Забезпечення якості поверхонь деталей машин технологічними методами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема: Забезпечення якості поверхонь деталей машин технологічними методами

1. Загальні теоретичні відомості

Зовнішній прошарок деталі, що має макро- і мікровідхилення від ідеальної геометричної форми і змінені фізико-механічні властивості порівняно з властивостями основного матеріалу називають поверхневим прошарком. Він формується при виготовленні і експлуатації і в глибину може складати від десятих долей мікрометра до декільких міліметрів. Схему цього прошарку показано на рис. 4.1

Рис. 4.1 Схеми поверхневого прошарку деталі: 1 - адсорбована зона; 2 - зона оксидів; 3 - гранична зона; 4 - зона металу зі зміненою твердістю, структурою, фазовим і хімічним складом; 5 - основний метал.

обробка поверхня деталь шорсткість

Після механічної обробки різальний інструмент залишає на обробленій поверхні нерівності у вигляді грібішків і западин.

Висота і форма, а також характер розташування і напрямок нерівностей оброблених поверхонь залежить від :

· Режимів обробки (V, S) ; на рис. 4.2 показано, що при точинні сталі 45 найбільша шорсткість створюється при V20 м/хв., а зона найменшої шорсткості знаходиться в межах 5 м/хв. V 70 м/хв.;

Рис. 4.2 Вплив швидкості різання на утворення наросту та шорсткості обробленої поверхні при точінні сталі 45

на рис. 4.3 показано вплив подачі на висоту мікронерівностей, зміна подачі від 0,02 до 0,1 мм/об. мало впливає на на висоту жорсткості, чистове точіння потрібно проводити при S=0,05…0,12 мм/об., за численними дослідженнями встановленно, що глибина різання практично не впливає на шорсткість;

Рис. 4.3 Залежність шорсткості від подачі

· геометричних параметрів різального інструмента. З рис. 4.4 видно, що - збільшення подачі, головного і допоміжного кутів різця у плані призводить до зростання висоти нерівностей; зростання радіуса заокруглення вершини різця знижує висоту жорсткості поверхні;

Рис. 4.4 Геометричні причини утворення шорсткості під час точіння

· оброблюваного матеріалу - в'язкий та пластичний матеріал при обробці має грубу поверхню, тобто висота мікронерівностей велика, вони зменшеншується при обробці матеріалу з рівномірною структурою та підвищеноюю твердостю;

· жорсткості технологічної системи - див. рис. 4.5 ;

Рис. 4.5 Вплив піддатливості технологічної системи алмазно-розточувального верстата: а - на амплітуду коливань (1) і зношування інструменту (2) ; б - на шорсткість поверхні заготовки зі сталі 20Х, обробленої при V=100 м/хв., S - 0,14мм/об.

· умов охолодження та мащення зони різання.

Одночасно зі створенням нерівностей змінюється і структура поверхневого прошарку, він перетерплює пластичні деформації і набуває деформаційне зміцнення (наклеп), твердість його підвищується, виникають внутрішні напруги. Ступінь наклепу металу та глибина проникнення пластичних деформації залежить від:

· способу обробки - різання, шліфування, накатування, див. рис.4.6, 4.7;

V=38 м/хв.; Sz=0,05 мм/зуб; t=1 мм; 1 - заново заточена фреза; 2 - фреза, що пропрацювала половину періоду стійкості; 3 - зношена фреза

Рис. 4.7 Вплив зернистості та швидкості круга на наклеп поверхні загартованої сталі: 1 - зернистість 5; 2 - зернистість 6; 3 - зернистість 10

· режимів різання та геометрії інструмента, див. рис. 4.8, 4.9, 4.10,4.11, 4.12, 4.13.

Рис. 4.10 Вплив швидкості різання на зміцнення сталей, що структурно не змінюються, під час точіння (а) та фрезерування (б): 1 - сталь 30ХГС; 2 - сталь 20

Рис. 4.11 Вплив швидкості різання на залишкове напруження при точінні

Рис. 4.12 Вплив подачі на формування залишкового напруження при точінні

Рис. 4.13 Залишкове напруження при суперфінішуванні загартованої сталі:

1 - режим мікрорізання; 2, 3 - режими лощення

Отже, параметри, що характеризують якість поверхні, це:

· геометричні (шорсткість); (див. додаток 6, табл. 6.16.4);

· фізико-механічні (твердість, наклеп, залишкові напруження); (див. додаток 6, табл.6.5; 6.6).

Параметри шорсткості поверхні (Ra,Rz) для різноманітних умов обробки можна визначити за емпіричними залежностями, достовірність яких обмежується факторним простором, досліджуваним у процесі експерименту.

Зокрема, при чистовій обробці середньовуглецевих сталей точинням різцями марки Т15К6 середнє арифметичне відхилення профілю Ra можна визначити за формулою:

(мкм)

де t - глибина різання , мм;

S - подача мм/об;

і - головний і допоміжний кути в плані, град;

V - швидкість різання, м/хв.;

r - радіус при вершині різця, мм;

НВ - твердість за Брінелем.

При алмазному точинні різцями з композиту 01 загартованих сталей:

де Rпр - попередня шорсткість, мкм;

- попередній кут різця, град;

кр - радіус округлення головної різальної кромки, мм.

Наведені залежності дозволяють як прогнозувати очікувану шорсткість поверхні, так і визначати елементи режимів обробки та геометричні параметри інструментів відповідно до заданих значень шорсткості.

З фізико-механічних параметрів найбільш практичне застосування знайшли ті, що характеризують наклеп поверхневого прошарку, тому що вони мають істотний вплив на експлуатаційні властивості.

Наклеп поверхневого прошарку оцінюють, як правило, двома кількісними показниками: товщиною hн (мкм) і ступенем наклепу (%), який визначається наступним чином:

де - поверхнева мікротвердість;

- вихідна мікротвердість матеріалу.

Характеризувати наклеп поверхневого прошарку можна і більш простим параметром - коефіцієнтом наклепу , що пов'язаний зі ступенем наклепу співвідношенням

Розрахувати зазначені параметри можна за допомогою як емпітричних, так і теоритичних залежностей (див. - [3]).

2. Вплив якості поверхні на експлуатаційні характеристики деталей машин

1. Вплив шорсткості поверхні на зносостійкість:Рис. 4.14, 4.15

Рис. 4.14 Залежність зношування від висоти нерівностей поверхні

(а) (б)

Рис.4.15 Криві зношування (а) поверхонь з різною формою нерівностей (б) при однаковій висоті нерівностей Rz

Точність зєднання деталей залежить від висоти нерівностей, рекомендуються такі співвідношення:

· при діаметрі зєднання понад 50 мм Rz=(0,1…0,15)Т;

· при діаметрі зєднання від 18 до 50 мм Rz=(0,15..0,20)Т;

· при діаметрі зєднання менше 18 мм Rz=(0,20..0,25)Т.

Т - допуск, мкм.

Наклепаний поверхневий прошарок підвищує зносостійкість. Зміцнення збільшує дифузію кисню в метал поверхневого прошарку, створюючи в ньому тверді хімічні зєдннання Fe O, Fe2 O3, Fe3 O4, тому окислювання протікає повільніше і повільніше йде зношування.

2. Вплив якості поверхні на втомлену міцність.Рис. 4.16 4.18

Рис. 4.16 Залежність межі витривалості від висоти нерівностей

Рис. 4.17 Вплив напрямку штріхів обробки на межі витривалості зі сталі 2Х13: 1 - напрямок штріхів попепрек деталі ; 2 - напрямок штріхів вздовж деталі

Рис. 4.18 Вплив глибини (а) і ступеня (б) наклепу, створеного точінням, на межі витривалості сталі 45

3. Вплив якості поверхні на корозійну стійкість

а) зі зменшенням висоти мікронерівностей корозійна стійкість підвищується;

б) зі збільшенням наклепу утворюються кристали з різним електродним потенціалом, це сприяє корозії, але заглажування штріхів декілька покращує антикорозійні умови роботи поверхневого прошарку.

3. Спеціальні технологічні методи формування поверхневого прошарку

Класифікацію основних способів поверхневого пластичного деформування - див. рис. 4.19

Рис. 4.19 Класифікація основних способів поверхневого пластичного деформування: цифри в чисельнику означають досягнуті квалітети, в знаменнику - параметри шорсткості. Ra ,мкм.

1. Дробоструменеве наклепування

Застосовують для підвищення межі витривалості деталей зі сталі і кольорових сплавів, а також для зміцнення зварних швів.

Наклепуванню піддають пружини, листи ресор, зубчасті колеса і інші деталі складних форм після їх кінцевої обробки. На якість поверхні впливають розмір і швидкість руху дробу, а також кут, під яким він ударяє оброблювану поверхню, витрати дробу і тривалість обробки.

Глибина наклепу досягає 0,5 - 1,5 мм, вихідна твердість підвищується на 20 - 50 %, в поверхневому шарі створюються стискуючі напруження 500 - 800 Мпа, а під ним - розтягуючі.

Термін служби пружин підвищується у 1,5 - 2 рази, зубчастих коліс - в 2,5 раза, ресор в 10 - 12 разів. Після обробки дробом Ra = 3,2 - 0, 8 мкм; шорсткість грубооброблених поверхонь зменшується, а чисто оброблених - збільшується.

Обробці піддають незагартовані і термооброблені деталі, використовуючи чавунну або сталеву дріб Ш 0,4 - 2 мм. Тривалість обробки не > 10 хв. у спеціальних камерах за допомогою пневматичних або відцентрових дробометів.

2. Наклепування бойками (чеканка) здійснюють за допомогою пневматичних молотків. Робочим інструментом є сферичний ударник. Від його дії на поверхні залишаються вм'ятини. Метод застосовують для наклепування ділянок концентрації напружень крупних деталей до їх кінцевої обробки.

3. Обкатування роликами і кульками

Обкатують циліндричніні поверхні після чистової обробки лезовим інструментом. зменшується у 2 - 3 рази, збільшується несуча поверхня. Межа витривалості підвищується до 2 разів.

4. Розкатування отворів - виконують багатороликовим інструментом (розкатниками) з застосуванням будь - яких верстатів. Твердість підвищується на 20 - 50 %. Зносостійкість - в 1,5 -2 рази. Можна отримати 7-6 квалітети точності.

5. Обробка сталевими щітками.

(Щітка складається з радіальних дротів Ш 0,3 - 0,1 мм, 35-45 м/с, стійкість декілька тисяч годин).

Глибина зміцнення 0,04 - 0,06 мм, зменшується в 2 - 4 рази за 4-6 с, далі збільшиться. Мікротвердість зростає 1,5 - 4 рази.

6. Обробка дрібних деталей після механічної обробки провадиться у спеціальних барабанах, які наповнюються абразивними гранулами і вся маса піддається вібрації. При цьому знімаються заусениці, закруглюються гострі кромки, частково знижується шорсткість і створюється наклепаний шар.

4. Методи вимірювання і оцінки якості поверхні

Профілометри (цеховий прилад) (стаціонарний переносний) Вимірюють шорсткість в межах 0,02 - 5 мкм. На шкалі приладу оцінка дається по параметрам або Нск (середнє квадратичне відхилення висоти мікронерівностей від середньої лінії профілю).

Профілографи застосовують для запису мікропрофіля поверхні (=0,025 - 80 мкм) у виді профілограм. При подальшій обробці знятої профілограми можуть бути отримані значення для даної поверхні (лабораторний прилад).

Подвійний мікроскоп ПСС - 2 і МИС - 11 призначені для вимірювання =0,8 - 80 мкм. В цьому приладі мікронерівності освітлюють світловим променем, направленим під деяким кутом до контрольованої поверхні. Мікронерівності вимірюють за допомогою окулярного мікрометра або фотографують. Змінними об'єктами досягають збільшення в 517 разів. На приладі визначають шорсткість поверхні по показнику . Недолік метода - необхідність вимірювань і підрахунків результатів вимірювань. Мікроскоп ПСС - 2 застосовують при лабораторних дослідженнях та вибірковому контролі.

Мікроінтерферометри (МИИ - 4) - використовують для вимірювання шорсткості поверхні =0,025 - 0,6 мкм. Інтерференційні смуги скривлюють відповідно профілю мікронерівностей на ділянці поверхні, що розглядається. Висоту цих скривлень вимірюють окулярним мікрометром при збільшенні в 490 разів. Фотографування провадять при збільшенні в 200 разів. Мікроінтерферометри застосовують при лабораторних дослідженнях і виробничому контролі прецизійних деталей.

Метод порівняння поверхонь контрольованих деталей з атестованим еталоном шорсткості є найбільш простим. Еталони повинні бути виготовлені з тих же матеріалів що і контрольовані деталі, оскільки відбивна спроможність матеріалу (сталі, чавуну, кольорових сплавів) впливає на оцінку шорсткості поверхні. Еталони необхідно обробляти тими ж методами, якими обробляють контрольовані деталі.

Інтегральні методи дозволяють посередньо оцінювати шорсткість поверхні по витратам повітря, що проходить через щілини, які створюються западинами мікропрофіля і торцевою поверхнею сопла пневматичної вимірювальної головки, що обпирається на досліджувану поверхню. Настроювання пневматичних приладів проводять по еталонним деталям.

Хвилястість поверхонь можна вимірювати на профілографах при великій базовій довжині і застосуванні головок для ощупування з великим радіусом округлення вістря.

Для визначення глибини і загальної характеристики поверхневих шарів необроблених заготовок а також після попередньої і чистової обробки різанням використовують метод дослідження мікрошліфів. Мікротвердість поверхневих шарів досліджують методом вдавлювання алмазної піраміди на приладі ПМТ-3. Найбільш зручно досліджувати глибину поверхневого шару і зміну його мікротвердості по мірі віддалення від поверхні по мікрошліфу виконаному у виді косого зрізу під кутом =0°30' - 2°. Глибина наклепаного шару h=?tg.

Косий зріз отримують притиранням використовуючи пасту ГОИ, що зменшує можливість змінювання поверхневого шару. Виготовлений зразок встановлюють на приладі так, щоб досліджувана поверхня розташовувалася горизонтально. Потім алмазною пірамідою при навантаженні 500 - 1000 Н наносять відбитки, вимірюють їх діагоналі і визначають за табл.. твердості числа твердості; наклепаний шар там, де мікротвердість для сусідніх відбитків виявиться однаковою.

Для досліджування залишкових напружень у поверхневому шарі використовують рентгеноструктурний аналіз.

Залишкові напруження в поверхневому шарі металу при цьому визначають, витравлюючи з поверхні зразка шари товщиною 5 - 10 мкм, і після кожного витравлювання знімають рентгенограму і визначають зміну у кристалічній решітці вимірюють міжатомні відстані. Цей метод довготривалий і трудомісткий, на зняття і обробку однієї рентгенограми потребує близько 10 год.

Метод структурної електронографії застосовують для дослідження залишкових напружень в шарах менше 5 мкм. Метод заснований на дифракції електронів і дозволяє дослідити будову найтончиших шарів різних матеріалів.

Мікротріщини в поверхневому шарі визначають різними методами дефектоскопії (магнітні суспензії, магнітні індукції, ультразвук, флюоресценція).

Залишкові напруження в поверхневому шарі після попередньої і чистової обробки досліджують також, використовуючи методи НН Давиденкові або Г. Закса. Залишкові напруження визначають розрахунком по величині деформації зразка після зняття з нього напруженого шару.

Метод голографічної інтерферометрії застосовують для визначення залишкових напружень. Він заснований на дифракції і інтерференції електромагнітних сигналів і придатний для дослідження деталей простої і складної форми, дозволяє виявити області підвищеної концентрації залишкових напружень.

Запитання для самоконтролю

1. Які групи параметрів характеризують якість поверхонь деталей машин?

2. Які параметри якості поверхонь деталей відносяться до фізико-механічних? Охарактеризуйте їх.

3. Які параметри якості поверхонь деталей відносяться до геометричних? Охарактеризуйте їх.

4. В чому полягає сутність деформаційного зміцнення (наклепу) металу? Назвіть фактори, що його обумовлюють.

5. Сформулюйте причини виникнення шорсткості поверхні.

6. Якими технологічними заходами можна зменшити шорсткість поверхонь, що обумовлена геометричними причинами?

7. Як впливають на шорсткість поверхонь:

- зміна швидкості різання;

- зміна подачі та глибини різання;

- структура матеріалу;

- застосування мастильно-охолоджувальної рідини?

8. Як впливає шорсткість поверхні деталі на: тертя та зношування; точність з'єднання з іншими деталями; міцність пресових з'єднань; втомну міцність деталей?

9. Як впливає деформаційне зміцнення металу поверхневого шару деталей на: зностійкість, втомну міцність?

10. Як впливають структурні зміни металу поверхневого шару на механічні властивості деталей?

11. Охарактеризуйте спеціальні технологічні методи формування поверхневого шару деталей машин.

12. Охарактеризуйте методи вимірювання та оцінки якості поверхонь деталей машин.

Размещено на Allbest.ru