Качество деталей машин при механической обработке

Факторы, влияющие на износ деталей

Основными причинами, влияющими на износ деталей, являются: – качество механической обработки деталей; – качество металла; – качество смазки; – скорость движения трущихся деталей и удельное давление на них; – зазоры между трущимися деталями; – условия эксплуатации машин.

В зависимости от условий работы деталей, т. е. от нагрузки, скорости, температуры, характера трения и смазки, к качеству или чистоте поверхности детали предъявляются определенные требования. Можно считать установленной зависимость износостойкости и усталостной прочности детали от качества или чистоты ее поверхности, в первую очередь от микрогеометрии последней.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Рис. 7. Схема неровностей обработанной поверхности

Так как при работе двух сопряженных деталей трение действует на поверхностные слои металла, то износостойкость деталей характеризуется в значительной степени физическим состоянием этих поверхностных слоев. От наклепа и наличия внутренних напряжений зависит сопротивление различным деформациям, а от геометрического состояния поверхностей зависят распределение давлений и условия смазки трущихся поверхностей.

Повышенного качества или чистоты поверхностей при механической обработке деталей достигают применением наиболее совершенных способов их отделки, к которым относятся тонкое растачивание и обтачивание твердосплавными резцами, тонкое шлифование, притирка или различные виды доводки и полирование.

При любой механической обработке деталей их поверхности никогда не бывают и не могут быть идеально гладкими; на них всегда имеются некоторые неровности— шероховатость, которая по своим размерам и происхождению бывает трех видов: макронеровность, волнистость и микронеровность (рис. 7).

Механически обработанные детали имеют макроотклонения (Макро) значительной величины — эллипс, конус, бочкообразность, неплоскостность и т. д. На эти отклонения накладываются более мелкие волны, образующиеся в результате нежесткости и вибрации обрабатываемых деталей или станков. Появившаяся волнистость в свою очередь покрывается неровностями очень малой величины — микронеровностями (микро). В связи с такой классификацией неровностей поверхности появились термины «макрогеометрия» и «микрогеометрия».

В зависимости от направления окончательной обработки детали различают две разновидности шероховатости — поперечную и продольную.

При оценке качества поверхности принимается во внимание поперечная шероховатость, так как она обычно больше продольной.

На рис. 8 показана профилограмма, на которой в увеличенном масштабе изображены выступы (гребешки) и впадины на поверхности детали.

Рис. 8. Профилограмма, отражающая шероховатость и волнистость поверхности

По ГОСТ 2789—59 предусматривается 14 классов чистоты поверхности, соответствующих определенным значениям шероховатости. Чем ниже численное значение шероховатости Ra или Rz, тем выше класс чистоты поверхности.

Имеющиеся на поверхности микронеровности усиленно изнашиваются в первый период работы сопряженных деталей, т. е. в период приработки. В это время происходит разрушение и истирание первоначальных неровностей, а также образование новых неровностей, имеющих иную форму в зависимости от размера и направления движения трения.

При одинаковых условиях изнашивания после приработки устанавливается так называемая оптимальная (наиболее благоприятная) шероховатость, которая не зависит от первоначальной шероховатости, появившейся после механической обработки. Оптимальная шероховатость может быть и больше и меньше первоначальной. При этом часто слишком грубые поверхности становятся более чистыми и, наоборот, слишком чистые — более грубыми.

Если бы заранее было известно, какая шероховатость получится после приработки данных деталей, и. заранее получать ее, то можно было бы в значительной степени избежать процесса приработки, а следовательно, и связанного с ним большого износа металла, при котором увеличиваются зазоры в сопряжениях. Многочисленными исследованиями подтверждено, что наименьший износ трущихся поверхностей получается при оптимальной шероховатости.

Следует отметить, что оптимальная шероховатость, возникшая после приработки трущихся поверхностей, направлена всегда по движению трения, в то время как при механической обработке направление штрихов обработки может быть самым разнообразным.

Как утверждает проф. П. Е. Дьяченко, направление штрихов обработки трущихся деталей в значительной степени влияет на работу деталей машин. Учитывая важность этого положения, Институт машиноведения Академии наук СССР разработал проект стандарта для оценки направления штрихов на обработанной поверхности. Учитывая износ детали для разных условий эксплуатации, выбирают наиболее благоприятное направление штрихов обработки.

При благоприятных условиях трения и при небольших удельных давлениях и хорошей смазке для трущихся поверхностей рационально выбирать такие методы обработки, когда штрихи будут совпадать с направлением движения трения. В этом случае трущиеся поверхности будут иметь большую площадь соприкосновения, и задиров не произойдет, так как поверхности будут разделены слоем смазки, которая не выдавливается при небольших удельных давлениях на поверхность.

Для тяжелых условий работы трущихся поверхностей, т. е. при высоких удельных давлениях и недостаточной смазке, рациональнее выбирать штрихи, пересекающие друг друга. В этом случае трущиеся площадки соприкосновения будут значительно меньше, а следовательно, уменьшится возможность появления задиров.

В результате большого количества исследований влияния качества обработанных поверхностей на износ деталей установлено, что мокрое шлифование и полирование увеличивают износостойкость поверхности металла по сравнению с фрезерованной поверхностью на 25%.

Притирка и полирование поверхностей после шлифования значительно уменьшают износ деталей, например шлифованные порпь невые пальцы при испытании двигателя уменьшились по диаметру на 0,0075 мм, в то время как притертые сохранили свой первоначальный размер.

При исследовании цилиндров автомобильных двигателей было установлено, что для получения нормального давления сжатия при приработке расточенного цилиндра потребовалось 200 ч, а для полированного— 45 ч. Расточенные гильзы цилиндра показали износ 0,018 мм за 24 ч и 0,038 мм за 50 ч, в то время как у таких же полированных гильз никакого износа не образовалось. Установлено также, что при высоких удельных давлениях и трении без смазки величина износа мало зависит от микрогеометрии поверхностей.

При небольших же удельных давлениях и при наличии смазки более чистые поверхности изнашиваются значительно меньше, т. е. с увеличением шероховатости износ повышается.

Качество обработанных поверхностей трения определяется не только микрогеометрией, но также и микроструктурой, степенью деформации поверхностного слоя и его напряженностью.

В связи с тем что сила трения действует на поверхностные слои металла, износостойкость детали во многом зависит от физического состояния этих слоев.
Различные методы окончательной обработки трущихся поверхностей деталей вызывают в поверхностных слоях металла структурные изменения, которые могут распространяться в основную массу металла на различную глубину. Следовательно, в любом поперечном или продольном сечении обработанной детали можно выделить поверхностный слой, структура которого и все связанные с ней свойства будут отличаться от структуры и свойств основной массы металла.

По исследованию Д. В. Конвисарова, у всех деталей, обработанных резцами или шлифовальными кругами, на глубине, равной толщине снятой стружки, имеется граница между структурой основного металла и структурой поверхностного слоя, пластически деформированного под действием режущего инструмента. Металлографический анализ этого поверхностного слоя показывает, что в нем имеются явные разрушения или сдвиги кристаллов, а также строго последовательное смещение всех элементов структуры в определенных направлениях.

На основании имеющихся исследований считают, что поверхностный слой состоит из раздробленных кристаллических зерен, которые в зависимости от степени раздробления начинают терять специфические свойства кристаллических тел. В результате пластической деформации механические свойства этого слоя изменяются, металл становится более прочным, твердость его увеличивается, появляются различные остаточные внутренние напряжения значительной величины.

Такое изменение физико-механических свойств поверхностного слоя оказывает значительное и непосредственное влияние на износостойкость и динамическую прочность металла.

Наклеп поверхностного слоя, глубина и увеличение которого- зависят от пластических свойств металла, режима резания и качества режущего инструмента, увеличивает прочность металла, так же как и сжимающие напряжения, остающиеся в поверхностном слое после механической обработки. Растягивающие же напряжения, риски от обработки и надрезы снижают прочность металла.

Увеличение шероховатости приводит к понижению прочности металла, если поверхность подвержена повторно-переменным нагрузкам. В этом случае характеристикой шероховатости поверхности будет являться не средняя квадратичная отклонений, а наибольшая высота шероховатости, которая определяется на основании изучения микрогеометрии по всей длине профиля. Отмечено также, что в большинстве случаев решающей причиной является случайная наибольшая высота шероховатости, которая встречается при всех видах механической обработки.

Изучая профилограмму обработанной поверхности образца да его испытания, можно установить наибольшую величину случайной высоты шероховатости и ее расположение. При испытании образца на разрыв разрушение его происходит по впадине на микроповерхности вблизи гребня, соответствующей наибольшей случайной высоте, играющей роль надреза, который резко снижает прочность металла вследствие появления местных сосредоточенных напряжений.
Наибольшие случайные высоты шероховатости существенного влияния на износ не оказывают, так как гребешки в процессе трения очень быстро срабатываются; на динамическую же прочность величина гребешков оказывает решающее влияние и поэтому их надо принимать во внимание.

На усталостную прочность металла оказывает влияние и режим резания. Исследования, проведенные Институтом строительной механики АН УССР, при малых подачах (от 0,03 до 0,06 мм/об) и низких скоростях резания (до 3 м/мин) показали значительную- продольную и поперечную шероховатость, а также микроскопические трещины, снижающие прочность образца. При этих же скоростях резания был обнаружен наклеп и увеличение его на значительную глубину. Анализ этих явлений позволил сделать вывод, что при низких скоростях резания с малыми подачами прочность металла понижается.

С увеличением скорости резания до 10—15 м/мин при малых, подачах была обнаружена зона, при которой поверхность остается еще значительно шероховатой, но глубина наклепа и его увеличение являются наименьшими. В этом случае прочность металла считают минимальной.

При дальнейшем увеличении скорости резания шероховатость поверхности резко снижается (до 2ч-5 мк) и остается постоянной
в пределах значительных скоростей резания. При этом глубина и интенсивность наклепа возрастают. Следовательно, с увеличением скорости резания выше 15 м/мин прочность металла при повторно- переменных нагрузках увеличивается.

При увеличении подачи с 0,2 мм/об отмечалось резкое увеличение шероховатости, незначительное возрастание глубины и интенсивности наклепа. Опытами установлено, что с увеличением подачи с 0,05 до 0,13 мм/об прочность уменьшилась на 3,6%, а при подаче от 0,13 до 0,41 мм/об — на 22,6%. Следовательно, с увеличением подачи резца при обтачивании прочность металла понижается.

Рис. 9. Влияние перлита на износостойкость чугуна при трении скольжения

На прочность металла существенное влияние оказывают методы окончательной обработки поверхностей и структурные изменения, происходящие в поверхностных слоях. С повышением чистоты поверхности прочность металла повышается. Самые незначительные ожоги, получающиеся при шлифовании, резко снижают предел усталости металла, так как они сопровождаются изменением структуры поверхностных слоев.

Точность обработки

Качество обработки деталей машин определяется двумя критериями: точностью обработки и шероховатостью обработанных поверхностей.

Под точностью обработки понимают степень соответствия изготовленной детали заданным размерам и форме. В большинстве случаев форма деталей определяется комбинацией известных геометрических тел: цилиндрических, конических, плоскостей и т. д. Можно установить следующие основные критерии соответствия детали заданным требованиям:

• точность формы, т. е. степень соответствия отдельных поверхностей детали тем геометрическим телам, с которыми они отождествляются;
• точность размеров поверхностей детали;
• точность взаимного расположения поверхностей

Отклонения формы и расположения поверхностей

Отклонение формы реальной поверхности от номинальной, т. е. заданной чертежом, оценивается наибольшим расстоянием D между точками реальной поверхности и номинальной, измеренным по нормали к последней. Отклонения формы и расположения поверхностей регламентируются ГОСТом. Наиболее часто встречающиеся из них:

Отклонения от плоскостности:

• Выпуклость — отклонение от прямолинейности, при котором удаление всех точек реального профиля от прилегающей прямой уменьшается от края к середине (рис. 1, а, в);
• Вогнутость — отклонение от прямолинейности, при котором удаление всех точек реального профиля от прилегающей прямой увеличивается от края к середине (рис. 1,б,г).

Отклонения от круглости:

• Овальность — отклонение от круглости при котором реальный профиль представляет собой овалообразную фигуру, наибольший и наименьший диаметры которой находятся во взаимно перпендикулярных направлениях (рис.1, д);
• Огранка — отклонение от круглости при котором реальный профиль представляет собой многогранную фигуру (рис.1,е).

Рисунок 1. Определение величины отклонения формы

Отклонения профиля продольного сечения — характеризуются непрямолинейностью и непараллельностью образующих:

• Конусообразность – отклонение профиля, при котором образующие прямолинейны, но не параллельны (рис. 2,а);
• Бочкообразность — отклонение профиля, при котором образующие непрямолинейны, а диаметры увеличиваются от краёв к середине сечения (рис. 2,б);
• Седлообразность — отклонение профиля, при котором образующие непрямолинейны, а диаметры уменьшаются от краёв к середине сечения (рис. 2,в).

Рисунок 2. Отклонения профиля продольного сечения

Рисунок 3. Отклонения расположения

Отклонения расположения характеризуется отклонением реального расположения поверхностей (осей) от их номинального расположения:

• Торцовое биение – разность D наибольшего и наименьшего расстояний от точек реальной торцовой поверхности, до плоскости, перпендикулярной базовой оси вращения (рис. 3,а);
• Радиальное биение – разность наибольшего и наименьшего расстояний от точек реальной поверхности до базовой оси вращения в сечении, перпендикулярном этой оси;
• Неперпендикулярность осей или оси и плоскости – расстояние D (Рис. 3,в) между осями или осью и плоскостью на заданной длине; Например: =0,025 мм на 100 мм длины.
• Непараллельность оси вращения и плоскости – разность А-В наибольшего и наименьшего расстояний между осью и прилегающей плоскостью на заданной длине (Рис. 3,г);
• Несоосность – наибольшее расстояние D (Рис. 3,е) между осью рассматриваемой поверхности и осью базовой поверхности на всей длине рассматриваемой поверхности или расстояние между этими осями в заданном сечении.

Факторы, определяющие точность обработки

Погрешность обработки — Отклонение параметров реальных поверхностей детали от заданных на чертеже ещё называется погрешностью. В результате несоответствия действительных движений заготовки и инструмента движениям, предусмотренным кинематической схемой станка, возникает погрешность обработки.

В состав погрешности обработки входят:

• погрешность работы станка, возникающая вследствие неточности кинематической схемы станка и его отдельных узлов;
• погрешность настройки, возникающая от неправильности взаимного расположения инструмента и заготовки, а также от неточности регулировки упоров и остановов.

Погрешность настройки складывается из:

• неточности настройки режущего инструмента;
• износа режущего инструмента;
• упругих деформаций технологической системы станок—приспособление—инструмент—деталь (СПИД);
• температурных деформаций узлов станка, обрабатываемой заготовки и режущего инструмента.

Рисунок 4.

Точность настройки станка и режущего инструмента

При смещении резца на размер а вверх-вниз относительно оси станка (рис. 4) диаметр D заготовки увеличивается.

Биение вращающихся центров станка приводит к биению обрабатываемых поверхностей заготовки относительно оси центральных отверстий. При перестановке обработанной заготовки на другой станок с другим биением центров может возникнуть отклонение от соосности у заготовок, обрабатываемых в разных условиях.

Жёсткость технологической системы

Жёсткостью технологической системы называют отношение радиальной силы резания Py, направленной перпендикулярно обрабатываемой поверхности, к смещению y режущей кромки инструмента относительно обрабатываемой поверхности заготовки в том же направлении:

Под влиянием силы резания возникает упругая деформация элементов технологической системы СПИД (изгиб и сжатие резца, изгиб заготовки и т.п.). Если бы под действием сил резания заготовка и инструмент не деформировались, то обработанная поверхность имела бы форму цилиндра диаметром d (рис.5).

Однако, в результате упругих деформаций резца и заготовки диаметр обработанной поверхности будет отличаться от заданного на величину погрешности — . Эта погрешность тем больше, чем больше величины сил , чем больше вылет резца. В различных точках обрабатываемой поверхности жёсткость технологической системы различна. Например, при консольном закреплении в 3-х кулачковом патроне жёсткость детали будет уменьшаться по мере удаления от патрона. Следовательно, при обработке с продольной подачей стрелка прогиба детали от действия сил резания будет изменяться по длине обработанной поверхности, и мы получим погрешность формы детали — конус вместо цилиндра (см. рис. 6).

Деформации режущего инструмента, зависящие от величины его вылета из резцедержателя, особенно сказываются при растачивании глубоких отверстий (рис. 8).

Повышение жёсткости технологической системы — непременное условие применения высокопроизводительных режимов резания и повышения точности обработки.

Влияние на точность обработки температуры и других факторов

В процессе резания звенья технологической системы нагреваются, что приводит к возникновению температурных погрешностей. Так, вследствие нагрева инструмента удлиняется его режущая часть, что приводит к возникновению погрешности формы и размеров при обработке длинных поверхностей.

Выделение тепла при резании приводит к нагреву обрабатываемой заготовки, причём — чем длиннее заготовка, тем неравномернее она нагревается. Следовательно, изменяется её форма и размеры, что вносит дополнительную погрешность обработки.

Температура нагрева обрабатываемой заготовки зависит от количества теплоты, поступающей в заготовку, которая в свою очередь зависит от массы заготовки, теплоёмкости её материала, режима резания. Чем больше масса заготовки, тем меньше она подвержена температурным деформациям.

При работе станка выделяется теплота из-за трения в узлах и подшипниках, вследствие чего нагреваются детали станка и его механизмы. У токарно-винторезного станка главным образом нагревается передняя бабка. Задняя бабка, суппорт и станина нагреваются незначительно. Ввиду больших масс частей станка происходят медленные температурные деформации, которые незначительно влияют на точность обработки.

Большое влияние на точность обработки оказывает размерный износ режущего инструмента в направлении нормали к обрабатываемой поверхности. Величина износа зависит от пути, пройденного резцом за период его стойкости, т.е. пути резания:
[м], где скорость резания, м/мин.

Характеристикой интенсивности размерного износа является относительный износ (мкм), т.е. размерный износ приходящийся на 1000 м пути резания:

Рисунок 9.

Рисунок 10.

Относительный износ имеет сложную зависимость от скорости резания (см. рис. 9). В зоне низких скоростей (50 м/мин) он довольно велик; при возрастании скорости резания он уменьшается, достигая минимума при оптимальном значении . Дальнейшее возрастание скорости резания приводит к увеличению относительного износа.

Зависимость скорости изнашивания от времени работы инструмента имеет следующий вид (см. рис. 10). В начале работы резец изнашивается значительно интенсивнее. Начальный износ можно учесть, прибавляя к пути резания длину .

Тогда размерный износ может быть определён по формуле: