деталей исследовано в работах , [89] на примере подшипников качения. Авторами показано, что увеличение высоты волнистости желобов внутренних колец подшипников качения типа 307 от 0,1 до 2,5 мкм вызывает повышение вибрации от 72 до 88 дб, а увеличение высоты волнистости желобов наружных колец от 0,25 до 3 мкм повышает вибрации от 73,5 до 84 дб. Проявление вибраций в процессе эксплуатации носит негативный характер, однозначно сказываясь на работоспособности деталей, подверженных влиянию колебаний системы. Исключением являются технологические системы, проявление вибраций в которых носит смоделированный характер. Результатом возникновения нежелательных вибраций в механизмах машин является повышенный износ, возрастание динамических нагрузок, приводящее к разрушению тонких поверхностных слоев, и другие последствия, снижающие период эксплуатации деталей.

Эксплуатационные период работы деталей машин нередко связан с воздействием на них внешних сред, таких как влажный атмосферный воздух, вода, смазочные масла. Взаимодействие поверхностей с этими средами приводит к процессу коррозии и разрушению металла [78, 96, 106]. Авторами отмечается, что параметры коррозии зависят как от среды, в которой находится поверхность, так и от свойств самой поверхности и в первую очередь от площади ее соприкосновения с внешней средой. Поэтому в данном случае также большое значение приобретает наличие волнистости на поверхности детали. Так как при менее развитой поверхности меньше получается и общая площадь активной поверхности детали, на ней уменьшается интенсивность воздействия агрессивной среды. К наиболее эффективным методам защиты поверхности от коррозии относится нанесение защитных покрытий с одновременным повышением качества выпускаемых деталей, что, в частности, приводит к уменьшению степени появления геометрических погрешностей обработки.

Среди геометрических характеристик поверхности детали, оказывающих влияние на герметичность соединения, наиболее изученным вопросом является ее шероховатость [49]. Как показывают исследования, величина утечки рабочей среды (вода, масло, воздух и т. д.) пропорциональна Rz3, т. е. при уменьшении шероховатости контактирующих поверхностей в 2 раза величина утечки среды уменьшается в 8 раз. Несомненно, роль микрорельефа, характеризующегося шероховатостью поверхности, имеет первостепенное значение в вопросах влияния на эксплуатационные свойства деталей. Однако существуют и более расширенные рамки изучения влияния качества поверхности на герметичность соединений. Так, в исследованиях , указывается на влияние на герметичность соединения не только параметров шероховатости контактирующих поверхностей детали, но и параметров волнистости (Wp); макроотклонения (Hp) и степени упрочнения (Hµ0), наряду с геометрией уплотнения, физико-механическими свойствами его материала и факторами внешнего воздействия. [99].

Эксплуатация деталей машин, связанная с передачей крутящего момента (M) и осевых нагрузок (P), без взаимного проскальзывания сопряженных деталей, характеризуется прочностью посадки с натягом. В классическом виде, на данное эксплуатационное свойства детали влияют диаметр (d) и длина (l) сопряжения, коэффициенты трения при кручении (fкр) и осевого сдвига (fос), натяг в соединении (∆) [8]. Однако методы, исключающие влияние всех параметров качества сопрягаемых поверхности, не отображают полной картины протекающих процессов в области сопряжения.

Приведенный обзор показывает, что для обеспечения эксплуатационных свойств деталей машин значительную роль играют геометрические параметры поверхностного слоя.

Проведенный анализ классических принципов оценки эксплуатационных свойств по параметрам качества детали указывает на необходимость прогнозирования параметров волнистости обработанной поверхности. Низкая точность определения волнистости значительно снижает эффективность этого подхода. Это связано с тем, что в вопросах оценки качества поверхности детали доминирующее положение занимает шероховатость поверхности, а волнистости придается второстепенное значение. Такая расстановка приоритетов обусловлена малой изученностью процессов формирования волнистости, при том что шероховатость поверхности носит стандартизованный характер (ГОСТ 2789-73).