Связь шероховатости поверхности деталей машин и механизмов с их надёжностью и долговечностью

Одним из основных показателей качества различных изделий машиностроения является их надёжность и долговечность. При этом качество промышленной продукции в значительной степени определяется её эксплуатационными свойствами. К эксплуатационным свойствам обычно относят такие свойства изделий, как их прочностные характеристики, усталостную прочность, износостойкость, коррозионную стойкость, герметичность соединений, прочность посадок, эстетичность и др. [1, 2].

Эксплуатационные показатели непосредственно связаны с конструктивными и технологическими параметрами, называемыми обычно функциональными [1]. К функциональным параметрам относят параметры качества применяемых материалов, параметры механических свойств поверхностного слоя деталей, которые могут формироваться в результате различных упрочняющих технологий, геометрические параметры точности и качества изготовления деталей. К геометрическим параметрам наряду с размерами деталей относятся и параметры неровности поверхностей этих деталей, в частности их шероховатость.

Важно отметить, что управление качеством промышленной продукции, как правило, осуществляется путём управление эксплуатационными показателями через функциональные параметры. При этом если установлено, что тот или иной показатель существенно зависит от неровностей поверхности, то без выявления механизма такой связи невозможно обеспечить целенаправленное воздействие на поверхность детали при её изготовлении с целью получения заданных уровней физически обоснованных параметров неровностей. В связи с этим управление качеством продукции по показателям, зависящим от качества поверхности, состоит в раскрытии механизма формирования неровностей поверхности деталей изделия в зависимости от свойств обрабатываемого материала, вида обработки, параметров оборудования, инструмента, режимов обработки и других конструктивных и технологических факторов [1].

Известно, что срок службы многих деталей различных изделий во многом определяется их усталостной прочностью. При этом также установлено, что возникновение усталостных трещин во многих случаях начинается с поверхностного, рабочего слоя детали, так как трещины на свободных поверхностях возникают легче, чем внутри объёма металла. Их дальнейшее развитие в глубь металла приводит к усталостному разрушению деталей, долговечность которых определяется скоростью роста трещин. На возникновение и рост микротрещин существенное влияние оказывает концентрация напряжений у рисок, то есть во впадинах неровностей поверхности деталей. Величина концентрации в свою очередь зависит от глубины рисок и от радиуса закругления их впадин. В работе [1] показано, что снижение сопротивления усталости у конструкционных сталей при нормальной температуре может достигать 10 – 25%, а у жаропрочных сталей, работающих при высоких температура порядка 1200 С и выше значений 40 – 50%. Процессам образования и развития усталостных трещин под действием эксплуатационных и технологических факторов посвящено обширное количество научных работ, таких как [3 – 13] и множество других.

Установлено также, что в большинстве случаев износ трущихся поверхностей при трении скольжения имеет усталостный характер растрескивания поверхностного слоя под влиянием повторных механических и термических напряжений [14, 15]. При этом интенсивность изнашивания зависят от размеров и формы неровностей и, следовательно, в отношении износостойкости деталей неровности их поверхностей имеют первостепенное значение.

Долговечность пар трения качения ограничивается в основном усталостным разрушением и выкрашиванием контактирующих поверхностей [1, 14, 15]. К выкрашиванию приводят повторно-переменные контактные напряжения, вызывающие образование трещин, расклиниваемых попадающей на них смазкой. Проведёнными исследованиями выявлено, что в зубчатых передачах рабочие поверхности зубьев тем лучше сопротивляются усталостному разрушению, чем меньше их неровности и при этом с уменьшением неровностей уменьшается величина и продолжительность приработочного износа. В подшипниках качения была экспериментально подтверждена прямая зависимость шума и вибраций от неровностей поверхности.

Таким образом, согласно литературным данным, при трении качения неровности поверхности оказывают сильное влияние на сопротивление контактному усталостному разрушению, износ, шум и вибрации в подшипниках качения. При этом важную роль играют величины неровностей, их шаги и радиусы закругления выступов и впадин.

Из литературных источников [1, 15] также известно, что неровности поверхности оказывают заметное влияние на силу тяги вертолётного газотурбинного двигателя, а также на внезапные отказы пар, подобных контактирующей паре якорь – втулка клапана пускового топлива в авиационном двигателе.

Влияние неровностей поверхности на коррозию металлов близко по характеру к влиянию их на усталостное разрушение. Глубокие впадины с малыми радиусами закругления дна увеличивают неоднородность поверхности и приближают момент первых коррозионных разрушений. В работах [6, 17 - 19] приведены данные о том, что коррозионные потери уменьшаются по мере повышения степени плавности и упорядоченности неровностей поверхности.

В работах [15, 20, 21] показано, что характер микронеровностей поверхности существенно влияет и на контактную жёсткость и виброустойчивость различных механизмов. При этом контактная жёсткость характеризует способность поверхностных слоёв контактирующих тел сопротивляться их деформированию при взаимодействии и в свою очередь сильно зависит от неровностей поверхности, их величины, радиусов закругления выступов и формы, определяющей кривую изменения опорной поверхности.

Неровности поверхности контакта существенно сказываются на эксцентриситете втулки относительно вала, если неоднородности их высот одного порядка с величиной эксцентриситета [22, 23]. Неровности контактирующих поверхностей в большой степени определяют и герметичность стыков и соединений перемещающихся тел [16, 24].

В работах [16, 18, 19, 24, 25] также приведены данные о том, что микронеровности поверхностей оказывают значительное влияние на точность определения параметров деталей, на термическое и электрическое сопротивление контактирующих тел, на прочность сцепления тел при их притирании и склеивании, на качество покрытий поверхностей деталей различными защитными и декоративными материалами, на процессы обтекания рабочей поверхности потоком жидкости или газа, на отражательную способность и сопротивление в радиоволноводах и многое другое.

Таким образом, на основании приведённых данных можно сделать вывод о том, что оценка параметров микрорельефа рабочих поверхностей деталей различных машин и механизмов как на этапе их изготовления, так и при их эксплуатации является одной из первостепенных задач в плане повышения качества промышленных изделий.