Главная | Обратная связь

Качество поверхности деталей машин и заготовок. Общие понятия и определения.

Под качеством поверхности понимают состояние поверхностного слоя как результат воздействия на него одного или последовательного комплекса технологических методов. Оно характеризуется совокупностью характеристик шероховатости и волнистости поверхностного слоя и микроструктуры его.

При производстве детали на ее поверхности появляются неровности; в слое металла, прилегающем к ней, изменятся структура, фазовый и химический состав, возникают остаточные напряжения.

Слой металла с изменениями по сравнению с основным металлом, из которого изготавливается деталь, структурой, фазовым и химическим составом называется поверхностным слоем. Внешняя поверхность этого слоя граничит с окружающей средой или сопрягаемой деталью. В условиях эксплуатации поверхностный слой детали подвергается сильному физико-химическому воздействию: механическому, тепловому, световому, магнитоэлектрическому, химическому и др. потеря деталью своего служебного назначения происходит в большинстве случаев с поверхности: износ, кавитация, эрозия, коррозия, усталостные трещины и т.д.

К характеристикам качества поверхностного слоя относятся:

Микрогеометрия (шероховатость):

R_z и R_a – высота неровности по 10-ти точкам и среднеарифметическое отклонение профиля;

R_max – наибольшая высота неровностей профиля и местных выступов;

S_m и S – средний шаг соответствующих неровностей профиля и местных выступов;

t_p – относительная опорная длина профиля;

r и r¢ - радиус закруглений вершин выступов и впадин;

W_a и W_max – среднее арифметическое отклонение профиля и их наибольшая высота;

S_w – средний шаг неровности волны;

H_max – наибольшая высота макроотклонения;

H_m - микротвердость;

H – глубина наклепанного слоя;

s и h_s - остаточные напряжения и глубина их залегания.

Различают три вида неровностей: шероховатость, волнистость и отклонения от правильной геометрической формы.

Шероховатость –микрогеометрическое отклонение (оценивается на малых участках) называется совокупность неровностей с относительно малыми шагами на базовой длине, образующих рельеф поверхности.

Шероховатость после механической обработки – это прежде всего геометрический след режущего инструмента, искаженный в результате пластической и упругой деформации технологической системы.

Волнистость поверхности – совокупность чередующихсянеровностей с относительно большим шагом, превышающим принимаемую при измерении шероховатости базовою длину. Волнистость занимает промежуточное положение между шероховатостью и погрешностями формы (макрогеометрией) поверхности. Критерием для разграничения шероховатости и волнистости служит величина отношения шага к высоте неровностей. Для шероховатости l/H < 50; для волнистости l/H = 50…1000; для макрогеометрии l/H > 1000/

Волнистость, как и шероховатость, является одной из основных характеристик качества поверхности, оказывающая влияние на многие эксплуатационные свойства деталей машин. Прежде всего, это связано с тем, что наличие волн приводит к уменьшению опорной длины профиля в 5 – 10 раз по сравнению с равной шероховатой поверхностью. Физически обоснованной, а тем более естественной границы между волнистостью и шероховатостью нет. Стандарта на волнистость нет и выделить шероховатость и волнистость из общей совокупности неровностей поверхности при выбранной базовой длине не представляется возможным.

По рекомендации СЭВ РС 3951-73 для оценки волнистости поверхности следует учитывать максимальную высоту волнистости W_max, среднюю высоту волнистости по 10-ти точкам W_z (вычисляется аналогично R_max R_z) и средний шаг волнистости S_W (определяется как среднеарифметическое расстояние 5-ти значений между волнами на 5-ти равновеликих отдельных участках измерения волнистости).

Числовое значение волнистости по этой рекомендации выбирают из ряда R 10/3 (0,1 – 200 мкм).

Методы измерения и оценки качества поверхностей (профилометры, профилографы, бесконтактный метод, сравнения, измерение волнистости, оценка физико-химического состояния, определение остаточных напряжений, микротрещины).

МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ И ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ

Оценку шероховатости производят при контроле и приемке деталей, а также при выполнении исследований в лабораторных условиях. Применяемые методы оценки можно разделить на прямые и косвенные. Для косвенной оценки используют эталоны шероховатости.

Профилометры выпускают стационарного типа и переносные; они позволяют измерять шероховатость в пределах R_a=0,02¸100 мкм. Действие профилометра основано на ощупывании поверхности алмазной иглой, движущейся по ней по заданной траектории. Возникающие при этом механические колебания иглы вызывают в электрической системе прибора соответствующие Э.Д.С. На шкале прибора оценка шероховатости дается по R_a и R_max .

Профилографыприменяются для записи микропрофиля в виде профилограмм. При последующей обработки снятой профилограммы могут быть получены значения R_a и R_z для данной2 поверхности. Профилограммы предназначены для лабораторных исследований и не пригодны для цехового контроля деталей.

Радиус закругления иглы 10¸12 мкм. ИЗП – 17.

Профилометры – профилографы одновременно позволяют видеть значения шероховатости и записывать на профилограмме. Модель 201, 205 R_a=2,5¸0,04 мкм.

Пределы вертикального увеличения 1000 –200000 раз, горизонтальное 2- 4000 раз.

Бесконтактныйметод с использованием оптических приборов: двойной микроскоп МИС-11 (световое значение). Сменными объективами достигают увеличения до 517 раз. Определяют шероховатость по параметру R_z. Недостаток метода – необходимость измерений и подсчетов результатов измерений. Метод применяют лабораторном исследовании и выборочном контроле.

Микроинтерферометрыиспользуют для измерения шероховатости в пределах R_z=0,1…0,03 мкм. В поле зрения прибора наблюдаются искривленные интерференционные полосы соответственно профиля микронеровностей. Высоты этих искривлений измеряются окулярным микрометром при увеличении в 490 раз. Фотографирование производят при увеличении в 290 раз. Незначительная величина поля зрения прибора при фотографировании ограничивает его применение очнь точных поверхностей по базовой длине. Применяют при лабораторных исследованиях.

При рассмотрении поверхности, оптическая система прибора образует интерференционные полосы. Из-за неровностей они искривляются в полном соответствии с их профилем. Изображение поверхности вместе с интерференционными полосами рассматриваются в окуляр.

Модель МИИ-4, МИИ-5, МИИ-12.

Для измерения шероховатости труднодоступных и внутренних поверхностей, а также деталей без снятия их со станка применяют иммерсионно-репликовый интерферометр МИИ-10. на приборе рассматриваются не сама поверхность, а ее отпечаток (реплика).

Существует ряд методов, позволяющих оценивать шероховатость поверхности не по профилю, а по площади (интегральные методы).

Пневматический метод контроля. Через сопло измерительной головки прижатой к поверхности подается воздух под определенным давлением. По расходу воздуха оценивается значение шероховатости.

Метод электрической емкости стр. 148 [Я].

Метод сравнения поверхности контролируемой детали с аттестованными эталонами шероховатости являются наиболее простым и доступным способом контроля деталей в цеховых условиях. Эталоны ложны быть изготовлены из тех же материалов, что и контролируемые детали, т.к. отражательная способность материала (чугун, сталь, цветные сплавы и др.)оказывают существенное влияние на глазомерную оценку шероховатости поверхности.

Механическая обработка эталонов должна производиться тем же методами, которыми обрабатываются контролируемые детали.

Визуальная оценка по эталонам субъективна, особенно для тонкообработанных поверхностей. В этих случаях рекомендуют пользоваться переносным или стационарным сравнительным микроскопом, в котором изображение контролируемой поверхности и эталона совмещены в поле одного и того же окуляра, разделенным на две равные части, и увеличены в 10-50 раз.

Измерение волнистости поверхностей возможно на профилографах на большой трассе исследования и применения ощупываемых игл с большим радиусом округления острия, а также специальными приборами:

- волнографами;

- волнометрами.

Измерение погрешностей формы и волнистости по окружности производят на приборах завода «Калибр» и фирмы «Тейлор-Госон» Телиронд. Запись производится в полярных координатах при увеличении в 500-1000 раз.

Оценка физико-химического состояния поверхностного слоя после механической обработки проводят по следующим параметрам:

Пластические деформации характеризуются изменением степени пластической деформации по глубине поверхностного слоя (послойная степень деформации) и степень деформации отдельных зерен.

1. Размерные цепи должны состоять из небольшого количества звеньев.

Применение взаимозаменяемости по групповому методу:

1. Сборка шарикоподшипников (подбирают шарики и диаметры колец);

2. Поршней и поршневых пальцев двигателей внутреннего сгорания;

3. Резьбовые соединения (шпильки с корпусами, изготовленных из алюминиевых сплавов).

– наклеп поверхностного слоя оценивается глубиной h_s и степенью наклепа U, интенсивность наклепа по глубине не поверхностного слоя – называется градиентом наклепа U_гр

;

;

где Н_mmax и Н_mисх – максимальная и исходная микронеровность слоя.

Наиболее распространенным методом оценки физико-химического состояния поверхностного слоя является оптическая микроскопия полированных металлических поверхностей с помощью металлографических микроскопов. Проводится металлографический анализ поверхностей фазовый состав, формы и размеры структурных составляющих, плотность дислокаций (микроскопы МИМ-7, МИМ-8).

Электронная микроскопия – применяется для изучения кристаллографии и дефектов структуры.

Для определения глубины и общей характеристики поверхностных слоев пользуются обычными методом исследования микрошлифов. Микротвердость поверхностных слоев исследуют методом вдавливания алмазной пирамиды на приборе ПМТ-3. наиболее удобно исследовать глубину поверхностного слоя и измерение его микротвердости по мере удаления от поверхности на образцах с микрошлифом, выполненном в виде косого среза под углом 0°30¢¸2°. Косой срез получают притиркой, используя пасту ГОИ, это уменьшает до минимума возможные изменения поверхностного слоя.

Основными методами определения остаточных напряжений – рентгеноструктурный анализ. Остаточные напряжения в поверхностном слое металла при этом определяют, стравливая с поверхности образца слои толщиной 5-10 мкм, и после каждого стравливания снимают рентгенограмму. Этот метод длителен и трудоемок; на снятие и обработку одной рентгенограммы требуется около 10 часов.

Изучение остаточных напряжений в поверхностных слоях выполняют, используя методы Н.Н. Давиденкова или Г. Закса. Эти напряжения определяют расчетом по величине деформации образца после снятия с него напряженного слоя. Для тонких слоев применим рентгеновский метод, основанный на измерении межатомных расстояний в напряженном и ненапряженном металле.

Поляризационно-оптические методы изучения остаточных напряжений – проводятся исследования на моделях из прозрачных оптических активных материалов (эпоксидные смолы, стеклоцеллулоид, плексиглас др.), обеспечивающих в ней геометрическое, тепловое и механическое подобие.

Микротрещины в поверхностном слое определяют различными методами дефектоскопии (магнитной суспензии, магнитной индукции, ультразвуком, флюоресценции).