Общие сведения о поверхностях деталей и их геометрии

Основные понятия и определения

Триботехника представляет собой упорядоченные знания о практическом применении трибологии.

Трибология (трайбология, трибология – от греч. tribos – трение и «логос» – наука) как научная дисциплина охватывает экспериментальные и теоретические исследования физических, механических, электрических, тепловых, химических, биологических и других явлений, связанных с трением.

Трибология, которая зародилась в Великобритании в начале 60-х г.г. 20 в., стала основой триботехники. Используя достижения физики, химии, машиноведения, металлургии и т. д., в пределах трибологии рассматривались проблемы трения в прикладном плане для обеспечения более длительного функционирования деталей и элементов машин и механизмов.

В последнее время в пределах триботехники начали развиваться следующие разделы – трибомеханика, трибохимия, трибофизика.

Трибомеханикой называют раздел триботехники, изучающий механику взаимодействия контактирующих поверхностей при трении с точки зрения законов рассеяния энергии, импульса, а также механическое подобие (...), реверсивное трение (...), уравнения гидродинамики и т.д.

Трибофизика изучает взаимодействие контактирующих поверхностей с физической точки зрения.

Трибохимия исследует реакции, протекающие при трении твердых тел, химические основы избирательного переноса (...), воздействие на поверхности деталей химически активных веществ, проблемы коррозии (...) при трении.

Ряд терминов триботехники как науки стандартизован (ГОСТ 23.002-78).

Рассмотрим основные термины.

Внешнее трение – явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним, сопровождаемое диссипацией (рассеянием) энергии (...).

Внутренне трение – явление сопротивления относительному перемещению частиц одного и того же тела.

Поверхность трения – поверхность тела, участвующая в трении.

Сила трения – сила сопротивления при относительном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы, направленной к общей границе между телами (...).

Коэффициент трения – отношение силы трения между телами к нормальной силе, прижимающей эти тела друг к другу.

Трение покоя – трение двух тел при микросмещении без макросмещения.

Трение движения – трение двух тел, находящихся в относительном движении.

Трение скольжения – трение движения, при котором скорости соприкасающихся тел в точках касания различны по значению и (или) направлению.

Трение качения – трение движения, при котором скорости соприкасающихся тел одинаковы по значению и направлению, по крайней мере, в одной точке зоны контакта.

Трение качения с проскальзыванием – трение движения двух соприкасающихся тел при одновременном трении качения и скольжения в зоне контакта.

Трение без смазочного материала – трение двух тел при отсутствии на поверхности трения введенного смазочного материала (...) всех видов.

Трение со смазочным материалом – трение двух тел при наличии на поверхностях трения введенного смазочного материала всех видов.

Изнашивание – процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела и (или) накопления его остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и (или) формы тела.

Механическое изнашивание – изнашивание в результате механических воздействий.

Абразивное изнашивание – механическое изнашивание материала в результате режущего или царапающего действия твердых тел или твердых частиц.

Гидрабразивное изнашивание – изнашивание в результате воздействия твердых тел или твердых частиц, увлекаемых потоком жидкости (газа).

Гидроэрозионное изнашивание – изнашивание поверхности в результате воздействия потока жидкости или газа.

Усталостное изнашивание – механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхности трения (может происходить как при качении, так и при скольжении).

Кавитационное изнашивание – механическое изнашивание при движении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырьки газа захлопываются вблизи поверхности, что создает местное ударное давление и высокую температуру.

Фреттинг – механическое изнашивание соприкасающихся тел при колебательном относительном микросмещении.

Изнашивание при заедании – изнашивание в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействия возникающих неровностей на сопряженную поверхность.

Коррозионно-механическое изнашивание – изнашивание в результате механического воздействия, сопровождаемого химическим и (или) электрохимическим взаимодействием материала со средой.

Электроэрозионное изнашивание – изнашивание поверхности в результате воздействия разрядов при прохождении электрического тока.

Износ – результат изнашивания, проявляющийся в виде отделения или остаточной деформации материала (...) и определяемый в установленных единицах.

Износ может выражаться в единицах длины, объема, массы и т.д.

Скорость изнашивания – отношение значения износа к интервалу времени, в течение которого он возник.

Различают мгновенную и среднюю скорость изнашивания.

Интенсивность изнашивания (...) – отношение значения износа к обусловленному пути, на котором происходило изнашивание, или к объему выполненной работы.

Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания.

Скачкообразное движение при трении – явление чередования относительного скольжения и относительного покоя или чередование увеличения и уменьшения относительной скорости скольжения, возникающее самопроизвольно при трении движения.

Схватывание при трении – явление местного соединения двух твердых тел, происходящего при трении вследствие действия молекулярных сил.

Перенос материала – явление при трении твердых тел, состоящее в том, что материал одного тела соединяется с другим и, отрываясь от первого, остается на поверхности другого.

Заедание – процесс возникновения и развития повреждений поверхностей трения вследствие схватывания и переноса материала.

Задир – повреждение поверхности трения в виде широких и глубоких борозд в направлении скольжения.

Царапание – образование углублений на поверхности в направлении скольжения при воздействии выступов тела или твердых частиц.

Отслаивание – отделение с поверхности трения частиц материала в форме чешуек при усталостном изнашивании.

Выкрашивание – образование ямок на поверхности трения в результате отделения частиц материала при усталостном изнашивании.

Приработка – процесс изменения геометрии поверхностей трения и физико-механических свойств поверхностных слоев материала в начальный период трения, обычно проявляющийся при постоянных внешних условиях в уменьшении силы трения, температуры и интенсивности изнашивания.

Смазка – действие смазочного материала, в результате которого уменьшается износ, повреждения поверхности и (или) сила трения.

Смазывание – подведение смазочного материала к поверхности трения.

Смазочный материал – материал, подаваемый в зону трения и и обеспечивающий смазывание (масляным туманом, погружением, под давлением, твёрдым покрытием, разбрызгиванием и другими способами) (...).

Газовая смазка - смазка, при которой разделение поверхностей трения деталей, находящихся в относительном движении, осуществляется газовым смазочным материалом.

Жидкостная смазка – смазка, при которой разделение поверхностей трения деталей, находящихся в относительном движении, осуществляется жидким смазочным материалом.

Твердая смазка – смазка, при которой разделение поверхностей трения деталей, находящихся в относительном движении, осуществляется твердым смазочным материалом.

Гидродинамическая смазка – жидкостная смазка, при которой полное разделение поверхностей трения осуществляется в результате давления, самовозникающего в слое жидкости при относительном движении поверхностей.

Гидростатическая смазка – жидкостная смазка, при которой полное разделение поверхностей трения деталей, находящихся в относительном движении или покое, осуществляется жидкостью, поступающей в зазор между поверхностями под внешним давлением.

Газостатическая смазка – газовая смазка, при которой полное разделение поверхностей трения осуществляется в результате давления газа, поступающего в зазор между поверхностями трения.

Эластогидродинамическая смазка – смазка, при которой трение и толщина пленки смазочного материала между двумя поверхностями, находящимися в относительном движении, определяются упругими свойствами материалов, а также реологическими свойствами смазочного материала.

Вязкость – объемное свойство жидкого, полужидкого или полутвердого вещества оказывать сопротивление при течении.

Присадка – вещество, добавляемое к смазочному материалу для придания ему новых свойств или усиления существующих.

Общие сведения о поверхностях деталей и их геометрии

Взаимодействие деталей в сопряжениях осуществляется по соответствующим поверхностям. Весьма важно знать основные характеристики этих поверхностей.

В технике под поверхностью детали понимают наружный слой, который по строению и другим физическим свойствам отличается от внутренних слоев. Комплекс свойств, приобретаемых поверхностью детали в результате ее обработки, характеризуется понятием качество поверхности.

