Влияние шероховатости поверхности

Шероховатость поверхности влияет на многие эксплуатационные показатели деталей.

Износ при трении. Темп износа трущейся поверхности и его величина в значительной степени связаны с высотой и формой неровностей и направлением следов обработки.

В начальный период работы трущейся пары контак4т поверхностей происходит по вершинам неровностей. Площадь фактического контакта составляет небольшой процент от теоретической, поэтому в местах фактического по контакта вершинам неровностей развиваются большие удельные давления, которые часто превышают предел текучести и даже предел прочности материала. Под действием этих давлений в состоянии неподвижности поверхностей в точках контакта происходит упругое сжатие и пластическая деформация смятия неровностей. При взаимном движении поверхностей происходит срез, отламывание и пластический сдвиг вершин неровностей, что приводит к интенсивному начальному износу трущихся деталей (этот начальный период получил название «приработка») и увеличению зазора в подвижном соединении. В некоторых случаях, например, в особо нагруженных трущихся парах, повышенному начальному износу способствует возникновение в точках контакта высоких мгновенных температур, что сопровождается молекулярным сцеплением трущихся металлов и образованием и последующим разрушением узлов схватывания.

Экспериментально установлено, что в период начального износа высота шероховатостей уменьшается на 65 – 75%. За счет начального износа и уменьшения высоты неровностей растет фактическая площадь контакта и снижаются удельные давления. Темп износа значительно замедляется. На поверхности формируется оптимальная шероховатость. На рис. 7.26 приведены типичные кривые изменения шероховатости трущихся поверхностей и микротвердости металла в поверхностном слое в зависимости от времени взаимодействия поверхностей, получаемые экспериментально. Оптимальная шероховатость своя для каждого сочетания трущихся материалов и условий трения. При повышении нагрузок на трущиеся поверхности растут оптимальная шероховатость и темп износа.

Увеличение высоты неровностей по сравнению с оптимальным значением повышает износ за счет роста механического зацепления, скалывания и среза неровностей поверхности. Уменьшение высоты неровностей по сравнению с оптимальным значением повышает износ за счет возникновения молекулярного сцепления и заедания плотно соприкасающихся поверхностей повышенной гладкости, чему способствует выдавливание смазки и плохая смачиваемость смазкой зеркально чистых поверхностей.

Если оптимальную для заданных условий работы детали шероховатость создать в процессе обработки, то в процессе износа она не будет изменяться и, таким образом, период приработки и начальный износ можно резко сократить. Отсюда вытекают задачи для конструктора и технолога: конструктор во время проектирования должен задать оптимальную или близкую к ней шероховатость поверхностей подвижных соединений, технолог во время изготовления деталей должен получить на трущихся поверхностях заданную конструктором оптимальную шероховатость. В результате таких решений будет обеспечена максимальная долговечность подвижных соединений в машине. Из этого вытекает и задача для исследователя процессов трения – обеспечить конструктора информацией об оптимальной шероховатости для разных сочетаний трущихся материалов и условий их трения. Добыванием этой информации занята огромная армия исследователей, сформировавшая обширную область технического знания под названием «Трибология и триботехника».

В качестве примера на рис. 9.6 приведены результаты исследования влияния формы неровностей поверхности на ее износ. На рис. 9.6б приведены формы неровностей двух образцов, имеющих одинаковую опорную длину профиля, но различный шаг. На одном образце на длине в 1 см образовано всего 4 неровности, а на другом – 44 неровности на том же 1 см. На рис. 9.6а приведены кривые износа этих образцов. Сравнение кривых износа показывает, что многочисленные тонкие неровности обеспечивают большую износостойкость, чем крупные неровности большого шага. В условиях этого опыта через 160 000 двойных ходов износ поверхности с большим шагом неровностей составил 60 мкм, а с тонкими неровностями малого шага был меньше – только 40 мкм.

Рис.9.6. Кривые износа: а) поверхностей с различной формой неровностей б) при одинаковой высоте шероховатостей R_z

Точность подвижных соединений. За счет интенсивного начального износа может существенно измениться характер посадки подвижного соединения. Например, при назначенной шероховатости поверхностей в соединении вал-втулка R_z = 3÷10 мкм двойная высота неровностей 2R_z в оказывается одного порядка с допуском размера детали. Если начальный износ вала и втулки составит 65 – 75% высоты шероховатостей, то дополнительный зазор за счет этого износа может снизить точность посадки на один – два квалитета, и вместо посадки седьмого образуется посадка восьмого квалитета, как, конечно же ухудшит работу соединения. Поэтому для ответственных соединений, в которых требуется длительное сохранение точности, необходимо назначать при проектировании и достигать при изготовлении деталей шероховатость расчетом по следующим формулам:

· при диаметре соединения d > 50 мм – R_z = (0,10÷0,15)Тd мкм;

· при диаметре соединения 50 >d >18 мм – R_z =(0,15÷0,20)Тd мкм;

· при диаметре соединения d < 18 мм– R_z = (0,20÷0,25)Тd мкм.

Прочность соединений с натягом. С увеличением высоты неровностей поверхностей такого соединения за счет пластической деформации неровностей при запрессовке фактический натяг существенно уменьшается, следовательно, уменьшается и способность соединения с натягом воспринимать сдвигающие нагрузки (уменьшается прочность соединения). Например, экспериментами установлено, что прочность соединения с натягом вагонного колеса с осью при высоте неровностей R_z = 36,5 мкм оказалась на 40% меньше, чем прочность такого же соединения с высотой неровностей сопрягаемых поверхностей R_z = 18 мкм.

Усталостная прочность деталей. Впадины микронеровностей шероховатой поверхности при знакопеременных нагрузках служат концентраторами напряжений. Обработочные риски на поверхности играют роль очагов возникновения субмикроскопических нарушений сплошности материала поверхностного слоя и его разрыхления, что служит причиной возникновения усталостных трещин.

Геометрические характеристики микрорельефа поверхности оказывают влияние и на ряд других эксплуатационных свойств деталей машин: на их прочность при ударной нагрузке, контактную жесткость стыков, коррозионную стойкость, отражательную способность и т.д.