5.3 Влияние качества поверхности на эксплуатационные свойства деталей.

Обеспечение заданного качества машин и длительное сохранение его во многом зависит от качества поверхностей их деталей. Основная причина (80%) выхода из строя машин - это износ рабочих поверхностей сопряженных деталей. Значительно реже наблюдаются поломки деталей из-за некачественного изготовления, их конструктивного несовершенства или заниженной усталостной прочности. Уменьшение износа повышает долговечность машин, сохраняет заданную конструктором точность и сокращает расходы на ремонт, которые нередко за весь срок эксплуатации машин превышают себестоимость их изготовления.

Влияние шероховатости поверхностей сопряженных деталей на их износ в основном проявляется в процессе приработки. В период нормальной эксплуатации износ определяется физико-механическими свойствами поверхностного слоя и режимами работы трущейся пары (скоростью скольжения, нагрузкой, характером смазки). Особенно большой износ наблюдается при частых пусках машин, когда нарушается режим смазки поверхностей трения. Нередко это связано с их задирами и схватыванием.

Для повышения износостойкости трущихся деталей путем уменьшения первичного износа целесообразно создавать поверхности скольжения, шероховатость которых соответствует шероховатости поверхностей приработанных деталей.

На первичный износ сопряженных деталей влияют форма и высота микронеровностей, направление неровностей (штрихов обработки) относительно направления скольжения поверхностей, волнистость и макрогеометрические отклонения поверхностей трения. Влияние этих факторов по-разному проявляется при сухом, граничном и жидкостном трении. Островершинные микронеровности изнашиваются быстрее плосковершинных. Шероховатость целесообразно снижать до определенного предела. На очень чистых поверхностях смазка удерживается плохо; в результате возможно увеличение износа и схватывание сопряженных деталей. Поэтому пришабренные поверхности лучше притертых, так как на них имеются углубления («карманы»), удерживающие смазку. Хорошее удержание смазки обеспечивается слоем пористого хрома, пористой структурой металлокерамических деталей, а также системой мелких маслоудерживающих каналов, получаемых вибронакатыванием.

Большое влияние на износ трущейся пары оказывают волнистость и макрогеометрические погрешности сопряженных поверхностей. Эти дефекты уменьшают поверхности контакта и увеличивают удельные нагрузки по сравнению с расчетными, что обусловливает повышенный износ поверхностей сопряжения. Уменьшая волнистость и макрогеометрические погрешности, можно увеличить срок службы соединения.

На уменьшение износа влияют твердость, структура и химический состав поверхностного слоя. Наличие в слое остаточных напряжений сжатия несколько уменьшает износ, а остаточных напряжений растяжения — увеличивает. Это влияние больше проявляется при упругом контакте и меньше при упругопластическом. Износ изменяет остаточные напряжения в поверхностном слое детали. Остаточные напряжения растяжения при износе снимаются, и возникают напряжения сжатия. Остаточные сжимающие напряжения в поверхностном слое повышают долговечность деталей, работающих по принципу качения. Это обусловлено тем, что позади катящегося ролика в материале сопряженной детали (шейке вала, кольце подшипника) возникают напряжения растяжения.

Шероховатость поверхности влияет на прочность деталей, работающих в условиях циклической и знакопеременной нагрузок. Впадины микропрофиля являются своеобразными надрезами на поверхности и в значительной степени влияют на концентрацию напряжений и образование усталостных трещин. Коэффициент концентрации напряжений для поверхностей, обработанных резанием, находится в пределах 1,5—2,5. Особенно вредно наличие рисок от режущего инструмента в местах концентрации напряжений (канавки, резкие переходы в сечениях). Эти дефекты часто являются причиной поломки многих ответственных деталей. Для устранения влияния дефектов предварительной обработки приходится назначать дополнительную отделочную обработку поверхностей ответственных деталей (шатунов, коленчатых валов, дисков и роторов турбин). Влияние шероховатости поверхности на прочность при ударной нагрузке заметно у заготовок из высокоуглеродистых сталей. Наличие наклепа и остаточных напряжений сжатия в поверхностном слое повышает предел выносливости материала ответственных деталей (пружин, рессор, торсионных валов). Остаточные напряжения растяжения снижают ее.

Прочность сопряжений с натягом во многом зависит от шероховатости поверхностей. При запрессовке происходит сдвиг микронеровностей, и фактический натяг уменьшается по сравнению с расчетным. Прочность снижается значительнее при более шероховатых поверхностях. Прочность прессовых соединений выше при шлифовании и развертывании сопряженных поверхностей, чем при их точении и растачивании. При посадке с тепловым воздействием микронеровности не сдвигаются. Прочность таких соединений выше, чем при обычной запрессовке с тем же натягом.

Коррозия в атмосферных условиях возникает легче и распространяется быстрее на грубообработанных поверхностях. Наклеп ускоряет коррозию в 1,5—2 раза. Это обусловлено тем, что при пластической деформации поликристаллического материала в нем возникают микроскопические неоднородности, способствующие образованию часто расположенных очагов коррозии. Наиболее интенсивно коррозия распространяется в зонах плоскостей сдвигов и местах выхода дислокаций на поверхность. В агрессивных средах и при высоких температурах шероховатость и наклеп мало влияют на антикоррозионную стойкость. Сопротивление коррозии и эрозии при высоких температурах повышают путем алитирования, плазменного напыления, эмалирования и другими методами обработки поверхностей деталей.

Шероховатость поверхности влияет на условия смазки, трение, теплопроводность и герметичность стыков, отражательную и поглощающую способность поверхностей, сопротивление протеканию газов и жидкостей в трубопроводах, сопротивление кавитационному разрушению в гидравлических машинах и другие характеристики поверхностей и сопряжений.