Качество поверхности деталей характеризуется микро- и макрогеометрией поверхности, волнистостью, структурой, упрочнением и остаточными напряжениями. Глубина поверхностного слоя и качество поверхности зависят от основного материала, вида обработки, основных параметров инструмента, режимаобработки и рода смазочно-охлаждающей жидкости. Качество поверхности деталей машин влияет на сопротивление усталости, износостойкость, коррозионную и эрозионную стойкость и связано с такими свойствами сопряжений, как прочность посадок с натягом и плотность подвижных и неподвижных соединений.

Всякое реальное тело имеет отклонения от идеальной геометрической формы, именуемые погрешностями. Погрешности обработанной поверхности с точки зрения причин их образования и методов измерения, применяемых для их оценки, можно подразделить на три категории: макрогеометрические отклонения, волнистость и шероховатость.

Макрогеометрическими называют отклонения формы поверхности от заданной. Например, детали с боковой поверхностью в форме кругового цилиндра могут иметь следующие погрешности: отклонения контура от окружности (овальность, огранка); отклонения от прямолинейности образующих при прямолинейности оси цилиндра (бочкообразность); отклонения от прямолинейности образующих (конусность); криволинейность оси. Величина и характер этих отклонений могут быть определены путем измерения диаметра детали в различных поперечных сечениях по длине, а в данном поперечном сечении – в различных направлениях.

Возникновение макрогеометрических погрешностей поверхности происходит в основном из-за низкой точности станка, на котором происходит обработка, погрешностей установки заготовки, силовых и температурных деформаций системы станок – заготовка – инструмент и износа инструмента в процессе обработки детали.

Под волнистостью поверхности понимают совокупность более или менее регулярно чередующихся возвышений и впадин с шагом волны, значительно превышающим ее высоту (рис. 1).

Рис.1. Схема поперечной и продольной волнистости

Волнистость в направлении главного движения при резании называют продольной, а в перпендикулярном направлении – поперечной.

Волнистость поверхности образуется в результате неравномерности подачи при точении и шлифовании, неплоскостности направляющих, вынужденных колебаний системы станок – приспособление – инструмент – деталь, возникающих из-за неравномерности силы резания, наличия неуравновешенных масс, волнистости режущего инструмента, искажения формы шлифовального круга и неравномерного его износа, погрешности движения инструмента или заготовки. При окончательной обработке (шлифовании) сильно сказывается дисбаланс шлифовального круга. При зубофрезеровании погрешности изготовления червяка цепи делительной подачи станка проявляются в виде волнистости боковой поверхности зуба. От шероховатости волнистость поверхности отличается значительно большим шагом. При чистовой обработке он составляет не менее 0,25 мм, при грубой – превышает 8 мм. Нередко высота волны при чистовом точении и цилиндрическом шлифовании доходит до 15 мкм при шаге до 14 мм.

Микрогеометрия поверхности характеризуется неровностями, т.е. выступами и впадинами с относительно малым расстоянием между ними. Эти неровности, образующие в совокупности рельеф поверхности, называют шероховатостью поверхности. Иногда их именуют микронеровностями. Контур сечения реальной поверхности плоскостью, перпендикулярной соответствующей идеальной геометрической поверхности, образует профиль, характеризующий микрогеометрию поверхности изделия. Графическое изображение реального профиля по данным измерений шероховатости называют профилограммой (...) шероховатости. Так как через данную точку геометрической поверхности можно провести бесчисленное множество нормальных сечений, то шероховатость поверхности следует связывать с определенным направлением.

Шероховатость поверхности – совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами на базовой длине.

Количественно шероховатость можно оценить по соответствующим показателям. ГОСТ 2789 – 73 предусматривает шесть параметров, характеризующих шероховатость поверхности: три высотных – Ra, Rz и Rmax (среднее арифметическое отклонение профиля, высота неровностей по десяти точкам и наибольшая высота неровностей профиля), два шаговых – S и Sm (средний шаг неровностей профиля по вершинам и средний шаг неровностей профиля) и относительная опорная длина профиля t_p.

Средним арифметическим отклонением профиля Ra называют среднее арифметическое абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины l (рис. 2):

где y(x) - функция отклонения профиля от средней линии.

Рис.2. Профилограмма поверхности

При приближенных вычислениях может использоваться следующая зависимость

где y(i) - отклонение профиля от средней линии в произвольном сечении; n - число разбиений профиля поверхности.

Высота микронеровностей, определяемая по десяти микронеровностям в пределах базовой длины, вычисляется по формуле

где H_{max i}, H_{min i} - максимальное отклонение от средней линии профиля поверхности соответственно микровыступов и микровпадин.

При оценке технологической шероховатости применительно к некоторым видам обработки Rz определяют по формуле

где H_р - расчетная высота микронеровностей, определяемая с учетом геометрии инструмента и режима обработки; ∆H - отклонение от расчетной высоты микронеровностей.

Максимальная высота микронеровности определяется как расстояние между линией впадин и линией выступов профиля поверхности. Линии впадин и линии выступов - это прямые, проведенные на профиле поверхности в пределах базовой длины соответственно через самую глубокую впадину и вершину самого глубокого выступа параллельно средней лини профиля поверхности.

В соответствии с принятой моделью шероховатостей все микронеровности представляют в виде шаровых сегментов постоянного радиуса кривизны, являющихся средним геометрическим радиусов кривизны вдоль и поперек направления обработки.

Средним арифметическим шагом микронеровностей называют расстояние между двумя точками пересечения одноименных поверхностей соседних микронеровностей со средней линией профиля поверхности

где n₁ - число выступов, обычно используемых при определении (не менее 5); S_mi - шаг произвольной микронеровности.

На профилограмме положение средней линии профиля определяют так, чтобы площади выступов и впадинпо обе стороны от выбранной линии до контурапрофиля были равны.

Относительная однородность микронеровностей поверхности детали позволяет судить о шероховатости в данном направлении по результатам обследования участка сравнительно небольшой длины.

Кроме микронеровностей существует субмикрошероховатость поверхности, имеющаяся на поверхности микронеровностей, обусловленная внутренними дефектами материала, неравномерностью деформирования отдельных кристаллов, микротрещинами, неравномерным ростом пленок и т.д.

Распределение материала в шероховатом слое твердого тела задается опорной кривой профиля поверхности t_p, которая позволяет судить о распределении вершин микронеровностей по высоте.

Опорная кривая строится следующим образом. Выбирается профилограмма (измеренный профиль) поверхности с некоторой базовой длиной. На профиле поверхности проводится средняя линия, линия впадин и выступов. Параллельно средней лини проводится произвольное число сечений. Затем строится график, в котором по оси ординат откладывается отношение расстояния рассматриваемого сечения от вершины самого высокого выступа к максимальной высоте микронеровности. а по оси абсцисс - отношение суммарной длины сечений микронеровностей к базовой длине.

Опорная кривая некоторого профиля поверхности приведена на рис. 3.

Рис.3. Пример построения опорной кривой

В контактном взаимодействии находятся сопряженные детали, в поверхностных слоях которых существуют остаточные напряжения, материалы претерпевают структурные и фазовые превращения.

Остаточными называют напряжения, которые существуют в теле при отсутствии силовых воздействий на него. Остаточные напряжения первого рода (макронапряжения) сравнимы с размерами детали. Микронапряжения (остаточные напряжения второго рода) проявляются в пределах кристаллитов или их групп. Субмикронапряжения (остаточные напряжения третьего рода) уравновешиваются в пределах небольших группах атомов.

Источником образования остаточных напряжений являются пластические деформации обрабатываемой поверхности и высокие температуры (400-800 ⁰С), возникающие в поверхностных слоях при окончательной обработке детали. По характеру остаточные температурные напряжения, равно как и обусловленные пластической деформацией, являются напряжениями первого рода. Однако из-за неодинакового тепловыделения на смежных участках обрабатываемой поверхности и различной степени пластической деформации возникают также остаточные напряжения второго рода.

При обработке металла в его наружном слое под влиянием пластической деформации при отсутствии ползучести развиваются остаточные напряжения сжатия, тепловой же эффект от резания приводит к напряжениям растяжения. Так как оба фактора действуют совместно, то знак остаточного напряжения в наружном слое зависит от того, какой из факторов превалирует. Если температура на обрабатываемой поверхности менее t_рез, то температурные напряжения являются временными,после выравнивания температуры они исчезают.

Остаточные напряжения в поверхностном слое при механической обработке могут достигать значительной величины – 560 – 1000 МПа. Возникающие напряжения могут быть сжимающими и растягивающими. Под действием высоких внутренних напряжений растяжения возникают шлифовочные трещины. Остаточные напряжения растяжения снижают предел выносливости детали.

После обработки поверхностные слои деталей упрочняются, о чем свидетельствуют данные об измерении микротвердости материала, полученные в большинстве случаев в результате внедрения в испытуемую поверхность соответствующего индентора (...). Упрочнение определяют в результате сравнения твердости деформированного и недеформированного материала. Применяют методы Виккерса и Кнупа. В пером случае применяют четырехгранную алмазную пирамиду с основанием в виде параллелограмма с углом при вершине 136⁰, а во втором случае в основании пирамиды - ромб.

Упрочнение (...) поверхностного слоя при обработке можно оценить по изменению микротвердости по сравнению с исходной. Микротвердость падает по мере удаления от поверхности детали, причем более резко по толщине слоя с раздробленной структурой. Прочные и хрупкие металлы менее склонны к упрочнению, чем малопрочные и вязкие. К тому же температура при резании высокопрочных металлов значительно выше, и сильнее сказывается фактор разупрочнения. Наклеп металла под выступами неровностей обычно больше, чем под впадинами.

Структурные превращения и состав фаз определяют с помощью металлографических исследований.

Беспорядочно расположенные в исходной структуре металла кристаллические зерна при пластической деформации приобретают однородную ориентацию (текстуру). Пластическая деформация при резании металлов обусловливает изменение микроструктуры. Более глубокие изменения возможны при обработке металлов, воспринимающих закалку. В результате высокого поверхностного нагрева, а также быстрого охлаждения возможны фазовые превращения и структурные изменения. Так, в процессе шлифования закаленной и отпущенной стали образуется приповерхностный слой аустенитно-мартенситной структуры из вторично закаленного металла. Этот слой лежит на слое, имеющем структуры всех стадий отпуска вплоть до структуры исходного термически обработанного металла. Слой измененной структуры при нормальных условиях шлифования имеет почти равномерную толщину. Такие же превращения наблюдаются при точении. Так как каждой структурной составляющей свойствен присущий ей удельный объем, то фазовые и структурные превращения наряду с пластической деформацией также являются источником остаточных напряжений.

Местные фазовые и структурные превращения поверхностного слоя шлифуемой детали известны под названием шлифовочных прижогов. Они образуются вследствие интенсивного (почти мгновенного) тепловыделения на небольшом участке поверхностного слоя. При шлифовальном круге нормальной твердости, нормальном режиме шлифования и достаточном охлаждении прижоги возникают из-за вибрации круга (циклические прижоги), неправильной установки детали на центрах и т. п. В области прижогов образуются остаточные напряжения. Прижоги являются структурными концентраторами напряжения, понижающими как сопротивление усталости и износостойкость.

Фазовые и структурные превращения при обработке инструментом возможны только для металлов с метастабильной структурой.

В случае холодной пластической деформации металла повышаются его твердость и предел прочности при одновременном снижении относительного удлинения и относительного поперечного сужения при растяжении. Это явление называют упрочнением металла (наклёпом).

При резании металлов протекают два противодействующих друг другу процесса: упрочнение в результате действия сил резания, которое тем выше, чем больше давление резания, и разупрочнение – снятие наклепа за счет повышающейся температуры резания. Степень наклепа и толщина наклепанного слоя при прочих равных условиях зависят от режима резания.

Общим для контактирующих деталей является строение поверхностных слоев (рис. 4). Граничный слой 1 состоит из адсорбированной пленки газов, влаги и смазочно-охлаждающей жидкости, которую можно удалить лишь нагревом детали в вакууме. Слой 2 – деформированный, сильно раздробленный металл с искаженной решеткой кристаллов и с обезуглероженными под действием высоких температур при шлифовании участками; в нем находятся окислы и нитриды, пустоты, надрывы и трещины. Слой 3 состоит из зерен, сильно деформированных под действием давления шлифовального круга и тангенциальных сил при шлифовании; в нем содержится структурно-свободный цементит, образовавшийся под действием высоких температур. Слой 4 – металл с исходной структурой.

Рис. 4. Структура поверхностного слоя шлифованной и полированной детали из углеродистой стали

Слой 1 не изменяется по толщине, а слои 2и 3 уменьшаются соответственно при уменьшении давления и температуры поверхности при обработке.

У полированного металла самый верхний слой состоит из мельчайших кристаллических образований, многие из которых не имеют законченной решетки и представляют собой как бы обломки правильных кристаллических решеток (слой Бейльби). Такое строение позволило считать этот слой аморфным. Под ним находится слой очень мелких кристаллов, ориентированных в направлении полирования. Далее следует переходная к исходной структуре прослойка слабо наклепанных кристаллов без выраженной текстуры. Если исключить адсорбированную пленку, то поверхностный слой обработанной инструментом поверхности состоит из наружного очень тонкого слоя, более или менее сильно разрушенных кристаллических зерен и наклепанного слоя, имеющего четкую кристаллическую структуру.

Поверхностный слой в зависимости от указанных выше обстоятельств имеет толщину при точении 0,25 – 2,0 мм, при шлифовании 12 – 75 мкм, при тонком шлифовании 2 – 25 мкм, при полировании – 0 – 2 мкм.

Следует иметь в виду, что шлифовочные прижоги могут достигать глубины 5 мм.

Микроскопическая неоднородность физико-механических свойств характерна для всякого твердого тела. В металлах она обусловлена анизотропией кристаллов. Если травлением удалить обработанный поверхностный слой, то образовавшаяся новая поверхность будет неоднородна по свойствам, поскольку кристаллические зерна различно ориентированы к поверхности. Обработанная поверхность в связи с особенностями ее образования отличается сравнительно большей неоднородностью как по химической активности, так и по физико-механическим свойствам. Кроме того, она имеет мельчайшие дефекты в виде трещин и пустот. Хотя подобные дефекты структуры возникают в процессе образования всей массы металла, но количество их в поверхностном слое возрастает в результате механических и тепловых воздействий при обработке.

Дефекты структуры имеют и атомный характер. Атомы кристаллической решетки металла непрерывно совершают беспорядочные колебания около положения равновесия с тем большим размахом, чем выше температура. В некоторых случаях размах колебаний некоторых атомов становится таким, что они покидают свои места в решетке, нарушая тем самым кристаллический порядок. При любой температуре всегда имеется некоторое количество атомов, покинувших свои устойчивые положения в решетке, оставив в ней пустые места (вакансии) и ослабив тем самым прочность твердого тела. Образование дефектов в структуре металла может быть вызвано также посторонними примесями.

Система дефектов – слабых мест поверхности детали – является основой, на которой, начиная с самых малых деформаций, развиваются микротрещины.

Вследствие наличия дефектов на поверхности естественно ожидать, что разрушение поверхности при трении будет происходить именно в этих местах, т. е. процесс изнашивания будет носить избирательный характер. По мере изнашивания поверхности слабые места будут возникать вновь.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: