Лекция 20. Качество поверхности деталей машин

План лекции:

Опыт производства и эксплуатации машин показал, что в значительной степени долговечность и эксплуатационная надёжность зависят от состояния и физико-механических свойств тончайших поверхностных слоев деталей, где зарождаются и развиваются процессы износа и повреждаемости усталостного и коррозионного разрушения.

В связи с этим чрезвычайно важное значение приобретает окончательная обработка деталей, в результате которой формируется поверхностный слой деталей машин.

Важнейшим технологическим условием обработки резанием является получение высокого качества обработанной поверхности, которое определяется совокупностью следующих характеристик: шероховатостью поверхности, физико-механическим состоянием, микроструктурой металла поверхностного слоя и остаточными напряжениями.

Шероховатостью поверхности называется совокупность неровностей с относительно малыми шагами, образующих рельеф поверхности в пределах заданной, базовой длины. Основные термины и определения шероховатости поверхности рассмотрены при выполнении соответствующей лабораторной работы.

Физико-механическое состояние поверхности характеризуется механичес-кими, физическими и химическими свойствами тонких поверхностных слоев, отличающихся от свойств основного материала изделия.

Микроструктура поверхностных слоев после обработки, как правило, отличается от структуры основного материала изделия.

Остаточные напряжения металла поверхностного слоя также возникают при окончательной обработке.

Различают внутренние напряжения трех родов.

Внутренние напряжения первого рода - это зональные внутренние напряжения, возникающие между отдельными зонами сечения и между различными частями детали. Чем больше возникающий, например, при термической обработке градиент температур по сечению и между различными частями детали, который зависит от скорости охлаждения, неравномерности охлаждения, размера детали и ряда других причин, тем большего значения достигают внутренние напряжения первого рода

Внутренние напряжения второго рода возникают внутри зерна или между соседними зернами.

Внутренние напряжения второго рода возникают между различными фазами вследствие различных у них коэффициентов линейного расширения или вследствие образования новых фаз (фазовых превращений).

Внутренние напряжения второго рода не зависят от тех факторов, от первого которых зависят внутренние напряжения первого рода, - скорости охлаждения и др.

Внутренние напряжения третьего рода возникают внутри объема порядка нескольких элементарных ячеек кристаллической решетки.

Случай, когда инородный атом в твердом растворе упруго искажает вокруг себя кристаллическую решетку, представляет собой пример возникновения напряжений третьего рода.

Какого бы рода ни были напряжения, в конечном итоге они вызывают одинаковый эффект - упруго деформируют и искажают кристаллическую решетку. Поэтому основным методом изучения и измерения внутренних напряжений является рентгенографический. Для определения напряжений первого рода применяется и механический метод (удаление поверхностных слоев металла и измерение деформаций, вызванных перераспределением напряжений).

Внутренние напряжения первого рода зависят не только от внешних факторов (скорость охлаждения, размер и форма детали и т.д.), но и от внутренних свойств металла. Если металл обладает малой пластичностью, то возникающие внутренние напряжения не разряжаются пластической деформацией и если напряжения по величине превзойдут значение предела прочности, то возникнут трещины.

В процессе нагрева и охлаждения внутренние напряжения меняются, например, при нагреве поверхностные слои металла испытывают напряжения сжатия, так как они стремятся расшириться, а этому препятствуют серповидные более холодные слои металла. Наоборот, при охлаждении поверхностные сдои, имеющие более низкую температуру, чем сердцевина, испытывают напряжения растяжения, а сердцевинные -напряжения сжатия.

Напряжения, которые возникли и сохранились в детали в результате охлаждения, называются остаточными напряжениями.

Закаленная сталь всегда находится в структурно напряженном состоянии.

Остаточные напряжения первого рода подразделяются на напряжения сжатия и растяжения. Сущность их при механической обработке заключается в следующем.

При резании поверхностные слои подвергаются с одной стороны, пластической деформации, а с другой - интенсивному нагреву.

При растяжении наружных слоев (например, точении), внутренние слои тоже будут растягиваться, но упруго. После снятия нагрузки (резец ушел вперед) напряжения в упругой растянутой зоне будут стремиться сняться, но их снятию оказывают сопротивление пластически растянутые поверхностные слои. В результате, внутренние слои окажутся частично растянутыми, но вызовут остаточные упругие напряжения сжатия в поверхностных пластически деформированных слоях. Следовательно, под влиянием механического воздействия в наружном слое возникнут остаточные напряжения сжатия.

Под воздействием нагрева поверхностные слои стремятся удлиниться, чему препятствуют внутренние слои. Поэтому при нагревании в поверхностных слоях возникнут напряжения сжатия. Если нагрев поверхности будет достаточно интенсивен, то могут возникнуть сжимающие напряжения, превосходящие s текучести, т.е. поверхностные слои окажутся пластически сжатыми. При охлаждении поверхностные слои стремятся укротиться не до первоначальной величины, а на величину их пластического сжатия. Этому препятствуют нижележащие слои, в связи с чем во внутренних слоях возникают упругие деформации сжатия, а на поверхности - уравновешивающие их напряжения растяжения. Таким образом, под влиянием нагрева на обработанной поверхности возникают внутренние напряжения растяжения.

Реально в процессе резания обработанная поверхность подвергается одновременно и механическому и тепловому воздействиям. В зависимости от интенсивности нагрева поверхностные напряжения усиливаются или сжимаются. Как правило, в поверхностном слое напряжения растяжения - температурные.

Шероховатость поверхности детали, обработанной резанием, зависит от большого количества причин, связанных с условиями их изготовления. В частности высота и форма неровностей, а также характер расположения и направление обработочных рисок зависят от принятого метода и режима обработки, условий охлаждения и смазки инструмента, химического состава и микроструктуры обрабатываемого материала, конструкции, геометрии и стойкости режущего инструмента, типа и состояния используемого оборудования, вспомогательного инструмента и приспособлений и др.

Все многообразие причин, определяющих шероховатость обработанной поверхности, можно объединить в три основные группы причин, связанных с: геометрией процесса резания, пластической и упругой деформацией обрабатываемого материала, возникновением вибраций режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности.

В различных условиях обработки преобладающее влияние на формирование шероховатости поверхности одна из трех указанных групп причин. Однако в отдельных случаях возможно одновременное почти в одинаковой степени влияние на процесс образования шероховатости всех указанных выше причин. Шероховатость обработанной поверхности в подобных случаях не имеет четко выраженной закономерности.

Поиск по сайту: