книги из ГПНТБ / Каледин Б.А. Повышение долговечности деталей поверхностным деформированием

В книге рассмотрена эффективность применения различных спо­ собов повышения долговечности деталей машин поверхностным пла­ стическим деформированием. Показано влияние этих способов и применяемых режимов упрочнения на качество поверхности, уста­ лостную прочность, износостойкость и контактную выносливость. При­ ведены рекомендации по выбору инструмента и оптимальных режи­ мов упрочнения в зависимости от материала деталей, их конструкции и условий эксплуатации. Сделана попытка раскрыть физическую сущ­ ность процессов, происходящих в поверхностном слое деталей, упрочненных различными способами упрочнения поверхностным пла­ стическим деформированием.

Предназначена для научных сотрудников, инженерно-техниче­ ских работников машиностроительных заводов, а также может быть полезна для студентов вузов и техникумов.

Таблиц 49. Иллюстраций 67. Библиография — 219 названий.

Рецензенты:

доктор технических наук Е. М. Макушок, кандидат технических наук Ю. В. Скорыннн

К

Издательство «Наука и техника», 1974

ПРЕДИСЛОВИЕ

Одной из важнейших задач современного машино­ строения является повышение надежности и долговечности^деталей машин в условиях все возрастающих скоро­ стей относительного перемещения и повышения нагрузок контактирующих поверхностей. Возрастают требования в отношении износостойкости, усталостной прочности, контактной жесткости, антикоррозионных свойств, со­ противления ударным нагрузкам.

В связи с этим возникает необходимость непрерывного совершенствования технологии изготовления как от­ дельных деталей, так узлов и машин в целом. Особое внимание при этом должно быть обращено на обеспече­ ние точности размеров деталей и формы, а также прида­

нию поверхностному слою необходимых физико-механи­ ческих свойств.

«К числу важнейших достижений советской техниче­ ской науки, открывающих новые возможности значитель­ ного повышения качества, надежности и долговечности

ности и создание нового научного и практического на­ правления в науке о технологии машиностроения, на­ правленного на повышение эксплуатационных качеств деталей машин технологическими методами».

Одним из методов обработки, существенно улучшаю­ щих качество поверхностного слоя деталей, является так

Исследованиями в первую очередь советских ученых [/о, o9J установлено, что этим методом обработки (вер­ нее, различными способами этого метода обработки), можно значительно повысить усталостную прочность и

1*

3

Г л а в а I

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

1. РОЛЬ ПОВЕРХНОСТНОГО слоя

ПРИ ОЦЕНКЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

• Анализ причин и характера разрушения деталей ма­ шин показывает, что в подавляющем большинстве слу­ чаев разрушение начинается в поверхностном слое, а сопротивление разрушению определяется качеством по­ верхности, под которым понимают совокупность таких характеристик, как шероховатость поверхности, физико­ механическое состояние, микроструктуру поверхностного слоя и остаточные напряжения.

Отказы деталей машин происходят в основном по двум причинам — из-за повышения предельно допусти­ мого уровня износа трущихся пар и из-за усталостного разрушения. В обоих случаях существенную роль играет «микрогеометрия» поверхности (шероховатость).

Микрогеометрия является характеристикой формы и размеров поверхностных неровностей, расположенных внутри квадрата со стороной порядка одного или не­ скольких миллиметров [50].

Б. И. Костецкий [80] предлагает учитывать и «суб­ микрогеометрию» при оценке шероховатости поверхно­ сти. Субмикрогеометрия характеризует особый вид не­ ровностей, механизм возникновения которых связан с внутренним строением металла и его несовершенствами. Субмикроскопический рельеф следует рассматривать на участках поверхности от одного до нескольких микрон.

Авторы [55] при оценке геометрических характери­ стик поверхности рекомендуют оценивать и ее волни­ стость, под которой понимают неровность с большим отношением шага волны к ее высоте. Очевидно, что объ­ ективная оценка геометрических параметров поверхно­ сти деталей машин должна включать характеристики макрогеометрии, микрогеометрии и субмикрогеометрии с

5

учетом природы и механизма образования геометрических несовершенств. С этой точки зрения стандартные пара­ метры шероховатости поверхности Ra (среднеарифмети­ ческое отклонение) и Rz (высота неровностей) [50] недо­ статочны для характеристики не только эксплуатацион­ ных, но и геометрических свойств поверхностей, так как не дают никакой информации о форме и распределении неровностей. Для усталостной прочности, например, осо­ бенно важно отсутствие на поверхности глубоких рисок и микротрещин, служащих концентраторами напряже­ ний и становящихся впоследствии очагами разрушения. Поэтому микрогеометрию с этой точки зрения характе­ ризуют не усредненные параметры (такие, как Ra, ГОСТ 2789-59), а выбросы локальных параметров микрогеомет­ рии, например глубина и радиус закругления дна впадин профиля поверхности.

При трении и износе определяющими являются ло­ кальные параметры геометрии, описывающие высоту и

При трении без смазки интенсивность износа в конеч­ ном счете определяется максимальными локальными на­ пряжениями и деформациями контактирующих поверх­ ностей. Чем выше и острее микровыступы, тем больше при прочих равных условиях напряжения в контакте, интенсивность вызываемых ими микроразрушений по­ верхностных слоев металла и интенсивность износа как сумма этих микроразрушений. В связи с этим в качестве основного критерия формы единичных неровностей при трении без смазки используется отношение радиуса за­ кругления вершины выступа к его высоте [84, 85].

При полужидкостном трении внешние усилия воспри­ нимаются не только микровыступами, но и масляными микроклиньями, образующимися во впадинах [84], при­ чем несущая способность этих клиньев определяется углами наклона боковых сторон выступов и впадин и глубиной последних. Чем больше несущая способность масляных клиньев, тем меньше нагрузки приходится на выступы и ниже интенсивность износа, которая зависит как от формы выступов, так н от углов наклона сторон и глубины впадины. ■

6

При трении со смазкой при высоких контактных давлеішях локальные напряжения и деформации поверхно­ стного слоя также определяются формой единичных вы­ ступов контактирующих поверхностей.

Эксплуатационные свойства поверхности зависят не только от формы единичных неровностей, по и от их рас­ пределения по высоте. Характеристикой этого распреде­ ления служит кривая опорной поверхности. Последняя сильно зависит от волнистости, которая и определяет распределение неровностей но высоте [55].

Волнистость поверхности до сих пор сравнительно редко задается при конструировании, несмотря па очень важную роль ее для эксплуатационных свойств поверх­ ности. Это может привести к снижению долговечности трущихся деталей из-за изменения вида опорной кривой

иразмера контурной площади касания.

Ксожалению, до сих пор Не создан стандарт на вол­ нистость, что, конечно, затрудняет нормирование этого показателя качества поверхности.

Качество поверхности, получаемое в процессе обра­ ботки, оказывает существенное влияние на условия экс­ плуатации, особенно для трущихся пар в период прира­ ботки. Но нужно помнить, что в процессе эксплуатации таких пар технологический рельеф претерпевает суще­ ственные изменения. Геометрические параметры поверх­ ности под воздействием пластической деформации, воз­ никновения вторичных структур и разрушения поверхно­

стей при трении значительно изменяются [81 ]. Образуется новая топография поверхности, существенно отличающаяся от исходной. Поэтому одной из целей окончательных операций должно быть приближение технологического рельефа к эксплуатационному.

Геометрические характеристики поверхности деталей, несмотря на всю их важность, не могут характеризовать полностью качество поверхности и ее эксплуатационные свойства. Существенное влияние на это оказывают физи­ ко-химическое и напряженное состояния поверхностного слоя. Тонкие поверхностные слои, толщина которых на­ ходится в пределах от десятков ангстрем (10 8 см) до сотых и десятых долей миллиметра, характеризуются, как правило, иной структурой и свойствами, чем основ­ ной материал изделия. Отличие этих слоев от сердцеви­ ны обусловлено особым состоянием атомов поверхности,

7

следствием чего является свободная поверхностная энер­ гия и большая адсорбционная активность; суммой меха­ нических, тепловых и физико-химических воздействий на поверхность металла при окончательных и предвари­ тельных операциях технологической обработки; повтор­ ными (циклическими), механическими, тепловыми и фи­ зико-химическими воздействиями на поверхность дета­ лей при их эксплуатации.

При обработке резанием, шлифованием и другими методами механической обработки происходит весьма интенсивная пластическая деформация металла, в его локальных объемах возникают высокие температуры, поверхность металла испытывает физико-химическое воз­ действие рабочих сред, охлаждающе-смазочных жидко­ стей, кислорода воздуха. Все это приводит к резкому изменению свойств слоя по глубине.

Существенное влияние на механизм формирования поверхностного слоя оказывают не только окончатель­ ные, но и предыдущие способы обработки [216], т. е. важное значение имеет последовательность операций, термических и механических обработок.

Исследованиями советских ученых [116, 216] установ­ лено, что можно управлять свойствами поверхностного слоя деталей не только с помощью термических и хими­ ко-термических операций, но и с помощью механической обработки. Основными факторами, определяющими осо­ бенности формирования механических, а также физико­ химических свойств тонких поверхностных слоев при механической обработке (и особенно при ППД), являют­ ся пластическая деформация, температура, а также дей­ ствие рабочих сред.

В 1928 г. П. А. Ребиндер впервые обнаружил и изу­ чил явление понижения прочности твердых тел под влия­ нием адсорбции поверхностно-активных веществ из окружающей среды [155]. Это явление получило назва­ ние «эффект Ребиндера». Подбирая соответствующие поверхностно-активные вещества, можно управлять про­ цессами формирования свойств поверхности металла при различных способах механической обработки.

Важной характеристикой состояния поверхностных слоев деталей машин является также их напряженное состояние. В результате различных процессов, происхо­ дящих при обработке детали, в пей образуются остаточ-

8

иые напряжения, которые оказывают весьма существен­ ное влияние на эксплуатационные свойства детали. Об­ щеизвестно, что наличие остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое детали повышает, а наличие оста­ точных напряжений растяжения снижает усталостную прочность деталей. Поэтому одной из главных задач при разработке технологии обработки деталей следует счи­ тать выбор таких операций и режимов обработки, кото­ рые обеспечивали бы в поверхностном слое наличие остаточных напряжений сжатия.

Хотя при оценке влияния знака остаточных напря­ жений на износостойкость мнения исследователей разо­ шлись [146, 170], па наш взгляд, и в этом случае сжима­ ющие остаточные напряжения оказывают благоприятное влияние на износостойкость деталей, работающих в условиях трения со смазкой.

Анализ состояния поверхности деталей с точки зрения геометрических параметров, физико-химических свойств поверхностных слоев и остаточных напряжений показы­ вает, что все эти характеристики качества поверхности взаимно связаны между собой и оказывают влияние друг па друга.

Поэтому разработка общих положений о формирова­ нии качества поверхности деталей машин должна осно­ вываться не только на представлениях о процессах тех­ нологической обработки металлов, но и физики твердого тела, физико-химической механики, теории внешнего трения и износа. Разработка методов изменения свойств поверхностных слоев деталей в заданном направлении является весьма перспективной и актуальной, но еще малоизученной областью научных и технических знаний.

Для получения оптимального технологического каче­ ства поверхности необходимо, как пишет Б. И. Костецкий [80], выполнение следующих требований:

а) эпюра напряжений должна способствовать обра­ зованию новых поверхностей при минимальном разру­ шении и равномерном упрочнении поверхностного слоя; б) среда должна обеспечить снижение поверхностной энергии, облегчение выхода дислокаций на поверхность, пластифицирование и деформацию лишь топких поверх­

ностных слоев.

Для получения оптимального рабочего качества по­ верхности необходимо, чтобы эпюра напряжений соот-.

9