Формирование волнистости обработанной поверхности при механической обработке (стр. 1 )

ГЛАВА 1 Формирование волнистости обработанной поверхности при механической обработке

1.1 Классификация геометрических параметров качества
обработанной поверхности

Под качеством поверхности деталей подразумевают совокупность всех характеристик, влияющих на работоспособность детали на протяжении всего срока службы. Качество поверхности деталей во многом определяет эксплуатационные характеристики машин и механизмов.

Поверхностным слоем называют наружный слой детали, имеющий макро - и микроотклонения от идеальной геометрической формы и измененные физико-химические свойства по сравнению со свойствами основного материала (рисунок 1) [99, 100].

Рисунок 1 – Поверхностный слой детали [99]:

1 – макроотклонение; 2 – волнистость; 3 – шероховатость; 4 – субшероховатость; 5 – адсорбированная зона; 6 – зона оксидов; 7 – граничная зона материала; 8 –  зона материала с измененными физико-химическими свойствами

В соответствии с представлениями о жизненном цикле изделия [15, 61, 81, 96, 97, 99, 112, 117, 121] процесс формирования поверхностного слоя любой детали машин осуществляется в процессе ее производства и продолжает изменяться в процессе ее эксплуатации. Действительно, при рассмотрении вопроса качества обработанной поверхности в первую очередь решают задачу улучшения эксплуатационных характеристик детали на протяжении всего срока ее службы. В процессе эксплуатации любой металлической детали машин, в зависимости от назначения, ее поверхностный слой испытывает влияние термических, механических, физических и химических воздействий, что однозначно приводит к изменению параметров качества.

Исследованию качества обработанной поверхности детали посвящено достаточное количество научно-технической литературы. Среди исследователей в данной области выделяют [7], [15], [17], [20], [28], -Барковского [31], [32, 33], [39], [44], [46], [47], [54, 55, 56, 57, 58], [60, 61], [63, 64, 65], [79, 80, 81], [96, 97, 98, 99, 100], [117, 118, 119, 120, 121, 122], и др.

К показателям, характеризующим качество поверхности детали, относят геометрические параметры, физико-механические и химические свойства [5, 7, 15, 17, 32, 44, 48, 49, 61, 78, 99, 101, 112, 120]. На рисунке 2 приведена классификация основных параметров, характеризующих поверхность детали.

Рисунок 2 – Показатели качества поверхности детали

Знание параметров, характеризующих качество поверхностного слоя деталей, обусловлено необходимостью их обеспечения в процессе изготовления и эксплуатации деталей. Конструктор указывает на чертеже значения параметров точности и шероховатости для каждой поверхности в соответствии с ее служебным назначением и сроком эксплуатации. При изготовлении детали как бы создается запас по этим параметрам, обеспечивающий определенный период ее эксплуатации. При выполнении технологического процесса технологу необходимо обеспечить эти параметры, а по окончании периода эксплуатации производится либо восстановление, либо утилизация детали.

Оценка параметров качества реальной поверхности детали осуществляется в процессе исследования ее поверхностного слоя. По данным литературных источников [18, 96, 99], изменение свойств и структуры поверхностного слоя обработанной детали происходит не только снаружи, но и по глубине на расстоянии от десятков ангстрем до десятых долей миллиметра, редко - до двух миллиметров. Глубинные изменения поверхности детали, приводящие к появлению в объеме одного изделия (от поверхности к сердцевине) участков, имеющих разные структуру и свойства, являются следствием физико-химико-механических воздействий. Среди основных причин, влияющих на изменение параметров поверхностного слоя, выделяют [99]:

различие в состоянии атомов металла у поверхностного слоя с состоянием атомов, находящихся в объеме изделия, следствием чего являются свободная поверхностная энергия и большая адсорбционная активность; суммарное влияние механических, тепловых и физико-химических воздействий на поверхность металла при окончательных и предварительных операциях технологической обработки; суммарное влияние повторных цилиндрических, механических, тепловых и физико-химических воздействий на поверхность металла при нагружении трением в эксплуатации.

Металлическая поверхность детали, подвергшейся операциям окончательной (финишной) обработки, обладает высокой адсорбирующей способностью, приводящей при взаимодействии с газообразной или жидкой средой к поглощению атомов и молекул среды и накоплению их в тонких поверхностных слоях до прямых химических реакций, при этом процесс химической адсорбции носит необратимый характер. Анализ поверхности детали на предмет определения ее качества заключается не только в исследовании химического состава тонких поверхностных слоев, но и в изучении структурных изменений, приводящих к образованию упрочнения (наклепа) и остаточных напряжений, неоспоримо сказывающихся на эксплуатационных характеристиках детали. Среди негативных последствий изменения физико-химико-механических свойств поверхностных слоев обработанной детали, влияющих на ее работоспособность, выделяют проявление недопустимых видов износа, ранее развитие усталости, переход к аварийному состоянию [49].

Роль исходных механических, физических и химических свойств поверхностного слоя металла детали, формирующегося в процессе технологической обработки и дальнейшей эксплуатации, чрезвычайна велика, однако среди показателей, определяющих качество обработанной поверхности, помимо прочих, значимое положение занимают ее геометрические параметры.

Процесс изготовления любой детали машин состоит из ряда этапов, позволяющих с помощью средств и методов обработки из заготовки воспроизвести деталь, максимально приближенную к спроектированной конструктором, учитывая необходимую степень приближения в зависимости от ее функционального назначения. Одним из основных параметров, позволяющих объективно оценивать геометрические формы детали, является размер – числовое значение линейной величины (диаметр, длина, высота и т. п.), являющееся основным показателем, характеризующим ее точность. Определение значений номинального и предельных размеров осуществляется на этапе проектирования и подготовки конструкторского чертежа изделия путем выполнения кинематических, динамических и прочностных расчетов с учетом конструктивных, технологических, эстетических и других условий, формирующихся в зависимости от применимости самого изделия. Полученный таким образом номинальный размер обязательно округляется, за редким исключением, до значений, установленных ГОСТ 6636-69 «Нормальные линейные размеры», и только после этого указывается на рабочем чертеже детали. Определение значений действительных размеров детали осуществляется непосредственным измерением с помощью мерительных инструментов или иным способом с погрешностью, присущей применяемому оборудованию.

Вопрос оценки геометрии детали путем проведения измерений достаточно изучен, данный факт подтверждается наличием как научных исследований, так и стандартов, устанавливающих четкие критерии и понятия в данной области. Однако для объективной оценки качества детали одного критерия, характеризующего ее размерную часть, явно недостаточно.

Наиболее важные эксплуатационные свойства деталей машин (износостойкость, контактная жесткость, плотность соединений и прочность посадок) в значительной мере зависят от их контактного взаимодействия [97]. При исследовании контактного взаимодействия двух сопряженных деталей рассматривают характер контакта, сближение, фактическую площадь контакта и динамические характеристики стыков поверхностей. Процесс контактного взаимодействия деталей является достаточно изученным вопросом, при этом положение о дискретности контакта является общепризнанным. Дискретность контакта сопряженных деталей обусловлена наличием геометрических отклонений их реальной поверхности от номинальной, приводящей к уменьшению фактической площади контакта, что, в свою очередь, приводит к изменению величин контактных напряжений.

Геометрия реальной поверхности любой, даже тщательно обработанной детали в значительной мере отличается от идеальной – теоретической поверхности, изображенной на чертеже [96]. После обработки на поверхности детали имеются макро - и микронеровности различной величины (рисунок 1).

Для описания поверхностного слоя детали в машиностроении приняты следующие группы геометрических характеристик, позволяющие осуществлять качественные методы оценки [61, 96, 99]:

макронеровности (отклонение формы), которые определяются на всей длине или ширине детали; волнистость, которая определяется на длине большей, чем базовая длина для шероховатости; шероховатость, определяемая на регламентированной ГОСТом базовой длине; субшероховатость – субмикронеровности, накладываемые на шероховатость поверхности.

Четкого разграничения между этими группами характеристик нет. Более того, имеется ГОСТ 2789-73, регламентирующий определение только параметров шероховатости по профилю поверхности. Для остальных групп вводятся различные параметры, чаще всего по аналогии с параметрами шероховатости.

На практике наиболее часто используются высотные параметры шероховатости Ra, Rz, Rmax. При исследовании характера контактирования поверхностей применяется относительная опорная длина профиля tp. Шаговые параметры шероховатости поверхности S и Sm практически используются достаточно редко. Необходимо обратить внимание, что все параметры шероховатости по ГОСТ 2789-73 получают обработкой профилограммы поверхности на определенной базовой длине lбаз, которая, в свою очередь, зависит от шероховатости. Более того, параметры шероховатости существенно зависят от направления трассы профилографирования. Поэтому и различают продольную и поперечную шероховатости. На практике для высотных параметров обычно используют направление профилографирования с максимальными значениями этих параметров. Существуют и нестандартизованные параметры шероховатости (например, Rq). Кроме того, в других странах существуют свои стандарты и параметры шероховатости.